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1、化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ),主講 滕艷華 副教授 材料學院高分子材料教研室 ,2,第六章 攪拌器反應(yīng)釜,3,一、攪拌的目的,1、使物料 混合均勻,第一節(jié) 概述,2、強化傳熱、傳質(zhì),4,1-攪拌器 2-罐體 3-夾套 4-攪拌軸 5-壓出管 6-支座 7-人孔 8-軸封 9-傳動裝置,圖9-1攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)圖,二、結(jié)構(gòu),5,,攪拌設(shè)備,攪拌裝置,軸封,攪拌罐,罐體,附件,攪拌軸,攪拌器,傳動裝置,,,,6,一、罐體的尺寸確定,罐體長徑比對攪拌功率的影響,第二節(jié) 攪拌罐結(jié)構(gòu)設(shè)計,罐體長徑比對傳熱的影響,需要較大攪拌功率的，長徑比可以選得小些。,體積一定時，長徑比越大，表面積越大，越利于傳熱；并且此時傳熱面距罐

2、體中心近，物料的溫度梯度就越大，有利于傳熱效果。因此，單純從夾套傳熱角度考慮，一般希望長徑比大一些。,1、罐體長徑比,7,物料特性對罐體長徑比的要求,表61 幾種攪拌罐的長徑比,8,裝料系數(shù),初步計算筒體內(nèi)徑,確定筒體直徑和高度,一般取0.60.8,2、攪拌罐裝料量,,,二、夾套傳熱及其結(jié)構(gòu),攪拌反應(yīng)釜最常見的傳熱方式為夾套和蛇管傳熱。在釜體外側(cè)，以焊接或法蘭連接的方法裝設(shè)各種形式的外套，時期與釜體外表面形成密閉的空間，在此空間內(nèi)通入載熱流體，以加熱或冷卻無料，維持物料的溫度在規(guī)定的范圍，這種結(jié)構(gòu)稱為夾套。 （一）整體夾套的結(jié)構(gòu)類型 （a）僅圓筒的一部分有加套，用在需要加熱面積不大的場合。 （

3、b）圓筒的一部分和下封頭包有加套，是最常用的典型結(jié)構(gòu)。 （c）考慮到筒體受外壓時為了減小筒體的計算長度L，或者為了實現(xiàn)在筒體的軸線方向分段的控制溫度而采用分段夾套，各段之間設(shè)置加強圈或采用能夠起到加強圈作用的夾套封口件，此結(jié)構(gòu)適用于筒體細長的場合。 （d）為全包式夾套，與前三種相比，有最大的傳熱面積。,,（二）整體夾套的尺寸確定及連接方式,夾套直徑Dj可根據(jù)筒體內(nèi)徑按表選取 夾套封頭根據(jù)夾套直徑及所選封頭形式按標準選取 夾套高度Hj主要決定于傳熱面積F的要求，一般不低于液面高度，以保證充分傳熱，可按下式估算 按估算的夾套高度，校核傳熱面積，如果不符合要求，則需選擇其他形式的傳熱裝置。 整體夾

4、套與筒體的連接方式有可拆卸和不可拆卸兩種。,,,,,,（三）夾套上的附件,1、進口接管,,2、螺旋導流板,三、其他形式的夾套結(jié)構(gòu),各種夾套的適用范圍： （一）半圓管夾套的結(jié)構(gòu),,（二）型鋼夾套結(jié)構(gòu),四、蛇管傳熱及其結(jié)構(gòu),,,,,,（二）攪拌器的形式,槳式、渦輪式、推進式、錨式、框式、螺帶式、螺桿式,24,第二節(jié) 攪拌器的型式及選型,,一、常見型式,25,二、攪拌器的功能,提供攪拌過程所需要的能量和適宜的流動狀態(tài)，以達到攪拌過程的目的。,漿葉旋轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生能量，作用于液體，形成流動狀態(tài)。關(guān)鍵在漿葉，也與其它因素有關(guān)，如介質(zhì)特性，攪拌器的工作環(huán)境等。,26,三、選型,,攪拌器選型,攪拌目的,物料粘

5、度,攪拌容器容積的大小,,選用時除滿足工藝要求外，還應(yīng)考慮功耗低、操作費用省，以及制造、維護和檢修方便等因素。,27,表9-1 攪拌器型式適用條件表,,注表中空白為不適或不詳，為適合。,28,四、幾種常用攪拌器簡介,,槳式、推進式、渦輪式和錨式攪拌器在 攪拌反應(yīng)設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛，據(jù)統(tǒng)計約占 攪拌器總數(shù)的7580。,29,,,1. 槳式攪拌器,結(jié)構(gòu)最簡單 葉片用扁鋼制成，焊 接或用螺栓固定在輪 轂上，葉片數(shù)是2、3 或4 片，葉片形式可 分為平直葉式和折葉 式兩種。,圖9-3 槳式攪拌器,30,,,主要應(yīng)用,液液系中用于防止分離、使罐的溫度均一，固 液系中多用于防止固體沉降。,主要用于流體的循

6、環(huán)，由于在同樣排量下，折葉式 比平直葉式的功耗少，操作費用低，故軸流槳葉使 用較多。,也用于高粘流體攪拌，促進流體的上下交換，代替 價格高的螺帶式葉輪，能獲得良好的效果。,31,槳式攪拌器的轉(zhuǎn)速一般為20100r/min ， 最高粘度為20Pas 。,缺點,不能用于以保持氣體和以細微化為目的 的氣液分散操作中。,,32,2. 推進式攪拌器,,推進式攪拌器（又稱船用推進器） 常用于低粘流體中。,結(jié)構(gòu),,,標準推進式攪拌器有三瓣葉 片，其螺距與槳直徑d相等。 它直徑較小，d/D=1/41/3，葉端速度一般為 710 m/s，最高達15 m/s。,,圖9-4 推進式攪拌器,33,,攪拌時流體由槳葉上

7、方吸入，下方以圓筒狀螺旋形排 出，流體至容器底再沿壁面返至槳葉上方，形 成軸向流動。,特點 攪拌時流體的湍流程度不高，循環(huán)量大，結(jié)構(gòu) 簡單，制造方便。,,循環(huán)性能好，剪切作用不大， 屬于循環(huán)型攪拌器。,34,應(yīng)用,,粘度低、流量大的場合，用較小的攪拌功率，能獲得較好 的攪拌效果。 主要用于液液系混合、使溫度均勻，在低濃度固液系 中防止淤泥沉降等。,,改進,,容器內(nèi)裝擋板、攪拌軸偏心安裝、 攪拌器傾斜，可防止漩渦形成。,35,3渦輪式攪拌器,,渦輪式攪拌器（又稱透 平式葉輪），是應(yīng)用較 廣的一種攪拌器，能有 效地完成幾乎所有的攪 拌操作，并能處理粘度 范圍很廣的流體。,圖9-5 渦輪

8、式攪拌器,36,渦輪式攪拌器有較大的剪切力，可使流體微團分散得很細，適用于低粘度到中等粘度流體的混合、液液分散、液固懸浮，以及促進良好的傳熱、傳質(zhì)和化學反應(yīng)。,37,4錨式攪拌器,,結(jié)構(gòu)簡單。 適用于粘度在100Pas 以下的流體攪拌，當流 體粘度在10100Pas 時，可在錨式槳中間加 一橫槳葉，即為框式攪 拌器，以增加容器中部 的混合。,圖9-6 錨式攪拌器,38,錨式或框式槳葉的混合效果并不理想，只適用于對混合 要求不太高的場合。,由于錨式攪拌器在容器壁附近流速比其它攪拌器 大，能得到大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，故常用于傳熱、 晶析操作。 常用于攪拌高濃度淤漿和沉降性淤漿。 當攪拌粘度大于100P

9、as 的流體時，應(yīng)采用螺帶 式或螺桿式。,,擋板與導流筒 1擋板 當流體粘度不大，攪拌轉(zhuǎn)速較高，而且槳葉放在釜的中心線時，液體將隨著槳葉旋轉(zhuǎn)的方向循著釜壁滑動，釜內(nèi)液體在離心力作用下涌向釜壁，使液面沿襲壁上升，中心部分的液面下降，形成一個漩渦，通常稱打漩現(xiàn)象。,,,打漩現(xiàn)象消除措施： a.攪拌軸偏心安裝時，能減弱游渦，提 高軸向循環(huán)速率; b.在釜內(nèi)安裝擋板可有效的消除游渦, 擋板 擋板的作用是避免旋 渦現(xiàn)象，增大被攪拌液體 的湍流程度，將切向流動 變?yōu)檩S向和徑向流動，強 化反應(yīng)器內(nèi)液體的對流和 擴散，改善攪拌效果。,攪拌反應(yīng)器的擋板結(jié)構(gòu),,可有效地防止粘滯液體在擋板處形成死角，以防止

10、固體顆粒的堆積。,在高粘度物料中使用槳式攪拌器時，可安裝橫擋板以增加摻合作用，擋板寬度可與攪拌葉同寬。,,2導流筒 設(shè)置導流筒，既可提高釜內(nèi)流體的攪拌程度，加強槳葉對流體的直接剪切作用，同時又造成一定的循環(huán)流型，使釜內(nèi)所有物料均可通過導流筒內(nèi)的強烈混合區(qū)，提高混合效率。另外由于限定了循環(huán)路徑，減少了短路機會。,, 導流筒的作用 導流筒作用---提高混合效率 一方面提高了對液體的攪拌程度，加強了攪拌器對液體的直接機械剪切作用；另一方面由于限定了液體的循環(huán)路徑，確立了充分循環(huán)的流型，使器內(nèi)所有物料均能通過導流筒內(nèi)的強烈混合區(qū)，減少了走短路的機會。 導流筒的組成 導流筒是一個圓筒，

11、安裝在攪拌器的外面。常用于推進式和渦輪式攪拌器。,導流筒,49,（一）攪拌器功率和攪拌器作業(yè)功率,1、定義,,攪拌功率,攪拌器功率,攪拌作業(yè)功率,四、攪拌器的功率,最理想狀態(tài)：攪拌器功率攪拌作業(yè)功率,攪拌過程進行時需要動力，籠統(tǒng)地稱這一動力時叫做攪拌功率。,為使攪拌器連續(xù)運轉(zhuǎn)所需要的功率稱為攪拌器功率。,攪拌器使攪拌槽中的液體以最佳方式完成攪拌過程所需要的功率。,,50,2、影響攪拌器功率的因素,51,一、傳動裝置,第四節(jié) 傳動裝置及攪拌軸,,,一般包括電動機、減速裝置、聯(lián)軸節(jié)及攪拌軸,圖9-8 齒輪減速機,圖9-9 渦輪減速機,52,二、軸的計算,,,1、軸的強度計算,2、軸的剛度計算,,,

12、53,二、軸封,,,,,,,機械攪拌反應(yīng)器 軸封主要有兩種,軸的密封裝置,填料密封,機械密封,,避免介質(zhì)通過轉(zhuǎn)軸從攪拌容器內(nèi)泄漏或外部 雜質(zhì)滲入攪拌容器內(nèi)。,目的：,,54,,,1、填料密封,,,,,特點：,,結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，適用于非腐蝕性和弱腐蝕性介質(zhì)、 密封要求不高、并允許定期維護的攪拌設(shè)備。,填料密封的結(jié)構(gòu)及工作原理,,組成：,底環(huán)、本體、油環(huán)、填料、螺柱、壓蓋及油杯等。,55,工作原理,在壓蓋壓力作用下，裝在攪拌軸與填料箱本體之間的填料，對攪拌軸表面產(chǎn)生徑向壓緊力。 填料中含有潤滑劑，在對攪拌軸產(chǎn)生徑向壓緊力的 同時，形成一層極薄的液膜，一方面使攪拌軸得到 潤滑，另一方面阻止設(shè)備內(nèi)

13、流體的逸出或外部流體 的滲入，達到密封的目的。,,,56,存在問題,填料中的潤滑劑會在運轉(zhuǎn)中不斷消耗，通過設(shè)置在填料中間的油環(huán)向填料內(nèi)加油，保持潤滑。 填料密封不可能絕對不漏。增加壓緊力，填料緊壓在轉(zhuǎn)動軸上，會加速軸與填料間的磨損，使密封更快失效。 在操作過程中應(yīng)適當調(diào)整壓蓋的壓緊力，并需定期更換填料。,,57,圖9-10 填料密封的結(jié)構(gòu),1壓蓋 2雙頭螺柱 3螺母 4墊圈 5油杯 6油環(huán) 7填料 8本體 9底環(huán),58,,,填料密封箱的特點,,b. 成型環(huán)狀填料 盤狀填料裝配時尺寸公差很難保證，填料壓緊后不能 完全保證每圈都與軸均勻良好接觸，受力狀態(tài)不好， 易造成填料密封失效而泄漏。采用

14、具有一定公差的成 型環(huán)狀填料，密封效果可大為改善。填料一般在裁 剪、壓制成填料環(huán)后使用。 成型環(huán)狀填料的形狀見圖834。,在填料箱的壓蓋上設(shè)置襯套，可提高裝配精度，使軸有良好對中，填料壓緊時受力均勻，保證填料密封在良好條件下進行工作。,59,圖9-11 壓制成型填料,60,,當旋轉(zhuǎn)軸線速度大于1m/s時，摩擦熱大，填料 壽命會降低，軸也易燒壞。,措施：,提高軸表面硬度和加工精度，提高填料自 潤滑性能，如在軸表面堆焊硬質(zhì)；,合金或噴涂陶瓷或采用水夾套等。軸表面 的粗糙度應(yīng)控制在0.8-0.2m。,,,,61,,填料密封的選用,,b. 根據(jù)填料的性能選用： 當密封要求不高時，選用一般石棉或

15、油浸石棉填 料，當密封要求較高時，選用膨體聚四氟乙烯、 柔性石墨等填料。各種填料材料的性能不同，按 表8-13選用。,根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度及介質(zhì)腐蝕性選用當介 質(zhì)為非易燃、易爆、有毒的一般物料且壓力不高 時，按表812選用填料密封。,,62,表9-4 標準填料箱的允許壓力、溫度,63,表9-5 填料材料的性能,64,,,2、機械密封,,,,,,把轉(zhuǎn)軸的密封面從軸向改為徑向，通過動環(huán)和靜 環(huán)兩個端面的相互貼合，并作相對運動達到密封 的裝置，又稱端面密封。,泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用壽命長， 在攪拌反應(yīng)器中得到廣泛地應(yīng)用。,定義：,特點：,,,,65,,由固定在軸上的動環(huán)及彈

16、簧壓緊裝置、固定在設(shè)備上的靜環(huán)以及輔助密封圈組成。,機械密封的結(jié)構(gòu)及工作原理,結(jié)構(gòu),66,1彈簧； 2動環(huán)； 3靜環(huán),圖9-12 機械密封結(jié)構(gòu),67,釜用機械密封基本結(jié)構(gòu),68,圖9-13 機械密封的基本結(jié)構(gòu)及組成,69,,,當轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，動環(huán)和固定不動的靜環(huán)緊密接觸，并經(jīng)軸上彈簧壓緊力的作用，阻止容器內(nèi)介質(zhì)從接觸面上泄漏。,工作原理,動環(huán)與軸之間的密封，屬靜密封，密封件常用“O”形環(huán)。,A點：,圖中有四個密封點：,70,,,B點：,動密封, 密封的關(guān)鍵,動環(huán)和靜環(huán)作相對旋轉(zhuǎn)運動時的端面密封，屬動密 封，是機械密封的關(guān)鍵。 兩個密封端面的平面度和粗糙度要求較高，依靠介 質(zhì)的壓力和彈簧力使兩端面

17、保持緊密接觸，并形成 一層極薄的液膜起密封作用。,,71,,,靜環(huán)座與設(shè)備之間的密封，屬靜密封。 通常設(shè)備凸緣做成凹面，靜環(huán)座做成凸面， 中間用墊片密封。,C點：,靜環(huán)與靜環(huán)座之間的密封，屬靜密封。,D點：,72,密封面上單位面積所受的力稱為端面比壓。 它是動環(huán)受介質(zhì)壓力和彈簧力的共同作用下，緊壓在靜環(huán)上引起的，是操作時保持密封所必需的凈壓力。,造成摩擦面發(fā)熱，摩擦加劇，功率消耗增加，使用壽命縮短,端面比壓：,密封面因壓不緊而泄漏，密封失效,,端面比壓過大：,端面比壓過小：,,動環(huán)和靜環(huán)之間的摩擦面稱為密封面,73,機械密封分類,機械密封 分類,按密封面負荷 平衡情況分為,按密封面 數(shù)目分為,,,單端面,雙端面,平衡型,非平衡型,一對密封面,二對密封面,,