黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁1 緒論1.1 攪拌器的概述1.1.1 攪拌器的應(yīng)用范圍機械攪拌反應(yīng)器適用于各種物性（如粘度、密度）和各種操作條件（溫度、壓力）的反應(yīng)過程，廣泛應(yīng)用于合成材料、合成纖維、合成橡膠、醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥、染料、涂料、食品、冶金、廢水處理等行業(yè)。如實驗室的攪拌反應(yīng)器可小至數(shù)十毫升，而污水處理、濕法冶金、磷肥等工業(yè)大型反應(yīng)器的容積可達數(shù)千立方米。除用作化學(xué)反應(yīng)器和生物反應(yīng)器外，攪拌反應(yīng)器還可大量用于混合、分散、溶解、結(jié)晶、萃取、吸收或解吸、傳熱等操作。攪拌反應(yīng)器由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸、及其密封裝置、傳動裝置等統(tǒng)稱為攪拌機。1.1.2 攪拌器的工作原理通常攪拌裝置由作為原動機的馬達(電動、風(fēng)動或液壓)，減速機與其輸出軸相連的攪拌抽，和安裝在攪拌軸上的葉輪組成 減速機體通過一個支架或底板與攪拌容器相連。當(dāng)容器內(nèi)部有壓力時，攪拌軸穿過底板進入容器時應(yīng)有一個密封裝置，常用填料密封或機械密封。通常馬達與密封均外購，研究的重點是葉輪。葉輪的攪拌作用表現(xiàn)為“泵送”和 渦流”，即產(chǎn)生流體速度和流體剪切，前者導(dǎo)至全容器中的回流，介質(zhì)易位，防止固體的沉淀并產(chǎn)生對換熱熱管束 (如果有 )的沖刷；剪切是一種大回流中的微混合，可以打碎氣泡或不可溶的液滴，造成“均勻”。1.1.3 化工反應(yīng)中的攪拌設(shè)備根據(jù)攪拌器葉輪的形狀可以分成直葉槳式、開啟渦輪式、推進式、圓盤渦輪式、錨式、螺帶式、螺旋式等根據(jù)處理的掖體牯度不同可以分為低粘度液攪拌器。低粘度液攪拌器，如：三葉推進式、折葉槳葉，6 直葉渦輪式、超級混合葉輪式 HR 100，HV 100 等；中高粘度液攪拌器如：錨式、螺桿葉輪式、雙螺旋螺帶葉輪型，MR 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁205，305 超混合攪拌器等等。1.2 化工攪拌器的適應(yīng)條件和構(gòu)造1.2.1 化工攪拌器的適應(yīng)條件攪拌加速傳熱和傳質(zhì)，在化工設(shè)備中廣泛運用?；嚢杵鞯淖饔檬够どa(chǎn)中的液體充分混合，以滿足化學(xué)反應(yīng)能夠最大程度的進行，該設(shè)備可以代替手動攪拌對人體有毒或?qū)ζつw有傷害的化工原料減少對人體的危害，同時通過電動機帶動軸加速攪拌，提高生產(chǎn)率。 攪拌加速傳熱和傳質(zhì)，在化工設(shè)備中廣泛運用。攪拌的對象可以是液體 、固體和氣體，其中液體是必不可少的。最常見的液體是水，其粘度很低。液體也可能很粘，如黃油在室溫下可達 l，000，000 cP。液體中如加入過多的固體，如泥沙，會失去流動性，成為泥團。這種物料也可攪拌，但不在本文敘述的范圍內(nèi)。1.2.2 化工攪拌器的構(gòu)造化工生產(chǎn)過程中，通常用到的攪拌器種類有槳式攪拌器、渦輪式攪拌器、推進式攪拌器、錨式攪拌器、框式攪拌器、螺帶式攪拌器等。各類攪拌器由于其構(gòu)造，性能等差異，使其能夠分別適用于化工生產(chǎn)中各種不同的工況。槳式攪拌器又可分為平直葉和折葉攪拌器兩種。這類攪拌器的結(jié)構(gòu)和加工都比較簡單。攪拌器直徑 d 與釜徑 D之 比 dD 為 035 08，其運轉(zhuǎn)速度為 10100rmin，為大型低速攪拌器，適用于低、中等粘度物料的混合及促進傳熱，可溶固體的混合與溶解等場合。渦輪式攪拌器又可分為開啟渦輪式和圓盤渦輪式兩類，每類又可分為平直葉、折葉、后彎葉三種。渦輪式攪拌器外形結(jié)構(gòu)上與槳式攪拌器類似，只是葉片較多。攪拌器直徑 d 與釜徑 D 之比 dD 為 01705，轉(zhuǎn)速為 30500r min。旋轉(zhuǎn)時有較高的局部剪切作用，能得到高分散度微團，適用于氣液混合及液液混合或強烈攪拌的場合，常用于低中等粘度物料 (510 cP)。就一開啟式和圓盤式相比較而言，其構(gòu)造上差異造成開啟式比圓盤式循環(huán)流量更大，軸向混合效果更好。推進式攪拌器也常被稱為旋槳式攪拌器。顧名思義，其葉片形式類似于輪船上的螺旋槳。攪拌器直徑 d 與釜徑 D 之比 dD 為 0205，轉(zhuǎn)速較高，為 100800r min。運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大的軸向循環(huán)流量，宏觀混合效果較好，適用于均相液體混合等攪拌不是非常強烈的以宏觀混合為目黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁的的攪拌場合，常用于低粘度料液 (2000cP)的混合?？蚴綌嚢杵鞯臄嚢柰饩壟c釜壁間隙很小，dD 為 09098，此特點使得攪拌時物料不易產(chǎn)生死區(qū)。轉(zhuǎn)速為 1100r min，為低速攪拌器，只產(chǎn)生切線流，剪切作用小，無軸向混合，適用于高粘度物料的攪拌。如精細化工產(chǎn)品涂料油漆、化妝品的生產(chǎn)過程中常用到此類攪拌器。螺帶式攪拌器是把一定螺距的螺旋形鋼帶固定在攪拌軸上，螺帶外緣很接近釜壁。攪拌時，物料沿釜壁上升，沿軸向下運動。適用于高粘度料液的混合。1.3 課題的目的、意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀1.3.1 課題的目的、意義化工反應(yīng)中攪拌器的目的是借助攪拌器的作用使化工生產(chǎn)中的液體充分混合，以滿足化學(xué)反應(yīng)能夠最大程度的進行。該設(shè)備可以代替手動攪拌對人體有毒或?qū)ζつw有傷害的化工原料，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，在化工生產(chǎn)應(yīng)用比較廣泛。本課題要求設(shè)計一個小型攪拌器，容積在 500 升左右，工作平穩(wěn)靈活，使用方便。本題目主要涉及化工生產(chǎn)中攪拌器的設(shè)備設(shè)計，主要解決的問題是化工生產(chǎn)中該設(shè)備的設(shè)計，包括：攪拌器的選擇、電動機及減速器的選型、支撐裝置的設(shè)計、軸的選擇及密封設(shè)置、攪拌容器的設(shè)計，并畫出相應(yīng)的設(shè)備圖。1.3.2 攪拌器的發(fā)展史及現(xiàn)狀攪拌混合設(shè)備是一種應(yīng)用廣泛、品種繁多的流體機械產(chǎn)品，適用于化工、冶金、醫(yī)藥、食品和飼料等領(lǐng)域。攪拌操作是工業(yè)反應(yīng)過程的重要環(huán)節(jié)，它的原理涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)等多種過程，而攪拌器是為了使攪拌介質(zhì)獲得適宜的流動場而向其輸入機械能量的裝置。因此攪拌器也叫做 Mixer，或叫做 Agitator,Stirrer。廣義的攪拌還包括將固體微粒分散懸浮在溶液里面或?qū)⑷芤鹤兂删鶆虻娜榛?，因此它包括分散器和均質(zhì)機。某些攪拌器能產(chǎn)生極大的剪切力，以獲得細化的粒子比膠體磨大 10 倍以上的亞微米懸浮體，因此，可用于制造色拉醬、美容乳之類的精細食品和化學(xué)品。石化工業(yè)常用于聚氯乙烯合金、順丁橡膠合釜、反應(yīng)釜、汽提釜等統(tǒng)稱為攪拌容器（Agitatored Vessels，或 Stirred Vessels）。近年來，攪拌器和攪拌容器獲得飛速發(fā)展的同時，正面臨著滿足合理利用資源、黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁節(jié)能降耗和對環(huán)境保護要求的嚴峻挑戰(zhàn)。攪拌器和攪拌容器在服從裝置規(guī)模經(jīng)濟化和品種多樣化的同時，正日趨大型化。日立制作所自 1949 年生產(chǎn)攪拌反應(yīng)釜以來已為聚氯乙烯、對苯二甲酸、苯乙烯單體、聚丙烯等裝置生產(chǎn)了攪拌反應(yīng)釜近 4000 臺，容器的最大容量達 576m3 ，最大直徑達 7620 mm，圓筒部分最大長度達 44380 mm，設(shè)計壓力最大 28 MPa，設(shè)計溫度最高 530 ，電機最大功率達 1100 kW?；诠?jié)能的要求，開發(fā)出變頻調(diào)速電機、小剪切阻力槳葉、以新型密封代替機械密封和填料密封，以磁力驅(qū)動代替機械傳動?；诮档彤a(chǎn)品總體成本、減少維修保養(yǎng)成本和提高設(shè)備平均維修間隔時間的要求，大大提高了設(shè)備運行壽命?；跐M足衛(wèi)生和降低清洗和殺菌成本的要求，實現(xiàn)了 CIP(就地清洗 )和 SIP(就地殺菌 )，提高了自動化水平，避免了人與產(chǎn)品的接觸，減少了人工操作和待機時間，大大提高了產(chǎn)品的衛(wèi)生水平。1.3.3 攪拌器的主要類型及其發(fā)展概況 根據(jù)攪拌器的形狀可以分成直葉槳式、開啟渦輪式、推進式、圓盤渦輪式、錨式、螺帶式、螺旋式等；根據(jù)不同液體的粘度可以分為低粘度液攪拌器、中高粘度液攪拌器。低粘度液攪拌器，如：三葉推進式葉輪，折葉槳式 (24 折葉)，6 直葉渦輪式，超級混合葉輪式 (HRO0，HV200)等 ；中高粘度液攪拌器如：錨式、螺桿葉輪式，雙螺旋螺帶葉輪型，超混臺攪拌器 (MR205，305)等。為了達到成品高精度、高品質(zhì)化要求，國外，特別是日本開發(fā)了新型的攪拌裝置 ，以滿足高粘度產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。如倒圓錐形螺帶翼式攪拌器、超混合攪拌器、高性能浮動攪拌槽、超振動 型攪拌器等。 在對物料的攪拌操作中，人們希望實現(xiàn)多種攪拌目的，因此了解各種攪拌器的特點，選擇適宜的葉輪型式，設(shè)計出符合流動狀態(tài)特性的攪拌器是非常重要的。攪拌槽內(nèi)的液體進行著三維流動，為了區(qū)分攪拌槳葉排液的流向特點，根據(jù)主要排液方向，按圓柱坐標(biāo)把典型槳葉分成徑向流葉輪和軸向流葉輪 。齒片式、平葉槳式、直葉圓盤渦輪式和彎曲葉渦輪式在無擋板攪拌槽中除了使液體產(chǎn)生與葉輪一起回轉(zhuǎn)的周向流外，還由于葉輪的離心力是液體沿葉片向槽壁射出，形成強 大有力的徑向流，故稱這些葉輪為徑向流葉輪。徑向流葉輪攪拌器旋轉(zhuǎn)時，將物料由軸向吸入再徑向排出，葉輪功率消耗大，攪拌速度較快，剪切力強。如圖 1.1、圖 1.2 所示，是典型的徑向流葉輪型式。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁圖 1.1 徑向流葉輪 圖 1.2 徑向流葉輪在湍流狀態(tài)下，推進式葉輪除了產(chǎn)生周向流動外，還產(chǎn)生大量軸向流動，是典型的軸向流葉輪。折葉渦輪式葉輪與直葉圓盤渦輪和彎曲葉渦輪式葉輪相比，軸向流成分較多，多用于軸向流的場合。螺帶式和螺桿式葉輪使高粘度物料產(chǎn)生軸向流動，也屬軸向流葉輪型式。軸向流葉輪攪拌器不存在分區(qū)循環(huán)，單位功率產(chǎn)生的流量大，剪切速率小且在槳葉附近較大范圍內(nèi)分布均勻，具有較強的最大防脫流能力。如圖 1.3、圖 1.4 所示，是典型的軸向流葉輪型式。圖 1.3 軸向流葉輪 圖 1.4 軸向流葉輪新型軸向流葉輪 在通常情況下，大量的攪拌設(shè)備用于低粘物系的混合和固一液懸浮操作，要求葉輪能以低的能耗提供高的軸向循環(huán)流量。由于傳統(tǒng)的推進式葉輪葉片為復(fù)雜的立體曲面，雖能滿足要求，但制造卻很困難，亦不易大型化。因此競相開發(fā)節(jié)能高效 、造價低廉且易于大型化的第二代高效軸流攪拌器成為混合設(shè)備公司的目標(biāo)。美國萊寧公司開發(fā)了A310 和 A315 系列(如圖 1.5，圖 1.6 所示)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁圖 1.5 A310 圖 1.6 A315國內(nèi)如北京化工大學(xué)和華東理工大學(xué)等也分別開發(fā)了 CBY 軸流槳和翼型槳；中國石油化工學(xué)院的沈惠平教授等人還研制開發(fā)了一種新型高效易于加工的軸流式攪拌葉輪。它是一種空間扭曲板材型槳葉，從葉片端部看，它由許多相似的拱組成，與其所處半徑有關(guān)，且具有合理的葉片傾角、拱度及葉片寬度。新型攪拌混合設(shè)備 近年來歐洲和 Et 本開發(fā)了很多種適用于高粘和超高粘物系的臥式自清潔攪拌設(shè)備。瑞士臥式雙軸全相(AllPhase)型攪拌機就是典型的一例。如圖 1.7 所示。 圖 1.7 瑞士 LIST 公司全相型自清潔反應(yīng)器黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁圖 1.8 復(fù)合式攪拌器的結(jié)構(gòu)另外，北京燕山石油化工有限公司設(shè)計院針對在大直徑、低轉(zhuǎn)速、介質(zhì)較粘稠的場合，設(shè)計了一種復(fù)合式攪拌器，很好地解決了無法配備大功率的電機，存在制造、檢修 以及安裝的困難等問題。復(fù)合式攪拌器的結(jié)構(gòu)如圖 1.8 所示。 設(shè)備設(shè)計智能化的實現(xiàn) 根據(jù)混合專家的經(jīng)驗和常識，將攪拌混合設(shè)備與自動控制技術(shù)相結(jié)合，在混合設(shè)備選型和設(shè)計中運用人工智能技術(shù)(AJ)和基于知識的系統(tǒng)(KBS)，即實現(xiàn)了混合設(shè)備選型和設(shè)計的智能化。如圖 1.9 所示，攪拌設(shè)備設(shè)計專家系統(tǒng)采用總設(shè)計任務(wù)控制各階段設(shè)計分任務(wù)，分任務(wù)調(diào)度相應(yīng)的設(shè)計知識和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)混合設(shè)備的專家系統(tǒng)設(shè)計的組織方法。通過仔細的分析、歸屬，用智能化設(shè)計系統(tǒng)原型階段性地實現(xiàn)混合設(shè)備的設(shè)計過程，可以把其表示為一系列的設(shè)計過程的鏈?zhǔn)叫蛄?。各階段相對獨立又相互連續(xù)，其中每一個設(shè)計階段都將設(shè)計結(jié)構(gòu)傳遞給后繼設(shè)計過程 L6j。該系統(tǒng)從攪拌葉輪的選型、過程設(shè)計、機械設(shè)計和經(jīng)濟分析評價，到最終機械繪圖的全過程的都給出了智能化的計算機輔助設(shè)計。它可應(yīng)用于牛頓流體和非牛頓流體，液一液體系、固 一液體系和氣 一液體系，并且可以處理容積超過上百立方米的應(yīng)用體系。20 世紀(jì) 90 年代以來，有關(guān)攪拌設(shè)備選型和設(shè)計的專家系統(tǒng)在國外已有少量報道。如 1994 年美國 Chemineer 公司報道了該公司有一個用于渦輪式攪拌設(shè)備設(shè)計的知識庫軟件 AgDesign，據(jù)稱該公司 90頂伸黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁人攪拌器的設(shè)備均已用此軟件進行設(shè)計。芬蘭的 Lappeenranta 工業(yè)大學(xué)在 1994 年發(fā)表了有關(guān)混合設(shè)備初步設(shè)計的知識庫系統(tǒng)的論文。在國內(nèi)，浙江大學(xué)也正與大型石化企業(yè)合作開發(fā)攪拌槽式反應(yīng)器的智能化輔助選型和設(shè)計軟件。圖 1.9 混合設(shè)計智能化設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)1.3.4 結(jié)語 攪拌操作是工業(yè)反應(yīng)過程的重要環(huán)節(jié)，攪拌混合設(shè)備在化學(xué)工業(yè)中擔(dān)當(dāng)著非常重要的角色?，F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)要求有更高更好的攪拌混合技術(shù)，因此必須改進傳統(tǒng)攪拌裝置、研制新型混合設(shè)備；同時使用 LDV、PIV 和 EPT 等先進量測技術(shù)，運用計算流體動力學(xué)知識，深入分析攪拌反應(yīng)器內(nèi)的流體流動機理和微觀混合，安全和優(yōu)化設(shè)計、提高過程效率性能和降低失敗風(fēng)險，并最終提高反應(yīng)產(chǎn)率。在這些現(xiàn)代先進技術(shù)的推動下，攪拌混合技術(shù)一定會向一個更新的階段發(fā)展。1.4 本課題的設(shè)計思路黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁本課題的設(shè)備思路可分為以下步驟：1、按設(shè)計要求可用的 DT(輪徑罐徑)值，和對攪拌時間、攪拌程度的要求，選定若干個不同轉(zhuǎn)速下的扭矩或功率要求；2、選定合理的葉輪安裝高度，結(jié)合設(shè)備情況，估計近似的攪拌軸長；3、估計合理的電動機功率；4、根據(jù)葉輪功耗。輸出軸、支架等等，選擇能滿足前三項要求的攪拌器；5、按照葉尖切線速度等條件，確定最合適的轉(zhuǎn)速，對設(shè)計進行優(yōu)化，按已確定的條件，對軸系進行動力和強度等因素的驗算和分析。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁2 攪拌容器的設(shè)計2.1 攪拌容器的設(shè)計探討攪拌容器的作用是為物料反應(yīng)提供合適的空間。攪拌容器的筒體基本上是圓柱筒，封頭常采用