(通過審核)機械設計制造及其自動化專業(yè)學位畢業(yè)論文畢業(yè)設計食品加工工業(yè)攪拌設備的設計正文

1、沈陽航空工業(yè)學院學士學位論文1緒論1.1攪拌的目的和功用1.1.1攪拌的作用攪拌操作是通過攪拌器的作用，使流體物料在攪拌槽內按一定的流型流動，從而達到使物料混合或分散均勻的目的。在食品、纖維、造紙、石油、水處理等工業(yè)生產中，攪拌作為工藝流程的一部分獨立存在。攪拌操作可以使兩種或者多種不同的物質在彼此之中相互分散，從而達到均勻混合，同時加速傳熱和傳質的過程。在工業(yè)生產尤其是化學工業(yè)生產中，無論是加熱、冷卻、液體萃取、氣體吸收等物理變化，還是化學工藝中的種種化學變化，都是以物質的充分混合為前提，往往需要采用攪拌操作才能得到很好的效果。攪拌設備 是工業(yè)中專門用于實施攪拌行為的設備，應用相當廣泛。攪拌

2、設備主要由攪拌裝置、軸封和攪拌罐三大部分組成。攪拌設備的主要作用是達到使物料均勻混合、強化傳熱的效果，對于具體的攪拌過程還可以使氣體在液相中很好地分散、固體粒子在液相中均勻懸浮、不相溶的某一液相均勻懸浮或者充分乳化、以及強化相間的傳質。1.1.2攪拌的功用在工業(yè)生產中，攪拌操作一般具有下列功用:1、使互溶物料均勻混合。2、使不互溶物料很好地分散或懸浮，包括氣相在液相中的均勻分散、固相顆粒在液相中的均勻懸浮、一種液相在另一種液相中的均勻懸浮或充分乳化。3、強化傳熱或傳質過程。正因為攪拌操作具有上述功用，其在工業(yè)生產特別是在化工生產中的應用非常廣泛，是常見的單元操作之一。由于本課題所涉及的生化反應

3、中需要菌體、酶和廢水充分混合，而且在有氧生化反應中有熱量放出。而攪拌可以使物料均勻混合和增大傳熱系數(shù)，從而可以促進反應熱快速地傳出，防止物料的局部過熱，保證細菌的活力。（圖1.1）攪拌設備示意圖1.2攪拌設備和工藝的發(fā)展雖然攪拌設備的使用歷史悠久，應用范圍較廣泛，但對攪拌以及攪拌設備的相關研究還不是十分深入。結構設計工藝性隨客觀條件的不同及科學技術的發(fā)展而變化。影響結構設計工藝性的因素大致有生產類型，制造條件，工藝技術的發(fā)展三個方面。1、生產類型 生產類型是影響結構設計工藝性的首要因素。當單件、小批生產零件時，大都采用生產效率較低、通用性較強的設備和工藝裝備，采用普通的制造方法，因此，機器和零

4、部件的結構應與這類工藝裝備和工藝方法相適應。在大批大量生產時產品結構必須與采用高生產率的工藝裝備和工藝方法相適應。所以，在單件小批生產中具有良好工藝性的結構，往往在大批量生產中，其工藝性并不一定好，反之亦如此。因此當產品由單件小批量生產擴大到大批量生產時，必須對其結構工藝性進行審查和修改，以適應新的生產類型的需要。2、制造條件 機械零部件的結構必須與制造廠的生產條件相適應。具體生產條件應包括：毛坯的生產能力及技術水平；機械加工設備和工藝裝備的規(guī)格及性能；熱處理的設備及能力；技術人員和工人的技術水平；輔助部門的制造能力和技術力量等。3、工藝技術的發(fā)展 隨著生產不斷發(fā)展，新的加工設備和工藝方法不斷

5、出現(xiàn)。精密鑄造、精密鍛造、精密沖壓、擠壓、鐓鍛、軋制成形、粉末冶金等先進工藝，使毛坯制造精度大大提高；真空技術、離子氮化、鍍滲技術使零件表面質量有了很大的提高；電火花、電解、激光、電子束、超聲波加工技術使難加工材料、復雜形面、精密微孔等加工較為方便。1.3攪拌裝置的組成攪拌裝置是攪拌設備的主體部分，其中包括傳動裝置，攪拌軸，攪拌器。攪拌設備中具有獨立的傳動機構，一般有電動機，減速裝置，聯(lián)軸器以及攪拌軸統(tǒng)一組成。攪拌設備選用電動機一般根據攪拌需要確定系列，功率，轉速以及安裝形式，防爆要求等幾項內容。電動機有D2，T2，D2/T2，L3，D2/L3等幾種不同的安裝形式，常用的電動機有一般異步電動機

6、，變速異步電動機，防爆異步電動機。由于攪拌器的轉速比電動機的速度要低的多，所以傳動機構中必須要有一定的減速裝置。不同的減速裝置也決定了攪拌器傳動方式的不同。常用的減速裝置有齒輪減速機，渦輪減速機，三角皮帶以及擺線針齒行星減速機等。設計人員在減速機的具體選型過程中主要應參考以下幾個方面的因素：1、 出軸旋轉方向單向或雙向2 、攪拌軸軸向力方向以及減速機是否承受軸向力3 、傳動比，功率，進出軸的轉速。兩軸的相對位置4、 防爆或非防爆5、 外型尺寸需要滿足安裝與檢修的要求6 、工作平穩(wěn)性，如震動和載荷變化情況連軸器與攪拌軸的設計，是攪拌設計的重點。設計過程中先后需要經理選型，功率計算，強度計算軸徑計

7、算等環(huán)節(jié)。（圖1.2）攪拌設備裝置示意圖（圖1.3）常規(guī)攪拌設備內部（圖1.4）一般攪拌設備總體安裝外部（圖1.5）組合式攪拌設備2攪拌器總體設計2.1設計計劃2.1.1設計要求攪拌操作是應用最廣泛的化工單元操作之一。例如在食品、染料、制藥、油漆等生產中，幾乎所有的反應裝置都裝有不同類型的攪拌裝置。攪拌能使物料產生流動，分散，細微化，從而可以增加接觸面積，降低界面阻力，以促進傳質過程的進行。攪拌能增加傳熱速率，提高傳熱系數(shù)，促進傳熱過程。在激烈的溫度變化和濃度變化的場合，通過攪拌充分混合，可以消除局部過熱和局部反應，防止較多副產物的生成。在固一液系統(tǒng)中攪拌可防止顆粒沉降，促進固體顆粒的溶解。在

8、吸附和結晶過程中，攪拌能增加表面吸附作用，以及析出均勻的結晶等?？傊當嚢璨僮髋c反應、傳熱、吸附、溶解、結晶等單元操作均有密切的關系。 本次設計的攪拌器主要是特定針對液體-液體和液體-溶解固體混合攪拌，假設在一個食品加工廠需要安裝在一個特定攪拌容器里不間斷攪拌能夠互溶液體原料（主要是水密度液體）。使原料水、液體原料和少量的完全溶解固體原料成分充分均勻的拌和。攪拌容器內壁光滑，沒有加熱棒和導流設備，D=3m，H=3m,液面高不高于2.6m不低于2m容器內無擋板和倒流槽。液體原料由容器上部裝入下部排出，少量固體原料在攪拌過程中由容器上部裝料口裝入，需要注意的是在攪拌過程中不能使液體流量過快以避免液體

9、由于過于劇烈流動而使液體中混入大量空氣和使原料局部溫度升高導致整體溫度不平衡。在食品加工工業(yè)中有很多需要攪拌設備的工序，最普遍的例如飲料、飲品的加工制作，食品提純、稀釋等。在本次設計中我們還針對特定的場合在完成設計標準的同時對攪拌器的設計提出了下列要求：1、 為了經濟性能優(yōu)越，出于節(jié)省能源的目的，所設計的攪拌器的攪拌功率盡可能小。2、 攪拌效果也就是排液量盡可能大，這樣可以使整個容器中的液體充分的攪拌均勻，最好效果的完成攪拌。為了盡可能的設計出符合本次設計要求的設備，我們首先要根據本次要求進行完整的初步設計，然后在經過不斷的設計優(yōu)化。2.1.2設計步驟及程序制定攪拌設備的設計過程沒有標準的嚴格

10、的設計步驟。其原因主要有兩點：1工業(yè)中應用體系的混合目的、物料性質和攪拌設備形式的多樣性，以及物料在攪拌設備中流動的復雜性。2 缺乏公認的攪拌效果評價標準，使攪拌設備設計難以在一個嚴密的理論指導下完成，在很大程度上仍依賴于經驗。 攪拌設備的設計首先要考察過程目標，對過程的體系、性質、要求的目標進行了解。然后從攪拌器 設計角度分析攪拌任務的尺度和難度。所謂尺度是指攪拌體系中物料的量。所謂難度是指達到攪拌效果所需要克服的阻力。在此基礎上可選定攪拌器的型式， 葉輪尺寸，轉速及所需功率。然后確定攪拌器的安裝尺寸及附件等。攪拌器設計好之后還要在滿足工藝條件的要求下從經濟角度進行優(yōu)化。攪拌器的設計基本程序

11、一般為：攪拌條件的設定和確認攪拌葉輪型式及附件的選定。確定葉輪尺寸及轉速，計算攪拌功率。 物料性質從有關圖表資料中查出該物料系統(tǒng)的相關物理、化學性質。如粘度、密度 等。任務攪拌任務的基本內容包括：明確被攪拌的物料系統(tǒng)；攪拌操作所要達到的目的；攪拌物料的處理量(間歇操作按一個周期的批量、連續(xù)操作按時班或年處理量)；明確有無化學反應、有無熱量傳遞等。攪拌器選型目前尚無完善的客觀尺度，往往在同一攪拌目的下，幾種攪拌器均可適用。實際選用時，首先應考慮在達到攪拌目的的同時，力求消耗較小的功率。根據攪拌葉輪的一般選擇原則，在葉輪選定之后，還應考慮葉輪直徑的大小與轉速的高低。攪拌器的選型不能滿足于從同類工藝

12、中借鑒，還應根據任務要求具體分析。攪拌裝置機械設計中各項程序簡要說明如下：1 確定操作參數(shù)：攪拌器操作的壓力和溫度、攪拌的容積和時間、連續(xù)或間歇操作、葉輪的直徑和轉速、物料的有關性質和物料系統(tǒng)的運動狀態(tài)等，都屬于操作參數(shù)，而最基本的目的則是要通過有關參數(shù)，計算攪拌的雷諾數(shù)，確定流動類型，進而計算功率消耗。2 結構設計：在確定攪拌器類型和操作參數(shù)的基礎上進行結構設計，其主要內容是確定葉輪構型的幾何尺寸、攪拌槽的幾何形狀和尺寸。3 功率計算：攪拌槽的功率計算包括兩個步驟：第一步 確定攪拌的凈功率消耗；第二步 確定適當?shù)碾妱訖C額定功率，進而選用適當?shù)碾妱訖C。4 傳熱計算：攪拌操作過程中存在熱量傳遞時

13、，應進行傳熱計算，其主要目的是核算攪拌裝置提供的傳熱面積是否滿足傳熱的要求。5 機械設計：在完成上述各項設計程序的基礎上，通過機械設計，確定傳動機構，進行必要的強度計算，并提供攪拌器的全部加工尺寸，最后應繪制零部件加工圖和總體配裝圖，以便組織加工與安裝。實際的攪拌設備設計放大過程還需要進行多次的反復計算才能設計出符合各種標準的實用的最優(yōu)設備。2.2攪拌器的設計2.2.1確定攪拌的種類和形狀2.2.1.1確定攪拌器的種類攪拌作為一種單元操作，涉及流體力學、傳熱、傳質及化學反應等多領域知識，是一個相當復雜的操作過程。攪拌以使攪拌介質的各部分接近均質為目的，操作過程中會受到許多因素的影響。但無論攪拌

14、過程如何復雜多變，無一不是通過攪拌器或者其他手段，使攪拌設備內的流體產生適當?shù)牧鲃訝顟B(tài)，并在特定的流動狀態(tài)中達到各種所需的攪拌目的。流動場問題和攪拌能量問題一直是攪拌過程所研究的主要課題。不同操作目的的攪拌過程需要不同的流動場、需要供給能量的多少也不同。按照攪拌介質的相態(tài)，攪拌過程可以分為均相系和非均相系兩大類。前者為互溶液體的攪拌，后者包括不互溶液體的攪拌、氣一液相的攪拌和固一液相的攪拌.當攪拌介質粘度特別高的時候，其流動狀態(tài)具有相當?shù)奶厥庑裕砸话阌謫为毞诸悶楦哒扯纫旱臄嚢?。總之，不同的攪拌過程對攪拌的要求有著明顯的不同?；ト芤后w的攪拌旨在使兩種或數(shù)種液體相互之間達到濃度、密度、溫度以及

15、其他物性的均勻狀態(tài)。 式（2.1）式（2.2）tm-混合時間（s）n-攪拌漿轉速（rpm）k-比例系數(shù)，決定于示蹤物的判定方式和混合終了的判定條件，一般情況取0.1dj-攪拌器直徑（mm）D-攪拌槽直徑（mm）NQd-排出流量數(shù)（m3/s）由上式判斷當攪拌速度為11000時攪拌器直徑約為400mm1000mm之間，所以初設定攪拌器的直徑在3001000之間攪拌罐內液體的循環(huán)速度取決于循環(huán)流動液體的體積流量。從葉輪直接排出的液體體積流量，稱為葉輪的“排液量”。參與循環(huán)流動的所有液體的體積流量，稱為“循環(huán)流”。由于葉輪排出流產生的夾帶作用，循環(huán)流可遠遠大于排液量，二者差別的大小取決于排出流的夾帶能

16、力。對于幾何相似的葉輪，其排液量Q,、葉輪直徑d和轉速。之間存在如下的關系： 式（2.3）式中Q1一葉輪的排液量，m3/sn 一葉輪的轉速，r/sd 一葉輪的直徑，m在離心泵中，壓頭(揚程)就是離心泵對單位重量(1N)液體所提供的有效能量，單位為J/N或m。與離心泵葉輪的作用相似，攪拌器的葉輪在旋轉時既能使液體產生流動又能產生用來克服摩擦阻力的壓頭。一般用速度頭的倍數(shù)來表示壓頭。液體離開葉輪的速度，于是壓頭可表示為： 式（2.4）式中 H一 壓頭，m；u 一 液體離開葉輪的速度，m/s由于攪拌器葉輪的排液量和壓頭均與離心泵的流量和壓頭存在相似的關系，所以攪拌器葉輪所消耗的功率N和離心泵的功率計

17、算式相類似： 式（2.5）把上三式綜合可得： 式（2.6）由上式可知，攪拌功率消耗于液體在罐內的循環(huán)流動和剪切流動兩個方面。不同工藝過程中液體流動方式各異，兩種流動所消耗的功率之比也各異，常常近似地用Q/H表示兩種方式所消耗功率之比。該比值對攪拌效果具有重要意義。 式（2.7）當功率一定時，也為定值，由此可得：將上兩式分別代入從上兩式可看出葉輪操作的基本原則，即:在消耗相同功率的條件下，如采用低轉速、大直徑的葉輪，可用增大液體循環(huán)量和循環(huán)速度，同時減少液體受到的剪切作用，有利于宏觀混合。反之，如采用高轉速、小直徑的葉輪，結果與此相反。所以初設定攪拌器的直徑dj =800mm。由于存在兩相問題，

18、固一液相攪拌問題要比均相液體的攪拌復雜得多。這種攪拌過程對流動狀態(tài)的要求是使固體顆粒在液相中懸浮起來不沉降，這就是要求攪拌液流的上升速度大于固體顆粒的沉降速度。固體沉降速度的影響因素除了與固一液重度差、固體顆粒幾何形狀、固相在液相中的濃度等有關，還與攪拌時流體產生的湍流狀態(tài)有關。實驗證明，固一液相攪拌過程中存在一個使固相懸浮的最低攪拌轉速，其計算公式如下。這個臨界速度與固液密度差、固液相密度、液相粘度、粒徑等物性條件有關。 式（2.8） =0.086541 式（2.9）式中：K-系數(shù)，與攪拌槽形狀、攪拌器形式與尺寸有關，約為200250； D-攪拌槽的內徑（m）； dp-固體顆粒直徑（m）；

19、-固體顆粒與液體密度差（g/cm3）； -液體密度（g/cm3）； -液體粘度（cp）； VP-固體顆粒的真實體積（m3）； VP。-固體顆粒視體積（m3）；由于使固體充分混合在液體中所需要的流動速度和實際需要速度差距很大，所以可以不考慮。當氣體從攪拌器下部通入攪拌槽內，會形成逐漸增大的氣泡從槽底上升。當進行攪拌并將轉速提高到一定的程度時，在槳葉附近由于剪力和動壓變動的力使氣體分散為更小的氣泡，并隨著液體的循環(huán)流動而散布到槽的全部容積內。氣泡的大小和數(shù)量決定了氣一液的接觸面積。液體單位體積中氣泡的表面積大小以及達到這一指標所需的攪拌操作時間，可以作為氣一液攪拌的評價指標。對于一定的攪拌槽和給定

20、的氣體空槽速度，攪拌器有一個最低的使用轉速。同樣，在一定的攪拌轉速下氣體流速也有一個最適宜的范圍，在此范圍氣一液的分散效果較為理想。粘度反映了流體運動時剪切應力和剪切速度梯度的比值關系。攪拌器攪拌低粘度液時，在槽內造成湍流狀態(tài)并不困難，但是當粘度上升到一定數(shù)值，由于粘滯力的影響液體只能出現(xiàn)層流狀態(tài)，而且層流也只能出現(xiàn)在槳葉的附近，離槳葉遠些的高粘度液體仍然是靜止的。高粘度液體攪拌的首要問題就是要解決液體流動和循環(huán)的問題5。此時不能依靠增大攪拌轉速來提高攪拌器的循環(huán)流量，如果轉速過高還會在高粘度液體中形成溝流，周圍液體仍然為死區(qū)。若要使槳葉能夠推動更大范圍的液體，在設計攪拌設備的過程中需要注意相

21、應增大攪拌器直徑與槽徑之比與槳葉寬度與槽徑之比，有時還需要增加攪拌器的層數(shù)，以增大攪拌的范圍。以上各類攪拌過程存在一定的共性和各自的特點，攪拌槽內對流循環(huán)的流動狀態(tài)也有一定的差異，這些是由攪拌過程的目的及物料性質所決定的.2.2.1.2攪拌器的形狀不同型式的攪拌器能夠提供不同的流動場、供給相應的能量，進而達到一定的攪拌目的。攪拌器的攪拌作用是通過槳葉不停歇的旋轉運動所產生的，槳葉的形狀、尺寸、數(shù)量以及轉速都會不同程度地影響著攪拌器的功能。攪拌介質的物性差異、攪拌器在攪拌槽內的安裝位置以及攪拌器的工作環(huán)境，都會在一定程度上對攪拌器的功能產生影響。其中攪拌器的工作環(huán)境，包括攪拌槽的形狀尺寸、擋板的

22、設置情況、物料的進出方式等方面。攪拌介質物性方面的因素已在上文加以了一定的闡述，本節(jié)將主要討論工作環(huán)境對攪拌器功能的影響。設計人員在設計攪拌器的過程中，務必考慮攪拌介質的流動狀態(tài)、攪拌器與攪拌槽徑的幾何關系，以及攪拌器排出性能、剪切性能與混合性能等多方面的因素。典型的機械攪拌器型式有槳式、渦輪式、推進式、錨式、框式、螺帶式、螺桿式等。攪拌器按槳葉形狀可分為三類，即平直葉、折葉和螺旋面葉。槳式、渦輪式、錨式和框式等攪拌器的槳葉為平直葉或折葉，而推進式、螺帶式和螺桿式攪拌器的槳葉則為螺旋面葉。根據攪拌操作時槳葉主要排液的流向(又稱流型)，又可將攪拌器分為徑流型葉輪和軸流型葉輪兩類。平直葉的槳式、渦

23、輪式是徑流型，螺旋面葉的推進式、螺桿式是軸流型，折葉槳面則居于兩者之間，一般認為它更接近于軸流型。 平直葉單槳式 折葉槳式 圓盤渦輪式 推進式 特殊框式式（圖2.1）幾種典型的攪拌葉槳形式平葉的槳面與運動方向垂直，即運動方向與槳面的法線方向一致。折葉的槳面與運動方向成一個傾斜角度。，一般0為45“或600 ,螺旋面葉是連續(xù)的螺旋面或者是其中的一部分，槳葉曲面與運動方向的角度逐漸變化。對于平直葉型攪拌器，由于槳葉的運動方向與槳面垂直，所以當槳葉低速運轉時，流體的主體流動為水平環(huán)向流動。當槳葉轉速增大時，流體的徑向流動將逐漸增大，槳葉轉速越高，由平直葉排出的徑向流則越強，而此時槳葉本身所造成的軸向

24、流仍是很弱的。對折葉攪拌器，由于槳面與運動方向成一定傾斜角B,所以在槳葉運動時，除有水平環(huán)向流外，還產生軸向分流。在槳葉轉速增大時，還有漸漸增大的徑向流。螺旋面可看成許多折葉的組合，這些折葉的角度逐漸變化，所以螺旋面所造成的流向也有水平環(huán)向流、徑向流和軸向流，其中軸向流最大 。在選擇攪拌器時，應考慮的因素很多，最基本的因素是介質的粘度、攪拌過程的目的和攪拌器能造成的流動狀態(tài)。由于流體的粘度對攪拌狀態(tài)有很大的影響，所以根據攪拌介質粘度的大小來選型是一種基本的方法。一般隨著粘度的提高，各種攪拌器的使用順序為推進式、渦輪式、槳式、錨式、螺帶式和螺桿式等。根據攪拌過程的目的來選擇攪拌器是另一種基本的方

25、法。低粘度均相流體混合消耗功率小、循環(huán)容易，是難度最小的一種攪拌過程，只有當攪拌槽的容積很大并且要求混合時間很短時才比較困難。由于推進式攪拌器的循環(huán)能力強并且消耗功率小，所以最為適用。而渦輪式攪拌器因其功率消耗大，其雖有高的剪切能力，但對于這種混合過程并無太大的必要，所以若用在大容量槽體的混合就不太合理。槳式攪拌器因其結構簡單，在小容量流體混合中仍廣泛采用，但在大容量槽體混合時，其循環(huán)能力就有點不足了。由于槳式攪拌器的設計和結構都比較簡單，制造簡便并易于表明其尺寸，故廣泛應用于化學工業(yè)中，并且由上表可知槳式攪拌器能夠滿足生化反應中的對流循環(huán)混合和強化傳熱的要求，所以選擇槳式攪拌器。根據具體條件

26、對比選擇大體形狀為如圖的形式攪拌器。（圖2.2）雙平直槳結構示意圖此類型為最基本的一種槳型，低速時為水平環(huán)流型，層流區(qū)操作：高速時為徑流型。上下循環(huán)流，湍流強，適用于低粘度液的混合、分散、固體懸浮、傳熱、液相反應等過程。2000cp，n=1100rpm，V150m/s。2.3攪拌器的具體參數(shù)確定2.3.1功率的計算任何一種型式的攪拌器在具有一定物性的介質中以一定的運轉參數(shù)進行運轉，必須依靠一定的動力才能獲得理想的流動狀態(tài)并完成操作達到預期的攪拌目的。攪拌過程中所需要的的動力就是攪拌器的功率。通常情況視達到攪拌目的所消耗的軸功率為攪拌過程從攪拌器得到的功率，而不討論這種能量供給的是否過多或過少，

27、是否為系統(tǒng)的最佳狀態(tài)。攪拌器功率實際上包括著兩個不同而又有一定內在聯(lián)系的概念，即攪拌器功率和攪拌作業(yè)功率。以一定轉速運行的攪拌器對攪拌介質進行攪拌時，對液體作功并使之發(fā)生流動。使攪拌器連續(xù)運轉所消耗的功率就是攪拌器功率。攪拌器功率應該是攪拌器幾何結構參數(shù)、物料物性參數(shù)以及攪拌器運轉參數(shù)等的函數(shù)，其中不包括機械傳動與軸封部分所造成的動力消耗。2.3.1.1影響攪拌器功率的因素攪拌器的功率與槽內造成的流動狀態(tài)有關，影響流動狀態(tài)的因素必然是影響攪拌器功率的因素。其中包括：1、攪拌器的幾何參數(shù)與運轉參數(shù)：槳徑d、槳寬b、槳葉角度e、槳轉速n、槳葉數(shù)量2，槳葉距離槽底的安裝高度c等。2、攪拌槽的幾何參數(shù)

28、：槽內徑D，液體深度H，擋板寬度W，擋板數(shù)量z,，以及導流筒的有關尺寸等。3、攪拌介質的物性參數(shù):液相密度p、液相粘度cP、以及重力加速度q等。以上的許多參數(shù)都直接會對攪拌形成的流動狀態(tài)以及攪拌器功率造成一定的影響。根據前面所計算，初設定攪拌器的轉速n=100r/min計算攪拌器外緣線速度： 式（2.10）攪拌器旋轉角速度 式（2.11）2.3.1.2雷諾數(shù)的計算攪拌過程中我們使用雷諾數(shù)來表示流體粘滯力對流動的影響，以此表示液體的流動狀態(tài)雷諾數(shù)。根據雷諾數(shù)Re數(shù)值的大小范圍，攪拌槽流動狀態(tài)可劃分為層流、過渡流和湍流等三種情況。當槳葉轉速很低的時候，Re的數(shù)值很小，流動處于層流狀態(tài);加速后Re的

29、值有所增大，在Re10的時候，液體流動呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)。攪拌液體達到湍流狀態(tài)，液體的軸向流動增加，攪拌的效果比較理想。所以當流動處于層流區(qū)域內時，攪拌器功率與液體粘度成正比，與槳葉轉速的二次方、槳徑的三次方也都成正比。Re的數(shù)值在30-10范圍的時候，攪拌處于過渡流區(qū)域.此時的功率因數(shù)曲線隨著Re的變化而呈現(xiàn)出曲線狀的變化。在這一區(qū)域中，各種槳型攪拌器的曲線并不一致，且存在比較大的差異。如果攪拌棺內沒有安裝擋板，隨著Re數(shù)值的增大液面中心將出現(xiàn)漩渦。 式（2.12）n-攪拌器轉速（rpm）dj-攪拌器直徑（m）-液體密度（kgfs2/m4）-液體粘度（kgfs/m2）永田公式計算雷諾數(shù)： 式（2

30、.13）=8.0163=8.0163Rc臨界雷諾數(shù)，即：湍流和層流轉變點的雷諾數(shù)。初步計算的雷諾數(shù)符合已知條件，由兩中方法計算的雷諾書相差在合理范圍之內，取整為Re=8。 雷諾數(shù)控制在10以內，攪拌時液體處于層流狀態(tài)，攪拌效果比較理想。2.3.1.3攪拌器功率計算攪拌功率的目的有兩個方面，一是為了解決一定型式的攪拌器能向被攪拌介質提供多大功率的問題，以滿足攪拌過程的要求，并選配合適的電機。二是為攪拌器強度的計算提供依據，以保證槳葉、攪拌軸的強度。關于攪拌功率計算的公式很多。許多專家進行了各種實驗，有的得到了實驗曲線，整理出算圖，有的從理論推出了與實驗基本吻合的公式。算圖主要有Rushton算圖

31、(推進式、渦輪式和槳式)。日本永田進治等人根據在無擋板直立圓罐中攪拌時“圓柱狀回轉區(qū)”半徑的大小及槳葉所受的流體阻力進行了理論推導，并結合實驗結果確定了一些系數(shù)而得出雙葉攪拌器功率的計算公式。 式（2.14）當有全擋板條件時的攪拌功率是最大功率，這時液體中沒有“圓柱狀回轉區(qū)”攪拌器時葉片所變的液體阻力最大。但本次設計中沒有擋板，在湍流區(qū)由于反應器中液體出現(xiàn)“圓柱狀回轉區(qū)”，因而葉片所變的液體阻力較低，故攪拌功率也低。永田公式 雖然是雙葉槳式的功率計算式，但沒有列出槳徑、槳葉寬度和折葉角度的限制，可以允許這些參數(shù)有較大的變化范圍，這就使它的應用很方便。作者又驗證了在湍流區(qū)時多種攪拌器在槳徑相同時

32、，只要槳葉寬度和槳葉數(shù)量的乘積相等，即一定，它們的功率相等。作者還驗證了罐內槳葉安裝高度在湍流區(qū)對功率影響很小。 代入： 式（2.15） 攪拌功率=5.00917（kw） 2.3.1.4電動機功率攪拌設備的傳動機構由電動機、減速裝置、軸聯(lián)節(jié)以及攪拌軸等獨立組成。在設計攪拌設備的過程中，主要是依據電動機系列、功率、轉速以及安裝型式和防爆要求等幾項內容來選用電動機。攪拌器由靜止啟動，槳葉需要克服自身的慣性，以及槳葉推動液體的慣性和液體的摩擦力。攪拌器在全擋板條件下操作時，消耗的運轉功率最大，近似等于從湍流到層流的轉變點臨界雷諾數(shù)Re下的攪拌功率，這個功率在數(shù)值上幾乎和攪拌器開始瞬間的功率相等。也就

33、是說，電動機的啟動功率和運轉功率近似相等。所以選擇電機時不必以啟動功率為準，應以攪拌器運轉功率作為電機功率的選擇基準，并對傳動機構與密封機構方面的功率損失予以一定的考慮。電動機功率的計算公式如下： 式（2.16）其中根據初步設計裝置的結構，得出機械傳動效率： 由于選用的攪拌器槳板為平直葉雙槳式，所以槳板的工作效率相對來說比較低，但如以上所論證，平直葉雙槳式有結構簡單、適用范圍廣、攪拌低密度液體效率高、對軸和其他附件要求低等明顯特點，所以槳板的工作效率相對考慮的要少一些。固選擇平直葉雙槳式攪拌器符合實際要求。查表得槳板機械效率： 2.3.2攪拌器槳葉的校和和優(yōu)化一般通過分析受力情況，確定危險截面

34、，再計算槳葉的厚度。由離心力引起的拉應力可忽略不計。計算槳葉強度時的最大功率： 式（2.17）式中啟動時電動機過載系數(shù)（從電動機特性表查出K=2.1）傳動機械效率；電動機功率；（kw）。2.3.2.1攪拌器的強度校合平直葉雙槳式攪拌器如圖所示，槳葉斷面如圖所示。 （圖2.3）平直葉雙槳式攪拌器結構示意（圖2.4）槳葉斷面圖在攪拌器強度計算中，對于加強肋的槳葉除驗算I-I斷面外，還須驗算：II-II斷面（在槳長的1/2處）。分別驗算如下：I-I 斷面彎矩：（kgcm）式（2.18）式中計算槳葉強度時的最大功率（kw）II-II 斷面彎矩：（kgcm）式（2.19）單側有加強肋的槳葉斷面模數(shù)：其中

35、 H斷面高度（cm）； =7-2.3696=4.6304(cm) =2.3696-1.2=1.1696(cm) =56.059(cm3)I-I和II-II斷面的彎曲應力及校核：(kg/cm2) 式（2.20） 式中 或斷面的彎矩； 或斷面的抗彎截面模數(shù)；材料的許用彎曲應力。代入數(shù)值計算得：所以 ，槳葉設計滿足強度要求。2.3.2.2攪拌器的設計優(yōu)化在機械設計中，如果評定某個設計方案好壞僅涉及一項設計指標，則稱為單目標優(yōu)化設計。但是實際上，對于一個零件、部件、機構或分系統(tǒng)的設計，常常期望幾項設計指標達到最有值，這就提出了多目標優(yōu)化設計問題。優(yōu)化目標之間通?；ハ嘀萍s，要想同時使目標都得到優(yōu)化，因此

36、必須進行多目標優(yōu)化設計。在工程實際中存在大量的多目標優(yōu)化問題，此類問題往往比較復雜，目前求解這一類問題的方法還不夠完善，最主要的有兩大類：一類時把多目標問題轉化為一個或一系列單目標問題求解作為多目標優(yōu)化問題的一個解；另一類是直接求非劣解，然后從中選擇較好解。攪拌器的乘除法優(yōu)化設計：如果能將q個目標分為兩類：一類屬于費用類，如成本、材料、人力、重量等；表現(xiàn)為目標函數(shù)值越小約好；另一類屬于效果類，如產量、效率、利潤等，表現(xiàn)為目標函數(shù)值越大約好。對于這種情況，其統(tǒng)一目標函數(shù)可取為： 式（2.21）式中s-q個目標函數(shù)中的屬于費用類的目標函數(shù)總數(shù)。然后，再求統(tǒng)一目標函數(shù)： 式（2.22）的最有解，此即

37、為原多目標問題的最終解答。攪拌器優(yōu)化設計中的攪拌功率和扭矩都屬于費用類，而排液量的大小就屬于效果類。數(shù)學模型的建立概述設計變量：攪拌器的轉速n，攪拌槳的直徑d，反應罐的內徑D，槳葉的寬度b，液面高度H。目標函數(shù)：攪拌功率盡可能小，攪拌軸所受的扭矩盡可能小，排液量盡可能大。約束條件：約束條件有雷諾數(shù)的大小約束、反應罐內的流體體積的大小約束、槳葉的幾何比例約束、轉速約束、葉端線速度等。設計公式： 式（2.23）由于所以排液量的大小可以用nd3的大小來衡量。攪拌軸的扭矩攪拌雷諾數(shù)： 反應罐內的流體體積： 葉端線速度：優(yōu)化數(shù)學模型綜上所述，可得如下的數(shù)學模型：設計變量：攪拌器的轉速n，攪拌槳的直徑d,

38、 反應罐的內徑D，槳葉的寬度b，液面高度H。目標函數(shù)：用乘除法建立多目標優(yōu)化設計的目標函數(shù)如下約束變量： 雷諾數(shù)的大小條件：反應罐的容積的范圍：攪拌槳的直徑和反應罐的內徑的比例范圍：攪拌槳的寬度和直徑的比例范圍攪拌槳的轉速的范圍 葉端線速度的范圍4) 優(yōu)化的結果如下:初始點：X0=80，0.8，0.18T得全局最優(yōu)解：X*=101.0657，0.8038， 0.1516T圓整為：X*=100.0000，0.8000， 0.1500T（圖2.5）平直雙葉攪拌槳確定攪拌器部分具體尺寸如下：Dj=800mmh=60mmh1=40mmm=100mmd=40mmc=140mm=15mm2.4軸的設計攪拌

39、軸是攪拌設備中實現(xiàn)帶動槳葉運動的主要組件，軸的設計是攪拌設備設計中的一個重要壞節(jié)。攪拌軸的計算主要是確定軸的最小截面尺寸，進行強度、剛度計算，以便保證攪拌軸能夠安全平穩(wěn)地運轉。以及為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經濟合理。軸一般由軋制圓鋼或鍛件經切削加工制造。軸的直徑較小，可用圓鋼棒制造；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，可采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蛘咤懺斓耐咕?。對于形狀復雜的軸（如凸輪軸、曲軸）可采用鑄造在機械工程應用的材料，按用途的不同，可分為結構材料和功能材料兩大類。結構材料通常是指工程上要求

40、強度、韌性、硬度、塑性、耐磨性等機械性能的材料。功能材料是指具有電、光、熱、磁等功能和效用的材料。按材料結合件的特點及性質，一般可分為金屬材料、無機非金屬材料和有機材料三大類。其中金屬材料是機械工程中最常用的材料，可分為黑色金屬材料和有色金屬材料。黑色金屬材料是鐵基金屬合金，包括碳鋼、鑄鐵及各種合金鋼。其余的金屬材料都屬于有色金屬材料。（圖2.6）零件實物圖2.4.1軸材料的選用 軸的材料常用材料是優(yōu)質碳素鋼。對于受力較大、軸的尺寸和重量受到限制以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。但在一般工作溫度下，合金鋼的彈性模量與碳素鋼相近，所以，只為了提高軸的剛度而選用合金鋼是不合適的。合金結構鋼是在

41、碳素結構鋼基礎上加入適量的一種或幾種合金元素而形成的，它比-碳素結構鋼的綜合性能要好，是合金鋼中用量最大的一類鋼，廣泛應用于制造各種重要的機器零件和各類工程結構。根據工作條件要求，軸可在加工前或加工后經過整體或表面處理，以及表面強化處理（如噴丸、輥壓等）和化學處理（如滲碳、滲氮、氮化等），以提高其強度（尤其疲勞強度）和耐磨、耐腐蝕等性能。對于受載較小或不太重要的軸，也可用Q235、Q275等普通碳素結構鋼。當零件的形狀復雜、截面尺寸較大、機械性能較高、滲透性較好時，采用碳素結構鋼常常難于滿足要求，而合金鋼由于合金元素的作用，能夠明顯地提高強度、韌性和耐磨性，并具有良好的淬透性。對于大型零件，由

42、于合金結構鋼淬透性較高，能夠在零件整個大截面上淬透而得到均勻一致的良好的綜合機械性能，既有高強度又有足夠的韌性。因此，強度、韌性要求均高的重要零件或截面尺寸較大、形狀復雜的零件采用合金結構鋼制造比較理想。合金結構鋼通常需要熱處理，以獲得良好的綜合機械性能，按其含碳量和熱處理工藝的不同，可將合金鋼分為合金調質與滲碳鋼兩類。合金調質鋼含碳量在0.250.5%范圍內，一般采用淬火和高溫回火的調質處理，可以得到高強度和足夠的韌性，為進一步提高零件表面的耐磨性，對某些中碳合金調質剛可在調質后進行氮化處理。合金調質鋼的淬透性直接影響調質處理后的綜合機械性能，因此，選材時應當考慮其臨界淬透性直徑與工件表面的

43、截面尺寸的協(xié)調。合金調質鋼多用于制造高強度、高韌性、綜合機械性能優(yōu)良的重要零件，如齒輪、各種軸（發(fā)動機曲軸、機床主軸）及高強度連接螺栓。 軸的材料優(yōu)質碳素鋼型號很多，常用材料是35、45、50，最常用的是45鋼。本次設計由前面對軸強度的計算中沒有特別的要求，故本設計所采用的軸的材料為45鋼。又由前面的攪拌器的計算可以規(guī)定攪拌軸徑為40mm。2.4.2軸的計算在確定攪拌軸軸徑時，應該注意使攪拌軸能夠同時滿足強度和剛度計算的兩個條件。在一般情況中，剛度條件下計算所得的軸徑應該比由強度條件計算得到的軸徑要稍大一些。通常對攪拌軸來說，應主要以剛度條件確定軸徑。如果由剛度條件確定的數(shù)值與由強度條件確定的

44、數(shù)值相差很大的時候，應該考慮改變軸的材質，也就是選用強度較差的材料，當然材料改變后，攪拌軸仍然需要滿足強度條件的要求。尤其是在轉速較低功率較大的情況下，強度條件是不可忽視的。2.4.2.1攪拌軸的強度計算攪拌軸在工作過程中承受扭轉和彎曲聯(lián)合作用，其中以扭轉作用為主，工程應用中往往使用近似的方法進行強度計算。首先假定軸只是承受扭矩的作用，然后使用增加安全系數(shù)降低材料許用應力的方法來彌補由于忽略受彎曲作用引起的誤差.當攪拌軸承受扭轉作用時，軸截面上產生剪應力。軸扭轉的強度條件是： 式（2.24）-截面上最大剪應力-軸所傳遞的扭矩-抗扭截面系數(shù)-降低后的扭轉許用剪應力軸扭轉材料的許用剪應力值可以通過

45、扭轉試驗獲得的屈服極限、或強度極限。除以安全系數(shù)來決定。由于攪拌軸除了承受扭轉作用以外，還常常受到彎曲作用，所受的不是靜載荷，因此規(guī)定的許用應力，在數(shù)值應該偏低一些。由上式可以計算軸的抗扭斷面系數(shù)： 式（2.25）（實心軸） 式（2.26） 式（2.27）d-攪拌軸直徑（cm）N-攪拌傳遞功率（kw）n-攪拌軸轉速（rpm）綜合公式得 式（2.28）整理得 式（2.29）令則得滿足強度條件的攪拌軸軸徑為由上式可以看出，系數(shù)A的數(shù)值是隨許用剪應力變化而改變。A值不僅隨材料的不同而變化，而且與載荷性質有著密切的關系。查軸材料與A值表可以知道45鋼為300400；A為10.69.64。2.4.2.2

46、軸的剛度計算為防止攪拌軸轉動過程中產生過大的扭轉變形，致使引起旋轉中造成的軸封失效，應該將軸的扭轉變形限制在一定的范圍內，這就需要在設計中考慮軸的剛度條件。所謂的剛度條件在工程上就是要求單位長度的扭轉角 。小于許用扭轉角，由于設計條件我們知道需要設計的攪拌設備不屬于高精度穩(wěn)定攪拌也不屬于低精度攪拌傳動，本次的攪拌設備由攪拌速度和混合精度等參數(shù)判斷應該在一般攪拌和底精度攪拌之間選擇，一般精度攪拌所以理論上允許的應該取0.5o1o。所以我們設定不大于0.7o。即： 式（2.30）-軸扭轉變形的扭轉角-剪切彈性模數(shù)。-截面的極慣性矩將和（實心圓柱）代如公式整理后可以得到滿足剛度要求的攪拌軸軸徑： 式

47、（2.31）B，C為系數(shù)，根據特定的角度要求我們可以查到對應的B，C值。=0.5o1o 時查表得B，C值：B=108.5，C=0.620.52代入上式計算后取最大d值13.5371（mm）因為在攪拌器的設計中根據攪拌器比例已經規(guī)定了軸的外徑大體為40mm遠遠大于軸的強度要求，本著節(jié)省材料不浪費資源的原則本次設計的軸選為空心軸設計?？招妮S需要對傳遞功率進行必要的換算，然后再進行有關的強度、剛度校核。換算公式如下： 式（2.32）其中b0為換算值，根據b0值可以查表得到空心軸的內徑和外徑比，根據前面所知道的最大功率和換算表b0取0.98770.9375之間，由于前面計算功率的時候我們已經采取的保守

48、算法，所以我們現(xiàn)在取b0的最小值0.9375。查表我們可以知道空心軸的內徑外徑比為1/2。所以可以確定軸的外徑為40mm，內徑為20mm。（圖2.7）軸受力圖本次設計攪拌設備為開放式攪拌設備，而且為中低速對低密度液體進行攪拌，所以攪拌容器內壓力為常壓，一般考慮三項受力情況。對于一個普通的攪拌軸，在其正常工作中，會承受到多個力與力矩的作用，包括扭矩，液體作用力產生的彎矩，軸與攪拌器重量，設備內外壓力差造成的軸截面向上推力，攪拌器葉片產生軸向液流時的反推力等。攪拌軸的受力與力矩情況如圖所示.傳動機構承受軸向力和力矩的聯(lián)合作用，所以選用傳動裝置需要考慮各力和力矩的影響。由 于密封裝置所消耗功率較小，

49、可以忽略不計，所以攪拌軸傳遞的最大扭矩可視為各層攪拌器的扭矩和。 =4792.8358 式（2.33）如果有多層攪拌器最大的彎矩，是液體作用力與各層攪拌器到位于最下方軸間距乘積的總和。如果就一層攪拌器就算一層就可以了，攪拌器的層數(shù)不影響公式的準確性。其中液體動力產生的最大水平力F、可通過下式計算獲得: 式（2.34）算得：=2342.86式中：L-各層攪拌器從流體動力作用點至最下方軸承的距離(cm);dj -攪拌軸直徑(cm);Tmax-作用在攪拌軸上的最大扭矩(kgf.cm);N0-單個攪拌器的攪拌功率(kW);（圖2.8）軸的受力、彎矩、扭矩圖2.4.3軸的校核：2.4.3.1軸強度校核攪

50、拌主軸選用無縫鋼管，內徑d0=20mm,外徑d=40mm。軸在危險截面由彎矩和轉矩合成的當量彎矩為：=3518.57 式（2.35）式中 根據轉矩性質而定的校正系數(shù)，對穩(wěn)定不變的轉矩，取=0.3；軸的直徑是按照軸在危險截面的直徑的安全標準設計的，所以危險截面鋼管的強度滿足要求。軸的扭轉剛度滿足要求。2.4.3.2臨界轉速校核為了使軸的工作轉速n避免達到臨界轉速n,應按懸臂軸計算n。懸臂軸臨界轉速計算： 式（2.36） 式中：E-軸的彈性模數(shù)，查表得206GPa；I-軸的慣性矩，（mm4）L1-攪拌器受力中心線到最下軸承的距離，1300mmLA-兩軸承距離；Wl-攪拌器重量Wd-等效軸重量Wx-

51、攪拌軸系等效重量對于雙支承，一端外伸且斷面均勻的軸，取Cl=0.249,經過計算： Wl=348N.Wd=ClWw=0.249412=103N.Wx=Wl+Wd=451N.Ww外伸端軸重451N；Cl與比值有關的系數(shù)。=1683（轉/分） 式（2.37） 2.4.3.3遠離臨界轉速的措施：1、增加軸的剛度；2、減輕攪拌器和軸的重量，可采用階梯軸或空心軸來提高臨界轉速；3、減小攪拌軸的長度來提高臨界轉速；4、降低工作轉速；5、采用底軸承可增加臨界轉速，提高穩(wěn)定性。本設計采用轉速n=100轉/分，n遠離臨界nk，符合要求。2.4.3.4軸的支撐條件為了保持攪拌軸懸臂的穩(wěn)定性，其懸臂軸的允許長度用下列經驗公式計算： 在本設計中L1=1300mm,LA=300mm,d=40mm,并且d有較大的選擇余量，故設計的數(shù)據滿足要求。2.5軸承的選擇2.5.1軸承的分類支承相對旋轉的軸的部件叫做軸承。軸承一般分為三大類：關節(jié)軸承；滾動軸承和直線運動滾動支承。 滾動軸承的套圈和滾動體，一面反復承受高接觸壓力，一