陈祥伟开题报告.docx

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陈祥伟开题报告

山东建筑大学毕业设计开题报告表

班级：

机械073姓名：

陈祥伟

设计题目

立式搅拌反应器结构设计与实体造型

一、选题背景和意义

1.选题背景

搅拌反应器是一种在化学工业中广泛应用的反应器类型，并且在化学化工等领域占有主导地位。

随着石油化工、有机合成、医药工业的发展，对广泛使用的搅拌釜式反应器的要求越来越高。

例如一些易燃易爆、有毒、贵重介质的操作，要求做到绝对的没有泄漏，而传统的搅拌釜式反应器的设计都是用填料密封和机械密封的，这就不可避免的出现“跑、冒、滴、漏”的现象。

目前搅拌反应器仍以传统设计模式为主，主要还停留在半经验的阶段，缺少在设计过程中的优化，从而降低了其工作效率，造成大量资源和能源浪费。

另外，常规设计中无法解决边设计边找问题的困境，等设计完才发现问题已为时已晚，又得重新设计，这种设计方法大大地降低了效率。

据统计．每年仅美国就有10～100万美元损失在混合反立器的设计中。

因此通过对搅拌反应器结构设计与实体造型的研究为反应器的设计优化提供理论依据成为一项非常紧迫的研究课题。

2.选题意义

本设计完成了给定生产任务搅拌反应器的整体设计方案，完成搅拌反应器的设计选型及强度计算、搅拌轴机械计算、传动装置设计、实体造型等。

完成搅拌反应器的装配图、部件及零件图的绘制。

通过这次设计使搅拌釜式反应器的机构设计更加优化。

通过做整体方案的设计，对搅拌釜式反应器的结构设计做了相应的优化，这包括传动装置结构的改进、密封装置的改进、挡板的结构改进。

根据反应器的设计选型与强度计算和搅拌轴机械计算，可以更好的选择反应器的型式，选择更加合适的耐热耐压的筒体和强度适合的搅拌轴。

这样才有利于保证反应器的质量和提高生产效率，可避免或减少制造过程中可能产生的缺陷以及资源与能源的浪费。

这对为搅拌反应器的设计优化提供理论依据具有非常重要的意义。

二、课题关键问题及难点

课题关键问题

1、给定生产任务搅拌反应器的整体设计方案；

2、完成搅拌反应器的设计选型及强度计算；

3、搅拌轴机械计算；

4、传动装置设计、密封装置的设计、挡板的设计；

5、完成搅拌反应器的实体造型设计；

6、搅拌反应器总体装配图及零部件图的绘制。

难点

1、完成搅拌反应器的设计选型及强度计算；

2、完成搅拌反应器的实体造型设计及总体装配。

三、调研报告（或文献综述）

1、搅拌反应器以及其在生产中的地位

搅拌反应器由搅拌器和釜体组成。

搅拌器包括传动装置，搅拌轴（含轴封），叶轮（搅拌桨）;釜体包括筒体，夹套和内件，盘管，导流筒等。

立式搅拌反应器的结构组成如图1所示。

工业上应用的搅拌反应器有成百上千种，按反应物料的相态可分成均相反应器和非均相反应器两大类。

非均相反应器包括固-液反应器,液-液反应器,气-液反应器和气-液-固三相反应器。

图1立式搅拌反应器的结构组成

釜是通过对物料在反应器内混合与流动状况的研究，利用研究所得的经验公式设计出来的,十分适合中小型化工企业生产的需要。

研究表明，超过50%的化工过程是在搅拌反应器中进行的间歇操作，在中小型化工企业中这个比例还要更高，因此混合器设计和操作水平的提高对化工生产的生产过程、安全、产品质量和能耗有重大影响。

搅拌反应器的应用之所以这样广泛，是因为其既可以应用于均相反应，又可以应用于多相反应，既可以间歇操作，又可以连续操作，而且搅拌反应器结构简单，加工方便，传质效率高，温度分布均匀，搅拌桨结构多样，操作条件（如温度、浓度、停留时间等）可控范围宽，操作灵活性大，设计技术成熟，能够适应多样化的生产。

另外，对牛顿型和非牛顿型的流体都可采用搅拌操作，所以搅拌反应器在这些领域内始终占着主导地位。

2、搅拌反应器的分类[3]

（1）桨式搅拌器

桨式搅拌反应器是一种结构比较简单的一种搅拌反应器，一般以扁钢加工制成。

材料可以采用碳钢、合金钢、有色金属或碳钢外包橡胶、环氧玻璃等。

其结构有平直叶式和折叶式两种形式，分别如图2和图3所示。

图2平直叶桨式

图3折叶桨式

（2）涡轮式搅拌器

涡轮式搅拌器有多种形式：

开启直叶式，开启弯叶式，开启折叶式，圆盘平直叶式，圆盘弯叶式和闭式弯叶式。

实际上开启式涡轮搅拌器和桨式搅拌器并无严格区别。

习惯上把桨叶数少于4，圆周速度小于3m/s的开启式涡轮搅拌器称为桨式搅拌器。

（3）推进式搅拌器

推进式搅拌器的机构如同船舶的推进器，叶片数通常是3个，如图3所示。

它的直径与涡轮式一样，通常比筒体的内径要小得多，其直径与筒体的比一般为0.25~0.5，但是其外缘圆周速度较高，一般是5~15m/s。

这种搅拌器主要造成液体轴向运动，引起循环，它所造成的液体剪切作用较小。

推进式搅拌器通常用整体铸造，加工方便。

采用焊接时，需模锻后再与轴套焊接，加工较困难。

图4推进式搅拌器

（4）锚式和框式搅拌器

锚式和框式搅拌器的特点是旋转部分的外直径仅仅稍小于筒体的内径，其外形是由反应器的形状来决定的。

对于大直径的反应器的或搅拌液体粘度很大时，通常横梁加强，这就成了框式搅拌器。

（5）螺带式搅拌器

螺带式搅拌器主要是由一定螺距的螺旋带、轴套和把两者联接的支撑杆组成。

螺杆外径尽量与筒体内壁靠近，有时间距仅几毫米。

搅动时液体呈复杂的螺旋运动，至上部再沿轴而下。

螺带式搅拌器常用于高分子化合物的聚合反应器内，也可用于高粘度物料。

由于搅拌过程种类繁多，介质情况千差万别，所以搅拌的型式也是多种多样。

在典型的搅拌器基础上，还出现了许多改型。

另外还有组合式搅拌器，可适用粘度有变化的搅拌全过程，改善搅拌效果。

3、搅拌反应器国内外研究

文献[4]就一下几方面对搅拌反应器做了探讨：

（1）、关于搅拌型式

就反应釜内物料相态而言，有液、液相反应，气、液相反应，气、固相反应，液、固相反应，气、固、液相反应，以及伴有形态转换的反应。

比如初始物料为气、液两相，反应生成固体产物后，逐步转变成气、液、固三相反应。

为保证各种反应物料充分混合接触，满足传质要求，应选择相应的搅拌器。

图5下搅拌图6上搅拌

图7上动力的下搅拌图8下动力的下搅拌

（2）轴系及机械密封

机械密封的摩擦而都是高精度超镜面的加工面，间隙要求在0.002mm以内，一般都需要液体介质进行润滑和冷却，有毒介质一般不允许向外泄漏。

机械密封一般都采用双端而严衡型机封，维系润滑和冷却的介质都在釜外通过一下衡罐进行平衡和循环，以减少机封的温升。

文献[5]主要是对磁力传动装置的结构改进做了论述。

磁力传动装置可以达到无泄漏，且没有填料与轴或静、动环之间摩擦损耗。

因而无论使用多长时间都不会因密封利料损耗而产生泄漏。

但它也存在几个致命的弱点，限制了它的应用。

（a）内、外磁钢间的间隙导致传动的扭矩不可能太大；

（b）高温是磁钢退磁限制了磁钢在高温中的应用；

（c）屏蔽套强度不足导致磁钢不能用在压力较高的场合。

正因为这种磁传动装置存在以上缺点，就大大限制了它在生产实践中的应用范围。

现有几点建议来改进此类装置：

（a）可以参考电动机的结构原理，将外磁钢换成线圈，通上交流电

（b）可以将内磁钢换成鼠笼式金属辐条

文献[6]通过对终聚搅拌器抽向密封的结构及工作原理的分拆,指出了抽向密封失效的可能性原因,对我们以后的操作提供参考。

终聚釜轴向密封主要是由靠近釜内侧的熔体密封和真空系统密封组成。

主要有液体密封、双端面机械密封、波纹管密封。

文献[7]对预冷釜搅拌器轴振动的问题进行了分析，并采取了增加釜内中间轴承的措施；同时结合搅拌器维修不便的问题,对其结构进行了改进，改进后搅拌器运转良好，该经验也可在同类结构的设备上采用。

存在的问题主要有：

a）搅拌器轴振动剧烈,并且由于轴振动使机械

密封很快被磨损,严重影响了丙酮氢醇装置安全平稳运行。

b）预冷釜搅拌装置结构设计不合理,维修搅拌器时需拆除与上封头相联接的所有接管,将上封头吊起,给维修工作带来很多不便和困难。

解决的措施主要有：

a）对预冷釜搅拌器轴的支承进行重新选择和设计,在釜外原有一个支承的基础上再增加一个釜内中间支承,釜外支承位置不变；b）将原上封头搅拌器轴拆装孔扩大到直径620mm,使得能够直接从搅拌器轴拆装孔装拆中间支承和搅拌器。

文献[8]主要论述了卧式反应釜在聚酯工业中被广为采用，特别是最终缩聚反应釜，无论是美国的杜邦，德国的卡尔费休、吉玛，还是日本的钟纺都采用卧式的。

其中工艺条件具有三高特点，即高温、高真空和高粘度。

卧式反应釜中的搅拌器均是横卧在其中，两端支撑在反应釜前后的圆形侧盖上的轴承座上。

文献[9]涉及一种搅拌装置，具体为化学反应釜中的搅拌器。

该方案包括搅拌轴，搅拌桨叶，在反应釜盖朝向釜内的一面安装阻力棒。

在搅拌过程中阻力棒阻碍物料的运动，不会形成顺势运动,使搅拌更均匀，物料的混合更均匀,反应更加充分，产物的收率提高,生产成本降低。

文献[10]设计了一种筒式搅拌器，分析了筒式搅拌器的结构特征和工作原理，并同蜗轮式、推进式搅拌器的搅拌功率、搅拌效率进行了对比。

结果表明:

在相同的工作条件下，筒式搅拌器的搅拌反应时间远远小于推进式和涡轮式搅拌器的搅拌反应时间，搅拌效率提高了1～2倍。

文献[11]随着换热装置日新月异的设计要求的提出，传统的、单一结构类型的换热器设计辅助手段已显得力不从心了。

本课题根据换热器设计的基本原理和设计方法，采用基于SolidEdge的参数化三维建模的基本理念，通过将设计过程编入Excel表、建立Solidedge参数化模型图库和编写通用的VisualBasic数据驱动程序，较好地解决了换热器设计过程中的人机互补问题及与三维绘图软件Solidedge的相互结合问题。

整个系统经过调试，结果证明具有良好的适应性和人机交互性，基本实现了从基本工艺结构计算、机械设计计算到装置零部件及整体装配图生成的一体化，达到减少设计工作量、复杂性和繁琐性、模型复用以及系统开放可扩展的目的，设计成果还可以复用到其他类似的真空锅炉、板式吸收塔设计工作中，极大程度地缓解设计工作技术难度。

文献[12]阐述了基SodEdge的三维参数化程序设计方法,对如何创建特征轮廓、生成实体特征以及三维模型的修改等给出了实现技术和关键步骤。

通过实例给出了用B样条曲线拟合复杂曲线和修改曲线的程序算法。

文献[13]基于连续搅拌反应器具有操作简便、产品质量稳定和环境清洁等优茂。

文章研究了高岭土酸浸连续搅拌反应器容积的计算方法。

在相同条件下。

采用连续搅拌反应器较为经济。

文献[14]用自主研制的弯矩测量元件对四斜叶搅拌桨（PBT桨）的搅拌轴上弯矩进行了实验研究，考察了不同转速下搅拌轴上弯矩的变化，并对其进行频谱分析。

实验结果表明，搅拌轴上弯矩大小和方向是随机的。

当搅拌转速与搅拌轴和搅拌桨系统临界转速之比小于80%，搅拌轴设计弯矩取测量弯矩的平均值加上其2.6倍标准偏差值时,实际运转中搅拌轴上弯矩超过设计弯矩值的概率小于0.2%。

设计弯矩随转速变化的关系可分为：

上升区I、平稳区、下降区和上升区II四个不同的区域。

参考文献

[1]贺匡国《化工容器及设备简明设计手册》北京化学工业出版社2002年8月

[2]朱有庭，曲文海，于浦义《化工设备设计手册》北京化学工业出版社2005年6月

[3]王嘉骏，冯连芳，顾雪萍，王凯《锚式搅拌器功率消耗与Metzner常数研究》杭州化学工程

[4]周凤举《釜式反应器的结构探讨》化工设备与防腐蚀2002年10月第5卷第5期

[5]张锁龙《釜用磁力传动装置的改进》石油化工设备技术1999,20（5）.27.

[6]朱现伟，李汉耀《终聚釜挽伴器抽向密封探讨》河南化工2001年第4期

[7]王凯，虞军等《化工设备设计全书——搅拌设备》北京化学工业出版社2003，8

[8]章家保《卧式反应釜搅拌器的轴向密封》 聚酯工业1999-06-25

[9]孙涛 山东方兴科技开发有限公司CN201120264

[10]杨洪顺，宋吉昌，冷涛田，李庆领《筒式搅拌器的设计与性能研究》2008年4月第29卷第2期

[11]丁文捷《基于SolidEdge建模的换热装置工程设计》第25卷2006年第l2期12月

[12]李世国《开发SolidEdge三维参数化造型模块的方法及应用》机械设计与制造2003年第一期

[13]张兴法《酸浸高岭土制备PAC时连续搅拌反应器容积计算》第28卷第3期2005年5月

[14]马鑫、聂毅学、徐鸿《搅拌反应器搅拌轴载荷特性的实验研究》  机械设计与研究2008年05期  

四、方案论证

1、根据《化工机械工程手册》初步确定搅拌釜式反应器的主要结构组成，包括圆筒体、搅拌轴、夹套、挡板、密封装置等的基本尺寸和型式。

2、利用《化工设备手册》进行材料材料的选择。

主要根据工作压力、温度，物料和生成物的腐蚀性，以及各零部件的加工方法、材料供应情况和经济合理件等来进行。

有时也按对产品的纯度和清洁度的要求来选择材料。

3、利用《化工设备手册》，根据反应器的工作压力，工作温度、零部件结构型式、受力条件、材料机械性能和腐蚀情况等进行强度计算，如罐体壁厚、封头壁厚、搅拌轴直径等。

对于真空条件下操作或带夹套加热的搅拌反应器，还必须在强度计算的同时进行稳定性计算。

此外传动装置、搅拌器等都要进行强度计算或强度校核，以满足工艺条件的要求。

4、利用CAD2004完成对搅拌釜式反应器的各个零部件的绘制。

5、利用solidedge完成对搅拌反应器各个零部件的实体建模以及整体装配。

五、进度安排

2011.3.28～4.3毕业实习，完成实习报告。

2011.4.4～4.17查阅搅拌反应器相关资料，国内外研究现状，熟悉相关设计标准、规范等，完成外文翻译、文献综述。

2011.4.18～5.1初步设计阶段，熟悉相关设计标准，进行设计方案的比较、论证，完成开题报告。

2011.5.2～5.15设计阶段，完成给定生产任务搅拌反应器的整体设计方案。

2011.5.16～5.29完成搅拌反应器的设计选型及强度计算、搅拌轴机械计算、传动装置设计、实体造型等，完成搅拌反应器装配图和部件图的绘制。

2011.5.30～6.12完成毕业设计论文，毕业答辩。

六、指导教师意见

签字：

年月日

七、教研室（或开题审查小组）意见

签字：

年月日

注：

不够可以加附页教务处制