题 目 | 化工原料搅拌保温装置设计 | 来源 | 工程实际 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
1、研究目的和意义 目前，化工原料搅拌保温装置在化工业生产中应用范围很广泛。化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提的。对于保温过程，也往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。此外，搅拌保温设备在化工和石油工业生产中被用于物料混合，溶解，传热，制备悬浮液，聚合反应，制备催化剂等。而且，化工原料搅拌保温装置具有加热迅速、耐高温、耐腐蚀、卫生、无环境污染、勿需锅炉自动加温、使用方便等特点。 化工原料搅拌保温装置系统设计将搅拌和保温功能相结合的一种创新的化工原料生产装置，为化工原料生产提供了方便。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2、国内外发展情况(文献综述) 目前由于搅拌过程种类繁多，介质情况千差万别，所以国内使用的搅拌器形式多种多样。其中，搅拌器的主要类型有下列几种： ①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，所产生的径向液流速度较小。斜桨式搅拌器的两叶相反折转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，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 螺带式的叶片是细长形的金属卷成螺旋状而制成的，它是搅拌高黏度流体时不可缺少的一种形式。螺带的宽度约为叶径的5%～15%，通常为10%。螺带的枚数一般为2，称之为双螺带，也有用一条螺带的单螺带；有时将一枚螺带放在外侧，另一枚螺带放在中间，并使转动时，内外两条螺带推动液体前进的方向相反，设计时使得两条螺带推动液体的排量相同，这种螺带称内外单螺带。 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。 ⑥磁力搅拌器 Corning数字式加热器带有一个闭路旋钮来监控与调节搅拌速度。 微处理器自动调节马达动力去适应水质、粘性溶液与半固体溶液。 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。 ⑧MIG和INTERMIG叶轮 MIG式和INTERMIG式叶轮在欧洲使用广泛。“MIG”的意义是多段逆流搅拌器，INTERMIG是其改进型。这两种叶轮的设计原理是相同的，当叶轮旋转时，叶片的端部和根部分别把液体向相反的方向推进，促进液体形成轴向循环。由于MIG式和INTERMIG式常是多层地使用，因此从整个搅拌器看，这两种叶轮类似于一个非连续的内外单螺带叶轮或非连续的螺带-螺杆式叶轮。这两种叶轮适合于低，中黏度液体，特别适合于过渡流域下操作。 综上所述, 目前，国内对于不同的介质，用于搅拌器虽然很多，可靠性高, 但是能够进行搅拌同时具有保温功能的设备还不多。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3、研究/设计的目标： 本设计是一种对高黏度的，颗粒状的或乳化液化工原料进行搅拌的装置，搅拌最高黏度小于100pa·s,搅拌容器的公称容积为2m³，能够将容器内温度保持在40到80度之间 。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：同轴电缆接头 结合实际需要,以及所需要达到的技术要求,具体的技术方案拟定如下: 发光材料化工原料搅拌保温装置由搅拌容器，搅拌轴，搅拌器，传动装置，轴封，电加热装置，传感器等组成。 （1）设备设计 本设计因生产过程的需要，设备所需要的物料，溶剂，催化剂等进口，以及电动机，压力表，温度计，安全阀等仪表接口只能布置在顶盖上，物料出口用阀布置在壳体下部一侧，因此，搅拌轴及轴密封装置必须布置在设备下部，而设备内物料进行混合反应，因此，搅拌轴密封装置应考虑对固体颗粒的密封，以减少对密封端面的磨损，故轴封装置的设计是一个难点。 本设计由四个耳式支座支撑在楼板上，工作时温度达到40到80度，设备的上，下部都需要一定的自由膨胀量，下部可自由伸缩，上部由于设置搅拌轴电机的基础，限制了上部的自由膨胀，必须采取其它措施加以解决。 （2）设备结构 设备结构有搅拌容器，搅拌轴，传动装置，联轴器，机架，机械密封，加热装置，传感器，螺带式搅拌器，壳体，顶轴承。 1）搅拌轴的机械密封装置是本设备设计的关键点之一，机械密封装置具有功耗小，泄漏率低，密封性能可靠，使用寿命长的特点，是一种理想的旋转轴密封形式，本设备的机械密封装置不仅要承受一定的压力，较高的温度，而且因生产过程中有一定的固体颗粒产生， 因此必须采取措施尽量减少固体颗粒对机械密封端面的磨损，通过多种方案的分析， 对比最终采用固体颗粒密封结构，该结构将螺带式搅拌器轴毂下端加工成锥形凸台，与焊在密封突缘上的一段短筒节形成迷宫密封，这一迷宫密封在机械密封端面之前， 这样转动时由于离心力的作用， 就使物料中较大的固体颗粒被抛掉， 而较小颗粒的物料渗透到机械密封端面也变得更加困难，且此结构加工容易，不会给制造，安装带来更多的麻烦。 考虑到设备内温度较高，故选用外装旋转式机械密封， 使旋转的浮动构件能为密封和被密封的流体之间提供更好的热传导作用，虽然对设备内产生的结晶颗粒采取了一定的密封措施， 但不可避免的会有结晶颗粒影响到机械密封端面， 因此在机械密封动，静环端面均堆焊一层钴基硬质合金，提高端面的耐磨性，静环端面之间加一碳素石墨浮动环，增加密封的可靠性，也便于更换密封环。 在机械密封中， 除了动环与静环的接触面是泄漏通道外，还有动环与轴之间，静环与支座之间的间隙也是泄漏通道，因此，必须用密封圈将这些通道堵住，以免沿这些通道发生泄漏，由于密封圈相对于被密封间隙是静止的，故称它们为静密封元件，本设备在动环与轴的间隙处设了一道填料密封， 根据搅拌轴转速， 操作压力， 操作温度以及物料的化学性质，选定填料的材料为柔性石墨，根据轴的外径和动环的内径尺寸定制成形环，柔性石墨中含有的石墨，具有较好的自润滑性，少量的锌被加入作为阳极牺牲材料。 图1 化工原料搅拌保温装置机械简图 1.电动机 2.联轴器 3.机架浮油 4.轴封 5.排气口6.搅拌容器 7.螺带 8.底轴承 9.出料口 10.电热膜 11.出料口 2）本设备因反应条件的需要，生产过程中要将物料加热，因设备底部及外表面分别设置了搅拌装置和电加热装置的限制，设备支座只能采用四只耳式支座支撑在楼板上，为了补偿设备因温差引起的热胀冷缩，支座上下都需要有一定的自由伸缩空隙，上部因壳体长度较短，且除了口径不大的几根接管外，并无大的约束，对伸缩量可以不作特别考虑，下部热膨胀，而搅拌轴，机械密封，机架，减速器，减速器基础均为刚性结构，不可能考虑将自由伸缩空隙设置在这些部件上，否则将影响搅拌器传动装置的性能。因此，只能在联轴器上想办法。 现选用TK型弹性块式联轴器，能够满足设备的热胀冷缩要求，且具备径向补偿能力，能弥补设备传动部分零件加工和装配误差以及设备安装可能产生的误差，较好的满足了设备的传动要求。 （3）电控设计 本设计除了具有搅拌功能外，还能够保持温度在40到80度之间。通过热电偶传感器测量搅拌物质的温度，将检测模拟信号通过模/数转换器转换成数字信号，把数字信号再传递给PLC，由PLC判断温度是否在设置的温度范围来控制电加热膜的加热开关，并且还可以通过PLC控制变频器调节电动机的转速。 图2 电路控制简图 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5、方案的可行性分析： 本设计除上述结构外， 内部的搅拌为螺带式搅拌器的装置，这种搅拌器为物料提供混合均匀的作用，因搅拌轴较长，底部设有底轴承，以提高搅拌轴运转的稳定性，设备内还设有挡板，对物料进行加热或冷却，设备顶部装有压力表，温度计等用于工艺参数的检测，该设备传动系统运转平稳，机械密封可靠，使用效果良好，能够满足工艺需要，机械密封与填料密封的组合结构以及对设备的热胀冷缩的处理方法是成功的这种密封固体颗粒的结构，是完全可行的。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6、该设计的创新之处 化工原料搅拌保温装置设计方案整机结构采用立式结构，该装置是一个不锈钢搅拌容器，因要加工硬脂酸钠等物质搅拌装置选用螺带式，使用变频器控制电机的转速，以达到控制搅拌轴转速及启动和停止。此装置在进行搅拌加工的同时还具有保温功能，保温采用电加热的方式，通过温度传感器测量搅拌容器中的温度，从而控制加热的时间。此装置可以将搅拌和保温功能相结合，使用方便，设计可行。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
7、设计产品的主要用途和应用领域： 本设计主要应用于硬脂酸钠或雪花膏等物质在生产过程的搅拌和保温，对于制造合成橡胶，合成树脂的聚合反应等，对液体和粉体形成的湿泥状液也能使用。常用于黏性或有凝聚性的粉粒体的混合，也可以对低密度的细颗粒物料，纤维状物料及糊状物料进行混合。在有喷液装置的情况下，还可向粉粒体中添加液体。螺带式混合设备主要用于制药，食品，化工，农药，塑料，颜料和化妆品等行业。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
8、时间进程
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9、参考文献： [1] 王凯，虞军．搅拌设备. 北京：化工工业出版社, 2003. [2] 陈志平, 章序文. 搅拌与混合设备设计选用手册. 北京：化工工业出版社, 2004. [3] 刁玉玮, 王立业. 化工设备机械基础. 大连理工大学出版社, 2003. [4] 李多民. 化工过程设备机械基础. 北京：中国石化出版社, 2004. [5] 成大先. 机械设计手册. 北京：化工工业出版社, 2003. [6] 温照方. SIMATIC S7-200可编程序控制器教程. 北京理工大学出版社, 2002. [7] 李燕，廖义奎，王永. 图解变频器应用. 北京：中国电力出版社, 2003. [8] 吴忠智，吴加林. 变频器应用手册. 北京：机械工业出版社, 2006. [9] 杨公源. 常用变频器应用实例. 扇贝笼gu10灯头北京：电子工业出版社, 2006. [10] 李玮，易树春. 一台立式底搅拌反应釜的结构设计 [J]. 中国井矿盐，2004年35期：38-40 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
指导教师意见 教师签字： 年 月 日 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
开题答辩小组意见： 组长签字： 成员签字： 年 月 日 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
毕业设计领导小组意见: 组长签字： 年 月 日 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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