【正文】 1 緒論 攪拌槽 設計課題的目的、意義、 研究背景 攪拌槽 設計課題的目的 及意義 畢業(yè)設計是為實現(xiàn)高職院校培養(yǎng)高級應用型、技術(shù)型人才培養(yǎng)目標和 機電 專業(yè)培養(yǎng)目標所必須的實踐性教學環(huán)節(jié)。 本次畢業(yè)設計通過對 D1500 攪拌槽的零件建模使我們熟悉了其各部分構(gòu)造，并通過功率計算及關(guān)鍵零件的選擇計算，使我們掌握了攪拌槽的的設計原則及設計過程，再經(jīng)過虛擬裝配，使我們初步了解了一種新的技術(shù)。虛擬裝配是近年來興起的重要研究方向之一，它從產(chǎn)品裝配設計的角度出發(fā)，利用虛擬技術(shù)和計算機仿真技術(shù)，建立一個虛擬環(huán)境。利用它可 優(yōu)化產(chǎn)品設計、避免或減少物理模型制作、縮短開發(fā)周期、減少開發(fā)風險、降低成本，提高裝配人員的培訓速度、提高裝配質(zhì)量和效率，解決難以用物理模型解決的技術(shù)問題。同時，通過本次設計 可以 強化 我們 對基本知識和基本技能的理解和掌握 ,培養(yǎng) 我們 收集資料和調(diào)查研究的能力 ,一定的方案比較、論證的能力 ,一定的理論分析與設計運算能力 ,進一步提高應用計算機繪圖的能力以及編寫編制能力。另外對培養(yǎng) 我們 獨立思考問題和解決問題的能力 ,為今后工作做好技術(shù)儲備 ,都具有十分重要意義。 攪拌設備的 研究背景 攪拌設備在工業(yè)生產(chǎn)中的應用 范圍很廣，尤其是化學工業(yè)中，很多化工生產(chǎn)都或多或少地應用著攪拌操作?；瘜W工藝過程的種種化學變化，是以參加反應物質(zhì)的充分混合為前提的，對于加熱、冷卻和液體萃取以及氣體吸收等物理變化過程，也往往要采用攪拌操作才能得到好的效果。攪拌設備在許多場合是作為反應器來應用的。例如在三大合成材料的生產(chǎn)中，攪拌設備作為反應器，約占反應器總數(shù)的 90％ .其它如染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、油漆等行業(yè)，攪拌設備的使用亦很廣泛。有色冶金部門對全國有色冶金行業(yè)中的攪拌設備作了調(diào)查及功率測試，結(jié)果是許多濕法車間的動力消耗 50％以上是用在攪拌作業(yè)上。 攪拌設備的應用范圍之所以這樣廣泛，還因攪拌設備操作條件（如濃度、溫度、停留時間等）的可控范圍較廣，又能適應多樣化的生產(chǎn) [6]。 攪拌設備使用歷史悠久，應用范圍廣，但對攪拌操作的科學研究還很不夠。 對于攪拌設備的研究，除功率問題外，有關(guān)攪拌的流體力學研究具有重要意義。這方面已做出了許多工作，但尚需擴大和深入。在液體中進行攪拌時，攪拌器的功能不僅引起液體的整個運動，而且要在液體中產(chǎn)生湍動，湍動程度與攪拌器使液體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的漩渦現(xiàn)象有密切關(guān)系。這些漩渦因經(jīng)常地互相撞擊 破裂，使液體受到劇烈的攪拌。由此可見在攪拌操作中，對于流體力學理論的研究是極其重要的。 攪拌操作看來似乎簡單，但實際上，它所涉及的因素卻極為復雜。對于攪拌器型式的選擇，從工藝的觀點以及力學觀點來說，迄今都是研究不夠的。過去有很多文獻論述了攪拌設備的動力消耗，并給處了不少情況下的計算公式，但是由于使用介質(zhì)操作條件的不同，物理化學性能的差異，容器形狀及內(nèi)部設施的不同以及各種攪拌器特性上的區(qū)別，正確確定攪拌功率并適當?shù)剡x擇驅(qū)動電機是十分困難的。在沒有模擬試驗的情況下，設計新的攪拌設備時，常采用現(xiàn)有設備數(shù)據(jù)的方法，寧 大勿小，結(jié)果造成了不少的浪費。國內(nèi)有些單位對一些生產(chǎn)中的攪拌設備進行了功率測試，從測試的結(jié)果可以看到，由于功率消耗難于計算準確，電動機選用過大，造成了負荷率很低的不合理現(xiàn)象。 攪拌槽的工作原理 對于不同的介質(zhì)，不同的化學反應過程，要求攪拌裝置的結(jié)構(gòu)和攪拌速度不同，根據(jù)不同的場合一般分為以下幾種情況： 液 液互溶系統(tǒng)的場合，一般采用低速攪拌就能足夠完成，這種場合常用漿葉式攪拌裝置。 液 液互不相溶的場合，這種場合則需要強烈的上下翻滾，常用漿葉攪拌器，在釜體內(nèi)加有一定形狀的擋板，或采用推進式攪拌器。 反應介質(zhì)里有少量的固體且不易沉降時可采用比較緩和的攪拌，反之當反應介質(zhì)或反應過程的生成物中固體較多，且容易沉降時必須采用強烈的上下的翻動的攪拌，這些攪拌均屬于固 液相的攪拌系統(tǒng)。 設計條件及內(nèi)容 已知 的設計條件 攪拌槽直徑 為 1500mm， 攪拌 介質(zhì)為水，黏度 ，攪拌槽體積 m3 。根據(jù)以上資料，需要進行 D1500 攪拌槽設備 各組成部分 的 pro/e建模 同時生成工程圖以及 攪拌槽設備功率計算及關(guān)鍵零件 的 選擇計算 ，最后還需利用 pro/e進行攪拌槽的虛 擬裝配并生成爆炸圖。 研究方法及預期目的 通過 Pro/e wildfire 中的三維建模板塊對 D1500 攪拌槽的各組成部分進行三維建模 并初步生成工程圖，再將生成的工程圖改為 dwg格式導入 CAD 中完成最終工程圖的制作 。然后查閱有關(guān)文獻，進 行攪拌槽功率及部分關(guān)鍵零件的選擇計算，并查閱關(guān)于機構(gòu)虛擬裝配 的資料，總結(jié)出正確合理的裝配 工藝 規(guī)劃，再利用 Pro/e 完成虛擬裝配。經(jīng)過上面所做的工作后， 最后得到 設計中的零件選擇都是符合 設計 要求的，同時虛擬裝配成功并不發(fā)生裝配干涉。 2 攪拌器 安裝方案 確定及 選用 和 校核 攪拌裝置安裝方案確定 攪拌軸 通常自攪拌釜頂部中心垂直插入釜內(nèi)，有時也可采用側(cè)面插入、底部伸入或側(cè)面伸入方式，應根據(jù)不同的攪拌要求選擇不同的安裝方式。攪拌機和攪拌容器的典型 組合形式 如表 21所示。 表 21 攪拌機和攪拌容器的 典型 組合形式 序號 攪拌機 攪拌容器 特點 1 中心頂插式 立式圓筒形 這種形式應用最廣泛；安裝、操作和檢修方便；可用于壓力容器或常壓容器；但這種形式的攪拌軸較長 2 偏心頂插式 立式圓筒形 這種形式應用較少，釜內(nèi)無擋板 時 漩渦 小 3 頂插式 臥式圓筒形 可插 入多個攪拌機 4 頂插式 矩形或方釜 在無壓力的混凝土槽中有應用，如水處理槽、土槽等，這種形式可插入多個 攪拌機 5 底插式 立式圓筒形 攪拌軸比較短，若與頂插式配合，可實現(xiàn)雙速攪拌，但這種形式密封比較困難，更換是應有應急密封，這種形式應用較少 6 斜插式 立式圓筒形 常用于 3KW 以下的快裝式的可拆攪拌操作 7 側(cè)插式 立式圓筒或矩形 在大型儲油罐中有廣泛應用，可插入多個攪拌機，但側(cè)插式攪拌機密封困難，更換密封時須有應急密封 8 側(cè)插式 臥式圓筒形 這種形式比較少見 攪拌設備按安裝形式可分為： （ 1） 立 式容器中心攪拌 將攪拌裝置安裝在立式設備筒體的中心線上，驅(qū)動方式一般為皮帶傳動或齒輪傳動，用普通點電機直接連接或與減速機直接連接。從功率方面看，可從 到數(shù)百 kw。但在實際應用中，常用的功率為 。 （ 2）偏心式攪拌 攪拌裝置 在立式容器上偏心安裝，能防止液體在攪拌器附近產(chǎn)生“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，可以產(chǎn)生與加擋板時相近似的攪拌效果。攪拌中心偏離容器中心，會使液流在各點所處壓力不同，因而使液層間相對運動加強，增強液層間的湍動，使攪拌效果得到顯著提高。但偏心攪拌容易引起震動，一般用于小型設備上比較合適 。 （ 3）傾斜式攪拌 為了防止渦流的產(chǎn)生，對簡單的圓筒形或方形敞開的立式設備，可將攪拌器用夾板或卡盤直接安裝在設備筒體的上緣，攪拌軸斜插入桶內(nèi)。此種攪拌設備的攪拌器小型、輕便、結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，應用范圍廣。用于藥品等稀釋、溶解、分解、調(diào)和及 PH 值的調(diào)整等。 （ 4） 底攪拌 底攪拌設備的優(yōu)點是，攪拌軸短、細、無中間軸承，可用機械密封，易維護、檢修，壽命長。底攪拌軸的穩(wěn)定性好，既節(jié)省材料又節(jié)省加工費，而且降低了安裝要求。但其突出的問題是葉輪下部至軸封處的軸上常有固體物料粘積，時間一長，變成小團物料，混入產(chǎn)品中 影響產(chǎn)品質(zhì)量。 （ 5） 旁入式攪拌 旁入式攪拌設備是將攪拌裝置安裝在設備筒體的側(cè)壁上，所以軸封結(jié)構(gòu)是最費腦筋的。在小型設備中，可以抽取設備內(nèi)的物料，卸下攪拌裝置更換軸封部分，所以攪拌裝置的結(jié)構(gòu)要盡量簡單。旁入式攪拌一般用于防止原油貯存罐泥漿大的堆積，用于重油、汽油等的石油制品的均勻攪拌，用于各種液體的混合和防止沉降等。特別是大型貯槽中投入少量的功率便可以得到適當?shù)臄嚢栊Ч蚨粡V泛采用。 由于 攪拌的介質(zhì)是水，對混合要求不高 ，操作簡單， 故 在此選用應用最廣泛及安裝、操作 、檢修方便的 中心頂插式的安裝方式。 這種安裝方式是將攪拌裝置安裝在立式設備筒體的中心線上，驅(qū)動方式一般為皮帶傳動或齒輪傳動，用普通點電機直接連接或與減速機直接連接。從功率方面看，可從 到數(shù)百 kw。但在實際應用中，常用的功率為 ，以上敘述同樣與 設計 初始條件 要求吻合。 攪拌器的分類 攪拌器又稱攪拌槳或攪拌葉輪等，它是機械攪拌設備的關(guān)鍵部件。 攪拌器的分類方法很多，主要有以下幾種： 1． 按攪拌槳葉結(jié)構(gòu) 分為平葉、斜（折）葉、彎葉、螺旋面葉式攪拌器。槳式、渦輪式攪拌器都有平葉和斜葉結(jié)構(gòu)；推進式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺 旋面葉結(jié)構(gòu)。根據(jù)安裝要求又可分為整體式和剖分式結(jié)構(gòu)，對于大型攪拌器，往往做成剖分式，便于把攪拌器直接固定在攪拌軸上而不用拆除聯(lián)軸器等其他部件（如表 22）。 表 22 攪拌器按漿葉結(jié)構(gòu)分類 葉型 平葉 斜（折）葉 彎葉 螺旋面葉 攪拌器 平槳、直葉開啟渦輪、直葉圓盤渦輪、錨式、框式 斜葉槳式、斜葉開啟渦輪、斜葉圓盤渦輪 彎葉開啟渦輪、彎葉圓盤渦輪、三葉后掠式 推進式、螺桿式、螺帶式 2．按攪拌器的用途 分為低粘流體用攪拌器、高黏流體用攪拌器。用于低粘 流體的攪拌器有：推進式、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、 布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式等。用于高黏流體的攪拌器有 :錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式等（如表23）。 表 23 攪拌器按用途分類 黏度 低粘度流體 高粘度流體 攪拌器 推進式、槳式、長薄葉螺旋槳式、開啟渦輪式（平葉、斜葉、彎葉）、圓盤渦輪式（平葉、斜葉、彎葉）、布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式、 MIG 和改進 MIG 等 錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式（單螺帶、雙螺帶），螺桿式、螺帶式 3．按流體流動形式 分為軸向流攪拌器和徑向流攪拌器。有些攪拌器在運轉(zhuǎn)時，流體既產(chǎn)生軸向流又產(chǎn)生徑 向流的稱為混合流型攪拌器。推進式攪拌器是軸流型的代表，平 直葉圓盤渦輪攪拌 器是徑流型的代表，而斜葉渦輪攪拌器是混合流型的代表。 攪拌器的選型 攪拌器的流型與攪拌效果、攪拌功率的關(guān)系十分密切，攪拌器的改進和新型攪拌器的開發(fā)往往從流型著手，攪拌釜內(nèi)的流型主要取決于攪拌方式、攪拌器、容器形狀、擋板等幾何特征，以及流體性質(zhì)、轉(zhuǎn)速等因素 ，對于工業(yè)應用最多的立式圓筒攪拌機頂插式中心安裝，攪拌將產(chǎn)生三種基本流型： 1．徑流型 流體的流動方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成兩股 流體分別向上、下流動，再回到葉端，不穿過葉片形成上、下兩個循環(huán)流動，見圖 21（ a）。 2．軸向流 流體的流動方向垂直于攪拌軸，流體由漿葉推動，使流體向下流動，再 回到葉端 、不穿過葉片形成上、下兩個循環(huán)流動，見圖 21（ b） 3．切向流 無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運動，流速高時，液面會形成漩渦， 如圖 21（ c） 所示，此時流體從漿葉周圍周向卷吸至漿葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。 以上三種流型通?？赡芡瑫r存在，其中軸向流與徑向流對混合起主要作用，而切向流 應加以抑制，采用擋板可以削弱切向流，增加軸向流 和徑向流作用。 圖 21 攪拌器的流型 攪拌器從電動機獲得的機械能推動物料運動。攪拌器對流體產(chǎn)生兩種作用，即剪切作用和循環(huán)作用。剪切作用于液 液攪拌體系中液滴的細化、固 液攪拌體系中固體粒子的破碎以及氣 液攪拌體系中 氣泡的細微化相關(guān)；循環(huán)作用則與混合時間、傳熱、固體的懸浮等相關(guān)。 一個好的選型方法最好具備兩個條件，一是選擇結(jié)果合理，一是選擇方法簡便，而這兩點卻往往難以同時具備。由于液體的粘度對攪拌狀態(tài)有很大影響，所以根據(jù)攪拌介質(zhì)粘度大小來選型是一種基本的方法。 由于 攪拌的介質(zhì)為 水，液體粘度 =40cP，再根據(jù)漿葉的流型，在查完漿型標準后，發(fā)現(xiàn)徑向流的三葉后掠式漿型，配合指形擋板 可得上下循環(huán)流，循環(huán)量大，在擋板配合下，剪切作用也好。符合 要求，故選擇此漿型，其如 表 24所示。 24 三葉后掠式漿型及其重要參數(shù) 漿型 簡圖 常用尺寸 運轉(zhuǎn)條件 常用介質(zhì)粘度范圍 流動狀態(tài) 備注 三葉后掠式 / ? / ? / 2/5bh? 30 ,50?? ? ? 上翹角 1520? Z=3 n=80150rpm 610 cp 徑流型，配合指形擋板可得上下循環(huán)流。循環(huán)量大，在擋板配合下，剪切作用也好 最高葉端線速度可達15m/s 關(guān)于攪拌器在攪拌軸上的安裝層數(shù)，一般都是從漿葉的攪動范圍來考慮的。液層過高則要考慮設置多層漿葉。對于低粘度的液體如粘度小于 5000cp 時，徑流型漿葉可攪動槽內(nèi)上下范圍為漿徑的 4 倍，所以對常用的液層深度 H=D 時，只要一層漿葉即可 。 已知水的粘度小于 5000cp且三 葉后掠式漿葉為徑流型，從上表 可知其漿直徑與槽體直徑之比為 ，所以采用一層漿葉即可。 漿葉尺寸的確定及校核 由 表 24中可知 ： / ? D=1500mm 750jd ? mm / ? b=75mm