＊鄭春梅

（上海森永工程設(shè)備有限公司 上海 201323）

前言

目前我國農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、助劑等精細(xì)化工產(chǎn)品主要是以間歇化為主的生產(chǎn)過程，規(guī)模小、產(chǎn)量低、生產(chǎn)步驟多，由此帶來了“安全生產(chǎn)壓力大、生產(chǎn)效率低、污染物排放量大、能耗巨大”等嚴(yán)重問題。隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，連續(xù)化生產(chǎn)越來越受到企業(yè)的歡迎。連續(xù)化是工程技術(shù)的一種體現(xiàn)形式，任何工藝技術(shù)均可以通過工程技術(shù)的引入而實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，連續(xù)化生產(chǎn)是合成工業(yè)的必經(jīng)之路。同樣攪拌設(shè)備的發(fā)展也發(fā)生了變化，從最初的小體積、半自動化發(fā)展成為大容積化、連續(xù)化、智能化、節(jié)能化以及高黏度化等。攪拌混合設(shè)備在工業(yè)反應(yīng)過程中起著非常重要的作用，各個行業(yè)對攪拌技術(shù)的要求也愈來愈高，這也使攪拌器的發(fā)展和研究成為熱點。同時，新型材料、新加工工藝技術(shù)的出現(xiàn)也為新型攪拌器的開發(fā)提供了有利條件，新型高效的攪拌器將是今后發(fā)展的趨勢。

本設(shè)計是針對某公司的產(chǎn)品需求為其提供攪拌釜成套設(shè)備工藝及設(shè)計，為確保成套設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、運行穩(wěn)定和可靠，結(jié)合了成熟穩(wěn)定的機械技術(shù)，并運用現(xiàn)代控制技術(shù)，從而形成了具有自己特色攪拌釜成套設(shè)備工藝。整個工藝過程中攪拌釜的設(shè)計至關(guān)重要，通過確定攪拌釜的工藝參數(shù)，選擇合適的機泵及尾氣冷凝罐，將設(shè)備集合成配套撬裝設(shè)備，有效的減少了設(shè)計周期，不僅顯著提高了設(shè)計質(zhì)量也提高了工作效率；有效的實現(xiàn)了設(shè)計的精細(xì)化與標(biāo)準(zhǔn)化，并且模塊化撬裝成套設(shè)備可多次、多地重復(fù)整體搬遷使用，減少了占地面積，也提高了設(shè)備的再次利用率。

1.攪拌釜成套設(shè)備工藝設(shè)計

(1)工藝數(shù)據(jù)

①界區(qū)條件

來自界區(qū)業(yè)主提供的物料參數(shù)、溫度、壓力、流量等條件如表1所示。

表1 界區(qū)物料條件表

②工藝設(shè)計條件

根據(jù)業(yè)主要求及工廠現(xiàn)有公用工程條件，確定攪拌釜成套設(shè)備工藝條件，如表2所示。

表2 工藝設(shè)計條件

續(xù)表

(2)工藝流程簡單說明

工藝物料通過管道輸送進(jìn)入攪拌釜內(nèi)，同時調(diào)節(jié)閥與攪拌釜體上液位計連鎖控制釜體內(nèi)物料液面；物料在反應(yīng)釜內(nèi)均勻混合反應(yīng)，反應(yīng)后的物料通過齒輪泵計量輸送到下一工序備用，同時通過三通閥的作用有效控制回流物料，進(jìn)一步提高產(chǎn)率。釜體夾套通過持續(xù)通入熱水，防止物料凝結(jié)；釜內(nèi)產(chǎn)生的夾帶氣體進(jìn)入尾氣冷凝罐處理，最后排入大氣。

(3)攪拌釜成套設(shè)備布置

雖然模塊化裝置流程簡單，設(shè)備布置相對緊湊，形成撬裝方便使用和運輸。但規(guī)劃出合理的成套設(shè)備布置是非常重要的。本設(shè)計根據(jù)成套設(shè)備工藝流程要求，主物料進(jìn)料方向及主管路走向規(guī)劃研究，結(jié)合攪拌釜的特點及齒輪泵特性要求，設(shè)計出如下攪拌釜成套設(shè)備布置圖，見圖1。該設(shè)備布置占地面積小，也方便電機的檢修和維修，靈活性高，有利于業(yè)主形成連續(xù)化設(shè)計。

圖1 攪拌釜成套設(shè)備布置圖

(4)釜體材料選擇

在整個生產(chǎn)過程中，材料的選擇至關(guān)重要。設(shè)備是生產(chǎn)反應(yīng)的載體，是最應(yīng)當(dāng)注意安全性和運行可靠性的場所。設(shè)備使用材料的選擇需優(yōu)先考慮滿足生產(chǎn)工藝的要求，再根據(jù)實際使用工況從加工制造工藝、材料機械強度、耐壓、耐溫、耐腐蝕等性能，選擇合適的具有高強度、熱塑性及韌性的材料。由于材料的不同，攪拌容器的制造工藝、結(jié)構(gòu)也不同，但攪拌釜體使用材料選擇應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求以及保證產(chǎn)品清潔度的要求。根據(jù)本項目的工況及業(yè)主要求，攪拌釜體材料選用S30408（板材）,其力學(xué)性能熱處理狀態(tài)是固溶，屈服強度σ0.2≥205MPa，抗拉強度σb≥520MPa，符合設(shè)計工藝要求，故選用S30408作釜體的材料。

2.攪拌釜設(shè)計

(1)釜體幾何尺寸計算

已知設(shè)備使用容積要求為0.1m3，根據(jù)公式：

式中：

Di—釜體內(nèi)徑，m；

Vn—使用容積，m3；

η—裝填系數(shù)；

H/Di—釜體高徑比。

考慮反應(yīng)物料為液-液相類型，容器的體積不大，H/Di可取為1.0，從工藝反應(yīng)狀態(tài)及黏度大小考慮，取裝料系數(shù)η為0.90。

初選釜體內(nèi)徑：Di=0.52m。

圓整至公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，取Di=500mm，封頭取相同的內(nèi)徑。確定筒體的高度：當(dāng)Di=500mm，查得標(biāo)準(zhǔn)[6]橢圓形封頭的容積Vh=0.0213m3，則筒體的高度估算值為H=4(V-Vh)/πDi2=0.528m，取H=0.530m，于是H/Di=1。

(2)夾套幾何尺寸計算

攪拌反應(yīng)釜上的夾套類型有很多種，本設(shè)計選擇U型夾套型式，傳熱面積大，有利于傳熱。夾套的直徑與筒體內(nèi)的直徑關(guān)系可參考《攪拌與混合設(shè)備設(shè)計選用手冊》中表7-2選擇計算。

由此，可確定夾套的內(nèi)徑Dj=Di+100=500+50=550mm。從文獻(xiàn)[3]中查到夾套筒體高度公式：Hj=(ηV-Vd)/V1經(jīng)計算得Hj=0.42m，故取Hj為450mm。

(3)傳熱面積計算

夾套傳熱具有結(jié)構(gòu)簡單、檢修方便的優(yōu)點，是應(yīng)用最廣泛的一種傳熱方式。本項目采用夾套形式進(jìn)行傳熱。對于夾套攪拌釜，傳熱面為釜壁，但釜壁厚度對釜體的傳熱影響較小，故總傳熱系數(shù)K選用如下公式：

式中：

Rjo-夾套壁外側(cè)熱阻，m2·K·W-1；

Rji-夾套壁內(nèi)側(cè)熱阻，m2·K·W-1；

aj-夾套側(cè)傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

a-釜內(nèi)側(cè)對流傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

δj-夾套壁厚度；m；

λj-夾套壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)；W·m-1·K-1。

根據(jù)總傳熱方程式計算：

式中：

A-傳熱面積，m2；

Q-總傳熱速率，V；

Δtm-對數(shù)傳熱溫差，K。

式（3）中的對數(shù)傳熱溫差可按下式計算：

式中：

ti—熱媒（或冷媒）進(jìn)口溫度，K；

t0—熱媒（或冷媒）出口溫度，K；

tb—釜內(nèi)物料溫度，K。

結(jié)合公式（2）、公式（3）、公式（4）可以計算得到傳熱面積A=1.1m2。

3.撬裝成套設(shè)備優(yōu)點

設(shè)備集成化已成為石油、化工行業(yè)、精細(xì)化工行業(yè)對生產(chǎn)工藝要求的發(fā)展方向，撬裝成套設(shè)備就是最重要的集成化方式的體現(xiàn)。撬裝成套設(shè)備是將各個專業(yè)集合成一個整體模塊裝置，能夠準(zhǔn)確地、完整地、獨立地實現(xiàn)業(yè)主需求的生產(chǎn)工藝性能。撬塊成套設(shè)備的制造、組裝、檢驗都可以在工廠內(nèi)進(jìn)行，制作完畢后運送到客戶現(xiàn)場，減少現(xiàn)場施工時間，節(jié)約成本。

撬裝成套設(shè)備優(yōu)點：工廠內(nèi)高度集成，減少設(shè)計施工時間。撬裝成套化設(shè)備可以由制造廠設(shè)計施工或者工廠來圖加工。整個制造及組裝在工廠內(nèi)完成，對環(huán)境污染減少，安全和質(zhì)量都有保證。

相較傳統(tǒng)的設(shè)備現(xiàn)場施工安裝方式，大大縮短了設(shè)計施工周期，提高了工作效率；對易損或貴重儀表元件的保護性提高，減少了現(xiàn)場的交叉作業(yè)，同時也減少了現(xiàn)場對于儀表、電氣設(shè)備的接線問題。在工廠內(nèi)完成撬裝設(shè)備的測試和檢驗，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)化程度提高。

(1)節(jié)約資源，降低成本，方便管理

撬裝成套設(shè)備布置緊湊，占地空間小，材料用量小。撬裝設(shè)備出廠前已經(jīng)完成試驗及預(yù)調(diào)試，避免了現(xiàn)場調(diào)試工作，降低了售后服務(wù)成本。同時撬裝成套設(shè)備工廠管理程序完善，成本低；相比較傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工管理不完善，管理費用高，材料和人員成本浪費較大。

(2)提高施工效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量

受當(dāng)?shù)丨h(huán)境及施工場地的影響，現(xiàn)場施工安裝環(huán)境惡劣，工作效率低，工期長，質(zhì)量不易控制。但是撬裝成套設(shè)備裝置是整體模塊供貨，所有制造焊接、組裝及測試都在工廠內(nèi)完成，產(chǎn)品質(zhì)量容易控制，提高了制作精度，同時避免了現(xiàn)場因制作不合格而造成返工等問題的發(fā)生，提高了施工質(zhì)量和效率。

(3)方便維修及移動，靈活性強

撬裝成套設(shè)備裝置靈活性比較強，可以做成帶福馬輪的移動式也可以做成可拆分的模塊設(shè)備，有利于形成配套設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化而且系列化程度也比較高。撬裝成套設(shè)備的拆卸及維修方便，有利于設(shè)備的運輸和管理。對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場安裝方式，由于現(xiàn)場調(diào)試的復(fù)雜性，后續(xù)運行及調(diào)試周期比較長，維護費用也較大。不利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的運行可靠性降低。

(4)可維護性和使用重復(fù)高

撬裝成套設(shè)備裝置可以根據(jù)工藝需要靈活移動，能適用各種功能需求。撬裝設(shè)備安裝定位大部分用螺栓連接，可以根據(jù)需用重復(fù)使用和更換，方便維護。同時撬裝成套設(shè)備逐漸趨于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，不僅能夠提高設(shè)計速率，縮短設(shè)計周期，而且還能提高采購效率，降低設(shè)計成本。撬裝成套設(shè)備不僅便于管理和控制，而且還具有廣泛的發(fā)展前景。

4.結(jié)論

攪拌釜的成套設(shè)備工藝模塊設(shè)計不僅滿足業(yè)主生產(chǎn)需求，而且工藝流程簡單,便于實現(xiàn)工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化，更有利于企業(yè)形成工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)。撬裝設(shè)備安裝緊湊，方便施工，移動運輸容易，使用方便。同時降低了總體投資成本，相對于傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)濟成本和社會效益明顯，有利于裝置形成系列化及定型化，可適用于各種工藝需求。由以上分析可知，攪拌釜成套設(shè)備的工藝設(shè)計發(fā)展前景廣闊，有利于形成標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。