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唐立名 2017-09-26 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《化工搅拌器doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含化工搅拌器第一页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计化工搅拌器绪论搅拌器的概述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)和各种符等。

化工搅拌器第一页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计化工搅拌器绪论搅拌器的概述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、传动装置等统称为搅拌机。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”。化工反应中的搅拌设备根据搅拌器叶轮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、折叶桨叶直叶涡轮式、超级混合叶轮式HRHV第二页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计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超混合搅拌器等等。化工搅拌器的适应条件和构造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lcP。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。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简单。搅拌器直径d与釜径D之比d,D为(,(其运转速度为,r,min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d,D为(,(转速为,r,min。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(μ<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d,D为(,(第三页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计转速较高为,r,min。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(μ<cP)的混合。框式搅拌器的搅拌外缘与釜壁间隙很小d,D为(,(此特点使得搅拌时物料不易产生死区。转速为,r,min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。课题的目的、意义、国内外现状课题的目的、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、轴的选择及密封设置、搅拌容器的设计并画出相应的设备图。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第四页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计Vessels或StirredVessels)。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台容器的最大容量达m最大直径达mm圆筒部分最大长度达mm设计压力最大MPa设计温度最高电机最大功率达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。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(,折叶)直叶涡轮式超级混中高粘度液搅拌器如:锚式、螺杆叶轮式双螺旋螺合叶轮式(HROHV)等带叶轮型超混台搅拌器(MR)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α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、图所示是典型的径向流叶轮型式。第五页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计图径向流叶轮图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、图所示是典型的轴向流叶轮型式。图轴向流叶轮图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设备公司的目标。美国莱宁公司开发了A和A系列(如图图所示)。第六页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计图A图A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。如图所示。图瑞士LIST公司全相型自清洁反应器第七页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计图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Lj。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。世纪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。如年美国Chemineer公司报道了该公司有一个用于涡轮式搅拌设备设计的知识库软件AgDesign据称该公司,顶伸人搅拌器的设第八页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计备均已用此软件进行设计。芬兰的Lappeenranta工业大学在年发表了有关混合设备初步设计的知识库系统的论文。在国内浙江大学也正与大型石化企业合作开发搅拌槽式反应器的智能化辅助选型和设计软件。图混合设计智能化设计系统实现结构结语搅拌操作是工业反应过程的重要环节搅拌混合设备在化学工业中担当着非常重要的角色。现代化学工业要求有更高更好的搅拌混合技术鸿泰环保进行了改进传统搅拌装置、研制新型混合设备同时使用LDV、PIV和EPT等先进量测技术运用计算流体动力学知识深入分析搅拌反应器内的流体流动机理和微观混合安全和优化设计、提高过程效率性能和降低失败风险并最终提高反应产率。在这些现代先进技术的推动下搅拌混合技术一定会向一个更新的阶段发展。本课题的设计思路第九页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计本课题的设备思路可分为以下步骤:、按设计要求可用的D,T(轮径,罐径)值和对搅拌时间、搅拌程度的要求选定若干个不同转速下的扭矩或功率要求、选定合理的叶轮安装高度结合设备情况估计近似的搅拌轴长、估计合理的电动机功率、根据叶轮功耗。输出轴、支架等等选择能满足前三项要求的搅拌器、按照叶尖切线速度等条件确定最合适的转速对设计进行优化按已确定的条件对轴系进行动力和强度等因素的验算和分析。搅拌容器的设计搅拌容器的设计探讨搅拌容器的作用是为物料反应提供合适的空间。搅拌容器的筒体基本上是圆柱筒封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖以椭圆形封头应用最广。下封头与筒体一般为焊接连接上封头与筒体也可采用焊接连接但在筒体直径DNmm的场合多采用法兰连接。筒体的直径和高度是容器设计的基本尺寸。工艺条件通常给出设备容积V或操作容积V,有时也给出筒体内径Di或者筒体高度H和筒体内径Di之比(称为长径比),其中V=nVn为装料系数表明容器操作时所允许的装满程度在确定搅拌容器的容积时其值通常可取~如果物料在反应中产生泡沫或沸腾状态取~如果物料在反应中比较平稳可取~一般搅拌罐根据罐内物料类型筒体的高径比可分为液固相、液液相~气液相~据设计要求要求搅拌器的容积在升左右液体粘度为Pas液体的密度为ρ=kgm运转速度为rminv=ms。结合实际条件本课题选用筒式搅拌器。将搅拌器的外壳设计成圆筒形搅拌器旋转时把机械能传递给流体在搅拌器附近形成高湍动的充分混和区并产生一股高速射流使流体具有较高的压头推动液体在搅第十页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计拌容器内循环流动。在圆筒的导流作用下介质从简体的顶部和底部流入筒内完成一个循环使介质产生高速的径向流和轴向流同时加大介质流量介质流动更均匀。通过筒式搅拌器与涡轮式搅拌器和推进式搅拌器的功率对比试验在相同的拌情况下筒式搅拌器将电能转化为机械能的效率更高如图所示。图三种搅拌器功率曲线()筒式搅拌器的搅拌流型适于低黏度液体的搅拌搅拌釜内的搅拌死角较少。()筒式搅拌器对电能的利用率高在相同的情况下筒式搅拌器的功率准数较小耗能少表明筒式搅拌器在节能方面具有非常好的效果。()筒式搅拌器的搅拌混合效率高在相同的情况下是涡轮式和推进式搅拌器的,倍。因此本课题选用的筒式搅拌器能够满足设计的要求。搅拌容器的设计计算确定筒体的几何参数()筒体型式第十一页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计选择圆柱形筒体()确定内筒筒体的直径和高度由于搅拌过程是液液相混合一般来说搅拌装置的高径比(H,D)为~本次设计选用高径比为。已知搅拌容积是L根据公式VD=(),HD可以计算处筒体的内直径D=m筒体高H=m。()筒体材料的选择及估算筒体钢板的厚度根据冶金手册产品的标准我们选用普通碳素钢根据GB中对碳素钢的要求和钢板之间的差别我们选用QB热轧钢板厚度尺寸选用mm。()计算筒体的壁厚及强度校核按照材料力学中的强度理论对于钢制容器适宜采用第三、第四强度理论但是由于第一强度理论在容器设计史上使用最早有成熟的实践经验而且由于强度条件不同而引起的误差已考虑在安全系数内所以至今在容器常规设计中仍采用第一强度理论即σσ式中是器壁中σ三个主应力中最大一个主应力。对于内压薄壁容器的回转壳体轴向应力σ为第一主应力径向应力σ为第二主应力而另一个主应力σ是径向应力由θψz于σ、σ与σ相比可忽略不计即σ=σ=所以第三强度理论与第一强度理论趋θψzz于一致。因此在对容器个元件进行强度计算时主要确定σ并将其控制在许用应力范围内进而求取容器的壁厚。容器圆筒承受均匀内压作用时其器壁中产生的如下薄膜应力(圆筒的平均直径为D壁厚为t):PDσ=θtPDσψ=t很显然σ=σ故按照第一强度理论有θ第十二页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计tPDσ=〔σ〕()t在容器设计中一般只给出内径值Di则D=Dit将其代入上式得tP(Dit)t〔σ〕()容器圆筒在制造时由钢板卷焊而成焊缝区金属强度一般低于木材所以上式中的t〔σ〕应乘以系数Ф。所以考虑容器内部介质和周围大气腐蚀、供货钢板厚度的负偏差等原因设计厚度应比计算厚度大。设t为圆筒的计算厚度则由上式可得pDt(),tmmt,,,,,p式中p设计内压力MpaDi圆筒内直径mmt计算厚度mmФ焊缝系数Фt〔σ〕设计温度下圆筒材料的作用应力Mpa。式()即为内压圆筒厚度的计算公式。已知QB钢的设计内压力P<Mpat选用P=Mpa许用应力〔σ〕=Mpa〔σ〕=MpaФ=所以计算厚度t=(),()=mm。代入公式()验算得σ=<〔σ〕=Mpa符合要求。封头的设计()封头的选型及计算最常用容器封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和无折边封头等凸形封头以及圆锥形封头、平板封头等数种。这些封头都是压力容器的主要受压元件由于与圆筒筒体的连接处有较为复杂的边界条件故有不同性质的应力存在所以在对承受均匀内压封头进行强度计算时除了要考虑封头自身的薄膜应力外还要考虑封头与圆筒筒体连接处的不连续应力。综上所述根据本次设计的要求从各个封头的受力分析、制造工艺和的应用场合等各个方面综合考虑我们选用标准椭圆形封头。如下图所示第十三页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计图封头椭圆形封头是由半个椭球面和一圆筒直边组成其结构设计充分吸取了半球形封头受力好和碟形封头深度浅的优点其应用最为广泛。由于椭圆形封头几何特征造成经线曲率平滑连续故封头中的应力分布比较均匀。椭圆形封头中的应力包括由内压引起的薄膜应力和封头与圆筒体连接处的不连续应力两部分。对于标准椭圆形封头其Dihi=K=则封头的厚度计算公式为tT=PD(σφp)()i其中长轴为a=Di=mhDi=所以h=m短轴之半b=h=m。从式()iii可知标准椭圆形封头的厚度与筒体基本相同若因Ф值有所不同则相差也不会很大为焊接方便常取两者等厚则t=mm。()封头的强度校核封头的厚度为mm椭圆形封头的当量球壳内半径R=KD==mm用(),eA==()R查得B=Mpa由式(),BP=()R得P=Mpa>Mpa。故封头壁厚取mm可以满足稳定性的要求。结论一方面我们可以根据操作目的、操作条件、操作方法、原料和成品的特性、安全等初选搅拌器叶轮的型式另一方面还需要依据各种搅拌器叶轮的性能及其应用实例、使用经验综合考虑选择搅拌器。第十四页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计另一方面设计搅拌器时除了运用经验和公式计算所需要动力、回转数等参数外还需要以中小模拟试验为基准进行放大以符合实际操作达到预期的效果。最后必须改进现有的搅拌器和设计新型的搅拌器达到合适的搅拌液体流动状态以适应各种粘度搅拌的需要和满足产品的性能要求最终实现装置高效、节能的效果。参考文献潘红良赫俊文主编过程设备机械设计M上海:华东理工大学出版社郑津洋董其伍桑芝富主编过程设备设计M(第二版)北京:化学工业出版社周志安化工设备设计基础M北京:高等教育出版社汤善甫朱思明化工设备机械基础M(第二版)上海:华东理工大学出版社殷玉枫机械设计课程设计M机械工业出版社吴宗泽罗圣国机械设计课程设计手册M(第二版)北京:高等教育出版社陈乙崇主编搅拌设备设计M上海:上海科学技术出版社王凯冯连芳混合设备设计M北京工业出版社陈允中汪霞倩搅拌设备的设计与计算M石油化工设备技术张平亮化工进展J年第四期张洪元主编化学工业过程及设备M北京:高等教育出版社顾芳针陈国桓化工设备设计基础M天津大学出版社出版孙桓陈作模葛文杰机械设计M高等教育出版社谭蔚主编化工设备设计基础M天津大学出版社出版冯连芳王嘉骏顾雪萍王凯搅拌设备设计专家系统J化工机械ASMEBoilerPressureVesselCode,Section,RulesforConstuctionofPressureVessels,Division,EECSimplePressureVesselDirective,ECPressureEquipmentDirective,Zick,LPStressesinLargeHorizontalCylindricalPressureVesselsonTwoSupportsWeldingJournalResearchSupplement,,:,第十五页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计第页德州市鸿泰环保设备有限公司化工搅拌器设计感谢阅读~

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