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搅拌设备选型

2020-05-30 13:29 作者:扑克之星 点击:

 

  第6章 搅拌设备选型 章 1.1 物体的受力分析及其平衡条件 6.1 概述 2 6.2 搅拌的目的 以液体为主体的搅拌操作,常常将被搅物料分为液 液 以液体为主体的搅拌操作,常常将被搅物料分为液-液、 固等四种情况。 气-液、固-液、气-液-固等四种情况。 液 液 液 固等四种情况 搅拌的目的 促进混合——液-液混合、固-液悬浮、气-液分散、液-液分散、 液 液混合 液混合、 液悬浮 液悬浮、 液分散 液分散、 液分散 液分散、 促进混合 液乳化; 液-液乳化; 液乳化 促进传热、传质、化学反应——加热、冷却、萃取、吸收、 加热、 促进传热、传质、化学反应 加热 冷却、萃取、吸收、 溶解、结晶、聚合; 溶解、结晶、聚合; 搅拌设备的操作目的主要表现为 使不互溶的液体混合均匀,制备均匀混和液、乳化液, 使不互溶的液体混合均匀,制备均匀混和液、乳化液,强化 传质过程; 传质过程; 使气体在液体中充分分散,强化传质或化学反应; 使气体在液体中充分分散,强化传质或化学反应; 制备均匀悬浮液,促使固体加速溶解、浸取或液- 制备均匀悬浮液,促使固体加速溶解、浸取或液-固化学反 应; 强化传热,防止局部过热或过冷。 强化传热,防止局部过热或过冷。 3 6.3 搅拌设备的基本结构 4 6.3 搅拌设备的基本结构 1-电动机; 2-减速机; 3-机架; 4-人孔; 5-密封装置; 6-进料口; 7-上封头; 8-筒体; 9-联轴器; 10-搅拌轴; 11-夹套; 12-载热介质出口; 13-挡板; 14-螺旋导流板; 15-轴向流搅拌器; 16-径向流搅拌器; 17-气体分布器; 18-下封头; 19-出料口; 20-载热介质进口; 21-气体进口 5 6.4 搅拌容器 1. 内容器(釜体) 内容器(釜体) 组成结构 筒体: 筒体:圆筒形 封头:碟形或椭球形封头、锥形封头、 封头:碟形或椭球形封头、锥形封头、平盖 开孔接管:进料、出料、排气、测温、测压、凸缘法兰( 开孔接管:进料、出料、排气、测温、测压、凸缘法兰(焊 在上封头,用于搅拌容器与机架的连接) 在上封头,用于搅拌容器与机架的连接) 6 6.4 搅拌容器 安放方式 立式釜 常压:平底釜(容易产生应力集中,故而不应用于压力釜) 常压:平底釜(容易产生应力集中,故而不应用于压力釜) 物料对环境无污染,且对尘埃不敏感: 物料对环境无污染,且对尘埃不敏感:敞口 淤浆:锥形封头(出料方便) 淤浆:锥形封头(出料方便) 卧式釜(通常半釜操作) 卧式釜(通常半釜操作) 常用于气-液传质过程(气液接触面积大):气 液吸收 常用于气-液传质过程(气液接触面积大):气-液吸收、聚合 ): 液吸收、 高粘系) 物(高粘系)脱挥 常用于粉体混合 卧式设备有单轴的也有双轴的——自清洁效果 卧式设备有单轴的也有双轴的 自清洁效果 当搅拌高粘液体时,若叶轮端部与槽壁有一定的间隙, 当搅拌高粘液体时,若叶轮端部与槽壁有一定的间隙,则高粘液 体会滞流于间隙中——刮壁式搅拌设备 体会滞流于间隙中 刮壁式搅拌设备 7 6.4 搅拌容器 8 6.4 搅拌容器 几何尺寸的确定 容积V——由装料系数决定 由装料系数决定 容积 直立式搅拌容器——指内筒体和下封头两部分容积之和; 指内筒体和下封头两部分容积之和; 直立式搅拌容器 指内筒体和下封头两部分容积之和 卧式搅拌容器——指筒体和左右两封头容积之和。 指筒体和左右两封头容积之和。 卧式搅拌容器 指筒体和左右两封头容积之和 沸腾或起泡: 沸腾或起泡:0.6-0.7 平稳: 平稳:0.8-0.85 9 6.4 搅拌容器 筒体的高径比H/D——由装液高径比 L/D和装料系数决定 由装液高径比H 和装料系数决定 筒体的高径比 由装液高径比 装液高径比对搅拌功率、 装液高径比对搅拌功率、传热和物料搅拌反应特征均有影响 物料性质 搅拌特性 搅拌器层数 反应特征 传热特性 壁厚δ——由强度决定 由强度决定 聚合釜为何H 这么大 这么大? 聚合釜为何 L/D这么大? 10 6.4 搅拌容器 2. 换热元件:夹套和内盘管 换热元件: 当夹套的换热面积能够满足传热要求时, 当夹套的换热面积能够满足传热要求时,应优先选用 夹套,以减少容器的内构件,便于清洗, 夹套,以减少容器的内构件,便于清洗,且不占用有 效体积 夹套 整体夹套 型钢夹套 半管夹套 蜂窝夹套 螺旋板式夹套 11 6.4 搅拌容器 整体夹套 冷却水下进上出、 冷却水下进上出、加热蒸气上进下出 在用液体作为传热介质时,为强化传热效果, 在用液体作为传热介质时,为强化传热效果,还可在夹套空间设 置螺旋导流板 搪玻璃釜,夹套内不能安置螺旋导流板,为了强化传热, 搪玻璃釜,夹套内不能安置螺旋导流板,为了强化传热,在水的 入口处安装扰流喷嘴, 入口处安装扰流喷嘴,促使水进行湍动 半管夹套(耐压,表面传热系数提高1/3,且提高了夹套的 半管夹套(耐压,表面传热系数提高 , 强度) 强度) 蜂窝夹套(减小筒体壁厚,强化传热) 蜂窝夹套(减小筒体壁厚,强化传热) 螺旋板式夹套 对于大型搅拌釜式反应器而言, 对于大型搅拌釜式反应器而言,其单位容积的生产能力往往 由反应器的传热能力所决定。 由反应器的传热能力所决定。 12 6.4 搅拌容器 空心夹套 喷嘴 内部夹套 螺旋导流板夹套 半管夹套 13 6.4 搅拌容器 氯乙烯悬浮聚合釜 间歇分批式操作——规模效应 规模效应——反应器大型化(200M3) 反应器大型化( 间歇分批式操作 规模效应 反应器大型化 聚合压力8个大气压 聚合压力 个大气压 常规釜(国产80M3) 釜壁 釜壁31mm 常规釜(国产 蜂窝夹套( 内部夹套) 蜂窝夹套(日本神钢泛技术公司 内部夹套) 双壳夹套(住友重机) 双壳夹套(住友重机) 14 6.4 搅拌容器 盘管 15 6.4 搅拌容器 螺旋形盘管 无法采用夹套传热( 夹套无法满足传热要求 或 无法采用夹套传热(釜内壁衬有橡 胶等隔热材料) 胶等隔热材料)时,可利用盘管传热 竖式蛇管 浸没在物料中,热量损失小,传热效果好, 浸没在物料中,热量损失小,传热效果好,对称布置的竖式蛇管 还能起到挡板的作用 内冷管数量多时,检修麻烦, 内冷管数量多时,检修麻烦,尤其是物料含有较多固体颗粒或比 较粘稠时,容易形成堆积和挂料, 较粘稠时,容易形成堆积和挂料,严重影响传热效率 然而当反应物系不易产生粘附物时, 然而当反应物系不易产生粘附物时,使用大量内冷管撤去反应热 是非常有效的手段。 是非常有效的手段。 生产丁苯橡胶的乳液聚合反应釜,容积 生产丁苯橡胶的乳液聚合反应釜,容积30M3,32根×13组 根 组 根内冷管, =416根内冷管,传热面积 根内冷管 传热面积114M2 16 6.5 搅拌器 1. 流型 轴向流、 轴向流、径向流和切向流 轴向流与径向流对混合起主要作用, 轴向流与径向流对混合起主要作用,而切向流应加以 抑制。采用挡板可削弱切向流, 抑制。采用挡板可削弱切向流,增强轴向流和径向流 17 6.5 搅拌器 2. 搅拌器的分类 按搅拌器的桨叶结构分类 平叶、 平叶、斜(折)叶、弯叶、螺旋面叶式搅拌器 弯叶、 按搅拌器的用途分类 低粘流体用搅拌器、 低粘流体用搅拌器、高粘流体用搅拌器 按流体流动形态分类 轴向流搅拌器、 轴向流搅拌器、径向流搅拌器以及混合流搅拌器 18 6.5 搅拌器 搅拌器图谱 19 6.5 搅拌器 3. 搅拌器的选用原则 搅拌操作涉及流体的流动、传质和传热, 搅拌操作涉及流体的流动、传质和传热,所进行的物 理和化学过程对搅拌效果的要求也不同, 理和化学过程对搅拌效果的要求也不同,至今对搅拌 器的选用仍带有很大的经验性 经验性。 器的选用仍带有很大的经验性。 选型一般从三个方面考虑——搅拌目的 物料粘度和 搅拌目的、 选型一般从三个方面考虑——搅拌目的、物料粘度和 搅拌容器的容积大小。 搅拌容器的容积大小。 此外,还应考虑功耗低、操作费用省,以及制造、 此外,还应考虑功耗低、操作费用省,以及制造、维 护和检修方便等因素 20 6.5 搅拌器 4. 搅拌器的选用举例 如按介质的粘度选型 如按介质的粘度选型 对于低粘度介质, 对于低粘度介质,用小直径高转速的搅拌器就能带动周围的 流体循环,并至远处;可选用传统的推进式、桨式、 流体循环,并至远处;可选用传统的推进式、桨式、涡轮式 等搅拌器。 等搅拌器。 而高粘度介质的流体则不然,需直接用搅拌器来推动; 而高粘度介质的流体则不然,需直接用搅拌器来推动;可选 用锚式和框式等搅拌器。 用锚式和框式等搅拌器。 21 6.5 搅拌器 流动状态 高粘 对 搅拌器型 式 流 循 环 涡轮式 桨式 推进式 折叶开启 涡轮式 布尔马 金式 锚式 螺杆式 螺带式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1~100 ~ 1~50 ~ 1~50 ~ 1~100 ~ 0.5~50 ~ 0.5~50 ~ 100 100 100 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1~100 ~ 10~300 ~ 50 ○ ○ ○ ○ 湍 流 扩 散 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 剪 切 流 低粘 度液 混合 度液 混合 传热 反应 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 分 散 溶 解 固 体 悬 浮 ○ ○ ○ ○ 气 体 吸 收 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 结 晶 传 热 液 相 反 应 ○ ○ ○ ○ 1~100 ~ 1~200 ~ 1~1000 ~ 1~1000 ~ 10~300 ~ 10~300 ~ 100~500 ~ 10~300 ~ 50 50 2 50 槽容积 范围 m3 r/min 转速范围 最高粘度 Pa.s 搅拌目的 22 6.5 搅拌器 推进式 传 统 叶 轮 齿片式 桨式、 桨式、涡轮式 三叶后掠式 螺带和螺杆式 INTERMIG MIG 锚式、 锚式、框式 、 搅拌器的粘度适用范围 日常生活中各种 物质的粘度范围 水:约1mPa·s 低粘乳液: 低粘乳液:约数 mPa·s 重油: 重油:约数十 mPa·s 润滑油: 润滑油:约 0.1Pa·s 蜂蜜: 蜂蜜:约 1 Pa·s 涂料: 涂料:约数 Pa·s 油墨: 油墨:约数十 Pa·s 牙膏: 牙膏:约 50 Pa·s 口香糖: 口香糖:约 100 Pa·s 嵌缝胶: 嵌缝胶:约 千 Pa·s 塑料熔体:近万Pa·s 塑料熔体:近万 橡胶混合物:近万Pa·s 橡胶混合物:近万 23 新 立 式 搅 拌 器 新轴向流叶轮 泛能式、最大叶 片式、叶片组合 式 超级叶片式 EKATO 同轴 前进式( ) 前进式( AR) 锥螺带(VCR) 锥螺带( ) 扭格子式 复动式 多臂行星式 均质器 真空乳化釜 新 卧 式 搅 拌 器 橡 塑 机 械 砂磨机 LIST-AP BIVOLAK SCR HVR CONTERNA 捏和机 三辊辗磨机 双螺杆挤出机 密炼机 低粘度 高粘度 粘度(Pa·s) 10-3 粘度 10-2 10-1 1 10 102 103 104 6.5 搅拌器 5. 搅拌功率的计算 搅拌功率是指搅拌器以一定转速进行搅拌时, 搅拌功率是指搅拌器以一定转速进行搅拌时,对液体 做功并使之发生流动所需的功率。 做功并使之发生流动所需的功率。 计算搅拌功率的目的, 计算搅拌功率的目的,一是用于设计或校核搅拌器和 搅拌轴的强度和刚度; 搅拌轴的强度和刚度;二是用于选择电机和减速机等 传动装置。 传动装置。 影响搅拌功率的因素 搅拌器的几何尺寸与转速 搅拌容器的结构 搅拌介质的特性 重力加速度 24 6.5 搅拌器 6. 搅拌附件 搅拌附件主要有挡板、 搅拌附件主要有挡板、导流筒和稳定器 设置原因:搅拌器转速高时易产生漩涡流, 设置原因:搅拌器转速高时易产生漩涡流,影响搅拌 效果,剧烈打旋的液体结合漩涡作用, 效果,剧烈打旋的液体结合漩涡作用 对搅拌轴产生冲 击作用, 击作用,从而影响搅拌器的使用寿命 插入容器内的进出料管、温度计、 插入容器内的进出料管、温度计、气体分布器等也具 有挡板或导流筒类似的作用。 有挡板或导流筒类似的作用。 25 6.5 搅拌器 挡板 挡板作用:将回转的切向流改变为径向流和轴向流, 挡板作用:将回转的切向流改变为径向流和轴向流,较大地 增加了流体的剪切强度,从而改善搅拌效果。 增加了流体的剪切强度,从而改善搅拌效果。 设置方法:一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 块挡板, 设置方法:一般在容器内壁面均匀安装 块挡板,其宽度为容 器直径的1/12~1/10。 器直径的 ~ 。 效果:消除漩涡,改善主体循环;增大湍动程度; 效果:消除漩涡,改善主体循环;增大湍动程度;降低搅拌 载荷的波动, 载荷的波动,使功率消耗保持稳定 全挡板条件:当再增加挡板数和挡板宽度, 全挡板条件:当再增加挡板数和挡板宽度,功率消耗不再增 加时,称为全挡板条件。 加时,称为全挡板条件。全挡板条件与挡板的数量和宽度有 关。 26 6.5 搅拌器 27 6.5 搅拌器 导流筒 导流筒结构:上下开口的圆筒,安装于容器内 导流筒结构:上下开口的圆筒, 作用:既可提高容器内流体的搅拌强度, 作用:既可提高容器内流体的搅拌强度,加强搅拌器对流体 的直接剪切作用,又造成一定的循环流, 的直接剪切作用,又造成一定的循环流, 使容器内流体均可 通过导流筒内强烈混合区,提高混合效率;限定了循环路径, 通过导流筒内强烈混合区,提高混合效率;限定了循环路径, 减少了流体短路的机会。 减少了流体短路的机会。 设置:导流筒主要用于推进式、 设置:导流筒主要用于推进式、螺杆式以及涡轮式搅拌器的 导流 28 6.5 搅拌器 29 6.6 搅拌轴 功能:主要用来固定搅拌器, 功能:主要用来固定搅拌器,并从减速装置的输出轴 取得动力,在带动搅拌器转动的同时,将功率传递给 取得动力,在带动搅拌器转动的同时, 搅拌器以克服其旋转时遇到的阻力偶矩而对流体作功 要求:搅拌轴轴径d必须满足强度和临界转速要求 必须满足强度和临界转速要求, 要求:搅拌轴轴径 必须满足强度和临界转速要求,当 有特殊要求时,还应满足扭转或径向位移的要求,还 有特殊要求时,还应满足扭转或径向位移的要求, 应有合理的结构、 应有合理的结构、较高的加工精度和配合公差 组成: 组成: 轴颈:支承部分(必须成为静定梁) 轴颈:支承部分(必须成为静定梁); 轴头:安装搅拌器; 轴头:安装搅拌器; 轴身: 轴身:杆件部分 30 6.6 搅拌轴 31 6.7 轴封 功能: 功能:主要用来保证搅拌设备内处于一定的正压或真 空状态, 空状态,防止被搅物料逸出和杂质的渗入 轴封类型: 轴封类型:主要有填料密封和机械密封 特点: 特点:搅拌轴与静止釜体之间存在一个相对运动的密 封面, 封面,故这种密封装置属于动密封 填料密封与机械密封比较: 填料密封与机械密封比较: 机械密封的泄漏量仅为填料密封的1%; ; 机械密封的泄漏量仅为填料密封的 机械密封的摩擦功率损耗仅为填料密封的10%~50%; 机械密封的摩擦功率损耗仅为填料密封的 ~ ; 填料密封结构简单,加工要求较低,成本低廉。 填料密封结构简单,加工要求较低,成本低廉。 32 6.7 轴封 全封闭密封 ——磁力传动搅拌装置 磁力传动搅拌装置 结构: 结构:由磁力联轴器传 递扭矩 特点: 特点:与传统的轴封相 比,采用磁力搅拌装置 最突出的优势是可完全 最突出的优势是可完全 消除搅拌设备内的气体 通过轴封向外泄漏。 通过轴封向外泄漏。 33 6.8 传动装置 组成:包括电动机、减速机、 组成:包括电动机、减速机、联轴器 搅拌轴、机架及凸缘法兰等。 、搅拌轴、机架及凸缘法兰等。 1-电动机; 电动机; 电动机 2-减速机; 减速机; 减速机 3-单支点机架; 单支点机架; 单支点机架 4-(釜外 带短节联轴器; 釜外)带短节联轴器 釜外 带短节联轴器; 5-轴封; 轴封; 轴封 6-传动轴; 传动轴; 传动轴 7-安装底盖; 安装底盖; 安装底盖 8-凸缘法兰; 凸缘法兰; 凸缘法兰 9-(釜内 联轴器; 釜内)联轴器 釜内 联轴器; 10-搅拌轴。 搅拌轴。 搅拌轴 34 6.8 传动装置 联轴器 功能:将两个独立的轴牢固地连在一起,以进行传递旋 功能:将两个独立的轴牢固地连在一起 以进行传递旋 转运动和功率 基本要求:最主要是应确保两根联接轴的同心, 基本要求:最主要是应确保两根联接轴的同心,有时 还应具有一定的减少震动缓和冲击的能力功率。 还应具有一定的减少震动缓和冲击的能力功率。 套筒联轴器 凸缘联轴器 35 6.8 传动装置 轴承 功能: 功能:为搅拌轴设置的支承 分类 按承载方向 向心轴承(主要承载径向荷载) 向心轴承(主要承载径向荷载) 推力轴承(主要承载轴向荷载) 推力轴承(主要承载轴向荷载) 向心推力轴承(径向、轴向荷载) 向心推力轴承(径向、轴向荷载) 按轴承工作时的摩擦性质 36 6.8 传动装置 减速机 功能 用于电动机和工作机之间独立的闭式传动装置, 用于电动机和工作机之间独立的闭式传动装置,其主要功能 是降低转速,并相应增大扭矩。 是降低转速,并相应增大扭矩。 搅拌轴运转速度大多在30~ 范围内, 搅拌轴运转速度大多在 ~600 rpm范围内,小于电动机的额 范围内 定转速,因而在电动机出口端大多需设置减速机。 定转速,因而在电动机出口端大多需设置减速机。 类型:摆线针轮行星减速机、 类型:摆线针轮行星减速机、齿轮减速机和带减速机 此外,还有无级变速器, ;此外,还有无级变速器,调频器也可调速 选用:应选用釜用(立式)减速机 选用:应选用釜用(立式) 37

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