机械搅拌设备的设计方法及要点分析

　　摘 要：文章介绍了机械搅拌设备进行设计时的思路，在满足工艺条件下进行搅拌设备结构设计。分析了搅拌过程原理、搅拌器型式和搅拌罐体及搅拌轴的设计计算。 

　　关键词：搅拌设备；设计方法；设计计算 

　　搅拌操作可以使两种或两种以上的物料在外界力的作用下加速流动，从而使不同的物料在彼此之间相互分散，达到均匀混合，加速传热和传质的目的。搅拌的物料可以是液相、固相和气相，其中液相流体较多。通过搅拌设备的工艺过程可以使相溶的液相物料均匀混合，使不相溶的另液相均匀乳化，使气体在液相中均匀的分散，使固体粒子在液相中均匀悬浮。搅拌设备在工业生产中被用于物料混合、溶解、乳化、吸收、萃取、化合以及传热等工艺过程。在食品、医药、化工、水处理等工业生产中，带有搅拌装置的化工设备应用范围很广。由于机械搅拌操作条件可控范围较大，能适应多样化的工业生产，因此机械搅拌设备得到广泛应用。 

　　机械搅拌设备由搅拌罐体和搅拌装置两大部分组成。搅拌罐体是搅拌液相流体为主体介质进行各种物理、化学过程的容器。搅拌装置由搅拌器、搅拌轴、轴封和传动装置组成，传动装置包括驱动电机、减速机、联轴器和机架。机械搅拌设备在工作中，由搅拌器的运动加速物料在罐体中完成物理、化学工艺过程。 

　　由于搅拌设备的使用目的不同，机械搅拌操作可用于不同的行业，搅拌设备的结构也是多种多样，但都是通过物料的流动达到搅拌的目的。在搅拌罐体内，物料的流动状态与搅拌罐体的形状、有无挡板及搅拌器的形状、安装位置、转速等因素相关。因此在设计机械搅拌设备时，应对这些相关的因素进行设计，在满足所需工艺参数的前提下，利用最小的功率消耗达到搅拌的目的。 

　　1 工艺参数的设定 

　　为了设计机械搅拌设备应有工艺条件参数。了解搅拌设备的工作条件，如压力、温度，熟悉在工作条件下的物料特性，如密度、粘度、毒性、腐蚀性等。同时还应确定搅拌的目的及相应的操作方法，如加料方式。搅拌物料中是否有固体粒子，若有应确定固体粒子的存在形式，如溶解、悬浮、沉淀等。根据这些参数或工艺要求进一步确定与物料接触的部件的材质，判定电动机的工作环境和减速机的负载情况，确定轴封的使用条件。根据搅拌容积和充装系数设定搅拌罐体的结构及尺寸。根据搅拌过程中物料的流动状态可选定搅拌器的型式并确定是否设置挡板。 

　　2 搅拌设备的设计 

　　2.1 搅拌罐体的结构及尺寸 

　　机械搅拌设备一般为立式圆筒形结构，上部分有椭圆形封头、平盖结构，分可拆和不可拆，下部分有椭圆形封头、锥形底、平底结构。换热型式分为内部换热和外部换热。依据工艺要求，内部换热可选盘管、蛇形管等换热装置，外部换热可采用整体型夹套、半圆管等结构进行换热。搅拌罐体属于压力容器范围时，应按照GB150进行设计。当罐体和夹套有压力时，一般选用椭圆形封头，为了出料需要也可选用圆锥形的罐底。搅拌罐体的容积一般为搅拌容积的1.25倍，对于发酵罐类的情况需适当增加罐体容积。搅拌罐体高度与内经之比（H/Di）通常情况下可取1～2，发酵罐类可取1.7～2.5。为了物料有上下方向的循环流动，罐体内部可设置挡板，挡板垂直安装，宽度为罐体内径的1/12～1/8。挡板与罐体内壁要有间距避免物料在挡板处停滞。 

　　罐体尺寸可按照公式计算： 

　　将Di计算结果圆整到公称直径系列。 

　　根据罐体高度与内经之比可计算出高度H值。 

　　再根据计算出的高度和内径值验证是否符合工艺要求。 

　　带有夹套的罐体还应计算夹套的尺寸。夹套内径一般比罐体内径大50～200mm。夹套高度按照传热面积核算。 

　　搅拌罐体的强度计算按GB150规定进行计算。 

　　2.2 搅拌器的选定 

　　搅拌设备通过搅拌器的运转完成搅拌操作过程。不同的搅拌目的需要不同的搅拌过程，选择搅拌器的型式是搅拌设备设计中重要的一步。搅拌罐体的结构、尺寸、挡板的设置情况、物料在罐体中的状态都是选定搅拌器应考虑的因素，这些因素以及搅拌器的结构、尺寸、安装位置、旋转速度都会影响搅拌作用。 

　　搅拌作用是由搅拌器上的叶轮对物料的排出产生流体速度和流体剪切，叶轮的输入能量P主要消耗于物料在罐体内形成循环流Q和产生剪切力？子。循环作用可以使物料产生对流、介质易位，防止固体粒子沉淀，如斜叶开启涡轮和推进式搅拌器主要产生轴向流，高排液量，低剪切性能，有较好的对流循环，动力消耗较低，在大容量均相、混合过程中应用最能体现其优势，在低黏度液体传质、反应、固体粒子的悬浮、溶解等过程应用广泛。剪切作用可以使气泡打碎、不溶液相乳化，如平直叶桨式和圆盘涡轮主要产生径向流，具有极高的剪切力，分散能力强，特别适合于气体的分散、吸收过程和乳化、传热以及非均相反应操作。 

　　对于循环作用和剪切作用，不同型式的搅拌器有不同的侧重点。在一定的能量消耗情况下循环作用和剪切作用是相互消减的，为提高搅拌效率，应考虑有一个起主导作用达到某个搅拌目的。搅拌器叶轮按其作用分为具有强循环性能的叶轮、强剪切作用的叶轮以及两者兼具的叶轮，设计时从物料的特性和搅拌目的选择搅拌器型式。 

　　搅拌器叶轮的大小直接影响排出性能，影响动力消耗，进而影响搅拌进程。叶轮大小用桨径和叶宽来衡量。桨径的大小与搅拌器的型式和罐体有关，一般桨径与罐径之比d/D=0.35～0.8，在低黏度液体搅拌时物料流动性好，能量传递容易，桨径相对小些，在高黏度液体搅拌时转速较低，桨径可以大些。叶宽影响搅拌器的动力消耗，动力消耗随叶宽增加而增加。 

　　根据搅拌器叶轮的搅拌能力确定搅拌器在搅拌轴上的安装层数，当液体较深时设置多层搅拌器。对低黏度液体一般设置1～2层搅拌器即可，下层搅拌器距罐底的高度一般为桨径的0.8～1.2倍。对于高黏度液体或有沉降性高的固体时至少设置2层叶轮以增加物料的流动性，防止出现搅拌死角，下层搅拌器应靠近罐底，能使固体粒子均匀悬浮。 

　　搅拌器转速根据工程经验或试验数据进行相似放大或缩小。当采用试验来完成对某一搅拌目的进行评估时就会得出各种因数，有转速和其他因数之间的关系就可以确定所需要的转速。 

　　搅拌器的型式选定后，还需对搅拌器叶轮进行必要的强度校核，以保证叶轮在工作中的安全。 

　　2.3 搅拌功率的计算 

　　搅拌操作过程中需要消耗动力，这种动力就是搅拌功率。影响搅拌功率的因素很多，在确定了罐体的高度、直径，挡板设置情况和搅拌器的形状、直径、宽度和转速后，由工艺条件可知物料的密度、黏度，可以按均相搅拌计算搅拌所需的功率，搅拌功率按下式计算： 

　　P=Np？籽n3d5 

　　式中：P-搅拌功率，W；NP-搅拌功率准数；？籽-物料密度，kg/m3；n-搅拌转速，r/s；d-搅拌叶轮直径，m。 

　　由于物料密度？籽、转速n、叶轮直径d三个参数易得到，故计算搅拌功率的关键是求出功率准数NP。 

　　搅拌罐体及搅拌器的结构与尺寸、物料的特性、重力加速度等影响搅拌功率，计算功率准数NP可以用算图直接求取，还可以用公式计算。工程中常采用的是永田进治的搅拌功率计算式[1]，对搅拌罐体无挡板设置的情况下，双叶斜桨和双叶平桨的计算式如下： 

　　式中，A、B、p为方程式参数，可由b/D和d/D计算： 

　　式中：Re-搅拌雷诺数；？兹-搅拌器叶轮倾斜角，°；b-搅拌器叶轮的宽度，m；d-搅拌器叶轮直径，m；？滋-物料黏度，Pa·s。 

　　搅拌罐体内设置挡板的情况下，会使搅拌功率提高。挡板系数计算式[1]如下： 

　　式中：Kb-挡板系数；nb-挡板数量；Wb-挡板宽度。 

　　当Kb=0.35，为全挡板条件，搅拌功率最大；当0　　双叶平桨在全挡板时的雷诺数Rec 计算式如下： 

　　双叶斜桨在全挡板时的雷诺数Re？兹计算式如下： 

　　部分挡板时的Np∞与全挡板时的Npc和无挡板时的Np的关系如下： 

　　其它搅拌器叶轮的功率计算在技术设计中，有时会依据以往工程业绩或根据几何相似放大法把试验数据进行放大进行估算搅拌功率。 

　　2.4 电动机的选型 

　　搅拌设备主要靠电动机提供动力源，电动机的选择除考虑工作环境外，还得选择合适的额定功率。电动机的额定功率应考虑搅拌操作所需功率、机械传动系统的效率等。除此还应考虑计算偏差和操作条件引起的变量、轴封摩擦产生的损失等。按此估算电动机的额定功率： 

　　Pe=P/？浊 

　　式中：Pe-电动机额定功率；？浊-总效率，一般为0.6～0.8。 

　　将计算结果圆整取值，并考虑电动机功率等级，选择合适的电动机。 

　　2.5 减速机的选型 

　　电动机通过减速机输出适合搅拌操作需要的转速，因此应按照电动机功率P和输出转速n选择减速机的型号，还应考虑搅拌工艺条件、安装空间、工作状况等因素并参照减速机类型表确定选择何种类型的减速机。 

　　减速机有齿轮减速机、皮带减速机等，齿轮减速机较为常用。减速机有多种安装方式，可根据需要选择相应的结构。减速机根据传动比的范围有单级传动和多级传动，传动比按所需输出转速确定。 

　　确定减速机型号后，根据搅拌操作条件和相应的工艺要求，确定减速机输出轴轴头的型式和轴头尺寸大小，再选择相应的联轴器、机架的规格型号。 

　　2.6 机架的选型 

　　立式搅拌设备的动力装置是通过机架安装在搅拌设备顶部上的，在机架上还需安装联轴器和轴封等。根据机架中间轴承装置可分为无支点、单支点和双支点三类，无支点的机架适用于轴向力较小且负载均匀的场合，单支点和双支点机架改善了搅拌轴的支撑条件，可以承受轴向双向载荷，适用于有冲击条件下的场合。当搅拌轴系受两个独立支撑时，减速机输出轴与搅拌轴必须采用弹性联轴器连接，带有辅助支撑的轴封及罐体内设中间轴承或底轴承的情况是为了提高搅拌轴的旋转精度的，因此应将这两种支撑看作独立支撑。 

　　2.7 搅拌轴的设计计算 

　　搅拌器通过搅拌轴传递扭矩克服流体阻力做功，搅拌器叶轮表面受到流体作用力，搅拌轴受到反作用力可分解为轴向力和一对力偶，由于搅拌器的复杂工作环境使搅拌轴的受力变得复杂。除此搅拌轴还受其他载荷，如轴和搅拌器的自重引起的重力，轴和搅拌器的质量偏心在旋转时产生的离心力，克服轴承、轴封的摩擦力等。在工程上提出的搅拌轴的设计计算方法是对其工作条件做出假设并简化，将轴上的一些次要且难于计算的因素舍去，得到近似的计算方法。 

　　搅拌轴工作时主要受到扭矩和弯矩的联合作用，因此工程上采用下面的近似计算方法对轴的强度和刚度计算。 

　　按扭矩计算轴的强度时忽略轴上其他载荷的作用，不考虑疲劳强度，引入安全系数的办法弥补计算误差。轴上受扭矩时其截面上产生剪应力。其扭转的强度条件是： 

　　式中：？子max-截面上最大剪应力，MPa；Mt-轴所传递的扭矩，N·mm；Wt-抗扭截面系数，mm3；[？子]k-降低后的扭转许用剪应力，MPa。 

　　计算搅拌轴传递的最大扭矩Mt： 

　　式中：n-搅拌轴转数，r/min；Pt-搅拌传递功率，kW。 

　　搅拌轴抗扭截面系数Wt： 

　　式中：d-实心轴的直径，mm。 

　　整理后得搅拌轴最小实心轴径计算公式： 

　　按扭矩和弯矩计算轴的强度时轴所传递的最大扭矩为： 

　　搅拌轴最大的弯矩由流体作用力与支撑点间距离的乘积之和。 

　　用剪应力计算得最小轴径为： 

　　用拉应力计算得最小轴径为： 

　　式中：Li-径向载荷作用点至支撑点间距离，mm；Fh-作用于搅拌器的径向载荷，N；[？子s]-正常操作下轴的许用剪应力，MPa；[？滓t]-正常操作下轴的许用拉应力，MPa。 

　　为了保证搅拌轴正常工作应避免产生过大的扭转变形，需将轴的变形控制在允许范围内。工程上常用单位长度的比扭转角？酌不得超过许用比扭转角[？酌]作为条件计算扭转刚度。 

　　完成搅拌轴的强度和刚度计算后，还应考虑轴的临界转速和绕曲变形。当搅拌轴的转速接近轴的自振频率时，会出现共振现象，对临界转速进行校核，防止共振发生，避免轴系零部件的损害。搅拌轴挠曲变形直接影响轴的寿命，同时对轴封的性能有很大的影响，应将挠曲变形控制在允许范围内。最终搅拌轴的设计还应考虑键槽或孔引起的局部削弱，应力不均匀带来的影响等。 

　　参考文献 

　　[1]王凯，虞军，等.搅拌设备[M].北京：化学工业出版社，2003. 

　　[2]张石.搅拌器设计的一般程序[J].化学工业与工程，2009，26（5）：447-450. 

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　　[4]刘天婴.反应釜搅拌轴的设计计算[J].北京石油化工学院学报，2000，8（1）：57-59.