蒸煮搅拌釜的设计

钱袁萍，姜 旺（沙洲职业工学院，江苏张家港 215600）

蒸煮搅拌釜的设计

钱袁萍，姜 旺
（沙洲职业工学院，江苏张家港 215600）

针对养殖场的大型动物尸体无害化处理问题，在对动物尸体破碎的基础上进一步采用蒸煮搅拌釜对碎尸块进行高温蒸煮，可避免对环境的污染和对人体的危害。论文设计的蒸煮搅拌釜采用螺旋式-锚式综合搅拌器、并采用多投料口的焊接结构方案。该蒸煮搅拌釜具有投料灵活、搅拌效果好、安全稳定、应用范围广等特点。

无害化处理；蒸煮搅拌釜；搅拌；设计

0　引言

随着养殖场逐渐增多，由养殖场引发的问题也越来越多，比如动物尸体的处理，尤其是大型动物尸体无害化处理是一个严峻的问题。传统的处理方法（焚烧和填埋）存在严重的弊端，不利于环境的保护以及长久的发展。在对动物尸体破碎的基础上进一步采用蒸煮搅拌釜对碎块的动物尸体进行高温蒸煮及油水分离，最后投到发酵池进行发酵，可避免对环境的污染和对人体的危害［1］。

目前，我国反应搅拌容器的市场正飞速发展。反应搅拌容器产业技术含量逐渐增加，向高技术产品发展。企业关于搅拌容器的投资项目投资逐渐增多，这使得反应搅拌容器市场越来越受到各方的关注。搅拌操作分气流搅拌和机械搅拌。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的气流搅拌是比较弱的，对于高黏度液体难以适用，因此本此设计采用的是机械搅拌的蒸煮釜［2］。

1　工作原理

在进行蒸煮前，大型动物尸体先用动物破碎机进行破碎成较小的块状，然后通过埋刮板式输送机输送到蒸煮搅拌釜的投料口投入到釜体内，然后在釜体的下侧输入适量的水蒸气；通过电机驱动搅拌轴，带动搅拌器旋转，为物料的循环提供动力，从而使物料受到强烈的剪切和捏合作用，达到了充分分散和混合物料的作用。在历经3个小时的高温蒸煮下，尸块被煮烂，然后从釜体底部的出料口输出进一步处理。

2　结构方案

蒸煮釜搅拌釜由搅拌容器和搅拌装置组成。搅拌容器主要由釜体、内构件、法兰、支座等组成；搅拌装置由电动机、减速器、联轴器、搅拌轴、搅拌器、密封装置等组成。其结构如图1所示。

根据系统总体设计要求，蒸煮搅拌釜的主要设计确定为：生产量1500kg/3h；生产周期3h；搅拌釜工作温度130℃；搅拌釜电机功率7.5kW；蒸汽发生器功率24、36kW；工作压力为常压；搅拌转速30r/min；搅拌釜容积1.5m3。

为了便于现场布局安装和连接，蒸煮搅拌釜上设置了2个投料孔、4个耳座沿圆周均布，如图1所示。主体结构采用焊接构成，内筒体、拼接封头采用A类焊缝节点，夹套筒体采用A或B类焊缝节点，其余按HG/ T20583-2011标准中规定，所有角焊缝的脚高取较薄板的厚度，AB类、D类焊缝节点结构尺寸见图1所示。

图1　蒸煮搅拌釜结构Fig.1 The structure of the cooking-stirring kettle

3　主要零件的设计

蒸煮搅拌釜各零部件的结构按标准GB150-2011压力容器和HG/T20569机械搅拌设备设计，其主要受压元件材料按标准GB/T3274-2007选用Q235B材料，并符合GB150.2-2011附录D的规定以及按NB/T47008-2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》。本次设计釜体材料选用Q235B，搅拌轴采用45钢。

3.1釜体的设计

釜体有包容物料反应的空间，由筒体及上下封头组成。下封头与筒体一般为焊接，上封头与筒体也常用焊接，但筒体Di＜1500mm的场合多用做成法兰连接。筒体的直径和高度是釜体设计的基本尺寸。当容积一定时，长径比越大釜体内直径越小，则桨叶直径越小，所需的搅拌功率就越小。反之，则会使搅拌功率增大，能量消耗增大。长径比大，可使传热表面到釜心的距离较小。釜内温度梯度小，有利于传热。本釜体设计的长径比Hi/Di=1.15，经过计算此筒体的公称直径DN为1300mm，筒体高为1.5m，容器壁厚为10mm。

3.2顶盖（封头）的设计

由于大部分接管开在封头上，同时电动机及减速装置也支承在封头上，所以封头必须有足够强度和刚度。封头的形状有平板形、椭圆形、蝶形等。根据工艺要求、制造难易程度以及材料的消耗等情况综合考虑，选择椭圆形封头。椭圆形封头的直边段可以避免封头与圆筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变，从而改善焊缝的受力状况，其直边高度一般为25～50mm，本设计取25mm。考虑到封头承受的操作压力和封头上密集的开口情况等，将其厚度也适当增大，并且封头的厚度与其连接的圆筒厚度大致相等，经计算放大取整后取椭圆封头厚度为10mm。

图2　螺旋面桨叶的锚式搅拌器Fig.2 Anchored agitator with spiral blade

3.3搅拌装置的设计

（1）搅拌器的选用。搅拌器是搅拌反应能够进行的关键部件，它提供过程所需的能量和适宜的流动状态。搅拌器有很多种类型，根据搅拌目的、物料黏度和搅拌器容积的大小，同时考虑功率、操作费用以及制造、维护和检修等因素来选择。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行，但为了增大对高粘度物料的搅拌范围以及提高叶轮的刚性，采用螺旋式-锚式综合搅拌器 （如图2所示）。因动物尸体黏度较大适合采用螺带式或螺杆式，所以在锚式的基础上加上螺旋面搅拌器形成两种组合的搅拌方式，进一步完善搅拌器的设计。两种搅拌器的结合使搅拌更充分，适用的场合更广泛。

查阅搪玻璃搅拌器-锚式搅拌器HG/T205.11-2051.4-2007。锚式搅拌器适用于公称压力小于或等于 1.0MPa，公称容积50L～5000L，设计温度-20℃～200℃，搅拌器的公称转速为50r/min-80r/min。

（2）搅拌功率的计算：

式中：ρ—密度（kg/m3）；n—转速（s-1）；d—搅拌器直径（m）；NP—功率准数（W）。计算搅拌功率时，功率准数Np可直接从对应的功率曲线中查得为20，所以：

因此，本次设计的搅拌功率P为7.5kW。

（3）搅拌轴的设计。对于公称容积VN为1500L，容器的直径Di为1300mm时，查得搅拌轴的直径d1=80mm，搅拌器的外径为d=1070mm。选用B型搪玻璃搅拌器，轴的材料选用45钢。

轴强度校核：查资料可得，满足强度要求的所需的最小搅拌轴直径公式如下：

式中：p—搅拌传递功率 （kW）；n—搅拌轴转速（r/m）。由此可知，所选取的轴直径符合需求。

3.4密封装置设计

由于动物尸块在蒸煮中可能会产生有毒气体和物料，所以密封装置是蒸煮搅拌釜必不可少的一部分。机械密封是把转轴密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置。机械密封在搅拌反应器中得到广泛的应用是因为它的泄漏率低，功率消耗小，密封性能可靠而且使用的寿命较长。故本釜采用的是机械密封装置。机械密封已标准化。

设计压力小于0.6MPa且密封要求一般的场合，可选用单端面非平衡型机械密封。设计压力大于0.6MPa时，常选用平衡型机械密封。根据设计要求，选用单面非平衡型机械密封。

4　结束语

本文设计的蒸煮搅拌釜具有以下几个创新点［2］：

（1）由于动物尸体这种高黏性固液体难于搅拌，本次设计采用螺旋式-锚式综合搅拌器的结构方案，这样可在较小的功率下达到了很好的搅拌效果，降低了成本。

（2）由于釜体中间有螺旋式的搅拌轴，使用法兰不方便，同时考虑法兰是机加工件，比较昂贵，再者小型压力容器不需要安装内件，故将釜体和顶盖（封头）采用焊接式连接，这样既改善了加工工艺性，又降低了制造成本。

（3）为了满足不同企业场地的需要以及适应不同的处理量需求，本次设计的蒸煮搅拌釜设左右各一个投料口，这样可灵活安装，又可多点同时投料以提高生产效率。

本次设计的蒸煮搅拌釜具有使用方便、搅拌效果好、安全稳定、应用范围广等特点。蒸煮搅拌釜处理动物尸体的过程中对环境影响较小，且可以发掘动物尸体的剩余价值，有利于资源的循环使用。

［1］徐进京，钱袁萍，徐向红.动物尸体无害化处理系统设备的研制［J］.沙洲职业工学院学报，2014，5.

［2］姜旺.蒸煮搅拌釜设计及主要零件的制造工艺［D］.沙洲职业工学院，2014，6.

［3］李福宝，李勤.压力容器及过程设备设计［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［4］钢制焊接压力容器设计制造问答［DB/OL］.百度文库，《互联网文档资源（http：//wenku.baidu.c）》，2012，11.

［5］GB150-2011.钢制压力容器［S］.北京：中国标准出版社，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

钱袁萍（1971-），女，副教授，硕士。主要从事机械设计制造、计算机辅助设计、数控加工等方面的教学和科研工作，并积极参加专业建设和课程改革。