反应釜地搅拌装置设计.docx
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反应釜地搅拌装置设计
第三章反应釜的搅拌装置
搅拌装置由搅拌器、轴及其支撑组成。
搅拌器的形式很多，根据任务说明书的要求，本次设计采用的是推进式搅拌器。
推进式搅拌器的特点是能使液体产生激烈流动及湍流运动的性能很高。
推进式搅拌器的主要运用范围是搅拌及混合绝对粘度小于36000厘泊的各种流动性的液体，以及制成乳浊液或悬浮液。
[3]
推进式搅拌器机械设计的主要内容是：
确定搅拌轴的直径、搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构。
进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构及材料的选用。
由于介质具有一定的腐蚀性，搅拌装置的材料选用与反应罐主体材料相同的材料06Gr19Ni10同一数字代号S30403。
图3-1搅拌装置
由前三章的相关设计得知反应釜净直径Di=1500mm，净高H=1900mm；工作温度：
25℃；工作压力：
0.125MPa；搅拌目的：
搅拌均匀。
第3.1节搅拌器形式的确定
根据实际生产要求，初步设定搅拌器为两层搅拌，采用三叶开启涡轮式搅拌器（又称为螺旋推进式搅拌器）。
图3-2推进式搅拌器
搅拌器直径Dj取标准值，即搅拌容器直径的三分之一：
[4]
Dj=Di/3=1500m/3=500mm————————————（3-1）
底间距（C）即搅拌器距容器底部高度，通常底间距与搅拌容器内径比值一般在0.05~0.3范围内选取[4]。
则
C=（0.05~0.3）Dj=15~150mm——————————（3-2）
因为底间距比值越小，固相完全离底悬浮临界转数越小，所以在满足底层桨轴向排量的前提下，该比值尽量取得最小。
但是考虑到实际生产中容器底部会出现一定量的沉积物，C值不能太小[4]；C值太大搅拌效果不足，结合实际取C=130mm
搅拌器浸入搅拌容器液面下的深度（S），搅拌器浸入液体内的最佳深度为：
[2]
——————————（3-3）
对于双层搅拌器，搅拌器层间距（Sp）与桨径之比一般为0.5~2范围内，由搅拌桨的轴向作用范围和反应釜的高度决定搅拌桨层数。
对于两层以上的多层桨，要调整桨径和层数取得合理的层间距，达到搅拌效果好，轴功率低的效果。
[2]
故：
Sp=（0.9~1.5）Di=250~1000mm———————————（3-4）
取Sp=700mm
搅拌器和容器的几何参数条件如表3-1[5]：
表3-1搅拌器容器几何参数条件
挡板数量
无
搅拌器距容器底部距离
挡板宽度
无
搅拌器潜液深度
S=1200
挡板与容器内壁间距
无
搅拌器直径
Dj=500
搅拌器桨叶数量
Zj=3
搅拌器桨叶的螺距
Pt=Dj=500
表3-2推进式桨叶尺寸表[2]
dj
d
d1
螺钉
δ1
δ1
h
键槽
a
P/n
不大于
d2
b
t
150
30
60
M12
10
5
40
8
33.1
51°31′
0.008
200
30
60
M12
10
5
45
8
33.1
43°22′
0.008
250
40
80
M12
10
5
55
12
43.6
36°11′
0.01
300
40
80
M12
12
6
65
12
43.6
39°59′
0.01
400
50
90
M16
14
8
95
16
55.1
35°19′
0.031
500
65
110
M16
18
10
105
18
70.6
34°39′
0.062
600
65
110
M20
22
12
125
18
70.6
29°59′
0.11
700
80
140
M20
22
12
150
24
87.2
32°14′
0.16
注：
表中P/n为搅拌器桨叶强度所允许的数值，其计算温度≤200℃；
P————计算功率，Kw；
n————搅拌器每分钟转数。
表3-3推进式桨叶展开截面尺寸
第3.2节搅拌轴的设计
搅拌轴将电动机的动力传递给搅拌器。
它承受的是以扭转为主的扭—弯联合作用。
已知混合物的密度为（900—1050）Kg/m3，则取ρ=1050Kg/m3；搅拌器直径Dj=500mm；搅拌器搅拌转速n=281r/min=4.68r/s；粘度μ=100cP=100mPa·s=0.1Pa·s
搅拌液的雷诺准数：
————————————————（3-5）
代入3-2-1式可得
一、搅拌轴消耗的功率
单层搅拌器搅拌轴上所消耗的功率：
————————————（3-6）
式中
————功率准数，与被搅拌液体的雷诺准数（Re）有关，与搅拌器的形式及交融其相关的几何参数有关。
对于双层搅拌器的总功率准数：
———————（3-7）
式中
————与多层搅拌器的间距和直径比（
）有关的系数
图3-3多层搅拌器总功率准数
的系数
且
两层搅拌器排液方向相同，查图4-1可得：
[5]
由图4-2功率准数P0与雷诺准数Re关系的关系图可得：
P0=0.36[5]
图3-4功率准数P0与雷诺准数Re关系
故
讲个数值带入式3-6和3-7可得：
二、搅拌轴轴径的设计计算
搅拌轴的材料：
选用06Gr19Ni10（304旧钢号0Gr18Ni9）；
搅拌轴的结构：
用实心直轴。
N0=0
由上节的相关计算得知：
搅拌轴功率：
P0c=1.8KWPc=1.2KW
搅拌轴转速：
n=281r/min
L=2560L1=2285L2=1585
1、受扭转变形控制的轴径d1：
————————————（3-8）
式中[
]————轴的许用扭转角，
由实践经验得：
对于单跨轴：
[
]=0.7
；
G—————轴材料的剪切弹性模量，
查得G=0.8×104MPa[5]
———搅拌轴传递的最大扭矩，N·m
———————————（3-9）
式中
—————传动侧轴承之前的传动装置传动效率，按表3-3-1选取[5]
表3-4传动装置各零部件的传动效率η1
类别
传动形式
传动效率η1
摆线针轮传动
摆线针轮行星减速机
＞0.9
谐波齿轮传动
谐波减速机
＞0.83
圆柱齿轮传动
开式传动，铸齿（考虑轴承损失）
0.9—0.93
开式传动，铁齿（考虑轴承损失）
0.95
单级圆柱齿轮减速器
0.97—0.98
双级圆柱齿轮减速器
0.95—0.96
行星齿轮减速器
0.9—0.93
圆锥齿轮传动
开式传动，铸齿（考虑轴承损失）
0.9—0.93
开式传动，铁齿（考虑轴承损失）
0.9—0.93
单级圆锥齿轮减速器
0.9—0.93
双级圆锥—圆柱齿轮减速器
0.9—0.93
蜗杆传动
自锁的
0.40—0.45
单头蜗杆
0.70—0.75
双头蜗杆
0.80—0.92
三头和四头蜗杆
0.40—0.45
蜗杆传动
圆弧面蜗杆传动
0.85—0.95
皮带传动
0.95—0.96
链传动
开式传动
链浸入油池中传动
0.92—0.94
0.95—0.97
变速器
无级变速器
0.8
轴承
传动轴承
滑动轴承
0.99—0.995
0.93—0.995
因为电动机功率
故可得
则由式3-2-4可得：
圆整可得：
d1=65mm（搅拌轴标准值）[5]
2、按强度计算搅拌轴直径d2
1）搅拌轴上的流体径向力：
———————————————（3-10）
式中k1—————搅拌器的流体径向系数取0.16[]则
2）搅拌器的质量mj≈7.5Kg
3）搅拌轴的质量：
4）搅拌轴的组合质量：
5）搅拌轴的临界转速：
如果搅拌轴的工作转速等于或接近于轴的固有频率时，轴将发生强烈震动，即发生共振现象。
发生共振时的转速称为临界转速。
工程上轴的转速应避开临界转速。
搅拌轴与搅拌器作为一个整体，有多个临界转速[1]。
对于刚性轴，要求n≤0.7nc故按保守值取：
6）搅拌轴的许用偏心距[e]（取搅拌轴的平衡精度G=6.3mm/s）[5]
7）搅拌轴的偏心力Fe
————————（3-11）
8）搅拌器和搅拌轴的组合质量m组重心至轴承的距离Le
————————（3-12）
9）搅拌轴的径向弯矩MR
因为搅拌轴在搅拌容器内为垂直安装，故其倾角α=0°[5]
则有：
——————————（3-13）
10）搅拌轴的轴向弯矩MA
因为搅拌轴的排液方向为向下，故搅拌轴受拉，所以MA=0
11）搅拌轴的当量弯矩Mte
————————（3-14）
则考虑弯扭组合计算搅拌轴的轴径d2：
—————————————（3-15）
式中[
]—————搅拌轴材料许用剪应力，
MPa
σb—————搅拌轴材料的抗拉强度，520MPa[5]
—————搅拌轴的扭矩和弯矩同时作用下的当量扭矩，N•m
各数值代入3-2-11式中得：
d2=34.9mm＜d1=65mm
表3-5搅拌轴常用金属材料及力学性能
材料
轴的加工状态
σz
MPa
σb
MPa
E
MPa
G
MPa
Q235-A
热轧，段后空冷
225
400
2.1×106
8.1×104
35
正火
265
510
2.1×106
8.1×104
45
正火
295
590
2.1×106
8.1×104
0Gr17Ni12Mo2
（316不锈钢）
205
520
1.93×106
0Gr18Ni9
（304不锈钢）
205
520
1.93×106
3Gr13
调质
635
835
40Gr
调质
540
735
钛（TA5）
退火
585
685
1.03×106
三、搅拌轴强度校核
1、对轴的强度进行校核计算
——————————————————（3-16）
式中Wp—————对于实心轴
———搅拌轴传递的最大扭矩
各数据代入式3-2-12得
2、对轴的刚度进行校核计算
搅拌轴的扭转角
：
——————————（3-17）
即：
注：
轴的表面粗糙度可按所配零件的标准要求选取。
第3.3节搅拌器与搅拌轴的连接
1、连接方式的选取
搅拌器的轴套与搅拌轴采用键连接并用止动螺钉将其固定
搅拌器轴套的外径d1和长度l推荐值：
——————————————（3-18）
则d1=（1.6~2）×75=120~150，取d1=120mm
l＞搅拌器桨叶宽度在轴线上的投影长度，但l不得小于d。
查表3-3-1得：
l=195mm
采用键连接的方式，查表3-3-2及参考资料[]：
键的工作长度l=110mm键的高度h=11mm键的宽度B=18mm[6]
2、键连接强度校核计算
键链接的挤压强度条件
————————————（3-19）
式中Mnq————搅拌轴上每个搅拌器的扭矩
Pk————每一层搅拌器的设计功率
————（3-20）
hk————键的高度11mm
l————键的工作长度110mm
n————搅拌器转速281r/min
d————搅拌轴直径65mm
各数值代入可得：
键连接的剪切强度条件
————————————（3-21）
式3-3-4中τk————键的剪应力MPa
B————键的宽度18mm
各数值代入式3-3-4中得：
第3.4节搅拌轴的支撑
一般搅拌轴可依靠减速器内的一对轴承支承。
当搅拌轴较长时，轴的刚度条件变坏。
为保证搅拌轴悬臂稳定性，轴的悬臂长L，轴径d和两轴承间距a应满足以下关系：
L/a≤4~5，L/d≤40~50，否则就要增加中间轴承或底轴承。
由于本次的设计中轴的悬臂长L，轴径d和两轴承间距a不能满足这两个要求，故增加轴承。
搅拌轴的支承常采用滚动轴承。
安装轴承处的公差带常采用K6.外壳孔的公差带常采用H7。
安装轴承处轴的配合表面粗糙度Ra取0.8~1.6外壳孔与轴承配合表面粗糙度Ra取1.6[5]
为保证搅拌轴的稳定，防止在转动过程中产生晃动，在罐底部加上了轴承，称之为底轴承，搅拌轴的底轴承选用参考资料推荐结构，其机构特点是再不拆除搅拌轴的情况下可装、拆底轴承。
其形式有两种：
Ⅰ型为碳钢轴承；Ⅱ型为不锈钢轴承。
本次设计选用Ⅱ型，其结构和尺寸查图3-4-1和表3-4-1
表3-6搅拌轴底轴承尺寸表
轴径序号
d
d1
d2
d3
L
L1
L2
L3
B
B1
B2
H
H1
S
l
l1
1
30
22
38
45
225
128
155
75
130
40
70
170
140
8
55
14
2
50
40
60
70
265
152
180
95
165
58
90
210
170
10
78
17
3
80
65
95
105
360
200
235
135
240
90
130
310
250
10
108
17
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