化工搅拌器的设计.doc

1、 黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 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

2、装置、传动装置等统称为搅拌机。 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

3、设备 根据搅拌器叶轮的形状可以分成直叶桨式、开启涡轮式、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 HR 100， HV 100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， MR 205， 305 超黄河科技学院毕业设计说明书 第 2 页 混合搅拌器等等。 1.2 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

4、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 l， 000， 000 cP。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

5、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 35 0 8，其运转速度为 10 100r 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 17 0 5， 转速为 30 500r 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

6、液混合或强烈搅拌的场合，常用于低中等粘度物料 (510 cP)。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 2 0 5，转速较高，为 100 800r 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，常用于低粘黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页 度料液 (2000cP)的混合。框式搅拌器的搅拌外缘与釜壁间隙很小， d D 为 0 90 98，

7、此特点使得搅拌时物料不易产生死区。转速为 1 100r min， 为低速搅拌器，只产生切线流，剪切作用小，无轴向混合，适用于高粘度物料的搅拌。如精细化工产品涂料油 漆、化妆品的生产过程中常用到此类搅拌器。螺带式搅拌器是把一定螺距的螺旋形钢带固定在搅拌轴上，螺带外缘很接近釜壁。搅拌时，物料沿釜壁上升，沿轴向下运动。适用于高粘度料液的混合。 1.3 课题的目的、意义、国内外现状 1.3.1 课题的目的、意义 化工反应中搅拌器的目的是借助搅拌器的作用使 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，结构简单，使用方便，在化工生产

8、应用比较广泛。本课题要求设计一个小型搅拌器，容积在 500 升左右，工作平稳灵活， 使用方便。本题目主要涉及化工生产中搅拌器的设备设计，主要解决的问题是化工生产中该设备的设计，包括：搅拌器的选择、电动机及减速器的选型、支撑装置的设计、轴的选择及密封设置、搅拌容器的设计，并画出相应的设备图。 1.3.2 搅拌器的发展史及现状 搅拌混合设备是一种应用广泛、品种繁多的流体机械产品，适用于化工、冶金、医药、食品和饲料等领域。搅拌操作是工业反应过程的重要环节，它的原理涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多种过程，而搅拌器是为了使搅拌介质获得适宜的流动场而向其输入机械能量的装置。因此搅拌器也叫做 Mixe

9、r，或叫做 Agitator,Stirrer。广义的搅拌还包括将固体微粒分散悬浮在溶液里面或将溶液变成均匀的乳化液，因此它包括分散器和均质机。某些搅拌器能产生极大的剪切力，以获得细化的粒子比胶体磨大 10 倍以上的亚微米悬浮体，因此，可用于制造色拉酱、美容乳之类的精细食品和化学品。石化工业常用于聚氯乙烯合金、顺丁橡胶合釜、反应釜、汽提釜等统称为搅拌容器（ Agitatored Vessels， 或 Stirred Vessels）。 近年来，搅拌器和搅拌容器获得飞速发展的同时，正面临着满足合理利用资源、节黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页 能降耗和对环 境保护要求的严峻挑战。搅拌器和搅拌容

10、器在服从装置规模经济化和品种多样化的同时，正日趋大型化。日立制作所自 1949 年生产搅拌反应釜以来已为聚氯乙烯、对苯二甲酸、苯乙烯单体、聚丙烯等装置生产了搅拌反应釜近 4000 台，容器的最大容量达 576m3 ，最大直径达 7620 mm，圆筒部分最大长度达 44380 mm，设计压力最大 28 MPa， 设计温度最高 530 ，电机最大功率达 1100 kW。基于节能的要求，开发出变频调速电机、小剪切阻力桨叶、以新型密封代替机械密封和填料密封，以磁力驱动代替机械传动。基于降低产品 总体成本、减少维修保养成本和提高设备平均维修间隔时间的要求，大大提高了设备运行寿命。基于满足卫生和降低清洗和

11、杀菌成本的要求，实现了 CIP(就地清洗 )和 SIP(就地杀菌 )，提高了自动化水平，避免了人与产品的接触，减少了人工操作和待机时间，大大提高了产品的卫生水平。 1.3.3 搅拌器的主要类型及其发展概况 根据搅拌器的形状可以分成直叶桨式、开启涡轮式、推进式、圆盘涡轮式、锚式、螺带式、螺旋式等；根据不同液体的粘度可以分为低粘度液搅拌器、中高粘度液搅拌器。低粘度液搅拌器，如：三叶推进式叶轮，折叶桨式 (2 4 折叶 )， 6 直叶涡轮式，超级混合叶轮式 (HRO0， HV200)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，超混台搅拌器 (MR205， 305)等。为了达到成品高

12、精度、高品质化要求，国外，特别是日本开发了新型的搅拌装置 ，以满足高粘度产品的生产需要。如倒圆锥形螺带翼式搅拌器、超混合搅拌器、高性能浮动搅拌槽、超振动 型搅拌器等。 在对物料的搅拌操作中，人们希望实现多种搅拌目的，因此了解各种搅拌器的特点，选择适宜的叶轮型式，设计出符合流动状态特性的搅拌器是非常重要的。搅拌槽内的液体进行 着三维流动，为了区分搅拌桨叶排液的流向特点，根据主要排液方向，按圆柱坐标把典型桨叶分成径向流叶轮和轴向流叶轮 。齿片式、平叶桨式、直叶圆盘涡轮式和弯曲叶涡轮式在无挡板搅拌槽中除了使液体产生与叶轮一起回转的周向流外，还由于叶轮的离心力是液体沿叶片向槽壁射出，形成强 大有力的径

13、向流，故称这些叶轮为径向流叶轮。径向流叶轮搅拌器旋转时，将物料由轴向吸入再径向排出，叶轮功率消耗大，搅拌速度较快，剪切力强。如图 1.1、图 1.2 所示，是典型的径向流叶轮型式。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页 图 1.1 径向流叶轮 图 1.2 径向流叶轮 在湍流状态下，推进式叶轮除了产生周向流动外，还产生大量轴向流动，是典型的轴向流叶轮。折叶涡轮式叶轮与直叶圆盘涡轮和弯曲叶涡轮式叶轮相比，轴向流成分较多，多用于轴向流的场合。螺带式和螺杆式叶轮使高粘度物料产生轴向流动，也属轴向流叶轮型式。轴向流叶轮搅拌器不存在分区循环，单位功率产生的流量大，剪切速率小且在桨叶附近较大范围内分布均匀

14、，具有较强的最大防脱流能力。如图 1.3、图 1.4 所示，是典型的轴向流叶轮型式。 图 1.3 轴向流叶轮 图 1.4 轴向 流叶轮 新型轴向流叶轮 在通常情况下，大量的搅拌设备用于低粘物系的混合和固一液悬浮操作，要求叶轮能以低的能耗提供高的轴向循环流量。由于传统的推进式叶轮叶片为复杂的立体曲面，虽能满足要求，但制造却很困难，亦不易大型化。因此竞相开发节能高效 、造价低廉且易于大型化的第二代高效轴流搅拌器成为混合设备公司的目标。美国莱宁公司开发了 A310 和 A315 系列 (如图 1.5，图 1.6 所示 )。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 6 页 图 1.5 A310 图 1.6 A

15、315 国 内如北京化工大学和华东理工大学等也分别开发了 CBY 轴流桨和翼型桨；中国石油化工学院的沈惠平教授等人还研制开发了一种新型高效易于加工的轴流式搅拌叶轮。它是一种空间扭曲板材型桨叶，从叶片端部看，它由许多相似的拱组成，与其所处半径有关，且具有合理的叶片倾角、拱度及叶片宽度。 新型搅拌混合设备 近年来欧洲和 Et本开发了很多种适用于高粘和超高粘物系的卧式自清洁搅拌设备。瑞士卧式双轴全相 (AllPhase) 型搅拌机就是典型的一例。如图 1.7 所示。 图 1.7 瑞士 LIST 公司全相型 自清洁反应器 黄河科技学院毕业设计说明书 第 7 页 图 1.8 复合式搅拌器的结构 另外，北

16、京燕山石油化工有限公司设计院针对在大直径、低转速、介质较粘稠的场合，设计了一种复合式搅拌器，很好地解决了无法配备大功率的电机，存在制造、检修 以及安装的困难等问题。复合式搅拌器的结构如图 1.8 所示。 设备设计智能化的实现 根据混合专家的经验和常识，将搅拌混合设备与自动控制技术相结合，在混合设备选型和设计中运用人工智能技术 (AJ)和基于知识的系统 (KBS)，即实现了混合设备选型和设计的智能化。 如图 1.9 所示，搅拌设备设计专家系统采用总设 计任务控制各阶段设计分任务，分任务调度相应的设计知识和数据，实现混合设备的专家系统设计的组织方法。通过仔细的分析、归属，用智能化设计系统原型阶段性

17、地实现混合设备的设计过程，可以把其表示为一系列的设计过程的链式序列。各阶段相对独立又相互连续，其中每一个设计阶段都将设计结构传递给后继设计过程 L6j。 该系统从搅拌叶轮的选型、过程设计、机械设计和经济分析评价，到最终机械绘图的全过程的都给出了智能化的计算机辅助设计。它可应用于牛顿流体和非牛顿流体，液一液体系、固 一液体系和气 一液体系，并且可以处理容积超过上百立方米 的应用体系。 20 世纪 90 年代以来，有关搅拌设备选型和设计的专家系统在国外已有少量报道。如 1994 年美国 Chemineer 公司报道了该公司有一个用于涡轮式搅拌设备设计的知识库软件 AgDesign，据称该公司 90

18、 顶伸人搅拌器的设黄河科技学院毕业设计说明书 第 8 页 备均已用此软件进行设计。芬兰的 Lappeenranta 工业大学在 1994 年发表了有关混合设备初步设计的知识库系统的论文。在国内，浙江大学也正与大型石化企业合作开发搅拌槽式反应器的智能化辅助选型和设计软件。 图 1.9 混合设计智能化设计系统实现结构 1.3.4 结语 搅拌操作 是工业反应过程的重要环节，搅拌混合设备在化学工业中担当着非常重要的角色。现代化学工业要求有更高更好的搅拌混合技术，因此必须改进传统搅拌装置、研制新型混合设备；同时使用 LDV、 PIV 和 EPT 等先进量测技术，运用计算流体动力学知识，深入分析搅拌反应器

19、内的流体流动机理和微观混合，安全和优化设计、提高过程效率性能和降低失败风险，并最终提高反应产率。在这些现代先进技术的推动下，搅拌混合技术一定会向一个更新的阶段发展。 1.4 本课题的设计思路 黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页 本课题的设备思路可分为以下步骤： 1、 按设计要求可用的 D T(轮径 罐径 )值，和对搅拌时间、搅拌程度的要求，选定若干个不同转速下的扭矩或功率要求； 2、 选定合理的叶轮安装高度，结合设备情况，估计近似的搅拌轴长； 3、 估计合理的电动机功率； 4、 根据叶轮功耗。输出轴、支架等等，选择能满足前三项要求的搅拌器； 5、 按照叶尖切线速度等条件，确定最合适的转速，

20、对设计进行优化，按已确定的条件，对轴系进行动力和强度等因素的验算和分析。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页 2 搅拌容器的设计 2.1 搅拌容器的设计探讨 搅拌容器的作用是为物料反应提供合适的空间。搅拌容器的筒体基本上是圆 柱筒，封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，以椭圆形封头应用最广。下封头与筒体一般为焊接连接，上封头与筒体也可采用焊接连接，但在筒体直径 DN1500mm的场合多采用法兰连接。 筒体的直径和高度是容器设计的基本尺寸。工艺条件通常给出设备容积 V 或操作容积 V0 ,有时也给出筒体内径 Di，或者筒体高度 H1 和筒体内径 Di 之比（称为长径比） ,其中 V0=nV

21、， n 为装料系数，表明容器操作时所允许的装满程度，在确定搅拌容器的容积时，其值通常可取 0.60.85.如果物料在反应中产生泡沫或沸腾状态，取 0.60.7；如果物料 在反应中比较平稳，可取 0.80.85. 一般搅拌罐根据罐内物料类型筒体的高径比可分为液固相、液液相 11.3， 气液相12. 据设计要求，要求搅拌器的 容积在 500 升左右，液体粘度为 0.3Pa.s， 液体的密度为=1500kg/m3，运转速度为 40r/min， v=5m/s。 结合实际条件，本课题选用筒式搅拌器。将搅拌器的外壳设计成圆筒形，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和区，并产生一股高速射流，使流体具有较高的压头，推动液体在搅拌容器内循环流动。在圆筒的导流作用下，介质从简体的 顶部和底部流入筒内，完成一个循环，使介质产生高速的径向流和轴向流，同时加大介质流量，介质流动更均匀。 通过筒式搅拌器与涡轮式搅拌器和推进式搅拌器的功率对比试验，在相同的拌情况下，筒式搅拌器将电能转化为机械能的效率更高，如图 2.1 所示。