浅谈搅拌设备设计

浅谈搅拌设备设计

叶远航

佛山市金银河智能装备股份有限公司528100

摘要：针对搅拌设备设计中有关搅拌槽型式、搅拌器的选择，搅拌功率，和电动机、减速机、机架选型的问题，通过自身的设计实践，对其中的相关内容和参数，提出自己的看法。

关键词：搅拌设备；设计

1常用搅拌槽型式的选择及其主要结构尺寸的确定

（1）搅拌槽容积的确定

搅拌槽全容积的确定，主要依据公称容积（即操作时盛装物料的容积）及该物质的装填系数来进行。

V=Vg▪η（1）

式中V——搅拌槽的全容积m3

Vg——搅拌槽的公称容积m3；

η——装填系数，一般取0.6~0.85，对于易起泡或呈沸腾状态的介质可取0.6~0.7；物料粘度较大，搅拌平稳的过程可取0.8~0.85。

（2）搅拌槽的结构选型

搅拌槽的结构刑式主要取决于过程的作用、全容积以及过程的其它工艺参数，如：压力，温度等。

对于常压操作过程，可采用平底平盖或90°无折边焊接平盖的搅拌槽。

对于带压操作过程，搅拌槽型式常选择椭圆形封头或90°折边焊接椭圆盖的搅拌槽。

一般情况下，搅拌槽多为开盖式，这样搅拌装置的安装检修及槽内其它作业都比较方便，但具体某一过程的搅拌槽做成开盖或焊接型式，可视具体情况而定。如果搅拌槽的容积比较小（V<2.5m3），为了满足搅拌装置的安装检修或槽内的清理、防腐及其它要求，应设置开盖型。相反，搅拌槽很大，已设置了搅拌器的安装检修孔及槽内其它作业孔，即使制成盖型，盖的重量太大，操作亦很不易，这种情况下，应采用焊接盖的型式。常用搅拌槽的选型可参见表1。

表1常用搅拌槽的选型

（3）搅拌槽直径与高度的确定

计算搅拌槽的直径与高度，首先要确定搅拌槽的高径比，这需要考虑三个方面的因素：1.对搅拌功率的影响；2.过程特性对高径比的求；3.占地面积与空间的要求（对技改工程此条件很重要）。

我们知道，槽径与浆径之间有一定的比例关系，搅拌槽容积一定，高径比太小，则槽径增大，桨径也应随之增大，在固定转速的情况下，搅拌功率与浆桂的5次方成正比，这样，随着槽径浆径的扩大，搅拌功率也将随之增大。除此之外，片地面积也会随之增大，设备过于粗矮，也不美观。相反，高径比过大，表面看起来搅拌功率是小了，其实不然，由于液体深度的增加，单层搅拌器已经不能满足过程的要求，故还需增加搅拌层数，这样功率非但没有减少多少，反而增加了搅拌装置的复杂程度，另外设备过于细高，要求空间高度大，也不利于操作与维修。

过程的特性有时对设备的高径比也有这样或那样的要求。如：夹套式换热搅拌，为了使换热面积增大，同时尽量降低槽内介质的径向温度梯度，希望高径比尽可能大一些；生化工程中常见的发酵罐为使空气与发酵液有充分的接触时间，也希望高径比大些；液一固分散过程，需要轴向的环流来将密度不同的两相混合在一起，高径比过大，单层桨所产生的环流对密度差最大的上下两部分的影响就会减弱，搅拌效果就不理想，因此，对于液一固分散过程希望高径比小些为好。

根据经验，几种搅拌槽的高径比大致如表2。

表2几类搅拌装置的高径比

在确定了全容积V及高径比H/D后，就可以计算筒体的直径和高度。

对于平底搅拌机来说，筒体的直径可由下式计算

（2）

并将计算结果进行圆整，即得筒体直径。

筒体高度为：

（3）

对于椭圆底或锥底的搅拌槽来说，由于圆柱简体以下的小部分容积不知道，为了便于计算，在计算筒体直径时常忽略这部分容积，而仍采用（2）式计算。而圆整计算结果时，尽量将D向下圆整。

当得知D后，也就可以算出上述未知小体积的容积V小，这样筒体高度为：

（4）

2搅拌器的选定

搅拌设备通过搅拌器的运转完成搅拌操作过程。不同的搅拌目的需要不同的搅拌过程，选择搅拌器的型式是搅拌设备设计中重要的一步。搅拌罐体的结构、尺寸、挡板的设置情况、物料在罐体中的状态都是选定搅拌器应考虑的因素，这些因素以及搅拌器的结构、尺寸、安装位置、旋转速度都会影响搅拌作用。

搅拌作用是由搅拌器上的叶轮对物料的排出产生流体速度和流体剪切，叶轮的输入能量P主要消耗于物料在罐体内形成循环流Q和产生剪切力T。循环作用可以使物料产生对流、介质易位，防止固体粒子沉淀，如斜叶开启涡轮和推进式搅拌器主要产生轴向流，高排液量，低剪切性能，有较好的对流循环，动力消耗较低，在大容量均相、混合过程中应用最能体现其优势，在低黏度液体传质、反应、固体粒子的悬浮、溶解等过程应用广泛。剪切作用碡以使气泡打碎、不溶液相乳化，如平直叶桨式和圆盘涡轮主要产生径向流，具有极高的剪切力，分散能力强，特别适合于气体的分散、吸收过程和乳化、传热以及非均相反应操作。

对于循环作用和剪切作用，不同型式的搅拌器有不同的侧重点。在一定的能量消耗情况下循环作用和剪切作用是相互消减的，为提高搅拌效率，应考虑有一个起主导作用达到某个搅拌目的。搅拌器叶轮按其作用分为具有强循环性能的叶轮、强剪切作用的叶轮以及两者兼具的叶轮，设计时从物料的特性和搅拌目的选择搅拌器型式。

搅拌器叶轮的大小直接影响排出性能，影响动力消耗，进而影响搅拌进程。叶轮大小用桨径和叶宽来衡量。桨径的大小与搅拌器的型式和罐体有关，一般桨径与罐径之比d／D=0．35—0．8，在低黏度液体搅拌时物料流动性好，能量传递容易，桨径相对小些，在高黏度液体搅拌时转速较低，桨径可以大些。叶宽影响搅拌器的动力消耗，动力消耗随叶宽增加而增加。

根据搅拌器叶轮的搅拌能力确定搅拌器在搅拌轴上的安装层数，当液体较深时设置多层搅拌器。对低黏度液体一般设置1～2层搅拌器即可，下层搅拌器距罐底的高度一般为桨径的0．8～I．2倍。对于高黏度液体或有沉降性高的固体时至少设置2层叶轮以增加物料的流动性，防止出现搅拌死角，下层搅拌器应靠近罐底，能使固体粒子均匀悬浮。

搅拌器转速根据工程经验或试验数据进行相似放大或缩小。当采用试验来完成对某一搅拌目的进行评估时就会得出各种因数，有转速和其他因数之间的关系就可以确定所需要的转速。搅拌器的型式选定后，还需对搅拌器叶轮进行必要的强度校核，以保证叶轮在工作中的安全。

3搅拌功率

影响搅拌功率P的主要因素有4种：①有关搅拌叶轮的因素，如叶轮直径d、叶宽b、倾斜角θ、转速n单个叶轮上的叶片数np和叶轮离槽底高度C等；②有关搅拌槽的因素，如槽形和槽径D、液深H、档板数nb、档板宽wb；③有关被搅拌液体的因素，如液体的密度ρ，粘度μ；④重力加速度g。

搅拌功率P可按下式计算：

式中N为搅拌功率数，是计算搅拌功率的关键参数，其一般关联式为：

式中Fr为弗劳德数，Re为雷诺数，K为方程式系数，q、P为方程式参数。

计算Np虽有Rushton算图可直接求取，或利用计算公式，如永田进冶的搅拌公式计算得到。但由于工艺技术参数、搅拌设备中的物系、搅拌槽的选型等等千差万别，上述算图和计算公式均难以一一对应，据此得到的计算功率与实际仍有差距，有的甚至有较大的差距。因此，设计中常常在计算的基础上再根据相类似的物系、搅拌槽和搅拌器的型式，进行校正或相似放大，以确保搅拌设备设计成功。因此，在前人经验总结的基础上，采用更为简捷的计算方法亦不失为是一个较好的方法。如利用前人总结的单位容积物料的平均搅拌功率作为基数，再根据实际的设计物系及工艺技术要求，设备内构的情况乘以一定的系数作为搅拌轴功率ps。再依次计算电机的计算功率和选用电机的驱动功率。单位容积物料的平均搅拌功率见表3。

表3单位容积物料的平均搅拌功率表

搅拌轴功率常采用表l中相关数值的1.2～1.8倍计算，实际应用中均能较好的满足工艺技术的要求。

在已知搅拌轴功率的情况下，电机的计算功率PM可按下式求得：

其中，Pm为轴封处摩擦损失的功率，在填料密封中Pm=6．67d2hn，单端而机械密封中Pm=4.0d1.2，双端面密封Pm=7.2d1.2。式中d为转轴轴径；h为不考虑密封环时填料密封圈的总高度；n为轴的转速（r／min）。

η：为传动系统的机械效率，通常取0．8～0．9，蜗杆传动取0．4～0．8，其中蜗杆传动带自销装置取0．4。

Kq：启动时的额定功率系数，一般情况下Kq取1。

计算得出的PM一般应圆整到电动机产品系列的额定功率值PN。当启动功率较大且超过电机允许的启动功率时，应适当提高PN值。即当搅拌密度差很大且分层很快的物系，如液固混合体系，或者在搅拌过程中物料的阻力增大而计算中又很难精确的估算时，值建议按如下选取：对于推进式搅拌器，取Kq≤1．3；对于浆式搅拌器，取Kq≤2；对于涡轮式搅拌器Kq≤2．5，在特别重要情况下，可用实验方法确定。

4电动机的选型

搅拌设备主要靠电动机提供动力源，电动机的选择除考虑工作环境外，还得选择合适的额定功率。电动机的额定功率应考虑搅拌操作所需功率、机械传动系统的效率等。除此还应考虑计算偏差和操作条件引起的变量、轴封摩擦产生的损失等。按此估算电动机的额定功率：

Pe=P／η

式中：Pe——电动机额定功率；η一—总效率，一般为0．6~0．8。

将计算结果圆整取值，并考虑电动机功率等级，选择合适的电动机。

5减速机的选型

电动机通过减速机输出适合搅拌操作需要的转速，因此应按照电动机功率P和输出转速n选择减速机的型号，还应考虑搅拌工艺条件、安装空间、工作状况等因素并参照减速机类型表确定选择何种类型的减速机。

减速机有齿轮减速机、皮带减速机等，齿轮减速机较为常用。减速机有多种安装方式，可根据需要选择相应的结构。减速机根据传动比的范围有单级传动和多级传动，传动比按所需输出转速确定。

确定减速机型号后，根据搅拌操作条件和相应的工艺要求，确定减速机输出轴轴头的型式和轴头尺寸大小，再选择相应的联轴器、机架的规格型号。

6机架的选型

立式搅拌设备的动力装置是通过机架安装在搅拌设备顶部上的，在机架上还需安装联轴器和轴封等。根据机架中间轴承装置可分为无支点、单支点和双支点三类，无支点的机架适用于轴向力较小且负载均匀的场合，单支点和双支点机架改善了搅拌轴的支撑条件，可以承受轴向双向载荷，适用于有冲击条件下的场合。当搅拌轴系受两个独立支撑时，减速机输出轴与搅拌轴必须采用弹性联轴器连接，带有辅助支撑的轴封及罐体内设中间轴承或底轴承的情况是为了提高搅拌轴的旋转精度的，因此应将这两种支撑看作独立支撑。

7结语

总之，搅拌设备的设计涉及的内容很多，对于每台设备的设计，都可以认为是一个系统工程，它既关系工艺技术中的传质、传热，传动的最优化实现，又关系设备及其相关的传动元件的强度和安全，作为设计人员，我们有必要对每一个物料系统，对与之相关的方方面面认真的予以探讨才可能设计出优质的产品。

参考文献：

[1]新型全流通夹套结构聚合釜开发与应用[J].茅陆荣.化工设备与管道.2007（01）

[2]135m~3与70m~3聚合釜生产PVC的技术经济分析[J].郑平友，许志东.聚氯乙烯.2006（01）

[3]搅拌设备设计专家系统[J].冯连芳，王嘉骏，顾雪萍，王凯.合成橡胶工业.2001（02）

[4]搅拌器设计的一般程序[J].张石.化学工业与工程.2009（05）

[5]桨式搅拌器的功率计算[J].杨小波.有色设备.2008（02）

[6]具有变频调速功能的镁合金搅拌设备的设计[J].赵赛，吴建龙，邹文兵，成群林，曹雪峰，别亚星.航天制造技术.2014（02）