機械攪拌設(shè)備的設(shè)計方法及要點分析

摘 要：文章介紹了機械攪拌設(shè)備進行設(shè)計時的思路，在滿足工藝條件下進行攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。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)計計算。

關(guān)鍵詞：攪拌設(shè)備；設(shè)計方法；設(shè)計計算

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，從而使不同的物料在彼此之間相互分散，達到均勻混合，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)，因此機械攪拌設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。

機械攪拌設(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、軸封和傳動裝置組成，傳動裝置包括驅(qū)動電機、減速機、聯(lián)軸器和機架。機械攪拌設(shè)備在工作中，由攪拌器的運動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達到攪拌的目的。在攪拌罐體內(nèi)，物料的流動狀態(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)計機械攪拌設(shè)備時，應(yīng)對這些相關(guān)的因素進行設(shè)計，在滿足所需工藝參數(shù)的前提下，利用最小的功率消耗達到攪拌的目的。

1 工藝參數(shù)的設(shè)定

為了設(shè)計機械攪拌設(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)或工藝要求進一步確定與物料接觸的部件的材質(zhì)，判定電動機的工作環(huán)境和減速機的負載情況，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

2.1 攪拌罐體的結(jié)構(gòu)及尺寸

機械攪拌設(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)進行換熱。攪拌罐體屬于壓力容器范圍時，應(yīng)按照GB150進行設(shè)計。當(dāng)罐體和夾套有壓力時，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，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算：

將Di計算結(jié)果圓整到公稱直徑系列。

根據(jù)罐體高度與內(nèi)經(jīng)之比可計算出高度H值。

再根據(jù)計算出的高度和內(nèi)徑值驗證是否符合工藝要求。

帶有夾套的罐體還應(yīng)計算夾套的尺寸。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。

攪拌罐體的強度計算按GB150規(guī)定進行計算。

2.2 攪拌器的選定

攪拌設(shè)備通過攪拌器的運轉(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)速度都會影響攪拌作用。

攪拌作用是由攪拌器上的葉輪對物料的排出產(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)生對流、介質(zhì)易位，防止固體粒子沉淀，如斜葉開啟渦輪和推進式攪拌器主要產(chǎn)生軸向流，高排液量，低剪切性能，有較好的對流循環(huán)，動力消耗較低，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，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。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)考慮有一個起主導(dǎo)作用達到某個攪拌目的。攪拌器葉輪按其作用分為具有強循環(huán)性能的葉輪、強剪切作用的葉輪以及兩者兼具的葉輪，設(shè)計時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，影響動力消耗，進而影響攪拌進程。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物料流動性好，能量傳遞容易，槳徑相對小些，在高黏度液體攪拌時轉(zhuǎn)速較低，槳徑可以大些。葉寬影響攪拌器的動力消耗，動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)液體較深時設(shè)置多層攪拌器。對低黏度液體一般設(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。對于高黏度液體或有沉降性高的固體時至少設(shè)置2層葉輪以增加物料的流動性，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)驗或試驗數(shù)據(jù)進行相似放大或縮小。當(dāng)采用試驗來完成對某一攪拌目的進行評估時就會得出各種因數(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，還需對攪拌器葉輪進行必要的強度校核，以保證葉輪在工作中的安全。

2.3 攪拌功率的計算

攪拌操作過程中需要消耗動力，這種動力就是攪拌功率。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，可以按均相攪拌計算攪拌所需的功率，攪拌功率按下式計算：

P=Np？籽n3d5

式中：P-攪拌功率，W；NP-攪拌功率準數(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三個參數(shù)易得到，故計算攪拌功率的關(guān)鍵是求出功率準數(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，計算功率準數(shù)NP可以用算圖直接求取，還可以用公式計算。工程中常采用的是永田進治的攪拌功率計算式[1]，對攪拌罐體無擋板設(shè)置的情況下，雙葉斜槳和雙葉平槳的計算式如下：

式中，A、B、p為方程式參數(shù)，可由b/D和d/D計算：

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，會使攪拌功率提高。擋板系數(shù)計算式[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的雷諾數(shù)Rec 計算式如下：

雙葉斜槳在全擋板時的雷諾數(shù)Re？茲計算式如下：

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

其它攪拌器葉輪的功率計算在技術(shù)設(shè)計中，有時會依據(jù)以往工程業(yè)績或根據(jù)幾何相似放大法把試驗數(shù)據(jù)進行放大進行估算攪拌功率。

2.4 電動機的選型

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

Pe=P/？濁

式中：Pe-電動機額定功率；？濁-總效率，一般為0.6～0.8。

將計算結(jié)果圓整取值，并考慮電動機功率等級，選擇合適的電動機。

2.5 減速機的選型

電動機通過減速機輸出適合攪拌操作需要的轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)按照電動機功率P和輸出轉(zhuǎn)速n選擇減速機的型號，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類型表確定選擇何種類型的減速機。

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

確定減速機型號后，根據(jù)攪拌操作條件和相應(yīng)的工藝要求，確定減速機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、機架的規(guī)格型號。

2.6 機架的選型

立式攪拌設(shè)備的動力裝置是通過機架安裝在攪拌設(shè)備頂部上的，在機架上還需安裝聯(lián)軸器和軸封等。根據(jù)機架中間軸承裝置可分為無支點、單支點和雙支點三類，無支點的機架適用于軸向力較小且負載均勻的場合，單支點和雙支點機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)攪拌軸系受兩個獨立支撐時，減速機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立支撐。

2.7 攪拌軸的設(shè)計計算

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)計計算方法是對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算的因素舍去，得到近似的計算方法。

攪拌軸工作時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算方法對軸的強度和剛度計算。

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

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-實心軸的直徑，mm。

整理后得攪拌軸最小實心軸徑計算公式：

按扭矩和彎矩計算軸的強度時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間距離的乘積之和。

用剪應(yīng)力計算得最小軸徑為：

用拉應(yīng)力計算得最小軸徑為：

式中：Li-徑向載荷作用點至支撐點間距離，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]作為條件計算扭轉(zhuǎn)剛度。

完成攪拌軸的強度和剛度計算后，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，會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，對臨界轉(zhuǎn)速進行校核，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，同時對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。

參考文獻

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