第14章-搅拌设备设计

1、第第1414章章 搅拌设备设计搅拌设备设计 14.1 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计 7.2.1 板式塔的分类板式塔的分类 7.2.2 板式塔的结构板式塔的结构 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计 7.3.1 填料填料 14.4 传动装置传动装置 7.3.2 填料塔内件的结构设计填料塔内件的结构设计 14.5 轴封装置轴封装置 14.1 概述概述容器设计容器设计 应用应用 化学反应、生物反应、混合、分散、溶解、化学反应、生物反应、混合、分散、溶解、 结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。 结构结构组成组成搅拌容器搅拌容器和和搅拌机搅拌机两大部。两大部。

2、 由筒体、换热元件由筒体、换热元件 及内构件组成及内构件组成 由搅拌器、搅拌轴及其密封由搅拌器、搅拌轴及其密封 装置、传动装置等组成装置、传动装置等组成 容器设计容器设计 1电动机；电动机； 2减速机；减速机； 3机架；机架； 4人孔；人孔； 5密封装置；密封装置； 6进料口；进料口； 7上封头；上封头； 8筒体：筒体： 9联轴器；联轴器； 10搅拌轴；搅拌轴； 11夹套；夹套； 12载热介质出口；载热介质出口； 13挡板；挡板； 14螺旋导流板；螺旋导流板； 15轴向流搅拌器；轴向流搅拌器； 16径向流搅拌器；径向流搅拌器； 17气体分布器；气体分布器； 18下封头；下封头； 19出料口；出

3、料口； 20载热介质进口；载热介质进口； 21气体进口气体进口 图图14-1 搅拌反应器搅拌反应器 典型结构典型结构 14.1 概述概述 14.2 搅拌容器的设搅拌容器的设 计计 容器设计容器设计 14.2.1.1 搅拌容器搅拌容器 14.2.1 搅拌容器搅拌容器 结构结构 1. 圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆 形封头应用最广）。形封头应用最广）。 2. 各种接管，满足进料、出料、排气等要求。各种接管，满足进料、出料、排气等要求。 3. 加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。 4. 上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器

4、与机架上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架 的连接的连接。 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 5. 传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参 数。数。 6. 支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承 式支座。式支座。 7. 装料系数（对容积而言），通常取装料系数（对容积而言），通常取0.60.85。有。有 泡沫或呈沸腾状态取泡沫或呈沸腾状态取0.60.7；平稳时取；平稳时取0.80.85。 容积容积 直立式搅拌容器直立式搅拌容器 卧式搅拌容器卧式搅拌容器 筒体和下封头两部分容

5、积之和筒体和下封头两部分容积之和 筒体和左右两封头容积之和筒体和左右两封头容积之和 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 表表141 几种搅拌设备筒体的高径比几种搅拌设备筒体的高径比 种类种类罐内物料类型罐内物料类型高径比高径比 一般搅拌罐一般搅拌罐 液液-固相、液液相固相、液液相11.3 气液相气液相12 聚合釜聚合釜悬浮液、乳化液悬浮液、乳化液2.083.85 发酵罐类发酵罐类发酵液发酵液1.72.5 搅拌容器的强度计算和搅拌容器的强度计算和 稳定性分析方法见前面的内容稳定性分析方法见前面的内容 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 14.2.1.2 换

6、热元件换热元件 换热元件换热元件 夹套夹套 内盘管内盘管 优先采用夹套，减少优先采用夹套，减少 容器内构件，便于清容器内构件，便于清 洗，不占有效容积。洗，不占有效容积。 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 一、夹套结构一、夹套结构 夹套夹套在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装设各种形在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装设各种形 状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。 此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容 器内的物料。器内的物料。 结构型式结构型式 整体夹套整体夹套 型钢夹套型钢夹套

7、半圆管夹套半圆管夹套 蜂窝夹套等蜂窝夹套等 t tj DD DjDj t tj DD DjDj 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 图图14-2 整体夹套整体夹套 (a) 圆筒型圆筒型(b) U型型 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 图图14-3 夹套肩与筒体的连接结构夹套肩与筒体的连接结构(a)封口锥封口锥(b)封口环封口环 d1 t1 t2 t1 t2 d1 t3 t1 t1 t2 t2 t1 d1 d1 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 封口环封口环 图图14-4 夹套底与封头连接结构夹套底与封头连接结构 封口锥封口锥 14

8、.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 图图14-5 型钢夹套结构型钢夹套结构(a)螺旋形角钢互搭式螺旋形角钢互搭式 (b)角钢螺旋形缠绕角钢螺旋形缠绕 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 二、内盘管二、内盘管 当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时 常采用常采用 内盘管内盘管 结构特点结构特点 浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，检修较困难。浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，检修较困难。 分类分类 螺旋形盘管螺旋形盘管 竖式蛇管竖式蛇管 图图14-7 图图14-8 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容

9、器设计容器设计 图图14-7 螺旋形盘管螺旋形盘管 d D d D 14.2 搅拌容器的设计搅拌容器的设计容器设计容器设计 对称布置的几组对称布置的几组 竖式蛇管：竖式蛇管： 传热传热 挡板作用挡板作用 图图14-8 竖式蛇管竖式蛇管 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 14.3.1 搅拌器搅拌器 14.3.1.1 搅拌器与流动特征搅拌器与流动特征 定义定义 功能功能 搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键 部件。部件。 提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。 原理原理搅拌器旋转时把机械

10、能传递给流体，在搅拌器附近形搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形 成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液 体在搅拌容器内循环流动。体在搅拌容器内循环流动。 流型流型 流体循环流动的途径。流体循环流动的途径。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 流型流型 流型与搅拌的关系流型与搅拌的关系 流型与搅拌效果、搅拌功流型与搅拌效果、搅拌功 率的关系十分密切。搅拌率的关系十分密切。搅拌 器的改进和新型搅拌器的器的改进和新型搅拌器的 开发往往从流型着手。开发往往从流型着手。 流型决定因素流型决定因素 取决于搅拌器的形式、搅拌取

11、决于搅拌器的形式、搅拌 容器和内构件几何特征，以容器和内构件几何特征，以 及流体性质、搅拌器转速等及流体性质、搅拌器转速等 因素。因素。 搅拌机顶插式中心安装搅拌机顶插式中心安装 立式圆筒的三种基本流型立式圆筒的三种基本流型 径向流径向流 轴向流轴向流 切向流切向流 流型流型 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 流体流动方向垂直于流体流动方向垂直于 搅拌轴，搅拌轴，沿径向流动沿径向流动， 碰到容器壁面分成二碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向股流体分别向上、向 下流动，再回到叶端，下流动，再回到叶端， 不穿过叶片，形成上、不穿过叶片，形成上、 下二个循环流动。下二个循环流动。

12、 (a)径向流径向流 图图14-9 搅拌器与流型搅拌器与流型 (a) 径向流径向流 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 流体流动方向流体流动方向平行于平行于 搅拌轴搅拌轴，流体由桨叶，流体由桨叶 推动，使流体向下流推动，使流体向下流 动，遇到容器底面再动，遇到容器底面再 向上翻，形成上下循向上翻，形成上下循 环流。环流。 (b)轴向流轴向流 图图14-9 搅拌器与流型搅拌器与流型 (b) 轴向流轴向流 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 无挡板的容器内，流无挡板的容器内，流 体体绕轴作旋转运动绕轴作旋转运动， 流速高时液体表面会流速高时液体表面会 形成漩涡，流体

13、从桨形成漩涡，流体从桨 叶周围周向卷吸至桨叶周围周向卷吸至桨 叶区的流量很小，混叶区的流量很小，混 合效果很差。合效果很差。 (c)切向流切向流 图图14-9 搅拌器与流型搅拌器与流型 (c) 切向流切向流 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 上述三种流型通常同时存在上述三种流型通常同时存在 轴向流与径向流对混合起主要作用轴向流与径向流对混合起主要作用 切向流应加以抑制切向流应加以抑制 采用挡板可削弱切向流，采用挡板可削弱切向流， 增强轴向流和径向流增强轴向流和径向流 除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧 插式、斜插式、卧式等

14、安装方式，见图插式、斜插式、卧式等安装方式，见图14-10。 不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 图图14-10 搅拌器在容器内的安装方式搅拌器在容器内的安装方式 (a) 垂直垂直 偏心式偏心式 (b) 底插式底插式 (c) 侧插式侧插式 (d) 斜插式斜插式 (e) 卧式卧式 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 挡板与导流筒挡板与导流筒 目的目的消除打漩和提高混合效果。消除打漩和提高混合效果。 物料粘度小，搅拌转速高，物料粘度小，搅拌转速高， 液体随桨叶旋转，在离心液体随桨叶

15、旋转，在离心 力作用下涌向内壁面并上力作用下涌向内壁面并上 升，中心部分液面下降，升，中心部分液面下降， 形成漩涡，称为打漩区。形成漩涡，称为打漩区。 打漩打漩 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 后果后果 随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进 入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。 一般在容器内壁面均匀安装一般在容器内壁面均匀安装4块挡板块挡板 宽度为容器直径的宽度为容器直径的1/121/10。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 图图14-1

16、1 挡板挡板 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 14.3.1.2 搅拌器分类及典型搅拌器特性搅拌器分类及典型搅拌器特性 一、搅拌器分类一、搅拌器分类 按流体流动形态按流体流动形态 轴向流搅拌器轴向流搅拌器 径向流搅拌器径向流搅拌器 按结构分为按结构分为 平叶平叶 折叶折叶 螺旋面叶螺旋面叶 桨式、涡轮式、框式和桨式、涡轮式、框式和 锚式的桨叶都有平叶和锚式的桨叶都有平叶和 折叶两种结构折叶两种结构 推进式、螺杆式和螺带推进式、螺杆式和螺带 式的桨叶为螺旋面叶式的桨叶为螺旋面叶 混合流搅拌器混合流搅拌器 轴向流搅拌器轴向流搅拌器 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设

17、计 桨式、推进式、涡轮式桨式、推进式、涡轮式和和锚式锚式搅拌器在搅拌器在 搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占 搅拌器总数的搅拌器总数的7580。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 二、几种常用搅拌器：二、几种常用搅拌器： 1. 桨式搅拌器桨式搅拌器 结构最简单结构最简单 叶片用扁钢制成，焊叶片用扁钢制成，焊 接或用螺栓固定在轮接或用螺栓固定在轮 毂上，叶片数是毂上，叶片数是2、3 或或4 片，叶片形式可片，叶片形式可 分为平直叶式和折叶分为平直叶式和折叶 式两种。式两种。 图图14-12 桨式搅拌器桨式搅拌器 14.3 搅拌装置设计搅

18、拌装置设计容器设计容器设计 主要应用主要应用 也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替 价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。 液液液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固 液系中多用于防止固体沉降。液系中多用于防止固体沉降。 主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式 比平直叶式的功耗少，操作费用低，故比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使轴流桨叶使 用较多用较多。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 桨

19、式搅拌器的转速一般为桨式搅拌器的转速一般为20100r/min ， 最高粘度为最高粘度为20Pas 。其常用参数见表。其常用参数见表14-5。 缺点缺点 不能用于以保持气体和以细微化为目的不能用于以保持气体和以细微化为目的 的气的气液分散操作中。液分散操作中。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 表表14-2 桨式搅拌器常用参数桨式搅拌器常用参数 常用尺寸常用尺寸 常用运常用运 转条件转条件 常用介常用介 质粘度质粘度 范围范围 流动状态流动状态备注备注 d/D=0.350.8 b/d=0.10.25 Bn=2 n=1 100r/min v=1.0 5.0m/s 小于小于 2P

20、as 低转速时水平低转速时水平 环向流为主；环向流为主； 转速高时为径转速高时为径 向流；有挡板向流；有挡板 时为上下循环时为上下循环 流流 当当d/D=0.9以上，以上， 并设置多层桨叶并设置多层桨叶 时，可用于高粘时，可用于高粘 度液体的低速搅度液体的低速搅 拌。在层流区操拌。在层流区操 作，适用的介质作，适用的介质 粘度可达粘度可达 100Pas, v=1.03.0m/s 折叶式折叶式 =45，60 折叶式有轴向、折叶式有轴向、 径向和环向分径向和环向分 流作用流作用 注：注：n转速；转速； v叶端线速度；叶端线速度； Bn叶片数；叶片数； d搅拌器直径；搅拌器直径；D容器内径：容器内径

21、：折叶角。折叶角。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 2. 推进式搅拌器推进式搅拌器 推进式搅拌器（又称船用推进器）推进式搅拌器（又称船用推进器） 常用于低粘流体中。常用于低粘流体中。 结构结构 标准推进式搅拌器有三瓣叶标准推进式搅拌器有三瓣叶 片，其螺距与桨直径片，其螺距与桨直径d相等。相等。 它直径较小，它直径较小，d/D=1/41/3， 叶端速度一般为叶端速度一般为 710 m/s， 最高达最高达15 m/s。 图图14-13 推进式搅拌器推进式搅拌器 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 应用应用 粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好粘度低

22、、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好 的搅拌效果。的搅拌效果。 主要用于液液系混合、使温度均匀，在低浓度固液系主要用于液液系混合、使温度均匀，在低浓度固液系 中防止淤泥沉降等中防止淤泥沉降等 改进改进 容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、 搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。 常用参数见表常用参数见表14-3 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 表表14-3 推进式搅拌器常用参数推进式搅拌器常用参数 常用尺寸常用尺寸 常用运常用运 转条件转条件 常用介质常用介质 粘度范围粘度范围 流动状态流动状态备注备注 d/D=0.2 0.

23、5(以以0.33 居多居多) p/d=1,2 Bn=2,3,4( 以以3居多居多) p螺距螺距 n=10 0 500r/m in v=3 15m/s 小于小于 2Pas 轴流型，循轴流型，循 环速率高，环速率高， 剪切力小。剪切力小。 采用挡板或采用挡板或 导流筒则轴导流筒则轴 向循环更强向循环更强 最高转速可达最高转速可达 1750r/min:最最 高叶端线速度高叶端线速度 可达可达25m/s。转。转 速在速在500r/min 以下，适用介以下，适用介 质粘度可达质粘度可达 50Pa.s 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 涡轮式搅拌器（又称透涡轮式搅拌器（又称透 平式叶轮）

24、，是应用较平式叶轮），是应用较 广的一种搅拌器，能有广的一种搅拌器，能有 效地完成几乎所有的搅效地完成几乎所有的搅 拌操作，并能处理粘度拌操作，并能处理粘度 范围很广的流体。见图范围很广的流体。见图 1414。 3涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 图图14-14 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 涡轮式搅拌器分为涡轮式搅拌器分为 开式开式 盘式盘式 开式有：开式有： 平直叶、斜叶、弯叶等。平直叶、斜叶、弯叶等。 叶片数为叶片数为2叶和叶和4叶叶 盘式有：盘式有： 圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘平直叶、圆盘斜叶、 圆盘弯叶等。叶片数常圆盘弯叶等。叶片数常 为为6叶

25、。叶。 为改善流动状况，为改善流动状况， 有时把桨叶制成凹形或箭形有时把桨叶制成凹形或箭形 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 应用应用 涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得 很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液液分散、液分散、 液液固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。 平直叶平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。剪切作用较大，属剪切型搅拌器。 弯叶弯叶 指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率 消

26、耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 表表14-4 涡轮式搅拌器常用参数涡轮式搅拌器常用参数 型型 式式 常用尺寸常用尺寸 常用运转常用运转 条件条件 常用介质常用介质 粘度范围粘度范围 流动状态流动状态备注备注 开开 式式 涡涡 轮轮 d/D=0.20.5 (以以0.33居多居多) b/d=0.2 Bn=,3,4,6,8 (以以6居多居多) 折叶式折叶式 =30,45,60 后弯式后弯式 =30,50,60 后弯角后弯角 n=10 300r/min v=4 10m/s 折叶式折叶式 v=2 6m/s

27、 小于小于 50Pas， 折叶和后折叶和后 弯叶小于弯叶小于 10Pas 平直叶、平直叶、 后弯叶为后弯叶为 径向流型。径向流型。 在有挡板在有挡板 时以桨叶时以桨叶 为界形成为界形成 上下两个上下两个 循环流。循环流。 折叶的还折叶的还 有轴向分有轴向分 流，近于流，近于 轴流型轴流型 最高转速最高转速 可达可达 600r/min 圆盘上下圆盘上下 液体的混液体的混 合不如开合不如开 式涡轮式涡轮 盘盘 式式 涡涡 轮轮 d:l:b=20:5:4 d/D=0.20.5 (以以0.33居多居多) Bn=4,6,8 =45,60 =45 n=10 300r/min v=4 10m/s 折叶式折叶

28、式 v=2 6m/s 小于小于 50Pas， 折叶和折叶和 后弯叶后弯叶 小于小于 10Pas 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 4锚式搅拌器锚式搅拌器 结构简单。结构简单。 适用于粘度在适用于粘度在100Pas 以下的流体搅拌，当流以下的流体搅拌，当流 体粘度在体粘度在10100Pas 时，可在锚式桨中间加时，可在锚式桨中间加 一横桨叶，即为一横桨叶，即为框式搅框式搅 拌器，拌器，以增加容器中部以增加容器中部 的混合。的混合。 图图14-15 锚式搅拌器锚式搅拌器 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 应用应用 锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合

29、锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合 要求不太高的场合。要求不太高的场合。 由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器 大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、 晶析操作。晶析操作。 常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。 当搅拌粘度大于当搅拌粘度大于100Pas 的流体时，应采用螺带的流体时，应采用螺带 式或螺杆式。式或螺杆式。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 常用尺寸常用尺寸 常用运转条常用运转条 件件 常用介质常用介质 粘度范围粘度范围 流动

30、状态流动状态备注备注 d/D= 0.90.914 b/D=0.1 h/D= 0.48 1.0 n= 1 100r/min v=15m/s 小于小于 100Pas 不同高度不同高度 上的水平上的水平 环向流环向流 为了增大搅为了增大搅 拌范围，可拌范围，可 根据需要在根据需要在 桨叶上增加桨叶上增加 立叶立叶和和横梁横梁 表表14-5 锚式搅拌器常用参数锚式搅拌器常用参数 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 14.3.1.3 搅拌器的选用搅拌器的选用 选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作 费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。

31、费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。 搅拌器选型一般从三个方面考虑搅拌器选型一般从三个方面考虑 搅拌目的搅拌目的 物料粘度物料粘度 搅拌容器容积的大小搅拌容器容积的大小 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 按搅拌器型式和适用条件选型按搅拌器型式和适用条件选型 推进式搅拌器推进式搅拌器用于低粘度流体的混合，循环能力强，用于低粘度流体的混合，循环能力强， 动力消耗小，可应用到很大容积的搅动力消耗小，可应用到很大容积的搅 拌容器中。拌容器中。 桨式搅拌器桨式搅拌器 结构简单，在小容积的流体混合中应结构简单，在小容积的流体混合中应 用较广，对大容积的流体混合，循环用较广，对大容积的

32、流体混合，循环 能力不足。能力不足。 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器应用范围较广，各种搅拌操作都适用，应用范围较广，各种搅拌操作都适用， 但流体粘度不宜超过但流体粘度不宜超过50Pas。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 表表14-6 是以是以操作目的操作目的和搅拌器和搅拌器流动状态流动状态选用搅选用搅 拌器的拌器的 锚式、螺杆式、螺带式锚式、螺杆式、螺带式适用于高粘流体的混合。适用于高粘流体的混合。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 表表14-6 搅拌器型式和适用条件搅拌器型式和适用条件 注：有注：有者为可用，空白者不详或不合用者为可用，空白者不详或不合用 14

33、.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 14.3.1.4 搅拌功率计算搅拌功率计算 搅拌功率搅拌功率 指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功并使指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功并使 之发生流动所需的功率。之发生流动所需的功率。 计算搅拌功率的计算搅拌功率的目的目的 用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度，用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度， 用于选择电机和减速机等传动装置。用于选择电机和减速机等传动装置。 14.3 搅拌装置设搅拌装置设 计计 容器设计容器设计 影响搅拌功率的因素很多，主要有以下四个方面：影响搅拌功率的因素很多，主要有以下四个方面： 1. 搅拌器的几何

34、尺寸与转速搅拌器的几何尺寸与转速 搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶倾斜角、转速、单个搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶倾斜角、转速、单个 搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等。搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等。 2. 搅拌容器的结构搅拌容器的结构 容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、导流筒容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、导流筒 的尺寸等。的尺寸等。 3. 搅拌介质的特性搅拌介质的特性 液体的密度、粘度。液体的密度、粘度。 4. 重力加速度重力加速度 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 ,.,)(Re) 53 D h D B D d fFrK dn P N qr p 上述影

35、响因素可用下式关联：上述影响因素可用下式关联： （14-1） 式中式中 B桨叶宽度，桨叶宽度，m； d搅拌器直径，搅拌器直径，m； D搅拌容器内直径，搅拌容器内直径，m； g dn Fr 2 Fr弗劳德数，弗劳德数， 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 h液面高度，液面高度，m； K系数；系数； n转速，转速，1/s； 密度，密度，kg/m3； 粘度，粘度，Pas。 Np功率准数；功率准数； P搅拌功率，搅拌功率，W； r , q指数；指数； nd Re 2 Re雷诺数，雷诺数， ； 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 一般情况下弗鲁劳德数一般情况下弗鲁劳德数F

36、r的影响较小。容器内径的影响较小。容器内径D、 挡板宽度挡板宽度b等几何参数可归结到系数等几何参数可归结到系数K。 由式（由式（141）得搅拌功率）得搅拌功率P为：为： 53 p dnNP （14-2） 上式中上式中 、n、d为已知数，故计算搅拌功率的关键是为已知数，故计算搅拌功率的关键是 求得功率准数求得功率准数Np。在特定的搅拌装置上，可以测得功。在特定的搅拌装置上，可以测得功 率准数率准数Np与雷诺数与雷诺数Re的关系。的关系。 将此关系绘于双对数坐标图上即得功率曲线。将此关系绘于双对数坐标图上即得功率曲线。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 图图14-16 六种搅拌器

37、的功率曲线六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件全挡板条件) 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 14.3.2 搅拌轴设计搅拌轴设计 设计搅拌轴应考虑的四个因素：设计搅拌轴应考虑的四个因素： 扭转变形；扭转变形； 临界转速；临界转速； 扭矩和弯矩联合作用下的强度；扭矩和弯矩联合作用下的强度； 轴封处允许的径向位移。轴封处允许的径向位移。 确定轴的实际直径时，确定轴的实际直径时， 还得考虑腐蚀裕量，还得考虑腐蚀裕量， 最后把直径圆整为标最后把直径圆整为标 准轴径。准轴径。 上述因素计算所得上述因素计算所得 的轴径是指的轴径是指 危险截面处的直径危险截面处的直径 14.3 搅拌装置设搅拌

38、装置设 计计 容器设计容器设计 一、搅拌轴的力学模型一、搅拌轴的力学模型 对搅拌轴设定：对搅拌轴设定： （1）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴；）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴； （2）搅拌器及轴上的其它零件）搅拌器及轴上的其它零件(附件附件)的重力、惯性的重力、惯性 力、流体作用力均作用在零件轴套的中部；力、流体作用力均作用在零件轴套的中部； （3）轴受扭矩作用外，还考虑搅拌器上流体的径向）轴受扭矩作用外，还考虑搅拌器上流体的径向 力以及搅拌轴和搅拌器力以及搅拌轴和搅拌器(包括附件包括附件)在组合重心在组合重心 处质量偏心引起的离心力的作用。处质量偏心引起的离心力的作用。 14.3 搅拌装

39、置设计搅拌装置设计 容器设计容器设计 悬臂轴两支点间距悬臂轴两支点间距 离；离； D 搅拌器直径；搅拌器直径； Fe 搅拌轴及各层圆盘搅拌轴及各层圆盘 组合重心处质量偏组合重心处质量偏 心引起的离心力；心引起的离心力； Fh 搅拌器上流体径向力；搅拌器上流体径向力； Le 搅拌轴及各层圆盘搅拌轴及各层圆盘 组合重心离轴承组合重心离轴承 （对悬臂轴为搅拌（对悬臂轴为搅拌 侧轴承，对单跨轴侧轴承，对单跨轴 为传动侧轴承）的为传动侧轴承）的 距离。距离。 图图14-17 悬臂轴受力模型悬臂轴受力模型 Le S FA m1 Fhi Fh1 Fe mi Li L1 D 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计

40、容器设计容器设计 L 两支点间距离；两支点间距离； d 搅拌器直径；搅拌器直径； Fe 搅拌轴及各层圆盘搅拌轴及各层圆盘 组合重心处质量偏组合重心处质量偏 心引起的离心力；心引起的离心力； Fh 搅拌器上流体径向搅拌器上流体径向 力；力； Le 搅拌轴及各层圆盘搅拌轴及各层圆盘 组合重心离轴承组合重心离轴承 （对悬臂轴为搅拌（对悬臂轴为搅拌 侧轴承，对单跨轴侧轴承，对单跨轴 为传动侧轴承）的为传动侧轴承）的 距离。距离。 图图14-18 单跨轴受力模型单跨轴受力模型 Le Fhi Fh1 FA Sm1 mi Fe d Li L1 L 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 二、按扭

41、转变形计算搅拌轴的轴径二、按扭转变形计算搅拌轴的轴径 搅拌轴受扭矩和弯矩的联合作用，扭转变形过大会搅拌轴受扭矩和弯矩的联合作用，扭转变形过大会 造成轴的振动，使轴封失效。造成轴的振动，使轴封失效。 应将轴单位长度最大扭转角应将轴单位长度最大扭转角限制在允许范围内。限制在允许范围内。 )1 ( 6 .583 44 max Gd M n （14-3） 轴扭矩的刚度条件为轴扭矩的刚度条件为 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 n P M n n 9553 max 式中式中 d搅拌轴直径，搅拌轴直径，m； G轴材料剪切弹性模量，轴材料剪切弹性模量，Pa； Mn max 轴传递的最大扭矩

42、，轴传递的最大扭矩， Nm； n搅拌轴转速，搅拌轴转速，r/min； Pn电机功率，电机功率，kW； 空心轴内径和外径的比值；空心轴内径和外径的比值； 传动装置效率；传动装置效率； 许用扭转角，对于悬臂梁许用扭转角，对于悬臂梁= 0.350/m， 对于单跨梁对于单跨梁= 0.70/m。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 4 1 4 max )1 ( 92. 4 G M d n 故搅拌轴的直径为故搅拌轴的直径为 （14-4） 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 三、按临界转速校核搅拌轴的直径三、按临界转速校核搅拌轴的直径 临界转速临界转速nc搅拌轴的转速达到轴自

43、振频率，发生搅拌轴的转速达到轴自振频率，发生 强烈振动，并出现很大弯曲时的转速。强烈振动，并出现很大弯曲时的转速。 刚性轴刚性轴工作转速工作转速低于低于 第一临界转速的轴第一临界转速的轴 柔性轴柔性轴工作转速工作转速大于大于 第一临界转速的轴第一临界转速的轴 n1.3ncn0.7nc nc 工程上要求工程上要求 搅拌轴的工搅拌轴的工 作转速避开作转速避开 临界转速临界转速 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 按上述方法，具有按上述方法，具有z个搅拌器的等直径悬臂轴可简化为图个搅拌器的等直径悬臂轴可简化为图 14-17的模型，一阶临界转速的模型，一阶临界转速nc： s c maL

44、L EI n 1 2 1 4 )1 (330 （14-5） 悬臂轴两支点间距离，悬臂轴两支点间距离，m； 式中式中 E轴材料的弹性模量，轴材料的弹性模量，Pa； I轴的惯性矩，轴的惯性矩，m4 L1第第1个搅拌器悬臂长度，个搅拌器悬臂长度，m； 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 nc临界转速，临界转速，r/min； ms轴及搅拌器有效质量在轴及搅拌器有效质量在s点的点的 等效质量之和，等效质量之和，kg。 等效质量等效质量ms计算公式：计算公式： z i iS mmm 1 式中式中 m悬臂轴悬臂轴L1段自身质量及附带液体质量在轴段自身质量及附带液体质量在轴 末端末端S点的等效

45、质量，点的等效质量，kg； mi第第 i 个搅拌器自身质量及附带液体质量在个搅拌器自身质量及附带液体质量在 轴末端轴末端S点的等效质量，点的等效质量，kg； z搅拌器的数量。搅拌器的数量。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 搅拌介质搅拌介质 刚性轴刚性轴柔性轴柔性轴 搅拌器（叶片搅拌器（叶片 式搅拌器除外）式搅拌器除外） 叶片式搅拌器叶片式搅拌器高速搅拌器高速搅拌器 气体气体n/nc0.7不推荐不推荐 液体液体液体液体 液体液体固体固体 n/nc0.7和和 n/nc (0.450.55) n/nc= 1.31.6 液体液体气体气体n/nc0.6n/nc0.4 不推荐不推荐 表

46、表14-7 搅拌轴临界转速的选取搅拌轴临界转速的选取 7 . 0 c n n 注：叶片式搅拌器包括：桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮注：叶片式搅拌器包括：桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮 式、三叶后掠式、推进式；式、三叶后掠式、推进式； 不包括：锚式、框式、螺带式。不包括：锚式、框式、螺带式。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 四、按强度计算搅拌轴的直径四、按强度计算搅拌轴的直径 p W te M max 搅拌轴的强度条件是：搅拌轴的强度条件是： （14-6） 式中式中 M弯矩，弯矩， M= MR+ MA MA由轴向力引起的轴的弯矩，由轴向力引起的轴的弯矩， Nm； Mn扭矩，扭矩，Nm

47、； MR水平推力引起的轴的弯矩，水平推力引起的轴的弯矩，Nm； Mte轴上扭转和弯矩联合作用时的轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩当量扭矩， ，Nm； 2 2 MMM nte 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 4 3 1 16 d WpWp抗扭截面模量，对空心圆轴抗扭截面模量，对空心圆轴 ，m3 16 b 轴材料的许用切应力，轴材料的许用切应力， ，Pa max截面上最大切应力，截面上最大切应力，Pa； b 轴材料的抗拉强度轴材料的抗拉强度，Pa。 3 1 4 )1 ( 72. 1 te M d 则搅拌轴的直径：则搅拌轴的直径： （14-7） 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设

48、计容器设计容器设计 轴封处径向位移的大小直接影响密封的性轴封处径向位移的大小直接影响密封的性 能，径向位移大，易造成泄漏或密封的失效。能，径向位移大，易造成泄漏或密封的失效。 五、按轴封处允许径向位移验算轴径五、按轴封处允许径向位移验算轴径 （1）轴承的径向游隙；）轴承的径向游隙； （2）流体形成的水平推力；）流体形成的水平推力； （3）搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。）搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。 轴封处的轴封处的径向位移径向位移主要由三个因素引起：主要由三个因素引起： 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 L0 小于允许的径向位移小于允许的径向位移L0，即

49、，即 00LL 要分别计算其径向位移，然后叠加，使总径向位移要分别计算其径向位移，然后叠加，使总径向位移 （14-8） 式中式中 L0轴封处的允许径向位移，轴封处的允许径向位移， dK L30 1 . 0 mm 通常通常 K3径向位移系数，径向位移系数， 当设计压力当设计压力 p0.10.6MPa，n100r/min时，时， 一般物料一般物料K30.3。 14.3 搅拌装置设计搅拌装置设计容器设计容器设计 搅拌轴轴径必须满足搅拌轴轴径必须满足强度强度和和临界转速临界转速的要求。的要求。 当有要求时，还应满足当有要求时，还应满足扭转变形扭转变形、径向总位移径向总位移的要求。的要求。 有关搅拌轴的

50、详细计算及参数的选取见文献有关搅拌轴的详细计算及参数的选取见文献 HG/T20569-94机械搅拌设备机械搅拌设备 第第142页至第页至第103页。页。 14.4 传动装置传动装置容器设计容器设计 14.2.6 传动装置传动装置 包括包括 电动机电动机 减速机减速机 联轴器联轴器 机架机架 14.4 传动装置传动装置容器设计容器设计 1电动机；电动机； 2减速机；减速机； 3联轴器；联轴器； 4支架；支架； 5搅拌轴；搅拌轴； 6轴封装置；轴封装置； 7凸缘；凸缘； 8上封头上封头 图图14-19 传动装置传动装置 轴承轴承 14.4 传动装置传动装置容器设计容器设计 由搅拌功率计算电动机的功

51、率由搅拌功率计算电动机的功率Pe ： 一、电动机的选型一、电动机的选型 s e PP P （14-9） 式中式中 Ps轴封消耗功率，轴封消耗功率，kW； 传动系统的机械效率。传动系统的机械效率。 电动机的型号应根据功率、工作环境等因素选择。电动机的型号应根据功率、工作环境等因素选择。 工作环境包括防爆、防护等级、腐蚀环境等。工作环境包括防爆、防护等级、腐蚀环境等。 14.4 传动装置传动装置容器设计容器设计 根据功率、转速。根据功率、转速。 选用时应优先考虑传动效率高的齿轮减速机和摆线针选用时应优先考虑传动效率高的齿轮减速机和摆线针 轮行星减速机。轮行星减速机。 二、减速机选型二、减速机选型

52、考虑：考虑：载荷变化、有振动、连续生产。载荷变化、有振动、连续生产。 常用：常用： 摆线针轮行星减速机、齿轮减速机、三角皮带摆线针轮行星减速机、齿轮减速机、三角皮带 减速机以及圆柱蜗杆减速机。减速机以及圆柱蜗杆减速机。 选用原则：选用原则： 14.4 传动装置传动装置容器设计容器设计 特性参特性参 数数 减速机类型减速机类型 摆线针轮行摆线针轮行 星减速机星减速机 齿轮减速机齿轮减速机 三角皮带减三角皮带减 速机速机 圆柱蜗杆减圆柱蜗杆减 速机速机 传动比传动比i8791264.532.968015 输出轴输出轴 转速转速 /(r/min) 171606525020050012100 输入功输

53、入功 率率/kW 0.04550.553150.552000.5555 传动效传动效 率率 0.90.950.950.960.950.960.800.93 传动原传动原 理理 利用少齿差利用少齿差 内啮合行星内啮合行星 传动传动 两级同中距并两级同中距并 流式斜齿轮传流式斜齿轮传 动动 单级三角皮单级三角皮 带传动带传动 圆弧齿圆柱圆弧齿圆柱 蜗杆传动蜗杆传动 表表14-8 四种常用减速机的基本特性四种常用减速机的基本特性 14.4 传动装置传动装置容器设计容器设计 三、机架三、机架 机架机架 无支点机架无支点机架 单支点机架（图单支点机架（图14-40） 双支点机架（图双支点机架（图14-4

54、1） 一般仅适用于传递小功率和一般仅适用于传递小功率和 小的轴向载荷的条件小的轴向载荷的条件 适用于电动机或减速适用于电动机或减速 机可作为一个支点，机可作为一个支点， 或容器内可设置中间或容器内可设置中间 轴承和底轴承的情况轴承和底轴承的情况 适用于悬臂轴适用于悬臂轴 14.4 传动装置传动装置容器设计容器设计 图图14-20 单支点机架单支点机架 14.4 传动装置传动装置容器设计容器设计 图图14-21 双支点机架双支点机架 14.5 轴封装置轴封装置容器设计容器设计 14.2.5 密封密封 机械搅拌反应器机械搅拌反应器 轴封轴封主要有两种主要有两种 轴的密封装置轴的密封装置 填料密封填

55、料密封 机械密封机械密封 避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部 杂质渗入搅拌容器内。杂质渗入搅拌容器内。 目的：目的： 14.5 轴封装置轴封装置容器设计容器设计 14.5.1 14.5.1 填料密封填料密封 特点：特点： 结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、 密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。 1填料密封的结构及工作原理填料密封的结构及工作原理 组成：组成：底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等。底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等。

56、 14.5 轴封装置轴封装置容器设计容器设计 14-22 填料密封的结构填料密封的结构 1压盖压盖 2双头螺柱双头螺柱 3螺母螺母 4垫圈垫圈 5油杯油杯 6油环油环 7填料填料 8本体本体 9底环底环 14.5 轴封装置轴封装置容器设计容器设计 工作原理：工作原理： 在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱本体之间在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱本体之间 的填料，对搅拌轴表面产生径向压紧力。的填料，对搅拌轴表面产生径向压紧力。 填料中含有润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的填料中含有润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的 同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得到同时，形成一层极薄的液膜，一方面

57、使搅拌轴得到 润滑，另一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体润滑，另一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体 的渗入，达到密封的目的。的渗入，达到密封的目的。 14.5 轴封装置轴封装置容器设计容器设计 存在问题：存在问题： 填料中的润滑剂会在运转中不断消耗，通过设置在填料填料中的润滑剂会在运转中不断消耗，通过设置在填料 中间的油环向填料内加油，保持润滑。中间的油环向填料内加油，保持润滑。 填料密封不可能绝对不漏。增加压紧力，填料紧压在转填料密封不可能绝对不漏。增加压紧力，填料紧压在转 动轴上，会加速轴与填料间的磨损，使密封更快失效。动轴上，会加速轴与填料间的磨损，使密封更快失效。 在操作过程中应适

58、当调整压盖的压紧力，并需定期更换在操作过程中应适当调整压盖的压紧力，并需定期更换 填料。填料。 14.5 轴封装置轴封装置容器设计容器设计 2填料密封的选用填料密封的选用 b. 根据填料的性能选用：根据填料的性能选用： 当密封要求不高时，选用一般石棉或油浸石棉填当密封要求不高时，选用一般石棉或油浸石棉填 料，当密封要求较高时，选用膨体聚四氟乙烯、料，当密封要求较高时，选用膨体聚四氟乙烯、 柔性石墨等填料。各种填料材料的性能不同，按柔性石墨等填料。各种填料材料的性能不同，按 表表14-10选用。选用。 a. 根据设计压力、设计温度及介质腐蚀性选用当介根据设计压力、设计温度及介质腐蚀性选用当介 质

59、为非易燃、易爆、有毒的一般物料且压力不高质为非易燃、易爆、有毒的一般物料且压力不高 时，按表时，按表149选用填料密封。选用填料密封。 14.5 轴封装置轴封装置容器设计容器设计 材料材料 公称压力公称压力 /MPa 允许压力范围允许压力范围 /MPa (负值指真空负值指真空) 允许温度允许温度 范围范围/ 转轴线转轴线 速度速度/ (m/s) 碳钢填料箱碳钢填料箱 常压常压0.12001 0.60.030.6200 1.60.031.620300 不锈钢填料箱不锈钢填料箱 常压常压0.12001 0.60.030.6200 1.60.031.620300 表表14-9 标准填料箱的允许压力、

60、温度标准填料箱的允许压力、温度 14.5 轴封装置轴封装置容器设计容器设计 14-10 填料材料的性能填料材料的性能 填料名称填料名称 介质极限介质极限 温度温度/0C 介质极介质极 限压力限压力 /MPa 线速线速 度度 /(m/s) 适用条件（接触介质）适用条件（接触介质） 油浸石棉填料油浸石棉填料4506 蒸汽、空气、工业用水、重质蒸汽、空气、工业用水、重质 石油产品、弱酸液等石油产品、弱酸液等 聚四氟乙烯纤维编聚四氟乙烯纤维编 结填料结填料 250302强酸、强碱、有机溶剂强酸、强碱、有机溶剂 聚四氟乙烯石棉盘聚四氟乙烯石棉盘 根根 260251 酸碱、强腐蚀性溶液、化学试酸碱、强腐蚀