（机械工程专业论文）挂链式搅拌机的研究及优化设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 山东铝业公司氧化铝生产工艺流程长，设备类型多，生产连续性强。混合槽 数量较多但规格较小，出料泵电机维修率高。根据氧化铝厂提产量、降成本要求， 原5 # 、6 # 种分过滤机改为立盘过滤机，配套需改造原7 # 混合槽，槽体由由3 x 4 m 放大到由5x6 m ，以满足提产要求本课题对搅拌设备的放大改造具有重要的意 义。本文主要分析混合槽设计改造的理论基础及试验数据，与生产实践相结合， 选择既经济又能满足生产要求的合理化参数。通过对搅拌操作的过程分析，明确 搅拌釜内流体的物性、流动状态与搅拌目的，选择混合槽的搅拌桨叶型式为挂链 式。然后分析搅拌轴的载荷，从弹性振动方面验算转轴的临界速度，再根据应力 的形式确定设计计算准则，并对混合槽进行结构设计，包括罐体设计，传动系统 选择校核、轴承的选择计算及搅拌轴的设计计算 设备运行结果分析表明：由于混合槽的容积显著增大，提高了生产线各设备 之间的协调能力，运行以来没有出现冒槽事故；改造后出料泵采用德国生产的变 频电机，减少了电机启动次数。使电机维修率大大降低；槽内部分参数由电脑控 制，减轻了操作工人的劳动强度，降低了成本。对于大直径搅拌槽、定粘度的 物料、低转速，选用挂链式搅拌比较合适。挂链式桨时在工作过程中，可以避免 出现层流现象，使物料均匀混合，达到搅拌目的。设计过程中，较多参数采用类 比的方法，试选后再通过计算校核，生产过程证明由5 r e x6 m 挂链式搅拌槽能满足 生产要求。 关键词，混合槽；挂链式桨叶：搅拌轴； 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t s h a n g d o n ga l u m i n u ml t do x i d ep r o d u c t i o nh a sl o n gp r o c e s sf l o w s e r i o u s f i x t u r e s ，n e c e s s a r i l yp r o d u c t i o nc o n t i n u i t y ，m o r em i x i n gc h a n n e lb u t l i t t l es t a n d a r d ，h i g hr a t et om a i n t a i n b a s e do nt h er e q u e s to fi n c r e a s i n g o u t p u to fa l u m i n u mo x i d ef a c t o r y ，s t a n d i n gs e ts t r a i n e rw o u l dr e p l a c et h e f o r m e r5 # 6 # s e e d d i s p a r ts t r a i n e ra n dan e wm i x i n gt r o u g hd e s i g n e db a s e d o nm a t e r i e lt e c h n o l o g yp a r a m e t e rw o u l dr e p l a c e7 # m i x i n gt r o u g h w h i c h w o u l db er e f o r m e df r o m 由3x4 mt o 由5 6 mt h e s et a s k sp o s s e s si m p o r t a n t m e a n i n gf o rt h em a g n i f y i n gr e b u i l dt oa g i t a t i n gd e v i c e t h i sp a p e rm a i n l y a n a l y s i st h e o r yb a s ea n dt e s t i n gd a t ao fd e s i g nr e b u i l df o ra g i t a t o r ， s e l e c tr a t i o n a lp a r a m e t e r se c o n o m i c a la n ds a t i s f i a b l e t h i sp a p e ra n a l y s i s t h ep r o c e s so fm i x i n go p e r a t i o n , s t a t ei nt h em i x i n gk e t t l ea n dm i x i n g p u r p o s e ，s e l e c tt h ef o r mo fb l e n d e ra sh i t c h c h a i nb l a d e t h e nt h ep a p e r a n a l y s i st h el o a do fm i x i n gs h a f t ，c h e c kt h ec r i t i c a lv e l o c i t yo ft h e r o t a t i o na x i s ，d e s i g nt h eg u i d er u l eo fc a l c u l a t i o n ，d e s i g nt h ea g i t a t o r t r a d i t i o n a li n c l u d i n gs h e l lo ft a n kd e s i g n ，e l e c tt r a n s m i s s i o na g e n t ， e l e c ta n dc o u n tf o rt h ea x l e t r e e ，d e s i g na n dc o u n to fm i x i n gs h a f t i t i si n d i c a t e di nt h ea n a l y t i cr e s u l to fd e v i c ew o r k ：t h en e wm i x i n g c h a n n e ih a sl a r g e rc u b a g e ，i m p r o v et h eh a r m o n yo fe q u i p m e n t s ，a n dn o o v e r f l o wa c c i d e n ts i n c et h e n f r e q u e n c ye l e c t r i cm o t o rm a d ei ng e r m a n y r e d u c eti n e sf o rs t a r t u p c o m p u t e rc o n t r o l sm a n yp a r a m e t e r s ，s ot h e r ea r e 1 i t t e rw o r ka n dl o w e rc o s ti t i s v e r ya p p r o p r i a t et ou s eh i t c h c h a i n a g i t a t o rt a n kf o rt h eb i g g e rd i a m e t e r ，h i g h e rv i s c i d i t ym a t e r i e ll o w e r r o t a t es p e e d h i t c h c h a i nm i xc a na v o i dl a m i n a rf l o wp h e n o m e n o n ，m i x e q u a b i y 。a n ds om e e tt h em i xa i m i nt h ep r o c e s so fd e s i g n ，m a n yp a r a m e t e r s w e r es e l e c t e db yt h ew a yo fa n a l o g ya n dw e r ec a l c u l a t e da n dc h e c k e d 巾 5 m 6 mh i t c h c h a i na g i t a t o rt a n kc a nh i tt h em a n u f a c t u r er e q u e s t k e yw o r d s ：m i x i n gc h a n n e l ，h i t c h c h a i n m i x ，m i x e rs h a f t v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本声明 一， 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：建墨掏 日期：! ：皇：“ 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：醴导师签名：妻坚幺喜二日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 搅拌机在工业生产中的应用及发展 1 1 1 搅拌机在工业生产中的作用及应用 搅拌设备在工业生产中的应用十分广泛很多化学生产都或多或少的应用着 搅拌操作，化学工艺过程的种种变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的 搅拌设备在许多场合下可作为反应器使用，在三大合成材料生产中搅拌设备作 为反应器约占反应器总数的9 0 有色冶金部门对全国有色冶金行业中的搅拌设 备作了调查及功率测定，结果是许多湿法车间的动力消耗5 0 9 6 以上是用在搅拌作 业上搅拌设备的应用广泛，还因为其操作条件( 浓度、温度、停留时问等) 的 可控范围广，能适应多样化的生产搅拌设备主要有搅拌装置、轴封和搅拌罐三 大部分组成，其构成形式如下： 搅拌设备 搅拌器 搅拌设备的作用如下： ( 1 ) 使物料混合均匀： ( 2 ) 使气体在液相中很好分散； ， ( 3 ) 使固体在液相中均匀悬浮； ( 4 ) 使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化： ( 5 ) 强化相问的传质； ( 6 ) 强化传热 搅拌设备在工业生产中被用于物料混合、溶解，传热、制备悬浮液、聚合反 应等在化学纤维生产中，搅拌设备功率从0 0 9 3 7 k w ，转速从6 5 1 5 0 0 r m i n ， 种类繁多电影胶片厂使用了高速搅拌，转速达8 0 0 0 一1 0 0 0 0 r m i n ，用于彩色胶 片成色剂分散时，分散后的油珠细小、均匀，一般在0 2 - - 0 5 胁之问，制成的影 i 山东大学硕士学位论文 片效果较好0 1 搅拌机桨叶的形式也多种多样典型的搅拌机形式有：桨式、涡 轮式、推进式、布鲁马金式、齿片式，框式、锚式、螺杆式、螺带式叶轮、g i g ( 多段逆流搅拌机) 式和i n t e r m i g 叶轮等各种搅拌叶轮形状按搅拌机的运动方 向与叶轮表面的角度可分为三类：平叶、折叶和螺旋面叶桨式，涡轮式，锚式、 框式等的叶轮都是平叶或折叶，推进式、螺带式，螺杆式的叶轮则为螺旋面叶 随着科学技术的发展，设备有大型化发展的趋势，也要求搅拌设备大型化 如国外聚合釜的容积已由最初的8 - - 4 0 m 3 扩大6 0 - l o o = ，最大的已达到2 0 0 = 随着容积的大型化，釜型逐渐由细长型向矮胖型发展，而且采用底部搅拌的方式 越来越多，三叶后掠式搅拌机是目前大型聚合釜采用的较好的搅拌机采用大型 聚合釜有利于自动化减少投资，可大大提高生产率，稳定产品质量 ：，管道搅拌设备是在管路中进行搅拌的设备，这种装置能输送一切流体，也能 输送含有固体的流动化的半流体其优点是搅拌设备空间小，容积小，液体停留 时间短，搅拌力均匀，功率消耗小对于连续化，自动化、成本要求严格、形状 小，性能高的场合，使用管道搅拌设备是很有效的。 静态混合器是一种没有机械运转部件的混合器，在一段管道内装置由若干个 长度很短的右旋或左旋螺旋元件，这些元件相互之问交错排列，两元件相互之间 连接的两边成9 0 ，通常每个螺旋元件的长度约为管道内径的1 5 倍这些元件 每6 个事先焊在一起，成为一组，封装在通常的标准管径的管道内，构成一台所 需要的静态混合器静态混合器结构紧凑，有较好的混合效果维修保养费用低 廉，在工业中逐步得到广泛应用静态混合器从二十世纪六十年代初开始引起了 了工业界的广泛兴趣1 9 6 9 年，美国的k e n n i c s 公司在一百多个工厂示范试用该 公司生产的静态混合器，受到使用者的欢迎 1 1 2 搅拌装置的安装型式 搅拌设备按其安装型式主要可以分为以下几类嘣： 1 立式容器中心搅拌 将搅拌装置安装在立式设备简体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动和齿 轮传动，用普通电机直接连接或与减速机直接连接中小、型立式容器搅拌设备， 在国外多数已标准化对于立式容器大型搅拌设备的搅拌器直径一般都很大，传 - 2 - 第1 章绪论 递的扭矩也很大，随着轴及桨叶的大型化，减速机的齿轮、轴承、轴封装置的制 造均受到限制，因而大型立式容器搅拌设备标准化比较困难，根据使用条件来设 计是比较经济的。 2 偏心式搅拌 搅拌中心偏离容器中心安装。会使液流在各点所处压力不同，液层问相对运 动加强，增加了液层间的湍动，搅拌效果明显提高但容易引起振动，用于小型 设备比较合适 3 倾斜式搅拌 该搅拌设备搅拌器小、轻便，结构简单j 操作容易，应用范围广常用于药 品等稀释、溶解、分散、调和等 4 底搅拌 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；易维修， 寿命长，利于底部出料。但叶轮下部至轴封处的轴上常有固体物料粘积，且检修 搅拌器和轴封时须将釜内物料排净常用于大型搅拌设备 5 卧式容器搅拌 其特点是搅拌器安装在卧式容器上边，可降低设备的安装高度，提高设备的 抗震性，一般用于搅拌气液非均相系的物料 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，转速也不同。采 用卧式双轴搅拌设备的目的是获得自清洁效果，使叶轮端部与罐壁间隙的滞留物 减至最少 1 2 搅拌机的发展 化工设备中，在搅拌混合技术领域，特别是在强化搅拌改良实用装置方面， 工业发达的欧美各国以及日本处于世界领先地位。对于搅拌技术的研究已不仅仅 局限于传统单一的搅拌操作，也不仅仅满足于提高搅拌效率，而是向着多功能多 目的的搅拌方向发展，即在同一搅拌作用下，完成反应、分散、破碎、均一及乳 化等多种过程，目的是以更短的操作时间，更少的动力消耗以及更低的设备投资 来取得更高的搅拌效率，这就是当今世界搅拌混合技术的发展趋势嘲 】 蔗 山东大学硕士学位论文 在食品、化工、制药、化妆品等行业中，搅拌是一极重要的操作单元，搅拌 过程作为种强化传质、传热，促进化学反应及分散乳化的有效手段，被广泛运 用从“化工技术和生物工程国际展览会议”及a c f l e 凇s i a9 8 ( 北京) 展览会上， 我们看到了目前国际搅拌技术发展的最新动向及所取得的成就，尤其是欧美各国 著名的搅拌设备公司其产品最为先进，代表了当今世界搅拌技术的最高水平 欧洲搅拌机的发展以德国i k a 公司及瑞士k i e i d a t i c a a g 公司为代表的欧洲各 国，在搅拌，分散、混合的技术领域，创新与发展走在了世界的前列从流体力 学的角度分析流动混合特性，可将欧洲搅拌机分为二类：一类是以改善宏观循环 状态为目的，在搅拌机上装有抽气罩壳；另一类是以流体内部的局部区域产生剪 切流为目的的高剪切搅拌机 1 2 1 有罩壳的搅拌机 1 流体流动模型见图1 - 2 ，这类搅拌机的特点是： 搅拌器装在罩壳内，随着搅拌轴的高速转动，液体从罩壳上方卷入，下方吐 出，液体流动模型为向下流动的轴流型物料和槽底碰撞，致使液体破碎，促进 了混合效果 2 搅拌机的结构特征： ( 1 ) 搅拌机的罩壳上下开放，罩壳壁上开有 横沟槽或者是一条条窄缝，亦或是罩壳不开缝。 ( 2 ) 搅拌叶的型式常见的有倾斜式三升桨 片及两叶的螺旋桨式应根据具体的搅拌要求来 选用罩壳的上部、下部以及周围都可设置不同 形状的挡板，目的是抑制液面上产生旋涡，避免空 气的卷入 图l - 2 流体流动模型 ( 3 ) 当加粉体物料时，可将粉体加料管直接插入罩壳，由于罩壳内强烈的液 体紊流，使得加入的粉体不聚团，能迅速分散于液体中因此结构最适于固体的 分散、溶解，效果十分理想 ( 4 ) 对有化学反应的场合，可用将反应液直接送入罩壳的形式反应液在罩 壳内激烈混合。从而进行瞬时反应，另外在罩壳内上部还可安装一个特殊的螺旋 - 4 - 第1 章绪论 翼，形成轴流，以便于罩壳不断进行吐出循环( 图i - 3 ) ，该结构形式最适于需要 快速反应的场合。 ( 5 ) 搅拌器的安装位置、用 途及规模搅拌机通常安装在搅 拌槽的中央并靠近底部，但也有 偏心安装及倾斜安装的形式，适 用于中、低黏度物料的分散、乳 化、溶解、反应以及高黏度物料 幽由 带哥掖管的搅拌器带导浪管双层搅拌辫 在低黏度物料中的混合搅拌槽的规模为 图l 彳碡导液管的搅拌器哪 童 z n p j p l a 6 叶涡轮【直叶式) ：b 6 叶涡轮式【d i t - o 3 6 2 ) c 6 叶涡轮式【t - 0 4 5 ) ：d 6 片弯叶涡轮式： c 4 片弯叶涡轮式：r 3 叶螺旋桨推进器： 暑4 叶斜叶涡轮式： b 2 片斜叶涡轮式： 1 带量壳4 叶斜叶涡轮式：j 带量壳2 叶耕叶涡轮式： t ：设备筒径；1 1 1 ：混台时闽：p ：液蝽密度： _ ：液体黏度：p ：搅拌动力 圈l _ 4 各种搅拌叶动力消耗嘲 山东大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ 一ii _ _ _ _ _ _ _ - - 3 l 3 0 0 0 l ( 6 ) 动力消耗和混合时间的关系 普通搅拌叶及带罩壳的搅拌机动力消耗曲线见图1 _ 4 图中g 、h 分别和l 、 j 对比的结果可以看出：在相同的混合度下，罩壳式搅拌器比普通式搅拌器动力 消耗大大降低 1 2 2 高剪切型搅拌机 这类搅拌机的主要特点及机理是：将搅拌机的罩壳做成类似于梳状的许多窄 缝，并称之为定子，而位于罩壳内的搅拌叶作为转子转予与定子的间隙很小， 一般为0 1 m m o 5 m 转子以1 5 m s 2 1 m s 的转速高速运转。从而产生极大的 抽吸力，将液体从窄缝状罩壳的上方、下方吸入壳内，再从其侧面吐出当液体 通过定子与转子之间的狭窄缝隙时，受到高剪切力的作用丽破碎，达到分散混合 及乳化的效果值得一提的是，关于破碎机理，还有一种解释为：流入罩壳的液 体在流出时，和窄缝状的罩壳剧烈碰撞，产生高频率的声波，致使液体分裂破碎 但目前未见这方面定量分析的研究报道【】如果能将作用于液体的声波频率、强 度与搅拌转速及罩壳窄缝形状的关系定量化，则这类搅拌机的用途会进一步扩大 定子、转子的结构特征作为转子的搅拌翼，其形式有涡轮式、带锐边的三 爪式或圆柱面的梳齿状，目的是提高剪切效果柱面梳状搅拌翼可以做成一层、 二层或多层，应根据不同的分散、乳化细度要求来选用不同的形式定子的形式 为柱面细小窄缝梳状，并可根据物科的黏度来调整缝的宽窄，一般细缝适合于低 黏度液体，宽缝适合于高黏度液体此外，定子也可以做成多层，与多层的转子 啮合，共同完成剪切乳化作用 不同的定子与转子的应用不同形式、不同层数的定子与转子，对应有不同 的应用场合通常，转予为带有尖锐边缘的三爪形式时，适合于冲击破碎的场合： 转子为圆柱面梳状形式时，适合于分散乳化场合；并且定子与转子啮合的层数越 多，乳化颗粒度越细，效果越好 此类搅拌机广泛用于液液体系中低黏度物料的分散、溶解及乳化；液固体 系固体颗粒的悬浮，湿法研磨及催化加速反应搅拌机的液处理量范围在0 2 m 3 4 m ，设备的最大容量为8 m 当搅拌器安装在槽底部时，搅拌液的处理量具有 第1 章绪论 很大弹性，可以对1 5 l 2 5 0 0 l 范围内的任意液量进行分散乳化。 1 2 3 组合型高剪切搅拌机 前面述及的高剪切型搅拌机完成的是搅拌器周围局部区域的分散溶解及乳 化。为了使搅拌槽内所有液体都能得到均一良好的分散混合，需要设置辅助搅拌， 以此来增加涡流，帮助液体循环，使整个体系均一化主要采用的辅助搅拌形式 有： 1 同轴搅拌( 图卜5 ) ， 同轴搅拌在高速转子的同一根轴上，再安装一个( 或多 个) 搅拌翼，该搅拌翼应为轴流型，目的是增加体系循环， 增加涡流，帮助轻质粒子进入整体物料，进行混合这种 类型的搅拌机适合于低中黏度流体的分散、乳化以及轻质 物料的混合溶解 悫 2 双轴搅拌嘲( 图卜6 )圈1 - 5 髓嘲擀 在体系中另外设置一套搅拌器该搅拌器可采用作行星运动的锚式搅拌，也 可采用作圆周运动的锚式搅拌。双轴搅拌器为改良型高剪 切搅拌机这类搅拌机适合于高黏度流体的分散乳化 1 2 4 改良型高剪切搅拌机 螽 这类搅拌机( 图i - 7 ) 的特点是：在搅拌机的定子上 圈l - 6 同袖搅拌机 增设附件，即除了具有高速旋转的转子叶片及梳状罩壳的， 定子外，在定子的外面又套有一个带有叶片，能自由转动的“定子”当高速转子 使吸入的液体从定子的侧壁吐出时，可转动的“定子”受此液体的冲击而转动， 其转速约为高速转子的1 1 0 1 2 0 ，从而搅动了更大范围的液体，使搅拌槽内液 体都得到良好的混合尤其是由于辅助搅拌的作用，使得高黏度液体的分散，混 合成为可能为使转动“定子”周围的回转流变成上下循环流，可将搅拌器偏心设 置改良后的高剪切搅拌机，适用范围较大，适于低中高黏度流体的分散、混合及 乳化 ， 象 山东大学硕士学位论文 _ l i _ i _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ i _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 1 3 选题的依据及主要研究内容 1 3 i 选题的依据 山东铝业公司烧结法氧化铝生产工 图卜7 改良型高剪切搅拌机嘲 艺流程长，设备类型多生产连续性强 搅拌混合设备在氧化铝生产中广泛应用，在种子搅拌分解及氢氧化铝分离、二次 反向洗涤中，物料进入种分槽之前为使物料和氢氧化铝充分混合。采用搅拌操 作起到良好的效果 氧化铝厂六车间在氧化铝生产中，担任铝酸钠溶液的分解和氢氧化铝的洗涤 任务，生产出合格的氢氧化铝输送到焙烧，包装和多品种车间，同时供应脱硅用 的种分母液及蒸发碳分母液( 工艺流程图见图i - 1 ) 其中，铝酸钠溶液的碳酸化 分解在锥形槽底的空气搅拌槽中实现，种子搅拌分解在挂链式混合槽中搅拌，在 分解槽中进行分解，氢氧化铝泥浆液固分离与固体洗涤系统采用旋流器与沉降槽， 过滤机与混合槽进行二次反向洗涤，分解率和氢氧化铝洗涤的好坏直接影响氢氧 化铝的质量和产量m 根据氧化铝厂提产要求，原5 # 6 妤 分过滤机改为立盘过滤机，配套需改造 原7 # 混合槽，本课题是根据物料技术参数改造设计新的混合槽，并对其部分参数 优化，以满足提产量、降成本要求 一 一 1 3 2 研究的主要内容 1 搅拌机优化设计的理论基础 ( 1 ) 搅拌操作的过程分析：分析搅拌釜内流体的物性、流动状态与搅拌目的 ( 2 ) 搅拌器形式的选择：搅拌器的常用类型及常用的选择方法 ( 3 ) 搅拌功率及搅拌轴的载荷分析：分析几种叶轮的功率影响因素，选择挂 链式桨叶的依据 ，( 4 ) 搅拌轴l i 缶界转速分析：从弹性振动方面验算转轴的临界速度 2 搅拌机结构设计。 挂链式搅拌机也称为混合槽，其结构设计主要包括罐体设计，传动系统选择 喜 第1 章绪论 校核，轴承的选择计算，搅拌轴的设计计算，防腐层的选择。 2 4 米皮带大仓 - 吊车 + 氢铝包装一9 i 米皮带一皮带- 萄船小仓 i 窑后小仓，- 一 3 7 米皮带 1 焙烧 图卜1 六车闯种分过滤工艺流程“1 3 混合槽的运行现状及分析 分析设备目前的运行状况，改造后的混合槽在生产过程中表现出的优势，当 前仍然存在的问题以及以后的改进方向 - 9 - 山东大学硕士学位论文 本章小节 ( 1 ) 挂链式搅拌机是为满足生产需要而进行的设备配套放大改造设计 ( 2 ) 搅拌设备在工业生产尤其是化工生产中有着广泛的应用 ( 3 ) 新型高效搅拌设备的开发是以相关产业的发展需求为背景，从多方面着 手，开发全新的叶轮，或者已有的叶轮与不同内构件或不同的传动方式进行组合， 出现了新型的轴向流搅拌叶轮，径流式搅拌叶轮及新型宽黏度域搅拌叶轮 。 第2 章搅拌机设计的理论分析 第2 章搅拌机设计的理论分析与优化 2 1 搅拌过程与搅拌器型式分析 搅拌的复杂性在于它的原理涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多个过 程，不同操作目的的搅拌过程需要什么样的流动场，需要供给多大的能量，各种 形式的搅拌器能提供什么样的流动场，供给多大的能量，根据目前的研究及生产 成果，围绕这个问题讨论还是非常必要的一般搅拌设备的设计顺序为： i 计算搅拌 一| 搅拌耍噩i 【功奎 一i 。i 机械设计l 2 1 1 搅拌过程的特点及对搅拌的要求 搅拌是一种广泛应用的单元操作从本质上讲，搅拌过程就是在流动场中进 行单一的动量传递的过程，搅拌过程按搅拌介质的相态可分成均相系和非均相系 两大类。均相系为互溶液体的搅拌，非均相系包括不互溶液体的搅拌、气一液相 的搅拌及固一液相的搅拌。根据给定的物料特性( 液相密度1 6 0 0 k g m ，固相密度 5 0 0 9 l ) ，本设计搅拌过程为固一液相的搅拌，搅拌目的为料浆悬浮。表2 一l 为氧 化铝六车间原有主要搅拌混合槽及配套设备规格性能表，表2 2 为新立盘过滤机 性能及技术参数，表2 - 3 为巾5 r e x 6 m 挂链式搅拌机设计的参数。 由于液相密度较大、固相不易沉积，搅拌的目的是得到均匀的分散质，增大 相间接触面积，以进行下一步的反应。使分散相细化分散并在罐内造成循环流动 是对搅拌的基本要求研究证明，分散相的细化与空间内的流体剪切力和动压变 动力有很大的关系，它们都集中在搅拌器附近的空间，这就要求搅拌器有强力剪 切作用。以搅拌时分散相比表面积a 的公式”为例： 山东大学硕士学位论文 表2 - 1 六车间原有主要搅拌混合槽及配套设备规格性能表 容量扬 名称编号型号规格功率电流 转速r m i n备注 程一 电机f r c 9 0 2 1 7 k w l 6 3 a 电机“ 混合槽l # 一4 # 2 8搅拌 3 4 1 搅拌1 3 电机7 0 l - 9 l - 65 5 肼1 0 3 8 a9 8 0 混合泵l t t 一4 t t2 6 挂链式 泵5 p s f 电机j t c 9 0 l 6 6 k 电机4 5 混合槽5 # 一7 #8 2 叶轮 3 4 m 搅拌1 2 8 电机7 0 l - 9 卜4 5 5 k w l 0 2 a1 4 7 0 混合泵5 # ，6 #3 9 封闭式 泵4 p n 表2 - 2 新立盘过滤机性能及技术参数 l p l j - 8 2 - o o 序号名称单位数值 l料浆容积 皿3 1 6 2 滤盘面积 m 28 2 3 过滤盘数 4 4 滤盘直径 m4 3 5传动轴转速 r m r n o 5 6 真空度4 5 0 一6 0 0 反吹压力 m p a 7m p0 2 - - 0 4 型号 x 肋1 8 5 - 1 0 减速机速比 7 1 输出功率转速 1 4 8 电机功率k w1 8 5 调速方法交流变频 1 2 - 第2 章搅抨机设计的理论分析 表2 3 巾5 m x 6 m 挂链式搅拌机设计参数 筒体 封头 上下平 设备型式 有效容积n o u 装料系数o 8 5 液相密度 1 6 0 0 k g l = 物料特性 液相粘度 2 0 c p 固相密度5 0 0 9 1 工作压力常压0 0 9 6 m p a 操作条件工作温度 6 0 - 7 5 。c 密封型式 ， 添料密封 搅拌目的料浆悬浮 搅拌器型式挂链式 搅拌参数 减速机型式 圆锥齿轮减速机i = 3 3 2 功率 1 1 k 转速1 1 8 r r a i n 等铲 。 式中n 一搅拌器的转速，r s ； d 搅拌器的直径，i l l ： p 液体的平均密度，g c m 3 ； o 液体的表面张力d y n c m ； 咖分散相的容积分率； 士系数，与由有关。 从式中可以看出，除物性( 液体平均密度、表面张力) 之外，搅拌器直径与 转速是主要的影响因素，直径越大，转速越高，分散相比表面积。越大。 鼻 山东大学硕士学位论文 2 1 2 搅拌器选型优化 搅拌目的的多样性，物料性质的多样性，搅拌设备形式的多样性及物料在搅 拌设备内流动的复杂性，使搅拌设备的选型、设计在很大程度上依赖于经验设 备的优劣可使搅拌设备的效益相差很大，因此有必要在明确搅拌目的和物料性质 的基础上，对搅拌设备的各个要素( 叶轮的形状、叶轮的安装位置、设备的形状、 转速等) 进行优化选择，以达到可能的最佳效益 搅拌器就是通过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 搅拌器选型不仅要考虑搅拌过程的目的，也要考虑动力消耗的问题一个完整的 选型方案必须满足经济又安全的要求个好的选型方法最好具备两个条件：一 是选择结果合理，一是选择方法简便而这两点往往难以同时具备由于液体的 黏度对搅拌状态有很大影响，所以根据液体的黏度选型是一种基本的方法。图2 一l 是这种选型图，划分出几种典型的搅拌器随黏度的高低有不同的适用范围“” 这个选型图不是绝对的规定了使用桨型的限 制，实际上各种桨型的适用范围是由重叠的，桨式 由于其结构简单，通过附属装置改善流型，在低黏 ： e 度时是用得较普遍的 。 根据搅拌过程的目的与搅拌器造成的流动状一 态选择该过程所使用的桨型，是一种比较合用的方 法。表2 - 4 “”的选型，涉及到了桨型与流动状态和 掌覃“ i n l _ no h l 0 图争l 根据嚣度选型法 搅拌目的的关系。并推荐了介质黏度范围、搅拌转速范围和罐的容量范围。 桨式是最简单的搅拌器形式，叶片一般用扁钢制作，大型叶轮应用较多的是 可拆式，两片桨叶对开用螺栓将轴环夹紧在搅拌轴上同时为了提高叶轮的强度 与刚度可在叶轮单侧或两侧加筋。 在对多种叶轮混合进行的研究发现，一个高效的高黏度液体混合器，至少具 备两个条件：( 1 ) 叶轮能提供强有力的剪切力这是减小浓度斑尺寸的必要条件。 ( 2 ) 叶轮能使搅拌机槽内的液体快速的循环使全罐快速的达到均匀混合“耐固体 溶解过程要求搅拌器有剪切流和循环能力，平直叶涡轮剪切力大，桨式剪切力比 第2 章搅拌机设计的理论分析 平直叶涡轮小，可采用附加设施提高其剪切能力。 带搅拌的结晶过程是很困难的，一般是小直径的快速搅拌如涡轮式，适用于 微粒结晶，而大直径的慢速搅拌如桨式，可用于大晶体的结晶“ 表2 - 4 搅拌器型式适用条件表 流动状态搅拌目的罐容积范 转速范围最 对湍剪 低 分 溶固 结 液 围m 3r m i n高 流流切黏散解体晶相黏 搅拌器型式 循 扩流度悬反度 环 散混浮应 p a 合s 涡轮式 0 0 oo000o 0 1 1 0 0l o 一3 0 05 0 桨式 0 oo o o o o o l 一2 0 0l o 一3 0 0 5 0 推进式 o 0oooo0 ol 1 0 0 0 1 0 0 5 0 02 折叶开启涡轮式 o ooooo0l 一1 0 0 0 1 0 3 0 0 5 0 布鲁马金式 oo 00 oo l 一1 0 01 0 一3 0 05 0 ，锚式 oo l l o o1 1 0 0l o o 螺杆式 00 l 一5 00 5 5 0 1 0 0 螺带式 0 0 1 5 00 5 5 01 0 0 注：有0 者为合用，空白者为不详或不合用。 根据上分析，由于液体黏度不大，搅拌目的为固液分散均匀、料浆悬浮，设 ，计采用槽钢背对背联接作为桨叶，两桨叶之间用数条环链相连以增加搅拌过程的 剪切力。结构简单，方便制造，成本低。 2 1 3 搅拌功率的计算分析 搅拌过程进行时需要动力，即搅拌功率搅拌功率实际上包含了搅拌器功率 和搅拌作业功率。搅拌器功率为使搅拌器连续运转所需要的功率，不包括机械传 动和轴封部分所消耗的动力；搅拌作业功率指使液体以最佳方式完成搅拌过程所 需要的功率。最理想的状况是搅拌器功率正好等于搅拌作业功率，可以使搅拌过 毒 山东大学硕士学位论文 程以最佳方式完成，但目前搅拌器功率和搅拌作业功率都没有很准确的求法。生 产实践中，搅拌器功率不足，搅拌过程无法实现，此类问题易于觉察。搅拌器功 率过大造成的浪费问题易于忽略下面介绍搅拌器功率的计算方法“1 搅拌功率准数n p 是搅拌设备的最基本的特性参数之一，搅拌功率按下式计 算： k s , ps d 5( 2 - 2 ) 密度p 、转速n 、叶轮直径d 三个参数易得，计算搅拌功率的关键是求出功 率准数n p 影响搅拌功率p 的主要因素有以下四种： ( 1 ) 有关搅拌叶轮的因素：如叶轮直径、叶宽、叶片倾斜角，转速等。 ( 2 ) 有关搅拌罐的因素：如罐形、罐径、液深、挡板等。 ( 3 ) 有关被搅液体的要素：如液体的密度、黏度等 ( 4 ) 重力加速度 推导出功率准数n ，的一般化关联式为： 坼：赤：k ( d 2 一一 p ) p 睁y 厂皓，告，告川o ) ( 2 哪 式中f , - - - - - - 弗劳德数 卜方程式系数 p 、q 方程式参数 一般情况下，f r 的影响很小可将其包含在系数k 中 对于无挡板搅拌罐的情况，永田进治对双叶平桨得到如下搅拌功率的计算 式“：，；乏+ 攻击冕：吕三j i i 器) ( 虽) 扣”7 。( s m p ) 1 2 c z t ， 式中， 、b 、p 为方程式的参数，可由5 d 和d d 计算： 彳= 4 + ( 去磬，0 ( 丢一。6 ) 2 + t s s b ：l o i n o ，t 1 - o 5 ) 一i1 4 ( a ，d 4 第2 章搅拌机设计的理论分析 r ：盟 口 p = - ，+ 4 ( 去) 一z 吾一。s ) 2 一，( 去) 4 当b d o 3 则p 的算式中包含四次方的项可忽略。 r _ - 搅拌雷诺数，表示流体黏滞里对流动的影响 “一液体的黏度p s p 一搅拌功率w 对在无挡板搅拌罐中进行湍流操作的情况，上式也能用于近似计算多层叶轮， 或一叶轮上有多于两个叶片的情况，条件是叶片不是曲面，各层叶轮的叶片角和 叶轮壹径必须一致。计算时要使这些叶轮的叶宽折合成当量的二叶叶轮的叶宽 对于大型搅拌罐，液层较 2 o 卜 高，即使是低黏度液体，也应 。1 8 i - 考虑使用多层叶轮，一般在液釜i 6 主鋈箸銮茎罢羹，：算墨兰 1 l 应使用多层叶轮各层叶轮之 间的距离应为1 0 1 5 倍桨 径对于桨式叶轮如在层流区 图2 2 操作如果层间距l = d 2 ，且 d d o 8 时，双层叶轮的功率约 为单层桨的2 倍( 图2 2 ) ，如果 d d 还大，则功率还要增大“”1 芒 图2 - 2 中p p 1 表示双层叶 轮的搅拌功率与单层时的比值， 图2 - 3 中t m 为无量纲混合时间。 对于开启式涡轮，b a t e s 提 到三种桨型的试验，即双层平直 0 2o o 6o 81 ol2 1 l d 两层平薮的p p i 与l d 的关系 叶、单层平直叶和单层折叶、及双层折叶试验的b d = 1 8 ，e = 4 5 。试验得到如 山东大学硕士学位论文 图( 2 - 4 ) 所示曲线图中横坐标为层问距比l d ，纵坐标为p 。p 。其中p ：为双层 桨叶时的功率，p 。为单层桨叶时的功率 时，双层平直叶的功率增大约l 倍 桨叶离搅拌罐底距离的影响： 国内在平桨实验中，发现使安装高 。度c d = o 4 1 1 之间变化时，对 功率准数基本上无影响m i l l e r 的 文章中提到，平底圆罐中在无挡板 条件下当漩涡未达到搅拌桨叶时， 安装高度c d = o 3 5 2 5 范围内变 化对功率的影响不大 由于m 5 6 m 搅拌罐为大型搅 拌罐，l - - 1 6 9 0 硼d = 5 0 0 0 m m 则 由图2 - 4 可见，当层间距l d = t 5 以上 z f 土 、 fi t n t fn fi ， 伪 l 一曩量平童畸贴蛹t 卜平童悯睫潮b 卜裂屡劳仃f 燃 图2 _ 4 开启式涡轮的层间距对功率的影响”1 l d = 1 6 9 0 5 0 0 0 = o 3 3 8 液层较高选用两层平桨搅拌效果较好 2 。2 电动机功率的选择 2 2 1 关于启动功率 根据国内的一些测定，尚 未发现或很少发现搅拌设备因 启动功率过载而造成无法启动 或被迫停车的现象 对于一般低压( 3 8 0 v ) 启 图2 - 5 某溶解罐的启动电流和时间的关系渊 动的搅拌传动电机，在5 - 1 0 s 的持续时间内，一般允许电流达到额定电流的6 5 - 7 倍，对于容量较小的电机，启动电流相对于额定电流允许倍数更大嘲 图2 - 5 为某溶解罐的启动电流和时间关系的测试，根据实际观察，一般搅拌 第2 章搅拌机设计的理论分析 _ i i 量置曼皇曼量皇_ 蕾皇曾奠_ _ i 设备的启动电流和时间关系均同此测试结果相似。此测试说明以下几点： ( 1 ) 搅拌器在启动时，传动电机的启动电流最高持续时间一般仅2 - 3 s ，然后 立即大幅度下降接近正常运转电流。 ( 2 ) 启动过程的功率也很快出现最高值，然后下降到运转功率。 ( 3 ) 启动转矩大于运转转矩，而且叶轮层数越多启动转矩越大 由此可得出结论：启动时，电机依靠转矩余量来加速液体及搅拌器达到稳定 工作转速，不会引起电机过热或不能启动的情况。因此选择电机时，可以以运转 功率作为选择电机功率的起点，再考虑传动机构与密封机构的功率损失即可 2 2 2 电机功率的确定 电机功率必须满足搅拌器运转功率与传动系统、密封系统功率损失的要求， 。 还要考虑有时在搅拌操作中会出现不利条件造成功率过大电动机功率可按下式 蜒 确定咖： 虬；丛监 玎 2 3 搅拌轴的计算 搅拌轴的计算主要包括轴的强度和刚度( 扭转) 计算，同时还需对轴的耐振 性( 即轴的临界转速) 和挠曲变形校核，以确定轴的最小截面尺寸保证搅拌轴的 安全平稳运转。 2 3 1 搅拌轴载荷分析 通常，搅拌轴上受到力( 轴向拉力或压力) 和力矩( 扭矩和弯矩) 的作用。下面 分析这些力和力矩的由来和性质，及其在轴中产生的应力嘲 搅拌器在流体中旋转将克服流体阻力而做功，其功率由传递动力的传动装置 提供。因此在一般情况下，一个具有均布叶片并完全浸没予流体之中的搅拌器，其 每个时片上将受到垂直于叶片表面的流体阻力作用。设想潞”，搅拌器是在一无限 山东大学硕士学位论文 范围和完全均一的流体流场中转动，而且搅拌器又制造得十分精密、完美，以致叶 轮和轴在旋转中无任何质量偏心这样，理论上对于通过叶轮叶片的流体流动应 该完全对称作用在每组叶片上的轴向力应完全相等，切向力应大小相等、方向 相反。完全相等的各流体作用力将对轴产生一个不变的合力矩和作用于轴心不变 的合力亦即在理想情况下。搅拌轴上仅受不变的扭矩和轴力的作用实际上，搅 拌器总是在一定形状和尺寸的容器中运行，即使搅拌器在完全对称的容器中，且 流体是完全均一的，也因为不可避免地存在有搅拌容器和搅拌器的制造误差，叶 轮安装偏差、容器内件的不均匀分布等因素流体在流过叶轮的每个叶片时，其流 动形态不可能是绝对相同的。也就是说，在运转中作用在各个叶片上的流体作用， 一力不可能绝对相等，另外流体在流动中质量的非均一性、进出物流引起流体波动 ， 等诸多造成流体作用力变化的复杂因素，致使每个叶片上的流体作用力不但不是 彼此对称和相等，而且在每一瞬间其大小和方向都是变化的。所以实际上流体作 用力是一个不规则的随机变化力嘲( 见图2 - 6 ) 除流体作用力外。轴上还作 用有如下载荷和由其产生的应力： ( 1 ) 轴和叶轮自身重量的重 力垂直安装的轴在轴内将产生轴 向拉( 压) 应力和轴向弯曲应力：由 重力作用产生的径向弯曲应力总 是大小相等、方向相反的交变应 力。 采 匠 磐 垃 煺 飞八 门1 v v v vv 时问 圈2 6 随时间作不规则变化的流体作用力 ( 2 ) 由轴和叶轮的组合质量偏心( 质心偏离搅拌轴心) 旋转中产生垂直于轴 心线的径向离心力，进而在轴中产生径向弯曲应力 ( 3 ) 对密闭的搅拌压力容器，还作用有因容器内外压差引起轴横截面上的轴 向推力，此轴向推力在轴中也产生轴向拉( 压) 和轴向弯曲应力 ( 4 ) 传动装置传递的扭矩主要是传递流体作用力的切向合力矩，同时还包括 了克服支承装置、密封装置等对轴摩擦损耗的辅加扭矩。这些辅加扭矩增加了轴 中的扭转剪应力 第2 章搅拌机设计的理论分折 2 3 2 搅拌轴的强度计算 由上可知，搅拌轴上的每一点应力都是变化的。它是由平均应力和波动应力 两部分所组成。因此在搅拌轴的强度计