分类号tq 051.702
design of the heat transfer coil pipe in an agitated horizontal autoclave
associate professorjin tao
(yunnan polytechnical university，kunming 650051)
professortong shuiguang
(zhejiang university, hangzhou 310027)
engineerkong longzhi
abstracta design method is developed about the heat exchange coil pipe used in an agitated horizontal autoclave being separated to three rooms, every room is considered as an agitated vertical autoclave. based on reactor temperature, heat-transfer coefficient k and heat-transfer area of every room are calculated.
key words:agitated autoclave, heat transfer, design
符号说明
| q --传热量，j | λ--蛇管壁材料的导热系数，w/(m.k) |
| δtm--对数平均温差，k | di,do,dm--分别为蛇管的内径、外径和对数平均直径，m |
| k--总传热系数，w/(m2.k) | dc--蛇管圈中心圆直径，m |
| τ--传热时间，s | re--雷诺数 |
| m--加热物料流量， kg/s | re=dj2nρ |
| cp--物料的比热容，j/(kg.k) | pr--普朗特数 |
| δt--物料进出口温差，k | μ--物料粘度，pa.s |
| αt--对流辐射联合传热系数，w/(m2.k) | μw--釜壁温度下的物料粘度，pa.s |
| t --环境温度，k | ρ--物料密度，kg/m3 |
| tw--釜外壁温度，k | n --搅拌器转速，r/min |
| aw--釜外壁面积，m2 | dj--搅拌器直径，m |
| α1，α2--分别为釜内物料和蛇管内载体的对流传 | w--冷凝水量，kg/s |
| 热系数，w/(m2.k) | l--浸没物料中的蛇管长，m |
| r1, r2--分别为蛇管外和蛇管内的污垢层热阻系 | t--蒸汽温度，k |
| 数，m2.k/w | mi--每隔室料液的质量，kg |
| b--蛇管壁厚度，m | ti、tc--料液进出口温度，k |
湿法冶金生产中常常使用机械搅拌釜，由于多数反应均是在一定温度下进行的，物料在釜内要经历加热、混合及反应等操作，过程涉及到热量交换，因此搅拌釜的设计就必须考虑换热装置。而传热效果的好坏，对物料混合的快慢、均匀程度、反应时间长短和结果都有直接影响。
反应釜的传热采取在容器外部或内部设置换热装置的方式，用得最普遍的是用夹套和内部设置蛇管的形式。与夹套传热相比，蛇管沉浸在物料中，热量损失小，传热效果好，传热系数一般要高30%。而且蛇管还能起到导流筒和挡板的作用，可改变液体的流动状态，减小旋涡，强化搅拌效果。
蛇管设计的一般过程为根据设计参数确定蛇管的传热面积，再根据蛇管的结构及安装形式选定管长。在确定总的传热量和给出传热时间的条件下，传热面积的大小取决于传热效果的好坏，即传热系数k的大小。k值可以通过计算各对流传热系数求得，也可以由经验值选定。对流传热系数的计算公式都由实验拟合获得，不同釜结构、搅拌器形式和加热方式的对流传热系数实验公式各不相同，目前的设计手册仅给出了部分结构的计算公式［4］。如果所设计的搅拌釜不满足公式条件，k的大小只能由经验估算，但误差较大，一般取k值的下限，宁可出现传热面积盈余，也要保证介质达到反应温度。
图1是云南省某矿务局在一湿法冶金"水热硫化浮选"选矿流程中使用的卧式机械搅拌反应釜，矿粉和硫化药剂在釜内加热，经机械搅拌充分混合均匀，达到最大程度提高浮选率的目的。搅拌釜的设计参数为：矿石100 t/d，液固比1∶1，工作压力2 mpa,工作温度160～180 ℃，物料在釜内停留时间大于2 h。原设计是由10 t/d的搅拌反应釜进行放大，笔者对设计进行了校核，在结构设计及功率计算中将搅拌釜设计为卧式且分成3个隔室［1］，并将每一隔室近似看作一搅拌釜，根据一些新的实验得到的对流传热系数关联式［2.3］，用文中方法对搅拌釜传热蛇管进行了设计计算。
1 蛇管结构设计
搅拌釜采用蛇管加热，结构见图1b。蛇管采用角钢固定，角钢用螺栓和吊耳联结并起到挡板的作用，吊耳隔120°均布并焊于筒体上。角钢尺寸和位置可根据挡板的要求确定，一般挡板位于蛇管外侧［5］。
1． 搅拌釜 2.釜体 3.机座 4.蛇管
5.支座 6.隔板 7.固定角钢
图1 卧式机械搅拌反应釜
2 传热面积计算
传热面积、总传热量、传热系数和加热时间的关系式为：
| | q=kaδtmτ=q1+ q2 | (1) |
| | | 式中，q1为物料达到工作温度所需的热量；q2为热量损失，主要为通过器壁散到空气中的热量，包括对流散热和辐射散热。
| | q1=mcpδtτ | (2) | | | q2=αtaw(t-ta)τ | (3) |
传热系数k值按下式计算［2］：
| |  | (4) | | | | 蛇管壁的热阻与污垢层的热阻在数值上相差很大，计算中前者可以忽略不计。蛇管外物料的对流传热系数通常由实验确定，不同的结构及搅拌器形式有不同的关联式，六折叶涡轮关联式为［2］：
| |  | (5) | | | | 当蛇管内载体的流动为湍流，re>;104时，其对流传热系数的关联式为［2］：
| |  | (6) | | | | 当管内流体有相变(凝缩)，而且2w/(lμ)＜2 100时，应按下式计算［3］：
| |  | (7) | | | | 所选的热载体为蒸汽压力1.3 mpa的饱和蒸汽，属有相变的传热，因此应按式(7)计算，由于传热面积是所求值，蛇管长是一个未知量，计算时可以先假定一个长度试算，直到满足要求。具体应根据搅拌釜的体积和蛇管规格确定蛇管直径，然后设定管长。
3 计算结果
反应温度下物料参数：密度ρ=1.6×103kg/m3，粘度μ=2.9×10-3pa.s ，定压比热容cp=2 570.82 j/(kg.k)，物料流量m=2.315 kg/s。釜内径dt=1 700 mm，釜体体长l=6 m，搅拌器直径dj=565 mm，转速n=205 r/min。蛇管选dg57 mm×3.5 mm的无缝钢管。
3.1 热量计算
由式（2）得加热物料所需单位时间热量q1= 178.54 kj。假定环境温度t为0 ℃，设备外壁温度tw为70 ℃（有保温层），釜外表面积aw=26.8 m2。对流辐射传热系数αt=9.4+0.052(tw-t)=13.04 w/(m2.k)。 由式（3）可得设备热损失q2=24.46 kj。总热量q=203 kj。
3.2 传热膜系数
（1）蛇管外物料对流传热系数 re=dj2nρ／μ=6.02×105，pr=cpμ／λ=11.8， 由式（5）得α1=8 751.92 w/(m2.k)。
(2)蛇管内蒸汽传热系数 汽化潜热r=1 976 682．7 j,冷凝水量w=0.103 kg/s,设蛇管长度l=40 m， w/(2l)=1.268×10-3,4w/（2μl）=17.76＜2 100,由式（7）知α2=13 204.974 w/（m2.k）。
（3）总传热系数k 蛇管外壁污垢热阻系数r1=6.667×10－4m2.k/w，蛇管内壁污垢热阻系数r2=1.000×10－4m2.k/w，由式（4）可得1／ k=9.675×10-4,亦即k=1 033.5 w／(m2.k)。
3.3 传热面积
由式(1)得a=8.39 m2。
4 蛇管布置方案
从反应釜的结构可看出，为保证物料加热至工作温度，加热过程应在第一隔室完成，后面2个隔室加热蛇管主要起保温作用，考虑到结构及安装，在传热面积的分配上采取递减方案。设物料在3个隔室的终温分别为：tc1＝170 ℃,tc2=177 ℃，tc3=180 ℃。每个隔室的停留时间为2/3 h，由文献［3］中加热时间的计算公式可求得各个隔室的传热面积：
| |  | (8) | | | | 将3个隔室的终温代入，第二、三隔室进口温度分别等于第一、二隔室出口温度。得：a1=3.8 m2, a2=2.27 m2,a3=1.34 m2。考虑热损失，则3个隔室传热面积分别为：a1=4.1 m2,a2=2.57 m2,a3=1.74 m2。蛇管长分别为：l1=22.9 m,l2=14.4 m,l3=9.7 m。蛇管的中心圆直径dc=1 200 mm，然后求得每个隔室蛇管圈数：n1=6.08，n2=3.82，n3=2.6。考虑到蛇管进出口的位置，圆整为：n1=6，n2=4，n3=3。 最后得蛇管长l=49 m，传热面积a=8.77 m2。
5 结语
由传热系数的计算得知，蛇管长度仅影响α2大小，对k值影响不大，不需要重新计算。污垢热阻对传热系数的影响最大，为保证计算正确，污垢热阻系数应在小型实验的基础上获得。对该搅拌反应釜加热时间的电机功率和介质温度进行实测，达到了设计要求。
作者单位：金 涛（云南工业大学(昆明 650051) 副教授）
童水光（浙江大学(杭州 310027） 教授）
孔龙志（三门峡化工机械厂(三门峡 472000) 工程师）
参考文献
[1] 金 涛. 卧式搅拌釜搅拌功率设计计算. 云南化工，1994，（4）:39～41
[2] bondy f,lippa s.heat transfer in agitated vessels． chem. eng., 1983,90(7)：62～71
[3] 大野光之. 夹套-蛇管式搅拌槽. 化学装置，1985，27(4)：55～63
[4] 陈乙崇,衣军,王尚武等.搅拌设备设计.上海：上海科学技术出版社，1985．99～114
[5] 丁绪淮. 液体搅拌. 北京：化学工业出版社，1993.109～121 |
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