化工攪拌器的設計

1、<p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1 攪拌器的概述</p><p>　　1.1.1 攪拌器的應用范圍</p><p>　　機械攪拌反應器適用于各種物性（如粘度、密度）和各種操作條件（溫度、壓力）的反應過程，廣泛應用于合成材料、合成纖維、合成橡膠、醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥、染料、涂料、食品、冶金、廢水處理等行業(yè)。如實驗

2、室的攪拌反應器可小至數(shù)十毫升，而污水處理、濕法冶金、磷肥等工業(yè)大型反應器的容積可達數(shù)千立方米。除用作化學反應器和生物反應器外，攪拌反應器還可大量用于混合、分散、溶解、結晶、萃取、吸收或解吸、傳熱等操作。</p><p>　　攪拌反應器由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內構件。攪拌器、攪拌軸、及其密封裝置、傳動裝置等統(tǒng)稱為攪拌機。</p><p>　　1.1.2 攪

3、拌器的工作原理</p><p>　　通常攪拌裝置由作為原動機的馬達(電動、風動或液壓)，減速機與其輸出軸相連的攪拌抽，和安裝在攪拌軸上的葉輪組成 減速機體通過一個支架或底板與攪拌容器相連。當容器內部有壓力時，攪拌軸穿過底板進入容器時應有一個密封裝置，常用填料密封或機械密封。通常馬達與密封均外購，研究的重點是葉輪。葉輪的攪拌作用表現(xiàn)為“泵送”和 渦流”，即產(chǎn)生流體速度和流體剪切，前者導至全容器中的回流，介質易位，防

4、止固體的沉淀并產(chǎn)生對換熱熱管束 (如果有)的沖刷；剪切是一種大回流中的微混合，可以打碎氣泡或不可溶的液滴，造成“均勻”。</p><p>　　1.1.3 化工反應中的攪拌設備</p><p>　　根據(jù)攪拌器葉輪的形狀可以分成直葉槳式、開啟渦輪式、推進式、圓盤渦輪式、錨式、螺帶式、螺旋式等}根據(jù)處理的掖體牯度不同可以分為低粘度液攪拌器。低粘度液攪拌器，如：三葉推進式、折葉槳葉，6直葉渦輪式、

5、超級混合葉輪式 HR 100，HV 100等；中高粘度液攪拌器如：錨式、螺桿葉輪式、雙螺旋螺帶葉輪型，MR 205，305超混合攪拌器等等。</p><p>　　1.2 化工攪拌器的適應條件和構造</p><p>　　1.2.1 化工攪拌器的適應條件</p><p>　　攪拌加速傳熱和傳質，在化工設備中廣泛運用?；嚢杵鞯淖饔檬够どa(chǎn)中的液體充分混合，以滿足化學

6、反應能夠最大程度的進行，該設備可以代替手動攪拌對人體有毒或對皮膚有傷害的化工原料減少對人體的危害，同時通過電動機帶動軸加速攪拌，提高生產(chǎn)率。 攪拌加速傳熱和傳質，在化工設備中廣泛運用。攪拌的對象可以是液體 、固體和氣體，其中液體是必不可少的。最常見的液體是水，其粘度很低。液體也可能很粘，如黃油在室溫下可達 l，000，000 cP。液體中如加入過多的固體，如泥沙，會失去流動性，成為泥團。這種物料也可攪拌，但不在本文敘述的范圍內。<

7、/p><p>　　1.2.2 化工攪拌器的構造</p><p>　　化工生產(chǎn)過程中，通常用到的攪拌器種類有槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、推進式攪拌器、錨式攪拌器、框式攪拌器、螺帶式攪拌器等。各類攪拌器由于其構造，性能等差異，使其能夠分別適用于化工生產(chǎn)中各種不同的工況。槳式攪拌器又可分為平直葉和折葉攪拌器兩種。這類攪拌器的結構和加工都比較簡單。攪拌器直徑 d與釜徑 D之 比d／D為 0．35～0．8

8、，其運轉速度為 10～100r／min，為大型低速攪拌器，適用于低、中等粘度物料的混合及促進傳熱，可溶固體的混合與溶解等場合。渦輪式攪拌器又可分為開啟渦輪式和圓盤渦輪式兩類，每類又可分為平直葉、折葉、后彎葉三種。渦輪式攪拌器外形結構上與槳式攪拌器類似，只是葉片較多。攪拌器直徑 d與釜徑 D之比d／D為0．17～0．5，轉速為30～500r／min。旋轉時有較高的局部剪切作用，能得到高分散度微團，適用于氣液混合及液液混合或強烈攪拌的場合，

9、常用于低中等粘度物料 (μ<5×10 cP)。就一開啟式和圓盤式相比較而言，其構造上差異造成開啟式比圓盤式循環(huán)流量更大，軸向混合效果更好。推進式攪拌器也常被稱為旋槳式攪拌器。顧名思義，其葉片形式類似于輪船上的螺旋槳。攪拌器直徑 d與</p><p>　　1.3 課題的目的、意義、國內外現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 課題的目的、意義</p><p&

10、gt;　　化工反應中攪拌器的目的是借助攪拌器的作用使化工生產(chǎn)中的液體充分混合，以滿足化學反應能夠最大程度的進行。該設備可以代替手動攪拌對人體有毒或對皮膚有傷害的化工原料，結構簡單，使用方便，在化工生產(chǎn)應用比較廣泛。本課題要求設計一個小型攪拌器，容積在500升左右，工作平穩(wěn)靈活，使用方便。本題目主要涉及化工生產(chǎn)中攪拌器的設備設計，主要解決的問題是化工生產(chǎn)中該設備的設計，包括：攪拌器的選擇、電動機及減速器的選型、支撐裝置的設計、軸的選擇及密

11、封設置、攪拌容器的設計，并畫出相應的設備圖。</p><p>　　1.3.2 攪拌器的發(fā)展史及現(xiàn)狀</p><p>　　攪拌混合設備是一種應用廣泛、品種繁多的流體機械產(chǎn)品，適用于化工、冶金、醫(yī)藥、食品和飼料等領域。攪拌操作是工業(yè)反應過程的重要環(huán)節(jié)，它的原理涉及流體力學、傳熱、傳質及化學反應等多種過程，而攪拌器是為了使攪拌介質獲得適宜的流動場而向其輸入機械能量的裝置。因此攪拌器也叫做Mixe

12、r，或叫做Agitator,Stirrer。廣義的攪拌還包括將固體微粒分散懸浮在溶液里面或將溶液變成均勻的乳化液，因此它包括分散器和均質機。某些攪拌器能產(chǎn)生極大的剪切力，以獲得細化的粒子比膠體磨大10倍以上的亞微米懸浮體，因此，可用于制造色拉醬、美容乳之類的精細食品和化學品。石化工業(yè)常用于聚氯乙烯合金、順丁橡膠合釜、反應釜、汽提釜等統(tǒng)稱為攪拌容器（Agitatored Vessels，或Stirred Vessels）。</p&g

13、t;<p>　　近年來，攪拌器和攪拌容器獲得飛速發(fā)展的同時，正面臨著滿足合理利用資源、節(jié)能降耗和對環(huán)境保護要求的嚴峻挑戰(zhàn)。攪拌器和攪拌容器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟化和品種多樣化的同時，正日趨大型化。日立制作所自1949年生產(chǎn)攪拌反應釜以來已為聚氯乙烯、對苯二甲酸、苯乙烯單體、聚丙烯等裝置生產(chǎn)了攪拌反應釜近4000臺，容器的最大容量達576m3 ，最大直徑達7620 mm，圓筒部分最大長度達44380 mm，設計壓力最大 28 M

14、Pa，設計溫度最高 530 ℃，電機最大功率達 1100 kW?；诠?jié)能的要求，開發(fā)出變頻調速電機、小剪切阻力槳葉、以新型密封代替機械密封和填料密封，以磁力驅動代替機械傳動?；诮档彤a(chǎn)品總體成本、減少維修保養(yǎng)成本和提高設備平均維修間隔時間的要求，大大提高了設備運行壽命?；跐M足衛(wèi)生和降低清洗和殺菌成本的要求，實現(xiàn)了CIP(就地清洗 )和 SIP(就地殺菌)，提高了自動化水平，避免了人與產(chǎn)品的接觸，減少了人工操作和待機時間，大大提高了產(chǎn)品

15、的衛(wèi)生水平。</p><p>　　1.3.3 攪拌器的主要類型及其發(fā)展概況 </p><p>　　根據(jù)攪拌器的形狀可以分成直葉槳式、開啟渦輪式、推進式、圓盤渦輪式、錨式、螺帶式、螺旋式等；根據(jù)不同液體的粘度可以分為低粘度液攪拌器、中高粘度液攪拌器。低粘度液攪拌器，如：三葉推進式葉輪，折葉槳式 (2～4折葉)，6直葉渦輪式，超級混合葉輪式 (HR]O0，HV200)等 ；中高粘度液攪拌器如：

16、錨式、螺桿葉輪式，雙螺旋螺帶葉輪型，超混臺攪拌器 (MR205，305)等。為了達到成品高精度、高品質化要求，國外，特別是日本開發(fā)了新型的攪拌裝置 ，以滿足高粘度產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。如倒圓錐形螺帶翼式攪拌器、超混合攪拌器、高性能浮動攪拌槽、超振動α型攪拌器等。 </p><p>　　在對物料的攪拌操作中，人們希望實現(xiàn)多種攪拌目的，因此了解各種攪拌器的特點，選擇適宜的葉輪型式，設計出符合流動狀態(tài)特性的攪拌器是非常重要

17、的。攪拌槽內的液體進行著三維流動，為了區(qū)分攪拌槳葉排液的流向特點，根據(jù)主要排液方向，按圓柱坐標把典型槳葉分成徑向流葉輪和軸向流葉輪 。齒片式、平葉槳式、直葉圓盤渦輪式和彎曲葉渦輪式在無擋板攪拌槽中除了使液體產(chǎn)生與葉輪一起回轉的周向流外，還由于葉輪的離心力是液體沿葉片向槽壁射出，形成強 大有力的徑向流，故稱這些葉輪為徑向流葉輪。徑向流葉輪攪拌器旋轉時，將物料由軸向吸入再徑向排出，葉輪功率消耗大，攪拌速度較快，剪切力強。如圖1.1、圖1.2

18、所示，是典型的徑向流葉輪型式。</p><p>　　圖1.1徑向流葉輪 圖1.2徑向流葉輪</p><p>　　在湍流狀態(tài)下，推進式葉輪除了產(chǎn)生周向流動外，還產(chǎn)生大量軸向流動，是典型的軸向流葉輪。折葉渦輪式葉輪與直葉圓盤渦輪和彎曲葉渦輪式葉輪相比，軸向流成分較多，多用于軸向流的場合。螺帶式和螺桿式葉輪使高粘度物料產(chǎn)生軸向流動，也屬軸向流葉輪型式。軸向

19、流葉輪攪拌器不存在分區(qū)循環(huán)，單位功率產(chǎn)生的流量大，剪切速率小且在槳葉附近較大范圍內分布均勻，具有較強的最大防脫流能力。如圖1.3、圖 1.4所示，是典型的軸向流葉輪型式。</p><p>　　圖1.3軸向流葉輪 圖1.4軸向流葉輪</p><p><b>　　新型軸向流葉輪 </b></p><p>　

20、　在通常情況下，大量的攪拌設備用于低粘物系的混合和固一液懸浮操作，要求葉輪能以低的能耗提供高的軸向循環(huán)流量。由于傳統(tǒng)的推進式葉輪葉片為復雜的立體曲面，雖能滿足要求，但制造卻很困難，亦不易大型化。因此競相開發(fā)節(jié)能高效 、造價低廉且易于大型化的第二代高效軸流攪拌器成為混合設備公司的目標。美國萊寧公司開發(fā)了</p><p>　　A310和A315系列(如圖1.5，圖1.6所示)。 </p>

21、<p>　　圖1.5 A310 圖1.6 A315</p><p>　　國內如北京化工大學和華東理工大學等也分別開發(fā)了CBY軸流槳和翼型槳；中國石油化工學院的沈惠平教授等人還研制開發(fā)了一種新型高效易于加工的軸流式攪拌葉輪。它是一種空間扭曲板材型槳葉，從葉片端部看，它由許多相似的拱組成，與其所處半徑有關，且具有合理的葉片傾角、拱度及葉片

22、寬度。</p><p><b>　　新型攪拌混合設備 </b></p><p>　　近年來歐洲和Et本開發(fā)了很多種適用于高粘和超高粘物系的臥式自清潔攪拌設備。瑞士臥式雙軸全相(AllPhase)型攪拌機就是典型的一例。如圖1.7所示。 </p><p>　　圖1.7瑞士LIST公司全相型自清潔反應器</p><p&

23、gt;　　圖1.8復合式攪拌器的結構</p><p>　　另外，北京燕山石油化工有限公司設計院針對在大直徑、低轉速、介質較粘稠的場合，設計了一種復合式攪拌器，很好地解決了無法配備大功率的電機，存在制造、檢修 以及安裝的困難等問題。復合式攪拌器的結構如圖 1.8所示。 </p><p>　　設備設計智能化的實現(xiàn) </p><p>　　根據(jù)混合專家的經(jīng)驗和常

24、識，將攪拌混合設備與自動控制技術相結合，在混合設備選型和設計中運用人工智能技術(AJ)和基于知識的系統(tǒng)(KBS)，即實現(xiàn)了混合設備選型和設計的智能化。</p><p>　　如圖1.9所示，攪拌設備設計專家系統(tǒng)采用總設計任務控制各階段設計分任務，分任務調度相應的設計知識和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)混合設備的專家系統(tǒng)設計的組織方法。通過仔細的分析、歸屬，用智能化設計系統(tǒng)原型階段性地實現(xiàn)混合設備的設計過程，可以把其表示為一系列的設計過

25、程的鏈式序列。各階段相對獨立又相互連續(xù)，其中每一個設計階段都將設計結構傳遞給后繼設計過程L6j。該系統(tǒng)從攪拌葉輪的選型、過程設計、機械設計和經(jīng)濟分析評價，到最終機械繪圖的全過程的都給出了智能化的計算機輔助設計。它可應用于牛頓流體和非牛頓流體，液一液體系、固 一液體系和氣 一液體系，并且可以處理容積超過上百立方米的應用體系。20世紀90年代以來，有關攪拌設備選型和設計的專家系統(tǒng)在國外已有少量報道。如 1994年美國 Chemineer公司

26、報道了該公司有一個用于渦輪式攪拌設備設計的知識庫軟件 AgDesign，據(jù)稱該公司90％頂伸人攪拌器的設備均已用此軟件進行設計。芬蘭的Lappeenranta工業(yè)大學在1994年發(fā)表了有關混合設備初步設計的知識庫系統(tǒng)的論文。在國內，浙江大學也正與大型石化企業(yè)合作開發(fā)攪拌槽式反應器的智能化輔助選型和設計軟件。</p><p>　　圖1.9 混合設計智能化設計系統(tǒng)實現(xiàn)結構</p><p>&l

27、t;b>　　1.3.4 結語 </b></p><p>　　攪拌操作是工業(yè)反應過程的重要環(huán)節(jié)，攪拌混合設備在化學工業(yè)中擔當著非常重要的角色?，F(xiàn)代化學工業(yè)要求有更高更好的攪拌混合技術，因此必須改進傳統(tǒng)攪拌裝置、研制新型混合設備；同時使用 LDV、PIV和 EPT等先進量測技術，運用計算流體動力學知識，深入分析攪拌反應器內的流體流動機理和微觀混合，安全和優(yōu)化設計、提高過程效率性能和降低失敗風險，并最

28、終提高反應產(chǎn)率。在這些現(xiàn)代先進技術的推動下，攪拌混合技術一定會向一個更新的階段發(fā)展。</p><p>　　1.4 本課題的設計思路</p><p>　　本課題的設備思路可分為以下步驟：</p><p>　　1、按設計要求可用的 D／T(輪徑／罐徑)值，和對攪拌時間、攪拌程度的要求，選定若干個不同轉速下的扭矩或功率要求；</p><p>　　2

29、、選定合理的葉輪安裝高度，結合設備情況，估計近似的攪拌軸長；</p><p>　　3、估計合理的電動機功率；</p><p>　　4、根據(jù)葉輪功耗。輸出軸、支架等等，選擇能滿足前三項要求的攪拌器；</p><p>　　5、按照葉尖切線速度等條件，確定最合適的轉速，對設計進行優(yōu)化，按已確定的條件，對軸系進行動力和強度等因素的驗算和分析。</p><

30、p><b>　　2 攪拌容器的設計</b></p><p>　　2.1 攪拌容器的設計探討</p><p>　　攪拌容器的作用是為物料反應提供合適的空間。攪拌容器的筒體基本上是圓柱筒，封頭常采用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋，以橢圓形封頭應用最廣。下封頭與筒體一般為焊接連接，上封頭與筒體也可采用焊接連接，但在筒體直徑DN≤1500mm的場合多采用法蘭連接。</

31、p><p>　　筒體的直徑和高度是容器設計的基本尺寸。工藝條件通常給出設備容積V或操作容積V0 ,有時也給出筒體內徑Di，或者筒體高度H1和筒體內徑Di之比（稱為長徑比）,其中V0=nV，n為裝料系數(shù)，表明容器操作時所允許的裝滿程度，在確定攪拌容器的容積時，其值通?？扇?.6~0.85.如果物料在反應中產(chǎn)生泡沫或沸騰狀態(tài)，取0.6~0.7；如果物料在反應中比較平穩(wěn)，可取0.8~0.85.</p><

32、;p>　　一般攪拌罐根據(jù)罐內物料類型筒體的高徑比可分為液固相、液液相1~1.3，氣液相1~2.</p><p>　　據(jù)設計要求，要求攪拌器的容積在500升左右，液體粘度為0.3Pa.s，液體的密度為ρ=1500kg/m3，運轉速度為40r/min，v=5m/s。結合實際條件，本課題選用筒式攪拌器。將攪拌器的外殼設計成圓筒形，攪拌器旋轉時，把機械能傳遞給流體，在攪拌器附近形成高湍動的充分混和區(qū)，并產(chǎn)生一股高速

33、射流，使流體具有較高的壓頭，推動液體在攪拌容器內循環(huán)流動。在圓筒的導流作用下，介質從簡體的頂部和底部流入筒內，完成一個循環(huán)，使介質產(chǎn)生高速的徑向流和軸向流，同時加大介質流量，介質流動更均勻。</p><p>　　通過筒式攪拌器與渦輪式攪拌器和推進式攪拌器的功率對比試驗，在相同的拌情況下，筒式攪拌器將電能轉化為機械能的效率更高，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1三種攪拌器功率曲線

34、</p><p>　　(1) 筒式攪拌器的攪拌流型適于低黏度液體的攪拌，攪拌釜內的攪拌死角較少。 </p><p>　　(2) 筒式攪拌器對電能的利用率高，在相同的情況下，筒式攪拌器的功率準數(shù)較小，耗能少，表明筒式攪拌器在節(jié)能方面具有非常好的效果。 </p><p>　　(3) 筒式攪拌器的攪拌混合效率高，在相同的情況下，是渦輪式和推進式攪拌器的2～3倍。</

35、p><p>　　因此，本課題選用的筒式攪拌器能夠滿足設計的要求。</p><p>　　2.2 攪拌容器的設計計算</p><p>　　2.2.1 確定筒體的幾何參數(shù)</p><p><b>　?。?）筒體型式</b></p><p><b>　　選擇圓柱形筒體</b></p

36、><p>　?。?）確定內筒筒體的直徑和高度</p><p>　　由于攪拌過程是液—液相混合，一般來說攪拌裝置的高徑比（H／D）為1~1.3，本次設計選用高徑比為1.2。已知攪拌容積是500L，根據(jù)公式</p><p>　　D= （2.1）</p><p>　　可以計算處筒體的內直徑D=0.80

37、m，筒體高H=0.96 m。</p><p>　?。?）筒體材料的選擇及估算筒體鋼板的厚度</p><p>　　根據(jù)冶金手冊產(chǎn)品的標準，我們選用普通碳素鋼，根據(jù)GB150—1998中對碳素鋼的要求和鋼板之間的差別，我們選用Q235—B熱軋鋼板，厚度尺寸選用9mm。</p><p>　?。?）計算筒體的壁厚及強度校核</p><p>　　按照材

38、料力學中的強度理論，對于鋼制容器適宜采用第三、第四強度理論，但是由于第一強度理論在容器設計史上使用最早，有成熟的實踐經(jīng)驗，而且由于強度條件不同而引起的誤差已考慮在安全系數(shù)內，所以至今在容器常規(guī)設計中仍采用第一強度理論，即</p><p><b>　　σ1≤[σ]</b></p><p>　　式中是器壁中σ1三個主應力中最大一個主應力。對于內壓薄壁容器的回轉殼體，軸向應

39、力σθ為第一主應力，徑向應力σψ為第二主應力，而另一個主應力σz是徑向應力，由于σθ、σψ與σz相比可忽略不計，即σ3=σz=0，所以第三強度理論與第一強度理論趨于一致。因此在對容器個元件進行強度計算時，主要確定σ1，并將其控制在許用應力范圍內，進而求取容器的壁厚。</p><p>　　容器圓筒承受均勻內壓作用時，其器壁中產(chǎn)生的如下薄膜應力（圓筒的平均直徑為D，壁厚為t）：</p><p>

40、;<b>　　σθ=</b></p><p><b>　　σψ=</b></p><p>　　很顯然，σ1=σθ，故按照第一強度理論，有</p><p>　　σ1 = ≤〔σ〕t （2.2）</p><p>　　在容器設計中，一般只給出內徑值Di，則D=Di + t，

41、將其代入上式，得</p><p>　　P(Di+t)/2t≤〔σ〕t （2.3）</p><p>　　容器圓筒在制造時由鋼板卷焊而成，焊縫區(qū)金屬強度一般低于木材，所以上式中的〔σ〕t應乘以系數(shù)Ф。所以，考慮容器內部介質和周圍大氣腐蝕、供貨鋼板厚度的負偏差等原因，設計厚度應比計算厚度大。設t為圓筒的計算厚度，則由上式可得

42、 （2.4）</p><p>　　式中p——

43、設計內壓力，Mpa</p><p>　　Di——圓筒內直徑，mm</p><p>　　t ——計算厚度，mm</p><p>　　Ф——焊縫系數(shù)，Ф≤1.0</p><p>　　〔σ〕t——設計溫度下圓筒材料的作用應力，Mpa。</p><p>　　式（2.4）即為內壓圓筒厚度的計算公式。已知Q235—B 鋼的設計內壓

44、力P<1.6 Mpa，選用P=1.0Mpa，許用應力〔σ〕t=125 Mpa，〔σ〕=125 Mpa，Ф=0.5，所以計算厚度t=（1.0×800）／（2×125×0.5—1）=7mm。代入公式（2.2）驗算得σ1=61.4<〔σ〕=125 Mpa，符合要求。</p><p>　　2.2.2 封頭的設計</p><p>　?。?）封頭的選型及計算&

45、lt;/p><p>　　最常用容器封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和無折邊封頭等凸形封頭以及圓錐形封頭、平板封頭等數(shù)種。這些封頭都是壓力容器的主要受壓元件，由于與圓筒筒體的連接處有較為復雜的邊界條件，故有不同性質的應力存在，所以在對承受均勻內壓封頭進行強度計算時，除了要考慮封頭自身的薄膜應力外，還要考慮封頭與圓筒筒體連接處的不連續(xù)應力。</p><p>　　綜上所述，根據(jù)本次設計的要求

46、，從各個封頭的受力分析、制造工藝和的應用場合等各個方面綜合考慮，我們選用標準橢圓形封頭。如下圖2.2所示</p><p><b>　　圖2.2封頭</b></p><p>　　橢圓形封頭是由半個橢球面和一圓筒直邊組成，其結構設計充分吸取了半球形封頭受力好和碟形封頭深度淺的優(yōu)點，其應用最為廣泛。由于橢圓形封頭幾何特征造成經(jīng)線曲率平滑連續(xù)，故封頭中的應力分布比較均勻。橢圓

47、形封頭中的應力，包括由內壓引起的薄膜應力和封頭與圓筒體連接處的不連續(xù)應力兩部分。對于標準橢圓形封頭，其Di/2hi=2，K=1，則封頭的厚度計算公式為</p><p>　　T=PDi/(2[σ]tφ-0.5p) (2.5)</p><p>　　其中長軸為2a=Di=0.80m，hi/Di=0.25，所以hi=0.2m，短軸之半b=hi=0.2m。

48、從式（2.5）可知，標準橢圓形封頭的厚度與筒體基本相同，若因Ф值有所不同，則相差也不會很大，為焊接方便，常取兩者等厚則t=7mm。</p><p>　?。?）封頭的強度校核</p><p>　　封頭的厚度為7mm，橢圓形封頭的當量球殼內半徑R1=KD=1ⅹ800=800mm，用（6）A==0.0015， （2.6）</p><p&

49、gt;　　查得B=120Mpa，由式（2.7）</p><p>　　[P]= （2.7）</p><p>　　得[P]=1.05Mpa>1.0125 Mpa。故封頭壁厚取7mm可以滿足穩(wěn)定性的要求。</p><p>　　3 傳動裝置的選擇和攪拌器的設計</p><p>　　3.1

50、攪拌器的選型</p><p>　　化工生產(chǎn)過程中，通常用到的攪拌器種類有槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、推進式攪拌器、錨式攪拌器、框式攪拌器、螺帶式攪拌器等。各類攪拌器由于其構造，性能等差異，使其能夠分別適用于化工生產(chǎn)中各種不同的工況。由于本次設計的攪拌器是低粘度、低速度、液—液混合的小功率設備，容積為500L，根據(jù)攪拌器對這些因素的要求，本次設計選用斜槳式攪拌器。傾斜槳式攪拌器結構上，葉槳與攪拌軸的安裝角＜90

51、76;，在旋轉攪拌時，阻力將堿小；另一方面，傾斜旋轉的葉槳能使容器內的液料形成渦流，攪拌效果好，特別是當軸正向旋轉時，可使沉淀物攪動上翻，對物料的攪拌效果相當好；當軸反向旋轉時，又可使懸浮物攪至底部，對有懸浮物的液料攪拌十分有利．但轉軸受扭矩和彎矩復合作用，對其強度、剮度及安裝的要求較高，多用于低速、低粘度、小功率( = 30~40r／min)攪拌．因此槳式攪拌器符合設計的要求。</p><p>　　3.2 攪拌

52、器功率的計算</p><p>　　在計算功率之前，首先計算攪拌過程的雷諾準數(shù)，計算公式為</p><p>　　Re= （3.1）</p><p>　　已知n=40 r／min=0.67r/s，dj=0.8m，µ=0.3Pa.s，ρ=1500kg/m3所以雷諾數(shù)Re=588。</p><p&

53、gt;<b>　　攪拌所需動力為</b></p><p>　　P= （3.2）</p><p>　　其中Np為功率準數(shù)，利用Rushton的功率曲線圖，查得Np=0.75，代入上式得P=0.3KW，所需電動機的功率為Pe=P/η=0.31KW ，(η=0.98)，所以選擇0.37KW的電動機就可滿足要求。</p>&

54、lt;p>　　3.3 攪拌軸的結構及材料</p><p>　　3.3.1 軸的結構</p><p>　　攪拌軸主要用來支承攪拌器的，并從減速器輸出軸取得動力使攪拌器旋轉，達到攪拌的目的。因此，攪拌軸的結構就是以這些要求為依據(jù)進行設計的。攪拌軸上端應同減速器輸出軸相連。它們是通過聯(lián)軸器相聯(lián)接的，因此，攪拌軸上端必須復合聯(lián)軸器的聯(lián)接結構要求。軸上相應的位置應加工出同攪拌器相配合的結構尺寸

55、。目前常用的攪拌器大都采用平鍵、穿軸銷釘或穿軸螺釘固定。其結構如圖3.1所示。</p><p>　　1—攪拌器2—防銹螺母</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p>　　3.3.2 軸的材料</p><p>　　攪拌器軸的材料通常選用45號鋼，還應進行正火或調質處理。同時由于化工反應中有腐蝕，所以還要

56、進行防腐蝕處理。</p><p>　　3.3.3 攪拌軸的計算</p><p>　　攪拌軸的計算主要是確定軸的最小截面尺寸（軸徑），需要進行強度、剛度計算或校核，驗算軸的臨界轉速和撓度等，以便保證攪拌軸能安全可靠的運轉。</p><p>　　攪拌軸的特點是細而長，攪拌器設在軸的一端，軸受到扭轉、彎曲和軸向等組合載荷，其中以扭轉載荷為主。工程應用中常用近似的方法進行強

57、度計算，即假定軸只受到扭矩作用，然后用增加安全系數(shù)以降低材料許用應力的辦法來補償其他載荷的影響。</p><p>　　(1) 軸的強度計算</p><p>　　軸的扭轉強度條件是：</p><p>　　max = （3.3）</p><p>　　由上式可知，只要知道了攪拌軸上所傳

58、遞的扭矩MT和軸材料的許用剪應力[]值后，就可求出軸的抗扭截面模量，即：</p><p>　　WP= （3.4）</p><p>　　已知MT可由軸傳遞的功率P和轉速n求出，即：</p><p>　　MT=9.55×106P/n （3.5）<

59、/p><p>　　然后再根據(jù)抗扭截面模量Wp同軸徑d的關系求出攪拌軸的最小直徑。因為</p><p>　　Wp= （3.6）</p><p>　　將（3.5）（3.6）式代入（3.4）式得</p><p>　　d≥×≈365.09×mm</p><p>

60、　　已知攪拌功率為0.3KW，軸的轉數(shù)n=40r/min，[]=40Mpa，代入上式得d=19mm?？紤]到腐蝕，故攪拌軸的直徑為20mm。</p><p>　?。?）軸的剛度的計算</p><p>　　為了防止攪拌軸產(chǎn)生過大的扭轉變形，從而在運轉中引起振動，造成動密封失效，應該把軸的扭轉變形限制在一個允許的范圍內，這就是設計中的扭轉剛度條件。為此攪拌軸要進行剛度計算。</p>

61、<p>　　工程上是以單位長度的扭轉角θ不得超過許用扭轉角[θ]作為剛度條件的，即：</p><p>　　θmax=×103× ≤[θ] （3.7）</p><p>　　θ—軸扭轉變形的扭轉角，°/m；</p><p>　　G—剪切彈性模量，Mpa；G=8.1х104Mpa

62、；</p><p>　　Ip—截面的極慣性矩。一般情況下Ip =。</p><p>　　從（3.7）式可以看出，扭轉角θ的大小與扭矩MTmax成正比，與扭轉剛度GIp成反比。許用扭轉角[θ]值是根據(jù)實際情況確定的，一般攪拌軸選用[θ]=（0.5—1.0）°/m。取[θ]=0.8。代入下式</p><p>　　d≥1537×mm

63、 (3.8)</p><p><b>　　得d=20mm。</b></p><p>　　軸徑應同時滿足剛度和強度兩個條件。一般按剛度計算的軸徑較按強度計算的軸徑大，所以對攪拌軸來說，主要以剛度條件確定軸徑?？紤]到腐蝕，所以取最小軸徑為d=20mm。</p><p>　　3.3.4 攪拌軸的形位公差和

64、表面粗糙度要求</p><p>　　由于要求運轉平穩(wěn)，防止軸的彎曲對軸封處的不利影響，因此軸安裝和加工要控制軸的直度，當轉速n<100r/min時，直線度允差為1000：0.15。軸的配合面的配合公差和表面粗糙度可按所配零件的標準要求選取。</p><p>　　3.4 攪拌器及傳動裝置等的設計及計算</p><p>　　3.4.1 攪拌器的選擇</p&g

65、t;<p>　　根據(jù)工藝要求，選用直徑為400mm，軸徑Ф25mm的槳式攪拌器，標記符號為400—25.</p><p>　　3.4.2 電動機的選型</p><p>　　根據(jù)攪拌器的結構及電動機的安裝方式，我們選用YS系列V1型立式電動機，</p><p>　　電動機的型號 YS7112.</p><p>　　轉速 2

66、800 r/min</p><p>　　額定功率 370W</p><p>　　最大轉矩 2.4</p><p>　　質量 9Kg</p><p>　　其結構尺寸由文獻[6，表12—12]可知。

67、 </p><p>　　3.4.3 減速器的選型</p><p>　　根據(jù)我國目前情況，反應釜用的立式減速機主要有，擺線針輪減速機、兩級齒輪減速機、V帶減速機、蝸桿減速機等幾種，這幾種減速機已由有關工業(yè)部門訂有標準系列，根據(jù)本次設計情況和查閱有關手冊，我們選用擺線針輪減速機，如圖3.2所示。

68、</p><p><b>　　.</b></p><p>　　圖3.2擺線針輪減速機</p><p>　　根據(jù)《單支點機架》（HG21566—95）標準的附錄中列有常用的“釜用傳動裝置減速機型號及技術參數(shù)”可以根據(jù)公稱直徑和攪拌軸轉速來選擇減速機的型號。我們選用BLD3—1—29Q型減速器。其安裝尺寸參照文獻 [3, 表18—12（a）]。&l

69、t;/p><p>　　3.4.4 軸承的選擇</p><p>　　軸承是機器中重要的部件，它的功用主要是支承軸及軸上的零件，并使軸保持一定的旋轉精度，減少轉軸與支承之間的摩擦與磨損。一般的工作情況下，滾動軸承的摩擦阻力較滑動軸承的摩擦阻力小，其功率損耗也小，容易起動，潤滑與維護簡單，而且滾動軸承是標準件，可由專門工廠大批生產(chǎn)，選用方便。所以在各種機械設備中應用廣泛。所以本次設計我們選用滾動軸承

70、。</p><p>　　滾動軸承通常由四種元件組成，即外圈1、內圈3、滾動體2和保持架4，如下圖。外圈和內圈都制有一定形狀的滾道，以保證滾動體在其間作精確的運轉。滾動體有球形、圓柱體、圓錐形、針形等，保持架的作用是把滾動體彼此隔開并沿滾道均勻分布，通常內圈裝配在軸頸上，隨軸一起轉動；外圈裝在軸承座里不轉動。由于滾動體和內圈、外圈的接觸面積很小，接觸應力很大，所以它們都是由合金鋼制造的，經(jīng)熱處理使硬度達到60HRC

71、以上，保持架多用軟鋼沖壓而成，也有用鋼合金、塑料和其他材料制成的。</p><p>　　根據(jù)軸承所承受載荷的大小、方向和性質，我們選用深溝球軸承，主要承受徑向載荷，也可同時承受一定的的軸向載荷。其結構如圖3.3，其代號為6211。其安裝尺寸參照文獻[5, 表12.1]。軸承的潤滑選用脂潤滑，密封用氈圈式密封。</p><p><b>　　圖3.3軸承 </b><

72、/p><p>　　3.4.5 聯(lián)軸器的選擇</p><p>　　立式攪拌反應器常用的聯(lián)軸器主要有JQ型夾殼式聯(lián)軸器、GT型凸緣聯(lián)軸器和TK型彈性塊式聯(lián)軸器。根據(jù)有關要求，我們選用彈性塊式聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器適用于工作溫度－20°—+60°，且有油或有弱堿、弱酸的介質浸蝕下的變載荷的連接，并能緩和一部分沖擊，以及補償少量的軸線偏差。彈性塊式聯(lián)軸器已經(jīng)作為化工設備立式減速器HG標

73、準的附件，應用較為廣泛。彈性塊式聯(lián)軸器的結構如圖3.4所示。上方與減速器軸相連的凸半聯(lián)軸器，有4—12片弧形凸塊。下方與攪拌軸相連的凹半聯(lián)軸器上則制有凹槽，可以容放相應數(shù)量的彈性塊和凸半聯(lián)軸器上的凸塊。聯(lián)軸器與軸則以固定螺釘和鍵固定。當主動軸轉動時，凸半聯(lián)軸器即通過彈性塊來帶動凹半聯(lián)軸器旋轉。聯(lián)軸器材料采用不比HT200差的鑄鐵，彈性塊采用能在－20°—+60°范圍內工作，且耐油、弱酸及弱堿的橡膠制成。</p&

74、gt;<p><b>　　圖3.4聯(lián)軸器</b></p><p>　　其尺寸參考文獻[4, 表11—2]。</p><p>　　3.5 傳動裝置的機架</p><p>　　反應釜立式傳動裝置是通過機架安裝在反應釜封頭的底座上的，機架上端需與減速機裝配，下端則與底座裝配。在機架上一般還需要有容納聯(lián)軸器、軸封裝置等部件及其安裝操縱所需

75、要的空間。按照《攪拌傳動裝置系統(tǒng)組合》HG21563—95標準系列中選取機架。選用時，首先考慮上述要求，然后根據(jù)所選減速機的輸出軸軸徑及其安裝定位面的結構尺寸選配合適的機架。根據(jù)上述條件，選用J—A55型單支點機架，機架的公稱直徑為300mm。如圖3.5：</p><p><b>　　圖3.5機架</b></p><p>　　其尺寸參照文獻[3, 表18—14]，機架

76、的材料選用和加工，選用灰鑄鐵HT200鑄造毛坯再進行加工。</p><p><b>　　3.6 底座的設計</b></p><p>　　為了易于保證底座既與減速機座連接又使穿過軸封裝置的攪拌軸運轉順利，要求軸封裝置與減速機架安裝時有一定的同心度，一般都將兩者的定位安裝面做在同一塊底座上。根據(jù)《攪拌傳動裝置系統(tǒng)組合、選用及技術要求》（HG21563—95中），我們選用圖

77、3.6所示的平底底座：</p><p><b>　　圖3.6底座</b></p><p>　　3.7 攪拌器的軸封裝置</p><p>　　解決化工設備的跑、冒、滴、漏，特別是防止有毒、易燃介質的泄露，是一個很重要的問題。因此，在攪拌器的設計過程中選擇合理的密封裝置是很重要的。在反應釜中使用的軸封裝置主要是填料箱密封和機械密封兩種。通過下表填料

78、箱密封和機械密封的比較，我們選取機械密封作為攪拌器的軸封裝置。</p><p>　　機械密封系指兩塊環(huán)形密封元件，在其光潔面平直的端面上，依靠介質壓力或彈簧力的作用，在相互貼合的情況下作相對轉動，從而構成密封結構。圖3.7是一種釜用機械密封裝置的簡單結構圖。當軸轉動時，帶動了彈簧座、彈簧、彈簧壓板、動環(huán)等零件一起旋轉。由于彈簧力的作用使動環(huán)緊緊壓在靜環(huán)上。當軸旋轉時，動環(huán)與軸一起旋轉，而靜環(huán)則固定于座架上靜止不動

79、，動環(huán)與靜環(huán)相接觸的環(huán)形密封端面阻止了介質的泄露。因此，從結構上看，機械密封主要是將較易泄露的軸向密封，改為不易泄露的端面密封。</p><p>　　表3.1填料密封和機械密封的比較</p><p><b>　　圖3.7機械密封</b></p><p>　　化工部門已將釜用機械密封的基本型式及參數(shù)制定了系列標準《攪拌傳動裝置—機械密封》（HG2

80、1571—95），并有定點廠供應各種規(guī)格產(chǎn)品，一般只需選用、訂購即可。根據(jù)本次設計情況，我們選用單端面小彈簧平衡型，型號為2001，代號為HG21571 95 MS 2001—300—BUPFEBUP。</p><p>　　3.8 攪拌器槳葉的設計</p><p>　　3.8.1 攪拌器槳葉的選型</p><p>　　由于液體的粘度較低，根據(jù)實際情況，我們選用斜槳式

81、葉片。結構如圖3.8所示</p><p><b>　　圖3.8斜槳式葉片</b></p><p>　　槳式攪拌器是攪拌器中結構最簡單的一種攪拌器，一般葉片用扁鋼制成，焊接或用螺栓固定在輪轂上，葉片數(shù)是2、3或4片，葉片形式可分為平直葉式和折頁式兩種。主要應用在：液-液系中用于防止分離、使罐的溫度均一，固-液系中多用于防止固體沉降。</p><p&g

82、t;　　槳式攪拌器主要用于流體的循環(huán)，由于在同樣排量下，折葉式比平直葉式的功耗小，操作費用低，故軸流槳葉使用較多。槳式攪拌器也可用于高粘流體的攪拌，促成流體的上下交換，代替價格高的螺帶式葉輪，能獲得良好的效果。槳式攪拌器的轉速一般為20～100r/min,最高粘度為20Pa.s.</p><p>　　本次設計采用斜槳葉式攪拌器，葉片數(shù)為2.</p><p>　　3.8.2 攪拌槳葉的尺寸設

83、計</p><p>　　斜槳葉式攪拌器的槳徑與筒徑（D1／D）的比為0.3~0.6，已知D=0.8m，所以取D1=0.40m，槳葉的寬度為（0.1~0.25）D1，我們取b=0.1D1=0.04m，θ=60°。一般槳葉距筒底的高度H1為（0.5~1）D1，本次設計取H1= D1=0.30m。葉片厚度取6mm。</p><p>　　3.9 攪拌器的接管口支座的結構設計</p&

84、gt;<p>　　3.9.1 液體進料管</p><p>　　液體進料管我們選用圖3.9所示的結構，接管伸入設備并將管口切成45°，這樣可以避免液料沿攪拌器的內壁流動，減少物料對壁面的磨損與腐蝕。</p><p><b>　　圖3.9進料管</b></p><p>　　管材的選用參照文獻[9，表C—1，C—2]可得，選用

85、20號鋼，GB699—88。</p><p>　　3.9.2 液體出料管</p><p>　　出料管結構設計主要從物料易放盡，阻力小和不易堵塞等因素考慮，另外還要考慮溫差應力的影響。如圖3.10所示是兩種常見的結構。</p><p><b>　　圖3.10出料管</b></p><p>　　根據(jù)設計我們選用（a）圖出料管

86、，直徑為100mm，其結構尺寸參照下表3.2</p><p>　　表3.2 出料管結構尺寸</p><p>　　3.9.3 儀表接管口</p><p>　　儀表接管與釜體的安裝都用插入式，因為本次設計的攪拌器處于低壓條件，所以采用單面角焊接。常用的儀表有玻璃溫度計，都要采用套管結構并用多層套管加強。常用的幾種接口結構參見文獻[3, 表B—12]。</p>

87、<p>　　3.9.4 法蘭的選擇</p><p>　　考慮到生產(chǎn)工藝上的要求和制造、運輸和安裝檢修時的需要，化工設備常采用可拆卸的法蘭聯(lián)接方法。法蘭聯(lián)接是由一對法蘭，若干個螺栓、螺母和一個墊片所組成，如圖3.11所示。</p><p><b>　　圖3.11法蘭連接</b></p><p>　　根據(jù)設計要求我們選用甲型平焊法蘭，

88、其結構如圖3.12：</p><p>　　圖3.12甲型平焊法蘭</p><p>　　其結構尺寸參照文獻[4, 表16—13]。法蘭材料選用Q235—B，法蘭墊片選用參照文獻[12，表16—4]，選用聚四氟乙烯板。</p><p>　　3.9.5 設備支座的選擇</p><p>　　化工設備上的支座是支承設備重量和固定設備位置用的一種不可缺少

89、的部件。在某些場合下，支座還可能承受設備操作時的振動、載荷等。支座的結構形式和尺寸往往決定于設備的型式、載荷情況及構造材料。最常用的有：耳式支座、支承式支座和鞍式支座。</p><p>　　根據(jù)實際情況，我們選用耳式支座。它通常有兩塊筋板及一塊底板焊接而成。筋板設備筒體焊接在一起，如下圖3.13所示：</p><p><b>　　圖3.13耳式支座</b></p

90、><p>　　底板上開有通孔，可供安裝定位用。筋板是增較支座剛性的，輕型設備可以只用一塊。每個設備可用2—4個支座，必要時可用得跟多些。但個數(shù)多往往不能保證全部耳座都裝在同一水平面上。因而也就不能保證每個耳座受力均勻。根據(jù)有關部門制定的系列標準，我們選用A型3號耳式支座。支座材料為Q235—A.F，其標記為：JB/T4725—92耳座AN3。其尺寸見文獻[14, 表16—22]。支座的安裝尺寸D（見圖3.14）可按下

91、式計算：</p><p>　　D=+2（L2-S1） （3.9）</p><p>　　式中 D——支座安裝尺寸，mm；</p><p>　　D1——容器內徑，mm；</p><p>　　δn——殼體名義厚度，mm；</p><p>　　δ1——加強墊板厚度，mm。</p><

92、;p>　　圖3.14支座的安裝尺寸</p><p>　　計算得D=970mm。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　一方面我們可以根據(jù)操作目的、操作條件、操作方法、原料和成品的特性、安全等初選攪拌器葉輪的型式；另一方面還需要依據(jù)各種攪拌器葉輪的性能及其應用實例、使用經(jīng)驗，綜合考慮選擇攪拌器。</p>

93、<p>　　另一方面設計攪拌器時，除了運用經(jīng)驗和公式計算所需要動力、回轉數(shù)等參數(shù)外，還需要以中小模擬試驗為基準，進行放大，以符合實際操作達到預期的效果。</p><p>　　最后必須改進現(xiàn)有的攪拌器和設計新型的攪拌器，達到合適的攪拌液體流動狀態(tài)，以適應各種粘度攪拌的需要和滿足產(chǎn)品的性能要求，最終實現(xiàn)裝置高效、節(jié)能的效果。</p><p><b>　　致謝</b&

94、gt;</p><p>　　經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，我由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在以后的學習和工作中我會注意一些細節(jié)問題。 </p><p>　　本次設計得到了楊漢嵩老師的大力幫助，為本人完成本次設計提供了大量的幫助，在設計中提出了許多有益的意見，提出了設計中的不足，使我及時得到改正。同時，本次設計也得到了同學們的大力幫助

95、。給我提出了許多好的意見和建議。對此，我向楊漢嵩老師及同學們表示衷心的感謝。</p><p>　　最后我要感謝我的母?！S河科技學院，是母校給我們提供了優(yōu)良的學習環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師，是你們教會我專業(yè)知識。在此，我再說一次謝謝！謝謝大家！?。?。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[

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102、 on Two Supports. Welding Journal Research Supplement, 1951,30:435～445</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　攪拌器裝配圖………………………………………………………一張（A0）</p><p>　　槳葉部件圖………………………………………………………

103、 一張（A3）</p><p>　　主軸圖………………………………………………………………一張（A3）</p><p>　　支架圖………………………………………………………………一張（A3）</p><p>　　底座圖……………………………………………………………….一張（A3）</p><p>　　減速器圖…………………………………………

104、…………………一張（A3）</p><p>　　聯(lián)軸器………………………………………………………………一張（A3）</p><p>　　軟盤（說明書，設計任務書）……………………………………一張</p><p>　　外文翻譯……………………………………………………………3000字左右</p><p>　　10. 文獻綜述……………………………