搅拌设备——搅拌附件的设计

医 药 工 程 设 计 2010年 第31卷 第1期 2月20日出版 Pharmaceutical agitation moment calculation of vibration 关键词 摘要 收稿日期 2009 11 25 作者简介 彭守兴 1941 男 高级工程师 从事设备专业设计和研 究工作 Tel 021 58366600 E mail pengshouxing 单元设备设计 1 引言 搅拌设备由搅拌系统和搅拌容器两大部分组成 工业生产中应用最广泛的搅拌均为机械搅拌 机械 搅拌系统由电机 减速机 联轴器 机架 轴封 安装底盘 搅拌轴 桨叶以及根据需要配置的釜内 联轴节 釜内支撑 例如 吊轴承 中间轴承 底 轴承及稳定器等组成 搅拌容器有各种型式的容器 包括带夹套容器 不带夹套容器 夹套容器的夹套 型式有整体夹套 半圆盘管式夹套 蜂窝夹套 型 钢夹套等型式 同时搅拌设备还需配置各种附件 常用的附件有挡板 温度计套管 进料管等插入管 各种窥视镜 及平盖上支承梁等 搅拌系统和搅拌容器的组合完成了介质的混匀 溶解 吸收 萃取 化学反应 实现了传热 传质 等物理和化学过程 如果符合 固定式压力容器安 全技术监察规程 管辖的压力容器 划分入反应压 力容器 搅拌系统的设计是一项理论和经验密切结合的 过程 根据工艺生产的要求 物料特性 操作压力 和温度 决定桨叶的型式及转速 从而由理论计算 及实际经验相结合的方式确定搅拌功率 然后选择 合适的电机及减速机 机架 联轴节等传动件 决 定釜内是否需支承及支承型式 选择合理又可靠的 轴封 组成一组完整的搅拌系统 有关搅拌功率的 计算 搅拌传热的计算 搅拌轴轴径计算以及桨叶 的强度计算 目前已有各种标准 规范及相关的经 验公式 各种设计手册也作详尽介绍 设计上已经 有非常丰富的经验 尤其是搅拌系统制造厂商已能 成功地作出各种搅拌系统的组合选型及配置 规模 大的搅拌制造商也设有专门的试验装置 专业搅拌 技术工程师也从事搅拌流型的研究 但对于搅拌附 件 例如 挡板 温度计套管等插入管 平盖搅拌 设备支承梁等缺少规范的计算公式 搅拌设计工程师 往往是凭经验选用 以至造成设计上的误差和不足 本人长期从事搅拌设备的设计 对于搅拌附件 的设计计算 逐步搜集到国外的相关计算资料 编 集了搅拌附件的强度计算公式 以帮助解决工程设 计中的问题 医 药 工 程 设 计 2010年 第31卷 第1期 2月20日出版 Pharmaceutical Engineering Design 2010 31 1 医 药 工 程 设 计 2010年 第31卷 第1期 2月20日出版 Pharmaceutical Engineering Design 2010 31 1 2 搅拌附件之一 挡板 挡板一般是长条形的竖向固定在罐壁上的板 主要用于在湍流状态时为了消除罐中央的 圆柱状 回转区 而设置的 特别适用于径流型桨叶在湍流 区操作 还可提高桨叶的剪功性能 大多数搅拌容 器均装有挡板 挡板的数量及其尺寸 安装方式都 会影响流型和动力消耗 按某国外资料介绍 通常 挡板的设置数量如表 1 所示 表 1 档板的设置数量 容器直径 mm 800800 5000 5000 挡板数34 5 挡板的几何尺寸及位置如图 1 所示 挡板材料的断面系数 Z 挡板材料在设计温度下许用应力 304 材 料 120 下 b 432 MPa 72 MPa 720 kg cm2 挡板厚度 考虑到挡板材料负偏差 C1 0 8 mm C2 0 则挡板厚度 t 0 56 0 08 0 64 cm 取 t 8 mm 如果挡板材料为碳钢 尚须考虑受到双面腐蚀 3 搅拌附件之二 温度计套管 对于搅拌容器 插入容器内的附件是很多的 一般从上封头插入到罐体内 例如 温度计套管 加料管 压料管 挡管等 对于这些插入附件 如 何来决定管件厚度 如何控制插入深度 在搅拌速 度冲击下如何不振坏 设计上均需要注意 但目前 还缺少成熟的计算资料 例如 对于温度计套管 须进行三方面的计算 1 对于温度计套管 由于受到搅拌力矩 产 生对套管的推力 须进行强度计算 2 由于搅拌的圆周速度 造成温度计套管的 喘振 在某一圆周速度下产生的喘振频率和套管本 身的固有频率之间造成的振动计算 必须要控制在 安全的范围内 3 搅拌容器内的操作压力 一般取设计压力 对温度计造成外压的计算 下面就这三个方面计算作一简单介绍 温度计套管插入计算图如图 3 所示 3 1 搅拌推力计算 温度计套管受到的推力 F F kgf 式中 T 搅拌力矩 kgf cm R 插入件至罐体中心的距离 cm nB 插入件数量 经推导 在图 3 H 长度范围内 其弯矩 M L l 最大主应力 式中 安全率 一般取 1 5 2 0 Z 套管抗弯断面模数 cm3 3 1 1 设计举例 一台直径为 1200 mm 的搅拌容器 电机功率 3 kW 搅拌转速 300 r min 温度计套管距罐体中心线 距离 R 400 mm 温度计套管采用 32 4 无缝 钢管 插入深度如图 3 所示 L 600 mm l 100 mm 材料为 304 要验算该温度计套管在搅拌力矩 作用下是否安全 3 1 2 设计计算 搅拌力矩 T 97376 973 8 kg cm 对温度计套管的推力 F 式中 nB 1 F 24 3 kgf 弯矩 M L l 60 10 850 5 kg cm 对于温度计套管 选用 32 4 无缝管 d1 32 mm d2 24 mm Z 2 198 cm3 最大主应力 1 5 2 580 4 773 9 kg cm2 fn 不安全 现将插入长度缩短至 450 mm 18 in 则 fn 93 92 次 s fw fn 72 51 93 92 0 772 0 8 该温度计套管插入长度 450 mm 是安全的 3 4 2 2 温度计套管应力计算 允许最大应力 P K1S 查表3 K1 0 223 S 137 MPa 19865 PSi P 0 223 19865 4430 PSi 30 5 MPa 远大于设计压力 3 4 2 3 温度计套管插入最大长度计算 按 ASME PTC 所提供的公式 Lmax 式中 查表 3 K2 46 8 K3 0 389 V 25 75 ft sec v 0 016 ft3 lb 介质为水 对于 304 材料 S 19865 PSi P0 0 3 MPa 43 5 PSi FM r fw fn 0 772 FM 1 475 代入得 Lmax 20 58 in 最大插入长度为 20 58 in 510 mm 4 搅拌机支承在型钢梁上计算 搅拌机安置在容器平顶盖上 一般须设置型钢 梁 通常以槽钢架居多 该槽钢架要支承搅拌系统 的重量 又要承受搅拌系统的动载荷 以及流体作 用在桨叶上的轴向力 目前国内 HG T20569 机械 搅拌设备 标准中 对型钢梁的强度和最大挠度已 有相应的公式 但这些计算公式尚存在不甚明确之 处 现将日本某工程公司有关计算公式简单介绍如 下 以供设计工程师参考 4 1 动载荷的确定 按照日方资料介绍 搅拌系统的动载荷为静载 荷 2 当轴长 4 5 m 时 则为静载荷的 2 5 倍 搅拌系统的静载何应包括整个搅拌系统的重量 当 然要除去支承在封头或罐体上的搅拌附件重量 4 2 槽钢梁的计算 对于槽钢梁的布置 大多有如图 5 二种型式 图 5 槽钢梁的布置型式 HG T20569 标准提出 计算型钢的强度和刚度 时 不论型钢在平盖上用何种方法布置 允许视为 仅两根最长的型钢承受轴向力 包括搅拌机的重力 和流体作用在浆叶上的轴向力 但日本该工程公司 资料上表明 对于 a 的布置型式 可按 3 根梁承受 载荷 对于 b 的布置型式 只能按 2 根梁支承载荷 4 2 1 槽钢梁的强度计算 max t 式中 Mmax 单根梁承受的最大弯矩 N mm W 型钢抗弯模量 从材料手册表中查得 mm3 4 2 2 槽钢梁的刚度计算 对于 a 型式 最大挠度 fmax f 对于 b 型式 最大挠度 fmax f 式中 P 搅拌系统的动载荷加上流体作用在桨叶 上的轴向力 N l 槽钢梁的长度 mm E 槽钢材料的弹性模量 MPa I 槽钢的截面惯性矩 mm4 f 许用挠度值 取 f 0 0005l 且 3 mm 经强度计算 尤其是刚度计算通过的梁 均能 安全地运行 以上介绍了搅拌附件 挡板 温度计套管 型 钢支承梁的强度计算 为这些附件的设计提供理论 上的依据 以尽量满足设计算上的需要 供搅拌设 计工程师参考 不妥处恳请同行工程师指正 图 4 温度计套管图 表 2 温度计套管 单位 in 尺寸 温度计 传感元件 规格 1 43 89 1611 167 8 A 最小值 13 1615 161 1 81 1 41 7 16 B 最小值 5 83 415 161 1 161 1 4 d 最小值 0 2540 3790 5660 6910 879 d 最大值 0 2620 3870 5750 7000 888 搅拌设备 搅拌附件的设计搅拌设备 搅拌附件的设计 作者 彭守兴 Peng Shouxing 作者单位 中国石化集团上海工程有限公司 上海 200120 刊名 医药工程设计 英文刊名 PHARMACEUTICAL ENGINEERING DESIGN 年 卷 期 2010 31 1 被引用次数 1次 本文读者也读过 10条 本文读者也读过 10条 1 冯连芳 FENG Lian fang 搅拌设备设计的发展与建议 期刊论文 化工设备与管道2010 47 5 2 刘瑞巍 Liu Ruiwei 对带搅拌的直立容器设计计算问题的探讨 期刊论文 炼油与化工2006 17 2 3 吴绍华 甘树坤 搅拌设备结构设计的几个问题 期刊论文 化工科技2002 10 2 4 彭守兴 搅拌技术 搅拌附件的设计 会议论文 2008 5 林长骏 丁伟军 石荣华 Lin Changjun Ding Weijun Shi Ronghua 薯干仓储设计方案探讨 期刊论文 医药工程设计2010 31 1 6 姜玲 谈搅拌装置设计中的参数确定 期刊论文 机械2006 33 12 7 冯忠绪 赵利军 Feng Zhongxu ZHAO Lijun 搅拌设备设计 第八讲 智能化搅拌设备 期刊论文 工程机械2005 36 8 8 曾真 王为国 Zeng Zhen Wang Weiguo 带外伸梁的搅拌轴临界转速的简单计算方法 期刊论文 医药工程设计2009 30 1 9 冯忠绪 赵利军 王卫中 Feng Zhong