《设备搅拌器》PPT课件

1 第 九 章 搅 拌 器 的 机 械 设 计教 学 重 点 ：搅 拌 器 的 型 式 及 选 型 2 一 、 作 用 1、 使 物 料混 合 均 匀 第 一 节 概 述 2、 强 化 传热 、 传 质 使 气 体 在 液 相 中 很 好 地 分 散使 固 体 粒 子 （ 如 催 化 剂 ） 在 液 相 中均 匀 地 悬 浮使 不 相 溶 的 另 一 液 相 均 匀 悬 浮 或 充分 乳 化强 化 相 间 的 传 质 （ 如 吸 收 等 ）强 化 传 热 31-搅 拌 器 2-罐 体 3-夹 套 4-搅 拌 轴 5-压 出 管 6-支 座 7-人 孔 8-轴 封 9-传 动 装 置图 9-1 搅 拌 设 备 结 构 图 二 、 结 构 4搅 拌 设 备 搅 拌 装 置轴 封搅 拌 罐 罐 体附 件搅 拌 轴搅 拌 器传 动 装 置 5 第 二 节 搅 拌 器 的 型 式 及 选 型一 、 常 见 型 式 6 二 、 搅 拌 器 的 功 能 提 供 搅 拌 过 程 所 需 要 的 能 量 和 适 宜 的 流 动状 态 ， 以 达 到 搅 拌 过 程 的 目 的 。 浆 叶 旋 转 运 动 ， 产 生 能 量 ， 作 用 于 液 体 ，形 成 流 动 状 态 。 关 键 在 浆 叶 ， 也 与 其 它因 素 有 关 ， 如 介 质 特 性 ， 搅 拌 器 的 工 作环 境 等 。 7 三 、 选 型 搅 拌 器 选 型 搅 拌 目 的 物 料 粘 度 搅 拌 容 器 容 积 的 大 小选 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 。 8 表 9-1 搅 拌 器 型 式 适 用 条 件 表 注 表 中 空 白 为 不 适 或 不 详 ， 为 适 合 。搅 拌 器 型 式 流 动 状 态 搅 拌 目 的 搅 拌 容器 容 积 (m3) 转 速 范围 (r/min) 最 高粘 度(P)对流循环 湍流扩散 剪切流 低粘度混合 高 粘度 液混 合传 热反 应 分散 溶解 固体悬浮 气体吸收 结晶 传热 液相反应涡 轮 式 1100 10300 500桨 式 1200 10300 20推 进 式 11000 10500 500折 叶 开 启 涡 轮 式 11000 10300 500布 尔 马 金 式 1100 10300 500锚 式 1100 1100 1000螺 杆 式 150 0.550 1000螺 带 式 150 0.550 1000 9 四 、 几 种 常 用 搅 拌 器 简 介 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 。 10 1. 桨 式 搅 拌 器 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 9-3 桨 式 搅 拌 器 11 主 要 应 用液 液 系 中 用 于 防 止 分 离 、 使 罐 的 温 度 均 一 ， 固 液 系 中 多 用 于 防 止 固 体 沉 降 。主 要 用 于 流 体 的 循 环 ， 由 于 在 同 样 排 量 下 ， 折 叶 式比 平 直 叶 式 的 功 耗 少 ， 操 作 费 用 低 ， 故 轴 流 桨 叶 使用 较 多 。也 用 于 高 粘 流 体 搅 拌 ， 促 进 流 体 的 上 下 交 换 ， 代 替价 格 高 的 螺 带 式 叶 轮 ， 能 获 得 良 好 的 效 果 。 12 桨 式 搅 拌 器 的 转 速 一 般 为 20 100r/min ，最 高 粘 度 为 20Pas 。缺 点 不 能 用 于 以 保 持 气 体 和 以 细 微 化 为 目 的的 气 液 分 散 操 作 中 。 13 2. 推 进 式 搅 拌 器 推 进 式 搅 拌 器 （ 又 称 船 用 推 进 器 ）常 用 于 低 粘 流 体 中 。结 构标 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 9-4 推 进 式 搅 拌 器 14 搅 拌 时 流 体 由 桨 叶 上 方 吸 入 ， 下 方 以 圆 筒 状 螺 旋 形 排 出 ， 流 体 至 容 器 底 再 沿 壁 面 返 至 桨 叶 上 方 ， 形 成 轴 向 流 动 。特 点 搅 拌 时 流 体 的 湍 流 程 度 不 高 ， 循 环 量 大 ， 结 构 简 单 ， 制 造 方 便 。 循 环 性 能 好 ， 剪 切 作 用 不 大 ，属 于 循 环 型 搅 拌 器 。 15 应 用粘 度 低 、 流 量 大 的 场 合 ， 用 较 小 的 搅 拌 功 率 ， 能 获 得 较 好的 搅 拌 效 果 。主 要 用 于 液 液 系 混 合 、 使 温 度 均 匀 ， 在 低 浓 度 固 液 系中 防 止 淤 泥 沉 降 等 。改 进 容 器 内 装 挡 板 、 搅 拌 轴 偏 心 安 装 、搅 拌 器 倾 斜 ， 可 防 止 漩 涡 形 成 。 16 3 涡 轮 式 搅 拌 器 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 9-5 涡 轮 式 搅 拌 器 17 应 用 涡 轮 式 搅 拌 器 有 较 大 的 剪 切 力 ， 可 使 流 体 微团 分 散 得 很 细 ， 适 用 于 低 粘 度 到 中 等 粘 度 流 体 的混 合 、 液 液 分 散 、 液 固 悬 浮 ， 以 及 促 进 良 好的 传 热 、 传 质 和 化 学 反 应 。 18 4 锚 式 搅 拌 器 结 构 简 单 。适 用 于 粘 度 在 100Pas以 下 的 流 体 搅 拌 ， 当 流体 粘 度 在 10 100Pas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 9-6 锚 式 搅 拌 器 19 锚 式 或 框 式 桨 叶 的 混 合 效 果 并 不 理 想 ， 只 适 用 于 对 混 合要 求 不 太 高 的 场 合 。应 用由 于 锚 式 搅 拌 器 在 容 器 壁 附 近 流 速 比 其 它 搅 拌 器大 ， 能 得 到 大 的 表 面 传 热 系 数 ， 故 常 用 于 传 热 、晶 析 操 作 。常 用 于 搅 拌 高 浓 度 淤 浆 和 沉 降 性 淤 浆 。当 搅 拌 粘 度 大 于 100Pas 的 流 体 时 ， 应 采 用 螺 带式 或 螺 杆 式 。 20 一 、 搅 拌 器 功 率 和 搅 拌 器 作 业 功 率 1、 定 义 搅 拌 功 率 搅 拌 器 功 率 搅 拌 作 业 功 率 第 三 节 搅 拌 器 的 功 率 最 理 想 状 态 ： 搅 拌 器 功 率 搅 拌 作 业 功 率 搅 拌 过 程 进 行 时 需 要 动 力 ， 笼 统地 称 这 一 动 力 时 叫 做 搅 拌 功 率 。为 使 搅 拌 器 连 续 运 转 所 需 要的 功 率 称 为 搅 拌 器 功 率 。 搅 拌 器 使 搅 拌 槽 中 的 液体 以 最 佳 方 式 完 成 搅 拌过 程 所 需 要 的 功 率 。 21 2、 影 响 搅 拌 器 功 率 的 因 素 搅 拌 器 的 几 何 参 数 与 运 转 参 数 搅 拌 槽 的 几 何 参 数 搅 拌 介 质 的 物 性 参 数 22 3、 从 搅 拌 作 业 功 率 的 观 点 决 定 搅 拌 过 程 的 功 率液 体 单 位 体 积 的 平 均 搅 拌 功 率 的 推 荐 值 (表 9 2) 搅 拌 过 程 的 种 类 液 体 单 位 体 积 的 平 均 搅 拌 功 率 /(H p/m3)液 体 混 合 0.09固 体 有 机 物 悬 浮 0.2640.396固 体 有 机 物 溶 解 0.3960.528固 体 无 机 物 溶 解 1.32乳 液 聚 合 (间 歇 式 ) 1.322.64 悬 浮 聚 合 (间 歇 式 ) 1.5851.894气 体 分 散 3.96注 1H p=735.499W表 9-2 不 同 搅 拌 种 类 液 体 单 位 体 积 的 平 均 搅 拌 功 率 23 按 搅 拌 过 程 求 搅 拌 功 率 的 算 图 图 9-7 由 搅 拌 过 程 求 搅 拌 功 率 的 算 图 24 将 该 点 与 某 一搅 拌 过 程 连 线 ，交 于 搅 拌 功 率 线 ，即 可 求 得 该 过 程的 搅 拌 功 率 从 液 体 容 积 值 与 液 体 粘 度 值 连 线 ， 交 于 参 考 线 ； 由 该 点 与 液 体比 重 连 线 ， 并 交于 参 考 线 上 某点 ； 图 9-7 由 搅 拌 过 程 求 搅 拌 功 率 的 算 图 25 一 、 罐 体 的 尺 寸 确 定 罐 体 长 径 比 对 搅 拌 功 率 的 影 响 第 四 节 搅 拌 罐 结 构 设 计 罐 体 长 径 比 对 传 热 的 影 响 需 要 较 大 搅 拌 功 率 的 ， 长 径 比 可 以 选 得 小 些 。 体 积 一 定 时 ， 长 径 比 越 大 ， 表 面 积 越 大 ， 越 利 于 传 热 ； 并 且此 时 传 热 面 距 罐 体 中 心 近 ， 物 料 的 温 度 梯 度 就 越 大 ， 有 利 于传 热 效 果 。 因 此 ， 单 纯 从 夹 套 传 热 角 度 考 虑 ， 一 般 希 望 长 径比 大 一 些 。 1、 罐 体 长 径 比 26 物 料 特 性 对 罐 体 长 径 比 的 要 求 表 93 几 种 搅 拌 罐 的 长 径 比种 类 设 备 内 物 料 类 型 长 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 27 装 料 系 数 初 步 计 算 筒 体 内 径确 定 筒 体 直 径 和 高 度 一 般 取 0.6 0.82、 搅 拌 罐 装 料 量 VV g 3 4 igi DHVD 28 二 、 顶 盖 的 结 构 (自 学 ) 29 一 、 传 动 装 置 第 五 节 传 动 装 置 及 搅 拌 轴 一 般 包 括 电 动 机 、 减 速 装 置 、 联 轴 节 及搅 拌 轴 图 9-8 齿 轮 减 速 机 图 9-9 涡 轮 减 速 机 30 二 、 轴 的 计 算 1、 轴 的 强 度 计 算 2、 轴 的 刚 度 计 算 kp TWd 163 000 100180 PJGT 31 二 、 轴 封 机 械 搅 拌 反 应 器轴 封 主 要 有 两 种轴 的 密 封 装 置 填 料 密 封机 械 密 封避 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 。 目 的 ： 32 1、 填 料 密 封 特 点 ：结 构 简 单 ， 制 造 容 易 ， 适 用 于 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 。填 料 密 封 的 结 构 及 工 作 原 理组 成 ： 底 环 、 本 体 、 油 环 、 填 料 、 螺 柱 、 压 盖 及 油 杯 等 。 33 工 作 原 理在 压 盖 压 力 作 用 下 ， 装 在 搅 拌 轴 与 填 料 箱 本 体 之 间的 填 料 ， 对 搅 拌 轴 表 面 产 生 径 向 压 紧 力 。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 。 34 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 。 35图 9-10 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 36 填 料 密 封 箱 的 特 点 b. 成 型 环 状 填 料 盘 状 填 料 装 配 时 尺 寸 公 差 很 难 保 证 ， 填 料 压 紧 后 不 能 完 全 保 证 每 圈 都 与 轴 均 匀 良 好 接 触 ， 受 力 状 态 不 好 ， 易 造 成 填 料 密 封 失 效 而 泄 漏 。 采 用 具 有 一 定 公 差 的 成 型 环 状 填 料 ， 密 封 效 果 可 大 为 改 善 。 填 料 一 般 在 裁 剪 、 压 制 成 填 料 环 后 使 用 。 成 型 环 状 填 料 的 形 状 见 图 834。a. 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 密 封 在 良 好条 件 下 进 行 工 作 。 37图 9-11 压 制 成 型 填 料 38 当 旋 转 轴 线 速 度 大 于 1m/s时 ， 摩 擦 热 大 ， 填 料寿 命 会 降 低 ， 轴 也 易 烧 坏 。措 施 ： 提 高 轴 表 面 硬 度 和 加 工 精 度 ， 提 高 填 料 自润 滑 性 能 ， 如 在 轴 表 面 堆 焊 硬 质 ； 合 金 或 喷 涂 陶 瓷 或 采 用 水 夹 套 等 。 轴 表 面的 粗 糙 度 应 控 制 在 0.8-0.2m。 39 填 料 密 封 的 选 用b. 根 据 填 料 的 性 能 选 用 ： 当 密 封 要 求 不 高 时 ， 选 用 一 般 石 棉 或 油 浸 石 棉 填 料 ， 当 密 封 要 求 较 高 时 ， 选 用 膨 体 聚 四 氟 乙 烯 、 柔 性 石 墨 等 填 料 。 各 种 填 料 材 料 的 性 能 不 同 ， 按 表 8-13选 用 。a. 根 据 设 计 压 力 、 设 计 温 度 及 介 质 腐 蚀 性 选 用 当 介 质 为 非 易 燃 、 易 爆 、 有 毒 的 一 般 物 料 且 压 力 不 高 时 ， 按 表 8 12选 用 填 料 密 封 。 40 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 10.6 0.03 0.6 2001.6 0.03 1.6 20 300不 锈 钢 填 料 箱 常 压 0.1 200 10.6 0.03 0.6 2001.6 0.03 1.6 20 300表 9-4 标 准 填 料 箱 的 允 许 压 力 、 温 度 41 表 9-5 填 料 材 料 的 性 能填 料 名 称 介 质 极 限温 度 /0C 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 250 300 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 42 2、 机 械 密 封 把 转 轴 的 密 封 面 从 轴 向 改 为 径 向 ， 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 。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 ： 43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 。 机 械 密 封 的 结 构 及 工 作 原 理 结 构 44 1 弹 簧 ；2 动 环 ；3 静 环 图 9-12 机 械 密 封 结 构 45 釜 用 机 械 密封 基 本 结 构 46图 9-13 机 械 密 封 的 基 本 结 构 及 组 成 47 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 。工 作 原 理动 环 与 轴 之 间 的 密 封 ， 属 静 密 封 ， 密 封 件 常 用 “ O”形 环 。A点 ： 图 中 有 四 个 密 封 点 ： 48 B点 ： 动 密 封 ,密 封 的 关 键动 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 。两 个 密 封 端 面 的 平 面 度 和 粗 糙 度 要 求 较 高 ， 依 靠 介质 的 压 力 和 弹 簧 力 使 两 端 面 保 持 紧 密 接 触 ， 并 形 成一 层 极 薄 的 液 膜 起 密 封 作 用 。 49静 环 座 与 设 备 之 间 的 密 封 ， 属 静 密 封 。通 常 设 备 凸 缘 做 成 凹 面 ， 静 环 座 做 成 凸 面 ，中 间 用 垫 片 密 封 。 C点 ： 静 环 与 静 环 座 之 间 的 密 封 ， 属 静 密 封 。D点 ： 50 密 封 面 上 单 位 面 积 所 受 的 力 称 为 端 面 比 压 。它 是 动 环 受 介 质 压 力 和 弹 簧 力 的 共 同 作 用 下 ， 紧 压 在静 环 上 引 起 的 ， 是 操 作 时 保 持 密 封 所 必 需 的 净 压 力 。造 成 摩 擦 面 发 热 ， 摩擦 加 剧 ， 功 率 消 耗 增加 ， 使 用 寿 命 缩 短端 面 比 压 ： 密 封 面 因 压 不 紧 而泄 漏 ， 密 封 失 效端 面 比 压 过 大 ： 端 面 比 压 过 小 ：动 环 和 静 环 之间 的 摩 擦 面 称为 密 封 面 51 机 械 密 封 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 非 平 衡 型 一 对 密 封 面二 对 密 封 面 52双 端 面 密 封 有 二 个 密 封 面 ， 且 可 在 二 密 封 面 之 间 的 空 腔中 注 入 中 性 液 体 ， 使 其 压 力 略 大 于 介 质 的 操 作 压 力 ， 起到 堵 封 及 润 滑 的 双 重 作 用 ， 故 密 封 效 果 好 。 但 结 构 复 杂 ，制 造 、 拆 装 比 较 困 难 ， 需 一 套 封 液 输 送 装 置 ， 且 不 便 于维 修 。 a. 单 端 面 与 双 端 面 图 8 35所 示 的 单 端 面 密 封 结 构 简 单 、 制 造 容 易 、 维 修方 便 、 应 用 广 泛 。 53 b. 平 衡 型 与 非 平 衡 型 根 据 密 封 面 负 荷 平 衡 情 况 分 为 平 衡 型 和 非 平衡 型 。平 衡 型 与 非 平 衡 型 是 以 液 体 压 力 负 荷 面 积 对端 面 密 封 面 积 的 比 值 大 小 判 别 的 。 54 总 复 习 提 示先 复 习 作 业复 习 书 上 例 题全 面 复 习 ， 重 点 掌 握