陳惠瓊
(云南天安化工有限公司,云南 安寧 650300)
近些年以來,隨著一些高附加值的經(jīng)濟(jì)作物如花卉產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)液體肥料的需求也日益提升。
帶攪拌KOH貯罐是液體肥料裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一,它的作用是利用攪拌裝置將粉狀KOH固體溶解于水中,并保持固相在液相中部分懸浮,提供合格的生產(chǎn)原料。本文就帶攪拌KOH貯罐的設(shè)計(jì)過程,做全盤的介紹,其中包含攪拌軸的新思路設(shè)計(jì)及計(jì)算,KOH貯罐總體結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1
(a)材質(zhì):碳鋼 (b)材質(zhì):奧氏體不銹鋼圖2 KOH腐蝕速度
KOH貯槽已知設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。
表1 KOH貯槽已知設(shè)計(jì)參數(shù)
依據(jù)KOH堿液腐蝕速度圖(如圖3所示)可確定貯罐的材質(zhì):圖a中的材質(zhì)為碳鋼,圖b中的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼。圖a中,在A區(qū)域,碳鋼腐蝕速度低,且不發(fā)生堿脆。在B區(qū)域中,碳鋼腐蝕速度低,但會(huì)發(fā)生堿脆,焊接或冷作加工后應(yīng)消除應(yīng)力熱處理。在C區(qū)域中,碳鋼腐蝕速度大,且堿脆傾向更大,不宜使用,應(yīng)采用奧氏體不銹鋼。而該設(shè)備設(shè)計(jì)中,KOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%,溫度為 80 ℃,處于圖中的C區(qū)域,故應(yīng)選用奧氏體不銹鋼。依據(jù)圖b可看出,當(dāng)KOH濃度為46%,溫度為 80 ℃ 時(shí),對(duì)奧氏體不銹鋼不存在堿脆傾向,故采用奧氏體不銹鋼可耐腐蝕。
圖3 攪拌軸和力矩示意圖
在奧氏體不銹鋼中,較常用的有321和316L,其中,316L屬于超低碳鋼,321屬于低碳鋼。316L含碳量C≤0.03%,含鎳Ni量為12.00%~16.00%,而321含碳量C≤0.12%,含鎳Ni量為8.00%~11.00%,而高的含鎳量對(duì)于堿有很強(qiáng)的耐蝕性能,且316L較321有更好的焊接性能。故在本設(shè)計(jì)中罐體、攪拌軸及攪拌槳的材料均選用316L。
1.2.1 結(jié)構(gòu)型式的確定
貯罐采用常用的立式圓筒形平頂罐型式,平底和頂蓋均采用焊接。設(shè)備安裝于室內(nèi)地面上。為了消除攪拌過程中,罐中央出現(xiàn)的不利于混合的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”,在罐壁增設(shè)擋板。同時(shí),為滿足相應(yīng)的工藝要求,合理設(shè)置所需要的各種物料管口、檢修內(nèi)件的人孔及監(jiān)測(cè)液位、溫度等參數(shù)的各種儀表接口。
1.2.2 罐體的長(zhǎng)徑比的確定
罐體長(zhǎng)徑比的確定,在罐體公稱容積一定的情況下,應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮:
從攪拌功率角度考慮,在固定的攪拌轉(zhuǎn)速下,攪拌器功率與槳葉的5次方成正比,見公式Nj= Np.ρ.n3.d5可說明。槳葉直徑越大,罐體內(nèi)徑也越大。故容積一定時(shí),不宜選用過小的長(zhǎng)徑比,即高度減小,直徑放大,使罐體呈粗矮型,攪拌器槳葉直徑及攪拌功率也將增大,增加設(shè)備的動(dòng)力消耗。
從傳熱角度考慮,不宜將長(zhǎng)徑比取得過大或過小使罐體直徑過小或過大,傳熱過快或過慢,不利于保證物料溫度。
從傳動(dòng)角度考慮,減小長(zhǎng)徑比,能降低設(shè)備總高度,可減短攪拌軸長(zhǎng)度,有利于設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。
綜上所述,由攪拌罐長(zhǎng)徑比范圍H/D=1~1.3,以及滿足罐體公稱容積 17 m3的要求,確定H/D=1.1,罐體內(nèi)徑D為 2700 mm,罐體高度H為 3000 mm。
1.2.3 罐體壁厚的確定
確定了罐體的長(zhǎng)徑比后,需計(jì)算貯罐壁厚。由于材質(zhì)使用316L,造價(jià)較高,故對(duì)于貯罐壁厚的選取應(yīng)遵循安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則。對(duì)于液體貯罐壁厚的計(jì)算,適用公式為:σ1≤[σ]t ;故罐壁最小厚度的計(jì)算公式為[1]:
式中:δ—— 罐壁的最小計(jì)算厚度,mm;
P0—— 貯罐內(nèi)保持的剩余壓力,MPa;在此,P0很小,故P0=0
γ——貯液重度,t/m3;γ=1.47 t/m3
H—— 貯罐內(nèi)的最高液位,mm;H=2800 mm
[σ]—— 許用應(yīng)力,MPa;[σ]=118 MPa
φ—— 焊縫系數(shù);φ=0.85
C—— 厚度附加量,mm;C=C1+C2
C1—— 鋼板負(fù)偏差,C1=0.5 mm
C2——腐蝕裕量,C2=1.5 mm
D—— 貯罐內(nèi)徑,mm;D=2700 mm.
壁厚選取除計(jì)算外,還需參照工程實(shí)際結(jié)合選取。計(jì)算值通常都偏小,但可作為參考。對(duì)于貯罐內(nèi)徑 Φ2700 mm 時(shí),對(duì)應(yīng)的最小壁厚為δ=6 mm,(見表1)。設(shè)計(jì)壁厚系指以計(jì)算厚度與最小厚度二者中之較大值與腐蝕余量之和,因此,設(shè)計(jì)厚度為6+1.5=7.5 mm,設(shè)計(jì)壁厚確定為 8 mm。而對(duì)于僅承受液壓的貯罐,受力以罐底最大,故最終確定罐底厚度取為δ=10 mm,罐壁厚度取為δ=8 mm,罐頂厚度取為δ=6 mm,罐頂處采用角鋼加強(qiáng),圓筒最小壁厚對(duì)照見表2。
表2 圓筒最小壁厚對(duì)照表(mm)
攪拌器型式的選擇將根據(jù)KOH貯罐中要求達(dá)到粉狀KOH溶解并部分懸浮的目的與攪拌器造成的流動(dòng)狀態(tài)綜合判斷.
在KOH貯罐攪拌過程中,所需的攪拌作用如下:
在加料的瞬間,需要較大的攪拌作用使物料分散,進(jìn)行溶解。而粉狀KOH固體較易溶于水,當(dāng)溶解達(dá)到所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)(46%),攪拌的作用在于保持KOH固體顆粒部分懸浮狀態(tài),部分懸浮即是指允許罐底仍有部分固相暫時(shí)停留。由于固體顆粒為粉狀,固體顆粒的沉降速度不大。因此,所需攪拌造成的液體循環(huán)能力無需過于激烈的強(qiáng)制湍流,攪拌要求液體流型有水平環(huán)流、徑向流及軸向分流,達(dá)到固相部分懸浮。
由于平葉的運(yùn)動(dòng)方向與槳面垂直,在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),液體的主要流動(dòng)為水平環(huán)流,隨轉(zhuǎn)速增大,有漸漸增大的徑向流。而折葉槳由于槳面與運(yùn)動(dòng)方向成一定傾角,所以槳葉運(yùn)動(dòng)時(shí),有水平環(huán)流、徑向流及軸向分流,且折葉槳較適合低粘度固—液相間的溶解及固相懸浮的攪拌。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、排出性能好、槳葉不易磨損且所需動(dòng)力消耗很小等諸多優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中,并不要求固體均勻懸浮,(即固相全部懸浮),只需達(dá)到部分懸浮即可,過大的攪拌強(qiáng)度只是消耗動(dòng)力。綜合以上因素,選擇45°折葉槳式攪拌器為宜。
2.2.1 攪拌器轉(zhuǎn)速的確定
對(duì)于低粘度的固—液相間的攪拌,由以上對(duì)KOH貯罐攪拌過程的分析知,攪拌轉(zhuǎn)速不必過大,過大的攪拌轉(zhuǎn)速,會(huì)造成不利于攪拌過程的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”,且由于物料粘度低,易于流動(dòng)。參照《機(jī)械攪拌設(shè)備》[3],對(duì)于折葉式攪拌器,推薦攪拌轉(zhuǎn)速n=1~100 r/min,同時(shí)結(jié)合擺線針輪減速器的輸出速度,確定攪拌轉(zhuǎn)速n=50 r/min。
2.2.2 攪拌器槳徑、槳寬、槳葉數(shù)及安裝層數(shù)等的確定
槳徑的選擇與攪拌器的種類和罐體直徑有關(guān)。若槳徑過大,則攪拌槽中出現(xiàn)不利于混合的“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”,使混合時(shí)間長(zhǎng)而效果差,一般都要設(shè)法縮小這個(gè)區(qū)域,而減小槳徑就可以縮小“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”的半徑。由于KOH溶液粘度較低(u=50cp),液體流動(dòng)性好,能量易傳遞,不必?fù)?dān)心由于槳徑小而造成槳葉外圍出現(xiàn)死區(qū)。故此設(shè)計(jì)中,槳葉直徑可取小一些。
按《機(jī)械攪拌設(shè)備》HG/T 2123-1991之規(guī)定,對(duì)于折葉槳式攪拌器,當(dāng)液體動(dòng)力粘度<20000 cp,槳端線速度v=1~5 m/s時(shí),推薦:
槳葉直徑d=(0.25~0.75)D;槳葉寬度b=(0.1~0.3)d
槳葉離槽底高度h=(0.2~1)d;D=2700 mm;θ=45°,60°
確定槳葉直徑取范圍內(nèi)的下限較為適宜,d=0.39D=0.39×2700=1053 mm,取d=1050 mm。
槳葉寬度b對(duì)功率是有影響的,但當(dāng)液體處于湍流區(qū)時(shí),隨著槳葉寬度b的增加,功率的增加程度低。因此,槳葉寬度可取范圍內(nèi)的上限,確定槳葉寬度b=0.24d=0.24×1050=252 mm,取b=250 mm。
攪拌器下層槳葉離罐底高度h一般為槳徑的1~1.5倍,如果為了防止底部有沉淀,也可將槳葉放置低些,在此,設(shè)置h=0.38d=0.38×1050= 399 mm,取h=400 mm。使罐底部分固相被攪起,達(dá)到固相部分懸浮。
而對(duì)于槳葉的安裝層數(shù),一般從槳葉的攪動(dòng)范圍來考慮。對(duì)低粘度液體,徑流型槳葉可攪動(dòng)罐內(nèi)上下范圍為槳徑的4倍,所以對(duì)常用的液層深度H/D=1~1.3時(shí),(本設(shè)計(jì)中,液層深度H=2800 mm,D=2700 mm。)只要一層槳葉即可。因此,對(duì)于KOH貯罐的攪拌器的槳葉用一層即可。槳葉數(shù)量取z=2。
攪拌器的最終參數(shù)為:
槳葉型式:45°折葉槳,槳葉寬度 250 mm,槳葉直徑 1050 mm,槳葉數(shù)量:2,安裝層數(shù):1,離罐底高度 400 mm。
攪拌器的材料前已述及,選用316L。
在本設(shè)計(jì)中,攪拌軸采用懸臂軸結(jié)構(gòu),而不采用在槽內(nèi)加中間支承或底支撐的攪拌軸(單跨軸支承方式)。由于貯槽高度 3000 mm,采用懸臂實(shí)心軸結(jié)構(gòu),軸端的徑向位移不好控制,不利于設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。提出攪拌軸采用剛性較強(qiáng)的空心軸結(jié)構(gòu)。但如果整根軸采用空心軸,則會(huì)造成以下不利影響:
機(jī)架尺寸加大,重量增加,造成材料浪費(fèi)和機(jī)架不穩(wěn)定;軸封處軸徑增加,造成軸封密封性能下降;為此,可將攪拌軸上端(機(jī)架內(nèi))設(shè)置為實(shí)心軸,下端(貯罐內(nèi))設(shè)置為空心軸結(jié)構(gòu),兩軸之間用半聯(lián)軸器和空心軸端法蘭聯(lián)接。
3.1.1 實(shí)心軸的計(jì)算
按照《攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)》中的規(guī)定,計(jì)算所需軸徑大小。先以實(shí)心軸計(jì)算,后用等強(qiáng)度理論來推算出空心軸大小。(攪拌軸的材料前已述及,選用316L)。
對(duì)此貯罐中的攪拌軸,由于受到扭矩和液體作用力產(chǎn)生的彎矩的作用(如圖3所示)。通過力的合成解出作用在軸上的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力.通過求解下列關(guān)系式計(jì)算出軸徑后取較大值就是所求的最小軸徑。[4]
①
②
式中,TQ——作用在攪拌軸上的最大扭矩,;
N——攪拌器的功率,Hp;N=3.26 kw=3.26×1.36 =4.434 Hp;(功率計(jì)算見5.1.1)
n—— 攪拌軸的轉(zhuǎn)速,rpm;n=50 rpm;
F—— 作用在攪拌器上的水平方向流體動(dòng)力,kgf;
L—— 從流體動(dòng)力作用點(diǎn)至最下一個(gè)軸承的距離,cm;L=302 cm;
ds—— 用剪應(yīng)力計(jì)算的最小軸徑,cm;
dt——用拉應(yīng)力計(jì)算的最小軸徑,cm;
M—— 作用在軸上的最大彎矩,kgf·cm;
dj—— 攪拌器直徑,cm;dj=105 cm;
[τ]—— 正常操作下軸的許用剪應(yīng)力,kgf/cm2,材質(zhì)為316L;[τ]=420 kgf/cm2;
[σ]—— 正常操作下軸的許用拉應(yīng)力,kgf/cm2,材質(zhì)為316L;[σ]=700 kgf/cm2。
M=FL=18.23×302=5506.75 kgf·cm
=4.66 cm
在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,知軸徑選擇 Ф50 mm 即可,但考慮到鍵槽,銷孔的影響,需在此基礎(chǔ)上增大10%~15%,故確定軸徑為 Ф60 mm,(實(shí)心軸)。
3.1.2 空心軸的計(jì)算
計(jì)算知實(shí)心軸軸徑為 Ф60 mm,用等強(qiáng)度理論來推算出空心軸大小。
已知攪拌器的功率N=3.26 kw(計(jì)算見5.1.1),設(shè)空心軸內(nèi)徑外徑比=d1/d2=1/1.25=0.8,換算值b0=0.59,見表3:
表3 空心軸換算值b0
就有τ=τ′,即實(shí)心軸與空心軸有相同強(qiáng)度.
(d為實(shí)心軸直徑)
由此,確定空心軸外徑為D=89 mm,故由d1/d2=0.8,當(dāng)d2=D=89 mm 時(shí),內(nèi)徑d1=71.2 mm,故空心軸取為Ф89×10 mm。
3.1.3 采用空心軸的益處
將攪拌軸采用空心軸,主要有以下方面益處:
在重量上比用實(shí)心軸有所減輕,利于安裝,檢修。
減少了軸的質(zhì)量m,提高了軸的剛度k,從臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式
空心軸的截面抗彎模量和慣性矩都比實(shí)心軸的相應(yīng)值大出許多。采用空心軸后,軸的強(qiáng)度和剛度都有很大的增強(qiáng)。同時(shí)節(jié)約了總價(jià)。
常規(guī)攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)中,攪拌軸與攪拌器一般采用鍵傳遞扭矩,在本設(shè)計(jì)中,由于采用空心軸,如開鍵槽后將大大減小攪拌軸的截面慣性矩,因此不宜采用鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)。實(shí)際設(shè)計(jì)中,采用攪拌器與攪拌軸的新型聯(lián)接結(jié)構(gòu)。如圖4示。將攪拌軸與a、b兩方形軸套,攪拌槳葉與c、d兩方形塊各焊接成一體,后將二者(即整體攪拌軸與攪拌器)采用螺柱連接,用雙螺母加止動(dòng)墊圈防松。由圖4可看出,c、d兩方形塊尺寸可依據(jù)槳葉尺寸,型式等作出相應(yīng)調(diào)整,保證聯(lián)接尺寸和槳葉的安裝角度,且槳葉與c、d兩方形塊采用全焊透的雙面角焊結(jié)構(gòu)。因此這種聯(lián)接結(jié)構(gòu)具有型式簡(jiǎn)便,聯(lián)接強(qiáng)度好,針對(duì)不同的介質(zhì)條件,以及需要的攪拌器型式,具有很廣泛的適應(yīng)性。此外,攪拌軸與攪拌器采用螺柱連接,裝拆方便,對(duì)磨損的攪拌器更換方便。
圖4 攪拌器與攪拌軸聯(lián)接示意圖
5.1.1 攪拌器軸功率的計(jì)算
按攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)中規(guī)定[4],計(jì)算攪拌器軸功率采用日本永田進(jìn)冶公式——針對(duì)雙葉斜槳式攪拌器功率計(jì)算(全擋板條件):
式中:A=14+(b/D)670(d/D-0.6)2+185…②
B=101.3-4(b/D-0.5)2-1.14(d/D)…③
P=1.1+4(b/D)-2.5(d/D-0.5)2-7(b/D)4…④
Np—— 功率準(zhǔn)數(shù);A—— 系數(shù);B—— 系數(shù);P—— 系數(shù);
ρ—— 介質(zhì)密度,kg/m3;ρ=1470/9.81=149.8 kg/m3
n—— 攪拌器轉(zhuǎn)速,rpm;n=50 rpm;
H—— 液層高度,m;H=2.8 m;
D—— 罐體直徑,m;D=2.7 m;
Rc——臨界雷諾數(shù);
b—— 槳寬,m;b=0.25 m;
d—— 槳葉直徑,m;d=1.05 m;
γ—— 介質(zhì)重度,t/m3;γ=1.47 t/m3;
μ——介質(zhì)粘度,cp;μ= 50 cp;
1)計(jì)算:
2)由①②③④式求功率準(zhǔn)數(shù)Np:
d/D= 1.05/2.7=0.39b/D= 0.25/2.7=0.093
H/D=28/2.7=1.04
A=14+(b/D){670(d/D-0.6)2+185}
=14+0.093{670(0.39-0.6)2+185}=33.95
B=101.3-4(0.093-0.5)2-1.14(d/D)
=101.3-4(0.093-0.5)2-1.14(0.39)=1.56
P=1.1+4(b/D)-2.5(d/D-0.5)2 =1.1+4×0.093-2.5×(0.39-0.5)2
=1.44
=3.005
3)計(jì)算攪拌器軸功率Nj
5.1.2 電機(jī)功率的計(jì)算
式中:Na—— 電機(jī)功率,kw;Nj——攪拌器軸功率,kw;
K—— 系數(shù),(考慮電機(jī)啟動(dòng),液體粘度等),取K= 1.4;
Nm—— 軸密封系統(tǒng)的功率損失,kw;
Nm=0.1 Nj=0.1×3.26=0.326 kw
η—— 傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。因選擇擺線針輪減速器,故=0.9
因此,電機(jī)功率選擇Na= 7.5 kw
本設(shè)計(jì)中,直接選用擺線針輪減速機(jī),它具有減速比大,傳動(dòng)效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,裝拆方便,壽命長(zhǎng),承載能力高,工作平穩(wěn),重量輕,體積小,故障少等諸多優(yōu)點(diǎn),已越來越多的應(yīng)用于攪拌設(shè)備中。
機(jī)架即采用與所選減速機(jī)相匹配的機(jī)架,機(jī)架采用單支點(diǎn)型式。傳動(dòng)裝置置于機(jī)架上,而機(jī)架用槽鋼支架支撐于設(shè)備頂蓋上。
KOH貯罐的制造、安裝、試驗(yàn)與驗(yàn)收可按HG/T20569-94《機(jī)械攪拌設(shè)備》與HGJ210-83《圓筒形鋼制焊接貯罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行[5]。重點(diǎn)有以下幾項(xiàng):
1)攪拌器與攪拌軸組裝完畢后,需對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。雖然攪拌轉(zhuǎn)速較慢,但由于攪拌軸采用空心軸,直徑大,且在組裝后不平衡質(zhì)量的存在會(huì)造成一定的離心力,引起攪拌系統(tǒng)的振動(dòng)。
2)貯罐制造完畢后,需對(duì)罐壁及罐底焊縫進(jìn)行射線探傷,探傷長(zhǎng)度應(yīng)大于焊縫長(zhǎng)度的10%,探傷結(jié)果應(yīng)符合“JB928《焊接射線探傷標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的Ⅲ級(jí)合格。
3)罐體制造完畢后,進(jìn)行罐體的充水試驗(yàn),氣密性試驗(yàn)及穩(wěn)定性試驗(yàn)。
4)罐體制造完畢后,清除油污并作酸洗鈍化處理,所形成的鈍化膜采用藍(lán)點(diǎn)法檢查,無藍(lán)點(diǎn)為合格。
該設(shè)備已建成并投入液體肥料裝置生產(chǎn)中,在生產(chǎn)過程中,該貯罐一直運(yùn)行良好,從設(shè)備的選材、焊接質(zhì)量控制、攪拌器功率的計(jì)算、攪拌器與攪拌軸新型聯(lián)接結(jié)構(gòu)型式,以及空心軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均較合理,使設(shè)備在應(yīng)用中運(yùn)行較好,檢修方便,受到業(yè)主方的好評(píng)。攪拌軸與攪拌器采用的新型聯(lián)接結(jié)構(gòu),型式簡(jiǎn)便,保證聯(lián)接尺寸和槳葉的安裝角度,聯(lián)接強(qiáng)度好。而攪拌軸與攪拌器采用螺柱連接,裝拆方便,對(duì)磨損的攪拌器更換方便。此種結(jié)構(gòu)的攪拌器,針對(duì)不同的介質(zhì)條件,以及需要的攪拌器型式,具有很廣泛的適應(yīng)性。尤其在攪拌功率較大,軸徑較大時(shí),采用空心軸及攪拌新型聯(lián)接結(jié)構(gòu),對(duì)于設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、安裝、穩(wěn)定運(yùn)行及維護(hù)方面,都有較好的優(yōu)點(diǎn)及很好的適應(yīng)性。,筆者在之后設(shè)計(jì)的污水處理工程項(xiàng)目中的污水?dāng)嚢杵骷拔辶蚧总囬g的液硫過濾攪拌器均采用同樣結(jié)構(gòu),使用效果都很好,有很好的推廣價(jià)值。