反应釜的搅拌装置设计
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第三章 反应釜的搅拌装置
搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。搅拌器的形式很多，根据任务说明书的要求，本次设计采用的是推进式搅拌器。推进式搅拌器的特点是能使液体产生激烈流动及湍流运动的性能很高。推进式搅拌器的主要运用范围是搅拌及混合绝对粘度小于36000厘泊的各种流动性的液体，以及制成乳浊液或悬浮液。[3]
推进式搅拌器机械设计的主要内容是：确定搅拌轴的直径、搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构。进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构及材料的选用。由于介质具有一定的腐蚀性，搅拌装置的材料选用与反应罐主体材料相同的材料06Gr19Ni10 同一数字代号S30403。
由前三章的相关设计得知反应釜净直径Di=1500mm，净高H=1900mm；工作温度：25℃；工作压力：0.125MPa；搅拌目的：搅拌均匀。
第3.1节 搅拌器形式的确定
根据实际生产要求，初步设定搅拌器为两层搅拌，采用三叶开启涡轮式搅拌器(又称为螺旋推进式搅拌器）。 图3-1搅拌装置 图3-2 推进式搅拌器
搅拌器直径Dj取标准值，即搅拌容器直径的三分之一：[4]
Dj=Di/3=1500m/3=500mm
————————————（3-1）
底间距（C）即搅拌器距容器底部高度，通常底间距与搅拌容器内径比值一般在0.05~0.3范围内选取[4]。则
C=（0.05~0.3）Dj=15~150mm——————————（3-2）
因为底间距比值越小，固相完全离底悬浮临界转数越小，所以在满足底层桨轴向排量的前提下，该比值尽量取得最小。但是考虑到实际生产中容器底部会出现一定量的沉积物，C值不能太小[4]； C值太大搅拌效果不足，结合实际取C=130mm
搅拌器浸入搅拌容器液面下的深度（S），搅拌器浸入液体内的最佳深度为：[2]
错误!未找到引用源。 ——————————（3-3）
对于双层搅拌器，搅拌器层间距（Sp）与桨径之比一般为0.5~2范围内，由搅拌桨的轴向作用范围和反应釜的高度决定搅拌桨层数。对于两层以上的多层桨，要调整桨径和层数取得合理的层间距，达到搅拌效果好，轴功率低的效果。[2]
故： Sp=（0.9~1.5）Di=250~1000mm
———————————（3-4） 取Sp=700mm
搅拌器和容器的几何参数条件如表3-1[5]：
表3-1 搅拌器容器几何参数条件
挡板数量 无 搅拌器距容器底部距离
挡板宽度 无 搅拌器潜液深度 S=1200
挡板与容器内壁间距 无 搅拌器直径 Dj=500
搅拌器桨叶数量 Zj=3 搅拌器桨叶的螺距 Pt=Dj=500
表3-2推进式桨叶尺寸表[2]
dj d d1 螺钉 δ1 δ1 h 键槽 a P/n
不大于 d2 b t
150 30 60 M12 10 5 40 8 33.1 51°31′ 0.008
200 30 60 M12 10 5 45 8 33.1 43°22′ 0.008
250 40 80 M12 10 5 55 12 43.6 36°11′ 0.01
300 40 80 M12 12 6 65 12 43.6 39°59′ 0.01
400 50 90 M16 14 8 95 16 55.1 35°19′ 0.031
500 65 110 M16 18 10 105 18 70.6 34°39′ 0.062
600 65 110 M20 22 12 125 18 70.6 29°59′ 0.11
700 80 140 M20 22 12 150 24 87.2 32°14′ 0.16
注：表中P/n为搅拌器桨叶强度所允许的数值，其计算温度≤200℃；
P————计算功率，Kw；
n————搅拌器每分钟转数。
表3-3推进式桨叶展开截面尺寸
第3.2节 搅拌轴的设计
搅拌轴将电动机的动力传递给搅拌器。它承受的是以扭转为主的扭—弯联合作用。
已知混合物的密度为（900—1050）Kg/m3，则取ρ=1050Kg/m3；搅拌器直径Dj=500mm；搅拌器搅拌转速n=281r/min=4.68r/s；粘度μ=100cP=100mPa·s
=0.1Pa·s
搅拌液的雷诺准数：
错误!未找到引用源。
————————————————（3-5）
代入3-2-1式可得 错误!未找到引用源。
一、搅拌轴消耗的功率 单层搅拌器搅拌轴上所消耗的功率：
错误!未找到引用源。
————————————（3-6）
式中 错误!未找到引用源。————功率准数，与被搅拌液体的雷诺准数（Re）有关，与搅拌器的形式及交融其相关的几何参数有关。
对于双层搅拌器的总功率准数 ： 错误!未找到引用源。 ———————（3-7）
式中错误!未找到引用源。————与多层搅拌器的间距和直径比（错误!未找到引用源。）有关的系数
图3-3多层搅拌器总功率准数错误!未找到引用源。的系数错误!未找到引用源。
且 错误!未找到引用源。 两层搅拌器排液方向相同，查图4-1可得：错误!未找到引用源。 [5]
由图4-2功率准数P0与雷诺准数Re关系的关系图可得： P0=0.36 [5]
图3-4功率准数P0与雷诺准数Re关系
故错误!未找到引用源。
讲个数值带入式3-6和3-7可得：
二、搅拌轴轴径的设计计算
搅拌轴的材料：选用06Gr19Ni10（304 旧钢号0Gr18Ni9）；
搅拌轴的结构：用实心直轴。N0=0
由上节的相关计算得知：
搅拌轴功率： P0c=1.8KW Pc=1.2KW
搅拌轴转速： n=281r/min
L=2560 L1=2285 L2=1585
1、受扭转变形控制的轴径d1：
错误!未找到引用源。————————————(3-8)
式中[] ————轴的许用扭转角，错误!未找到引用源。 由实践经验得：
对于单跨轴：[]=0.7错误!未找到引用源。；
G—————轴材料的剪切弹性模量，错误!未找到引用源。 查得
G=0.8×104MPa [5]
错误!未找到引用源。———搅拌轴传递的最大扭矩，N·m
错误!未找到引用源。 ———————————(3-9)
式中错误!未找到引用源。—————传动侧轴承之前的传动装置传动效率，按表3-3-1选取[5]
表3-4传动装置各零部件的传动效率η1
类别 传动形式 传动效率η1 L2
L1
FA 底轴承 Fe 传动侧轴承
Le
L
图3-5搅拌轴的受力图 Fb1 Fb2 摆线针轮传动 摆线针轮行星减速机 ＞0.9
谐波齿轮传动 谐波减速机 ＞0.83
圆柱齿轮传动 开式传动，铸齿（考虑轴承损失） 0.9—0.93
开式传动，铁齿（考虑轴承损失） 0.95
单级圆柱齿轮减速器 0.97—0.98
双级圆柱齿轮减速器 0.95—0.96
行星齿轮减速器 0.9—0.93
圆锥齿轮传动 开式传动，铸齿（考虑轴承损失） 0.9—0.93
开式传动，铁齿（考虑轴承损失） 0.9—0.93
单级圆锥齿轮减速器 0.9—0.93
双级圆锥—圆柱齿轮减速器 0.9—0.93
蜗杆传动 自锁的 0.40—0.45
单头蜗杆 0.70—0.75
双头蜗杆 0.80—0.92
三头和四头蜗杆 0.40—0.45
蜗杆传动 圆弧面蜗杆传动 0.85—0.95
皮带传动 0.95—0.96
链传动 开式传动
链浸入油池中传动 0.92—0.94
0.95—0.97
变速器 无级变速器 0.8
轴承 传动轴承
滑动轴承 0.99—0.995
0.93—0.995
因为电动机功率 错误!未找到引用源。 故可得
则由式3-2-4可得：错误!未找到引用源。
圆整可得：d1=65mm(搅拌轴标准值)[5]
2、按强度计算搅拌轴直径d2
1）搅拌轴上的流体径向力：
错误!未找到引用源。
———————————————(3-10)
式中k1—————搅拌器的流体径向系数 取0.16[] 则错误!未找到引用源。
2）搅拌器的质量mj ≈ 7.5Kg
3）搅拌轴的质量：错误!未找到引用源。
4）搅拌轴的组合质量：错误!未找到引用源。
5）搅拌轴的临界转速：
如果搅拌轴的工作转速等于或接近于轴的固有频率时，轴将发生强烈震动，即发生共振现象。发生共振时的转速称为临界转速。工程上轴的转速应避开临界转速。搅拌轴与搅拌器作为一个整体，有多个临界转速[1]。对于刚性轴，要求n≤0.7nc 故按保守值取：
错误!未找到引用源。
6）搅拌轴的许用偏心距[e] （取搅拌轴的平衡精度G=6.3mm/s）[5]
7）搅拌轴的偏心力Fe
错误!未找到引用源。 ————————(3-11)
错误!未找到引用源。
8）搅拌器和搅拌轴的组合质量m组重心至轴承的距离Le
错误!未找到引用源。 ————————(3-12)
9）搅拌轴的径向弯矩MR
因为搅拌轴在搅拌容器内为垂直安装，故其倾角α=0° [5]
则有：
错误!未找到引用源。——————————(3-13)
10）搅拌轴的轴向弯矩MA
因为搅拌轴的排液方向为向下，故搅拌轴受拉，所以MA=0
11）搅拌轴的当量弯矩Mte
错误!未找到引用源。————————(3-14)
则考虑弯扭组合计算搅拌轴的轴径d2：
错误!未找到引用源。
—————————————(3-15)
式中[] —————搅拌轴材料许用剪应力，错误!未找到引用源。 MPa
σb —————搅拌轴材料的抗拉强度， 520MPa [5]
错误!未找到引用源。—————搅拌轴的扭矩和弯矩同时作用下的当量扭矩，N•m
各数值代入3-2-11式中得：
