【正文】 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒論 攪拌的目的和功用 攪拌的作用 攪拌操作是通過攪拌器的作用，使流體物料在攪拌槽內(nèi)按一定的流型流動(dòng)，從而達(dá)到使物料混合或分散均勻的目的。 在食品、纖維、造紙、石油、水處理等工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌作為工藝流程的一部分獨(dú)立存在。攪拌操作可以使兩種或者多種不同的物質(zhì)在彼此之中相互分散，從而達(dá)到均勻混合，同時(shí)加速傳熱和傳質(zhì)的過程。在工業(yè)生產(chǎn)尤其是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，無論是加熱、冷卻、液體萃取、氣體吸收等物理變化，還是化學(xué)工藝中的種種化學(xué)變化，都是以物質(zhì)的充分混合為前提，往往需要采用攪拌操作才能得到很好的效 果。 攪拌設(shè)備 是工業(yè)中專門用于實(shí)施攪拌行為的設(shè)備，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。攪拌設(shè)備主要由攪拌裝置、軸封和攪拌罐三大部分組成 。 攪拌設(shè)備的主要作用是達(dá)到使物料均勻混合、強(qiáng)化傳熱的效果，對(duì)于具體的攪拌過程還可以使氣體在液相中很好地分散、固體粒子在液相中均勻懸浮、不相溶的某一液相均勻懸浮或者充分乳化、以及強(qiáng)化相間的傳質(zhì) 。 攪拌的功用 在工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌操作一般具有下列功用 : 使互溶物料均勻混合。 使不互溶物料很好地分散或懸浮，包括氣相在液相中的均勻分散、固相顆粒在液相中的均勻懸浮、一種液相在另一種液相中 的沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 均勻懸浮或充分乳化。 強(qiáng)化傳熱或傳質(zhì)過程。正因?yàn)閿嚢璨僮骶哂猩鲜龉τ茫湓诠I(yè)生產(chǎn)特別是在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛，是常見的單元操作之一。 由于本課題所涉及的生化反應(yīng)中需要菌體、酶和廢水充分混合，而且在有氧生化反應(yīng)中有熱量放出。而攪拌可以使物料均勻混合和增大傳熱系數(shù)，從而可以促進(jìn)反應(yīng)熱快速地傳出，防止物料的局部過熱，保證細(xì)菌的活力。 （圖 ） 攪拌設(shè)備示意圖 攪拌設(shè)備和工藝的發(fā)展 雖然攪拌設(shè)備的使用歷史悠久，應(yīng)用范圍較廣泛，但對(duì)攪拌以沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 及攪拌設(shè)備的相關(guān)研究還不是十分深入。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性隨客 觀條件的不同及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而變化。影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性的因素大致有生產(chǎn)類型，制造條件，工藝技術(shù)的發(fā)展三個(gè)方面。 生產(chǎn)類型 生產(chǎn)類型是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝性的首要因素。當(dāng)單件、小批生產(chǎn)零件時(shí)，大都采用生產(chǎn)效率較低、通用性較強(qiáng)的設(shè)備和工藝裝備，采用普通的制造方法，因此，機(jī)器和零部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)與這類工藝裝備和工藝方法相適應(yīng)。在大批大量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)必須與采用高生產(chǎn)率的工藝裝備和工藝方法相適應(yīng)。所以，在單件小批生產(chǎn)中具有良好工藝性的結(jié)構(gòu)，往往在大批量生產(chǎn)中，其工藝性并不一定好，反之亦如此。因此當(dāng)產(chǎn)品由單件小批量生產(chǎn) 擴(kuò)大到大批量生產(chǎn)時(shí)，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行審查和修改，以適應(yīng)新的生產(chǎn)類型的需要。 制造條件 機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)必須與制造廠的生產(chǎn)條件相適應(yīng)。具體生產(chǎn)條件應(yīng)包括：毛坯的生產(chǎn)能力及技術(shù)水平；機(jī)械加工設(shè)備和工藝裝備的規(guī)格及性能；熱處理的設(shè)備及能力；技術(shù)人員和工人的技術(shù)水平；輔助部門的制造能力和技術(shù)力量等。 工藝技術(shù)的發(fā)展 隨著生產(chǎn)不斷發(fā)展，新的加工設(shè)備和工藝方法不斷出現(xiàn)。精密鑄造、精密鍛造、精密沖壓、擠壓、鐓鍛、軋制成形、粉末冶金等先進(jìn)工藝，使毛坯制造精度大大提高；真空技術(shù)、離子氮化、鍍滲技術(shù)使零 件表面質(zhì)量有了很大的提高；電火花、電解、激光、電子束、超聲波加工技術(shù)使難加工材料、復(fù)雜形面、精密微孔等加工較為方便。 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 攪拌裝置的組成 攪拌裝置是攪拌設(shè)備的主體部分，其中包括傳動(dòng)裝置，攪拌軸，攪拌器。攪拌設(shè)備中具有獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般有電動(dòng)機(jī)，減速裝置，聯(lián)軸器以及攪拌軸統(tǒng)一組成。 攪拌設(shè)備選用電動(dòng)機(jī)一般根據(jù)攪拌需要確定系列，功率，轉(zhuǎn)速以及安裝形式，防爆要求等幾項(xiàng)內(nèi)容。電動(dòng)機(jī)有 D2， T2， D2/T2，L3， D2/L3 等幾種不同的安裝形式，常用的電動(dòng)機(jī)有一般異步電動(dòng)機(jī)，變速異步電動(dòng)機(jī)，防爆異步電動(dòng)機(jī)。 由于 攪拌器的轉(zhuǎn)速比電動(dòng)機(jī)的速度要低的多，所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中必須要有一定的減速裝置。不同的減速裝置也決定了攪拌器傳動(dòng)方式的不同。常用的減速裝置有齒輪減速機(jī)，渦輪減速機(jī)，三角皮帶以及擺線針齒行星減速機(jī)等。設(shè)計(jì)人員在減速機(jī)的具體選型過程中主要應(yīng)參考以下幾個(gè)方面的因素： 出軸旋轉(zhuǎn)方向單向或雙向 2 、 攪拌軸軸向力方向以及減速機(jī)是否承受軸向力 3 、 傳動(dòng)比，功率，進(jìn)出軸的轉(zhuǎn)速。兩軸的相對(duì)位置 防爆或非防爆 外型尺寸需要滿足安裝與檢修的要求 6 、 工作平穩(wěn)性，如震動(dòng)和載荷變化情況 連軸器與攪拌軸的設(shè)計(jì)，是攪 拌設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)過程中先后需要經(jīng)理選型，功率計(jì)算，強(qiáng)度計(jì)算軸徑計(jì)算等環(huán)節(jié)。 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 （圖 ） 攪拌設(shè)備裝置示意圖 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 （圖 ） 常規(guī)攪拌設(shè)備內(nèi)部 （圖 ）一般 攪拌設(shè)備總體安裝外部 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 （圖 ） 組合式攪拌設(shè)備 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 2 攪拌器總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)計(jì)劃 設(shè)計(jì)要求 攪拌操作是應(yīng)用最廣泛的化工單元操作之一。例如在食品、染料、制藥、油漆等生產(chǎn)中，幾乎所有的反應(yīng)裝置都裝有不同類型的攪拌裝置。 攪拌能使物料產(chǎn)生流動(dòng)，分散，細(xì)微化，從而可以增加接觸面積，降低界面阻力，以促進(jìn)傳質(zhì)過程的進(jìn)行。攪拌能增加傳熱速率，提高傳熱系數(shù)，促進(jìn)傳熱過程。在激烈的溫度變化和濃度變化的場(chǎng)合，通過攪拌充分混合，可以消除局部過熱和局部反應(yīng)，防止較多副產(chǎn)物的生成。在固一液系統(tǒng)中攪拌可防止顆粒沉降，促進(jìn)固體顆粒的溶解。在吸附和結(jié)晶過程中，攪拌能增加表面吸附作用，以及析出均勻的結(jié)晶等?？傊?dāng)嚢璨僮髋c反應(yīng)、傳熱、吸附、溶解、結(jié)晶等單元操作均有密切的關(guān)系。 本次設(shè)計(jì)的攪拌器主要是特定針對(duì)液體 液體和液體 溶解固體混合攪拌，假設(shè)在一個(gè)食品加工廠需要安裝在一個(gè)特定攪拌容器里 不間斷攪拌能夠互溶液體原料（主要是水密度液體）。使原料水、液體原料和少量的完全溶解固體原料成分充分均勻的拌和。攪拌容器內(nèi)壁光滑，沒有加熱棒和導(dǎo)流設(shè)備， D=3m， H=3m,液面高不高于 2m容器內(nèi)無擋板和倒流槽 。 液體原料由容器上部裝入下部排出，少量固體原料在攪拌過程中由容器上部裝料口裝入，需要注意的是在攪拌過程中不能使液體流量過快以避免液體由于過于劇烈流動(dòng)而使液體中混入大量空氣和沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 使原料局部溫度升高導(dǎo)致整體溫度不平衡。 在食品加工工業(yè)中有很多需要攪拌設(shè)備的工序，最普遍的例如飲料、飲品的加工制作，食 品提純、稀釋等。 在本次設(shè)計(jì)中我們還針對(duì)特定的場(chǎng)合在完成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)對(duì)攪拌器的設(shè)計(jì)提出了下列要求： 為了經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越，出于節(jié)省能源的目的，所設(shè)計(jì)的攪拌器的攪拌功率盡可能小。 攪拌效果也就是排液量盡可能大，這樣可以使整個(gè)容器中的液體充分的攪拌均勻，最好效果的完成攪拌。 為了盡可能的設(shè)計(jì)出符合本次設(shè)計(jì)要求的設(shè)備，我們首先要根據(jù)本次要求進(jìn)行完整的初步設(shè)計(jì)，然后在經(jīng)過不斷的設(shè)計(jì)優(yōu)化。 設(shè)計(jì)步驟及程序制定 攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)過程沒有標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格的設(shè)計(jì)步驟。其原因主要有兩點(diǎn)： 1．工業(yè)中應(yīng)用體系的混 合目的、物料性質(zhì)和攪拌設(shè)備形式的多樣性，以及物料在攪拌設(shè)備中流動(dòng)的復(fù)雜性。 2． 缺乏公認(rèn)的攪拌效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)難以在一個(gè)嚴(yán)密的理論指導(dǎo)下完成，在很大程度上仍依賴于經(jīng)驗(yàn)。 攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)首先要考察過程目標(biāo)，對(duì)過程的體系、性質(zhì)、要求的目標(biāo)進(jìn)行了解。然后從攪拌器 設(shè)計(jì)角度分析攪拌任務(wù)的尺度和難度。所謂尺度是指攪拌體系中物料的量。所謂難度是指達(dá)到攪拌效果所需要克服的阻力。在此基礎(chǔ)上可選定攪拌器的型式， 葉輪尺寸，轉(zhuǎn)速及所需功率。然后確定攪拌器的安裝尺寸及附件等。攪沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 拌器設(shè)計(jì)好之后還要在滿足工藝條件的要 求下從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行優(yōu)化。攪拌器的設(shè)計(jì)基本程序一般為：攪拌條件的設(shè)定和確認(rèn)攪拌葉輪型式及附件的選定。確定葉輪尺寸及轉(zhuǎn)速，計(jì)算攪拌功率。 物料性質(zhì)從有關(guān)圖表資料中查出該物料系統(tǒng)的相關(guān)物理、化學(xué)性質(zhì)。如粘度、密度 等。任務(wù)攪拌任務(wù)的基本內(nèi)容包括：明確被攪拌的物料系統(tǒng)；攪拌操作所要達(dá)到的目的；攪拌物料的處理量 (間歇操作按一個(gè)周期的批量、連續(xù)操作按時(shí)班或年處理量 )；明確有無化學(xué)反應(yīng)、有無熱量傳遞等。 攪拌器選型目前尚無完善的客觀尺度，往往在同一攪拌目的下，幾種攪拌器均可適用。實(shí)際選用時(shí)，首先應(yīng)考慮在達(dá)到攪拌目的的同時(shí)，力求消耗較小的功率。根據(jù)攪拌葉輪的一般選擇原則，在葉輪選定之后，還應(yīng)考慮葉輪直徑的大小與轉(zhuǎn)速的高低。攪拌器的選型不能滿足于從同類工藝中借鑒，還應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求具體分析。攪拌裝置機(jī)械設(shè)計(jì)中各項(xiàng)程序簡(jiǎn)要說明如下： 1 確定操作參數(shù)：攪拌器操作的壓力和溫度、攪拌的容積和時(shí)間、連續(xù)或間歇操作、葉輪的直徑和轉(zhuǎn)速、物料的有關(guān)性質(zhì)和物料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，都屬于操作參數(shù)，而最基本的目的則是要通過有關(guān)參數(shù)，計(jì)算攪拌的雷諾數(shù)，確定流動(dòng)類型，進(jìn)而計(jì)算功率消耗。 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在確定攪拌器類型和操作參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ，其主要內(nèi)容是確定葉輪構(gòu)型的幾何尺寸、攪拌槽的幾何形狀和尺寸。 3 功率計(jì)算： 攪拌槽的功率計(jì)算包括兩個(gè)步驟： 第一步 確定攪拌的凈功率消耗； 沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 第二步 確定適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)額定功率，進(jìn)而選用適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)。 4 傳熱計(jì)算：攪拌操作過程中存在熱量傳遞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行傳熱計(jì)算，其主要目的是核算攪拌裝置提供的傳熱面積是否滿足傳熱的要求。 5 機(jī)械設(shè)計(jì)：在完成上述各項(xiàng)設(shè)計(jì)程序的基礎(chǔ)上，通過機(jī)械設(shè)計(jì)，確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行必要的強(qiáng)度計(jì)算，并提供攪拌器的全部加工尺寸，最后應(yīng)繪制零部件加工圖和總體配裝圖，以便組織加工與安裝。 實(shí)際 的攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)放大過程還需要進(jìn)行多次的反復(fù)計(jì)算才能設(shè)計(jì)出符合各種標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用的最優(yōu)設(shè)備。 攪拌器的設(shè)計(jì) 確定攪拌的種類和形狀 確定攪拌器的種類 攪拌作為一種單元操作，涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)等多領(lǐng)域知識(shí)，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的操作過程。攪拌以使攪拌介質(zhì)的各部分接近均質(zhì)為目的，操作過程中會(huì)受到許多因素的影響。但無論攪拌過程如何復(fù)雜多變，無一不是通過攪拌器或者其他手段，使攪拌設(shè)備內(nèi)的流體產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)狀態(tài)，并在特定的流動(dòng)狀態(tài)中達(dá)到各種所需的攪拌目的。流動(dòng)場(chǎng)問題和攪拌能量問題一直 是攪拌過程所研究的主要課題。不同操作目的的攪拌過程需要不同的流動(dòng)場(chǎng)、需要供給能量的多少也不同。按照攪拌介質(zhì)的相態(tài)，攪拌過程可以分為均相系和非均相系兩大類。前者為互溶液體的攪拌，后者沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 包括不互溶液體的攪拌、氣一液相的攪拌和固一液相的攪拌 .當(dāng)攪拌介質(zhì)粘度特別高的時(shí)候，其流動(dòng)狀態(tài)具有相當(dāng)?shù)奶厥庑?，所以一般又單?dú)分類為高粘度液的攪拌?？傊煌臄嚢柽^程對(duì)攪拌的要求有著明顯的不同。 互溶液體的攪拌旨在使兩種或數(shù)種液體相互之間達(dá)到濃度、密度、溫度以及其他物性的均勻狀態(tài)。 2131321 1 1 jdDjjQdmddk N et n D D??? ?????? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ????? 式（ ） 213132 300061 0 .1 3 .6 4 1 0 0 .2 1 12 4 0 0 3 0 0 0 3 0 0 0jdjjdd en??? ??? ???? ??? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ????? 式（ ） tm混合時(shí)間（ s） n攪拌漿轉(zhuǎn)速（ rpm） k比例系數(shù)，決定于示蹤物的判定方式和混合終了的判定條件，一般情況取 dj攪拌器直徑（ mm） D攪拌槽直徑（ mm） NQd排出流量數(shù)（ m3/s） 由上式判斷當(dāng)攪拌速度為 1—— 1000 時(shí)攪拌器直徑約為 400mm—— 1000mm之間，所以初設(shè)定攪拌器的直徑在 300—— 1000 之間 攪拌罐內(nèi)液體的循環(huán)速度取決于循環(huán)流動(dòng)液體的體積流量。從葉輪直接排出的液體體積流量，稱為葉輪的“排液量”。參與循環(huán)流沈陽(yáng)航空 工業(yè) 學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 動(dòng)的所有液體的體積流量，稱為“循環(huán)流”。由于葉輪排出流產(chǎn)生的夾帶作用，循環(huán)流可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于排液量，二者差別的大小取決于排出流的夾帶能力。 對(duì)于幾何相似的葉輪，其排液量 Q,、葉輪直徑 d 和轉(zhuǎn)速。之間存在如下的關(guān)系 ： 31Q nd? 式（ ） 式中 Q1一葉輪的排液量， m3/s n 一葉輪的轉(zhuǎn)速