錢袁萍，姜 旺（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇張家港 215600）

蒸煮攪拌釜的設(shè)計(jì)

錢袁萍，姜 旺
（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇張家港 215600）

針對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的大型動(dòng)物尸體無害化處理問題，在對(duì)動(dòng)物尸體破碎的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用蒸煮攪拌釜對(duì)碎尸塊進(jìn)行高溫蒸煮，可避免對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的危害。論文設(shè)計(jì)的蒸煮攪拌釜采用螺旋式-錨式綜合攪拌器、并采用多投料口的焊接結(jié)構(gòu)方案。該蒸煮攪拌釜具有投料靈活、攪拌效果好、安全穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

無害化處理；蒸煮攪拌釜；攪拌；設(shè)計(jì)

0　引言

隨著養(yǎng)殖場(chǎng)逐漸增多，由養(yǎng)殖場(chǎng)引發(fā)的問題也越來越多，比如動(dòng)物尸體的處理，尤其是大型動(dòng)物尸體無害化處理是一個(gè)嚴(yán)峻的問題。傳統(tǒng)的處理方法（焚燒和填埋）存在嚴(yán)重的弊端，不利于環(huán)境的保護(hù)以及長(zhǎng)久的發(fā)展。在對(duì)動(dòng)物尸體破碎的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用蒸煮攪拌釜對(duì)碎塊的動(dòng)物尸體進(jìn)行高溫蒸煮及油水分離，最后投到發(fā)酵池進(jìn)行發(fā)酵，可避免對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的危害［1］。

目前，我國(guó)反應(yīng)攪拌容器的市場(chǎng)正飛速發(fā)展。反應(yīng)攪拌容器產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量逐漸增加，向高技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展。企業(yè)關(guān)于攪拌容器的投資項(xiàng)目投資逐漸增多，這使得反應(yīng)攪拌容器市場(chǎng)越來越受到各方的關(guān)注。攪拌操作分氣流攪拌和機(jī)械攪拌。與機(jī)械攪拌相比，僅氣泡的作用對(duì)液體所進(jìn)行的氣流攪拌是比較弱的，對(duì)于高黏度液體難以適用，因此本此設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械攪拌的蒸煮釜［2］。

1　工作原理

在進(jìn)行蒸煮前，大型動(dòng)物尸體先用動(dòng)物破碎機(jī)進(jìn)行破碎成較小的塊狀，然后通過埋刮板式輸送機(jī)輸送到蒸煮攪拌釜的投料口投入到釜體內(nèi)，然后在釜體的下側(cè)輸入適量的水蒸氣；通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌軸，帶動(dòng)攪拌器旋轉(zhuǎn)，為物料的循環(huán)提供動(dòng)力，從而使物料受到強(qiáng)烈的剪切和捏合作用，達(dá)到了充分分散和混合物料的作用。在歷經(jīng)3個(gè)小時(shí)的高溫蒸煮下，尸塊被煮爛，然后從釜體底部的出料口輸出進(jìn)一步處理。

2　結(jié)構(gòu)方案

蒸煮釜攪拌釜由攪拌容器和攪拌裝置組成。攪拌容器主要由釜體、內(nèi)構(gòu)件、法蘭、支座等組成；攪拌裝置由電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、攪拌軸、攪拌器、密封裝置等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，蒸煮攪拌釜的主要設(shè)計(jì)確定為：生產(chǎn)量1500kg/3h；生產(chǎn)周期3h；攪拌釜工作溫度130℃；攪拌釜電機(jī)功率7.5kW；蒸汽發(fā)生器功率24、36kW；工作壓力為常壓；攪拌轉(zhuǎn)速30r/min；攪拌釜容積1.5m3。

為了便于現(xiàn)場(chǎng)布局安裝和連接，蒸煮攪拌釜上設(shè)置了2個(gè)投料孔、4個(gè)耳座沿圓周均布，如圖1所示。主體結(jié)構(gòu)采用焊接構(gòu)成，內(nèi)筒體、拼接封頭采用A類焊縫節(jié)點(diǎn)，夾套筒體采用A或B類焊縫節(jié)點(diǎn)，其余按HG/ T20583-2011標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，所有角焊縫的腳高取較薄板的厚度，AB類、D類焊縫節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)尺寸見圖1所示。

圖1　蒸煮攪拌釜結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the cooking-stirring kettle

3　主要零件的設(shè)計(jì)

蒸煮攪拌釜各零部件的結(jié)構(gòu)按標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011壓力容器和HG/T20569機(jī)械攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)，其主要受壓元件材料按標(biāo)準(zhǔn)GB/T3274-2007選用Q235B材料，并符合GB150.2-2011附錄D的規(guī)定以及按NB/T47008-2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》。本次設(shè)計(jì)釜體材料選用Q235B，攪拌軸采用45鋼。

3.1釜體的設(shè)計(jì)

釜體有包容物料反應(yīng)的空間，由筒體及上下封頭組成。下封頭與筒體一般為焊接，上封頭與筒體也常用焊接，但筒體Di＜1500mm的場(chǎng)合多用做成法蘭連接。筒體的直徑和高度是釜體設(shè)計(jì)的基本尺寸。當(dāng)容積一定時(shí)，長(zhǎng)徑比越大釜體內(nèi)直徑越小，則槳葉直徑越小，所需的攪拌功率就越小。反之，則會(huì)使攪拌功率增大，能量消耗增大。長(zhǎng)徑比大，可使傳熱表面到釜心的距離較小。釜內(nèi)溫度梯度小，有利于傳熱。本釜體設(shè)計(jì)的長(zhǎng)徑比Hi/Di=1.15，經(jīng)過計(jì)算此筒體的公稱直徑DN為1300mm，筒體高為1.5m，容器壁厚為10mm。

3.2頂蓋（封頭）的設(shè)計(jì)

由于大部分接管開在封頭上，同時(shí)電動(dòng)機(jī)及減速裝置也支承在封頭上，所以封頭必須有足夠強(qiáng)度和剛度。封頭的形狀有平板形、橢圓形、蝶形等。根據(jù)工藝要求、制造難易程度以及材料的消耗等情況綜合考慮，選擇橢圓形封頭。橢圓形封頭的直邊段可以避免封頭與圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)徑向曲率半徑突變，從而改善焊縫的受力狀況，其直邊高度一般為25～50mm，本設(shè)計(jì)取25mm?？紤]到封頭承受的操作壓力和封頭上密集的開口情況等，將其厚度也適當(dāng)增大，并且封頭的厚度與其連接的圓筒厚度大致相等，經(jīng)計(jì)算放大取整后取橢圓封頭厚度為10mm。

圖2　螺旋面槳葉的錨式攪拌器Fig.2 Anchored agitator with spiral blade

3.3攪拌裝置的設(shè)計(jì)

（1）攪拌器的選用。攪拌器是攪拌反應(yīng)能夠進(jìn)行的關(guān)鍵部件，它提供過程所需的能量和適宜的流動(dòng)狀態(tài)。攪拌器有很多種類型，根據(jù)攪拌目的、物料黏度和攪拌器容積的大小，同時(shí)考慮功率、操作費(fèi)用以及制造、維護(hù)和檢修等因素來選擇?？蚴綌嚢杵髋c釜壁間隙較小，有利于傳熱過程的進(jìn)行，但為了增大對(duì)高粘度物料的攪拌范圍以及提高葉輪的剛性，采用螺旋式-錨式綜合攪拌器 （如圖2所示）。因動(dòng)物尸體黏度較大適合采用螺帶式或螺桿式，所以在錨式的基礎(chǔ)上加上螺旋面攪拌器形成兩種組合的攪拌方式，進(jìn)一步完善攪拌器的設(shè)計(jì)。兩種攪拌器的結(jié)合使攪拌更充分，適用的場(chǎng)合更廣泛。

查閱搪玻璃攪拌器-錨式攪拌器HG/T205.11-2051.4-2007。錨式攪拌器適用于公稱壓力小于或等于 1.0MPa，公稱容積50L～5000L，設(shè)計(jì)溫度-20℃～200℃，攪拌器的公稱轉(zhuǎn)速為50r/min-80r/min。

（2）攪拌功率的計(jì)算：

式中：ρ—密度（kg/m3）；n—轉(zhuǎn)速（s-1）；d—攪拌器直徑（m）；NP—功率準(zhǔn)數(shù)（W）。計(jì)算攪拌功率時(shí)，功率準(zhǔn)數(shù)Np可直接從對(duì)應(yīng)的功率曲線中查得為20，所以：

因此，本次設(shè)計(jì)的攪拌功率P為7.5kW。

（3）攪拌軸的設(shè)計(jì)。對(duì)于公稱容積VN為1500L，容器的直徑Di為1300mm時(shí)，查得攪拌軸的直徑d1=80mm，攪拌器的外徑為d=1070mm。選用B型搪玻璃攪拌器，軸的材料選用45鋼。

軸強(qiáng)度校核：查資料可得，滿足強(qiáng)度要求的所需的最小攪拌軸直徑公式如下：

式中：p—攪拌傳遞功率 （kW）；n—攪拌軸轉(zhuǎn)速（r/m）。由此可知，所選取的軸直徑符合需求。

3.4密封裝置設(shè)計(jì)

由于動(dòng)物尸塊在蒸煮中可能會(huì)產(chǎn)生有毒氣體和物料，所以密封裝置是蒸煮攪拌釜必不可少的一部分。機(jī)械密封是把轉(zhuǎn)軸密封面從軸向改為徑向，通過動(dòng)環(huán)和靜環(huán)兩個(gè)端面的相互貼合，并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到密封的裝置。機(jī)械密封在攪拌反應(yīng)器中得到廣泛的應(yīng)用是因?yàn)樗男孤┞实?，功率消耗小，密封性能可靠而且使用的壽命較長(zhǎng)。故本釜采用的是機(jī)械密封裝置。機(jī)械密封已標(biāo)準(zhǔn)化。

設(shè)計(jì)壓力小于0.6MPa且密封要求一般的場(chǎng)合，可選用單端面非平衡型機(jī)械密封。設(shè)計(jì)壓力大于0.6MPa時(shí)，常選用平衡型機(jī)械密封。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用單面非平衡型機(jī)械密封。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的蒸煮攪拌釜具有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)［2］：

（1）由于動(dòng)物尸體這種高黏性固液體難于攪拌，本次設(shè)計(jì)采用螺旋式-錨式綜合攪拌器的結(jié)構(gòu)方案，這樣可在較小的功率下達(dá)到了很好的攪拌效果，降低了成本。

（2）由于釜體中間有螺旋式的攪拌軸，使用法蘭不方便，同時(shí)考慮法蘭是機(jī)加工件，比較昂貴，再者小型壓力容器不需要安裝內(nèi)件，故將釜體和頂蓋（封頭）采用焊接式連接，這樣既改善了加工工藝性，又降低了制造成本。

（3）為了滿足不同企業(yè)場(chǎng)地的需要以及適應(yīng)不同的處理量需求，本次設(shè)計(jì)的蒸煮攪拌釜設(shè)左右各一個(gè)投料口，這樣可靈活安裝，又可多點(diǎn)同時(shí)投料以提高生產(chǎn)效率。

本次設(shè)計(jì)的蒸煮攪拌釜具有使用方便、攪拌效果好、安全穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。蒸煮攪拌釜處理動(dòng)物尸體的過程中對(duì)環(huán)境影響較小，且可以發(fā)掘動(dòng)物尸體的剩余價(jià)值，有利于資源的循環(huán)使用。

［1］徐進(jìn)京，錢袁萍，徐向紅.動(dòng)物尸體無害化處理系統(tǒng)設(shè)備的研制［J］.沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，5.

［2］姜旺.蒸煮攪拌釜設(shè)計(jì)及主要零件的制造工藝［D］.沙洲職業(yè)工學(xué)院，2014，6.

［3］李福寶，李勤.壓力容器及過程設(shè)備設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［4］鋼制焊接壓力容器設(shè)計(jì)制造問答［DB/OL］.百度文庫(kù)，《互聯(lián)網(wǎng)文檔資源（http：//wenku.baidu.c）》，2012，11.

［5］GB150-2011.鋼制壓力容器［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

The Design of the Cooking-stirring Kettle

QIAN Yuan-Ping，JIANG Wang
（Shazhou Institute of Technology，Zhangjiagang Jiangsu 215600，China）

According to the harmless handling problems of large animal bodies in the farms，on the base of animal body broken，the animal carcasses is further cooked at the high temperature using cooking-stirring kettle，it can avoid environmental pollution and harm to human body.In this paper，the design of cooking-stirring kettle adopts the spiral-anchored integrated stirrer，and cast welding structure scheme of the several feeding mouth.It has the characteristics of convenient use，good stirring effect，safety and stability，wide application range etc.

harmless treatment；cooking-stirring kettle；mixing；design

X713

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.020

1002-6673（2015）05-054-03

2015-08-16

錢袁萍（1971-），女，副教授，碩士。主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等方面的教學(xué)和科研工作，并積極參加專業(yè)建設(shè)和課程改革。