化工搅拌器的设计

1、黄河科技学院毕业设计说明书第 页1绪论1.1搅拌器的概述1.1.1搅拌器的应用范围机械搅拌反应器适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程，广泛应用于合成材料、合成纤维、合成橡胶、医药、农药、化肥、染料、涂料、食品、冶金、废水处理等行业。如实验室的搅拌反应器可小至数十毫升，而污水处理、湿法冶金、磷肥等工业大型反应器的容积可达数千立方米。除用作化学反应器和生物反应器外，搅拌反应器还可大量用于混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴、及其密封装置、传动装置等统称为搅拌

2、机。1.1.2搅拌器的工作原理通常搅拌装置由作为原动机的马达（电动、风动或液压），减速机与其输出轴相连的搅拌抽，和安装在搅拌轴上的叶轮组成减速机体通过一个支架或底板与搅拌容器相连。当容器内部有压力时，搅拌轴穿过底板进入容器时应有一个密封装置，常用填料密封或机械密封。通常马达与密封均外购，研究的重点是叶轮。叶轮的搅拌作用表现为“泵送”和涡流”，即产生流体速度和流体剪切，前者导至全容器中的回流，介质易位，防止固体的沉淀并产生对换热热管束（如果有）的冲刷；剪切是一种大回流中的微混合，可以打碎气泡或不可溶的液滴，造成“均匀”。1.1.3化工反应中的搅拌设备根据搅拌器叶轮的形状可以分成直叶桨式、开启涡轮

3、式、推进式、圆盘涡轮式、锚式、螺带式、螺旋式等根据处理的掖体牯度不同可以分为低粘度液搅拌器。低粘度液搅拌器，如：三叶推进式、折叶桨叶，6直叶涡轮式、超级混合叶轮式HR100，HV100等；中高粘度液搅拌器如：锚式、螺杆叶轮式、双螺旋螺带叶轮型，MR205,305超混合搅拌器等等。化工搅拌器的适应条件和构造1.2.1化工搅拌器的适应条件搅拌加速传热和传质，在化工设备中广泛运用。化工搅拌器的作用使化工生产中的液体充分混合，以满足化学反应能够最大程度的进行，该设备可以代替手动搅拌对人体有毒或对皮肤有伤害的化工原料减少对人体的危害，同时通过电动机带动轴加速搅拌，提高生产率。搅拌加速传热和传质，在化工设

4、备中广泛运用。搅拌的对象可以是液体、固体和气体，其中液体是必不可少的。最常见的液体是水，其粘度很低。液体也可能很粘，如黄油在室温下可达I,000,000cP。液体中如加入过多的固体，如泥沙，会失去流动性，成为泥团。这种物料也可搅拌，但不在本文叙述的范围内。1.2.2化工搅拌器的构造化工生产过程中，通常用到的搅拌器种类有桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、推进式搅拌器、锚式搅拌器、框式搅拌器、螺带式搅拌器等。各类搅拌器由于其构造，性能等差异，使其能够分别适用于化工生产中各种不同的工况。桨式搅拌器又可分为平直叶和折叶搅拌器两种。这类搅拌器的结构和加工都比较简单。搅拌器直径d与釜径D之比d/D为0.350.8

5、,其运转速度为1010Or/min,为大型低速搅拌器，适用于低、中等粘度物料的混合及促进传热，可溶固体的混合与溶解等场合。涡轮式搅拌器又可分为开启涡轮式和圆盘涡轮式两类，每类又可分为平直叶、折叶、后弯叶三种。涡轮式搅拌器外形结构上与桨式搅拌器类似，只是叶片较多。搅拌器直径d与釜径D之比d/D为0.170.5,转速为30500r/min。旋转时有较高的局部剪切作用，能得到高分散度微团，适用于气液混合及液液混合或强烈搅拌的场合，常用于低中等粘度物料(A5x10cP)。就一开启式和圆盘式相比较而言，其构造上差异造成开启式比圆盘式循环流量更大，轴向混合效果更好。推进式搅拌器也常被称为旋桨式搅拌器。顾名

6、思义，其叶片形式类似于轮船上的螺旋桨。搅拌器直径d与釜径D之比d/D为0.20.5,转速较高，为100800r/min。运转时产生较大的轴向循环流量，宏观混合效果较好，适用于均相液体混合等搅拌不是非常强烈的以宏观混合为目的的搅拌场合，常用于低粘度料液(”1.0125Mpa。故封头壁厚取7mm可以满足稳定性的要求。黄河科技学院毕业设计说明书第16页黄河科技学院毕业设计说明书第 页3传动装置的选择和搅拌器的设计3.1搅拌器的选型化工生产过程中，通常用到的搅拌器种类有桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、推进式搅拌器、锚式搅拌器、框式搅拌器、螺带式搅拌器等。各类搅拌器由于其构造，性能等差异，使其能够分别适用于化

7、工生产中各种不同的工况。由于本次设计的搅拌器是低粘度、低速度、液一液混合的小功率设备，容积为500L，根据搅拌器对这些因素的要求，本次设计选用斜桨式搅拌器。倾斜桨式搅拌器结构上，叶桨与搅拌轴的安装角90，在旋转搅拌时，阻力将碱小；另一方面，倾斜旋转的叶桨能使容器内的液料形成涡流，搅拌效果好，特别是当轴正向旋转时，可使沉淀物搅动上翻，对物料的搅拌效果相当好；当轴反向旋转时，又可使悬浮物搅至底部，对有悬浮物的液料搅拌十分有利但转轴受扭矩和弯矩复合作用，对其强度、剐度及安装的要求较高，多用于低速、低粘度、小功率(=3040rmin)搅拌因此桨式搅拌器符合设计的要求。3.2搅拌器功率的计算在计算功率之

8、前，首先计算搅拌过程的雷诺准数，计算公式为3.1)Re=j2卩已知n=40r/min=0.67r/s，dj=0.8m，p=0.3Pa.s，p=1500kg/m3所以雷诺数Re=588。搅拌所需动力为3.2)Npn3d5P=p1000其中Np为功率准数，利用Rushton的功率曲线图，查得Np=0.75,代入上式得P=0.3KW,所需电动机的功率为Pe=P/n=0.31KW，(n=0.98),所以选择0.37KW的电动机就可满足要求。搅拌轴的结构及材料3.3.1轴的结构搅拌轴主要用来支承搅拌器的，并从减速器输出轴取得动力使搅拌器旋转，达到搅拌的目的。因此，搅拌轴的结构就是以这些要求为依据进行设计

9、的。搅拌轴上端应同减速器输出轴相连。它们是通过联轴器相联接的，因此，搅拌轴上端必须复合联轴器的联接结构要求。轴上相应的位置应加工出同搅拌器相配合的结构尺寸。目前常用的搅拌器大都采用平键、穿轴销钉或穿轴螺钉固定。其结构如图3.1所示。AJ丨1搅拌器2防锈螺母图3.1332轴的材料搅拌器轴的材料通常选用45号钢，还应进行正火或调质处理。同时由于化工反应中有腐蚀，所以还要进行防腐蚀处理。3.3.3搅拌轴的计算搅拌轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸(轴径)，需要进行强度、刚度计算或校核，验算轴的临界转速和挠度等，以便保证搅拌轴能安全可靠的运转。搅拌轴的特点是细而长，搅拌器设在轴的一端，轴受到扭转、弯曲

10、和轴向等组合载荷，其中以扭转载荷为主。工程应用中常用近似的方法进行强度计算，即假定轴只受到扭矩作用，然后用增加安全系数以降低材料许用应力的办法来补偿其他载荷的影响。(1)轴的强度计算轴的扭转强度条件是：Tmax=T(3.3)WP由上式可知，只要知道了搅拌轴上所传递的扭矩mt和轴材料的许用剪应力k值后，就可求出轴的抗扭截面模量，即：3.4)Wp=會已知Mt可由轴传递的功率P和转速n求出，即：MT=9.55xlO6P/n(3.5)然后再根据抗扭截面模量Wp同轴径d的关系求出搅拌轴的最小直径。因为Wp=兀d163.6)将(3.5)(3.6)式代入(3.4)式得d,16x9.55x106i1兀pX、：

11、365.09x已知搅拌功率为0.3KW，轴的转数n=40r/min，k=40Mpa,代入上式得d=19mm。考虑到腐蚀，故搅拌轴的直径为20mm。2)轴的刚度的计算为了防止搅拌轴产生过大的扭转变形，从而在运转中引起振动，造成动密封失效，应该把轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，这就是设计中的扭转刚度条件。为此搅拌轴要进行刚度计算。工程上是以单位长度的扭转角0不得超过许用扭转角G作为刚度条件的，即:MOmax=TmaxGIPX103X1803.7)0轴扭转变形的扭转角，/m；G剪切弹性模量，Mpa；G=8.1xlO4Mpa；Ip截面的极惯性矩。一般情况下Ip=兀d432从(3.7)式可以看出，扭

12、转角0的大小与扭矩MTmax成正比，与扭转刚度GIp成反比。许用扭转角0值是根据实际情况确定的，一般搅拌轴选用0=(0.51.0)/m。取0=0.8。代入下式d1537xp(3.8)黄河科技学院毕业设计说明书第 页黄河科技学院毕业设计说明书第 页黄河科技学院毕业设计说明书第 页得d=20mm。轴径应同时满足刚度和强度两个条件。一般按刚度计算的轴径较按强度计算的轴径大，所以对搅拌轴来说，主要以刚度条件确定轴径。考虑到腐蚀，所以取最小轴径为d=20mm。3.3.4搅拌轴的形位公差和表面粗糙度要求由于要求运转平稳，防止轴的弯曲对轴封处的不利影响，因此轴安装和加工要控制轴的直度，当转速nvlOOr/m

13、in时，直线度允差为1OOO：0.15。轴的配合面的配合公差和表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。搅拌器及传动装置等的设计及计算3.4.1搅拌器的选择根据工艺要求，选用直径为400mm，轴径25mm的桨式搅拌器，标记符号为40025.3.4.2电动机的选型根据搅拌器的结构及电动机的安装方式，我们选用YS系列V1型立式电动机，电动机的型号YS7112.转速2800r/min额定功率370W最大转矩2.4质量9Kg其结构尺寸由文献6，表1212可知。3.4.3减速器的选型根据我国目前情况，反应釜用的立式减速机主要有，摆线针轮减速机、两级齿轮减速机、V带减速机、蜗杆减速机等几种，这几种减速机已由有

14、关工业部门订有标准系列，根据本次设计情况和查阅有关手册，我们选用摆线针轮减速机，如图3.2所示。图3.2摆线针轮减速机根据单支点机架(HG2156695)标准的附录中列有常用的“釜用传动装置减速机型号及技术参数”可以根据公称直径和搅拌轴转速来选择减速机的型号。我们选用BLD3129Q型减速器。其安装尺寸参照文献3,表1812(a)。3.4.4轴承的选择轴承是机器中重要的部件，它的功用主要是支承轴及轴上的零件，并使轴保持一定的旋转精度，减少转轴与支承之间的摩擦与磨损。一般的工作情况下，滚动轴承的摩擦阻力较滑动轴承的摩擦阻力小，其功率损耗也小，容易起动，润滑与维护简单，而且滚动轴承是标准件，可由专

15、门工厂大批生产，选用方便。所以在各种机械设备中应用广泛。所以本次设计我们选用滚动轴承。滚动轴承通常由四种元件组成，即外圈1、内圈3、滚动体2和保持架4,如下图。外圈和内圈都制有一定形状的滚道，以保证滚动体在其间作精确的运转。滚动体有球形、圆柱体、圆锥形、针形等，保持架的作用是把滚动体彼此隔开并沿滚道均匀分布，通常内圈装配在轴颈上，随轴一起转动；外圈装在轴承座里不转动。由于滚动体和内圈、外圈的接触面积很小，接触应力很大，所以它们都是由合金钢制造的，经热处理使硬度达到60HRC以上，保持架多用软钢冲压而成，也有用钢合金、塑料和其他材料制成的。根据轴承所承受载荷的大小、方向和性质，我们选用深沟球轴承

16、，主要承受径向载荷，也可同时承受一定的的轴向载荷。其结构如图3.3，其代号为6211。其安装尺寸参照文献5,表12.1。轴承的润滑选用脂润滑，密封用毡圈式密封。R图3.3轴承3.4.5联轴器的选择立式搅拌反应器常用的联轴器主要有JQ型夹壳式联轴器、GT型凸缘联轴器和TK型弹性块式联轴器。根据有关要求，我们选用弹性块式联轴器。这种联轴器适用于工作温度一20。一+60。，且有油或有弱碱、弱酸的介质浸蚀下的变载荷的连接，并能缓和一部分冲击，以及补偿少量的轴线偏差。弹性块式联轴器已经作为化工设备立式减速器HG标准的附件，应用较为广泛。弹性块式联轴器的结构如图3.4所示。上方与减速器轴相连的凸半联轴器，

17、有412片弧形凸块。下方与搅拌轴相连的凹半联轴器上则制有凹槽，可以容放相应数量的弹性块和凸半联轴器上的凸块。联轴器与轴则以固定螺钉和键固定。当主动轴转动时，凸半联轴器即通过弹性块来带动凹半联轴器旋转。联轴器材料采用不比HT200差的铸铁，弹性块采用能在一20+60范围内工作，且耐油、弱酸及弱碱的橡胶制成。图3.4联轴器其尺寸参考文献4,表112。3.5传动装置的机架反应釜立式传动装置是通过机架安装在反应釜封头的底座上的，机架上端需与减速机装配，下端则与底座装配。在机架上一般还需要有容纳联轴器、轴封装置等部件及其安装操纵所需要的空间。按照搅拌传动装置系统组合HG2156395标准系列中选取机架。

18、选用时，首先考虑上述要求，然后根据所选减速机的输出轴轴径及其安装定位面的结构尺寸选配合适的机架。根据上述条件，选用JA55型单支点机架，机架的公称直径为300mm。如图3.5：图3.5机架其尺寸参照文献3,表1814,机架的材料选用和加工，选用灰铸铁HT200铸造毛坯再进行加工。3.6底座的设计为了易于保证底座既与减速机座连接又使穿过轴封装置的搅拌轴运转顺利，要求轴封装置与减速机架安装时有一定的同心度，一般都将两者的定位安装面做在同一块底座上。根据搅拌传动装置系统组合、选用及技术要求（HG2156395中），我们选用图3.6所示的平底底座：黄河科技学院毕业设计说明书第 页黄河科技学院毕业设计说

19、明书第 页叫三丰勺扫11I1II屮-于二HlHIJI图3.6底座3.7搅拌器的轴封装置解决化工设备的跑、冒、滴、漏，特别是防止有毒、易燃介质的泄露，是一个很重要的问题。因此，在搅拌器的设计过程中选择合理的密封装置是很重要的。在反应釜中使用的轴封装置主要是填料箱密封和机械密封两种。通过下表填料箱密封和机械密封的比较，我们选取机械密封作为搅拌器的轴封装置。机械密封系指两块环形密封元件，在其光洁面平直的端面上，依靠介质压力或弹簧力的作用，在相互贴合的情况下作相对转动，从而构成密封结构。图3.7是一种釜用机械密封装置的简单结构图。当轴转动时，带动了弹簧座、弹簧、弹簧压板、动环等零件一起旋转。由于弹簧力

20、的作用使动环紧紧压在静环上。当轴旋转时，动环与轴一起旋转，而静环则固定于座架上静止不动，动环与静环相接触的环形密封端面阻止了介质的泄露。因此，从结构上看，机械密封主要是将较易泄露的轴向密封，改为不易泄露的端面密封。表3.1填料密封和机械密封的比较比较项目填料箱密封机械密封泄露量180450ml/h一般平均泄露量为填料箱密封的1%磨损功损失机械密封为填料箱密封的10%50%轴磨损有磨损，用久后轴要换几乎无磨损维护及寿命需要经常维护，更换填料寿命0.51年或更长，很少需要维护高参数咼压、咼温、高真空、咼转速、大直径密封很难解决可以加工及安装加工要求一段，填料更换方便动环、静环表面光洁程度及平直度要

21、求咼，不易加工，成本高，装卸不便对材料要求一般动环、静环要求较咼减磨性能玖头螺栓吃赠母！I鄆黄柱固弹畫座M双头螺栓4螺母10弹削O固定螺钊14静环5图3.7机械密封轴9藩环庵1化工部门已将釜用机械密封的基本型式及参数制定了系列标准搅拌传动装置一机械密封(HG2157195),并有定点厂供应各种规格产品，一般只需选用、订购即可。根据本次设计情况，我们选用单端面小弹簧平衡型，型号为2001，代号为HG2157195MS2001300BUPFEBUPo3.8搅拌器桨叶的设计3.8.1搅拌器桨叶的选型由于液体的粘度较低，根据实际情况，我们选用斜桨式叶片。结构如图3.8所示黄河科技学院毕业设计说明书第

22、页黄河科技学院毕业设计说明书第 页图3.8斜桨式叶片桨式搅拌器是搅拌器中结构最简单的一种搅拌器，一般叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4片，叶片形式可分为平直叶式和折页式两种。主要应用在：液-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。桨式搅拌器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小，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。桨式搅拌器也可用于高粘流体的搅拌，促成流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。桨式搅拌器的转速一般为20100r/min,最高粘度为20Pa.s.本次设计采用斜桨叶式搅拌器，叶片数为2.3.8.

23、2搅拌桨叶的尺寸设计斜桨叶式搅拌器的桨径与筒径（D1/D）的比为0.30.6，已知D=0.8m，所以取D1=0.40m,桨叶的宽度为（0.10.25）D1，我们取b=0.1D1=0.04m,0=60。一般桨叶距筒底的高度H1为（0.51）D1，本次设计取H1=D1=0.30m。叶片厚度取6mm。3.9搅拌器的接管口支座的结构设计3.9.1液体进料管液体进料管我们选用图3.9所示的结构，接管伸入设备并将管口切成45，这样可以避免液料沿搅拌器的内壁流动，减少物料对壁面的磨损与腐蚀。管材的选用参照文献9，表C1,C2可得，选用20号钢，GB69988。3.9.2液体出料管出料管结构设计主要从物料易放

24、尽，阻力小和不易堵塞等因素考虑，另外还要考虑温差应力的影响。如图3.10所示是两种常见的结构。图3.10出料管根据设计我们选用（a）图出料管，直径为100mm，其结构尺寸参照下表3.2表3.2出料管结构尺寸管径D5070100125150Dmin1301602102602903.9.3仪表接管口仪表接管与釜体的安装都用插入式，因为本次设计的搅拌器处于低压条件，所以采用单面角焊接。常用的仪表有玻璃温度计，都要采用套管结构并用多层套管加强。常用的几种接口结构参见文献3,表B12。3.9.4法兰的选择考虑到生产工艺上的要求和制造、运输和安装检修时的需要，化工设备常采用可拆卸的法兰联接方法。法兰联接是

25、由一对法兰，若干个螺栓、螺母和一个垫片所组成，如图3.11所示。图3.11法兰连接根据设计要求我们选用甲型平焊法兰，其结构如图3.12：Dr图3.12甲型平焊法兰其结构尺寸参照文献4,表1613。法兰材料选用Q235B，法兰垫片选用参照文献12，表164,选用聚四氟乙烯板。3.9.5设备支座的选择化工设备上的支座是支承设备重量和固定设备位置用的一种不可缺少的部件。在某些场合下，支座还可能承受设备操作时的振动、载荷等。支座的结构形式和尺寸往往决定于设备的型式、载荷情况及构造材料。最常用的有：耳式支座、支承式支座和鞍式支座。根据实际情况，我们选用耳式支座。它通常有两块筋板及一块底板焊接而成。筋板设

26、备筒体焊接在一起，如下图3.13所示：图3.13耳式支座底板上开有通孔，可供安装定位用。筋板是增较支座刚性的，轻型设备可以只用一块。每个设备可用24个支座，必要时可用得跟多些。但个数多往往不能保证全部耳座都装在同一水平面上。因而也就不能保证每个耳座受力均匀。根据有关部门制定的系列标准，我们选用A型3号耳式支座。支座材料为Q235A.F,其标记为：JB/T472592耳座AN3。其尺寸见文献14,表1622。支座的安装尺寸D（见图3.14）可按下式计+28n+28)2-(b-28+2(L2-S1)32221(3.9)式中D支座安装尺寸，mm；D1容器内径，mm；8n壳体名义厚度，mm；81加强垫

27、板厚度，mm。计算得D=970mm。结论一方面我们可以根据操作目的、操作条件、操作方法、原料和成品的特性、安全等初选搅拌器叶轮的型式；另一方面还需要依据各种搅拌器叶轮的性能及其应用实例、使用经验，综合考虑选择搅拌器。另一方面设计搅拌器时，除了运用经验和公式计算所需要动力、回转数等参数外，还需要以中小模拟试验为基准，进行放大，以符合实际操作达到预期的效果。最后必须改进现有的搅拌器和设计新型的搅拌器，达到合适的搅拌液体流动状态，以适应各种粘度搅拌的需要和满足产品的性能要求，最终实现装置高效、节能的效果。黄河科技学院毕业设计说明书第 页黄河科技学院毕业设计说明书第 页致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕

28、业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，我由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，在以后的学习和工作中我会注意一些细节问题。本次设计得到了杨汉嵩老师的大力帮助，为本人完成本次设计提供了大量的帮助，在设计中提出了许多有益的意见，提出了设计中的不足，使我及时得到改正。同时，本次设计也得到了同学们的大力帮助。给我提出了许多好的意见和建议。对此，我向杨汉嵩老师及同学们表示衷心的感谢。最后我要感谢我的母校黄河科技学院，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！。参考文献潘红良，赫俊文主编过程设备机械设计M.上海：华东理工大学出版社，2006.7.郑津洋，董其伍，桑芝富主编过程设备设