白泥攪拌器的設計【槳式攪拌器】

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哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計（論文） 摘　要 攪拌器是在工業(yè)生產(chǎn)中應用非常廣泛的一類通用設備，尤其是在工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。目前在工農業(yè)生產(chǎn)中應用的攪拌器種類和規(guī)格很多。本文設計了一種能適應于造紙廠堿回收車間苛化工段產(chǎn)生的白泥攪拌，所設計的攪拌器為立式，采用槳葉式攪拌器，槳葉式攪拌去具有以下特點：軸流性攪拌器，剪切力非常強。在設有擋板的條件下，可得到較好的上、下循環(huán)流。槳葉式攪拌器能夠滿足需要，提高質量，減少損耗，增加下一具有積極意義。 關鍵詞　攪拌器；槳式攪拌器；白泥攪拌 Abstract Mixer is a kind of general equipment is widely used in the industrial production, especially plays an important role in the industry. Currently used in industrial and agricultural production types and specifications. This paper describes the design of a suitable for papermaking factory alkali recovery workshop section generated causticizing white mud mixer, mixerdesigned for vertical, the paddle mixer, stirring paddle to have the following characteristics: axial flow agitator, shear force is very strong. Thebaffle plate is provided under the condition, can get better, circulation flow.Blade type stirrer can meet the needs, improve quality, reduce loss,increase has positive significance to the next. Keywords　agitator ; agitator ; white mud agitato 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 選題的目的、背景及意義 1 1.1.1背景 1 1.1.2目的 1 1.1.3意義 1 1.1.4研究設想 2 1.2 堿回收概述及攪拌設備在堿回收中的應用 2 1.3 攪拌設備在工業(yè)生產(chǎn)中的應用 4 1.4 攪拌裝置的安裝型式 6 1.5本章小結 7 第2章 總體方案設計 8 2.1本章小結 9 第3章 罐的結構形式和尺寸 10 3.1 化工容器設計規(guī)范簡介 10 3.2 材料的選擇 10 3.3 罐體的長徑比和裝料量 11 3.4 裝料系數(shù)η 11 3.5 初步計算筒體直徑 11 3.5.1 確定筒體高度 12 3.6 罐體的設計 12 3.6.1 筒壁的厚度δ 12 3.6.2 筒壁的應力校核 13 3.7 封頭的設計 13 3.7.1.碟形封頭的壁厚設計 13 3.7.2 碟形封頭的許用應力校核 14 3.8 本章小結 14 第4章 減速機的選擇 15 4.1 減速器的選擇 15 4.２本章小結 15 第5章 攪拌裝置的設計 16 5.1 材料的選擇 16 5.2 槳葉的尺寸確定 16 5.3 攪拌器的設計 16 5.4 攪拌器層數(shù)的確定 17 5.5 攪拌器的強度校核 18 5.5.1 葉輪強度的計算功率 18 5.5.2 槳葉的強度計算 18 5.6本章小結 19 第6章 攪拌軸設計 20 6.1 選擇軸的材料 20 6.2 軸的具體尺寸及結構確定 20 6.2.1 攪拌軸的載荷分析 20 6.3 軸的強度計算 21 6.4 最小軸徑確定 23 6.5 攪拌軸的剛度校核 24 6.6 攪拌軸的具體結構 25 6.7 本章小結 26 第7章 人孔與法蘭的選擇 27 7.1 人孔的選擇 27 7.2 開孔補強的設計 27 7.3 補強形式 27 7.4 補強計算 28 7.5法蘭的選擇 29 7.6 補強計算 29 7.6.1 開孔處的有效補強面積 30 7.7本章小結 31 結 論 32 致 謝 33 參考文獻 34 -IV- 第1章 緒 論 1.1　選題的目的、背景及意義 1.1.1　背景 攪拌可以使兩種或多種不同的物質在彼此之中互相分散，從而達到均勻混合；也可以加速傳熱和傳質過程。攪拌操作的例子頗為常見，例如在化驗室里制備某種鹽類的水溶液時，為了加速溶解，常見用玻璃棒將燒杯中的液體進行攪拌。又如為了制備某種懸浮液，就要用玻璃棒不斷地攪動容器中液體，是固體顆粒不致沉下，而保持它在液體中的懸浮狀態(tài)。在工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌操作是從化學工業(yè)開始的，圍繞食品、纖維、造紙、石油、水處理等，作為工藝過程的一部分而被廣泛應用。 攪拌操作分為機械攪拌和氣流攪拌。氣流攪拌是利用氣體鼓泡通過液體層，對液體產(chǎn)生攪拌作用，或使氣泡群以密集狀態(tài)上升借所謂氣升作用促進液體產(chǎn)生對流循環(huán)。與機械攪拌相比，僅氣泡的作用對液體所進行的攪拌是比較弱的，對于幾千毫帕每秒以上的高黏度液體是難于使用的。但氣流攪拌無運動部件，所以在處理腐蝕性液體，高溫高壓條件下的反映液體的攪拌是很便利的。在工業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)的攪拌操作均系機械攪拌，在機械攪拌中，以中、低壓立式鋼制容器的攪拌設備為主。 1.1.2　目的 通過這次畢業(yè)設計，進一步增強對機械設計的理解，同時也希望能通過這次設計熟悉各種成型設備的工作原理與特點、設備結構和使用性能，掌握一些設備的制造工藝和適用范圍，對圓筒型壓力容器設計和制造有一個深刻的理解。 1.1.3　意義 通過本次畢業(yè)設計，進一步將理論應用于實踐，豐富和完善自己的知識結構。 1.1.4　研究設想 白泥對環(huán)境造成了很大的污染，通過此次設計，希望將來設計出的攪拌設備既結構簡單，又具有較強的實用性，最主是能設計出低功率的多層槳葉的攪拌器。 1.2　堿回收概述及攪拌設備在堿回收中的應用 造紙工業(yè)是關于國民生計的一個重要行業(yè),它在我們的生產(chǎn)和生活中都扮演重要的角色。但是在造紙工藝過程中污染也是一個重要的問題,大量的污染物不經(jīng)過有效的處理任其隨意的排放,將會對環(huán)境造成極大的污染。因此我們必須用科學的方法來處理和回收這些污染物,進而來保護我們的生存環(huán)境。 造紙工藝過程中產(chǎn)生的蒸煮廢液和漂白廢水是制漿造紙工業(yè)的主要污染源，而堿回收是治理蒸煮廢液對環(huán)境污染的有效方法。蒸煮廢液中的固形物有兩個來源，一是作為蒸煮液加進去的無機物，二是蒸煮過程中從原料里溶解出來的木素、糖類等有機物。堿回收就是從硫酸鹽法和燒堿法（統(tǒng)稱堿法）制漿廢液（即黑液）中回收化學藥品。經(jīng)過比較和實踐檢驗，目前最為成熟和有效的方法仍是傳統(tǒng)的燃燒法。其主要過程為：先將盡可能多地從漿料中分離出來的黑液濃縮到燃燒所需要的濃度，一般為60%以上（制漿原料不同，濃度要求不同）。隨后把黑液送入堿回收爐燃燒，將有機物燒去并以蒸汽、電能的形式回收其能量，剩下鈉和硫的無機物被還原成碳酸鈉和硫化鈉（草漿黑液還有硅酸鈉）。最后把它們和石灰液反應，使碳酸鈉（包括硅酸鈉）苛化成氫氧化鈉，從氫氧化鈉和硫化鈉的混合液（統(tǒng)稱白液）中分離出碳酸鈣和硅酸鈣（即白泥）。把苛化生成的碳酸鈣煅燒成生石灰稱為白泥回收。 現(xiàn)代化的木漿廠堿回收的效率一般為95%~98%。回收效率可看做是通過制漿和堿回收循環(huán)圈中鈉的單程留著率。 硫酸鹽法制漿和回收循環(huán)圈包括六個主要工藝工序：蒸煮 、洗滌、蒸發(fā)、燃燒、苛化、石灰石煅燒。堿回收的工藝過程包括：稀黑液蒸發(fā)、濃黑液蒸發(fā)、綠液苛化和白泥回收。 從本色漿洗滌機的稀黑液開始，堿回收系統(tǒng)所包括的工序如下：(1)在多效蒸發(fā)器中廢液濃縮，形成濃黑液。(2)黑液氧化、除硅等（據(jù)工藝需要決定是否采用）。(3)黑液進一步濃縮成堿回收爐要求的“重黑液”（補充的芒硝可在此處加入）。(4)在堿回收爐中焚燒黑液。(5)溶解從堿回收爐出來的熔融物，形成綠液（補充堿損失的純堿可在此處加入）。(6)用石灰苛化綠液形成白液（補充堿損失的燒堿可在此處加入）。(7)焙燒白泥回收石灰。 在制漿造紙包括眾多工藝流程，其中堿回收是極其重要的一個環(huán)節(jié)。在我國現(xiàn)在大多數(shù)的造紙廠還使用堿法制漿的造紙方法，堿法制漿就是用堿性化學藥品的水溶液，處理植物纖維原料，使纖維分離的過程。堿法制漿每生產(chǎn)一噸漿，用堿量就制化學漿而論，大概在250~450千克之間。每噸漿排出的黑液量也很大，大約有固形物1400千克。其中有30%是無機物，其余70%為有機物。無機物主要是氫氧化鈉、硫化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉及與有機物結合的鈉；草漿黑液還有硅酸鈉等。有機物主要是植物原料中木素和纖維素、半纖維素的降解生成物。由于這些溶解物的存在，致使黑液堿性增大，顏色深，臭味大，泡沫多，耗氧量很高。如果不利用任其放入江河湖泊，將回嚴重污染水域，使農田土壤變質，影響人民健康，威脅水生動植物的生長，使水發(fā)黑變臭，破壞環(huán)境的自然生態(tài)，造成極大的危害。如果充分利用，堿的成本至少可以降低一半節(jié)約大量的化工原料；有機物可以作燃料回收大量的熱，節(jié)約燃料；也可以經(jīng)過處理后作其它的化工原料。所以搞好堿回收無論從環(huán)境保護，降低生產(chǎn)成本，充分利用國家資源各方面看，都有重大的意義。 在我國大多數(shù)采用燃燒法堿回收，由于長期的生產(chǎn)實踐，科學技術的不斷發(fā)展，制漿廠規(guī)模的擴大，堿回收率可達98%，燃燒熱利用率可達70%。在堿回收的設備中，攪拌設備又是必不可少的一部分，它將白泥（主要成分碳酸鈉）與水進行充分的混合后，排出沉淀物（碳酸鈣），過濾出濾液（氫氧化鈉），對堿進行回收。攪拌可以使兩種或多種不同的物質在彼此之中互相分散，從而達到均勻混合；也可以加速傳熱和傳質過程。攪拌操作的例子頗為常見，例如在化驗室里制備某種鹽類的水溶液時，為了加速溶解,常見用玻璃棒將燒杯中的液體進行攪拌。又如為了制備某種懸浮液，就要用玻璃棒不斷地攪動容器中的懸浮狀態(tài)。在工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌操作是化學工業(yè)開始的，圍繞食品、纖維、造紙、石油、水處理等，作為工藝過程的一部分而被廣泛應用。 攪拌操作分為機械操作和氣流操作。氣流操作是利用氣體鼓泡通過液體層，對液體產(chǎn)生攪拌作用，或使氣泡群以密集狀態(tài)上升借促進液體產(chǎn)生對流循環(huán)。機械操作就是物料經(jīng)過攪拌器的攪拌使兩種或多種不同的物質在彼此之中互相分散，從而達到均勻混合，也可以使兩種或多種物料彼此分散對物質進行回收。與機械攪拌相比。僅氣泡的作用對液體所產(chǎn)生的攪拌是比較弱的，對于高黏度液體是難于適用的。攪拌設備主要由攪拌裝置、軸封和攪拌罐三大部分組成。其構成形式如圖1-1： 圖 1-1 攪拌設備的構成形式 1.3　攪拌設備在工業(yè)生產(chǎn)中的應用 攪拌設備在工業(yè)生產(chǎn)中應用范圍很廣，尤其是化學工業(yè)中，很多的生產(chǎn)都或多或少地應用著攪拌操作?；瘜W工藝過程的種種化學變化，是以參加反應物質的充分混合為前提的。對于加熱、冷卻和液體萃取以氣體吸收等物理變化過程，也往往要采用攪拌操作才能得到很好的效果。攪拌設備在許多場合是作為反應器來應用的。例如在三大合成材料的生產(chǎn)中，攪拌設備作為反應器約占反應器總數(shù)的90%。其他如染料、醫(yī)藥、農藥、油漆等行業(yè)，攪拌設備的使用亦很廣泛。有色冶金部門對全國有色冶金行業(yè)中的攪拌設備做了調查及功率測定，結果是許多濕法車間的動力消耗50%以上是用在攪拌作業(yè)上。攪拌設備的應用范圍之所以這樣廣泛，還因攪拌設備操作條件（如溫度、濃度、停留時間等）的可控范圍較廣。能適應多樣化的生產(chǎn)。 攪拌設備的作用如下：1）使物料混合均勻；2）使氣體在液相中很好地分散；3）使固體粒子（如催化劑）在液相中均勻地懸?。?）使不相溶的另一液相均勻懸浮后充分乳化；5）強化相同的傳質（如吸收等）；6）強化傳熱。對于均相反應，主要是1）、6）兩點?；旌系目炻⒕鶆虺潭群蛡鳠崆闆r好壞，都會影響反應結果。至于非均相系統(tǒng)，則還影響到相界面的大小和相間的傳質速度，情況就更復雜。所以攪拌情況的改變，常常很敏感地影響到產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量，生產(chǎn)中的這種例子非常普遍。在溶液聚合和本體聚合的液相反應裝置中，攪拌的主要作用是：促進釜內物料流動。使反應器內物料均勻分布，增大傳質和傳熱系數(shù)。在聚合反應過程中，往往隨著轉化率的增加，聚合液的黏度也增加。如果攪拌情況不好，就會造成傳熱系數(shù)下降或局部過熱，物料和催化劑分散不均勻，影響聚合產(chǎn)品的質量，也容易導致聚合物粘壁，使聚合反應操作不能很好地進行下去。 在互不相溶的液體之間或液體與固體之間相互作用時，攪拌在加速反應的進行方面起著非常重要的作用。因為增加一物相混入另一物相的速度，接觸面就會增大，物質就以較大速度相互作用。在某些情況下，攪拌是在反應過程中創(chuàng)造良好條件的一個重要因素。例如，使傳熱作用加強，減少局部過熱，以及加熱過程中物質焦化等。如高壓聚乙烯生產(chǎn)中，由于攪拌的作用，使物質在反應器內有一定的停留時間，更重要的是使催化劑在器內分布均勻，以防止局部猛烈的聚合作用而造成爆炸。因此攪拌設備在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用。 攪拌設備在石油化工生產(chǎn)中被用于物料混合、溶解、傳熱、制備懸浮物、聚合反應、制備催化劑等。例如石油工業(yè)中，異種原油的混合調整和精制，汽油中添加四乙基鉛添加物而進行混合使原料液或產(chǎn)品均勻化。化工生產(chǎn)中，制造苯乙烯，苯胺染料和油漆顏料等工藝過程，都裝備著各種型式的攪拌設備。 在石油工業(yè)中因為大量應用催化劑、添加劑，所以對攪拌設備的需要量很大。由于物料操作條件的復雜性、多樣性，對攪拌設備的要求也復雜化了。如化工行業(yè)用到的硅鋁反應器、打漿罐、鋇化反應器、硫磷反應釜、烴化反應釜、白泥攪拌槽等都是裝有各種不同型式攪拌器的攪拌設備。在造紙行業(yè)中，攪拌設備應用及其廣泛，在制漿，堿回收等工藝過程都用到攪拌設備。 攪拌設備使用歷史悠久，應用廣泛但對攪拌操作的科學研究卻很不夠。攪拌操作看來似乎簡單，但實際上，他所涉及的因素卻極為復雜。對于攪拌器型式的選擇。從工藝的觀點以及力學觀點來說，迄今都研究得不夠。隨著社會的進步，科學技術的發(fā)展，對于攪拌設備的改進和新型的設計會有很大的提高。在近幾年來設備有大型化的發(fā)展趨勢，也要求攪拌設備大型化。如國外聚合釜的容積已由最初的8~40m3擴大到60~100m3,最大的已達到200m3。采用大型聚合釜可大大減少操作和檢修人員，有利于自動化，減少投資，提高生產(chǎn)率，穩(wěn)定產(chǎn)品質量。隨著容積的大型化，釜型逐漸由細長型向矮胖型發(fā)展，而且采用底部攪拌的方式越來越多。多用三葉后掠式攪拌器，三葉后掠式攪拌器是目前大型聚合釜采用的一種較好攪拌器。因排出量大，釜內液相循環(huán)充分，每分鐘可達5~10次，能促釜內反應均勻一致。另外，經(jīng)實踐證明此槳葉必須配合擋板使用，以提高剪切力功能，才能更好地發(fā)揮作用。 攪拌也可以在管路中進行，采用在管路中安裝裝置的辦法對氣—液系和液—液系進行混合。例如采用噴射泵對水及醋酸丁酯進行混合。在石油精制中，也采用使液體設置在管路中的銳孔板或擋板，以便使兩種液體進行接觸。還有在管路中放入攪拌器的，即所謂管道攪拌。 管道攪拌設備能連續(xù)輸送一切流體，也能輸送含有固體的流動化的半流體。此種攪拌型式，相當于攪拌設備的筒體部分，容積較小，液體在此停留時間極短的情況比較多。在其內部為了充分進行混合分散或傳熱等需要極強的攪拌，由于管道攪拌設備空間很小，裝置小，可使攪拌力均勻作用，可減少過剩的攪拌，所以對整個液體減少了功率消耗。對于連續(xù)化、自動化。特別是對成本有嚴格要求的，要求特別小的形狀和高性能時，使用管道攪拌設備是很有效的。正因為管道攪拌設備有這些優(yōu)點，所以在石油精制、石油化工，化學纖維、食品等工業(yè)和水處理技術中廣泛被用于液—液混合、濃度調整、液—液萃取、油脂乳化、液—液稀釋溶解、固—液溶解、液—液和氣—液反應等場合。 1.4　攪拌裝置的安裝型式 攪拌裝置可以從不同的角度進行分類，如按工藝用途分、按攪拌器結構型式分或按攪拌的裝置安裝型式分等。按攪拌裝置的安裝型式進行分類有如下幾種： 1.立式容器中心攪拌 2.偏心式攪拌 3.傾斜式攪拌 4.底攪拌 5.臥式容器攪拌 6.臥式雙軸攪拌 7.旁入式攪拌 1.5　本章小結 在這里采用立式容器中心攪拌，將攪拌裝置安裝在立式設備筒體的中心線上，驅動方式為電機與減速機直接聯(lián)接。這種安裝方式用于大型攪拌設備當中。 第2章 總體方案設計 本次設計的攪拌設備物料為水和白泥，主軸轉速為21r/min，電機功率為37kW，綜合經(jīng)濟因素和實用性，選用立式圓筒形儲灌較為合適。 在設計的初始階段，先要確定整套設備的傳動裝置，先要根據(jù)攪拌軸的轉速來選擇出合適的電機，因為電機的轉速很大，要選擇減速比大、傳動效率高、體積小、壽命長、運轉平穩(wěn)可靠的減速機來進行減速 因為外部選用的儲罐為壓力容器，對安全性和各種技術參數(shù)具有較高的要求，所以在設計的過程中，對儲罐的選材要嚴格，對罐底的厚度要進行計算，罐壁要根據(jù)受力情況進行強度計算。此設備在運轉的過程中，為了方便檢查機器和實現(xiàn)一些特殊功能，要在罐頂和罐壁開一些孔，例如：人孔、白泥入口、白泥出口、排污口、濾液出口、清水出口等。因為開孔后造成承載材料的削弱，導致了孔邊緣的應力集中，所以還需要進行開孔補強的設計。 為了方便人到罐頂上去，在罐頂上焊有欄桿，以便于經(jīng)常檢修。在以往的設計中往往忽視在對沉淀物的清理，而在此次的設計中，在筒壁的內側加了擋板,消除了攪拌過程中產(chǎn)生的“圓柱狀回轉區(qū)”,使白泥能夠完全排出罐外。 此次設計沒有采用一根攪拌軸，而是通過三個聯(lián)軸器連接三根攪拌軸，這樣便于拆卸，有利用工廠的加工和軸的更換。本設備中的攪拌軸沒有用軸承固定，而是通過軸套進行固定。 在本設計中，為了更徹底的攪拌，攪拌器采用了槳式的攪拌器，而且增加了增加了葉輪的層數(shù)，采用三層葉輪，即使液面過高也能充分攪拌。在罐體很多連接部位需要進行焊接，可以采用手工電弧焊，封頭壁采用Q235-A。 軸的設計可采用兩個軸頭與空心鋼管焊接在一起，因為軸轉速較速，在設計中可以降低一些精度。 在設計中應該考慮以上列出的各個環(huán)節(jié)，這樣機器才具有較強的實用性。 2.1　本章小結 本章主要根據(jù)實際情況確定了總體設計方案，為以后的計算過程確定了框架。 - 32 - 第3章 罐的結構形式和尺寸 3.1　化工容器設計規(guī)范簡介 化工容器設計中應予考慮的主要因素：總的出發(fā)點是，要滿足工藝過程所需要的功能并方便使用；要滿足在運行中的安全可靠；要滿足經(jīng)濟性，包括材料的易于獲得，便于制造，所用的材料及總的花費最小。 1.化工容器的選型 容器首先要滿足工藝過程的要求，其次也要盡可能滿足強度及制造工藝的要求。 2.化工容器的選材 容器的選材和容器的選型相類似，總的原則也是要滿足工藝過程的要求、強度要求和制造工藝要求。 3.容器設計的規(guī)范化 為確保容器的選材、設計、制造檢驗、試驗各個環(huán)節(jié)都能達到相應要求，各國的規(guī)定在設計、制造、檢驗應予取證，包括容器設計在內的各項工作，都應遵照各國有關監(jiān)管部門所規(guī)定或認可的規(guī)范執(zhí)行，絕不能根據(jù)容器設計原理，自行按規(guī)范標準以外的規(guī)定或公式進行設計。 攪拌罐包括罐體和裝焊在其上的各種附件。罐體采用立式圓筒形容器，它有頂蓋、筒體、罐底和欄桿組成。罐體在規(guī)定的操作溫度和操作壓力下，為物料完成其攪拌過程提供了一定的空間。 3.2　材料的選擇 根據(jù)設計要求和經(jīng)濟性的原則選擇Q235-A作為罐壁，查得：Q235-A 屈服強度 бs=235MPa 抗拉強度 бb=460MPa 許用應力 [б]=бs/Ns Ns為安全系數(shù)[б]=бs/Ns=235/3=78.3MPa （3.1） 3.3　罐體的長徑比和裝料量 知道了攪拌罐操作時盛裝物料的容積以后，首先要選擇適宜的長徑比（H/Di）和裝料量，確定筒體的直徑和高度。 由于是一般攪拌設備液-固相容物料H/Di=1-1.3 H為罐的高度 Di為罐的內徑 根據(jù)設計要求罐的的有效容積為Vn =130m3 取H/Di=1.1 選擇罐體的長徑比應考慮對攪拌功率的影響，一定結構型式的攪拌器的葉輪直徑和與其裝配的攪拌罐體內徑通常有一定的比例范圍。隨著罐體長徑比的減少，即高度減少而直徑放大，攪拌器槳葉直徑也相應放大。在固定的攪拌軸轉速下，攪拌器功率與攪拌器槳葉直徑的5次方成正比。所以，隨著罐體直徑的放大，攪拌器功率增加很多，這對于需要較大攪拌作業(yè)功率過程是適宜的，否則減少長徑比只能無謂地損耗一些攪拌器功率，因此長徑比可以考慮選得大一些。 另外，物料的攪拌反應過程對罐體長徑比有著特殊要求，在白泥攪拌設備中，物料對罐體的長徑比的影響很大。所以在這里要取的大一些。 3.4　裝料系數(shù)η 罐體全容積V與罐體的公稱容積Vn有如下關系: Vn=ηV (3.2) 一般物料反應平穩(wěn)η=0.85 代入數(shù)據(jù)得V=150m3 3.5　初步計算筒體直徑 確定了筒體的長徑比和裝料系數(shù)之后，還需要算出筒體直徑和高度，因當筒體直徑不知道封頭的容積就不知道，罐體全容積也就不能最后確定。為了便于計算，先忽略封頭的容積，認為； V=π/4 Di2H m3 (3.3) 3.5.1　確定筒體高度 由3.3可以導出 (3.4) 式中 ——攪拌槽的全容積,m3 v——蝶形封頭容積,m3 因為采用蝶形封頭查文獻[6]表3-6 V=π/58Di3 mm 圓整成標準直徑得H=5700mm 3.6　罐體的設計 3.6.1　筒壁的厚度δ （3.5） 式中 ——設計壓力（標準大氣壓） ——筒內徑 [б]——設計溫度下圓筒材料的許用壓力 ψ——焊接接頭系數(shù)ψ〈1 取ψ=0.9 C2——當材料的腐蝕速率為0.05—0.1mm/a時，考慮單面腐蝕，取C2=1～2mm,取C2=2mm。 所以 mm 考慮加工誤差等因素圓整為S=8mm，所以，取厚度為8mm的Q235—A鋼板作筒壁。 3.6.2　筒壁的應力校核 (3.6) 所以滿足其強度要求 3.7　封頭的設計 選用Q235—A作為封頭壁，根據(jù)筒體直徑和工藝設計要求采用碟形封頭，碟形封頭的球面內徑R內=筒內直徑RD/0.9; 則 R內=5600/0.9=6160mm 3.7.1　碟形封頭的壁厚設計 (3.7) 式中 ψ——焊接接頭系數(shù)ψ〈1 取ψ=0.9 C——當材料的腐蝕速率為0.05—0.1mm/a 同時，考慮單面腐蝕取C=1～2mm,取C=1.8mm，考慮加工誤差等因素圓整為S=6mm，所以，取厚度為6mm的Q235—A鋼板作碟形封頭筒壁的壁厚。 3.7.2　碟形封頭的許用應力校核 （3.8） 所以滿足強度要求 3.8　本章小結 本章主要介紹了罐體各部分的尺寸如何來確定，以及各種零件和重要部位，并且哪部分需要校核。 第4章 減速機的選擇 4.1　減速器的選擇 攪拌裝置帶有攪拌器，并有一定的轉速，這就需要有電動機和傳動裝置來帶動其轉動。傳動裝置通常設置在攪拌容器的內部，采用立式布置，電動機經(jīng)減速機將轉速減至工藝要求的攪拌轉速，再通過聯(lián)軸器與攪拌軸連接。減速機下設置一機架，安裝在攪拌容器的封頭上。根據(jù)設計要求，在化工設備中傳動裝置電動機、減速機和機架配套使用，只有在攪拌轉速很高時，才用電動機不經(jīng)過減速機而直接與攪拌軸相連。按照設計要求電動機的輸出功率為37kW，攪拌軸轉速為21r/min，采用行星擺線針輪減速機將電機的轉速減至攪拌軸的轉速。行星擺線針輪減速機適用于化工設備，而且減速比大、傳動效率高、體積小、重量輕、故障少、壽命長、運轉平穩(wěn)可靠、噪聲小、拆裝方便、容易維修、結構簡單、過載能力強和慣性力矩小等優(yōu)點。減速機和機架采用天津減速機廠的型號：減速機型號XLD37—11—47，機架的型號JXLD—11—130。 4.2　本章小結 本章主要介紹了如何根據(jù)實際設計要求選擇合適的行星擺線針輪減速機的特點。 第5章 攪拌裝置的設計 5.1　材料的選擇 采用Q235—A，葉片一般采用扁鋼制作 屈服強度 бs=235MPa 抗拉強度 бb=460MPa 許用應力 [б]=бs/Ns Ns為安全系數(shù) 對于碳素鋼、低合金鋼Ns>1.5，取Ns=3。常溫常壓下 [б]=бs/Ns=235/3=78.3MPa （5.1） 5.2　槳葉的尺寸確定 根據(jù)規(guī)定： d/D=0.35—0.8，b/D=0.10—0.25 攪拌裝置通常由攪拌器和攪拌軸所組成，攪拌器的形式很多，應根據(jù)攪拌目的和物料性質以及經(jīng)濟性原則進行選擇。在這里我們采用槳式攪拌器。攪拌器的功能概括地說就是在攪拌過程中所能達到所需要的能量和適宜的流動性的目的。攪拌器的攪拌作用由運動著的葉輪所產(chǎn)生，因此，葉輪的形狀、尺寸、數(shù)量以及轉速就影響攪拌器的功能。同時攪拌器的功能還與攪拌介質物性以及攪拌器的工作環(huán)境有關。另外，攪拌罐的形狀、尺寸、擋板的設置情況、物料在罐中的進出方式都屬于工作環(huán)境的范疇，這些條件以及攪拌器在罐內的安裝位置及方式都會影響攪拌器的功能。 5.3　攪拌器的設計 d—槳葉的長度 b—槳葉寬度 D—筒體直徑 已知D為5600mm 取d/D=0.5， 則， 取 b/d=0.12，則 b=300mm ，查表得槳葉厚度δ=16mm。 由于平槳的運動方向與槳面垂直，所以當葉輪低速運轉時，液體的主要流動為水平環(huán)向的流動，葉輪運動時除有水平環(huán)流外，還有徑向分流，所以槳面與運動方向成一定角度角θ。從而提高了攪拌的效率，一般取θ=45o。簡圖5-1： 圖5-1 平槳的構成形式 5.4　攪拌器層數(shù)的確定 從葉輪的攪拌范圍來說，液層過高則要設置多層葉輪，在本設計的攪拌設備中攪拌器安裝在圓形罐中心，槳式攪拌器的葉輪離罐底的高度C一般為槳徑的1/10～1/12倍。但是如果為了防止底部有沉淀可使葉輪放置低些，一般C=d/10左右。在這里取C=500，最上層葉輪高度離液面至少有1.25d的深度，取深度為3500mm。攪拌器設有3層，取第一層與第二層、第二層與第三層的距離分別為1500mm。 5.5　攪拌器的強度校核 5.5.1　葉輪強度的計算功率 葉輪強度計算中所用的計算功率值 (5.2) 式中 Na—電機額定功率kW Ni—葉輪強度計算中用的計算功率kW k—起動時電機的過載系數(shù)，即起動轉矩/額定轉矩 —傳動系數(shù)的機械功率，=0.95 Nm—軸封處的摩擦損失功率kW 由于存在內壓時，才采用軸封，但在本設備中不存在內壓則Nm=0，k從電機特性表中可以查到 k=0.93， 則 5.5.2　槳葉的強度計算 由于槳葉的傾斜角度θ=45o，所以其危險斷面仍然是葉片根部，槳面的主慣性軸都不與攪拌軸線相平行，作用在槳表面上的液面阻力在葉片根部斷面對主慣性軸所產(chǎn)生的彎矩為 （5.3） 該斷面的抗彎模量為： 該端面的彎曲應力為： 所以此攪拌器滿足強度要求。 為了在攪拌過程消除罐中央的“圓柱狀回轉區(qū)”應增設擋板，擋板一般是指長條形的豎向固定在罐壁上的板。顯然這種擋板使用于徑流型葉輪在湍流區(qū)的操作，而層流狀態(tài)時不能用這種擋板來改變流型。擋板還可以提高葉輪剪切性能，如有的懸浮聚合的攪拌裝置，在設有擋板時可使顆粒細而均勻。擋板的數(shù)量及其大小以及安裝方式都不是隨意的它們都會影響動力損耗。 擋板的寬度W=（1/10~1/12）D(D為罐體直徑)，擋板的數(shù)量根據(jù)罐直徑的大小而定，在小直徑罐時用2~4個，在大直徑罐時用4~8個。在這里采用6個擋板。擋板沿罐壁周向均勻地直立安裝。擋板的上邊緣與靜止液面齊平，當液面上有輕而易浮不易潤濕的固體物料時。則需在液面上造成旋渦，這時擋板上邊緣可低于液面100mm~150mm在這里將擋板低于液面100mm。擋板的下邊緣可到罐底。有時利用擋板高度來改變流型，如在罐底希望使較重的物料易于沉降而分離出來時，就可將擋板下端取在葉輪的下方，這樣可使罐底出現(xiàn)水平轉流，有利于物料的沉降。 5.6　本章小結 本章主要介紹了如何確定槳葉，攪拌器，以及選擇好的攪拌器要進行強度校核。 第6章 攪拌軸設計 6.1　選擇軸的材料 選擇軸的材料為45號鋼，經(jīng)調質處理其機械性能查得： 屈服強度 бb=650MPa 抗拉強度 бs=360MPa 彎曲持久極限 τ-1=155MPa 剪切持久極限 б-1=300MPa 對稱循環(huán)狀態(tài)下的許用應力 [б-1]b=60MPa 45號鋼的扭轉應力 [τ]k=30-40MPa 6.2　軸的具體尺寸及結構確定 6.2.1　攪拌軸的載荷分析 通常，攪拌軸上受到力（軸向拉力和壓力）和力矩（扭矩和彎矩）的作用。在立式攪拌容器中軸大部分都受到扭矩的作用，而彎矩很小，因此在這里主要分析扭矩的作用。其功率由傳遞動力的傳動裝置提供。因此在一般情況，一個具有均布葉片并完全浸沒于液體中的攪拌器，其每個葉片上將受到垂直于葉片表面的流體阻力作用.除流體作用外，軸上還作用有如下載荷和由其產(chǎn)生的應力： 1.軸和葉輪自身重量的重力 2.由軸和葉輪的組合質量偏心 3.傳動裝置傳遞的扭矩主要是傳遞流體作用力的切向合力矩 一個具有均布葉片并完全浸沒于液體之間的攪拌器，其每個葉片上將受到垂直于葉片表面的流體作用力。這個阻力可用“流體作用力”F表示，如圖所示：此處，F(xiàn)為假設作用于葉片上沿攪拌器徑向某一位置（如圖中“A”處）代表流體阻力的當量集中力。其中F力的軸向分力為Ft。作用在每組葉片上的軸向力Fa應完全相等，切向力Ft應大小相等、方向相反。完全相等的各流體作用力將對軸產(chǎn)生一個不變的合力（Ft合力矩）和作用于軸心不變的合力（Fa合力） 圖6-1葉片上的流體作用力及其分解圖 6.3　軸的強度計算 攪拌軸上的每一點應力都是變化的，它是由平均應力和波動應力兩部分組成。因此在攪拌軸計算中要考慮兩種形式的材料強度破壞。一種是材料的屈服或斷裂破壞，另一種是由疲勞引起的材料破壞。攪拌軸合力應力變化如下： τt 時間 бp 時間 бb 時間 圖6-2 攪拌軸合成應力變化 бb——軸向合力產(chǎn)生的拉（壓）應力 бp——合力彎矩產(chǎn)生的拉（壓）彎曲應力 τt 圖6-3 懸臂攪拌軸載荷圖 攪拌軸上受扭矩時其截面上產(chǎn)生的剪應力，其扭轉的強度條件是： （6.1）式中 τmax ——截面上最大剪應力，MPa Mt——軸所傳遞的扭矩, N·mm Wt——扭截面系數(shù)， mm3 [τ]k——降低后的扭轉許用剪應力MPa 6.4　最小軸徑確定 三個葉輪各分得攪拌傳遞功率的1/3，最大扭矩為 （6.2） 式中 P——攪拌傳遞功率，kW n——攪拌軸轉速，r/min d——實心軸直徑，mm 另外N0—空心軸的內直徑與外直徑的比值，N0=d1/d2查取N0=0.8 其中d1—空心軸外直徑; d2—空心軸外直徑。 將 Mt和Wt值代上式。[τ]k=36MPa經(jīng)整理得強度計算所需的最小攪拌軸徑計算公式如下： （6.3） 圓整后取d=130mm 所以最小攪拌軸的直徑為130mm。 空心軸的外徑 圓整后取空心軸外直徑d1=168mm。 依據(jù)N0=d1/d2 其中N0=0.8可以得出空心軸內直徑d2=133.4mm ，圓整后取空心軸內直徑為136mm。 實心軸的抗扭截面系數(shù) 所以其滿足強要求。 空心軸的抗扭截面系數(shù) 6.5　攪拌軸的剛度校核 為了防止轉軸產(chǎn)生過大的扭轉變形，以免在運轉中引起振動造成損壞，對表面涂覆保護層的軸也為了防止由于過大變形對保護層的破壞，所以應該將軸的扭轉變形限制在一個允許的范圍內。這就是設計中的扭轉剛度條件，為此，攪拌軸要進行剛度計算。過程上以單位長度的比扭轉角α不得超過許用比扭轉角[α]作為扭轉的剛度條件。即： α——軸扭轉變形的扭轉角，在一般傳動和攪拌軸的計算中可取 α=0.5-1（o）/m； 式中 G0——切變模量，對于碳鋼及合金鋼G=79400MPa Jp——截矩的極慣性矩 將Mt=955300P/n和Jp帶入上式中，整理后得到按剛度計算所需要的最小攪拌軸徑的計算公式： 實心軸直徑 （6.4） 心軸外直徑 （6.5） 綜上，圓整后取實心軸的最小直徑130mm，空心軸的外直徑168mm，管材的壁厚為16mm。所以，實心軸與空心軸的軸徑都滿足設計要求。 6.6　攪拌軸的具體結構 從上計算得出攪拌軸的最小直徑為130mm，軸的長度視攪拌器的位置而定。在攪拌軸較長時，應該把攪拌軸分成幾段，由于該設計的攪拌設備很高，因此要它分成幾段。根據(jù)資料所知兩段攪拌軸之間用立式夾殼聯(lián)軸器連接，該聯(lián)軸器的優(yōu)點是構造簡單、拆卸方便，拆裝時不需做軸向移動，但是只使用于低轉速，并且不適用于有沖擊的情況，攪拌軸的最上端與凸緣聯(lián)軸器相配合而且要開鍵槽和銷孔。攪拌軸的兩端用軸頭，軸頭中間用空心軸連接，因為用空心軸可以減少攪拌軸的自身重量，增加使用壽命而且還降低成本提高經(jīng)濟效益。根據(jù)設計要求用三段攪拌軸，而且在攪拌軸上都需要鍵槽，經(jīng)設計考慮最小軸直徑與減速機相聯(lián)處開140mm的鍵槽。校核其是否滿足強度要求，如滿足則其它的鍵都滿足強度要求。 經(jīng)查該鍵：l=140mm b=16mm h=12mm 對其進校核，假設工作面上作用力沿鍵的長度和高度均勻分布。則平鍵聯(lián)接的強度約束條件為： 平鍵采用45號鋼，其許用應力和許用壓強[бp]=125-150MPa 式中 d——軸的直徑mm k——鍵與輪轂的接觸高度，一般k=0.5h h——鍵的高度mm l——平鍵接觸面長度mm T——轉矩N·mm 所以其滿足強度要求。 6.7　本章小結 本章主要確定了攪拌軸的結構及尺寸，并且對軸在工作中的受力情況進行分析，還對軸進行了強度和剛度校核。 第7章 人孔與法蘭的選擇 在大多數(shù)攪拌容器中，為滿足工藝要求和容器制造、安裝、檢修及維修等要求，開孔是不可避免的。由于容器開孔以后，不僅削弱了容器的整體強度，而且還因開孔引起的應力集中以及接管和容器壁的連接造成邊緣的局部的高應力，這種高應力通常可達到容器筒壁依次總體薄膜應力的3倍。某些場合甚至會達到5~6倍，再加上接管有時還會受到各種外加載荷的作用而產(chǎn)生的應力以及溫差產(chǎn)生的熱應力，使得開孔接管處的局部應力進一步提高。又因為材質和制造缺陷等各種因素的綜合作用，開孔接管附近就成為壓力容器的破壞源——主要疲勞破壞和脆性裂口。因此，壓力容器必須充分考慮開孔的補強問題。 7.1　人孔的選擇 在攪拌設備中，為了便于內部附件的安裝、修理、襯里和防腐以及對設備內部進行檢查、清洗往往開設人孔。根據(jù)設計要求和經(jīng)濟性原則，本設計選用常壓平蓋人孔（HG21525-95）。這種人孔只是在帶有法蘭的接管上安上一塊盲板，它的結構簡單，用于常壓和不需要經(jīng)常利用人孔進行維修的設備，由于人孔削弱了容器的強度，同時增加了泄漏的機會，人孔的尺寸應盡量小些，但必須考慮成年人能夠進出。所以選用兩個直徑為500mm的人孔，分別安裝在筒體和封頭上。 7.2　開孔補強的設計 容器在開孔以后會產(chǎn)生很高的應力峰值，其位置在接管與容器的交界面上，但開孔所產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象有明顯的局限性。應力值隨著離開孔邊緣距離的加大而逐漸衰減。由此可以采用在開孔附近局部補強的辦法來降低該區(qū)域的應力集中。 7.3　補強形式 本設計采用1）外加強接管，補強金屬配置在容器或接管的外側，此種補強形式結構簡單，加工方便，又能滿足補強要求而且還適用于低壓容器的開孔補強中。 2）補強圈進行補強。補強圈補強是在器壁上另外焊接一塊補強圈來增加開孔邊緣處的強度。由于承受壓力的金屬面積增大了，所以開孔邊緣處的應力峰值降低，起到補強的作用。補強圈對稱分布于容器的內、外側。這種方法比布置在容器外表面的應力集中要小。補強圈設置在開孔邊緣區(qū)，其材料與容器壁材料相同，采用Q235—A。補強圈與容器壁之間應很好的焊接，使其與器壁同時受力，否則就起不到補強作用。 7.4　補強計算 補強圈的公稱直徑為500mm筒體和封頭開孔后所需的補強面積為 式中 d——開孔直徑400mm δ——殼體開孔處的計算厚度 δet——接管有效厚度 fr——強度削弱厚度，等于設計溫度下接管材料與殼體材料與許用應力之比，取其為1 殼體開孔處的計算厚度 （7.1） 式中 P——設設計壓力 Di——筒體直徑 Φ——焊接系數(shù) 則 根據(jù)規(guī)定如果有效補強面積Ae>A，則補強有效。 有效補強面積 式中 A1——殼體有效厚度,mm A2——接管有效厚度，這里沒有接管，該項為0,mm A3——焊縫金屬面積，在這里忽略,mm 式中有效寬度B=3d ，δe=8mm ，Ae=A1=2960mm2>A=1320 mm2 補強面積有效，該補強圈合適。 7.5　法蘭的選擇 在攪拌設備中，為了便于原料的流入與排出，常用法蘭連接接管與設備。根據(jù)設計標準和工藝要求，對法蘭的確定采用標準，具體尺寸與要求參照圖紙。 7.6　補強計算 對大開孔的法蘭進行補強計算，其他的不需要補強計算。具體原因參照參考文獻[6]中相關規(guī)定，在封頭上開一個直徑為250mm的作為檢視孔，對其進行補強計算。 此孔所需的補強面積為 筒體和封頭開孔后所需的補強面積為 (7.2) 式中 d——開孔直徑，250mm δ——殼體開孔處的計算厚度 δet——接管有效厚度 fr——強度削弱厚度，等于設計溫度下接管材料與殼體材料與許用應力之比，取其為1 7.6.1　開孔處的有效補強面積 根據(jù)資料中規(guī)定如果有效補強面積Ae>A，則補強有效。 有效補強面積 式中 A1——殼體有效厚度mm A2——接管有效厚度mm A3——焊縫金屬面積，在這里忽略mm 　　式中有效寬度B=3d ，δe=6mm, 式中 h1——接管外伸高度，取其150mm h2——接管內伸高度，取其20mm C2——腐蝕余量， 取其2 mm 則 Ae>A 補強面積有效，該補強圈合適。 綜上，補強圈都合適，經(jīng)計算其它的法蘭孔補強滿足要求。 7.7　本章小結 本章主要介紹了如何選擇人孔和法蘭，并且對開孔需要進行補強計算。 結 論 本文主要介紹了白泥攪拌器的設計，通過CAD軟件不斷的改進，與以往相關的白泥洗滌、攪拌設備相比，此設備具有以下幾方面的創(chuàng)新點： １白泥攪拌槽可以使存留在白泥中的殘堿進行充分的回收。 ２在傳統(tǒng)設計方法的基礎上,增加了攪拌器的層數(shù),提高了攪拌效率. ３在筒壁的內側加了擋板,消除了攪拌過程中產(chǎn)生的“圓柱狀回轉區(qū)”,還可以防止沉淀物沉積于罐底。 致 謝 畢業(yè)在即，這次設計是在學完了大學的全部課程后所進行的，也是大學期間最后的一次學習機會，同時還是我們步入工作崗位前的一次練兵。這對于我來說，不僅僅是一個考驗和鍛煉的過程，也是一段美好的回憶。值得特別提出的是，在本次設計的過程中，我得到了指導教師閆輝老師及教研室其它老師的悉心指導和幫助，并提出了許多寶貴的建議。使我在設計的過程中及時的查漏、補缺、改正錯誤。在此，我向閆輝老師及其它各位老師表示衷心的感謝。由于本人的經(jīng)驗和知識面有限，設計過程中難免存在缺點和不足之處，望各位老師予以批評指正。 參考文獻 1　吳宗澤.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987. 2　周景輝.制漿造紙工藝設計手冊[S].南京:輕工業(yè)出版社,2004. 3　徐灝.新編機械師手冊[S].北京:機械工業(yè)出版社,1995. 4　王文博.機構和機械零部件優(yōu)化設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990. 5　江耕華.機械傳動設計手冊[S].南京:煤炭工業(yè)出版社,1992. 6　魏鋒.壓力容器實用技術叢書[M].蘭州:化學工業(yè)出版社,2005. 7　尹常治.機械設計制圖（第三版）[M] .北京:高等教育出版社,2004. 8　邱宣懷.機械設計（第三版）[M] .北京:高等教育出版社,1989. 9　王三民,諸文俊.機械原理與設計[M] .北京:機械工業(yè)出版社,1996. 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