食品加工工业搅拌设备的设计.doc

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1、1绪论1.1搅拌的目的和功用1.1.1搅拌的作用搅拌操作是通过搅拌器的作用，使流体物料在搅拌槽内按一定的流型流动，从而达到使物料混合或分散均匀的目的。在食品、纤维、造纸、石油、水处理等工业生产中，搅拌作为工艺流程的一部分独立存在。搅拌操作可以使两种或者多种不同的物质在彼此之中相互分散，从而达到均匀混合，同时加速传热和传质的过程。在工业生产尤其是化学工业生产中，无论是加热、冷却、液体萃取、气体吸收等物理变化，还是化学工艺中的种种化学变化，都是以物质的充分混合为前提，往往需要采用搅拌操作才能得到很好的效果。搅拌设备 是工业中专门用于实施搅拌行为的设备，应用相当广泛。搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅

2、拌罐三大部分组成。搅拌设备的主要作用是达到使物料均匀混合、强化传热的效果，对于具体的搅拌过程还可以使气体在液相中很好地分散、固体粒子在液相中均匀悬浮、不相溶的某一液相均匀悬浮或者充分乳化、以及强化相间的传质。1.1.2搅拌的功用在工业生产中，搅拌操作一般具有下列功用:1、使互溶物料均匀混合。2、使不互溶物料很好地分散或悬浮，包括气相在液相中的均匀分散、固相颗粒在液相中的均匀悬浮、一种液相在另一种液相中的均匀悬浮或充分乳化。3、强化传热或传质过程。正因为搅拌操作具有上述功用，其在工业生产特别是在化工生产中的应用非常广泛，是常见的单元操作之一。由于本课题所涉及的生化反应中需要菌体、酶和废水充分混合

3、，而且在有氧生化反应中有热量放出。而搅拌可以使物料均匀混合和增大传热系数，从而可以促进反应热快速地传出，防止物料的局部过热，保证细菌的活力。（图1.1）搅拌设备示意图1.2搅拌设备和工艺的发展虽然搅拌设备的使用历史悠久，应用范围较广泛，但对搅拌以及搅拌设备的相关研究还不是十分深入。结构设计工艺性随客观条件的不同及科学技术的发展而变化。影响结构设计工艺性的因素大致有生产类型，制造条件，工艺技术的发展三个方面。1、生产类型 生产类型是影响结构设计工艺性的首要因素。当单件、小批生产零件时，大都采用生产效率较低、通用性较强的设备和工艺装备，采用普通的制造方法，因此，机器和零部件的结构应与这类工艺装备和

4、工艺方法相适应。在大批大量生产时产品结构必须与采用高生产率的工艺装备和工艺方法相适应。所以，在单件小批生产中具有良好工艺性的结构，往往在大批量生产中，其工艺性并不一定好，反之亦如此。因此当产品由单件小批量生产扩大到大批量生产时，必须对其结构工艺性进行审查和修改，以适应新的生产类型的需要。2、制造条件 机械零部件的结构必须与制造厂的生产条件相适应。具体生产条件应包括：毛坯的生产能力及技术水平；机械加工设备和工艺装备的规格及性能；热处理的设备及能力；技术人员和工人的技术水平；辅助部门的制造能力和技术力量等。3、工艺技术的发展 随着生产不断发展，新的加工设备和工艺方法不断出现。精密铸造、精密锻造、精

5、密冲压、挤压、镦锻、轧制成形、粉末冶金等先进工艺，使毛坯制造精度大大提高；真空技术、离子氮化、镀渗技术使零件表面质量有了很大的提高；电火花、电解、激光、电子束、超声波加工技术使难加工材料、复杂形面、精密微孔等加工较为方便。1.3搅拌装置的组成搅拌装置是搅拌设备的主体部分，其中包括传动装置，搅拌轴，搅拌器。搅拌设备中具有独立的传动机构，一般有电动机，减速装置，联轴器以及搅拌轴统一组成。搅拌设备选用电动机一般根据搅拌需要确定系列，功率，转速以及安装形式，防爆要求等几项内容。电动机有D2，T2，D2/T2，L3，D2/L3等几种不同的安装形式，常用的电动机有一般异步电动机，变速异步电动机，防爆异步电

6、动机。由于搅拌器的转速比电动机的速度要低的多，所以传动机构中必须要有一定的减速装置。不同的减速装置也决定了搅拌器传动方式的不同。常用的减速装置有齿轮减速机，涡轮减速机，三角皮带以及摆线针齿行星减速机等。设计人员在减速机的具体选型过程中主要应参考以下几个方面的因素：1、 出轴旋转方向单向或双向2 、搅拌轴轴向力方向以及减速机是否承受轴向力3 、传动比，功率，进出轴的转速。两轴的相对位置4、 防爆或非防爆5、 外型尺寸需要满足安装与检修的要求6 、工作平稳性，如震动和载荷变化情况连轴器与搅拌轴的设计，是搅拌设计的重点。设计过程中先后需要经理选型，功率计算，强度计算轴径计算等环节。（图1.2）搅拌设

7、备装置示意图（图1.3）常规搅拌设备内部（图1.4）一般搅拌设备总体安装外部（图1.5）组合式搅拌设备2搅拌器总体设计2.1设计计划2.1.1设计要求搅拌操作是应用最广泛的化工单元操作之一。例如在食品、染料、制药、油漆等生产中，几乎所有的反应装置都装有不同类型的搅拌装置。搅拌能使物料产生流动，分散，细微化，从而可以增加接触面积，降低界面阻力，以促进传质过程的进行。搅拌能增加传热速率，提高传热系数，促进传热过程。在激烈的温度变化和浓度变化的场合，通过搅拌充分混合，可以消除局部过热和局部反应，防止较多副产物的生成。在固一液系统中搅拌可防止颗粒沉降，促进固体颗粒的溶解。在吸附和结晶过程中，搅拌能增加

8、表面吸附作用，以及析出均匀的结晶等。总之搅拌操作与反应、传热、吸附、溶解、结晶等单元操作均有密切的关系。 本次设计的搅拌器主要是特定针对液体-液体和液体-溶解固体混合搅拌，假设在一个食品加工厂需要安装在一个特定搅拌容器里不间断搅拌能够互溶液体原料（主要是水密度液体）。使原料水、液体原料和少量的完全溶解固体原料成分充分均匀的拌和。搅拌容器内壁光滑，没有加热棒和导流设备，D=3m，H=3m,液面高不高于2.6m不低于2m容器内无挡板和倒流槽。液体原料由容器上部装入下部排出，少量固体原料在搅拌过程中由容器上部装料口装入，需要注意的是在搅拌过程中不能使液体流量过快以避免液体由于过于剧烈流动而使液体中混

9、入大量空气和使原料局部温度升高导致整体温度不平衡。在食品加工工业中有很多需要搅拌设备的工序，最普遍的例如饮料、饮品的加工制作，食品提纯、稀释等。在本次设计中我们还针对特定的场合在完成设计标准的同时对搅拌器的设计提出了下列要求：1、 为了经济性能优越，出于节省能源的目的，所设计的搅拌器的搅拌功率尽可能小。2、 搅拌效果也就是排液量尽可能大，这样可以使整个容器中的液体充分的搅拌均匀，最好效果的完成搅拌。为了尽可能的设计出符合本次设计要求的设备，我们首先要根据本次要求进行完整的初步设计，然后在经过不断的设计优化。2.1.2设计步骤及程序制定搅拌设备的设计过程没有标准的严格的设计步骤。其原因主要有两点

10、：1工业中应用体系的混合目的、物料性质和搅拌设备形式的多样性，以及物料在搅拌设备中流动的复杂性。2 缺乏公认的搅拌效果评价标准，使搅拌设备设计难以在一个严密的理论指导下完成，在很大程度上仍依赖于经验。 搅拌设备的设计首先要考察过程目标，对过程的体系、性质、要求的目标进行了解。然后从搅拌器 设计角度分析搅拌任务的尺度和难度。所谓尺度是指搅拌体系中物料的量。所谓难度是指达到搅拌效果所需要克服的阻力。在此基础上可选定搅拌器的型式， 叶轮尺寸，转速及所需功率。然后确定搅拌器的安装尺寸及附件等。搅拌器设计好之后还要在满足工艺条件的要求下从经济角度进行优化。搅拌器的设计基本程序一般为：搅拌条件的设定和确认

11、搅拌叶轮型式及附件的选定。确定叶轮尺寸及转速，计算搅拌功率。 物料性质从有关图表资料中查出该物料系统的相关物理、化学性质。如粘度、密度 等。任务搅拌任务的基本内容包括：明确被搅拌的物料系统；搅拌操作所要达到的目的；搅拌物料的处理量(间歇操作按一个周期的批量、连续操作按时班或年处理量)；明确有无化学反应、有无热量传递等。搅拌器选型目前尚无完善的客观尺度，往往在同一搅拌目的下，几种搅拌器均可适用。实际选用时，首先应考虑在达到搅拌目的的同时，力求消耗较小的功率。根据搅拌叶轮的一般选择原则，在叶轮选定之后，还应考虑叶轮直径的大小与转速的高低。搅拌器的选型不能满足于从同类工艺中借鉴，还应根据任务要求具体

12、分析。搅拌装置机械设计中各项程序简要说明如下：1 确定操作参数：搅拌器操作的压力和温度、搅拌的容积和时间、连续或间歇操作、叶轮的直径和转速、物料的有关性质和物料系统的运动状态等，都属于操作参数，而最基本的目的则是要通过有关参数，计算搅拌的雷诺数，确定流动类型，进而计算功率消耗。2 结构设计：在确定搅拌器类型和操作参数的基础上进行结构设计，其主要内容是确定叶轮构型的几何尺寸、搅拌槽的几何形状和尺寸。3 功率计算：搅拌槽的功率计算包括两个步骤：第一步 确定搅拌的净功率消耗；第二步 确定适当的电动机额定功率，进而选用适当的电动机。4 传热计算：搅拌操作过程中存在热量传递时，应进行传热计算，其主要目的

13、是核算搅拌装置提供的传热面积是否满足传热的要求。5 机械设计：在完成上述各项设计程序的基础上，通过机械设计，确定传动机构，进行必要的强度计算，并提供搅拌器的全部加工尺寸，最后应绘制零部件加工图和总体配装图，以便组织加工与安装。实际的搅拌设备设计放大过程还需要进行多次的反复计算才能设计出符合各种标准的实用的最优设备。2.2搅拌器的设计2.2.1确定搅拌的种类和形状2.2.1.1确定搅拌器的种类搅拌作为一种单元操作，涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多领域知识，是一个相当复杂的操作过程。搅拌以使搅拌介质的各部分接近均质为目的，操作过程中会受到许多因素的影响。但无论搅拌过程如何复杂多变，无一不是通

14、过搅拌器或者其他手段，使搅拌设备内的流体产生适当的流动状态，并在特定的流动状态中达到各种所需的搅拌目的。流动场问题和搅拌能量问题一直是搅拌过程所研究的主要课题。不同操作目的的搅拌过程需要不同的流动场、需要供给能量的多少也不同。按照搅拌介质的相态，搅拌过程可以分为均相系和非均相系两大类。前者为互溶液体的搅拌，后者包括不互溶液体的搅拌、气一液相的搅拌和固一液相的搅拌.当搅拌介质粘度特别高的时候，其流动状态具有相当的特殊性，所以一般又单独分类为高粘度液的搅拌。总之，不同的搅拌过程对搅拌的要求有着明显的不同。互溶液体的搅拌旨在使两种或数种液体相互之间达到浓度、密度、温度以及其他物性的均匀状态。 式（2

15、.1）式（2.2）tm-混合时间（s）n-搅拌浆转速（rpm）k-比例系数，决定于示踪物的判定方式和混合终了的判定条件，一般情况取0.1dj-搅拌器直径（mm）D-搅拌槽直径（mm）NQd-排出流量数（m3/s）由上式判断当搅拌速度为11000时搅拌器直径约为400mm1000mm之间，所以初设定搅拌器的直径在3001000之间搅拌罐内液体的循环速度取决于循环流动液体的体积流量。从叶轮直接排出的液体体积流量，称为叶轮的“排液量”。参与循环流动的所有液体的体积流量，称为“循环流”。由于叶轮排出流产生的夹带作用，循环流可远远大于排液量，二者差别的大小取决于排出流的夹带能力。对于几何相似的叶轮，其排

16、液量Q,、叶轮直径d和转速。之间存在如下的关系： 式（2.3）式中Q1一叶轮的排液量，m3/sn 一叶轮的转速，r/sd 一叶轮的直径，m在离心泵中，压头(扬程)就是离心泵对单位重量(1N)液体所提供的有效能量，单位为J/N或m。与离心泵叶轮的作用相似，搅拌器的叶轮在旋转时既能使液体产生流动又能产生用来克服摩擦阻力的压头。一般用速度头的倍数来表示压头。液体离开叶轮的速度，于是压头可表示为： 式（2.4）式中 H一 压头，m；u 一 液体离开叶轮的速度，m/s由于搅拌器叶轮的排液量和压头均与离心泵的流量和压头存在相似的关系，所以搅拌器叶轮所消耗的功率N和离心泵的功率计算式相类似： 式（2.5）把

17、上三式综合可得： 式（2.6）由上式可知，搅拌功率消耗于液体在罐内的循环流动和剪切流动两个方面。不同工艺过程中液体流动方式各异，两种流动所消耗的功率之比也各异，常常近似地用Q/H表示两种方式所消耗功率之比。该比值对搅拌效果具有重要意义。 式（2.7）当功率一定时，也为定值，由此可得：将上两式分别代入从上两式可看出叶轮操作的基本原则，即:在消耗相同功率的条件下，如采用低转速、大直径的叶轮，可用增大液体循环量和循环速度，同时减少液体受到的剪切作用，有利于宏观混合。反之，如采用高转速、小直径的叶轮，结果与此相反。所以初设定搅拌器的直径dj =800mm。由于存在两相问题，固一液相搅拌问题要比均相液体

18、的搅拌复杂得多。这种搅拌过程对流动状态的要求是使固体颗粒在液相中悬浮起来不沉降，这就是要求搅拌液流的上升速度大于固体颗粒的沉降速度。固体沉降速度的影响因素除了与固一液重度差、固体颗粒几何形状、固相在液相中的浓度等有关，还与搅拌时流体产生的湍流状态有关。实验证明，固一液相搅拌过程中存在一个使固相悬浮的最低搅拌转速，其计算公式如下。这个临界速度与固液密度差、固液相密度、液相粘度、粒径等物性条件有关。 式（2.8） =0.086541 式（2.9）式中：K-系数，与搅拌槽形状、搅拌器形式与尺寸有关，约为200250； D-搅拌槽的内径（m）； dp-固体颗粒直径（m）； -固体颗粒与液体密度差（g/

19、cm3）； -液体密度（g/cm3）； -液体粘度（cp）； VP-固体颗粒的真实体积（m3）； VP。-固体颗粒视体积（m3）；由于使固体充分混合在液体中所需要的流动速度和实际需要速度差距很大，所以可以不考虑。当气体从搅拌器下部通入搅拌槽内，会形成逐渐增大的气泡从槽底上升。当进行搅拌并将转速提高到一定的程度时，在桨叶附近由于剪力和动压变动的力使气体分散为更小的气泡，并随着液体的循环流动而散布到槽的全部容积内。气泡的大小和数量决定了气一液的接触面积。液体单位体积中气泡的表面积大小以及达到这一指标所需的搅拌操作时间，可以作为气一液搅拌的评价指标。对于一定的搅拌槽和给定的气体空槽速度，搅拌器有一个

20、最低的使用转速。同样，在一定的搅拌转速下气体流速也有一个最适宜的范围，在此范围气一液的分散效果较为理想。粘度反映了流体运动时剪切应力和剪切速度梯度的比值关系。搅拌器搅拌低粘度液时，在槽内造成湍流状态并不困难，但是当粘度上升到一定数值，由于粘滞力的影响液体只能出现层流状态，而且层流也只能出现在桨叶的附近，离桨叶远些的高粘度液体仍然是静止的。高粘度液体搅拌的首要问题就是要解决液体流动和循环的问题5。此时不能依靠增大搅拌转速来提高搅拌器的循环流量，如果转速过高还会在高粘度液体中形成沟流，周围液体仍然为死区。若要使桨叶能够推动更大范围的液体，在设计搅拌设备的过程中需要注意相应增大搅拌器直径与槽径之比与

21、桨叶宽度与槽径之比，有时还需要增加搅拌器的层数，以增大搅拌的范围。以上各类搅拌过程存在一定的共性和各自的特点，搅拌槽内对流循环的流动状态也有一定的差异，这些是由搅拌过程的目的及物料性质所决定的.2.2.1.2搅拌器的形状不同型式的搅拌器能够提供不同的流动场、供给相应的能量，进而达到一定的搅拌目的。搅拌器的搅拌作用是通过桨叶不停歇的旋转运动所产生的，桨叶的形状、尺寸、数量以及转速都会不同程度地影响着搅拌器的功能。搅拌介质的物性差异、搅拌器在搅拌槽内的安装位置以及搅拌器的工作环境，都会在一定程度上对搅拌器的功能产生影响。其中搅拌器的工作环境，包括搅拌槽的形状尺寸、挡板的设置情况、物料的进出方式等方

22、面。搅拌介质物性方面的因素已在上文加以了一定的阐述，本节将主要讨论工作环境对搅拌器功能的影响。设计人员在设计搅拌器的过程中，务必考虑搅拌介质的流动状态、搅拌器与搅拌槽径的几何关系，以及搅拌器排出性能、剪切性能与混合性能等多方面的因素。典型的机械搅拌器型式有桨式、涡轮式、推进式、锚式、框式、螺带式、螺杆式等。搅拌器按桨叶形状可分为三类，即平直叶、折叶和螺旋面叶。桨式、涡轮式、锚式和框式等搅拌器的桨叶为平直叶或折叶，而推进式、螺带式和螺杆式搅拌器的桨叶则为螺旋面叶。根据搅拌操作时桨叶主要排液的流向(又称流型)，又可将搅拌器分为径流型叶轮和轴流型叶轮两类。平直叶的桨式、涡轮式是径流型，螺旋面叶的推进

23、式、螺杆式是轴流型，折叶桨面则居于两者之间，一般认为它更接近于轴流型。 平直叶单桨式 折叶桨式 圆盘涡轮式 推进式 特殊框式式（图2.1）几种典型的搅拌叶桨形式平叶的桨面与运动方向垂直，即运动方向与桨面的法线方向一致。折叶的桨面与运动方向成一个倾斜角度。，一般0为45“或600 ,螺旋面叶是连续的螺旋面或者是其中的一部分，桨叶曲面与运动方向的角度逐渐变化。对于平直叶型搅拌器，由于桨叶的运动方向与桨面垂直，所以当桨叶低速运转时，流体的主体流动为水平环向流动。当桨叶转速增大时，流体的径向流动将逐渐增大，桨叶转速越高，由平直叶排出的径向流则越强，而此时桨叶本身所造成的轴向流仍是很弱的。对折叶搅拌器，

24、由于桨面与运动方向成一定倾斜角B,所以在桨叶运动时，除有水平环向流外，还产生轴向分流。在桨叶转速增大时，还有渐渐增大的径向流。螺旋面可看成许多折叶的组合，这些折叶的角度逐渐变化，所以螺旋面所造成的流向也有水平环向流、径向流和轴向流，其中轴向流最大 。在选择搅拌器时，应考虑的因素很多，最基本的因素是介质的粘度、搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动状态。由于流体的粘度对搅拌状态有很大的影响，所以根据搅拌介质粘度的大小来选型是一种基本的方法。一般随着粘度的提高，各种搅拌器的使用顺序为推进式、涡轮式、桨式、锚式、螺带式和螺杆式等。根据搅拌过程的目的来选择搅拌器是另一种基本的方法。低粘度均相流体混合消耗功

25、率小、循环容易，是难度最小的一种搅拌过程，只有当搅拌槽的容积很大并且要求混合时间很短时才比较困难。由于推进式搅拌器的循环能力强并且消耗功率小，所以最为适用。而涡轮式搅拌器因其功率消耗大，其虽有高的剪切能力，但对于这种混合过程并无太大的必要，所以若用在大容量槽体的混合就不太合理。桨式搅拌器因其结构简单，在小容量流体混合中仍广泛采用，但在大容量槽体混合时，其循环能力就有点不足了。由于桨式搅拌器的设计和结构都比较简单，制造简便并易于表明其尺寸，故广泛应用于化学工业中，并且由上表可知桨式搅拌器能够满足生化反应中的对流循环混合和强化传热的要求，所以选择桨式搅拌器。根据具体条件对比选择大体形状为如图的形式

26、搅拌器。（图2.2）双平直桨结构示意图此类型为最基本的一种桨型，低速时为水平环流型，层流区操作：高速时为径流型。上下循环流，湍流强，适用于低粘度液的混合、分散、固体悬浮、传热、液相反应等过程。2000cp，n=1100rpm，V150m/s。2.3搅拌器的具体参数确定2.3.1功率的计算任何一种型式的搅拌器在具有一定物性的介质中以一定的运转参数进行运转，必须依靠一定的动力才能获得理想的流动状态并完成操作达到预期的搅拌目的。搅拌过程中所需要的的动力就是搅拌器的功率。通常情况视达到搅拌目的所消耗的轴功率为搅拌过程从搅拌器得到的功率，而不讨论这种能量供给的是否过多或过少，是否为系统的最佳状态。搅拌器

27、功率实际上包括着两个不同而又有一定内在联系的概念，即搅拌器功率和搅拌作业功率。以一定转速运行的搅拌器对搅拌介质进行搅拌时，对液体作功并使之发生流动。使搅拌器连续运转所消耗的功率就是搅拌器功率。搅拌器功率应该是搅拌器几何结构参数、物料物性参数以及搅拌器运转参数等的函数，其中不包括机械传动与轴封部分所造成的动力消耗。2.3.1.1影响搅拌器功率的因素搅拌器的功率与槽内造成的流动状态有关，影响流动状态的因素必然是影响搅拌器功率的因素。其中包括：1、搅拌器的几何参数与运转参数：桨径d、桨宽b、桨叶角度e、桨转速n、桨叶数量2，桨叶距离槽底的安装高度c等。2、搅拌槽的几何参数：槽内径D，液体深度H，挡板

28、宽度W，挡板数量z,，以及导流筒的有关尺寸等。3、搅拌介质的物性参数:液相密度p、液相粘度cP、以及重力加速度q等。以上的许多参数都直接会对搅拌形成的流动状态以及搅拌器功率造成一定的影响。根据前面所计算，初设定搅拌器的转速n=100r/min计算搅拌器外缘线速度： 式（2.10）搅拌器旋转角速度 式（2.11）2.3.1.2雷诺数的计算搅拌过程中我们使用雷诺数来表示流体粘滞力对流动的影响，以此表示液体的流动状态雷诺数。根据雷诺数Re数值的大小范围，搅拌槽流动状态可划分为层流、过渡流和湍流等三种情况。当桨叶转速很低的时候，Re的数值很小，流动处于层流状态;加速后Re的值有所增大，在Re10的时候

29、，液体流动呈现为湍流状态。搅拌液体达到湍流状态，液体的轴向流动增加，搅拌的效果比较理想。所以当流动处于层流区域内时，搅拌器功率与液体粘度成正比，与桨叶转速的二次方、桨径的三次方也都成正比。Re的数值在30-10范围的时候，搅拌处于过渡流区域.此时的功率因数曲线随着Re的变化而呈现出曲线状的变化。在这一区域中，各种桨型搅拌器的曲线并不一致，且存在比较大的差异。如果搅拌棺内没有安装挡板，随着Re数值的增大液面中心将出现漩涡。 式（2.12）n-搅拌器转速（rpm）dj-搅拌器直径（m）-液体密度（kgfs2/m4）-液体粘度（kgfs/m2）永田公式计算雷诺数： 式（2.13）=8.0163=8.

30、0163Rc临界雷诺数，即：湍流和层流转变点的雷诺数。初步计算的雷诺数符合已知条件，由两中方法计算的雷诺书相差在合理范围之内，取整为Re=8。 雷诺数控制在10以内，搅拌时液体处于层流状态，搅拌效果比较理想。2.3.1.3搅拌器功率计算搅拌功率的目的有两个方面，一是为了解决一定型式的搅拌器能向被搅拌介质提供多大功率的问题，以满足搅拌过程的要求，并选配合适的电机。二是为搅拌器强度的计算提供依据，以保证桨叶、搅拌轴的强度。关于搅拌功率计算的公式很多。许多专家进行了各种实验，有的得到了实验曲线，整理出算图，有的从理论推出了与实验基本吻合的公式。算图主要有Rushton算图(推进式、涡轮式和桨式)。日

31、本永田进治等人根据在无挡板直立圆罐中搅拌时“圆柱状回转区”半径的大小及桨叶所受的流体阻力进行了理论推导，并结合实验结果确定了一些系数而得出双叶搅拌器功率的计算公式。 式（2.14）当有全挡板条件时的搅拌功率是最大功率，这时液体中没有“圆柱状回转区”搅拌器时叶片所变的液体阻力最大。但本次设计中没有挡板，在湍流区由于反应器中液体出现“圆柱状回转区”，因而叶片所变的液体阻力较低，故搅拌功率也低。永田公式 虽然是双叶桨式的功率计算式，但没有列出桨径、桨叶宽度和折叶角度的限制，可以允许这些参数有较大的变化范围，这就使它的应用很方便。作者又验证了在湍流区时多种搅拌器在桨径相同时，只要桨叶宽度和桨叶数量的乘

32、积相等，即一定，它们的功率相等。作者还验证了罐内桨叶安装高度在湍流区对功率影响很小。 代入： 式（2.15） 搅拌功率=5.00917（kw） 2.3.1.4电动机功率搅拌设备的传动机构由电动机、减速装置、轴联节以及搅拌轴等独立组成。在设计搅拌设备的过程中，主要是依据电动机系列、功率、转速以及安装型式和防爆要求等几项内容来选用电动机。搅拌器由静止启动，桨叶需要克服自身的惯性，以及桨叶推动液体的惯性和液体的摩擦力。搅拌器在全挡板条件下操作时，消耗的运转功率最大，近似等于从湍流到层流的转变点临界雷诺数Re下的搅拌功率，这个功率在数值上几乎和搅拌器开始瞬间的功率相等。也就是说，电动机的启动功率和运转

33、功率近似相等。所以选择电机时不必以启动功率为准，应以搅拌器运转功率作为电机功率的选择基准，并对传动机构与密封机构方面的功率损失予以一定的考虑。电动机功率的计算公式如下： 式（2.16）其中根据初步设计装置的结构，得出机械传动效率： 由于选用的搅拌器桨板为平直叶双桨式，所以桨板的工作效率相对来说比较低，但如以上所论证，平直叶双桨式有结构简单、适用范围广、搅拌低密度液体效率高、对轴和其他附件要求低等明显特点，所以桨板的工作效率相对考虑的要少一些。固选择平直叶双桨式搅拌器符合实际要求。查表得桨板机械效率： 2.3.2搅拌器桨叶的校和和优化一般通过分析受力情况，确定危险截面，再计算桨叶的厚度。由离心力

34、引起的拉应力可忽略不计。计算桨叶强度时的最大功率： 式（2.17）式中启动时电动机过载系数（从电动机特性表查出K=2.1）传动机械效率；电动机功率；（kw）。2.3.2.1搅拌器的强度校合平直叶双桨式搅拌器如图所示，桨叶断面如图所示。 （图2.3）平直叶双桨式搅拌器结构示意（图2.4）桨叶断面图在搅拌器强度计算中，对于加强肋的桨叶除验算I-I断面外，还须验算：II-II断面（在桨长的1/2处）。分别验算如下：I-I 断面弯矩：（kgcm）式（2.18）式中计算桨叶强度时的最大功率（kw）II-II 断面弯矩：（kgcm）式（2.19）单侧有加强肋的桨叶断面模数：其中 H断面高度（cm）； =7

35、-2.3696=4.6304(cm) =2.3696-1.2=1.1696(cm) =56.059(cm3)I-I和II-II断面的弯曲应力及校核：(kg/cm2) 式（2.20） 式中 或断面的弯矩； 或断面的抗弯截面模数；材料的许用弯曲应力。代入数值计算得：所以 ，桨叶设计满足强度要求。2.3.2.2搅拌器的设计优化在机械设计中，如果评定某个设计方案好坏仅涉及一项设计指标，则称为单目标优化设计。但是实际上，对于一个零件、部件、机构或分系统的设计，常常期望几项设计指标达到最有值，这就提出了多目标优化设计问题。优化目标之间通常互相制约，要想同时使目标都得到优化，因此必须进行多目标优化设计。在工

36、程实际中存在大量的多目标优化问题，此类问题往往比较复杂，目前求解这一类问题的方法还不够完善，最主要的有两大类：一类时把多目标问题转化为一个或一系列单目标问题求解作为多目标优化问题的一个解；另一类是直接求非劣解，然后从中选择较好解。搅拌器的乘除法优化设计：如果能将q个目标分为两类：一类属于费用类，如成本、材料、人力、重量等；表现为目标函数值越小约好；另一类属于效果类，如产量、效率、利润等，表现为目标函数值越大约好。对于这种情况，其统一目标函数可取为： 式（2.21）式中s-q个目标函数中的属于费用类的目标函数总数。然后，再求统一目标函数： 式（2.22）的最有解，此即为原多目标问题的最终解答。搅

37、拌器优化设计中的搅拌功率和扭矩都属于费用类，而排液量的大小就属于效果类。数学模型的建立概述设计变量：搅拌器的转速n，搅拌桨的直径d，反应罐的内径D，桨叶的宽度b，液面高度H。目标函数：搅拌功率尽可能小，搅拌轴所受的扭矩尽可能小，排液量尽可能大。约束条件：约束条件有雷诺数的大小约束、反应罐内的流体体积的大小约束、桨叶的几何比例约束、转速约束、叶端线速度等。设计公式： 式（2.23）由于所以排液量的大小可以用nd3的大小来衡量。搅拌轴的扭矩搅拌雷诺数： 反应罐内的流体体积： 叶端线速度：优化数学模型综上所述，可得如下的数学模型：设计变量：搅拌器的转速n，搅拌桨的直径d, 反应罐的内径D，桨叶的宽度

38、b，液面高度H。目标函数：用乘除法建立多目标优化设计的目标函数如下约束变量： 雷诺数的大小条件：反应罐的容积的范围：搅拌桨的直径和反应罐的内径的比例范围：搅拌桨的宽度和直径的比例范围搅拌桨的转速的范围 叶端线速度的范围4) 优化的结果如下:初始点：X0=80，0.8，0.18T得全局最优解：X*=101.0657，0.8038， 0.1516T圆整为：X*=100.0000，0.8000， 0.1500T（图2.5）平直双叶搅拌桨确定搅拌器部分具体尺寸如下：Dj=800mmh=60mmh1=40mmm=100mmd=40mmc=140mm=15mm2.4轴的设计搅拌轴是搅拌设备中实现带动桨叶运

39、动的主要组件，轴的设计是搅拌设备设计中的一个重要坏节。搅拌轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸，进行强度、刚度计算，以便保证搅拌轴能够安全平稳地运转。以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，可采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造在机械工程应用的材料，按用途的不同，可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料通常是指工程上要求强度、韧性、硬度、塑性、耐磨

40、性等机械性能的材料。功能材料是指具有电、光、热、磁等功能和效用的材料。按材料结合件的特点及性质，一般可分为金属材料、无机非金属材料和有机材料三大类。其中金属材料是机械工程中最常用的材料，可分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料是铁基金属合金，包括碳钢、铸铁及各种合金钢。其余的金属材料都属于有色金属材料。（图2.6）零件实物图2.4.1轴材料的选用 轴的材料常用材料是优质碳素钢。对于受力较大、轴的尺寸和重量受到限制以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢。但在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以，只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。合金结构钢是在碳素结构钢基础上加入适量的一

41、种或几种合金元素而形成的，它比-碳素结构钢的综合性能要好，是合金钢中用量最大的一类钢，广泛应用于制造各种重要的机器零件和各类工程结构。根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处理（如喷丸、辊压等）和化学处理（如渗碳、渗氮、氮化等），以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。对于受载较小或不太重要的轴，也可用Q235、Q275等普通碳素结构钢。当零件的形状复杂、截面尺寸较大、机械性能较高、渗透性较好时，采用碳素结构钢常常难于满足要求，而合金钢由于合金元素的作用，能够明显地提高强度、韧性和耐磨性，并具有良好的淬透性。对于大型零件，由于合金结构钢淬透性较高，能够

42、在零件整个大截面上淬透而得到均匀一致的良好的综合机械性能，既有高强度又有足够的韧性。因此，强度、韧性要求均高的重要零件或截面尺寸较大、形状复杂的零件采用合金结构钢制造比较理想。合金结构钢通常需要热处理，以获得良好的综合机械性能，按其含碳量和热处理工艺的不同，可将合金钢分为合金调质与渗碳钢两类。合金调质钢含碳量在0.250.5%范围内，一般采用淬火和高温回火的调质处理，可以得到高强度和足够的韧性，为进一步提高零件表面的耐磨性，对某些中碳合金调质刚可在调质后进行氮化处理。合金调质钢的淬透性直接影响调质处理后的综合机械性能，因此，选材时应当考虑其临界淬透性直径与工件表面的截面尺寸的协调。合金调质钢多

43、用于制造高强度、高韧性、综合机械性能优良的重要零件，如齿轮、各种轴（发动机曲轴、机床主轴）及高强度连接螺栓。 轴的材料优质碳素钢型号很多，常用材料是35、45、50，最常用的是45钢。本次设计由前面对轴强度的计算中没有特别的要求，故本设计所采用的轴的材料为45钢。又由前面的搅拌器的计算可以规定搅拌轴径为40mm。2.4.2轴的计算在确定搅拌轴轴径时，应该注意使搅拌轴能够同时满足强度和刚度计算的两个条件。在一般情况中，刚度条件下计算所得的轴径应该比由强度条件计算得到的轴径要稍大一些。通常对搅拌轴来说，应主要以刚度条件确定轴径。如果由刚度条件确定的数值与由强度条件确定的数值相差很大的时候，应该考虑改变轴的材质，也就是选用强度较差的材料，当然材料改变后，搅拌轴仍然需要满足强度条件的要求。尤其是在转速较低功率较大的情况下，强度条件是不可忽视的。2.4.2.1搅拌轴的强度计算搅拌轴在工作过程中承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主，工程应用中往往使用近似的方法进行强度计算。首先假定轴只是承受扭矩的作用，然后使用增加安全系数降低材料许用应力的方法来弥补由于忽略受弯曲作用引起的