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硕士学位论文《搅拌釜内流动特性的CFD模拟》
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3秒自动关闭窗口第二章 搅拌釜式反应器-1_图文_百度文库
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第二章 搅拌釜式反应器-1
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不同介质黏度的搅拌.粘度是指流体对流动的阻抗能力，其定义为：液体以1cm/s的速度流动时，在每1cm2平面上所需剪应力的大小，称为动力粘度，以Pa/s为单位。 粘度是流体的一种属性。流体在管路中流动时，有层流、过渡流、湍流三种状态，搅拌设备中同样也存在这三种流动状态，而决定这些状态的主要参数之一就是流体的粘度。在搅拌过程中，一般认为粘度小于5Pa/s的为低粘度流体，例如：水、蓖麻油、饴糖、果酱、蜂蜜、润滑油重油、低粘乳液等；5-50Pa/s的为中粘度流体，例如：油墨、牙膏等；50-500Pa/s的为高粘度流体，例如口香糖、增塑溶胶、固体燃料等；大于500Pa/s的为特高粘流体例如：橡胶混合物、塑料熔体、有机硅等。对于低粘度介质，用小直径的高转速的搅拌器就能带动周围的流体循环，并至远处。而高粘度介质的流体则不然，需直接用搅拌器来推动。适用于低粘和中粘流体的叶轮有桨式、开启涡轮式、推进式、长薄叶螺旋桨式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG式等。适用于高粘和特高粘流体的叶轮有螺带式叶轮、螺杆式、锚式、框式、螺旋桨式等。有的流体粘度随反应进行而变化，就需要用能适合宽粘度领域的叶轮，如泛能式叶轮等。搅拌器的类型①螺旋桨式搅拌器由2～3片推进式螺旋桨叶构成，工作转速较高,叶片外缘的圆周速度一般为5～15m/s。旋桨式搅拌器主要造成轴向液流，产生较大的循环量，适用于搅拌低粘度 (&2Pa· s)液体、乳浊液及固体微粒含量低于10%的悬浮液。搅拌器的转轴也可水平或斜向插入槽内，此时液流的循环回路不对称，可增加湍动，防止液面凹陷。②涡轮式搅拌器由在水平圆盘上安装2～4片平直的或弯曲的叶片所构成。桨叶的外径、宽度与高度的比例，一般为20:5:4，圆周速度一般为 3～8m/s。涡轮在旋转时造成高度湍动的径向流动，适用于气体及不互溶液体的分散和液液相反应过程。被搅拌液体的粘度一般不超过25Pa· s。③桨式搅拌器有平桨式和斜桨式两种。平桨式搅拌器由两片平直桨叶构成。桨叶直径与高度之比为 4～10,圆周速度为1.5～3m/s，所产生流速度较小。斜桨式搅拌器（图4）的两叶相反折转45&或60&，因而产生轴向液流。桨式搅拌器结构简单，常用于低粘度液体的混合以及固体微粒的溶解和悬浮。④锚式搅拌器桨叶外缘形状与搅拌槽内壁要一致（图5），其间仅有 很小间隙,可清除附在槽壁上的粘性反应产物或堆积于槽底的固体物，保持较好的传热效果。桨叶外缘的圆周速度为0.5～1.5m/s,可用于搅拌粘度高达 200Pa· s的牛顿型流体和拟塑性流体（见粘性流体流动。唯搅拌高粘度液体时，液层中有较大的停滞区。⑤螺带式搅拌器螺带的外径与螺距相等,专门用于搅拌高粘度液体(200～500Pa· s)及拟塑性流体，通常在层流状态下操作。液体流动状态轴流型，一般是液体沿容器内壁螺旋上升后再沿轴下降，桨叶在层流状态下操作。本系列搅拌器叶片为螺带状，螺带的数量为两到三根，被安装在搅拌器中央的螺杆上，螺带式搅拌器的螺距决定了螺带的外径。外螺条盘绕形式配合旋转方向把物料从两端向中间推动，而内螺条把物料从中间向两端推动，螺带不同的角度、方向绕法使物料产生不同的流动方向，物料通过不断的对流循环，剪切掺混达到快速混合。为慢速搅拌器，常在层流区操作，适用于粉体混合及中高粘度混合、传热等过程。&⑥磁力耦合器通过磁性作用从而带动密封罩内的内磁钢体旋转，内磁钢体的轴与搅拌器的轴连为一体，达到搅拌物料作用，隔离内磁钢的密封罩与釜体之间平面用石墨垫通过螺栓压紧，实现与外界完全隔离，从而实现了高温、高压下的无泄漏。特别适用于中试和大型生产用的易燃、易爆、剧毒、贵重介质在高温、高压、抽真空等条件下进行搅拌反应，彻底解决了机械密封和填料密封无法克服的泄漏问题，确保环境和人身不受侵害。&&⑦磁力加热搅拌器Corning数字式加热搅拌器带有可选的外部温度控制器 (Cat. No. 6795PR) ，他们还可以监控与控制容器中的温度。⑧折叶式搅拌器根据不同介质的物理学性质、容量、搅拌目的选择相应的搅拌器，对促进化学反应速度、提高生产效率能起到很大的作用。折叶涡轮搅拌器一般适应于气、液相混合的反应，搅拌器转数一般应选择300r/min以上。搅拌功率搅拌器向液体输出的功率P,按下式计算：P=Kd5N3&式中K为功率准数，它是搅拌雷诺数Rej(Rej=d2N&/&)的函数；d和N 分别为搅拌器的直径和转速；&和&分别为混合液的密度和粘度。对于一定几何结构的搅拌器和搅拌槽,K与Rej的函数关系可由实验测定，将这函数关系绘成曲线，称为功率曲线（图7）。搅拌功率的基本计算方法理论上虽然可将搅拌功率分为搅拌器功率和搅拌作业功率两个方面考虑，但在实践中一般只考虑或主要考虑搅拌器功率，因搅拌作业功率很难予以准确测定，一般通过设定搅拌器的转速来满足达到所需的搅拌作业功率。从搅拌器功率的概念出发，影响搅拌功率的主要因素如下。① 搅拌器的结构和运行参数，如搅拌器的型式、桨叶直径和宽度、桨叶的倾角、桨叶数量、搅拌器的转速等。② 搅拌槽的结构参数，如搅拌槽内径和高度、有无挡板或导流筒、挡板的宽度和数量、导流筒直径等。③ 搅拌介质的物性，如各介质的密度、液相介质黏度、固体颗粒大小、气体介质通气率等。由以上分析可见，影响搅拌功率的因素是很复杂的，一般难以直接通过理论分析方法来得到搅拌功率的计算方程。因此，借助于实验方法，再结合理论分析，是求得搅拌功率计算公式的惟一途径。由流体力学的纳维尔-斯托克斯方程，并将其表示成无量纲形式，可得到无量纲关系式（11-14）。Np=P/&N³dj5=f（Re，Fr）式中Np&&功率准数Fr&&弗鲁德数，Fr=N²dj/g；P&&搅拌功率，W。式（11-14）中，雷诺数反映了流体惯性力与粘滞力之比，而弗鲁德数反映了流体惯性力与重力之比。实验表明，除了在Re﹥300的过渡流状态时，Fr数对搅拌功率都没有影响。即使在Re﹥300的过渡流状态，Fr数对大部分的搅拌桨叶影响也不大。因此在工程上都直接把功率因数表示成雷诺数的函数，而不考虑弗鲁德数的影响。由于在雷诺数中仅包含了搅拌器的转速、桨叶直径、流体的密度和黏度，因此对于以上提及的其他众多因素必须在实验中予以设定，然后测出功率准数与雷诺数的关系。由此可以看到，从实验得到的所有功率准数与雷诺数的关系曲线或方程都只能在一定的条件范围内才能使用。***明显的是对不同的桨型，功率准数与雷诺数的关系曲线是不同的，它们的Np-Re关系曲线也会不同。标记示例例 直径600mm，轴径40mm的浆式搅拌器，标记为搅拌器 600-40， HG5--220--65--5搅拌器的选型搅拌器选型步骤分析介绍搅拌装置的设计选型与搅拌作业目的紧密结合。各种不同的搅拌过程需要由不同的搅拌装置运行来实现，在设计选型时首先要根据工艺对搅拌作业的目的和要求，确定搅拌器型式、电动机功率、搅拌速度，然后选择减速机、机架、搅拌轴、轴封等各部件。共具体步骤方法如下：1.按照工艺条件、搅拌目的和要求，选择搅拌器型式，选择搅拌器型式时应充分掌握搅拌器的动力特性和搅拌器在搅拌过程中所产生的流动状态与各种搅拌目的的因果关系。2.按照所确定的搅拌器型式及搅拌器在搅拌过程中所产生的流动状态，工艺对搅拌混合时间、沉降速度、分散度的控制要求，通过实验手段和计算机模拟设计，确定电动机功率、搅拌速度、搅拌器直径。3.按照电动机功率、搅拌转速及工艺条件，从减速机选型表中选择确定减速机机型。如果按照实际工作扭矩来选择减速机，则实际工作扭矩应小于减速机许用扭矩。4.按照减速机的输出轴头d和搅拌轴系支承方式选择与d相同型号规格的机架、联轴器5.按照机架搅拌轴头do尺寸、安装容纳空间及工作压力、工作温度选择轴封型式6.按照安装形式和结构要求，设计选择搅拌轴结构型式，并校检其强度、刚度。如按刚性轴设计，在满足强度条件下n/nk&0.7如按柔性轴设计，在满足强度条件下n/nk&=1.37.按照机架的公称心寸DN、搅拌轴的搁轴型式及压力等级、选择安装底盖、凸缘底座或凸缘法兰8.按照支承和抗振条件，确定是否配置辅助支承。在以上选型过程中，搅拌装置的组合、配置可参考(搅拌装置设计选择流程示意图)，配置过程中各部件之间连接关键尺寸是轴头尺寸，轴头尺寸一致的各部件原则上可互换、组合。&威海环宇化机为中国内陆地区化工机械行业生产中、小型实验用磁力反应釜及磁力搅拌器的专业厂商，公司工艺先进、技术力量雄厚，是集研制、开发、销售，进出口的综合企业。集多年的生产设计经验，以“服务客户，尊重客户，尊重员工，以人为本”的经营理念，衷心为广大新老客户服务。产品涉及到石油化工、医药化工、染料化工、冶金化学及化工科研机构、大专院校等数百家企事业单位学校。生产的反应釜容积10m3，压力为30Mpa，极限真空-6pa。轴封形式有磁力传动静密封、填料密封、双端面机械密封、加热方式有电加热、夹套水蒸汽加热和导热油等，材料有各种牌号的不锈钢、钛材、镍材、锆材、钽材、哈氏合金和透明硼硅玻璃等。并承接配套不锈钢、碳钢制作的高压反应釜和发酵罐、加料罐、换热器、真空动态多箱干燥机以及非标准化工设备制作，根据用户的介质和工艺要求，磁力偶合器和反应器的大小可以任意选配。产品已远销伊朗，东南亚，欧洲，美国等20个国家和地区。公司的售后服务完善，快捷有效，专业级技术支持，及时解决客户的疑难问题。展望未来，公司将秉承“诚信经营· 一诺千金”共同遵循的经营理念，这个理念将激励我们努力不懈，竭诚为广大新老客户提供更加专业高层的服务.&
威海环宇化工机械有限公司是中国内陆地区化工机械行业生产大、中、小型实验室设备的专业厂商，公司取得了国家质量监督检验总局颁发的D1、D2类压力容器资质。主要生产化工生产用和实验室用各种大、中、小型的磁力反应釜，聚合釜及各种高压磁力反应釜，GS反应釜、反应釜、GSK反应釜、GSH反应釜、GSH聚合釜、GSH减压蒸馏反应釜、反应釜配件、反应釜控制仪、真空动态干燥机、混料机、加氢反应釜、真空反应釜、负压反应釜、酯化缩聚反应釜、中试反应釜、热熔胶反应釜、不饱和树脂反应釜。广泛应用于各科研院所，大专院校以及化工、制药、染料生产，食品及生物化工等各类化工企业。
&&磁力驱动是八十年代开发的一种新型传动密封技术，彻底解决了机械密封和填料密封的泄露难题，能够满足高温高压加氢，易燃易爆剧毒等场合的工作要求。
&&反应釜的结构形式、压力高低、加热方式、搅拌桨形式可根据用户技术条件需要进行设计制造，选用材料可根据用户反映介质需要，制造各种不锈钢、钛、镍以及碳钢反应釜、反应塔、反应罐、冷凝器、换热器、储罐等以及非标准化工设备。可根据用户技术条件生产磁力偶合器与反应容器配套，其大小可以任配。&
&我公司经不懈努力，至今产品已形标准化、系统化，另外还可以根据客户要求承接一、二类压力容器的设计制造和非标准化工设备。良好的信誉，先进的专业技术，精细的加工工艺，严格的出厂检查，完善的售后服务体系，使我公司的产品赢得了广大用户的信任和支持，产品遍及多个省市和自治区。
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技术支持：侧入式搅拌机 | 【江西益泰搅拌机械制造有限公司】
>> 侧入式搅拌机
侧入式搅拌机
产品型号:B YCJB2-83-160/800S1
侧入式搅拌机是由罐的侧壁伸入罐内，它通过法兰盖与罐体的开口法兰相联结。搅拌机的桨叶一般为螺旋桨型。由于螺旋桨的转动，使罐内液体产生两个方向的运动，一个沿着螺旋桨轴线方向向前运动，另一个沿螺旋桨圆周...
卫生医药，石油化工，轻工业，
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推荐指数 4
搅拌机设计概述
侧入式搅拌机是由罐的侧壁伸入罐内，它通过法兰盖与罐体的开口法兰相联结。搅拌机的桨叶一般为螺旋桨型。由于螺旋桨的转动，使罐内液体产生两个方向的运动，一个沿着螺旋桨轴线方向向前运动，另一个沿螺旋桨圆周方向的运动。轴线方向的运动，由于受到罐壁的阻碍而使罐内液体沿着罐壁作圆周方向的运动，而液体沿螺旋桨圆周方向的运动，就使罐内液体上下翻动，这样就使罐内液体得到搅拌，并可防止罐内沉积物的堆积。
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Rotation Speed of Output Shaft
安装及外形尺寸(mm)
Installation and outline dimension
配用搅拌直径Dj
Impeller diameter
4-pole Motor
6-pole Motor
0.55,0.75,1.1,1.5
根据计算确定
5.5,7.5,11
15,18.5,22
由于侧入式搅拌机成本比较低，而且能够满足大型容器的搅拌要求，因此应用非常广泛，侧人式搅拌机在脱硫中主要使用在事故浆罐和吸收塔等大型容器中用于塔内浆液的搅拌，防止悬浮液沉淀，同时将鼓入的氧化空气与浆液充分混合。侧入式搅拌机在石油化工的应用主要是使混合好的油品保持均匀和防止分层，其次是防止储罐内沉积物的堆积，特别在原油罐中，可以起到清罐作用，代替笨重的人工清罐并可增加储罐的有效容积。
2007年我公司生产的CFJ3型螺旋锥齿轮侧入式搅拌装置、在出口美国的使用过程中输入轴承座上端的轴承出现早期损坏现象，如轴承滚动体有轻微发黑、保持架也有所损坏、轴承中润滑脂明显减少。更换轴承后出现轴承压盖无法正确调整的现象。这给客户造成了一定的影响，也影响了公司的声誉。
三门峡富通新能源销售小型饲料搅拌机、饲料颗粒机等颗粒饲料生产机械设备。
该搅拌装置中的减速机安装方式见下图1：电机垂直安装、轴承2上端无挡油装置，轴承下端设有挡油环、挡油环与挡板轴向间隙单边0.5mm、电机功率：7.5kw、电机转速1440r/min，轴承座两端的轴承透盖和挡板对轴承l、轴承2起到轴向定位的作用，轴承2的轴向游隙由轴承透盖调整。两只轴承的型号均为3031 1、在高速(1440r/min)下运转时如果轴承的润滑不良就很容易造成轴承的损坏。另一方面：轴承高速运转时由于滚动体与轴承内外圈摩擦产生热量，于是造成滚动体与周围介质存在温差，故滚动体就会向周围介质以三种方式传热、第一种是热量通过轴承外圈向轴承座传热，第二种是热量通过轴承内圈向齿轮轴传热，第三种是滚动体直接向周围气体辐射热量。上面的三种传热方式中第一、第二种占主导地位，第三种辐射的热量很小故不予论述；在以上论述中因为轴承座的体积比齿轮轴的体积大，所以轴承座散热条件比齿轮轴的好。同时也间接造成轴承内圈的温度比轴承外圈高5～10℃、在高速运转时内外圈的温差会更大。内外圈的温度不同也形成了内外圈的热膨胀量不相同，二者的差值会造成轴承径向游隙减小。
轴承运转后轴承的轴向游隙总的减小量为：⑦+⑧= X+△y，由于轴承在运转过程中温度的不断升高使轴承的游隙逐渐变小，滚动体的摩擦就会造成轴承温度快速上升，温度的上升又使轴承的轴向间隙减小。不断上升的温度加速润了滑脂粘度的下降，在重力作用下变稀的润滑油脂将流到处于高速转动(1440r/min)的挡油环上、挡油环上润滑脂在离心力的作用下通过挡油环与挡板0.5mm的径向间隙甩到轴承座外。通过现场测试发现：油脂在减速机运转十几分钟后就开始被甩到轴承座外。润滑脂的减少更加剧了轴承的摩擦、温升也就上升更快，此种情况的循环最终造成上部轴承早期损坏。
从以上的分析了解到：此安装结构对轴承的良好运转不利。如要在不改变轴承安装方式前提下，要避免此种情况的出现就必须严格控制轴承的安装精度，然而对不同的装配工人其装配精度很难控制，这些均要靠长时间实际工作经验和长时间设备的试运行来保证，对检验不合格的产品要重新调整和试验、于是就延长了装配试验的时间和提高了产品制造成本，为此我们进行了新的设计改进。
为解决轴承在高速转动过程中轴承温度过高和润滑脂被甩到轴承座外的现象，我们对轴承的安装方式进行了改进。要同时满足以上两种情况、轴承的安装采取背对背的安装方式；这种安装方式由前面分析可知、当温度升高时齿轮轴的伸长量比轴承座的要长，由于轴承采用了上述的安装方式、齿轮轴的伸长不仅没有使轴承的游隙减小反而增大，增大的轴承游隙减少了轴承的滚动摩擦、摩擦的减少就不会造成轴承温度的持续上升。另外在轴承2的下端增加了一个固定的挡油环，这就不会在油脂温度上升时油脂在离心力的作用下被甩出轴承室、经过这种改造使安装、维修更加方便且易于掌握，在对改进后的产品多批次检测中得知：轴承座的温度都不超过85℃，实验表明轴承2的润滑油脂也不会流失、轴承的润滑效果明显改善。经过近一年多的应用再也没有出现过轴承损坏现象，我们对其它同类产品也做了相应的改进、取得同样良好的效果。
通过对轴承损坏原因的理论分析、找出了造成轴承损坏的原因，并因此采取了相应的改进措施、解决了轴承早期的损坏现象，此方法对高速输入轴轴承的安装方式有很好的应用，对同类其它传动装置也起到很好的借鉴作用。经过上述改进提高了该类产品质量、降低了成本、减少了产品的交货时间且提高了公司产品在业界的声誉。
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搅拌混合设备概论
搅拌混合设备是一种量大面广、品种繁多的机械产品，在化工、冶金、医药、造纸、化妆品、涂布材料、食品、饲料及废水处理等到行业中都得到广泛的应用，尤以化学工业中使用最多。
搅拌混合过程是一个使体系内物料的不均一度不断降低的过程。从相状态考虑，被混物料有气-气、液-液、固-固、气-固、固-液、气-液-固等七种情况。由于气体与气体的混合非常方便，只有需要极其高速的混合的场合才需要对气-气混合器进行特殊设计。气-固体系在工程上属于干燥、流态化的范畴。
搅拌混合机械可分成两大类，即回转式混合机械和非回转式混合机械。又可根据被操作物料的相状态把回转混合式机械分成液体搅拌设备和固体混合设备。回转式混合机械中，液体搅拌设备都使用一个旋转的叶轮来混合液态物料，液体中也可含有一定量的气体或固体。对液体搅拌设备来说，盛物料的容器大都是固定的，称做搅拌槽。固体混合设备中，大部分与液体搅拌设备同样，容器筒体是固定的，靠一个旋转的叶轮进行混合；另有一部分是筒体回转式的。液体搅拌设备和筒体固定的固体混合设备的形式和结构十分相似，两者没有明显的界限。例如，用于混合液体的螺带式搅拌器，也常用于固体与固体，或大量固体与少量液体的混合；而作为粉体高效混合设备的锥行行星混合机，也是高粘液体的高效混合设备。因此，有时把靠旋转叶轮进行混合的机械笼统地称作搅拌设备。
非回转式混合机械靠液流或气流的动能或依靠粒子本身的重力进行混合，例如射流混合器和静态混合器等。
搅拌设备在许多场合上作为反应器来使用的。例如，在合成橡胶、合成纤维、合成塑料这三大合成材料的生产中，85%以上的聚合反应器是搅拌设备。更大量的搅拌设备中并不进行化学反应，而只用于物料的掺混、传热、传质、以及用于制备乳液、悬浮液等。
混合设备大都是非标设备，其结构形式极其多样化。随技术的进步，不断有新型高效的混合设备被研制出来。对搅拌设备的改进，更是日新月异。达到同样的固-液悬浮操作效果，使用结构简单的新型高效搅拌器可使设备制造成本成倍降低。由于目前混合设备的设计还强烈的依赖与经验，因此掌握先进的混合技术，开发和生产高效混合设备对于国民经济有重大意义。
搅拌混合设备大都由以下几大部件构成:原动机(电动马达及气动马达等)、变速机(增速机及减速机等)、联轴器及支架、搅拌轴、轴封(填料箱及机械密封)、安装底板、搅拌器和釜内辅助支承。从搅拌安装型式又可分为顶入式、侧入式及底入式。如下图所示：
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