摘要　對一分成3隔室的臥式攪拌釜的傳熱蛇管進(jìn)行了設(shè)計，將每一隔室作一攪拌釜
考慮，計算了傳熱系數(shù)K值，在保證工作溫度的基礎(chǔ)上，分配了各室的傳熱面積。
　　關(guān)鍵詞　攪拌釜　傳熱　設(shè)計
　　分類號　TQ 051.702
Design of the heat transfer coil pipe in an agitated horizontal autoclave
Associate Professor 　Jin Tao
（Yunnan Polytechnical University，Kunming 650051）
Professor　Tong Shuiguang
（Zhejiang University, Hangzhou 310027）
Engineer　Kong Longzhi
　　Abstract　A design method is developed about the heat exchange coil pipe
used in an agitated horizontal autoclave being separated to three rooms, ev
ery room is considered as an agitated vertical autoclave. Based on reactor t
emperature, heat-transfer coefficient K and heat-transfer area of every room
are calculated.
　　Key words:agitated autoclave, heat transfer, design
符號說明
Q --傳熱量，J λ--蛇管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.K）
Δtm--對數(shù)平均溫差，K di,do,dm--分別為蛇管的內(nèi)徑、外徑和對數(shù)平均直徑，m
K--總傳熱系數(shù)，W/（m2.K） Dc--蛇管圈中心圓直徑，m
τ--傳熱時間，s Re--雷諾數(shù)
M--加熱物料流量， kg/s 　　Re=dj2nρ
Cp--物料的比熱容，J/（kg.K） Pr--普朗特數(shù)
Δt--物料進(jìn)出口溫差，K μ--物料粘度，Pa.s
αT--對流輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/（m2.K） μw--釜壁溫度下的物料粘度，Pa.s
t --環(huán)境溫度，K ρ--物料密度，kg/m3
tw --釜外壁溫度，K n --攪拌器轉(zhuǎn)速，r/min
Aw --釜外壁面積，m2 dj--攪拌器直徑，m
α1，α2--分別為釜內(nèi)物料和蛇管內(nèi)載體的對流傳 W--冷凝水量，kg/s
　　　　　熱系數(shù)，W/（m2.K） l--浸沒物料中的蛇管長，m
R1 , R2--分別為蛇管外和蛇管內(nèi)的污垢層熱阻系 T--蒸汽溫度，K
　　　　 數(shù)，m2.K/W mi--每隔室料液的質(zhì)量，kg
b--蛇管壁厚度，m ti、tc--料液進(jìn)出口溫度，K
　　濕法冶金生產(chǎn)中常常使用機(jī)械攪拌釜，由于多數(shù)反應(yīng)均是在一定溫度下進(jìn)行的，物
料在釜內(nèi)要經(jīng)歷加熱、混合及反應(yīng)等操作，過程涉及到熱量交換，因此攪拌釜的設(shè)計就
必須考慮換熱裝置。而傳熱效果的好壞，對物料混合的快慢、均勻程度、反應(yīng)時間長短
和結(jié)果都有直接影響。
　　反應(yīng)釜的傳熱采取在容器外部或內(nèi)部設(shè)置換熱裝置的方式，用得zui普遍的是用夾套
和內(nèi)部設(shè)置蛇管的形式。與夾套傳熱相比，蛇管沉浸在物料中，熱量損失小，傳熱效果
好，傳熱系數(shù)一般要高30%。而且蛇管還能起到導(dǎo)流筒和擋板的作用，可改變液體的流動
狀態(tài)，減小旋渦，強(qiáng)化攪拌效果。
　　蛇管設(shè)計的一般過程為根據(jù)設(shè)計參數(shù)確定蛇管的傳熱面積，再根據(jù)蛇管的結(jié)構(gòu)及安
裝形式選定管長。在確定總的傳熱量和給出傳熱時間的條件下，傳熱面積的大小取決于
傳熱效果的好壞，即傳熱系數(shù)K的大小。K值可以通過計算各對流傳熱系數(shù)求得，也可以
由經(jīng)驗值選定。對流傳熱系數(shù)的計算公式都由實驗擬合獲得，不同釜結(jié)構(gòu)、攪拌器形式
和加熱方式的對流傳熱系數(shù)實驗公式各不相同，目前的設(shè)計手冊僅給出了部分結(jié)構(gòu)的計
算公式［4］。如果所設(shè)計的攪拌釜不滿足公式條件，K的大小只能由經(jīng)驗估算，但誤差
較大，一般取K值的下限，寧可出現(xiàn)傳熱面積盈余，也要保證介質(zhì)達(dá)到反應(yīng)溫度。
　　圖1是云南省某礦務(wù)局在一濕法冶金"水熱硫化浮選"選礦流程中使用的臥式機(jī)械攪拌
反應(yīng)釜，礦粉和硫化藥劑在釜內(nèi)加熱，經(jīng)機(jī)械攪拌充分混合均勻，達(dá)到zui大程度提高浮
選率的目的。攪拌釜的設(shè)計參數(shù)為：礦石100 t/d，液固比1∶1，工作壓力2 MPa,工作溫
度160～180 ℃，物料在釜內(nèi)停留時間大于2 h。原設(shè)計是由10 t/d的攪拌反應(yīng)釜進(jìn)行放
大，筆者對設(shè)計進(jìn)行了校核，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及功率計算中將攪拌釜設(shè)計為臥式且分成3個隔
室［1］，并將每一隔室近似看作一攪拌釜，根據(jù)一些新的實驗得到的對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)
式［2.3］，用文中方法對攪拌釜傳熱蛇管進(jìn)行了設(shè)計計算。
1　蛇管結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　攪拌釜采用蛇管加熱，結(jié)構(gòu)見圖1b。蛇管采用角鋼固定，角鋼用螺栓和吊耳聯(lián)結(jié)并
起到擋板的作用，吊耳隔120°均布并焊于筒體上。角鋼尺寸和位置可根據(jù)擋板的要求確
定，一般擋板位于蛇管外側(cè)［5］。
1． 攪拌釜　2.釜體　3.機(jī)座　4.蛇管
5.支座　6.隔板　7.固定角鋼
圖1　臥式機(jī)械攪拌反應(yīng)釜
2　傳熱面積計算
　　傳熱面積、總傳熱量、傳熱系數(shù)和加熱時間的關(guān)系式為：
Q=KAΔtmτ=Q1 + Q2 （1）
式中，Q1為物料達(dá)到工作溫度所需的熱量；Q2為熱量損失，主要為通過器壁散到空氣中
的熱量，包括對流散熱和輻射散熱。
Q1=MCpΔtτ （2）
Q2=αTAw（t-ta）τ （3）
傳熱系數(shù)K值按下式計算［2］：
（4）
　　蛇管壁的熱阻與污垢層的熱阻在數(shù)值上相差很大，計算中前者可以忽略不計。蛇管
外物料的對流傳熱系數(shù)通常由實驗確定，不同的結(jié)構(gòu)及攪拌器形式有不同的關(guān)聯(lián)式，六
折葉渦輪關(guān)聯(lián)式為［2］：
（5）
　　當(dāng)蛇管內(nèi)載體的流動為湍流，Re>104時，其對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式為［2］：
（6）
　　當(dāng)管內(nèi)流體有相變（凝縮），而且2W/（lμ）＜2 100時，應(yīng)按下式計算［3］：
（7）
　　所選的熱載體為蒸汽壓力1.3 MPa的飽和蒸汽，屬有相變的傳熱，因此應(yīng)按式（7）計
算，由于傳熱面積是所求值，蛇管長是一個未知量，計算時可以先假定一個長度試算，
直到滿足要求。具體應(yīng)根據(jù)攪拌釜的體積和蛇管規(guī)格確定蛇管直徑，然后設(shè)定管長。
3　計算結(jié)果
　　反應(yīng)溫度下物料參數(shù)：密度ρ=1.6×103 kg/m3，粘度μ=2.9×10-3 Pa.s ，定壓比
熱容Cp=2　570.82 J/（kg.K），物料流量M=2.315 kg/s。釜內(nèi)徑DT=1　700 mm，釜體體長
L=6 m，攪拌器直徑dj=565 mm，轉(zhuǎn)速n=205 r/min。蛇管選Dg57 mm×3.5 mm的無縫鋼管
。
3.1　熱量計算
　　由式（2）得加熱物料所需單位時間熱量Q1 = 178.54 kJ。假定環(huán)境溫度t為0　℃，
設(shè)備外壁溫度tw為70　℃（有保溫層），釜外表面積Aw=26.8 m2。對流輻射傳熱系數(shù)α
T=9.4+0.052（tw-t）=13.04 W/（m2.K）。 由式（3）可得設(shè)備熱損失Q2 =24.46 kJ。總熱
量Q=203 kJ。
3.2　傳熱膜系數(shù)
　?。?）蛇管外物料對流傳熱系數(shù)　Re=dj2nρ／μ=6.02×105，Pr=Cpμ／λ=11.8，
由式（5）得α1=8 751.92 W/（m2.K）。
　?。?）蛇管內(nèi)蒸汽傳熱系數(shù)　汽化潛熱r=1 976 682．7 J,冷凝水量W=0.103 kg/s,設(shè)蛇
管長度l=40 m， W/（2l）=1.268×10-3,4W/（2μl）=17.76＜2　100,由式（7）知α2=1
3 204.974 W/（m2.K）。
　?。?）總傳熱系數(shù)K　蛇管外壁污垢熱阻系數(shù)R1=6.667×10－4 m2.K/W，蛇管內(nèi)壁污
垢熱阻系數(shù)R2=1.000×10－4 m2.K/W，由式（4）可得1／ K=9.675×10-4,亦即K=1 033
.5 W／（m2.K）。
3.3　傳熱面積
　　由式（1）得A=8.39 m2。
4　蛇管布置方案
　　從反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)可看出，為保證物料加熱至工作溫度，加熱過程應(yīng)在*隔室完成
，后面2個隔室加熱蛇管主要起保溫作用，考慮到結(jié)構(gòu)及安裝，在傳熱面積的分配上采取
遞減方案。設(shè)物料在3個隔室的終溫分別為：tc1＝170 ℃,tc2=177 ℃，tc3=180
℃。每個隔室的停留時間為2/3 h，由文獻(xiàn)［3］中加熱時間的計算公式可求得各個隔室
的傳熱面積：
（8）
　　將3個隔室的終溫代入，第二、三隔室進(jìn)口溫度分別等于*、二隔室出口溫度。得
：A1=3.8 m2, A2=2.27 m2,A3=1.34 m2?？紤]熱損失，則3個隔室傳熱面積分別為：A1=
4.1 m2,A2=2.57 m2,A3=1.74 m2。蛇管長分別為：l1=22.9 m,l2=14.4 m,l3=9.7 m。蛇
管的中心圓直徑Dc=1 200 mm，然后求得每個隔室蛇管圈數(shù)：n1 =6.08，n2 =3.82，n3=
2.6。考慮到蛇管進(jìn)出口的位置，圓整為：n1 =6，n2 =4，n3=3。 zui后得蛇管長l=49 m
，傳熱面積A=8.77 m2。
5　結(jié)語
　　 由傳熱系數(shù)的計算得知，蛇管長度僅影響α2大小，對K值影響不大，不需要重新計
算。污垢熱阻對傳熱系數(shù)的影響zui大，為保證計算正確，污垢熱阻系數(shù)應(yīng)在小型實驗的
基礎(chǔ)上獲得。對該攪拌反應(yīng)釜加熱時間的電機(jī)功率和介質(zhì)溫度進(jìn)行實測，達(dá)到了設(shè)計要
求。
作者單位：金　濤（云南工業(yè)大學(xué)（昆明 650051）　副教授）
　　　　　童水光（浙江大學(xué)（杭州 310027）　教授）
　　　　　孔龍志（三門峽化工機(jī)械廠（三門峽 472000）　工程師）
參考文獻(xiàn)
　[1]　金　濤. 臥式攪拌釜攪拌功率設(shè)計計算. 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. 夾套-蛇管式攪拌槽. 化學(xué)裝置，1985，27（4）：55～63
　[4]　陳乙崇,衣軍,王尚武等.攪拌設(shè)備設(shè)計.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985．99～
114
　[5]　丁緒淮. 液體攪拌. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.109～121