1、1第 1 章 绪论搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混合；也可以加速传热和传质过程。在工业生产中，搅拌操作时从化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工艺过程的一部分而被广泛应用。搅拌操作分为机械搅拌与气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群一密集状态上升借所谓上升作用促进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体进行的搅拌时比较弱的，对于几千毫帕秒以上的高粘度液体是难于使用的。但气流搅拌无运动部件，所以在处理腐蚀性液体，高温高压条件下的反应液体的搅拌时比较便利的。在工业生产中，大多数的搅拌操作均系机械搅
2、拌，以中、低压立式钢制容器的搅拌设备为主。搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分组成。其结构形式如下：（结构图）第 1 节 搅拌设备在工业生产中的应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。搅拌设备在许多场合时作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器约占反应器总数的 99%。 。搅拌设备的应用范围之所以这样广泛，还因搅拌设备操作条件（如浓度、温度、停留时间等）的可控范围较广，又能适应多样化的生产。搅拌设备的作用如下：使物料混合均匀；使气体在液相中很好的分散；使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀的悬浮；使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳
3、化；强化相间的传质（如吸收等） ；强化传热。搅拌设备在石油化工生产中被用于物料混合、溶解、传热、植被悬浮液、聚合反应、制备催化剂等。例如石油工业中，异种原油的混合调整和精制，汽油中添加四乙基铅等添加物而进行混合使原料液或产品均匀化。化工生产中，制造苯乙烯、乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺燃料和油漆颜料等工艺过程，都装备着各种型式的搅拌设备。第 2 节 搅拌物料的种类及特性搅拌物料的种类主要是指流体。在流体力学中，把流体分为牛顿型和非牛顿型。非牛顿型流体又分为宾汉塑性流体、假塑性流体和胀塑性流体。在搅拌设备中由于搅拌器的作用，而使流体运动。第 3 节 搅拌装置的安装形式搅拌设备可以从不同
4、的角度进行分类，如按工艺用途分、搅拌器结构形式分或按搅拌装置的安装形式分等。一下仅就搅拌装置的各种安装形式进行分类说明。1、立式容器中心搅拌将搅拌装置安装在历史设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动和齿轮传动，用普通电机直接联接。一般认为功率 3.7kW 一下为小型，5.522kW 为中型。本次设计中所采用的电机功率为 18.5kW，故为中型电机。2、偏心式搅拌搅拌装置在立式容器上偏心安装，能防止液体在搅拌器附近产生“圆柱状回转区” ，可以产生与加挡板时相近似的搅拌效果。搅拌中心偏离容器中心，会使液流在各店所处压力不同，因而使液层间相对运动加强，增加了液层间的湍动，使搅拌效果得到明显的提高
5、。但偏心搅拌容易引起振动，一般用于小型设备上比较适合。3、倾斜式搅拌为了防止涡流的产生，对简单的圆筒形或方形敞开的立式设备，可将搅拌器用甲板或卡盘直接安装在设备筒体的上缘，搅拌轴封斜插入筒体内。此种搅拌设备的搅拌器小型、轻便、结构简单，操作容易，应用范围广。一般采用的功率为 0.122kW，使用一层或两层桨叶，转速为 36300r/min，常用于药品等稀释、溶解、分散、调和及 pH 值的调整等。4、底搅拌搅拌装置在设备的底部，称为底搅拌设备。底搅拌设备的优点是：搅拌轴短、细，无中间轴承；可用机械密封；易维护、检修、寿命长。底搅拌比上搅拌的轴短而细，轴的稳定性好，既节省原料又节省加工费，2而且降
6、低了安装要求。所需的检修空间比上搅拌小，避免了长轴吊装工作，有利于厂房的合理排列和充分利用。由于把笨重的减速机装置和动力装置安放在地面基础上，从而改善了封头的受力状态，同时也便于这些装置的维护和检修。底搅拌虽然有上述优点，但也有缺点，突出的问题是叶轮下部至轴封处的轴上常有固体物料粘积，时间一长，变成小团物料，混入产品中影响产品质量。为此需用一定量的室温溶剂注入其间，注入速度应大于聚合物颗粒的沉降速度，以防止聚合物沉降结块。另外，检修搅拌器和轴封时，一般均需将腹内物料排净。5、卧式容器搅拌搅拌器安装在卧式容器上面，壳降低设备的安装高度，提高搅拌设备的抗震性，改进悬浮液的状态等。可用于搅拌气液非均
7、相系的物料，例如充气搅拌就是采用卧式容器搅拌设备的。6、卧式双轴搅拌搅拌器安装在两根平行的轴上，两根轴上的搅拌叶轮不同，轴速也不等，这种搅拌设备主要用于高黏液体。采用卧式双轴搅拌设备的目的是要获得自清洁效果。7、旁入式搅拌旁入式搅拌设备是将搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上，所以轴封结构是罪费脑筋的。旁入式搅拌设备，一般用于防止原油储罐泥浆的堆积，用于重油、汽油等的石油制品的均匀搅拌，用于各种液体的混合和防止沉降等。8、组合式搅拌有时为了提高混合效率，需要将两种或两种以上形式不同、转速不同的搅拌器组合起来使用，称为组合式搅拌设备。第 2 章 搅拌罐结构设计第 1 节 罐体的尺寸确定及结构选型（1）
8、筒体及封头型式选择圆柱形筒体，采用标准椭圆形封头（2）确定内筒体和封头的直径发酵罐类设备长径比取值范围是 1.72.5，综合考虑罐体长径比对搅拌功率、传热以及物料特性的影响选取 /.5iHD根据工艺要求，装料系数 ，罐体全容积 ，罐体公称容积（操作时盛装物料的容积）0.739Vm。39.6gVm初算筒体直径 iiDH423igiVD即 mi 6.1705.21433圆整到公称直径系列，去 。封头取与内筒体相同内经，封头直边高度 ，mDN170 mh402（3）确定内筒体高度 H当 时，查化工设备机械基础表 16-6 得封头的容积hN4,1702 3.7v，取2(9.3).64iVvD3.7H核
9、算 与/iH，该值处于 之间，故合理。3.712.8i1.725226.30.69 444ggiVDv该值接近 ，故也是合理的。0.7（4）选取夹套直径表 1 夹套直径与内通体直径的关系内筒径 ,im5067018203夹套 jDiDiDiD由表 1，取 。1718ji m夹套封头也采用标准椭圆形，并与夹套筒体取相同直径（6）校核传热面积工艺要求传热面积为 ，查化工设备机械基础表 16-6 得内筒体封头表面积21m高筒体表面积为23.4,.7iA21.3719.5iDm总传热面积为 3.49.752.0故满足工艺要求。第 2 节 内筒体及夹套的壁厚计算（1）选择材料，确定设计压力按照钢制压力容
10、器 （ ）规定，决定选用 高合金钢板，该板材在 一15098GB0189CrNi150C下的许用应力由过程设备设计附表 查取， ，常温屈服极限 。D3tMPa37sMPa计算夹套内压介质密度 310/kgm4液柱静压力 103.70gHMPa最高压力 max.5P设计压力 a.所以 0.37%0.275gHPa故计算压力 3.8cPgMP内筒体和底封头既受内压作用又受外压作用，按内压则取 ，按外压则取0.57ca0.5cMa（3）夹套筒体和夹套封头厚度计算夹套材料选择 热轧钢板，其23QB235,13tsMPaa夹套筒体计算壁厚 j2cjjtPD夹套采用双面焊，局部探伤检查，查过程设备设计表
11、4-3 得 0.85则 0.5185.1723.j m查过程设备设计表 4-2 取钢板厚度负偏差 ，对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可0.8C取腐蚀裕量 ，对于碳钢取腐蚀裕量 ，故内筒体厚度附加量20C2，夹套厚度附加量 。1.8am12.bm根据钢板规格，取夹套筒体名义厚度 。4nj夹套封头计算壁厚 为kj0.5185.1620.523.0cjkjtPDm取厚度附加量 ，确定取夹套封头壁厚与夹套筒体壁厚相同。8Cm（4）内筒体壁厚计算按承受 内压计算.7Ma焊缝系数同夹套，则内筒体计算壁厚为：50.58715.72223.cjtPDm按承受 外压计算0.5Ma设内筒体名义厚度 ，则 ，内筒
12、体外径nm10.8enaC。217.27.4oiD内筒体计算长度 。80(52)94.73jLHhm则 ， ，由过程设备设计图 4-6 查得 ，图 4-9 查得/.o/5.9oe0.4A，此时许用外压 为：50BMPaP1.203.574eoaMD不满足强度要求，再假设 ，则 ，6nm160.852naeCm，2105.21730.4oin内筒体计算长度 8(5)947jLHh则 ，/.7oD/.oe查过程设备设计图 4-6 得 ,图 4-9 得 ，此时许用外压为：06A60BMPa6015.2 .534eoBPPa故取内筒体壁厚 可以满足强度要求。nm（5）考虑到加工制造方便，取封头与夹套筒
13、体等厚，即取封头名义厚度 。按内压计算肯定16nkm是满足强度要求的，下面仅按封头受外压情况进行校核。封头有效厚度 。由过程设备设计表 4-5 查得标准椭圆形封头的形状系数160.852e，则椭圆形封头的当量球壳内径 ，计算系数 A10.9K10.971530iiRKD.25.102453eiAR查过程设备设计图 4-9 得 BMPa0.29.1eiBP6故封头壁厚取 可以满足稳定性要求。16m（6）水压试验校核试验压力内同试验压力取 0.587.106TcPMPa夹套实验压力取内压试验校核内筒筒体应力 ()0.687(15.2)4.622.TieiiDPa夹套筒体应力 ().(.)1.81.
14、05TjejjPM而 0.9.1372.si Ma5sj P故内筒体和夹套均满足水压试验时的应力要求。外压实验校核由前面的计算可知，当内筒体厚度取 时，它的许用外压为 ，小于夹套16m0.562PMa的水压试验压力，故在做夹套的压力实验校核时，必须在内筒体内保持一定压力，以使整个试0.6MPa验过程中的任意时间内，夹套和内同的压力差不超过允许压差。第 3 节 人孔选型及开孔补强设计人孔选型选择回转盖带颈法兰人孔，标记为：人孔 PN2.5,DN450,HG/T 21518-2005,尺寸如下表所示: 密封面形式公称压力PN（MP） 公称直径 DN wdsD1H2b突面（RF） 4.0450814
15、5.6807357螺柱 螺母 螺柱1b2ABLod数量 直径 长度总质量（ ）kg46375125042032165M24开孔补强设计7最大的开孔为人孔，筒节 ，厚度附加量 ，补强计算如下：16ntm0.6Cm开孔直径 4502.45.d圆形封头因开孔削弱所需补强面积为： ()ntrACf人孔材料亦为不锈钢 0Cr18Ni9，所以 1.0r所以 21.5874056.323. m有效补强区尺寸： 1428497nthd.9.Bdm在有效补强区范围内，壳体承受内压所需设计厚度之外的多余金属面积为： 1()()(1)enterACf故 2()45.2.57436.d m可见仅 就大于 ,故不需另行
16、补强。1最大开孔为人孔，而人孔不需另行补强，则其他接管均不需另行补强。第 4 节 搅拌器的选型（一）搅拌器选型桨径与罐内径之比叫桨径罐径比 ,涡轮式叶轮的 一般为 0.250.5，涡轮式为快速型，快速型/dD/d搅拌器一般在 时设置多层搅拌器，且相邻搅拌器间距不小于叶轮直径 d。适应的最高黏度为1.3H左右。50Pas搅拌器在圆形罐中心直立安装时，涡轮式下层叶轮离罐底面的高度 C 一般为桨径的 11.5 倍。如果为了防止底部有沉降，也可将叶轮放置低些，如离底高度 .最上层叶轮高度离液面至少要有 1.5d 的/10深度。符号说明键槽的宽度b搅拌器桨叶的宽度B轮毂内经d搅拌器桨叶连接螺栓孔径0搅拌
17、器紧定螺钉孔径1轮毂外径2d搅拌器直径JD搅拌器圆盘的直径1搅拌器参考质量G8轮毂高度1h圆盘到轮毂底部的高度2搅拌器叶片的长度L弧叶圆盘涡轮搅拌器叶片的弧半径R搅拌器许用扭矩M()Nm轮毂内经与键槽深度之和t搅拌器桨叶的厚度搅拌器圆盘的厚度1工艺给定搅拌器为六弯叶圆盘涡轮搅拌器，其后掠角为 ，圆盘涡轮搅拌器的通用尺寸为桨径 :桨45ojd长 :桨宽 ，圆盘直径一般取桨径的 ，弯叶的圆弧半径可取桨径的 。l20:54b2338查 HG-T 3796.112-2005,选取搅拌器参数如下表JDd21D1do15081070M56B1h2LbtG43285.4214.9由前面的计算可知液层深度 ，
18、而 ，故 ，则设置两层搅拌器。.5Hm1.0iDm1.3iHD为防止底部有沉淀，将底层叶轮放置低些，离底层高度为 ，上层叶轮高度离液面 的深度，4252J9即 。则两个搅拌器间距为 ，该值大于也轮直径，故符合要求。1025m10m（2）搅拌附件挡板挡板一般是指长条形的竖向固定在罐底上板，主要是在湍流状态时，为了消除罐中央的“圆柱状回转区”而增设的。罐内径为 ，选择 块竖式挡板，且沿罐壁周围均匀分布地直立安装。1704第 3 章 传动装置选型第 1 节 减速机选型由工艺要求可知，传动方式为带传动，搅拌器转速为 ，电机功率为 ,查长城搅拌20/minr18.5kW表 3.5-3 选择减速机型号为
19、6FPV减速机主要参数及尺寸如下表：第 2 节 联轴器的选型选择减速机输出轴轴头型式为普通型，选择 GT 型刚性联轴器联轴器主要尺寸为：轴径 1D23412mndo2l1LH80 220 185 120 150 24 28 61M630 162 324第 4 章 搅拌轴的设计与校核4.1 符号说明设计最终确定的实心轴的轴径或空心轴外径， ；d设计最终确定的密封部位实心轴轴径或空心轴外径， ；o按扭转变形计算的传动侧轴承处实心轴轴径或空心轴外径， ；1 m按强度计算的单跨轴跨间段实心轴轴径或空心轴轴径或空心轴外径， ；2d单跨轴的实心轴轴径或空心轴外径, ；L m轴材料的弹性模量， ；EMPa搅
20、拌轴及各层圆盘（搅拌器及附件）组合重心处的许用偏心距， ；e m搅拌轴及各层圆盘（搅拌器及附件）组合重心处的质量偏心引起的离心力， ;eF N第 个搅拌器上的流体径向力， ;hi N单跨轴跨间轴段（实心或空心）的惯性矩， ；LI 4m单跨轴第 个圆盘（搅拌器及附件）至传动侧轴承距离与轴长 的比值（ 、 ） ；iKi L1i2m单跨轴两轴承之间的长度， ；10、 1 个圆盘（搅拌器及附件）的每个圆盘至传动侧轴承的距离（对于单跨轴） ，1L2i；m搅拌轴及各层圆盘（搅拌器及附件）组合重心离传动侧轴承的距离（对于单跨轴） ， ；e m轴上弯矩总和， ；MmN由轴向推力引起作用于轴的弯矩， ；A 按传
21、动装置效率 计算的搅拌轴传递扭矩， ；n2mN由径向力引起作用于轴的弯矩， ；R 固定在搅拌轴上的圆盘（搅拌器及附件）数；m、 圆盘（搅拌器及附件） 、 的质量， ；12i 12ikg、 圆盘（搅拌器及附件） 、 的有效质量， ；eie单跨轴 段轴的质量L9210)1(4soLNdmkg单跨轴 段轴的有效质量， ；Le单跨轴及各层圆盘（搅拌器及附件）的组合质量，w空心轴内径与外径的比值；oN轴的转速， ；nmin/r轴的一阶临界转速， ；k i/电动机额定功率， ;NPkW设备内的设计压力， ；pMPa相当质量的折算点；S传动侧轴承游隙 , ；m单跨轴末端轴承游隙， ；单跨轴 段有效质量的相当质量， ；WLkg、 、 的相当质量， ；12ie12iek在 点所有相当质量的总和， ；sSk搅拌轴轴线与安装垂直线的夹角，( )；o
