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化工搅拌器的设计
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黄河科技学院毕业设计（文献综述） 第 6 页 搅拌器的研究与分析摘要： 搅拌机式搅拌设备的心脏。在搅拌机设计及使用过程中，合理的选取搅拌机的结构，运动和工作参数，直接关系到混泥土等材料的搅拌质量和搅拌效率。论文对搅拌臂的排列、搅拌叶片的安装角、拌筒长宽比、搅拌机转速和搅拌时间等主要参数的选取进行分析与实验研究。通过归纳，给出了双卧轴搅拌机的主要参数，包括搅拌臂排列、叶片安装角、拌筒长宽比、搅拌线速度等；给出了评价搅拌机参数合理与否的准则；给出了搅拌臂排列的基本原则。关键词：拌臂排列，叶片安装角，拌筒长宽比，搅拌线速度1 搅拌机的简介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”。气体和低黏度液体混合机械的特点是结构简单，且无转动部件，维护检修量小，能耗低。这类混合机械又分为气流搅拌、管道混合、射流混合和强制循环混合等四种。中、高黏度液体和膏状物的混合机械，一般具有强的剪切作用；热塑性的物料混合机主要用于热塑性物料(如橡胶和塑料)与添加剂混合；粉状、粒状固体物料混合机械多为间歇操作，也包括兼有混合和研磨作用的机械，如轮辗机等。混合时要求所有参与混合的物料均匀分布。混合的程度分为理想混合、随机混合和完全不相混三种状态。各种物料在混合机械中的混合程度，取决于待混物料的比例、物理状态和特性，以及所用混合机械的类型和混合操作持续的时间等因素。液体的混合主要靠机械搅拌器、气流和待混液体的射流等，使待混物料受到搅动，以达到均匀混合。搅动引起部分液体流动，流动液体又推动其周围的液体，结果在溶器内形成循环液流，由此产生的液体之间的扩散称为主体对流扩散。当搅动引起的液体流动速度很高时，在高速液流与周围低速液流之间的界面上出现剪切作用，从而产生大量的局部性漩涡。这些漩涡迅速向四周扩散，又把更多的液体卷进漩涡中来，在小范围内形成的紊乱对流扩散称为涡流扩散。机械搅拌器的运动部件在旋转时也会对液体产生剪切作用，液体在流经器壁和安装在容器内的各种固定构件时，也要受到剪切作用，这些剪切作用都会引起许多局部涡流扩散。搅拌引起的主体对流扩散和涡流扩散，增加了不同液体间分子扩散的表面积减少了扩散距离，从而缩短了分子扩散的时间。若待混液体的粘度不高，可以在不长的搅拌时间内达到随机混合的状态；若粘度较高，则需较长的混合时间。对于密度、成分不同、互不相溶的液体，搅拌产生的剪切作用和强烈的湍动将密度大的液体撕碎成小液滴并使其均匀地分散到主液体中。搅拌产生的液体流动速度必须大于液滴的沉降速度。少量不溶解的粉状固体与液体的混合机理，与密度成分不同，互不相溶的液体的混合机理相同，只是搅拌不能改变粉状固体的粒度。若混合前固体颗粒不能使其沉降速度小于液体的流动速度，无论采用何种搅拌方式都形不成均匀的悬浮液。不同膏状物的混合主要是将待混物料反复分割并使其受到压、辗、挤等动作所产生的强剪切作用，随后又经反复合并、捏合，最后达到所要求的混合程度。这种混合很难达到理想混合，仅能达到随机混合。粉状固体与少量液体混合后为膏状物，其混合机理与膏状物料混合的机理相同。不同的热塑性物料以及热塑性物料与少量粉状固体的混合，需要依靠强剪切作用，反复地揉搓和捏合，才能达到随机混合。 2 搅拌机的发展史及现状 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、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576m ，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，设计温度最高 530 cI二，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。3 搅拌过程及搅拌桨叶的分类搅拌技术观点看，流体搅拌可分为五种基本搅拌应用，而每一种搅拌应用又可根据物理过程和化学过程分为两种类型。因此，总共有十种基本的搅拌应用。每一种基本搅拌应用都有各自的搅拌特点，过程要求和放大设计准则。实际应用时，每种搅拌应用往往会有几种基本搅拌应用组成，如絮凝搅拌过程由液液混合和固体悬浮两个基本搅拌应用组成。搅拌机主要有电机、减速装置、搅拌轴和桨叶等组成。搅拌桨叶的形式多种多样但无论何种桨叶形式，搅拌机在操作时，其轴功率消耗都产生两部分作用，一部分是桨叶产生的排液量，另一部分是桨叶产生的压头。桨叶产生的压头又可分成两部分，即静压头和剪切力；搅拌机桨叶在操作时，必须克服静压头，而剪切力使得物料分散、混合。因此，根据桨叶产生排液量，克服静压头和产生剪切力能力的大小，可将所有桨叶分成三种基本类型，即流动型、压头型和剪切型。每一种桨叶在提供某种基本作用的同时（如流动型桨叶的基本作用是产生排液量），也提供另外两种作用（产生剪切和克服静压头）。 根据不同的搅拌工程对搅拌要求的不同，选择一种合理的桨叶形式，使得搅拌桨叶提供的排液量，静压头和剪切之匹配能最大限度地满足搅拌过程的搅拌要求。如固体悬浮及互容液体的混合，要求桨叶能提供大排液量、低剪切。而气一液分散，要求桨叶能同时提供剪切、排液量和静压。 搅拌桨叶的分类，也可以按照桨叶对流体作用所产生的流动型态来分，可将桨叶分成两种类型-轴流式桨叶及径流式桨叶。所谓轴流式桨叶，是指桨叶的主要排液方向与搅拌轴平行，螺旋推进式桨叶即是一种典型的轴流式桨叶；所谓径流式桨叶，是指桨叶的主要排液方向与搅拌轴垂直。带有“Sabre形状叶片的搅拌桨，搅拌能耗量小，产生的流动为主导轴向型，确保非常有效。带有450倾斜平板叶片的轴向搅拌桨，对中小体积的搅拌最为经济。这种搅拌桨叶产生的流动为主导轴向型带径向流，产生剪切扰动。在不粘的介质中这种搅拌桨叶对大多数应用均非常理想，特别是那些需要高速低能耗的场合。例如： 被用于进行悬浮或热交换。倾斜的桨叶低速运转，产生较高的扰动。这种基本搅拌桨叶通常对一些简单搅拌应用有效。螺旋推进式型桨叶，对小体积的搅拌最为经济。在无粘性的介质中，适合于气-液交换及热交换。用于固体、混合物、乳液的传统桨叶，产生中等水平产生径向流，具高抗动性和高能耗，专用于特殊应用。由于重量原因，这种桨叶仅用小直径，经常用高速运行（电机直接驱动）。4 搅拌机的分类 搅拌机是以混合、揉和方式调整物料稠度的一种机械设备。搅拌机在工业生产中，特别是在建筑、水泥等领域有着非常重要的应用。搅拌机按照的分类方式很多，下分多个种类，以下是常见的搅拌机划分方法与搅拌机种类。4.1 搅拌机的作业方式分类搅拌机按照作业方式上的差别，可以分为循环作业式搅拌机和连续作业式搅拌机两种。循环作业式搅拌机是以周期循环方式，顺序完成供料、搅拌和卸料三道工序，对于物料用量的控制较为精准，物料搅拌的效果较好。目前，在实际生产中应用的搅拌机多属于循环作业式搅拌机。连续作业式搅拌机对物料的处理，同样经过供料、搅拌和卸料三道工序，但是这三道工序是在搅拌机附属的筒体内连续完成的。连续作业式搅拌机对物料的配比控制能力较差、也不易掌握物料搅拌的时间，但连续作业式搅拌机的生产能力较高、生产量较大，适合物料处理效果要求低的搅拌工作。4.2 搅拌机的搅拌方式分类搅拌机按照搅拌方式上的差别，可以分为自落式搅拌机和强制式搅拌机两种。自落式搅拌机是搅拌鼓转动而搅拌鼓内的叶片相对静止。自落式搅拌机工作时，搅拌鼓会旋转带动混合物料，叶片将混合物料提升到一定高度后，物料会在自身的重力作用下洒落，完成搅拌的过程。强制式搅拌机是搅拌鼓保持静止而叶片强制搅拌。强制式搅拌机工作时叶片会在转轴的带动下转动，强制搅拌混合物料。强制式搅拌机的搅拌质量好、搅拌效率高，但是叶片磨损速度很快，且需要很大的动力输出。4.3 搅拌机的装置方式分类搅拌机按照装置方式分为固定式搅拌机和移动式搅拌机两种。固定式搅拌机安装在固定基座上，整机无法移动，生产效率高，多适用于搅拌楼或搅拌站使用。移动式搅拌机安装在汽车上，易于移动、机动性好，多适用于各种小型工程。4.4 搅拌机的容量大小分类搅拌机的设计容量范围很大，从50L到3000L都有。小型搅拌机的出料容量为50到250L，而中型搅拌机的出料容量就上升至300到500L，大型搅拌机的容量则高达1000到3000L。4.5 搅拌机的内部构造分类桨式搅拌器 有平桨式和斜桨式两种。平桨式搅拌器由两片平直桨叶构成。桨叶直径与高度之比为 410,圆周速度为1.53m/s，所产生的径向液流速度较小。斜桨式搅拌器的两叶相反折转45或60，因而产生轴向液流。桨式搅拌器结构简单，常用于低粘度液体的混合以及固体微粒的溶解和悬浮。 5 搅拌机的应用范围 新型搅拌器系换代产品，是化工和建材行业搅拌设备无可替代的产物，实现了正确“搅和拌”的问世，从而淘汰其它搅拌设备所以承但的重任。它以其超常规的构思和精锐的技术含量，合理的设计水准，填补了国际空白。其广泛用于油漆、涂料、染料、制革、医药、饮料、粘胶剂、食品、洗涤品、化妆品及各种固态物体等。有取之不尽的财富。对物体分散、乳化、均质、调色等较之传统搅拌机的搅拌效果更加理想、直观、是搅拌行业的一次革命。另一方面，我们和一些发达国家还存在一定的距离，这就需要我们汲取和借鉴国外的先进技术，使我们的产品更加完美。参考文献1 黎明，化工行业标准-搅拌器M.北京：化学工业出版社,2008-10.2 陈志平，搅拌与混合设备设计选用手册M. 北京：化学工业出版社. 3 李国刚，固体废物实验与监测分析方法M. 北京：化学工业出版社.4 成大先, 机械设计手册M（第五版）（第1卷）. 北京：化学工业出版社.5 初志，吴岩石等编.化工容器技术问答-化工设备技术问答丛书M. 北京：化学工业出版社.6 谭天恩，窦梅，周明华.化工原理M (上)(普通高等教育十五国家级规划教材). 北京： 化学工业出版社,2006年08月7 曲文海，朱有庭.于浦义化工设备设计手册M(上 下). 北京：化学工业出版社.8 倫世儀.生化工程M（第二版）.化学工业出版社.9 汤善甫，朱思明主编.化工设备机械基础M（第二版）.上海：华东理工大学出版社，2004.12. 10Yang D Y, Jung D W, Song I S, etal. Comparative Investigation into Implicit, explicit, and iterative implicit/explicit schemes for the simulation of sheet-metal forming processesJ.Journal of Materials Processing Technology.1995(50):39-5311Ronda J, Mercer C D, Bothma A S, etal. Simul
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