《化工搅拌器的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工搅拌器的设计（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 黄河科技学院毕业设计说明书 第 35 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
2、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 化工反应中的搅拌设备根据搅拌器叶轮的形状可
3、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
4、，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
5、简单。搅拌器直径 d与釜径 D之 比dD为 03508，其运转速度为 10100rmin，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dD为01705，转速为30500rmin。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 (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
6、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 dD为 0205，转速较高，为 100800rmin。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 (2000cP)的混合。框式搅拌器的搅拌外缘与釜壁间隙很小，dD为 09098，此特点使得搅拌时物料不易产生死区。转速为 1100rmin，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
7、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
8、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Mixer，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
9、、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、节能降耗和对环境保护要求的严峻挑战。搅拌器和搅拌容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
10、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
11、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 (24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
12、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。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
13、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，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
14、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)。 图1.5 A310 图1.6 A315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
15、洁反应器图1.8复合式搅拌器的结构另外，北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 199
