摘 要：文章介紹了機(jī)械攪拌設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的思路，在滿足工藝條件下進(jìn)行攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分析了攪拌過程原理、攪拌器型式和攪拌罐體及攪拌軸的設(shè)計(jì)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：攪拌設(shè)備；設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)計(jì)算

攪拌操作可以使兩種或兩種以上的物料在外界力的作用下加速流動(dòng)，從而使不同的物料在彼此之間相互分散，達(dá)到均勻混合，加速傳熱和傳質(zhì)的目的。攪拌的物料可以是液相、固相和氣相，其中液相流體較多。通過攪拌設(shè)備的工藝過程可以使相溶的液相物料均勻混合，使不相溶的另液相均勻乳化，使氣體在液相中均勻的分散，使固體粒子在液相中均勻懸浮。攪拌設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中被用于物料混合、溶解、乳化、吸收、萃取、化合以及傳熱等工藝過程。在食品、醫(yī)藥、化工、水處理等工業(yè)生產(chǎn)中，帶有攪拌裝置的化工設(shè)備應(yīng)用范圍很廣。由于機(jī)械攪拌操作條件可控范圍較大，能適應(yīng)多樣化的工業(yè)生產(chǎn)，因此機(jī)械攪拌設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。

機(jī)械攪拌設(shè)備由攪拌罐體和攪拌裝置兩大部分組成。攪拌罐體是攪拌液相流體為主體介質(zhì)進(jìn)行各種物理、化學(xué)過程的容器。攪拌裝置由攪拌器、攪拌軸、軸封和傳動(dòng)裝置組成，傳動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器和機(jī)架。機(jī)械攪拌設(shè)備在工作中，由攪拌器的運(yùn)動(dòng)加速物料在罐體中完成物理、化學(xué)工藝過程。

由于攪拌設(shè)備的使用目的不同，機(jī)械攪拌操作可用于不同的行業(yè)，攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)也是多種多樣，但都是通過物料的流動(dòng)達(dá)到攪拌的目的。在攪拌罐體內(nèi)，物料的流動(dòng)狀態(tài)與攪拌罐體的形狀、有無擋板及攪拌器的形狀、安裝位置、轉(zhuǎn)速等因素相關(guān)。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械攪拌設(shè)備時(shí)，應(yīng)對(duì)這些相關(guān)的因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足所需工藝參數(shù)的前提下，利用最小的功率消耗達(dá)到攪拌的目的。

1 工藝參數(shù)的設(shè)定

為了設(shè)計(jì)機(jī)械攪拌設(shè)備應(yīng)有工藝條件參數(shù)。了解攪拌設(shè)備的工作條件，如壓力、溫度，熟悉在工作條件下的物料特性，如密度、粘度、毒性、腐蝕性等。同時(shí)還應(yīng)確定攪拌的目的及相應(yīng)的操作方法，如加料方式。攪拌物料中是否有固體粒子，若有應(yīng)確定固體粒子的存在形式，如溶解、懸浮、沉淀等。根據(jù)這些參數(shù)或工藝要求進(jìn)一步確定與物料接觸的部件的材質(zhì)，判定電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境和減速機(jī)的負(fù)載情況，確定軸封的使用條件。根據(jù)攪拌容積和充裝系數(shù)設(shè)定攪拌罐體的結(jié)構(gòu)及尺寸。根據(jù)攪拌過程中物料的流動(dòng)狀態(tài)可選定攪拌器的型式并確定是否設(shè)置擋板。

2 攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 攪拌罐體的結(jié)構(gòu)及尺寸

機(jī)械攪拌設(shè)備一般為立式圓筒形結(jié)構(gòu)，上部分有橢圓形封頭、平蓋結(jié)構(gòu)，分可拆和不可拆，下部分有橢圓形封頭、錐形底、平底結(jié)構(gòu)。換熱型式分為內(nèi)部換熱和外部換熱。依據(jù)工藝要求，內(nèi)部換熱可選盤管、蛇形管等換熱裝置，外部換熱可采用整體型夾套、半圓管等結(jié)構(gòu)進(jìn)行換熱。攪拌罐體屬于壓力容器范圍時(shí)，應(yīng)按照GB150進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)罐體和夾套有壓力時(shí)，一般選用橢圓形封頭，為了出料需要也可選用圓錐形的罐底。攪拌罐體的容積一般為攪拌容積的1.25倍，對(duì)于發(fā)酵罐類的情況需適當(dāng)增加罐體容積。攪拌罐體高度與內(nèi)經(jīng)之比（H/Di）通常情況下可取1～2，發(fā)酵罐類可取1.7～2.5。為了物料有上下方向的循環(huán)流動(dòng)，罐體內(nèi)部可設(shè)置擋板，擋板垂直安裝，寬度為罐體內(nèi)徑的1/12～1/8。擋板與罐體內(nèi)壁要有間距避免物料在擋板處停滯。

罐體尺寸可按照公式計(jì)算：

將Di計(jì)算結(jié)果圓整到公稱直徑系列。

根據(jù)罐體高度與內(nèi)經(jīng)之比可計(jì)算出高度H值。

再根據(jù)計(jì)算出的高度和內(nèi)徑值驗(yàn)證是否符合工藝要求。

帶有夾套的罐體還應(yīng)計(jì)算夾套的尺寸。夾套內(nèi)徑一般比罐體內(nèi)徑大50～200mm。夾套高度按照傳熱面積核算。

攪拌罐體的強(qiáng)度計(jì)算按GB150規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

2.2 攪拌器的選定

攪拌設(shè)備通過攪拌器的運(yùn)轉(zhuǎn)完成攪拌操作過程。不同的攪拌目的需要不同的攪拌過程，選擇攪拌器的型式是攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)中重要的一步。攪拌罐體的結(jié)構(gòu)、尺寸、擋板的設(shè)置情況、物料在罐體中的狀態(tài)都是選定攪拌器應(yīng)考慮的因素，這些因素以及攪拌器的結(jié)構(gòu)、尺寸、安裝位置、旋轉(zhuǎn)速度都會(huì)影響攪拌作用。

攪拌作用是由攪拌器上的葉輪對(duì)物料的排出產(chǎn)生流體速度和流體剪切，葉輪的輸入能量P主要消耗于物料在罐體內(nèi)形成循環(huán)流Q和產(chǎn)生剪切力？子。循環(huán)作用可以使物料產(chǎn)生對(duì)流、介質(zhì)易位，防止固體粒子沉淀，如斜葉開啟渦輪和推進(jìn)式攪拌器主要產(chǎn)生軸向流，高排液量，低剪切性能，有較好的對(duì)流循環(huán)，動(dòng)力消耗較低，在大容量均相、混合過程中應(yīng)用最能體現(xiàn)其優(yōu)勢，在低黏度液體傳質(zhì)、反應(yīng)、固體粒子的懸浮、溶解等過程應(yīng)用廣泛。剪切作用可以使氣泡打碎、不溶液相乳化，如平直葉槳式和圓盤渦輪主要產(chǎn)生徑向流，具有極高的剪切力，分散能力強(qiáng)，特別適合于氣體的分散、吸收過程和乳化、傳熱以及非均相反應(yīng)操作。

對(duì)于循環(huán)作用和剪切作用，不同型式的攪拌器有不同的側(cè)重點(diǎn)。在一定的能量消耗情況下循環(huán)作用和剪切作用是相互消減的，為提高攪拌效率，應(yīng)考慮有一個(gè)起主導(dǎo)作用達(dá)到某個(gè)攪拌目的。攪拌器葉輪按其作用分為具有強(qiáng)循環(huán)性能的葉輪、強(qiáng)剪切作用的葉輪以及兩者兼具的葉輪，設(shè)計(jì)時(shí)從物料的特性和攪拌目的選擇攪拌器型式。

攪拌器葉輪的大小直接影響排出性能，影響動(dòng)力消耗，進(jìn)而影響攪拌進(jìn)程。葉輪大小用槳徑和葉寬來衡量。槳徑的大小與攪拌器的型式和罐體有關(guān)，一般槳徑與罐徑之比d/D=0.35～0.8，在低黏度液體攪拌時(shí)物料流動(dòng)性好，能量傳遞容易，槳徑相對(duì)小些，在高黏度液體攪拌時(shí)轉(zhuǎn)速較低，槳徑可以大些。葉寬影響攪拌器的動(dòng)力消耗，動(dòng)力消耗隨葉寬增加而增加。

根據(jù)攪拌器葉輪的攪拌能力確定攪拌器在攪拌軸上的安裝層數(shù)，當(dāng)液體較深時(shí)設(shè)置多層攪拌器。對(duì)低黏度液體一般設(shè)置1～2層攪拌器即可，下層攪拌器距罐底的高度一般為槳徑的0.8～1.2倍。對(duì)于高黏度液體或有沉降性高的固體時(shí)至少設(shè)置2層葉輪以增加物料的流動(dòng)性，防止出現(xiàn)攪拌死角，下層攪拌器應(yīng)靠近罐底，能使固體粒子均勻懸浮。

攪拌器轉(zhuǎn)速根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相似放大或縮小。當(dāng)采用試驗(yàn)來完成對(duì)某一攪拌目的進(jìn)行評(píng)估時(shí)就會(huì)得出各種因數(shù)，有轉(zhuǎn)速和其他因數(shù)之間的關(guān)系就可以確定所需要的轉(zhuǎn)速。

攪拌器的型式選定后，還需對(duì)攪拌器葉輪進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核，以保證葉輪在工作中的安全。

2.3 攪拌功率的計(jì)算

攪拌操作過程中需要消耗動(dòng)力，這種動(dòng)力就是攪拌功率。影響攪拌功率的因素很多，在確定了罐體的高度、直徑，擋板設(shè)置情況和攪拌器的形狀、直徑、寬度和轉(zhuǎn)速后，由工藝條件可知物料的密度、黏度，可以按均相攪拌計(jì)算攪拌所需的功率，攪拌功率按下式計(jì)算：

P=Np？籽n3d5

式中：P-攪拌功率，W；NP-攪拌功率準(zhǔn)數(shù)；？籽-物料密度，kg/m3；n-攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；d-攪拌葉輪直徑，m。

由于物料密度？籽、轉(zhuǎn)速n、葉輪直徑d三個(gè)參數(shù)易得到，故計(jì)算攪拌功率的關(guān)鍵是求出功率準(zhǔn)數(shù)NP。

攪拌罐體及攪拌器的結(jié)構(gòu)與尺寸、物料的特性、重力加速度等影響攪拌功率，計(jì)算功率準(zhǔn)數(shù)NP可以用算圖直接求取，還可以用公式計(jì)算。工程中常采用的是永田進(jìn)治的攪拌功率計(jì)算式[1]，對(duì)攪拌罐體無擋板設(shè)置的情況下，雙葉斜槳和雙葉平槳的計(jì)算式如下：

式中，A、B、p為方程式參數(shù)，可由b/D和d/D計(jì)算：

式中：Re-攪拌雷諾數(shù)；？茲-攪拌器葉輪傾斜角，°；b-攪拌器葉輪的寬度，m；d-攪拌器葉輪直徑，m；？滋-物料黏度，Pa·s。

攪拌罐體內(nèi)設(shè)置擋板的情況下，會(huì)使攪拌功率提高。擋板系數(shù)計(jì)算式[1]如下：

式中：Kb-擋板系數(shù)；nb-擋板數(shù)量；Wb-擋板寬度。

當(dāng)Kb=0.35，為全擋板條件，攪拌功率最大；當(dāng)0

雙葉平槳在全擋板時(shí)的雷諾數(shù)Rec 計(jì)算式如下：

雙葉斜槳在全擋板時(shí)的雷諾數(shù)Re？茲計(jì)算式如下：

部分擋板時(shí)的Np∞與全擋板時(shí)的Npc和無擋板時(shí)的Np的關(guān)系如下：

其它攪拌器葉輪的功率計(jì)算在技術(shù)設(shè)計(jì)中，有時(shí)會(huì)依據(jù)以往工程業(yè)績或根據(jù)幾何相似放大法把試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大進(jìn)行估算攪拌功率。

2.4 電動(dòng)機(jī)的選型

攪拌設(shè)備主要靠電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)的選擇除考慮工作環(huán)境外，還得選擇合適的額定功率。電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)考慮攪拌操作所需功率、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率等。除此還應(yīng)考慮計(jì)算偏差和操作條件引起的變量、軸封摩擦產(chǎn)生的損失等。按此估算電動(dòng)機(jī)的額定功率：

Pe=P/？濁

式中：Pe-電動(dòng)機(jī)額定功率；？濁-總效率，一般為0.6～0.8。

將計(jì)算結(jié)果圓整取值，并考慮電動(dòng)機(jī)功率等級(jí)，選擇合適的電動(dòng)機(jī)。

2.5 減速機(jī)的選型

電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)輸出適合攪拌操作需要的轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)按照電動(dòng)機(jī)功率P和輸出轉(zhuǎn)速n選擇減速機(jī)的型號(hào)，還應(yīng)考慮攪拌工藝條件、安裝空間、工作狀況等因素并參照減速機(jī)類型表確定選擇何種類型的減速機(jī)。

減速機(jī)有齒輪減速機(jī)、皮帶減速機(jī)等，齒輪減速機(jī)較為常用。減速機(jī)有多種安裝方式，可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。減速機(jī)根據(jù)傳動(dòng)比的范圍有單級(jí)傳動(dòng)和多級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比按所需輸出轉(zhuǎn)速確定。

確定減速機(jī)型號(hào)后，根據(jù)攪拌操作條件和相應(yīng)的工藝要求，確定減速機(jī)輸出軸軸頭的型式和軸頭尺寸大小，再選擇相應(yīng)的聯(lián)軸器、機(jī)架的規(guī)格型號(hào)。

2.6 機(jī)架的選型

立式攪拌設(shè)備的動(dòng)力裝置是通過機(jī)架安裝在攪拌設(shè)備頂部上的，在機(jī)架上還需安裝聯(lián)軸器和軸封等。根據(jù)機(jī)架中間軸承裝置可分為無支點(diǎn)、單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)三類，無支點(diǎn)的機(jī)架適用于軸向力較小且負(fù)載均勻的場合，單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)機(jī)架改善了攪拌軸的支撐條件，可以承受軸向雙向載荷，適用于有沖擊條件下的場合。當(dāng)攪拌軸系受兩個(gè)獨(dú)立支撐時(shí)，減速機(jī)輸出軸與攪拌軸必須采用彈性聯(lián)軸器連接，帶有輔助支撐的軸封及罐體內(nèi)設(shè)中間軸承或底軸承的情況是為了提高攪拌軸的旋轉(zhuǎn)精度的，因此應(yīng)將這兩種支撐看作獨(dú)立支撐。

2.7 攪拌軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

攪拌器通過攪拌軸傳遞扭矩克服流體阻力做功，攪拌器葉輪表面受到流體作用力，攪拌軸受到反作用力可分解為軸向力和一對(duì)力偶，由于攪拌器的復(fù)雜工作環(huán)境使攪拌軸的受力變得復(fù)雜。除此攪拌軸還受其他載荷，如軸和攪拌器的自重引起的重力，軸和攪拌器的質(zhì)量偏心在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，克服軸承、軸封的摩擦力等。在工程上提出的攪拌軸的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是對(duì)其工作條件做出假設(shè)并簡化，將軸上的一些次要且難于計(jì)算的因素舍去，得到近似的計(jì)算方法。

攪拌軸工作時(shí)主要受到扭矩和彎矩的聯(lián)合作用，因此工程上采用下面的近似計(jì)算方法對(duì)軸的強(qiáng)度和剛度計(jì)算。

按扭矩計(jì)算軸的強(qiáng)度時(shí)忽略軸上其他載荷的作用，不考慮疲勞強(qiáng)度，引入安全系數(shù)的辦法彌補(bǔ)計(jì)算誤差。軸上受扭矩時(shí)其截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。其扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件是：

式中：？子max-截面上最大剪應(yīng)力，MPa；Mt-軸所傳遞的扭矩，N·mm；Wt-抗扭截面系數(shù)，mm3；[？子]k-降低后的扭轉(zhuǎn)許用剪應(yīng)力，MPa。

計(jì)算攪拌軸傳遞的最大扭矩Mt：

式中：n-攪拌軸轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；Pt-攪拌傳遞功率，kW。

攪拌軸抗扭截面系數(shù)Wt：

式中：d-實(shí)心軸的直徑，mm。

整理后得攪拌軸最小實(shí)心軸徑計(jì)算公式：

按扭矩和彎矩計(jì)算軸的強(qiáng)度時(shí)軸所傳遞的最大扭矩為：

攪拌軸最大的彎矩由流體作用力與支撐點(diǎn)間距離的乘積之和。

用剪應(yīng)力計(jì)算得最小軸徑為：

用拉應(yīng)力計(jì)算得最小軸徑為：

式中：Li-徑向載荷作用點(diǎn)至支撐點(diǎn)間距離，mm；Fh-作用于攪拌器的徑向載荷，N；[？子s]-正常操作下軸的許用剪應(yīng)力，MPa；[？滓t]-正常操作下軸的許用拉應(yīng)力，MPa。

為了保證攪拌軸正常工作應(yīng)避免產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，需將軸的變形控制在允許范圍內(nèi)。工程上常用單位長度的比扭轉(zhuǎn)角？酌不得超過許用比扭轉(zhuǎn)角[？酌]作為條件計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度。

完成攪拌軸的強(qiáng)度和剛度計(jì)算后，還應(yīng)考慮軸的臨界轉(zhuǎn)速和繞曲變形。當(dāng)攪拌軸的轉(zhuǎn)速接近軸的自振頻率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，對(duì)臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核，防止共振發(fā)生，避免軸系零部件的損害。攪拌軸撓曲變形直接影響軸的壽命，同時(shí)對(duì)軸封的性能有很大的影響，應(yīng)將撓曲變形控制在允許范圍內(nèi)。最終攪拌軸的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮鍵槽或孔引起的局部削弱，應(yīng)力不均勻帶來的影響等。

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