機械攪拌設備的設計方法及要點分析

摘 要：文章介紹了機械攪拌設備進行設計時的思路，在滿足工藝條件下進行攪拌設備結構設計。分析了攪拌過程原理、攪拌器型式和攪拌罐體及攪拌軸的設計計算。

關鍵詞：攪拌設備；設計方法；設計計算

攪拌操作可以使兩種或兩種以上的物料在外界力的作用下加速流動，從而使不同的物料在彼此之間相互分散，達到均勻混合，加速傳熱和傳質的目的。攪拌的物料可以是液相、固相和氣相，其中液相流體較多。通過攪拌設備的工藝過程可以使相溶的液相物料均勻混合，使不相溶的另液相均勻乳化，使氣體在液相中均勻的分散，使固體粒子在液相中均勻懸浮。攪拌設備在工業生產中被用于物料混合、溶解、乳化、吸收、萃取、化合以及傳熱等工藝過程。在食品、醫藥、化工、水處理等工業生產中，帶有攪拌裝置的化工設備應用范圍很廣。由于機械攪拌操作條件可控范圍較大，能適應多樣化的工業生產，因此機械攪拌設備得到廣泛應用。

機械攪拌設備由攪拌罐體和攪拌裝置兩大部分組成。攪拌罐體是攪拌液相流體為主體介質進行各種物理、化學過程的容器。攪拌裝置由攪拌器、攪拌軸、軸封和傳動裝置組成，傳動裝置包括驅動電機、減速機、聯軸器和機架。機械攪拌設備在工作中，由攪拌器的運動加速物料在罐體中完成物理、化學工藝過程。

由于攪拌設備的使用目的不同，機械攪拌操作可用于不同的行業，攪拌設備的結構也是多種多樣，但都是通過物料的流動達到攪拌的目的。在攪拌罐體內，物料的流動狀態與攪拌罐體的形狀、有無擋板及攪拌器的形狀、安裝位置、轉速等因素相關。因此在設計機械攪拌設備時，應對這些相關的因素進行設計，在滿足所需工藝參數的前提下，利用最小的功率消耗達到攪拌的目的。

1 工藝參數的設定

為了設計機械攪拌設備應有工藝條件參數。了解攪拌設備的工作條件，如壓力、溫度，熟悉在工作條件下的物料特性，如密度、粘度、毒性、腐蝕性等。同時還應確定攪拌的目的及相應的操作方法，如加料方式。攪拌物料中是否有固體粒子，若有應確定固體粒子的存在形式，如溶解、懸浮、沉淀等。根據這些參數或工藝要求進一步確定與物料接觸的部件的材質，判定電動機的工作環境和減速機的負載情況，確定軸封的使用條件。根據攪拌容積和充裝系數設定攪拌罐體的結構及尺寸。根據攪拌過程中物料的流動狀態可選定攪拌器的型式并確定是否設置擋板。

2 攪拌設備的設計

2.1 攪拌罐體的結構及尺寸

機械攪拌設備一般為立式圓筒形結構，上部分有橢圓形封頭、平蓋結構，分可拆和不可拆，下部分有橢圓形封頭、錐形底、平底結構。換熱型式分為內部換熱和外部換熱。依據工藝要求，內部換熱可選盤管、蛇形管等換熱裝置，外部換熱可采用整體型夾套、半圓管等結構進行換熱。攪拌罐體屬于壓力容器范圍時，應按照GB150進行設計。當罐體和夾套有壓力時，一般選用橢圓形封頭，為了出料需要也可選用圓錐形的罐底。攪拌罐體的容積一般為攪拌容積的1.25倍，對于發酵罐類的情況需適當增加罐體容積。攪拌罐體高度與內經之比（H/Di）通常情況下可取1～2，發酵罐類可取1.7～2.5。為了物料有上下方向的循環流動，罐體內部可設置擋板，擋板垂直安裝，寬度為罐體內徑的1/12～1/8。擋板與罐體內壁要有間距避免物料在擋板處停滯。

罐體尺寸可按照公式計算：

將Di計算結果圓整到公稱直徑系列。

根據罐體高度與內經之比可計算出高度H值。

再根據計算出的高度和內徑值驗證是否符合工藝要求。

帶有夾套的罐體還應計算夾套的尺寸。夾套內徑一般比罐體內徑大50～200mm。夾套高度按照傳熱面積核算。

攪拌罐體的強度計算按GB150規定進行計算。

2.2 攪拌器的選定

攪拌設備通過攪拌器的運轉完成攪拌操作過程。不同的攪拌目的需要不同的攪拌過程，選擇攪拌器的型式是攪拌設備設計中重要的一步。攪拌罐體的結構、尺寸、擋板的設置情況、物料在罐體中的狀態都是選定攪拌器應考慮的因素，這些因素以及攪拌器的結構、尺寸、安裝位置、旋轉速度都會影響攪拌作用。

攪拌作用是由攪拌器上的葉輪對物料的排出產生流體速度和流體剪切，葉輪的輸入能量P主要消耗于物料在罐體內形成循環流Q和產生剪切力？子。循環作用可以使物料產生對流、介質易位，防止固體粒子沉淀，如斜葉開啟渦輪和推進式攪拌器主要產生軸向流，高排液量，低剪切性能，有較好的對流循環，動力消耗較低，在大容量均相、混合過程中應用最能體現其優勢，在低黏度液體傳質、反應、固體粒子的懸浮、溶解等過程應用廣泛。剪切作用可以使氣泡打碎、不溶液相乳化，如平直葉槳式和圓盤渦輪主要產生徑向流，具有極高的剪切力，分散能力強，特別適合于氣體的分散、吸收過程和乳化、傳熱以及非均相反應操作。

對于循環作用和剪切作用，不同型式的攪拌器有不同的側重點。在一定的能量消耗情況下循環作用和剪切作用是相互消減的，為提高攪拌效率，應考慮有一個起主導作用達到某個攪拌目的。攪拌器葉輪按其作用分為具有強循環性能的葉輪、強剪切作用的葉輪以及兩者兼具的葉輪，設計時從物料的特性和攪拌目的選擇攪拌器型式。

攪拌器葉輪的大小直接影響排出性能，影響動力消耗，進而影響攪拌進程。葉輪大小用槳徑和葉寬來衡量。槳徑的大小與攪拌器的型式和罐體有關，一般槳徑與罐徑之比d/D=0.35～0.8，在低黏度液體攪拌時物料流動性好，能量傳遞容易，槳徑相對小些，在高黏度液體攪拌時轉速較低，槳徑可以大些。葉寬影響攪拌器的動力消耗，動力消耗隨葉寬增加而增加。

根據攪拌器葉輪的攪拌能力確定攪拌器在攪拌軸上的安裝層數，當液體較深時設置多層攪拌器。對低黏度液體一般設置1～2層攪拌器即可，下層攪拌器距罐底的高度一般為槳徑的0.8～1.2倍。對于高黏度液體或有沉降性高的固體時至少設置2層葉輪以增加物料的流動性，防止出現攪拌死角，下層攪拌器應靠近罐底，能使固體粒子均勻懸浮。

攪拌器轉速根據工程經驗或試驗數據進行相似放大或縮小。當采用試驗來完成對某一攪拌目的進行評估時就會得出各種因數，有轉速和其他因數之間的關系就可以確定所需要的轉速。

攪拌器的型式選定后，還需對攪拌器葉輪進行必要的強度校核，以保證葉輪在工作中的安全。

2.3 攪拌功率的計算

攪拌操作過程中需要消耗動力，這種動力就是攪拌功率。影響攪拌功率的因素很多，在確定了罐體的高度、直徑，擋板設置情況和攪拌器的形狀、直徑、寬度和轉速后，由工藝條件可知物料的密度、黏度，可以按均相攪拌計算攪拌所需的功率，攪拌功率按下式計算：

P=Np？籽n3d5

式中：P-攪拌功率，W；NP-攪拌功率準數；？籽-物料密度，kg/m3；n-攪拌轉速，r/s；d-攪拌葉輪直徑，m。

由于物料密度？籽、轉速n、葉輪直徑d三個參數易得到，故計算攪拌功率的關鍵是求出功率準數NP。

攪拌罐體及攪拌器的結構與尺寸、物料的特性、重力加速度等影響攪拌功率，計算功率準數NP可以用算圖直接求取，還可以用公式計算。工程中常采用的是永田進治的攪拌功率計算式[1]，對攪拌罐體無擋板設置的情況下，雙葉斜槳和雙葉平槳的計算式如下：

式中，A、B、p為方程式參數，可由b/D和d/D計算：

式中：Re-攪拌雷諾數；？茲-攪拌器葉輪傾斜角，°；b-攪拌器葉輪的寬度，m；d-攪拌器葉輪直徑，m；？滋-物料黏度，Pa·s。

攪拌罐體內設置擋板的情況下，會使攪拌功率提高。擋板系數計算式[1]如下：

式中：Kb-擋板系數；nb-擋板數量；Wb-擋板寬度。

當Kb=0.35，為全擋板條件，攪拌功率最大；當0

雙葉平槳在全擋板時的雷諾數Rec 計算式如下：

雙葉斜槳在全擋板時的雷諾數Re？茲計算式如下：

部分擋板時的Np∞與全擋板時的Npc和無擋板時的Np的關系如下：

其它攪拌器葉輪的功率計算在技術設計中，有時會依據以往工程業績或根據幾何相似放大法把試驗數據進行放大進行估算攪拌功率。

2.4 電動機的選型

攪拌設備主要靠電動機提供動力源，電動機的選擇除考慮工作環境外，還得選擇合適的額定功率。電動機的額定功率應考慮攪拌操作所需功率、機械傳動系統的效率等。除此還應考慮計算偏差和操作條件引起的變量、軸封摩擦產生的損失等。按此估算電動機的額定功率：

Pe=P/？濁

式中：Pe-電動機額定功率；？濁-總效率，一般為0.6～0.8。

將計算結果圓整取值，并考慮電動機功率等級，選擇合適的電動機。

2.5 減速機的選型

電動機通過減速機輸出適合攪拌操作需要的轉速，因此應按照電動機功率P和輸出轉速n選擇減速機的型號，還應考慮攪拌工藝條件、安裝空間、工作狀況等因素并參照減速機類型表確定選擇何種類型的減速機。

減速機有齒輪減速機、皮帶減速機等，齒輪減速機較為常用。減速機有多種安裝方式，可根據需要選擇相應的結構。減速機根據傳動比的范圍有單級傳動和多級傳動，傳動比按所需輸出轉速確定。

確定減速機型號后，根據攪拌操作條件和相應的工藝要求，確定減速機輸出軸軸頭的型式和軸頭尺寸大小，再選擇相應的聯軸器、機架的規格型號。

2.6 機架的選型

立式攪拌設備的動力裝置是通過機架安裝在攪拌設備頂部上的，在機架上還需安裝聯軸器和軸封等。根據機架中間軸承裝置可分為無支點、單支點和雙支點三類，無支點的機架適用于軸向力較小且負載均勻的場合，單支點和雙支點機架改善了攪拌軸的支撐條件，可以承受軸向雙向載荷，適用于有沖擊條件下的場合。當攪拌軸系受兩個獨立支撐時，減速機輸出軸與攪拌軸必須采用彈性聯軸器連接，帶有輔助支撐的軸封及罐體內設中間軸承或底軸承的情況是為了提高攪拌軸的旋轉精度的，因此應將這兩種支撐看作獨立支撐。

2.7 攪拌軸的設計計算

攪拌器通過攪拌軸傳遞扭矩克服流體阻力做功，攪拌器葉輪表面受到流體作用力，攪拌軸受到反作用力可分解為軸向力和一對力偶，由于攪拌器的復雜工作環境使攪拌軸的受力變得復雜。除此攪拌軸還受其他載荷，如軸和攪拌器的自重引起的重力，軸和攪拌器的質量偏心在旋轉時產生的離心力，克服軸承、軸封的摩擦力等。在工程上提出的攪拌軸的設計計算方法是對其工作條件做出假設并簡化，將軸上的一些次要且難于計算的因素舍去，得到近似的計算方法。

攪拌軸工作時主要受到扭矩和彎矩的聯合作用，因此工程上采用下面的近似計算方法對軸的強度和剛度計算。

按扭矩計算軸的強度時忽略軸上其他載荷的作用，不考慮疲勞強度，引入安全系數的辦法彌補計算誤差。軸上受扭矩時其截面上產生剪應力。其扭轉的強度條件是：

式中：？子max-截面上最大剪應力，MPa；Mt-軸所傳遞的扭矩，N·mm；Wt-抗扭截面系數，mm3；[？子]k-降低后的扭轉許用剪應力，MPa。

計算攪拌軸傳遞的最大扭矩Mt：

式中：n-攪拌軸轉數，r/min；Pt-攪拌傳遞功率，kW。

攪拌軸抗扭截面系數Wt：

式中：d-實心軸的直徑，mm。

整理后得攪拌軸最小實心軸徑計算公式：

按扭矩和彎矩計算軸的強度時軸所傳遞的最大扭矩為：

攪拌軸最大的彎矩由流體作用力與支撐點間距離的乘積之和。

用剪應力計算得最小軸徑為：

用拉應力計算得最小軸徑為：

式中：Li-徑向載荷作用點至支撐點間距離，mm；Fh-作用于攪拌器的徑向載荷，N；[？子s]-正常操作下軸的許用剪應力，MPa；[？滓t]-正常操作下軸的許用拉應力，MPa。

為了保證攪拌軸正常工作應避免產生過大的扭轉變形，需將軸的變形控制在允許范圍內。工程上常用單位長度的比扭轉角？酌不得超過許用比扭轉角[？酌]作為條件計算扭轉剛度。

完成攪拌軸的強度和剛度計算后，還應考慮軸的臨界轉速和繞曲變形。當攪拌軸的轉速接近軸的自振頻率時，會出現共振現象，對臨界轉速進行校核，防止共振發生，避免軸系零部件的損害。攪拌軸撓曲變形直接影響軸的壽命，同時對軸封的性能有很大的影響，應將撓曲變形控制在允許范圍內。最終攪拌軸的設計還應考慮鍵槽或孔引起的局部削弱，應力不均勻帶來的影響等。

參考文獻

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