經(jīng)過上幾篇的介紹，朋友們已經(jīng)對(duì)攪拌設(shè)備有了初步的認(rèn)識(shí)了，這篇益泰攪拌機(jī)械將為我們從設(shè)計(jì)方面的思路入手。深入講解攪拌設(shè)備的核心理論知識(shí)。經(jīng)過本篇相信朋友們會(huì)對(duì)攪拌設(shè)備有更深層的了解，將理論引入實(shí)際工作中，將是對(duì)益泰攪拌機(jī)械的撰稿人最大的支持！

四、攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)思路

攪拌設(shè)備思路可分為以下步驟：

1）按設(shè)計(jì)要求可用的 D／T(輪徑／罐徑)值，和對(duì)攪拌時(shí)間、攪拌程度的要求，選定若干個(gè)不同轉(zhuǎn)速下的扭矩或功率要求；

2）選定合理的葉輪安裝高度，結(jié)合設(shè)備情況，估計(jì)近似的攪拌軸長(zhǎng)；

3）估計(jì)合理的電動(dòng)機(jī)功率；

4）根據(jù)葉輪功耗。輸出軸、支架等等，選擇能滿足前三項(xiàng)要求的攪拌器；

5）按照葉尖切線速度等條件，確定最合適的轉(zhuǎn)速，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，按已確定的條件，對(duì)軸系進(jìn)行動(dòng)力和強(qiáng)度等因素的驗(yàn)算和分析。

2 攪拌容器的設(shè)計(jì)

1、 攪拌容器的設(shè)計(jì)探討

攪拌容器的作用是為物料反應(yīng)提供合適的空間。攪拌容器的筒體基本上是圓柱筒，封頭常采用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋，以橢圓形封頭應(yīng)用最廣。下封頭與筒體一般為焊接連接，上封頭與筒體也可采用焊接連接，但在筒體直徑DN≤1500mm的場(chǎng)合多采用法蘭連接。筒體的直徑和高度是容器設(shè)計(jì)的基本尺寸。工藝條件通常給出設(shè)備容積V或操作容積V0 ,有時(shí)也給出筒體內(nèi)徑Di，或者筒體高度H1和筒體內(nèi)徑Di之比（稱為長(zhǎng)徑比）,其中V0=nV，n為裝料系數(shù)，表明容器操作時(shí)所允許的裝滿程度，在確定攪拌容器的容積時(shí)，其值通?？扇?.6~0.85.如果物料在反應(yīng)中產(chǎn)生泡沫或沸騰狀態(tài)，取0.6~0.7；如果物料在反應(yīng)中比較平穩(wěn)，可取0.8~0.85. 一般攪拌罐根據(jù)罐內(nèi)物料類型筒體的高徑比可分為液固相、液液相1~1.3，氣液相1~2. 據(jù)設(shè)計(jì)要求，要求攪拌器的容積在500升左右，液體粘度為0.3Pa.s，液體的密度為ρ=1500kg/m3，運(yùn)轉(zhuǎn)速度為40r/min，v=5m/s。結(jié)合實(shí)際條件，本課題選用筒式攪拌器。將攪拌器的外殼設(shè)計(jì)成圓筒形，攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)，把機(jī)械能傳遞給流體，在攪拌器附近形成高湍動(dòng)的充分混和區(qū)，并產(chǎn)生一股高速射流，使流體具有較高的壓頭，推動(dòng)液體在攪拌容器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。在圓筒的導(dǎo)流作用下，介質(zhì)從簡(jiǎn)體的頂部和底部流入筒內(nèi)，完成一個(gè)循環(huán)，使介質(zhì)產(chǎn)生高速的徑向流和軸向流，同時(shí)加大介質(zhì)流量，介質(zhì)流動(dòng)更均勻。通過筒式攪拌器與渦輪式攪拌器和推進(jìn)式攪拌器的功率對(duì)比試驗(yàn)，在相同的拌情況下，筒式攪拌器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率更高，如圖2.1所示。

圖2.1三種攪拌器功率曲線

(1) 筒式攪拌器的攪拌流型適于低黏度液體的攪拌，攪拌釜內(nèi)的攪拌死角較少。

(2) 筒式攪拌器對(duì)電能的利用率高，在相同的情況下，筒式攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)較小，

耗能少，表明筒式攪拌器在節(jié)能方面具有非常好的效果。

(3) 筒式攪拌器的攪拌混合效率高，在相同的情況下，是渦輪式和推進(jìn)式攪拌器的2～3倍。因此，本課題選用的筒式攪拌器能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

2、 攪拌容器的設(shè)計(jì)計(jì)算 確定筒體的幾何參數(shù)

（1）筒體型式

選擇圓柱形筒體

（2）確定內(nèi)筒筒體的直徑和高度

由于攪拌過程是液—液相混合，一般來說攪拌裝置的高徑比（H／D）為1~1.3，本

次設(shè)計(jì)選用高徑比為1.2。已知攪拌容積是500L，根據(jù)公式

D=4V （2.1） H/D可以計(jì)算處筒體的內(nèi)直徑D=0.80m，筒體高H=0.96 m。

（3）筒體材料的選擇及估算筒體鋼板的厚度

根據(jù)冶金手冊(cè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，我們選用普通碳素鋼，根據(jù)GB150—1998中對(duì)碳素鋼

的要求和鋼板之間的差別，我們選用Q235—B熱軋鋼板，厚度尺寸選用9mm。

（4）計(jì)算筒體的壁厚及強(qiáng)度校核

按照材料力學(xué)中的強(qiáng)度理論，對(duì)于鋼制容器適宜采用第三、第四強(qiáng)度理論，但是由

于第一強(qiáng)度理論在容器設(shè)計(jì)史上使用最早，有成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且由于強(qiáng)度條件不同而引起的誤差已考慮在安全系數(shù)內(nèi)，所以至今在容器常規(guī)設(shè)計(jì)中仍采用第一強(qiáng)度理論，即σ1≤[σ] 式中是器壁中σ1三個(gè)主應(yīng)力中最大一個(gè)主應(yīng)力。對(duì)于內(nèi)壓薄壁容器的回轉(zhuǎn)殼體，軸向應(yīng)力σθ為第一主應(yīng)力，徑向應(yīng)力σψ為第二主應(yīng)力，而另一個(gè)主應(yīng)力σz是徑向應(yīng)力，由于σθ、σψ與σz相比可忽略不計(jì)，即σ3=σz=0，所以第三強(qiáng)度理論與第一強(qiáng)度理論趨于一致。因此在對(duì)容器個(gè)元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，主要確定σ1，并將其控制在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，進(jìn)而求取容器的壁厚。容器圓筒承受均勻內(nèi)壓作用時(shí)，其器壁中產(chǎn)生的如下薄膜應(yīng)力（圓筒的平均直徑為

D，壁厚為t）：σθ=PD 2t σψ=PD 4t 很顯然，σ1=σθ，故按照第一強(qiáng)度理論，有σ1 = tPD≤〔σ〕 （2.2） 2t 在容器設(shè)計(jì)中，一般只給出內(nèi)徑值Di，則D=Di + t，將其代入上式，得tP(Di+t)/2t≤〔σ〕 （2.3）容器圓筒在制造時(shí)由鋼板卷焊而成，焊縫區(qū)金屬強(qiáng)度一般低于木材，所以上式中的t〔σ〕應(yīng)乘以系數(shù)Ф。所以，考慮容器內(nèi)部介質(zhì)和周圍大氣腐蝕、供貨鋼板厚度的負(fù)偏差等原因，設(shè)計(jì)厚度應(yīng)比計(jì)算厚度大。設(shè)t為圓筒的計(jì)算厚度，則由上式可得 t 2 ptpDtmm （2.4）式中p——設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，Mpa Di——圓筒內(nèi)直徑，mm

t ——計(jì)算厚度，mm Ф——焊縫系數(shù)，Ф≤1.0 t〔σ〕——設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的作用應(yīng)力，Mpa。

式（2.4）即為內(nèi)壓圓筒厚度的計(jì)算公式。已知Q235—B 鋼的設(shè)計(jì)內(nèi)壓力P<1.6 Mpa，

t選用P=1.0Mpa，許用應(yīng)力〔σ〕=125 Mpa，〔σ〕=125 Mpa，Ф=0.5，所以計(jì)算厚度t= （1.0×800）／（2×125×0.5—1）=7mm。代入公式（2.2）驗(yàn)算得σ1=61.4<〔σ〕=125 Mpa，符合要求。

3、 封頭的設(shè)計(jì)

（1）封頭的選型及計(jì)算

最常用容器封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和無折邊封頭等凸形封頭以及圓錐形封頭、平板封頭等數(shù)種。這些封頭都是壓力容器的主要受壓元件，由于與圓筒筒體的連接處有較為復(fù)雜的邊界條件，故有不同性質(zhì)的應(yīng)力存在，所以在對(duì)承受均勻內(nèi)壓封頭進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，除了要考慮封頭自身的薄膜應(yīng)力外，還要考慮封頭與圓筒筒體連接處的不連續(xù)應(yīng)力。

綜上所述，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，從各個(gè)封頭的受力分析、制造工藝和的應(yīng)用場(chǎng)合等各個(gè)方面綜合考慮，我們選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。如下圖2.2所示

圖2.2封頭

橢圓形封頭是由半個(gè)橢球面和一圓筒直邊組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分吸取了半球形封頭受力好和碟形封頭深度淺的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用最為廣泛。由于橢圓形封頭幾何特征造成經(jīng)線曲率

平滑連續(xù)，故封頭中的應(yīng)力分布比較均勻。橢圓形封頭中的應(yīng)力，包括由內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力和封頭與圓筒體連接處的不連續(xù)應(yīng)力兩部分。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其Di/2hi=2，K=1，則封頭的厚度計(jì)算公式為

T=PDi/(2[σ]tφ-0.5p) (2.5)

其中長(zhǎng)軸為2a=Di=0.80m，hi/Di=0.25，所以hi=0.2m，短軸之半b=hi=0.2m。從式（2.5）可知，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度與筒體基本相同，若因Ф值有所不同，則相差也不會(huì)很大，為焊接方便，常取兩者等厚則t=7mm。

（2）封頭的強(qiáng)度校核

封頭的厚度為7mm，橢圓形封頭的當(dāng)量球殼內(nèi)半徑R1=KD=1ⅹ800=800mm，用（6）A= 查得B=120Mpa，由式（2.7）

[P]=B （2.7） R0.125 e=0.0015， （2.6） R1

得[P]=1.05Mpa>1.0125 Mpa。故封頭壁厚取7mm可以滿足穩(wěn)定性的要求。

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結(jié)論

一方面我們可以根據(jù)操作目的、操作條件、操作方法、原料和成品的特性、安全等初選攪拌器葉輪的型式；另一方面還需要依據(jù)各種攪拌器葉輪的性能及其應(yīng)用實(shí)例、使用經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮選擇攪拌器。

另一方面設(shè)計(jì)攪拌器時(shí)，除了運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和公式計(jì)算所需要?jiǎng)恿?、回轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)外，還需要以中小模擬試驗(yàn)為基準(zhǔn)，進(jìn)行放大，以符合實(shí)際操作達(dá)到預(yù)期的效果。

最后必須改進(jìn)現(xiàn)有的攪拌器和設(shè)計(jì)新型的攪拌器，達(dá)到合適的攪拌液體流動(dòng)狀態(tài)，以適應(yīng)各種粘度攪拌的需要和滿足產(chǎn)品的性能要求，最終實(shí)現(xiàn)裝置高效、節(jié)能的效果。