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搅拌器毕业设计很实用

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2020年4月19日
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搅拌器毕业设计
第一章 绪论
搅拌能够使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混合；也能够加速传热和传质过程。在工业生产中，搅拌操作时从化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工艺过程的一部分而被广泛应用。
搅拌操作分为机械搅拌与气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡经过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群一密集状态上升借所谓上升作用促进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体进行的搅拌时比较弱的，对于几千毫帕·秒以上的高粘度液体是难于使用的。但气流搅拌无运动部件，因此在处理腐蚀性液体，高温高压条件下的反应液体的搅拌时比较便利的。在工业生产中，大多数的搅拌操作均系机械搅拌，以中、低压立式钢制容器的搅拌设备为主。搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分组成。其结构形式如下：（结构图）
第一节 搅拌设备在工业生产中的应用范围很广，特别是化学工业中，很多的化工生产都或多或少地应用着搅拌操作。搅拌设备在许多场合时作为反应器来应用的。例如在三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器约占反应器总数的99%。。搅拌设备的应用范围之因此这样广泛，还因搅拌设备操作条件（如浓度、温度、停留时间等）的可控范围较广，又能适应多样化的生产。
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的分散；③使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀的悬浮；④使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化；⑤强化相间的传质（如吸收等）；⑥强化传热。
搅拌设备在石油化工生产中被用于物料混合、溶解、传热、植被悬浮液、聚合反应、制备催化剂等。例如石油工业中，异种原油的混合调整和精制，汽油中添加四乙基铅等添加物而进行混合使原料液或产品均匀化。化工生产中，制造苯乙烯、乙烯、高压聚乙烯、聚丙烯、合成橡胶、苯胺燃料和油漆颜料等工艺过程，都装备着各种型式的搅拌设备。
第二节 搅拌物料的种类及特性
搅拌物料的种类主要是指流体。在流体力学中，把流体分为牛顿型和非牛顿型。非牛顿型流体又分为宾汉塑性流体、假塑性流体和胀塑性流体。在搅拌设备中由于搅拌器的作用，而使流体运动。
第三节 搅拌装置的安装形式
搅拌设备能够从不同的角度进行分类，如按工艺用途分、搅拌器结构形式分或按搅拌装置的安装形式分等。一下仅就搅拌装置的各种安装形式进行分类说明。
一、 立式容器中心搅拌
将搅拌装置安装在历史设备筒体的中心线上，驱动方式一般为皮带传动和齿轮传动，用普通电机直接联接。一般认为功率3.7kW一下为小型，5.5~22kW为中型。本次设计中所采用的电机功率为18.5kW，故为中型电机。
二、 偏心式搅拌
搅拌装置在立式容器上偏心安装，能防止液体在搅拌器附近产生“圆柱状回转区”，能够产生与加挡板时相近似的搅拌效果。搅拌中心偏离容器中心，会使液流在各店所处压力不同，因而使液层间相对运动加强，增加了液层间的湍动，使搅拌效果得到明显的提高。但偏心搅拌容易引起振动，一般用于小型设备上比较适合。
三、 倾斜式搅拌
为了防止涡流的产生，对简单的圆筒形或方形敞开的立式设备，可将搅拌器用甲板或卡盘直接安装在设备筒体的上缘，搅拌轴封斜插入筒体内。
此种搅拌设备的搅拌器小型、轻便、结构简单，操作容易，应用范围广。一般采用的功率为0.1~22kW，使用一层或两层桨叶，转速为36~300r/min，常见于药品等稀释、溶解、分散、调和及pH值的调整等。
四、 底搅拌
搅拌装置在设备的底部，称为底搅拌设备。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；易维护、检修、寿命长。底搅拌比上搅拌的轴短而细，轴的稳定性好，既节省原料又节省加工费，而且降低了安装要求。所需的检修空间比上搅拌小，避免了长轴吊装工作，有利于厂房的合理排列和充分利用。由于把笨重的减速机装置和动力装置安放在地面基础上，从而改进了封头的受力状态，同时也便于这些装置的维护和检修。
底搅拌虽然有上述优点，但也有缺点，突出的问题是叶轮下部至轴封处的轴上常有固体物料粘积，时间一长，变成小团物料，混入产品中影响产品质量。为此需用一定量的室温溶剂注入其间，注入速度应大于聚合物颗粒的沉降速度，以防止聚合物沉降结块。另外，检修搅拌器和轴封时，一般均需将腹内物料排净。
五、 卧式容器搅拌
搅拌器安装在卧式容器上面，壳降低设备的安装高度，提高搅拌设备的抗震性，改进悬浮液的状态等。可用于搅拌气液非均相系的物料，例如充气搅拌就是采用卧式容器搅拌设备的。
六、 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，轴速也不等，这种搅拌设备主要用于高黏液体。采用卧式双轴搅拌设备的目的是要获得自清洁效果。
七、 旁入式搅拌
旁入式搅拌设备是将搅拌装置安装在设备筒体的侧壁上，因此轴封结构是罪费脑筋的。
旁入式搅拌设备，一般用于防止原油储罐泥浆的堆积，用于重油、汽油等的石油制品的均匀搅拌，用于各种液体的混合和防止沉降等。
八、 组合式搅拌
有时为了提高混合效率，需要将两种或两种以上形式不同、转速不同的搅拌器组合起来使用，称为组合式搅拌设备。

第二章 搅拌罐结构设计
第一节 罐体的尺寸确定及结构选型
（一） 筒体及封头型式
选择圆柱形筒体，采用标准椭圆形封头
（二） 确定内筒体和封头的直径
发酵罐类设备长径比取值范围是1.7~2.5，综合考虑罐体长径比对搅拌功率、传热以及物料特性的影响选取
根据工艺要求，装料系数，罐体全容积，罐体公称容积（操作时盛装物料的容积）。
初算筒体直径

即
圆整到公称直径系列，去。封头取与内筒体相同内经，封头直边高度，
（三） 确定内筒体高度H
当时，查《化工设备机械基础》表16-6得封头的容积
，取
核算与
，该值处于之间，故合理。

该值接近，故也是合理的。
（四） 选取夹套直径
表1 夹套直径与内通体直径的关系
内筒径

夹套

由表1，取。
夹套封头也采用标准椭圆形，并与夹套筒体取相同直径
（六） 校核传热面积
工艺要求传热面积为，查《化工设备机械基础》表16-6得内筒体封头表面积高筒体表面积为

总传热面积为

故满足工艺要求。
第二节 内筒体及夹套的壁厚计算
（一） 选择材料，确定设计压力
按照《钢制压力容器》（）规定，决定选用高合金钢板，该板材在一下的许用应力由《过程设备设计》附表查取，，常温屈服极限。
计算夹套内压
介质密度
液柱静压力
最高压力
设计压力
因此
故计算压力
内筒体和底封头既受内压作用又受外压作用，按内压则取，按外压则取
（三） 夹套筒体和夹套封头厚度计算
夹套材料选择热轧钢板，其
夹套筒体计算壁厚

夹套采用双面焊，局部探伤检查，查《过程设备设计》表4-3得
则
查《过程设备设计》表4-2取钢板厚度负偏差，对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取腐蚀裕量，对于碳钢取腐蚀裕量，故内筒体厚度附加量，夹套厚度附加量。
根据钢板规格，取夹套筒体名义厚度。
夹套封头计算壁厚为

取厚度附加量，确定取夹套封头壁厚与夹套筒体壁厚相同。
（四） 内筒体壁厚计算
①按承受内压计算
焊缝系数同夹套，则内筒体计算壁厚为：

②按承受外压计算
设内筒体名义厚度，则，内筒体外径。
内筒体计算长度。
则，，由《过程设备设计》图4-6查得，图4-9查得，此时许用外压为：

不满足强度要求，再假设，则，，
内筒体计算长度
则，
查《过程设备设计》图4-6得,图4-9得，此时许用外压为：

故取内筒体壁厚能够满足强度要求。
（五） 考虑到加工制造方便，取封头与夹套筒体等厚，即取封头名义厚度。按内压计算肯定是满足强度要求的，下面仅按封头受外压情况进行校核。
封头有效厚度。由《过程设备设计》表4-5查得标准椭圆形封头的形状系数，则椭圆形封头的当量球壳内径，计算系数A

查《过程设备设计》图4-9得

故封头壁厚取能够满足稳定性要求。
（六） 水压试验校核
①试验压力
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内同试验压力取
夹套实验压力取
②内压试验校核
内筒筒体应力
夹套筒体应力
而

故内筒体和夹套均满足水压试验时的应力要求。
③外压实验校核
由前面的计算可知，当内筒体厚度取时，它的许用外压为，小于夹套的水压试验压力，故在做夹套的压力实验校核时，必须在内筒体内保持一定压力，以使整个试验过程中的任意时间内，夹套和内同的压力差不超过允许压差。
第三节 人孔选型及开孔补强设计
①人孔选型
选择回转盖带颈法兰人孔，标记为：人孔PN2.5,DN450,HG/T 21518- ,尺寸如下表所示:
密封面
形式
公称压力PN（MP）

公称直径DN

突面
（RF）

螺柱
螺母
螺柱
总质量
（）
数量
直径长度

开孔补强设计
最大的开孔为人孔，筒节，厚度附加量，补强计算如下：
开孔直径
圆形封头因开孔削弱所需补强面积为：

人孔材料亦为不锈钢0Cr18Ni9，因此
因此
有效补强区尺寸：

在有效补强区范围内，壳体承受内压所需设计厚度之外的多余金属面积为：

故
可见仅就大于,故不需另行补强。
最大开孔为人孔，而人孔不需另行补强，则其它接管均不需另行补强。
第四节 搅拌器的选型
（一）搅拌器选型
桨径与罐内径之比叫桨径罐径比,涡轮式叶轮的一般为0.25~0.5，涡轮式为快速型，快速型搅拌器一般在时设置多层搅拌器，且相邻搅拌器间距不小于叶轮直径d。适应的最高黏度为左右。
搅拌器在圆形罐中心直立安装时，涡轮式下层叶轮离罐底面的高度C一般为桨径的1~1.5倍。如果为了防止底部有沉降，也可将叶轮放置低些，如离底高度.最上层叶轮高度离液面至少要有1.5d的深度。
符号说明
——键槽的宽度
——搅拌器桨叶的宽度
——轮毂内经
——搅拌器桨叶连接螺栓孔径
——搅拌器紧定螺钉孔径
——轮毂外径
——搅拌器直径
——搅拌器圆盘的直径
——搅拌器参考质量
——轮毂高度
——圆盘到轮毂底部的高度
——搅拌器叶片的长度
——弧叶圆盘涡轮搅拌器叶片的弧半径
——搅拌器许用扭矩
——轮毂内经与键槽深度之和
——搅拌器桨叶的厚度
——搅拌器圆盘的厚度

工艺给定搅拌器为六弯叶圆盘涡轮搅拌器，其后掠角为，圆盘涡轮搅拌器的通用尺寸为桨径:桨长:桨宽，圆盘直径一般取桨径的，弯叶的圆弧半径可取桨径的。
查HG-T 3796.1~12- ,选取搅拌器参数如下表

由前面的计算可知液层深度，而，故，则设置两层搅拌器。
为防止底部有沉淀，将底层叶轮放置低些，离底层高度为，上层叶轮高度离液面的深度，即。则两个搅拌器间距为，该值大于也轮直径，故符合要求。
（二） 搅拌附件
①挡板
挡板一般是指长条形的竖向固定在罐底上板，主要是在湍流状态时，为了消除罐中央的“圆柱状回转区”而增设的。
罐内径为，选择块竖式挡板，且沿罐壁周围均匀分布地直立安装。
第三章 传动装置选型
第一节 减速机选型
由工艺要求可知，传动方式为带传动，搅拌器转速为，电机功率为,查《长城搅拌》表3.5-3选择减速机型号为
减速机主要参数及尺寸如下表：

第二节 联轴器的选型
选择减速机输出轴轴头型式为普通型，选择GT型刚性联轴器
联轴器主要尺寸为：
轴径

80
220
185
120
150
24
28

30
162
324
第四章 搅拌轴的设计与校核
4.1符号说明
——设计最终确定的实心轴的轴径或空心轴外径，；
——设计最终确定的密封部位实心轴轴径或空心轴外径，；
——按扭转变形计算的传动侧轴承处实心轴轴径或空心轴外径，；
——按强度计算的单跨轴跨间段实心轴轴径或空心轴轴径或空心轴外径，；
——单跨轴的实心轴轴径或空心轴外径,；
——轴材料的弹性模量，；
——搅拌轴及各层圆盘（搅拌器及附件）组合重心处的许用偏心距，；
——搅拌轴及各层圆盘（搅拌器及附件）组合重心处的质量偏心引起的离心力，;
——第个搅拌器上的流体径向力，;
——单跨轴跨间轴段（实心或空心）的惯性矩，；
——单跨轴第个圆盘（搅拌器及附件）至传动侧轴承距离与轴长的比值（、……）；
——单跨轴两轴承之间的长度，；
、……——1~个圆盘（搅拌器及附件）的每个圆盘至传动侧轴承的距离（对于单跨轴），；
——搅拌轴及各层圆盘（搅拌器及附件）组合重心离传动侧轴承的距离（对于单跨轴），；
——轴上弯矩总和，；
——由轴向推力引起作用于轴的弯矩，；
——按传动装置效率计算的搅拌轴传递扭矩，；
——由径向力引起作用于轴的弯矩，；
——固定在搅拌轴上的圆盘（搅拌器及附件）数；
、……——圆盘（搅拌器及附件）、……的质量，；
、……——圆盘（搅拌器及附件）、……的有效质量，；
——单跨轴段轴的质量

——单跨轴段轴的有效质量，；
——单跨轴及各层圆盘（搅拌器及附件）的组合质量，
——空心轴内径与外径的比值；
——轴的转速，；
——轴的一阶临界转速，；
——电动机额定功率，;
——设备内的设计压力，；
——相当质量的折算点；
——传动侧轴承游隙,；
——单跨轴末端轴承游隙，；
——单跨轴段有效质量的相当质量，；
、……——、……的相当质量，；
——在点所有相当质量的总和，；
——搅拌轴轴线与安装垂直线的夹角，()；
——第个搅拌器叶片倾斜角，()；
——轴的扭转角，；
——由轴承径向游隙引起在轴上离图或图中轴承距离处的径向位移，；
——由流体径向作用力引起在轴上离图或图中轴承距离处的径向位移，；
——由组合质量偏心引起离心力在轴上离图或图中轴承处产生的径向位移，；
——离图或图中轴承距离处轴的径向总位移，；
——搅拌物料的密度，；
——轴材料的密度，；
——轴上所有搅拌器其对应编号之和。
4.2搅拌轴受力模型选择与轴长的计算

轴长：

4.3按扭转变形计算计算搅拌轴的轴径

轴的许用扭转角，对单跨轴有；
搅拌轴传递的最大扭矩
上式中,，带传动取，
因此

根据前面附件的选型。取
根据轴径计算轴的扭转角

因此
4.4根据临界转速核算搅拌轴轴径
4.4.1搅拌轴有效质量的计算
刚性轴（不包括带锚式和框式搅拌器的刚性轴）的有效质量等于轴自身的质量加上轴附带的液体质量。
对单跨轴

因此
圆盘（搅拌器及附件）有效质量的计算
刚性搅拌轴（不包括带锚式和框式搅拌器的刚性轴）的圆盘有效质量等于圆盘自身重量叫上搅拌器附带的液体质量

上式中：
——第个搅拌器的附加质量系数，查表3.3.4—1
——第个搅拌器直径，
——第个搅拌器叶片宽度，
叶片倾角，圆盘质量
因此
4.4.2作用集中质量的单跨轴一阶临界转速的计算

（1）两端简支的等直径单跨轴，轴的有效质量在中点处的相当质量为：

第个圆盘有效质量在中点处的相当质量为：

因此

在点处的相当质量为：

因此
临界转速为：

因此
（2）一端固定另一端简支的等直径单跨轴，轴的有效质量在中点处的相当质量为：

第个圆盘有效质量在中点处的相当质量为：

因此

在点处总的相当质量为：

因此
临界转速为：

因此
（3）单跨搅拌轴传动侧支点的夹持系数的选取
传动侧轴承支点型式一般情况是介于简支和固支之间，其程度用系数表示。采用刚性联轴节时，,取。

因此
根据搅拌轴的抗震条件：当搅拌介质为液体—液体，搅拌器为叶片式搅拌器及搅拌轴为刚性轴时，且

因此满足该条件。
4．5按强度计算搅拌轴的轴径
4．5．1受强度控制的轴径按下式求得：

式中：——轴上扭矩和弯矩同时作用时的当量扭矩

——轴材料的许用剪应力

4．5．2轴上扭矩按下式求得：

——包括传动侧轴承在内的传动装置效率，按附录D选取，则

因此
4．5．3轴上弯矩总和应按下式求得：

（1） 径向力引起的轴上弯矩的计算
对于单跨轴，径向力引起的轴上弯矩能够近似的按下式计算：

第个搅拌器的流体径向力应按下式求得 ：

式中：——流体径向力系数，按照附录C. 2有

——第个搅拌器功率产生的扭矩

——第个搅拌器的设计功率，按附录 C. 3有

两个搅拌器为同种类型，，则
因此
因此
（2） 搅拌轴与各层圆盘的组合质量按下式求得。
对于单跨轴：

——单跨轴段轴的质量

因此
故
（3）搅拌轴与各层圆盘组合质量偏心引起的离心力按下式求得。
对于单跨轴：

上式中，对刚性轴的初值取
——许用偏心距（组合件重心处），
——平衡精度等级，。一般取
因此
则
（4）搅拌轴与各层圆盘组合重心离轴承的距离按下式计算。
对于单跨轴：

因此
而

（5）由轴向推力引起作用于轴上的弯矩的计算。
的粗略计算：
当或轴上任一搅拌器时，取
故
因此
因此
因此
前面计算中取轴径为，故强度符合要求。
4．6按轴封处（或轴上任意点处处）允许径向位移验算轴径。
4．6．1因轴承径向游隙、所引起轴上任意点离图中轴承距离处的位移。

对于单跨轴：

轴承径向游隙按照附录C．1选取，因此
传动侧轴承游隙 （传动侧轴承为滚动轴承）
单跨轴末端轴承游隙 （该侧轴承为滑动轴承）
当时，求得的即为轴封处的总位移，

因此
4．6．2由流体径向作用力所引起轴上任意点离图中轴承距离处的位移。
对于单跨轴：
两端简支的单跨轴
且,

而
因此

=
一端固支另一端简支的单跨轴：
代入已知数据可得

4．6．3由搅拌轴与各层圆盘（搅拌器及附件）组合质量偏心引起的离心力在轴上任意点离图中轴承距离处产生的位移按下式计算

对两端简支单跨轴：

代入已知数据可得
因此
对一端固支一端简支单跨轴：

代入已知数据可得：
因此
一般单跨轴传动侧支点的夹持系数介于简支和固支之间，此时值应取式和式之中间值，查附录C．4取
查附录C．5得

因此

因此
4．6．4总位移及其校核
对于刚性轴：

因此
验算应满足下列条件：

轴封处允许径向位移按下式计算：

——径向位移系数，按附录C．6．1选取
因此
则满足
4．7轴径的最后确定
由以上分析可得，搅拌轴轴径满足临界转速和强度要求，故确定轴径为。
搅拌轴轴封的选择
机械密封是一种功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用寿命长的旋转轴密封。与填料密封相比，机械密封的泄漏率大约为填料密封的，功率消耗约为填料密封的。故采用机械密封。
第五章 支座选型及校核
该搅拌设备为中小型直立设备，选择B型耳式支座，对于一级发酵罐配置4个耳式支座。
查JB/T4712.3- 选择耳式支座B5-1，该支座参数为：

耳式支座实际承受载荷计算

式中：
——支座实际承受的载荷，；
——支座安装尺寸，；

g——重力加速度，取；
——偏心载荷，；
——水平力作用点至地板高度，；
——不均匀系数，安装3个以上支座时，取；
——设备总质量（包括壳体及附件，内部介质及保温层质量），；
筒体质量
封头质量
轴质量
搅拌器质量
夹套质量
人孔质量
减速机质量
水压试验时充水质
其它附件如挡板、联轴器及接管等，估算这些附件的质量为，则设备总质量为；
——支座数量，；
——偏心距，；
——地震影响系数，地震设防烈度为8度，取；
——水平力，取和的大值，；
因容器置于室内，不计其风压值，故，即

——容器总高度，；

因此
,满足支座本体允许载荷的要求。
计算支座处圆筒所受的支座弯矩:

夹套有效厚度：
根据和查表B.1知当圆筒有效厚度为，圆筒内压为，对于该支座有，故所选满足能满足要求。
第六章 封口锥结构选型与计算
符号说明
——轴向力系数；
——封口锥的连接系数；
——内筒体厚度附加量，；
——夹套厚度附加量，；
——容器内径，；
——夹套内径，；
——夹套封头与容器封头的连接园直径，；
——容器外壁至夹套壁中面的距离

——封口锥连接的强度系数；
——与封口锥相接的夹套加强区的实际长度，或连接封口锥与夹套
的第一道环焊缝至折边锥体切线的距离，；
——工作或试验条件下容器内的设计压力，；
——工作或试验条件下夹套或通道内的设计压力，；
——夹套或通道的许用内压力，；
——容器筒体的实际壁厚，；
——夹套筒体、封口锥或通道的实际壁厚，；
——夹套筒体、封口锥或通道的计算厚度，；
——辅助参数；
——封口锥的半顶角（）；
——容器壳体与夹套壳体的间距系数；
——容器壳体与夹套壳体强度比系数；
——封口锥连接长度系数；
——封口锥相对有效承载长度系数；
——封口锥过渡区转角内半径系数；
——设计温度下容器壳体材料的许用应力，；
——设计温度下夹套壳体或通道材料的许用应力，；
——计算的焊缝系数；
——夹套筒体的纵焊缝系数；
——容器筒体的环焊缝系数；
——夹套筒体的纵焊缝系数；
选择（a）型结构

a. 轴向力系数A

式中：，
即，取
因此
辅助系数、、、、、、
容器壳体与夹套壳体的间距系数

上式中：
因此
因所选封口锥结构为（a）型，故封口锥过渡区转角内半径系数。
封口锥连接长度系数，对于有

容器壳体于夹套壳体强度比系数

计算的焊缝系数、

封口锥相对有效承载长度系数

因此
封口锥的连接系数

式中：

对于，
因此
则

对于，

因此

，
因此