双端面机械密封
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（1）计算夹套壁厚（取腐蚀裕量C2=2mm），并进行水压试 验应力校核。
（2）计算并确定搅拌轴直径（搅拌轴材料为45号钢，[τ]=30 Mpa）
（3）计算内筒和夹套的直径、高度，并对传热面积进行校核。
（已知φ1400mm椭圆形封头容积Vh=0.421 m3，表面积 Ah=2.29 m2）
作业2
某一带夹套的立式搅拌反应器，设备容积V=2.5 m3，操作容 积V0=2 m3，长径比（H/D）=1，工艺要求传热面积为7 m2， 搅拌功率为1.4KW，搅拌轴转速为50r/min。已知釜内压力为 0.2 Mpa，夹套内压力为0.3 Mpa，内筒壁厚10mm，内筒与 夹 套 采 用 相 同 材 料 ， [ σ]t=113Mpa，σs=235Mpa， G=8×104Mpa。
搅拌轴的力学模型
按扭转变形计算搅拌轴的直径
刚度条件
G 58d4.3(61M nm4a)x[]
轴径
d4.92([]G M(1nm ax4))14
按临界转速校核搅拌轴的直径 临界转速
当搅拌轴转速n ≥ 200r/min时，应进 行临界转速的验算。
nc
30
3EI(14) L12(L1 )ms
搅拌轴临界转速的选取—（表8-11）
推进式搅拌器
推进式搅拌器常用参数（表8-6）
推进式搅拌器的特点
轴向流搅拌器 循环量大，搅拌功率小 常用于低粘流体的搅拌 结构简单、制造方便
涡轮式搅拌器
（透平式叶轮）
1、适用物料粘度范围广。 2、剪切力较大，分散流体 的效果好。 3、直叶和弯叶涡轮搅拌器 主要产生径向流，折叶涡 轮搅拌器主要产生轴向流。
双端面机械密封
d>D1
d<D1
d=D1
K>1 K=1
平衡型机械密封：K=0.6~0.9 非平衡型机械密封：K=1.1~1.2
动环和静环的材料要求
（1）耐磨性和导热性—动环和静环做相对摩擦滑 动，会产生发热和磨损现象，要求动环和静环的耐 磨性好，并且能将摩擦产生的热量及时传导出去。 （2）硬度—由于动环形状复杂，容易变形，所以 要求动环的硬度比静环大。（表8-15） （3）耐腐蚀性
密封圈
机械密封的分类
按密封面的对 单 双 数端 端 分面 面机 机械 械表密 密 （8-封 封 14）
按密封元件置外 于分 内 外 釜装 装 体式 式 内机 机械 械密 密
按介质压力的 对影 端 响 非 平 面分 平 衡 比k衡 型 压 k1 )型 （ 1) （
外装式和装内式机械密封
双端面机械密封
要求
n≤ 0.7 nc（刚性轴） 1.3 nc （柔性轴）
按强度计算搅拌轴的直径
强度条件
max
M te WP
[ ]
M te 当量扭矩
M te
M
2 n
M
2
轴径
d1.72([](M 1te4))13
按轴封处允许径向位移验算轴径
限制条件
Lo [ ]Lo Lo 总径向位移 [ ]Lo 轴封处的允许径向位移
作业2
某一带夹套的立式搅拌反应器，设备容积V=2.5 m3，操作容 积V0=2 m3，长径比（H/D）=1，工艺要求传热面积为7 m2， 搅拌功率为1.4KW，搅拌轴转速为50r/min。已知釜内压力为 0.2 Mpa，夹套内压力为0.3 Mpa，内筒壁厚10mm，内筒与 夹 套 采 用 相 同 材 料 ， [ σ]t=113Mpa，σs=235Mpa， G=8×104Mpa。
PNPn3d5
搅拌轴设计
搅拌轴的结构设计 计算搅拌轴的直径
搅拌轴材料选择
足够的强度、 刚度和韧性
优良的切削 加工性能
加工直线度 的要求
耐腐蚀要求
搅拌轴的结构设计
轴颈设计 轴身设计
轴头设计
搅拌轴直径计算
影响搅拌轴直径的四个因素
1、扭转变形 2、临界转速 3、扭转和弯矩联合作用下的强度 4、轴封处允许的径向位移
作业1
1.以机械搅拌反应器为例，说明搅拌反应器由哪几部分组 成，包括哪些构件。 2.搅拌器的功能是什么？中心顶插式搅拌器可形成哪几种 流型？如何控制切向流？ 3.分析桨式、推进式、涡轮式、锚式搅拌器的结构特点和 适用场合。 4.搅拌器可通过哪几种方式与搅拌轴连接？ 5.搅拌轴主要承受什么载荷？如何确定搅拌轴直径？ 6.机械密封有哪几个密封点？分别采用什么密封方式？ 7.平衡型和非平衡型密封结构有何不同？画简图说明。
设置底轴承或中间轴承 设置稳定器
密封装置 （轴封装置）
作用 维持设备内的压力，防止介质泄漏。
基本要求
密封可靠，使用寿命长。 结构简单，装拆方便。
类型
填料密封 机械密封
填料密封
填料密封允许有 一定的泄漏量
填料需定期更换 轴有一定的磨损
填料
填料及其选用
（1）填料应富有弹性。在压盖压紧后，弹性变形要大， 这样才能贴紧转轴并对转轴产生一定的抱紧力。
进式、涡轮式、框式和锚式、螺杆（带）式 （2）介质的密度 （3）介质的腐蚀性
2、反应过程的特性 间歇操作还是连续操作；吸热反应还是放热反应；是否结晶
或有固体沉淀物产生等。 3、搅拌效果和搅拌功率的要求
搅拌器的选用
生物反应物料的特性
生物反应都是在多相体系中进行 大多数生物颗粒对剪切力非常敏感 大多数微生物发酵需要氧气
（1）计算夹套壁厚（取腐蚀裕量C2=2mm），并进行水压试 验应力校核。
（2）计算并确定搅拌轴直径（搅拌轴材料为45号钢，[τ]=30 Mpa）
（3）计算内筒和夹套的直径、高度，并对传热面积进行校核。
（已知φ1400mm椭圆形封头容积Vh=0.421 m3，表面积 Ah=2.29 m2）
植物纤维
填料
非金属填料
动物纤维 矿物纤维
人造纤维
金属填料（钢、铅、铜 等）
表（8-13）
填料箱
填料箱宽度：
S(1.4~2) d
填料箱高度：
由填料的尺寸和 圈数确定
标准填料箱
表（8-13）
填料压盖高度：
h (1 ~ 2)H 33
机械密封
（端面密封）
动、静界面 密封点 径向密封 端面比压
动环和静环 弹簧压紧装置
涡轮式搅拌器常用参数 （表8-6）
锚式搅拌器
涡轮式搅拌器常用参数 （表8-6）
框式搅拌器
锚式和框式搅拌器特点
1、结构简单，制造方便。 2、适用于粘度大、处理量大的物料。 3、易得到大的表面传热系数。 4、可减少“挂壁”的产生。
螺杆式搅拌器 螺带式搅拌器
搅拌器的选型
1、介质的性质 （1）介质的粘度 随着介质粘度增高，各种搅拌器使用的顺序是：桨叶式、推
全
封
介质易燃、易爆
闭
密
剧毒物料
封
贵重物料
高纯度物料
高真空操作
优点
1、功耗小、效率高。 2、电机过载保护。 3、可承受较高压力。
缺点
1、内轴承寿命短。 2、涡流、磁滞等损耗。 3、使用温度的限制。
传动装置
适用于单跨轴
适用于悬臂轴
搅拌反应器的机械设计内容
1、釜体的结构型式和尺寸的确定 包括釜体结构、釜体尺寸（直径、高度）、封头形式的选择等。 2、材料的选择 根据工作温度、压力、物料的性质、设备加工要求等条件选择。 3、强度计算及校核（包括带夹套反应釜的稳定性校核） 如釜体壁厚的计算、封头壁厚的计算、搅拌轴直径的确定等。 4、主要零部件的选用 搅拌器、传动装置、轴封装置等的选择。 5、绘图、编制技术文件 装配图、各种零部件图、设计计算书、设计说明书、技术要求等。
搅拌功率的计算
搅拌轴和搅拌器的强度和刚度计算 电机和减速机的选型
影响搅拌功率的 主要参数
搅拌器的 几何尺寸
搅拌器的 运动参数
重力参数
搅拌容器 的结构
被搅拌介 质的特性
功率表达式
P=f（n，d，ρ，μ，g ）=K na db ρc μe gf K---系统几何构形的总形状系数 功率关联式：
N Pn P 3d5K (R e)r(F r)qf(D d,D B,D h,....)
搅拌器的型式
搅拌器的分类
按流体流动形态
轴向流搅拌器 径向流搅拌器
按搅拌器叶片结构
平叶 折叶
Baidu Nhomakorabea
混合流搅拌器
螺旋面叶
按搅拌用途
低粘流体用搅拌器 高粘流体用搅拌器
桨式搅拌器
1、式搅拌器主要用于流体的循环， 不能用于气液分散操作。
2、折叶式比平直叶式功耗少，操 作费用低，故折叶桨使用较多。
桨式搅拌器常用参数（表8-5）
（2）填料应耐磨。填料和轴之间的摩擦系数要小，以降 低摩擦功率的损耗，延长填料的使用寿命。
通常填料需要加润滑油以降低摩擦系数，有些填料（如石 墨、聚四氟乙烯、耐磨尼龙等）本身具有自润滑作用，可 有效地降低摩擦系数。
（3）导热性要好，能够将摩擦产生的热量尽快传递出去。
（4）高温高压条件下使用的填料，要求具有耐高温性能 及足够的机械强度。
搅拌轴直径的确定
（1）轴径应同时满足强度、刚度、临界转速等条件。 （2）在确定轴的结构尺寸时，还应考虑轴上键槽及开孔 所引起的局部削弱，轴径应适当增大。 （3）轴径应圆整到标准公称轴径系列，如φ30、φ40、 φ50、φ65、φ80、φ95、φ110等。
减小轴端挠度、提高搅拌轴 临界转速的措施
缩短悬臂段的长度 增大轴径
（2）计算并确定搅拌轴直径（搅拌轴材料为45号钢，[τ]=30 Mpa）
（3）计算内筒和夹套的直径、高度，并对传热面积进行校核。
（已知φ1400mm椭圆形封头容积Vh=0.421 m3，表面积 Ah=2.29 m2）
作业2
某一带夹套的立式搅拌反应器，设备容积V=2.5 m3，操作容 积V0=2 m3，长径比（H/D）=1，工艺要求传热面积为7 m2， 搅拌功率为1.4KW，搅拌轴转速为50r/min。已知釜内压力为 0.2 Mpa，夹套内压力为0.3 Mpa，内筒壁厚10mm，内筒与 夹 套 采 用 相 同 材 料 ， [ σ]t=113Mpa，σs=235Mpa， G=8×104Mpa。
搅拌轴的力学模型
按扭转变形计算搅拌轴的直径
刚度条件
G 58d4.3(61M nm4a)x[]
轴径
d4.92([]G M(1nm ax4))14
按临界转速校核搅拌轴的直径 临界转速
当搅拌轴转速n ≥ 200r/min时，应进 行临界转速的验算。
nc
30
3EI(14) L12(L1 )ms
搅拌轴临界转速的选取—（表8-11）
推进式搅拌器
推进式搅拌器常用参数（表8-6）
推进式搅拌器的特点
轴向流搅拌器 循环量大，搅拌功率小 常用于低粘流体的搅拌 结构简单、制造方便
涡轮式搅拌器
（透平式叶轮）
1、适用物料粘度范围广。 2、剪切力较大，分散流体 的效果好。 3、直叶和弯叶涡轮搅拌器 主要产生径向流，折叶涡 轮搅拌器主要产生轴向流。
双端面机械密封
d>D1
d<D1
d=D1
K>1 K=1
平衡型机械密封：K=0.6~0.9 非平衡型机械密封：K=1.1~1.2
动环和静环的材料要求
（1）耐磨性和导热性—动环和静环做相对摩擦滑 动，会产生发热和磨损现象，要求动环和静环的耐 磨性好，并且能将摩擦产生的热量及时传导出去。 （2）硬度—由于动环形状复杂，容易变形，所以 要求动环的硬度比静环大。（表8-15） （3）耐腐蚀性
密封圈
机械密封的分类
按密封面的对 单 双 数端 端 分面 面机 机械 械表密 密 （8-封 封 14）
按密封元件置外 于分 内 外 釜装 装 体式 式 内机 机械 械密 密
按介质压力的 对影 端 响 非 平 面分 平 衡 比k衡 型 压 k1 )型 （ 1) （
外装式和装内式机械密封
双端面机械密封
要求
n≤ 0.7 nc（刚性轴） 1.3 nc （柔性轴）
按强度计算搅拌轴的直径
强度条件
max
M te WP
[ ]
M te 当量扭矩
M te
M
2 n
M
2
轴径
d1.72([](M 1te4))13
按轴封处允许径向位移验算轴径
限制条件
Lo [ ]Lo Lo 总径向位移 [ ]Lo 轴封处的允许径向位移
作业2
某一带夹套的立式搅拌反应器，设备容积V=2.5 m3，操作容 积V0=2 m3，长径比（H/D）=1，工艺要求传热面积为7 m2， 搅拌功率为1.4KW，搅拌轴转速为50r/min。已知釜内压力为 0.2 Mpa，夹套内压力为0.3 Mpa，内筒壁厚10mm，内筒与 夹 套 采 用 相 同 材 料 ， [ σ]t=113Mpa，σs=235Mpa， G=8×104Mpa。
PNPn3d5
搅拌轴设计
搅拌轴的结构设计 计算搅拌轴的直径
搅拌轴材料选择
足够的强度、 刚度和韧性
优良的切削 加工性能
加工直线度 的要求
耐腐蚀要求
搅拌轴的结构设计
轴颈设计 轴身设计
轴头设计
搅拌轴直径计算
影响搅拌轴直径的四个因素
1、扭转变形 2、临界转速 3、扭转和弯矩联合作用下的强度 4、轴封处允许的径向位移
作业1
1.以机械搅拌反应器为例，说明搅拌反应器由哪几部分组 成，包括哪些构件。 2.搅拌器的功能是什么？中心顶插式搅拌器可形成哪几种 流型？如何控制切向流？ 3.分析桨式、推进式、涡轮式、锚式搅拌器的结构特点和 适用场合。 4.搅拌器可通过哪几种方式与搅拌轴连接？ 5.搅拌轴主要承受什么载荷？如何确定搅拌轴直径？ 6.机械密封有哪几个密封点？分别采用什么密封方式？ 7.平衡型和非平衡型密封结构有何不同？画简图说明。
设置底轴承或中间轴承 设置稳定器
密封装置 （轴封装置）
作用 维持设备内的压力，防止介质泄漏。
基本要求
密封可靠，使用寿命长。 结构简单，装拆方便。
类型
填料密封 机械密封
填料密封
填料密封允许有 一定的泄漏量
填料需定期更换 轴有一定的磨损
填料
填料及其选用
（1）填料应富有弹性。在压盖压紧后，弹性变形要大， 这样才能贴紧转轴并对转轴产生一定的抱紧力。
进式、涡轮式、框式和锚式、螺杆（带）式 （2）介质的密度 （3）介质的腐蚀性
2、反应过程的特性 间歇操作还是连续操作；吸热反应还是放热反应；是否结晶
或有固体沉淀物产生等。 3、搅拌效果和搅拌功率的要求
搅拌器的选用
生物反应物料的特性
生物反应都是在多相体系中进行 大多数生物颗粒对剪切力非常敏感 大多数微生物发酵需要氧气
（1）计算夹套壁厚（取腐蚀裕量C2=2mm），并进行水压试 验应力校核。
（2）计算并确定搅拌轴直径（搅拌轴材料为45号钢，[τ]=30 Mpa）
（3）计算内筒和夹套的直径、高度，并对传热面积进行校核。
（已知φ1400mm椭圆形封头容积Vh=0.421 m3，表面积 Ah=2.29 m2）
植物纤维
填料
非金属填料
动物纤维 矿物纤维
人造纤维
金属填料（钢、铅、铜 等）
表（8-13）
填料箱
填料箱宽度：
S(1.4~2) d
填料箱高度：
由填料的尺寸和 圈数确定
标准填料箱
表（8-13）
填料压盖高度：
h (1 ~ 2)H 33
机械密封
（端面密封）
动、静界面 密封点 径向密封 端面比压
动环和静环 弹簧压紧装置
涡轮式搅拌器常用参数 （表8-6）
锚式搅拌器
涡轮式搅拌器常用参数 （表8-6）
框式搅拌器
锚式和框式搅拌器特点
1、结构简单，制造方便。 2、适用于粘度大、处理量大的物料。 3、易得到大的表面传热系数。 4、可减少“挂壁”的产生。
螺杆式搅拌器 螺带式搅拌器
搅拌器的选型
1、介质的性质 （1）介质的粘度 随着介质粘度增高，各种搅拌器使用的顺序是：桨叶式、推
全
封
介质易燃、易爆
闭
密
剧毒物料
封
贵重物料
高纯度物料
高真空操作
优点
1、功耗小、效率高。 2、电机过载保护。 3、可承受较高压力。
缺点
1、内轴承寿命短。 2、涡流、磁滞等损耗。 3、使用温度的限制。
传动装置
适用于单跨轴
适用于悬臂轴
搅拌反应器的机械设计内容
1、釜体的结构型式和尺寸的确定 包括釜体结构、釜体尺寸（直径、高度）、封头形式的选择等。 2、材料的选择 根据工作温度、压力、物料的性质、设备加工要求等条件选择。 3、强度计算及校核（包括带夹套反应釜的稳定性校核） 如釜体壁厚的计算、封头壁厚的计算、搅拌轴直径的确定等。 4、主要零部件的选用 搅拌器、传动装置、轴封装置等的选择。 5、绘图、编制技术文件 装配图、各种零部件图、设计计算书、设计说明书、技术要求等。
搅拌功率的计算
搅拌轴和搅拌器的强度和刚度计算 电机和减速机的选型
影响搅拌功率的 主要参数
搅拌器的 几何尺寸
搅拌器的 运动参数
重力参数
搅拌容器 的结构
被搅拌介 质的特性
功率表达式
P=f（n，d，ρ，μ，g ）=K na db ρc μe gf K---系统几何构形的总形状系数 功率关联式：
N Pn P 3d5K (R e)r(F r)qf(D d,D B,D h,....)
搅拌器的型式
搅拌器的分类
按流体流动形态
轴向流搅拌器 径向流搅拌器
按搅拌器叶片结构
平叶 折叶
Baidu Nhomakorabea
混合流搅拌器
螺旋面叶
按搅拌用途
低粘流体用搅拌器 高粘流体用搅拌器
桨式搅拌器
1、式搅拌器主要用于流体的循环， 不能用于气液分散操作。
2、折叶式比平直叶式功耗少，操 作费用低，故折叶桨使用较多。
桨式搅拌器常用参数（表8-5）
（2）填料应耐磨。填料和轴之间的摩擦系数要小，以降 低摩擦功率的损耗，延长填料的使用寿命。
通常填料需要加润滑油以降低摩擦系数，有些填料（如石 墨、聚四氟乙烯、耐磨尼龙等）本身具有自润滑作用，可 有效地降低摩擦系数。
（3）导热性要好，能够将摩擦产生的热量尽快传递出去。
（4）高温高压条件下使用的填料，要求具有耐高温性能 及足够的机械强度。
搅拌轴直径的确定
（1）轴径应同时满足强度、刚度、临界转速等条件。 （2）在确定轴的结构尺寸时，还应考虑轴上键槽及开孔 所引起的局部削弱，轴径应适当增大。 （3）轴径应圆整到标准公称轴径系列，如φ30、φ40、 φ50、φ65、φ80、φ95、φ110等。
减小轴端挠度、提高搅拌轴 临界转速的措施
缩短悬臂段的长度 增大轴径