过程设备设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,8.2,机械搅拌反应器,一、基本结构,1,1,电动机；,2,减速机；,3,机架；,4,人孔；,5,密封装置；,6,进料口；,7,上封头；,8,筒体：,9,联轴器；,10,搅拌轴；,11,夹套；,12,载热介质出口；,13,挡板；,14,螺旋导流板；,15,轴向流搅拌器；,16,径向流搅拌器；,17,气体分布器；18,下封头；,19,出料口；,20,载热介质进口；,21,气体进口,图,8-7,通气式搅拌反应器,典型结构,2,二、搅拌容器,作用,:,为物料反应提供合适的空间,.,结构,:,搅拌容器,3,装料系数,:,一般取,0.6 0.85,如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态,取,0.6 0.7,如物料在反应过程中比较平稳,取,0.8 0.85,容积,卧式搅拌容器,:,筒体和左右两封头容积之和,直立式搅拌容器,:,筒体和下封头两部分容积之和,搅拌设备筒体的高径比,:,表,8-3,确定筒体直径、高度,4,表,8,3,几种搅拌设备筒体的高径比,种类,罐内物料类型,高径比,一般搅拌罐,液,-,固相、液液相,1,1.3,气液相,1,2,聚合釜,悬浮液、乳化液,2.08,3.85,发酵罐类,发酵液,1.7,2.5,5,换热元件,优先采用夹套，减少,容器内构件，便于清,洗，不占有效容积。,6,表,8,4,各种碳钢夹套的适用温度和压力范围,夹套型式,最高温度,/,最高压力,/MPa,整体夹套,U,型,圆筒型,350,300,0.6,1.6,型钢夹套,200,2.5,蜂窝夹套 短管支撑式,折边锥体式,200,250,2.5,4.0,半圆管夹套,350,6.4,7,t,t,j,D,D,D,j,D,j,t,t,j,D,D,D,j,D,j,图,8,8,整体夹套,(a),圆筒型,(b)U,型,8,图,8,9,夹套肩与筒体的连接结构,(a),封口锥,(b),封口环,D,D,j,D,j,D,9,t,1,t,1,t,2,t,2,t,1,d,1,d,1,封口环,图,8,10,夹套底与封头连接结构,封口锥,10,图,8,11,型钢夹套结构,(a),螺旋形角钢互搭式,(b),角钢螺旋形缠绕,11,图,8,12,半圆管夹套结构,(a),半圆管,半圆管横截面重心,r,2,t,1,D,b,2,b,1,t,2,e,2,12,图,8,12,半圆管夹套结构,(b),弓形管,弓形管横截面重心,t,2,e,2,r,2,b,2,b,1,D,t,1,13,b,L,3,L,2,L,t,1,L,3,(a),螺旋形缠绕,图,8,13,半圆管夹套的安装,14,图,8,13,半圆管夹套的安装,(b),平行排管,D,t,1,15,图,8,14,折边式蜂窝夹套,夹套向内折边与筒,体贴合好,再进行,焊接的结构,D,1,t,1,D,2,t,2,b,A,A,向,16,D,1,t,1,D,2,e,d,min,b,用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角形布置,图,8,15,短管支撑式蜂窝夹套,17,图,8,16,螺旋形盘管,d,D,18,d,D,对称布置的几组,竖式蛇管：,传热,挡板作用,图,8,17,竖式蛇管,19,三、搅拌器,搅拌器的功能和流动特征,功能,提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。,原理,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合区，并产生一股高速射流推动,液体在搅拌容器内循环流动。,影响搅拌器功能的因素,a.,浆叶的形状、尺寸、数量、转速,b.,搅拌介质的物性,c.,搅拌器的工作环境,d.,搅拌器在槽内的安装位置和方式,20,流型,流体循环流动的途径。,搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型：,径向流,:,图,8-18(a),流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动,轴向流,:,图,8-18(b),流体流动方向平行于搅拌轴,切向流,:,图,8-18(c),无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动。,这个区域内流体没有相对运动,混合效果差。,消除方法,加挡板,削弱切向流，,增强轴向流和径向流,上述三种流型通常同时存在,轴向流与径向流对混合起主要作用,切向流应加以抑制,21,影响流型的因素,:,搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何,特征、流体性质、搅拌器转速等。,搅拌器在容器内安装方式,:,图,8-19,除中心安装的搅拌机外，,还有偏心式、底插式、侧插式、,斜插式、卧式等安装方式。,不同方式安装的搅拌机产生的流型也,各不相同。,22,流体流动方向垂直于,搅拌轴，,沿径向流动,，,碰到容器壁面分成二,股流体分别向上、向,下流动，再回到叶端，,不穿过叶片，形成上、,下二个循环流动。,(a),径向流,图,8,18,搅拌器与流型,(a),径向流,23,流体流动方向,平行于,搅拌轴流体由桨叶,推动，使流体向下流,动，遇到容器底面再,向上翻，形成上下循环流。,(b),轴向流,图,8,18,搅拌器与流型,(b),轴向流,24,无挡板的容器内，流,体,绕轴作旋转运动,，,流速高时液体表面会,形成漩涡，流体从桨,叶周围周向卷吸至桨,叶区的流量很小，混,合效果很差。,(c),切向流,图,8,18,搅拌器与流型,(c),切向流,25,图,8,19,搅拌器在容器内的安装方式,(a),垂直偏心式,(b),底插式,(c),侧插式,(d),斜插式,(e),卧式,26,流动特性,:,搅拌器,对流体产生,剪切作用,:,与液,液搅拌体系中液滴的,细化、固,液搅拌体系中固体,粒子的破碎以及气,液搅拌体,系中气泡的细微化有关。,循环作用,:,与混合时间、传热、固体的悬,浮等相关。,剪切型叶轮,:,输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用,如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。,循环型叶轮,:,输入流体的能量主要用于对流体的循环作用,如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等,27,按流体流动形态,轴向流搅拌器,径向流搅拌器,按结构分为,平 叶,折 叶,螺旋面叶,桨式、涡轮式、框式和,锚式的桨叶都有平叶和,折叶二种结构,推进式、螺杆式和螺带,式的桨叶为螺旋面叶,搅拌器类型及典型搅拌器特性,搅拌器分类,:,图,8-22,混合流搅拌器,28,按搅拌,用途分为,低粘流体,用搅拌器,高粘流体,用搅拌器,低粘流体搅拌器有：,推进式、长薄叶螺旋桨、,桨式、开启涡轮式、圆盘,涡轮式、布鲁马金式、板,框桨式、三叶后弯式、,MIG,和改进,MIG,等。,高粘流体搅拌器有：,锚式、框式、锯齿圆盘式、,螺旋桨式、螺带式（单螺带、,双螺带）、螺旋,螺带式等。,29,图,8,22,搅拌器流型分类图谱,轴流式,混流式,径流式,搅拌器,30,桨式,、,推进式,、,涡轮式,和,锚式,搅拌器在,搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占,搅拌器总数的,75,80,。,31,典型搅拌器特性及尺寸,:,桨式搅拌器,:,图,8-23,推进式搅拌器,:,图,8-24,涡轮式搅拌器,:,图,8-25,锚式搅拌器,:,图,8-26,32,结构最简单,叶片用扁钢制成，焊,接或用螺栓固定在轮,毂上，叶片数是,2,、,3,或,4,片，叶片形式可,分为平直叶式和折叶,式两种。,图,8,23,桨式搅拌器,33,表,8,5,桨式搅拌器常用参数,常用尺寸,常用运转条件,常用介质粘度范围,流动状态,备注,d/D=0.35,0.8,b/d=0.1,0.25,B,n,=2,折叶式有轴向、径向和环向分流作用,小于,2Pas,低转速时水平环向流为主；转速高时为径向流；有挡板时为上下循环流,当,d/D=0.9,以上，并设置多层桨叶时，可用于高粘度液体的低速搅拌。在层流区操作，适用的介质粘度可达,100,Pa,s,v=1.0,3.0m/s,折叶式,=45,60,折叶式有轴向、径向和环向分流作用,注：,n,转速；,v,叶端线速度；,Bn,叶片数；,d,搅拌器直径；,D,容器内径：,折叶角。,34,推进式搅拌器（又称船用推进器）,常用于低粘流体中。,标准推进式搅拌器有三瓣叶,片，其螺距与桨直径,d,相等。,它直径较小，,d/D=1/4,1/3,，,叶端速度一般为,7,10 m/s,，,最高达,15 m/s,。,图,8,24,推进式搅拌器,35,表,8,6,推进式搅拌器常用参数,常用尺寸,常用运转条件,常用介质粘度范围,流动状态,备注,d/D=0.2,0.5(,以,0.33,居多,),p/d=1,2,B,n,=2,3,4(,以,3,居多,),p,螺距,n=100,500r/min,v=3,15m/s,小于,2Pas,轴流型，循环速率高，剪切力小。采用挡板或导流筒则轴向循环更强,最高转速可达,1750r/min:,最高叶端线速度可达,25m/s,。,转速在,500r/min,以下，适用介质粘度可达,50Pa.s,36,涡轮式搅拌器（又称透,平式叶轮），是应用较,广的一种搅拌器，能有,效地完成几乎所有的搅,拌操作，并能处理粘度,范围很广的流体。,图,8,25,涡轮式搅拌器,37,表,8,7,涡轮式搅拌器常用参数,型式,常用尺寸,常用运转条件,常用介质粘度范围,流动状态,备注,开式涡轮,d/D=0.2,0.5,(,以,0.33,居多,),b/d=0.2,B,n,=,3,4,6,8,(,以,6,居多,),折叶式,=30,45,60,后弯式,=30,50,60,后弯角,n=10,300r/min,v=4,10m/s,折叶式,v=2,6m/s,小于,50Pas,，,折叶和后弯叶小于,10Pas,平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。,折叶的还有轴向分流，近于轴流型,最高转速可达,600r/min,圆盘上下液体的混合不如开式涡轮,盘式涡轮,d:l:b=20:5:4,d/D=0.2,0.5,(,以,0.33,居多,),B,n,=4,6,8,=45,60,=45,n=10,300r/min,v=4,10m/s,折叶式,v=2,6m/s,小于,50Pas,，,折叶和,后弯叶,小于,10Pa,s,38,结构简单。,适用于粘度在,100Pa,s,以下的流体搅拌，当流,体粘度在,10,100Pa,s,时，可在锚式桨中间加,一横桨叶，即为框式搅,拌器，以增加容器中部,的混合。,图,8,26,锚式搅拌器,39,常用尺寸,常用运转条件,常用介质粘度范围,流动状态,备注,d/D=,0.9,0.98,b/D=0.1,h/D=,0.48-1.0,n=,1,100r/min,v=1,5m/s,小于,100Pa,s,不同高度上的水平环向流,为了增大搅拌范围，可根据需要在桨叶上增加,立叶,和,横梁,表,8,8,锚式搅拌器常用参数,40,选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作,费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。,搅拌器选型依据,搅拌目的,物料粘度,搅拌容器容积的大小,搅拌器的选型,41,仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表,8,9,。,按搅拌目的选型,:,42,搅拌目的,挡板条件,推荐形式,流动状态,互溶液体的混合及在其中进行化学反应,无挡板,三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮,湍流,(,低粘流体,),有导流筒,三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式,有或无导流筒,桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式,层流,(,高粘流体,),固,液相分散及在其中溶解和进行化学反应,有或无挡板,桨式、六叶折叶开启式涡轮湍流,(,低粘流体,),有导流筒,三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式,有或无导流筒,螺带式、螺杆式、锚式,层流,(,高粘流体,),液,液相分散（互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应,有挡板,三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮式、推进式,湍流,(,低粘流体,),表,8,9,搅拌目的与推荐的搅拌器形式,43,液,液相分散（不互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应,有挡板,圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮,湍流,(,低粘流体,),有反射物,三叶折叶涡轮,有导流筒,三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式,有或无导流筒,螺带式、螺杆式、锚式,层流,(,高粘流体,),气,液相分散及在其中强化传质和进行化学反应,有挡板,圆盘涡轮、闭式涡轮,湍流,(,低粘流体,),有反射物,三叶折叶涡轮,有导流筒,三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式,有导流筒,螺杆式,层流,(,高粘流体,),无导流筒,锚式、螺带式,表,8,9,搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）,44,按搅拌器型式和适用条件选型,:,表,8-10,推进式搅拌器,用于低粘度流体的混合，循环能力强，,动力消耗小，可应用到很大容积的搅,拌容器中。,桨式搅拌器,结构简单，在小容积的流体混合中应,用较广，对大容积的流体混合，循环,能力不足。,涡轮式搅拌器,应用范围较广，各种搅拌操作都适用，,但流体粘度不宜超过,50Pa,s,。,锚式、螺杆式、螺带式,适用于高粘流体的混合。,45,表,8,10,搅拌器型式和适用条件,注：有,者为可用，空白者不详或不合用,46,生物反应物料特性及搅拌器,生物反应器特点,:,都是在多相体系中进行的。,气,液,固,三相,即空气或,CO2,等气体产物、,液态培养基和生物细胞及其载体颗粒，,如青霉素、链霉素、头孢菌素等医药产品。,大多数生物颗粒,对剪切力非常敏感,。,剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成,比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在,一定的范围内。,生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器,47,大多数微生物发酵需要,氧气,。,氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致,菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的,供应就成为十分突出的问题。,生物反应搅拌过程要求：,打碎空气气泡，使气泡细化以增加气液接触界面，,提高气液面的传质速率；,发酵液要有较大的流动循环量，使液体中的固形,物保持悬浮状态。,48,结论,搅拌器既要有较强剪切力，又要有,较大的流体循环特性。,往往采用径向流和轴向流相结合的,多层搅拌器组合式搅拌系统。,49,挡板,目的,消除打漩和提高混合效果。,物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌 向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。,打漩,四、搅拌附件,作用,改善反应器内液体流动状态,类型,挡板与导流筒,作用,a.,将切向流,变为,轴向流,径向流,b.,使被搅动液体的湍流程度,改善搅拌效果,50,打漩后果,a.,打漩时几乎不产生轴向混合，而是使多相系统,分层或分离,b.,随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触,外面,空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小,混,合效果降低。,c.,一部分叶轮在空气中运转,使流体对搅拌器振动,阻尼作用,搅拌器振动,挡板形式,纵向挡板，图,8-20,挡板,宽度,w,容器直径的,1/12,1/10,数量,z,一般在容器内壁面均匀安装,4,块挡板,51,全挡板条件,当再增加挡板数和挡板宽度，而功率消耗不再,增加时，称为全挡板条件。,全挡板条件与挡板数量和宽度有关。,永田冶进提出了全挡板条件,:,注意,:a.,传热蛇管可部分或全部代替挡板，,b.,装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。,52,图,8,20,挡板,53,导流筒,作用,a.,导流，可以为流体限定一个流动路线，防止短路,b.,使筒内液体搅拌程度,混合效率,c.,迫使流体高速流过加热面,利于传热,应用,常用于,涡轮式、桨式、推进式搅拌器中，,见图,8-21,54,结构,a.,上下开口圆筒，安装于容器内,b.,通常导流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽，,当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。,c.,导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分，,导流筒直径约为容器直径的,70%,。,d.,当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器,的直径。,55,涡轮式或桨式搅拌器,导流筒置于桨叶的,上方,(b),推进式搅拌器,导流筒套在桨,叶,外面,，或略,高于桨叶,图,8,21,导流筒,56,定义,:,指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功,并使 之发生流动所需的功率。,目的,:a.,设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度,b.,选择电机和减速机等传动装置。,五、搅拌功率计算,区分,:,搅拌器功率,:,即搅拌功率,搅拌作业功率,:,搅拌器使搅拌槽内的液体以最佳方式,完成搅拌过程所需的功率,57,影响搅拌功率的因素：,a.,搅拌器的几何尺寸与转速,:,搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶,倾斜角、转速、单个搅拌器叶片,数、搅拌器距离容器底部的距离等,b.,搅拌容器的结构,:,容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、,导流筒的尺寸等。,c.,搅拌介质的特性,:,液体的密度、粘度。,d.,重力加速度,58,上述影响因素可用下式关联,:,（,8,1,）,式中,B,桨叶宽度，,m,；,d,搅拌器直径，,m,；,D,搅拌容器内直径，,m,；,Fr,弗鲁德准数，,59,h,液面高度，,m,；,K,系数；,n,转速，,1/s,；,密度，,kg/m,3,；,粘度，,Pa,s,。,N,p,功率准数；,P,搅拌功率，,W,；,r,q,指数；,Re,雷诺数，；,60,一般情况下,:,弗鲁德准数,Fr,的影响较小。容器内径,D,、,挡板宽度,b,等几何参数可归结到系数,K,。,由式（,8,1,）得,搅拌功率,P,为：,（,8,2,）,关键求,(,查图,8-27),61,图,8,27,六种搅拌器的功率曲线,(,全挡板条件,),5 10 5 10,2,5 10,3,5 10,4,5 10,5,100,50,10,5,1,0.5,Re=d,2,n/,62,图,8,27,六种搅拌器的功率曲线,(,全挡板条件,),S/d=2,D/d=2.5-6,h/d=2-4,h,1,/d=1,B/d=1/5,D/d=3,h/d=3,h,1,/d=1,B/d=1/8,D/d=3,h/d=3,h,1,/d=1,B/d=1/8 D/d=3,h/d=3,h,1,/d=1,=45,o,曲线,3-,推进式,曲线,4-,二叶平浆,曲线,5-,六弯叶,开式涡轮,曲线,6-,六斜叶,开式涡轮,曲线,1-,六直叶圆盘涡轮,曲线,2-,六直叶开式涡轮,d:l:B=20:5:4,D/d=2-7,h/d=2-4,h,1,/d=0.7-1.6,B/d=1/5,D/d=3,h/d=3,h,1,/d=1,63,低雷诺数,(,Re,10),层流区,:,流体不会打漩，重力影响可忽略，,功率曲线为斜率,-1,的直线；,10,Re,10000,过渡流区,:,功率曲线为一下凹曲线；,Re,10000,充分湍流区,:,功率曲线呈一水平直线，,即,Np,与Re,无关，保持不变。,由图,8,27,可知,:,64,注意,:a.,图,8,27,所示功率曲线只适用于图示六种搅拌器的几何,比例关系。如果比例关系不同，功率准数,N,p,也不同,b.,上述功率曲线是在单一液体下测得的。,对于非均相物系,:,液液或液固,:,用平均,气液,:,通气搅拌功率均相液体搅拌功率,65,六、搅拌轴设计,型式,实心轴,空心轴,轴设计包括,强度,刚度,临界转速,轴封处径向位移,设计步骤,:,计算,d(,危险截面,)d+C,2,圆整为标准轴径。,考虑上述因素计算所得,66,力学模型,:,图,8-28,8-29,假设,:,（,1,）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴；,（,2,搅拌器及轴上的其它零件,(,附件,),的重力、惯性,力、流体作用力均作用在零件轴套的中部；,（,3,）轴受扭矩作用外，还考虑搅拌器上流体的径向,力以及搅拌轴和搅拌器,(,包括附件,),在组合重心,处质量偏心引起的离心力的作用。,67,图,8,28,悬臂轴受力模型,L,e,S,F,A,m,1,F,hi,F,h1,F,e,m,i,L,i,L,1,d,68,图,8-29,单跨轴受力模型,L,e,F,hi,F,h1,F,A,S,m,1,m,i,F,e,d,L,i,L,1,L,69,按强度计算轴径,:,搅拌轴的强度条件是：,（,8,6,）,70,式中,M,弯矩，,M,=,M,R,+,M,A,M,A,由轴向力引起的轴的弯矩，,N,m,；,M,n,扭矩，,N,m,；,M,R,水平推力引起的轴的弯矩，,N,m,；,M,te,轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩，,，,N,m,；,71,W,p,抗扭截面模量，对空心圆轴 ，,m,3,轴材料的许用剪应力，,Pa,max,截面上最大剪应力，,Pa,；,轴材料的抗拉强度,，,Pa,。,则搅拌轴的直径：,（,87,）,72,按刚度计算轴径,:,目的,:,防止轴产生过大扭转,变形,以免在运转中引起,轴的振动,使轴封失效。,应将轴单位长度最大扭转角,限制在允许范围内。,（,8,3,）,轴扭矩的刚度条件为,:,73,式中,d,搅拌轴直径，,m,；,G,轴材料剪切弹性模量，,Pa,；,M,n,max,轴传递的最大扭矩，,N,m,；,n,搅拌轴转速，,r/min,；,P,n,电机功率，,kW,；,空心轴内径和外径的比值；,传动装置效率；,许用扭转角，对于悬臂梁,=,0.35,0,/,m,，,对于单跨梁,=,0.7,0,/m,。,74,故搅拌轴的直径为,（,8,4,）,75,按临界转速校核轴径,:,临界转速,n,c,搅拌轴的转速达到轴自振频率，发生,强烈振动，并出现很大弯曲时的转速。,工作转速应避开临界转速,:,刚性轴,工作转速,低于,第一临界转速的轴,要求,n0.7n,c,柔性轴,工作转速,大于,第一临界转速的轴,要求,n1.3n,c,临界转速,n,c,=f(,支承方式,支承点距离,轴径,),计算方法,小轴,把轴理想化为无质量的带有圆盘的转子,系统来计算轴的临界转速。,大轴,采用等效质量方法,76,等效质量方法,:,把轴本身的分布质量和轴上各个搅拌器的质量,按等效原理,分别转化到一个特定点上,(,如对悬,臂轴为轴末端,S,),累加组成一个集中的等效质量。,把原来复杂多自由度转轴系统简化为无质量轴上,只有一个集中等效质量的,单自由度,问题。,77,悬臂轴,:,按上述方法可,简化为图,8-28,的模型,一阶临界转速,n,c,：,（,8,5,）,悬臂轴两支点间距离，,m,；,式中,E,轴材料的弹性模量，,Pa,；,I,轴的惯性矩，,m,4,L,1,第1,个搅拌器悬臂长度，,m,；,n,c,临界转速，,r/min,；,m,s,轴及搅拌器有效质量在,s,点的,等效质量之和，,z,搅拌器的数量。,78,等直径悬臂轴、单跨轴的临界转速详细计算见文献,64,第,91,99,页。,不同型式的搅拌器、搅拌介质，刚性轴和柔性轴的,工作转速,n,与临界转速,n,c,的比值可参考表,8-11,。,79,搅拌介质,刚性轴,柔性轴,搅拌器,(,叶片式搅拌器除外,),叶片式搅拌器,高速搅拌器,气体,n,/,n,c,0.7,不推荐,液体,液体,液体,固体,n,/,n,c,0.7,和,n,/,n,c,(0.45,0.55),n/n,c,=,1.3,1.6,液体,气体n,/,n,c,0.6,n,/,n,c,0.4,不推荐,表,8,11,搅拌轴临界转速的选取,注：叶片式搅拌器包括：桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、,三叶后掠式、推进式；,不包括：锚式、框式、螺带式。,80,轴封处径向位移的大小直接影响密封的性能，,径向位移大，易造成泄漏或密封的失效。,按轴封处允许径向位移验算轴径,:,（,1,）轴承的径向游隙；,（,2,）流体形成的水平推力；,（,3,）搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。,轴封处的,径向位移,原因：,力学模型,:,图,8-30,81,图,8,30,径向位移,计算模型,S/2,S/2,F,hi,F,h1,L,1,L,i,L,0,82,计算,分别计算其径向位移，然后叠加，使总径向位移,小于允许的径向位移 ，即,（,8,8,）,式中,轴封处的允许径向位移，,mm,通常,K,3,径向位移系数，,当设计压力,p,0.1,0.6MPa,，,n,100r/min,时,一般物料,K,3,0.3,。,83,搅拌轴轴径必须满足,强度,和,临界转速,的要求。,当有要求时，还应满足,扭转变形、径向总位移,的要求。,有关搅拌轴的详细计算及参数的选取见文献,64,第,82,页至第,103,页。,84,减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的措施,:,(1),缩短悬臂段搅拌轴的长度,受到端部集中力作用的悬臂梁，其端点挠度与悬臂长度的三次方成正比。,缩短搅拌轴悬臂长度，可以降低梁端的挠度，这是减小挠度最简单的方法，但会改变设备的高径比，影响搅拌效果。,85,(2),增加轴径,轴径越大，轴端挠度越小。,但轴径增加，与轴连接的零部件均需加大规格，如轴,承、轴封、联轴器等，导致造价增加。,(3),设置底轴承或中间轴承,设置底轴承或中间轴承改变了轴的支承方式，可减小,搅拌轴的挠度。,但底轴承和中间轴承浸没在物料中，润滑不好，如物,料中有固体颗粒，更易磨损，需经常维修，影响生产。,发展趋势是尽量避免采用底轴承和中间轴承。,86,(4),设置稳定器,工作原理：稳定器受到介质阻尼作用力的方向与搅拌器,对搅拌轴施加的水平作用力的方向相反，减,少轴的摆动量。,稳定器摆动时，阻尼力与承受阻尼作用的面,积有关，迎液面积越大，阻尼作用越明显，,稳定效果越好。,采用稳定器可改善搅拌设备的,运行性能，延长轴承的寿命,87,稳定器分类,圆筒型,:,图,8-31,叶片型,:,图,8-32,88,空心圆筒，安装在搅拌器下面,图,8,31,稳定筒,89,（,a,）,叶片切向布置,在搅拌器下面,图,8,32,叶片型稳定器,90,图,8,32,叶片型稳定器,(b),叶片安装在轴,上，并与轴垂直,91,图,8,32,叶片型稳定器,(c)(d),叶片安装在轴,上，并与轴垂直,92,七、密封装置,(,轴封,),作用,:a.,保证搅拌设备内处于一定正压或真空,b.,避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部杂质渗入,搅拌容器内。,型式,填料密封,:,图,8-33,机械密封,:,图,8-35,93,填料密封,特点,:,结构简单，制造容易，,适用,:,低压、低转速，非腐蚀性和弱腐蚀性介质，,密封要求不高，并允许定期维护的搅拌设备。,结构及工作原理：图,8-33,组成：,底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等。,94,工作原理：,靠拧紧压盖螺栓的轴向力使填料产生,径向,变形而起,密封作用。,填料中含有润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的,同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得到,润滑，另一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体,的渗入，达到密封的目的。,95,存在问题：,填料中的润滑剂会在运转中不断消耗，通过设置在填料中间的油环向填料内加油，保持润滑。,填料密封不可能绝对不漏。增加压紧力，填料紧压在转动轴上，会加速轴与填料间的磨损，使密封更快失效。,在操作过程中应适当调整压盖的压紧力，并需定期更换填料。,96,8,33,填料密封的结构,1,压盖,2,双头螺柱,3,螺母,4,垫圈,5,油杯,6,油环,7,填料,8,本体,9,底环,d,D,1,D,2,D,3,1,2,3,4,5,6,7,8,9,97,填料,对材料要求：,有足够的弹性,能吸收实际不可避免的振动,有足够的塑性,压盖压紧下能产生塑性变形,耐磨性,使用寿命,耐蚀性,耐介质及润滑剂浸泡和腐蚀,在填料函压盖压得过紧情况下具有运转自如，不产生破坏性,摩擦和热的性能。,常用材料,非金属,:,多用。石棉、聚四氟乙稀、石墨等,金属,:,用于高温、高压。铝、紫铜、不锈钢等,98,填料选用,:(,表,8-13),润滑剂,:,作用,:a.,润滑搅拌轴,b.,阻止设备内流体的逸出或外部流体的渗入而达到密封,要求,:a.,含油足以提供恰当的润滑,b.,不溶解于所接触的介质,c.,不会污染设备内物料,d.,对所接触的金属不腐蚀,e.,在高温下使用时不易熔出,常用润滑剂,:,油脂、蓖麻油、甘油、石蜡、石墨等,99,填料密封箱,特点,:,在填料箱的压盖上设置衬套,可提高装配精度，使轴有良好对中,填料压紧时受力均匀,保证填料良好密封,成型环状填料,密封效果,（图,-34,）,填料箱体高度,:,由填料圈环数确定,填料压盖,:,高度,h,保证在填料磨损后拧紧螺栓仍能压紧填料,填料组承受压紧力分布情况,:,最大轴向力作用在与压盖相邻的填料环上,随后的填料环,的轴向力则逐个减小。,一个填料组只需二、三个填料环就可,达到密封。但为减轻轴的磨损和保护起密封的环,可多加一些,填料环。,100,图,8,34,压制成型填料,101,材料,公称压力,/MPa,允许压力范围,/MPa,(,负值指真空,),允许温度范围,/,转轴线速度,/,(m/s),碳钢填料箱,常压,0.1,200,1,0.6,0.03,0.6,200,1.6,0.03,16,20,300,不锈钢填料箱,常压,0.1,200,1,0.6,0.03,0.6,200,1.6,0.03,1.6,20,300,表,8,12,标准填料箱的允许压力、温度,102,8,13,填料材料的性能,填料名称,介质极限温度,/,0,C,介质极限压力,/MPa,线速度,/(m/s),适用条件（接触介质）,油浸石棉填料,450,6,蒸汽、空气、工业用水、重质石油产品、弱酸液等,聚四氟乙烯纤维编结填料,250,30,2,强酸、强碱、有机溶剂,聚四氟乙烯石棉盘根,260,25,1,酸碱、强腐蚀性溶液、化学试剂等,石棉线或石棉线与尼龙线浸渍聚四氟乙烯填料,300,30,2,弱酸、强碱、各种有机溶剂、液氨、海水、纸浆废液等,柔性石墨填料,250300,20,2,醋酸、硼酸、柠檬酸、盐酸、硫化氢、乳酸、硝酸、硫酸、硬脂酸、水钠、溴、矿物油料、汽油、二甲苯、四氯化碳等,膨体聚四氟乙烯石墨盘根,250,4,2,强酸、强碱、有机溶液,103,通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称,端面密封,。,机械密封,把转轴的密封面从轴向改为,径向,。,泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长，,在搅拌反应器中得到广泛地应用。,定义：,特点：,104,结构及工作原理,:,结构,:,图,8-35,由固定在轴上的动环及弹簧压紧装置、固定,在设备上的静环以及辅助密封圈组成。,工作原理,:,当转轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触，,并经轴上弹簧压紧力的作用，阻止容器内介质从,接触面上泄漏。,105,1,弹簧；,2,动环；,3,静环,图,8,35,机械密封结构,106,有四个密封点：,A,点,:,动环与轴之间的密封，属静密封,B,点,:,动环和静环作相对旋转运动时的端面密封，属,动,密封，,是机械密封的关键,C,点,:,静环与静环座之间的密封，属静密封,D,点,:,静环座与设备之间的密封，属静密封,密封面,:,动环和静环之间的摩擦面,端面比压,:,密封面上单位面积所受的力,比压,摩擦,功耗,寿命,比压,密封面因压不紧而泄漏，密封失效,107,分类,机械密封,分类,按密封面负荷,平衡情况分为,按密封面,数目分为,单端面,双端面,平衡型,:K,1,图,8-36(a),非平衡型,:K1,图,8-36(b)(c),一对密封面,图,8-35,二对密封面,108,经过适当的尺寸选择，可使机械密封设计成,K,1,，,K=1,或,K,1,。,平衡型机械密封,平衡型密封由于液压负荷面积减小，使接触面上的净负荷也越小。,K=0.6,0.9,K,1,时：,图,8,36,（,a,）,机械密封的,K,值,D,2,D,1,d,p,K1,109,非平衡型。,K=1.1,1.2,K1,时：,图,836(b),、,(c),机械密封的,K,值,D,2,D,1,d,p,D,2,D,1,d,p,K1,K1,110,机械密封已标准化，其使用的压力和温度范围见表,8,14,。,机械密封的选用,:,表,8,14,机械密封许用的压力和温度范围,密封面,对数,压力等级,/MPa,使用温度,/,最大线速度,/(m/s),介质端材料,单端面,0.6,-20,150,3,碳钢,不锈钢,双端面,1.6,-20,300,2,3,当介质为易燃、易爆、有毒物料时，宜选用机械密封。,111,对材料要求,:,动环、静环,:,它们是一对摩擦副,且在运转时与被密封介质接触,考虑耐磨性及耐腐蚀性。,一般,:,动环硬度静环硬度,且不宜用脆性材料,.,动环、静环及密封圈材料的组合推荐见表,815,。,静密封元件,:,密封圈,112,介质性质,介质温度,/,介质侧,弹簧,结构件,大气侧,动环,静环,辅助密封圈,动环,静环,辅助密封圈,一般,80,石墨浸渍树脂,碳化钨,丁睛橡胶,铬镍钢,铬钢,石墨浸渍树脂,碳化钨,丁睛橡胶,80,氟橡胶,氟橡胶,腐蚀性强,80,橡胶包复聚四氟乙烯,铬镍钼钢,铬镍钢,80,表,8,15,机械密封常用动环和静环材料组合,113,机械密封与填料密封比较,:,填料密封,机械密封,密封面性质,密封力,轴和填料是圆柱形,表面接触,靠拧紧压盖螺栓,使填料发生径向,膨胀而产生。轴运转时,轴和填料摩擦发生磨损,密封力,引起泄漏,动环和静环是环形,平面接触,靠弹簧压盖动环和静环产生。两环有微小磨损,密封力基本不变,介质不易泄漏,机械密封比填料密封优越,114,比较项目,填料密封,机械密封,泄漏量,180 450ml/h,一般平均为填料密封的,1%,摩擦功损失,为填料密封的,1015%,轴磨损,有磨损,用久后需换轴,几乎无磨损,维护及寿命,需经常更换填料,很少需要维护,高参数,高压,.,高温,.,高真空,.,高转速,.,大直径轴封很难解决,可以,加工及安装,加工要求一般,填料更换方便,动、静环表面光洁度及平直度要求高,不易加工,成本高,装拆不便,对材料要求,一般,动、静环要求较高减磨性能,115,全封闭密封,(,磁力搅拌,),适用,:,介质为剧毒、易然、易爆、昂贵的物料，高纯度物,资以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料,密封和机械密封均无法满足时的场合。,工作原理,:,套装在输入机械能转子上的外磁转子，和套装在,搅拌轴上的内磁转子，用隔离套使内外转子隔离，,靠内外磁场进行传动，隔离套起到全封闭密封作用。,套在内外轴上的涡磁转子称为磁力联轴器。,磁力联轴器的结构,平面式联轴器,:,图,8-37,套筒式联轴器,:,图,8-38,116,由装在搅拌轴上的内磁转子和装在电机轴上的外磁转子组成,1,外轴,2,外磁转子,3,隔离套,4,内磁转子,5,内轴,图,8,37,平面式联轴器,平面隔离套,117,1,外磁转子,2,内磁转子,3,隔离套,4,反应器筒体,5,轴承,套筒隔离套,图,8,38,套筒式联轴器,118,内、外磁转子,:,磁力传动关键,一般采用永久磁钢,陶瓷型,金属型,稀土钴,a.,无接触和摩擦，功耗,小，效率高；,b.,超载时内外磁转子相对,滑脱，可保护电机过,载；,c.,可承受较高压力，且维,护工作量小。,a.,筒体内轴承与介质直接接,触影响了轴承的寿命；,b.,隔离套的厚度影响传递力,矩，且转速高时造成较大,的涡流和磁滞等损耗；,c.,温度较高时会造成磁性材,料严重退磁而失效，使用,温度受到限制。,优、缺点：,119,气体润滑机械密封,基本原理：,在动环或静环的密封面上开有,螺旋形的槽及孔,。,当旋转时利用缓冲气，密封面之间引入气体，使动环和静环之间产生气体动压及静压，密封面不接触，分离微米级距离，起到密封作用。,特点,:,a.,与常规机械密封相比，使用寿命长，可达,4,年以上，,不需要润滑油系统及冷却系统，维护方便，避免了,产品的污染,b.,与全封闭密封相比，运行费用少，传递功率不受,限制，投资成本低，维护方便。,120,应用,:,适合于反应设备内无菌、无油的工艺要求，特别适用于,高温、有毒气体等特殊要求的场合。,121,包括,电动机,减速机,联轴器,机架,八、,传动装置,图,8-39,122,1,电动机；,2,减速机；,3,联轴器；,4,支架；,5,搅拌轴；,6,轴封装置；,7,凸缘；,8,上封头,图,8,39,传动装置,轴承,123,电机