第14章-搅拌设备设计.ppt

1、容器设计, 14.1 概述, 14.3 搅拌装置设计,7.2.1 板式塔的分类,7.2.2 板式塔的结构,本章主要内容, 14.2 搅拌容器的设计,7.3.1 填料, 14.4 传动装置,7.3.2 填料塔内件的结构设计, 14.5 轴封装置,14.1 概述,容器设计,应用,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。,结构,组成搅拌容器和搅拌机两大部。,由筒体、换热元件 及内构件组成,由搅拌器、搅拌轴及其密封 装置、传动装置等组成,容器设计,1电动机； 2减速机； 3机架； 4人孔； 5密封装置； 6进料口； 7上封头； 8筒体： 9联轴器； 10搅拌轴；,1

2、1夹套； 12载热介质出口； 13挡板； 14螺旋导流板； 15轴向流搅拌器； 16径向流搅拌器； 17气体分布器； 18下封头； 19出料口； 20载热介质进口； 21气体进口,图14-1 搅拌反应器 典型结构,14.1 概述,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,14.2.1.1 搅拌容器,14.2.1 搅拌容器,结构,圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆 形封头应用最广）。 各种接管，满足进料、出料、排气等要求。 加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。 上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架 的连接。,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参数。 支

3、座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。 7. 装料系数（对容积而言），通常取0.60.85。有 泡沫或呈沸腾状态取0.60.7；平稳时取0.80.85。,容积,直立式搅拌容器,卧式搅拌容器,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,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,表141 几种搅拌设备筒体的高径比,搅拌容器的强度计算和 稳定性分析方法见前面的内容,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,14.2.1.2 换热元件,换热元件,夹套,内盘管,优先采用夹套，减少 容器内构件，便于清 洗，不占有效容积。,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,一、夹套结构,夹套,在容器外侧，用焊接

4、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。 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。,结构型式,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,图14-2 整体夹套,(a) 圆筒型,(b) U型,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,图14-3 夹套肩与筒体的连接结构,(a)封口锥,(b)封口环,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,封口环,图14-4 夹套底与封头连接结构,封口锥,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,图14-5 型钢夹套结构,(a)螺旋形角钢互搭式,(b)角钢螺旋形缠绕,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,二、内盘管,当反应器的热量仅靠外夹套传热，换

5、热面积不够时,常采用 内盘管,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。,分类,螺旋形盘管,竖式蛇管,图14-7,图14-8,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,图14-7 螺旋形盘管,14.2 搅拌容器的设计,容器设计,对称布置的几组 竖式蛇管： 传热 挡板作用,图14-8 竖式蛇管,14.3 搅拌装置设计,容器设计,14.3.1 搅拌器,14.3.1.1 搅拌器与流动特征,定义,功能,搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键 部件。,提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。,原理,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

6、推动液 体在搅拌容器内循环流动。,流型,流体循环流动的途径。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,流型,流型与搅拌的关系,流型与搅拌效果、搅拌功 率的关系十分密切。搅拌 器的改进和新型搅拌器的 开发往往从流型着手。,流型决定因素,取决于搅拌器的形式、搅拌 容器和内构件几何特征，以 及流体性质、搅拌器转速等 因素。,搅拌机顶插式中心安装 立式圆筒的三种基本流型,径向流,轴向流,切向流,流型,14.3 搅拌装置设计,容器设计,流体流动方向垂直于 搅拌轴，沿径向流动， 碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向 下流动，再回到叶端， 不穿过叶片，形成上、 下二个循环流动。,(a)径向流,图14-9 搅拌器

7、与流型 (a) 径向流,14.3 搅拌装置设计,容器设计,流体流动方向平行于 搅拌轴，流体由桨叶 推动，使流体向下流 动，遇到容器底面再 向上翻，形成上下循环流。,(b)轴向流,图14-9 搅拌器与流型 (b) 轴向流,14.3 搅拌装置设计,容器设计,无挡板的容器内，流 体绕轴作旋转运动， 流速高时液体表面会 形成漩涡，流体从桨 叶周围周向卷吸至桨 叶区的流量很小，混 合效果很差。,(c)切向流,图14-9 搅拌器与流型 (c) 切向流,14.3 搅拌装置设计,容器设计,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,切向流应加以抑制,采用挡板可削弱切向流， 增强轴向流和径向流,除

8、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。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,图14-10 搅拌器在容器内的安装方式,(a) 垂直偏心式,(b) 底插式,(c) 侧插式,(d) 斜插式,(e) 卧式,14.3 搅拌装置设计,容器设计,挡板与导流筒,目的消除打漩和提高混合效果。,物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。,打漩,14.3 搅拌装置设计,容器设计,后果,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

9、其密度减小，混合效果降低。,一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 宽度为容器直径的1/121/10。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,图14-11 挡板,14.3 搅拌装置设计,容器设计,14.3.1.2 搅拌器分类及典型搅拌器特性,一、搅拌器分类,按流体流动形态,轴向流搅拌器,径向流搅拌器,按结构分为,平叶,折叶,螺旋面叶,桨式、涡轮式、框式和 锚式的桨叶都有平叶和 折叶两种结构,推进式、螺杆式和螺带 式的桨叶为螺旋面叶,混合流搅拌器,轴向流搅拌器,14.3 搅拌装置设计,容器设计,桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在 搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占 搅拌器总数的7580。,14.3 搅

10、拌装置设计,容器设计,二、几种常用搅拌器：,1. 桨式搅拌器,结构最简单 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 分为平直叶式和折叶 式两种。,图14-12 桨式搅拌器,14.3 搅拌装置设计,容器设计,主要应用,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。,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。,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，故轴流桨叶使 用较多。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,桨式搅拌器的转速一般为20100r/min ， 最

11、高粘度为20Pas 。其常用参数见表14-5。,缺点,不能用于以保持气体和以细微化为目的 的气液分散操作中。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,表14-2 桨式搅拌器常用参数,注：n转速； v叶端线速度； Bn叶片数； d搅拌器直径；D容器内径：折叶角。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,2. 推进式搅拌器,推进式搅拌器（又称船用推进器） 常用于低粘流体中。,结构,标准推进式搅拌器有三瓣叶 片，其螺距与桨直径d相等。 它直径较小，d/D=1/41/3，叶端速度一般为 710 m/s，最高达15 m/s。,图14-13 推进式搅拌器,14.3 搅拌装置设计,容器设计,应用,粘度低、流量大的场合，

12、用较小的搅拌功率，能获得较好 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 中防止淤泥沉降等,改进,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。,常用参数见表14-3,14.3 搅拌装置设计,容器设计,表14-3 推进式搅拌器常用参数,14.3 搅拌装置设计,容器设计,涡轮式搅拌器（又称透 平式叶轮），是应用较 广的一种搅拌器，能有 效地完成几乎所有的搅 拌操作，并能处理粘度 范围很广的流体。见图 1414。,3涡轮式搅拌器,图14-14 涡轮式搅拌器,14.3 搅拌装置设计,容器设计,涡轮式搅拌器分为,开式,盘式,开式有： 平直叶、斜叶、弯叶等。 叶片数为2叶

13、和4叶,盘式有： 圆盘平直叶、圆盘斜叶、 圆盘弯叶等。叶片数常 为6叶。,为改善流动状况， 有时把桨叶制成凹形或箭形,14.3 搅拌装置设计,容器设计,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、液液分散、 液固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。,平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。 弯叶 指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率 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,容器设计,表14-4 涡轮式搅拌器常用参数,14.3 搅拌装置设计,容器设计,4锚式搅拌器,结构简单。 适用于粘度在100Pas 以下的流体搅拌，当流 体

14、粘度在10100Pas 时，可在锚式桨中间加 一横桨叶，即为框式搅 拌器，以增加容器中部 的混合。,图14-15 锚式搅拌器,14.3 搅拌装置设计,容器设计,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 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 大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、 晶析操作。 常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。 当搅拌粘度大于100Pas 的流体时，应采用螺带 式或螺杆式。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,表14-5 锚式搅拌器常用参数,14.3 搅拌装置设计,容器设计,14.3.1.3 搅拌器的选用,选用时除满足工艺要求外，还应考虑

15、功耗低、操作 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,搅拌目的,物料粘度,搅拌容器容积的大小,14.3 搅拌装置设计,容器设计,按搅拌器型式和适用条件选型,推进式搅拌器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 拌容器中。,桨式搅拌器 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 能力不足。,涡轮式搅拌器应用范围较广，各种搅拌操作都适用， 但流体粘度不宜超过50Pas。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,表14-6 是以操作目的和搅拌器流动状态选用搅拌器的,锚式、螺杆式、螺带式适用于高粘流体的混合。,14.3 搅拌

16、装置设计,容器设计,表14-6 搅拌器型式和适用条件,14.3 搅拌装置设计,容器设计,14.3.1.4 搅拌功率计算,搅拌功率 指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功并使之发生流动所需的功率。,计算搅拌功率的目的 用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度， 用于选择电机和减速机等传动装置。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,影响搅拌功率的因素很多，主要有以下四个方面：,1. 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 搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等。 2. 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 的尺寸等。 3. 搅拌介质的特性 液

17、体的密度、粘度。 4. 重力加速度,14.3 搅拌装置设计,容器设计,上述影响因素可用下式关联：,（14-1）,式中 B桨叶宽度，m； d搅拌器直径，m； D搅拌容器内直径，m；,Fr弗劳德数，,14.3 搅拌装置设计,容器设计,h液面高度，m； K系数； n转速，1/s；,密度，kg/m3； 粘度，Pas。,Np功率准数；,P搅拌功率，W； r , q指数；,Re雷诺数， ；,14.3 搅拌装置设计,容器设计,一般情况下弗鲁劳德数Fr的影响较小。容器内径D、 挡板宽度b等几何参数可归结到系数K。 由式（141）得搅拌功率P为：,（14-2）,上式中 、n、d为已知数，故计算搅拌功率的关键是

18、求得功率准数Np。在特定的搅拌装置上，可以测得功 率准数Np与雷诺数Re的关系。 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,容器设计,图14-16 六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件),14.3 搅拌装置设计,容器设计,14.3.2 搅拌轴设计,设计搅拌轴应考虑的四个因素：, 扭转变形； 临界转速； 扭矩和弯矩联合作用下的强度； 轴封处允许的径向位移。,确定轴的实际直径时， 还得考虑腐蚀裕量， 最后把直径圆整为标 准轴径。,上述因素计算所得 的轴径是指 危险截面处的直径,14.3 搅拌装置设计,容器设计,一、搅拌轴的力学模型,对搅拌轴设定：,（1）刚性联轴器联接的可拆轴视

19、为整体轴； （2）搅拌器及轴上的其它零件(附件)的重力、惯性 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 力以及搅拌轴和搅拌器(包括附件)在组合重心 处质量偏心引起的离心力的作用。,14.3 搅拌装置设计,容器设计, 悬臂轴两支点间距 离； D 搅拌器直径； Fe 搅拌轴及各层圆盘 组合重心处质量偏 心引起的离心力； Fh 搅拌器上流体径向力； Le 搅拌轴及各层圆盘 组合重心离轴承 （对悬臂轴为搅拌 侧轴承，对单跨轴 为传动侧轴承）的 距离。,图14-17 悬臂轴受力模型,14.3 搅拌装置设计,容器设计,L 两支点间距离； d 搅拌器直径； Fe

20、 搅拌轴及各层圆盘 组合重心处质量偏 心引起的离心力； Fh 搅拌器上流体径向 力； Le 搅拌轴及各层圆盘 组合重心离轴承 （对悬臂轴为搅拌 侧轴承，对单跨轴 为传动侧轴承）的 距离。,图14-18 单跨轴受力模型,14.3 搅拌装置设计,容器设计,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 造成轴的振动，使轴封失效。 应将轴单位长度最大扭转角限制在允许范围内。,（14-3）,轴扭矩的刚度条件为,14.3 搅拌装置设计,容器设计,14.3 搅拌装置设计,容器设计,故搅拌轴的直径为,（14-4）,14.3 搅拌装置设计,容器设计,三、按临界转速校核搅拌轴的直径

21、,临界转速nc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。,刚性轴工作转速低于 第一临界转速的轴 柔性轴工作转速大于 第一临界转速的轴,n1.3nc,n0.7nc,nc,工程上要求 搅拌轴的工 作转速避开 临界转速,14.3 搅拌装置设计,容器设计,按上述方法，具有z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nc：,（14-5）,悬臂轴两支点间距离，m；,式中,E轴材料的弹性模量，Pa；,I轴的惯性矩，m4,L1第1个搅拌器悬臂长度，m；,14.3 搅拌装置设计,容器设计,nc临界转速，r/min；,ms轴及搅拌器有效质量在s点的 等效质量之和，k

22、g。,等效质量ms计算公式：,式中 m悬臂轴L1段自身质量及附带液体质量在轴 末端S点的等效质量，kg； mi第 i 个搅拌器自身质量及附带液体质量在 轴末端S点的等效质量，kg； z搅拌器的数量。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,表14-7 搅拌轴临界转速的选取,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； 不包括：锚式、框式、螺带式。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,四、按强度计算搅拌轴的直径,搅拌轴的强度条件是：,（14-6）,式中,M弯矩， M= MR+ MA MA由轴向力引起的轴的弯矩， Nm； Mn扭矩，Nm； MR水平推力引起的轴的弯矩，Nm；

23、Mte轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩， ，Nm；,14.3 搅拌装置设计,容器设计,Wp抗扭截面模量，对空心圆轴 ，m3,轴材料的许用切应力， ，Pa,max截面上最大切应力，Pa；,轴材料的抗拉强度，Pa。,则搅拌轴的直径：,（14-7）,14.3 搅拌装置设计,容器设计,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。,五、按轴封处允许径向位移验算轴径,（1）轴承的径向游隙； （2）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。,轴封处的径向位移主要由三个因素引起：,14.3 搅拌装置设计,容器设计,L0 小于允许的径向位移L0，即,

24、要分别计算其径向位移，然后叠加，使总径向位移,（14-8）,式中 L0轴封处的允许径向位移，,mm,通常,K3径向位移系数， 当设计压力 p0.10.6MPa，n100r/min时， 一般物料K30.3。,14.3 搅拌装置设计,容器设计,搅拌轴轴径必须满足强度和临界转速的要求。,当有要求时，还应满足扭转变形、径向总位移的要求。,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 第142页至第103页。,14.4 传动装置,容器设计,14.2.6 传动装置,包括,电动机,减速机,联轴器,机架,14.4 传动装置,容器设计,1电动机； 2减速机； 3联轴器； 4支架；

25、5搅拌轴； 6轴封装置； 7凸缘； 8上封头,图14-19 传动装置,轴承,14.4 传动装置,容器设计,由搅拌功率计算电动机的功率Pe ：,一、电动机的选型,（14-9）,式中 Ps轴封消耗功率，kW； 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。 工作环境包括防爆、防护等级、腐蚀环境等。,14.4 传动装置,容器设计,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轮行星减速机。,二、减速机选型,考虑：,载荷变化、有振动、连续生产。,常用：,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。,选用原则：,14.4 传动装置,容器设计,表

26、14-8 四种常用减速机的基本特性,14.4 传动装置,容器设计,三、机架,机架,无支点机架,单支点机架（图14-40）,双支点机架（图14-41）,一般仅适用于传递小功率和小的轴向载荷的条件,适用于电动机或减速机可作为一个支点，或容器内可设置中间轴承和底轴承的情况,适用于悬臂轴,14.4 传动装置,容器设计,图14-20 单支点机架,14.4 传动装置,容器设计,图14-21 双支点机架,14.5 轴封装置,容器设计,14.2.5 密封,机械搅拌反应器 轴封主要有两种,轴的密封装置,填料密封,机械密封,避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部 杂质渗入搅拌容器内。,目的：,14.5 轴封装置,

27、容器设计,14.5.1 填料密封,特点：,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。,1填料密封的结构及工作原理,组成：,底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等。,14.5 轴封装置,容器设计,14-22 填料密封的结构,1压盖 2双头螺柱 3螺母 4垫圈 5油杯 6油环 7填料 8本体 9底环,14.5 轴封装置,容器设计,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 同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得到 润滑，另一方面阻止设备内流体的逸

28、出或外部流体 的渗入，达到密封的目的。,14.5 轴封装置,容器设计,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。 在操作过程中应适当调整压盖的压紧力，并需定期更换填料。,14.5 轴封装置,容器设计,2填料密封的选用,b. 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 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 表14-10选用。,根据设计压力、设计温度及介质腐蚀性选用当介 质为非易燃、易爆、有毒的一般物料且压力不高 时，按表149选用填料密封。,14.5 轴封装置,容器设计,表14-9 标准填料箱的允许压力、温度,14.5 轴封装置,容器设计,14-10 填料材料的性能,14.5 轴封装置,容器设计,把转轴的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，又称端面密封。,14.5.2机械密封,泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长， 在搅拌反应器中得到广泛地应用。,定义：,特点：,14.5 轴封装置,容器设计,由固定