8.2 机械搅拌反应器 一、基本结构.

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1 8.2 机械搅拌反应器 一、基本结构

2 图8-7 通气式搅拌反应器 典型结构 11—夹套； 12—载热介质出口； 1—电动机； 13—挡板； 2—减速机； 14—螺旋导流板；
15—轴向流搅拌器； 16—径向流搅拌器； 17—气体分布器； 18—下封头； 19—出料口； 20—载热介质进口； 21—气体进口 1—电动机； 2—减速机； 3—机架； 4—人孔； 5—密封装置； 6—进料口； 7—上封头； 8—筒体： 9—联轴器； 10—搅拌轴； 图8-7 通气式搅拌反应器 典型结构

3 二、搅拌容器 ⒈ 搅拌容器 作用: 为物料反应提供合适的空间. 结构:

4 装料系数: 一般取0.6 ~ 0.85 如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态→取0.6 ~ 0.7 如物料在反应过程中比较平稳→取0.8 ~ 0.85 容积 卧式搅拌容器: 筒体和左右两封头容积之和 直立式搅拌容器: 筒体和下封头两部分容积之和 搅拌设备筒体的高径比: 表8-3→确定筒体直径、高度

5 表8—3 几种搅拌设备筒体的高径比 种类 罐内物料类型 高径比 一般搅拌罐 液-固相、液－液相 1～1.3 气－液相 1～2 聚合釜 悬浮液、乳化液 2.08～3.85 发酵罐类 发酵液 1.7～2.5

6 优先采用夹套，减少 容器内构件，便于清 洗，不占有效容积。 ⒉ 换热元件

7 表8—4 各种碳钢夹套的适用温度和压力范围 夹套型式 最高温度/℃ 最高压力/MPa 整体夹套 U型 圆筒型 350 300 0.6 1.6 型钢夹套 200 2.5 蜂窝夹套 短管支撑式 折边锥体式 250 4.0 半圆管夹套 6.4

8 t tj D Dj (a) 圆筒型 (b) U型 图8—8 整体夹套

9 D Dj (a)封口锥 (b)封口环 图8—9 夹套肩与筒体的连接结构

10 t1 t2 d1 封口锥 封口环 图8—10 夹套底与封头连接结构

11 (a)螺旋形角钢互搭式 (b)角钢螺旋形缠绕 图8—11 型钢夹套结构

12 (a) 半圆管 半圆管横截面重心 r2 t1 D b2 b1 t2 e2 图8－12 半圆管夹套结构

13 (b)弓形管 弓形管横截面重心 t2 e2 r2 b2 b1 D t1 图8—12 半圆管夹套结构

14 b L3 L2 L t1 (a)螺旋形缠绕 图8—13 半圆管夹套的安装

15 t1 D (b)平行排管 图8—13 半圆管夹套的安装

16 夹套向内折边与筒 体贴合好, 再进行 焊接的结构 D1 t1 D2 t2 b A A向 图8—14 折边式蜂窝夹套

17 D1 t1 D2 e dmin b 用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角形布置 图8—15 短管支撑式蜂窝夹套

18 d D 图8—16 螺旋形盘管

19 d D 对称布置的几组 竖式蛇管： 传热 挡板作用 图8－17 竖式蛇管

20 三、搅拌器 ㈠搅拌器的功能和流动特征 ⒈功能—提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。 ⒉原理—搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近 形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动 液体在搅拌容器内循环流动。 ⒊影响搅拌器功能的因素—a.浆叶的形状、尺寸、数量、转速 b.搅拌介质的物性 c.搅拌器的工作环境 d.搅拌器在槽内的安装位置和方式

21 ⒋流型—流体循环流动的途径。 搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型： ⑴径向流: 图8-18(a) 流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动 ⑵轴向流: 图8-18(b) 流体流动方向平行于搅拌轴 ⑶切向流: 图8-18(c) 无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动。 这个区域内流体没有相对运动→混合效果差。 削弱切向流， 增强轴向流和径向流 消除方法—加挡板→ 上述三种流型通常同时存在 轴向流与径向流对混合起主要作用 切向流应加以抑制

22 影响流型的因素: 搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何
特征、流体性质、搅拌器转速等。 ⒌搅拌器在容器内安装方式: 图8-19, 除中心安装的搅拌机外， 还有偏心式、底插式、侧插式、 斜插式、卧式等安装方式。 不同方式安装的搅拌机产生的流型也 各不相同。

23 (a)径向流 图8—18 搅拌器与流型(a) 径向流 流体流动方向垂直于 搅拌轴，沿径向流动， 碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向 下流动，再回到叶端， 不穿过叶片，形成上、 下二个循环流动。

24 (b)轴向流 图8—18 搅拌器与流型 (b) 轴向流 流体流动方向平行于 搅拌轴，流体由桨叶 推动，使流体向下流 动，遇到容器底面再 向上翻，形成上下循环流。

25 (c)切向流 图8—18 搅拌器与流型 (c) 切向流 无挡板的容器内，流 体绕轴作旋转运动， 流速高时液体表面会 形成漩涡，流体从桨 叶周围周向卷吸至桨 叶区的流量很小，混 合效果很差。

26 (a) 垂直偏心式 (b) 底插式 (c) 侧插式 (d) 斜插式 (e) 卧式 图8—19 搅拌器在容器内的安装方式

27 剪切作用:与液—液搅拌体系中液滴的 细化、固—液搅拌体系中固体 粒子的破碎以及气—液搅拌体 系中气泡的细微化有关。 循环作用:与混合时间、传热、固体的悬 浮等相关。 ⒍流动特性: 搅拌器→对流体产生 剪切型叶轮: 输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用, 如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。 循环型叶轮: 输入流体的能量主要用于对流体的循环作用, 如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等

28 ㈡搅拌器类型及典型搅拌器特性 ⒈搅拌器分类: 图8-22 轴向流搅拌器 按流体流动形态 径向流搅拌器 混合流搅拌器 桨式、涡轮式、框式和 锚式的桨叶都有平叶和 折叶二种结构 平 叶 按结构分为 折 叶 推进式、螺杆式和螺带 式的桨叶为螺旋面叶 螺旋面叶

29 低粘流体搅拌器有： 推进式、长薄叶螺旋桨、 桨式、开启涡轮式、圆盘 涡轮式、布鲁马金式、板 框桨式、三叶后弯式、MIG 和改进MIG等。 低粘流体 用搅拌器 按搅拌 用途分为 高粘流体 用搅拌器 高粘流体搅拌器有： 锚式、框式、锯齿圆盘式、 螺旋桨式、螺带式（单螺带、 双螺带）、螺旋—螺带式等。

30 轴流式 混流式 径流式 搅拌器 图8—22 搅拌器流型分类图谱

31 桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在 搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占 搅拌器总数的75～80％。

32 ⒉典型搅拌器特性及尺寸: ⑴桨式搅拌器: 图8-23 ⑵推进式搅拌器 : 图8-24 ⑶涡轮式搅拌器 : 图8-25 ⑷锚式搅拌器: 图8-26

33 结构最简单 叶片用扁钢制成，焊 接或用螺栓固定在轮 毂上，叶片数是2、3 或4 片，叶片形式可 分为平直叶式和折叶 式两种。 图8—23桨式搅拌器

34 注：n－转速； v－叶端线速度； Bn－叶片数； d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。
表8－5 桨式搅拌器常用参数 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 d/D=0.35～0.8 b/d=0.1～0.25 Bn=2 折叶式有轴向、径向和环向分流作用 小于2Pa·s 低转速时水平环向流为主；转速高时为径向流；有挡板时为上下循环流 当d/D=0.9以上，并设置多层桨叶时，可用于高粘度液体的低速搅拌。在层流区操作，适用的介质粘度可达100Pa·s, v=1.0～3.0m/s 折叶式 θ=45°，60° 注：n－转速； v－叶端线速度； Bn－叶片数； d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。

35 推进式搅拌器（又称船用推进器） 常用于低粘流体中。 标准推进式搅拌器有三瓣叶 片，其螺距与桨直径d相等。 它直径较小，d/D=1/4～1/3， 叶端速度一般为 7～10 m/s， 最高达15 m/s。 图8—24推进式搅拌器

36 表8－6推进式搅拌器常用参数 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 d/D=0.2～0.5(以0.33居多) p/d=1,2 Bn=2,3,4(以3居多) p－螺距 n=100～500r/min v=3～15m/s 小于2Pa·s 轴流型，循环速率高，剪切力小。采用挡板或导流筒则轴向循环更强 最高转速可达1750r/min:最高叶端线速度可达25m/s。转速在500r/min以下，适用介质粘度可达50Pa.s

37 涡轮式搅拌器（又称透 平式叶轮），是应用较 广的一种搅拌器，能有 效地完成几乎所有的搅 拌操作，并能处理粘度 范围很广的流体。 图8—25 涡轮式搅拌器

38 表8－7 涡轮式搅拌器常用参数 型式 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 开式涡轮 d/D=0.2～0.5
表8－7 涡轮式搅拌器常用参数 型式 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 开式涡轮 d/D=0.2～0.5 (以0.33居多) b/d=0.2 Bn=,3,4,6,8 (以6居多) 折叶式 θ=30°,45°,60° 后弯式 ß=30°,50°,60° ß后弯角 n=10～300r/min v=4～10m/s v=2～6m/s 小于50Pa·s， 折叶和后弯叶小于10Pa·s 平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。 折叶的还有轴向分流，近于轴流型 最高转速可达600r/min 圆盘上下液体的混合不如开式涡轮 盘式涡轮 d:l:b=20:5:4 Bn=4,6,8 θ=45°,60° ß=45° 折叶和 后弯叶 小于10Pa·s

39 结构简单。 适用于粘度在100Pa·s 以下的流体搅拌，当流 体粘度在10～100Pa·s 时，可在锚式桨中间加 一横桨叶，即为框式搅 拌器，以增加容器中部 的混合。 图8—26 锚式搅拌器

40 表8－8 锚式搅拌器常用参数 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 d/D= 0.9～0.98 b/D=0.1 h/D= n= 1～100r/min v=1～5m/s 小于100Pa·s 不同高度上的水平环向流 为了增大搅拌范围，可根据需要在桨叶上增加立叶和横梁

41 ㈢搅拌器的选型 搅拌目的 搅拌器选型依据 物料粘度 搅拌容器容积的大小 选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作 费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。

42 ⒈按搅拌目的选型: 仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表8－9。

43 表8－9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式 搅拌目的 挡板条件 推荐形式 流动状态 互溶液体的混合及在其中进行化学反应 无挡板
表8－9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式 搅拌目的 挡板条件 推荐形式 流动状态 互溶液体的混合及在其中进行化学反应 无挡板 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮 湍流 (低粘流体) 有导流筒 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式 有或无导流筒 桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式 层流 (高粘流体) 固—液相分散及在其中溶解和进行化学反应 有或无挡板 桨式、六叶折叶开启式涡轮 螺带式、螺杆式、锚式 液—液相分散（互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应 有挡板 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮式、推进式

44 表8－9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续） 液—液相分散（不互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应 有挡板 圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮
表8－9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续） 液—液相分散（不互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应 有挡板 圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮 湍流 (低粘流体) 有反射物 三叶折叶涡轮 有导流筒 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式 有或无导流筒 螺带式、螺杆式、锚式 层流 (高粘流体) 气—液相分散及在其中强化传质和进行化学反应 圆盘涡轮、闭式涡轮 螺杆式 无导流筒 锚式、螺带式

45 ⒉按搅拌器型式和适用条件选型: 表8-10 推进式搅拌器——用于低粘度流体的混合，循环能力强， 动力消耗小，可应用到很大容积的搅 拌容器中。 涡轮式搅拌器——应用范围较广，各种搅拌操作都适用， 但流体粘度不宜超过50Pa·s。 桨式搅拌器 ——结构简单，在小容积的流体混合中应 用较广，对大容积的流体混合，循环 能力不足。 锚式、螺杆式、螺带式——适用于高粘流体的混合。

46 表8－10 搅拌器型式和适用条件 注：有◆者为可用，空白者不详或不合用

47 ㈣生物反应物料特性及搅拌器 生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器 ⒈生物反应器特点: ⑴都是在多相体系中进行的。 气—液—固三相, 即空气或CO2等气体产物、 液态培养基和生物细胞及其载体颗粒， 如青霉素、链霉素、头孢菌素等医药产品。 ⑵大多数生物颗粒对剪切力非常敏感。 剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成 比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在 一定的范围内。

48 ⑶大多数微生物发酵需要氧气。 氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致 菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的 供应就成为十分突出的问题。 ⒉生物反应搅拌过程要求： ⑴ 打碎空气气泡，使气泡细化以增加气液接触界面， 提高气液面的传质速率； ⑵ 发酵液要有较大的流动循环量，使液体中的固形 物保持悬浮状态。

49 结论—搅拌器既要有较强剪切力，又要有 较大的流体循环特性。 往往采用径向流和轴向流相结合的 多层搅拌器组合式搅拌系统。

50 四、搅拌附件 作用—改善反应器内液体流动状态 类型—挡板与导流筒 ⒈挡板 目的—消除打漩和提高混合效果。 轴向流 径向流 作用—a.将切向流→变为 b.使被搅动液体的湍流程度↑ →改善搅拌效果↑ 物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌 向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。 打漩—

51 打漩后果—a.打漩时几乎不产生轴向混合，而是使多相系统
分层或分离 b.随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触, 外面 空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小, 混 合效果降低。 c.一部分叶轮在空气中运转→使流体对搅拌器振动 阻尼作用↓→搅拌器振动↑ 挡板形式—纵向挡板，图8-20 宽度w—容器直径的1/12～1/10 数量z —一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 挡板

52 全挡板条件—当再增加挡板数和挡板宽度，而功率消耗不再
增加时，称为全挡板条件。 全挡板条件与挡板数量和宽度有关。 永田冶进提出了全挡板条件: 注意: a.传热蛇管可部分或全部代替挡板， b.装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。

53 图8—20 挡板

54 ⒉导流筒 作用—a.导流，可以为流体限定一个流动路线，防止短路 b.使筒内液体搅拌程度↑→混合效率↑ c.迫使流体高速流过加热面→利于传热 应用—常用于涡轮式、桨式、推进式搅拌器中， 见图8-21

55 结构—a.上下开口圆筒，安装于容器内 b.通常导流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽， 当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。 c.导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分， 导流筒直径约为容器直径的70%。 d.当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时， 导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器 的直径。

56 涡轮式或桨式搅拌器 导流筒置于桨叶的上方 (b)推进式搅拌器 导流筒套在桨 叶外面，或略 高于桨叶 图8—21 导流筒

57 五、搅拌功率计算 定义: 指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功 并使 之发生流动所需的功率。 目的: a.设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度 b.选择电机和减速机等传动装置。 搅拌器功率: 即搅拌功率 搅拌作业功率: 搅拌器使搅拌槽内的液体以最佳方式 完成搅拌过程所需的功率 区分:

58 影响搅拌功率的因素： a.搅拌器的几何尺寸与转速:搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶 倾斜角、转速、单个搅拌器叶片 数、搅拌器距离容器底部的距离等 b.搅拌容器的结构:容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、 导流筒的尺寸等。 c.搅拌介质的特性:液体的密度、粘度。 d.重力加速度

59 上述影响因素可用下式关联: （8—1） 式中 B－桨叶宽度，m； d－搅拌器直径，m； D－搅拌容器内直径，m； Fr－弗鲁德准数，

60 h－液面高度，m； K－系数； n－转速，1/s； Np－功率准数； P－搅拌功率，W； r , q－指数； Re－雷诺数， ； ρ－密度，kg/m3； μ－粘度，Pa·s。

61 一般情况下:弗鲁德准数Fr的影响较小。容器内径D、
挡板宽度b等几何参数可归结到系数K。 由式（8－1）得搅拌功率P为： （8—2） 关键求 (查图8-27)

62 Re=d2nρ/μ 图8－27 六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件) 100 50 10 5 1 0.5
100 50 10 5 1 0.5 Re=d2nρ/μ 图8－27 六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件)

63 图8－27 六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件) S/d=2 D/d=2.5-6 h/d=2-4 h1/d=1 B/d=1/5 D/d=3
θ=45o 曲线3-推进式 曲线4-二叶平浆 曲线5-六弯叶 开式涡轮 曲线6-六斜叶 曲线1-六直叶圆盘涡轮 曲线2-六直叶开式涡轮 d:l:B=20:5:4 D/d=2-7 h1/d= 图8－27 六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件)

64 由图8－27可知: 低雷诺数(Re≤10)→层流区: 流体不会打漩，重力影响可忽略， 功率曲线为斜率-1的直线； 10≤Re≤10000→过渡流区: 功率曲线为一下凹曲线； Re＞10000→充分湍流区: 功率曲线呈一水平直线， 即Np与Re无关，保持不变。

65 注意: a.图8－27所示功率曲线只适用于图示六种搅拌器的几何
比例关系。如果比例关系不同，功率准数Np也不同 b.上述功率曲线是在单一液体下测得的。 对于非均相物系: 液－液或液－固: 用平均 气－液:通气搅拌功率＜均相液体搅拌功率

66 六、搅拌轴设计 型式 实心轴 空心轴 轴设计包括 强度 刚度 临界转速 轴封处径向位移 设计步骤: 计算d (危险截面)→ d+C2 → 圆整为标准轴径。 考虑上述因素计算所得

67 ⒈力学模型: 图8-28, 8-29 假设: （1）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴； （2）搅拌器及轴上的其它零件(附件)的重力、惯性 力、流体作用力均作用在零件轴套的中部； （3）轴受扭矩作用外，还考虑搅拌器上流体的径向 力以及搅拌轴和搅拌器(包括附件)在组合重心 处质量偏心引起的离心力的作用。

68 Le S FA m1 Fhi Fh1 Fe mi Li L1 α d 图8—28 悬臂轴受力模型

69 Le Fhi Fh1 FA S m1 mi Fe d Li L1 L 图8-29 单跨轴受力模型

70 ⒉按强度计算轴径: 搅拌轴的强度条件是： （8—6）

71 M—弯矩， M= MR+ MA MA—由轴向力引起的轴的弯矩， N·m； Mn—扭矩，N·m； MR—水平推力引起的轴的弯矩，N·m； Mte—轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩， ，N·m； 式中

72 Wp—抗扭截面模量，对空心圆轴 ，m3 [τ]—轴材料的许用剪应力， Pa τmax —截面上最大剪应力，Pa； —轴材料的抗拉强度，Pa。 则搅拌轴的直径： （8—7）

73 ⒊按刚度计算轴径: 目的:防止轴产生过大扭转变形→以免在运转中引起轴的振动, 使轴封失效。 应将轴单位长度最大扭转角γ限制在允许范围内。 轴扭矩的刚度条件为: （8—3）

74 α—空心轴内径和外径的比值； 式中 d—搅拌轴直径，m； G—轴材料剪切弹性模量，Pa； Mn max —轴传递的最大扭矩， N·m；
n—搅拌轴转速，r/min； Pn—电机功率，kW； α—空心轴内径和外径的比值； η—传动装置效率； [γ]—许用扭转角，对于悬臂梁[γ]= 0.350/m， 对于单跨梁[γ]= 0.70/m。

75 故搅拌轴的直径为 （8—4）

76 ⒋按临界转速校核轴径: 临界转速nc—搅拌轴的转速达到轴自振频率，发生 强烈振动，并出现很大弯曲时的转速。 工作转速应避开临界转速: 刚性轴—工作转速低于第一临界转速的轴, 要求n≤0.7nc 柔性轴—工作转速大于第一临界转速的轴, 要求n≥1.3nc 临界转速nc= f (支承方式,支承点距离, 轴径) 小轴—把轴理想化为无质量的带有圆盘的转子 系统来计算轴的临界转速。 大轴—采用等效质量方法 计算方法

77 等效质量方法: 把轴本身的分布质量和轴上各个搅拌器的质量
按等效原理, 分别转化到一个特定点上(如对悬 臂轴为轴末端S ), 累加组成一个集中的等效质量。 把原来复杂多自由度转轴系统简化为无质量轴上 只有一个集中等效质量的单自由度问题。

78 α—悬臂轴两支点间距离，m； nc—临界转速，r/min； ms—轴及搅拌器有效质量在s点的
（8—5） 式中 α—悬臂轴两支点间距离，m； E—轴材料的弹性模量，Pa； I—轴的惯性矩，m4 L1—第1个搅拌器悬臂长度，m； nc—临界转速，r/min； ms—轴及搅拌器有效质量在s点的 等效质量之和， z—搅拌器的数量。

79 等直径悬臂轴、单跨轴的临界转速详细计算见文献[64]
第91～99页。 不同型式的搅拌器、搅拌介质，刚性轴和柔性轴的 工作转速n与临界转速nc的比值可参考表8-11。

80 表8—11 搅拌轴临界转速的选取 搅拌介质 刚性轴 柔性轴 搅拌器(叶片式搅拌器除外) 叶片式搅拌器 高速搅拌器 气体 n/nc≤0.7 不推荐 液体—液体 液体—固体 n/nc≤0.7和 n/nc(0.45～0.55) n/nc= 1.3～1.6 液体—气体 n/nc≤0.6 n/nc≤0.4 注：叶片式搅拌器包括：桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、 三叶后掠式、推进式； 不包括：锚式、框式、螺带式。

81 ⒌按轴封处允许径向位移验算轴径: 轴封处径向位移的大小直接影响密封的性能， 径向位移大，易造成泄漏或密封的失效。 轴封处的径向位移原因： （1）轴承的径向游隙； （2）流体形成的水平推力； （3）搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。 力学模型: 图8-30

82 S’/2 S’’/2 Fhi Fh1 L1 Li L0 图8—30 径向位移 计算模型

83 计算: 分别计算其径向位移，然后叠加，使总径向位移
小于允许的径向位移 ，即 （8—8） 式中 —轴封处的允许径向位移， 通常 mm K3—径向位移系数， 当设计压力p＝0.1～0.6MPa， n＞100r/min时,一般物料K3＝0.3。

84 搅拌轴轴径必须满足强度和临界转速的要求。
当有要求时，还应满足扭转变形、径向总位移的要求。 有关搅拌轴的详细计算及参数的选取见文献[64] 第82 页至第103页。

85 ⒍减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的措施:
(1) 缩短悬臂段搅拌轴的长度 受到端部集中力作用的悬臂梁，其端点挠度与悬臂长度的三次方成正比。 缩短搅拌轴悬臂长度，可以降低梁端的挠度，这是减小挠度最简单的方法，但会改变设备的高径比，影响搅拌效果。

86 (2) 增加轴径 轴径越大，轴端挠度越小。 但轴径增加，与轴连接的零部件均需加大规格，如轴 承、轴封、联轴器等，导致造价增加。 (3) 设置底轴承或中间轴承 设置底轴承或中间轴承改变了轴的支承方式，可减小 搅拌轴的挠度。 但底轴承和中间轴承浸没在物料中，润滑不好，如物 料中有固体颗粒，更易磨损，需经常维修，影响生产。 发展趋势是尽量避免采用底轴承和中间轴承。

87 (4) 设置稳定器 工作原理：稳定器受到介质阻尼作用力的方向与搅拌器 对搅拌轴施加的水平作用力的方向相反，减 少轴的摆动量。 稳定器摆动时，阻尼力与承受阻尼作用的面 积有关，迎液面积越大，阻尼作用越明显， 稳定效果越好。 采用稳定器可改善搅拌设备的 运行性能，延长轴承的寿命

88 圆筒型: 图8-31 稳定器分类 叶片型: 图8-32

89 空心圆筒，安装在搅拌器下面 图8—31 稳定筒

90 （a）叶片切向布置 在搅拌器下面 图8—32 叶片型稳定器

91 (b)叶片安装在轴 上，并与轴垂直 图8—32 叶片型稳定器

92 (c) (d) 叶片安装在轴 上，并与轴垂直 图8—32 叶片型稳定器

93 七、密封装置 (轴封) 作用: a. 保证搅拌设备内处于一定正压或真空 b.避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部杂质渗入 搅拌容器内。 填料密封: 图8-33 机械密封: 图8-35 型式

94 ㈠ 填料密封 特点: 结构简单，制造容易， 适用: 低压、低转速，非腐蚀性和弱腐蚀性介质， 密封要求不高，并允许定期维护的搅拌设备。 ⒈结构及工作原理：图8-33 组成：底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等。

95 工作原理： 靠拧紧压盖螺栓的轴向力使填料产生径向变形而起 密封作用。 填料中含有润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的 同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得到 润滑，另一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体 的渗入，达到密封的目的。

96 存在问题： 填料中的润滑剂会在运转中不断消耗，通过设置在填料中间的油环向填料内加油，保持润滑。 填料密封不可能绝对不漏。增加压紧力，填料紧压在转动轴上，会加速轴与填料间的磨损，使密封更快失效。 在操作过程中应适当调整压盖的压紧力，并需定期更换填料。

97 d 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1—压盖 2—双头螺柱 3—螺母 4—垫圈 5—油杯 6—油环 7—填料 8—本体 9—底环 D3
8—33 填料密封的结构

98 ⒉ 填料 ⑴对材料要求： ①有足够的弹性→能吸收实际不可避免的振动 ②有足够的塑性→压盖压紧下能产生塑性变形 ③耐磨性↑→使用寿命↑ ④耐蚀性↑→耐介质及润滑剂浸泡和腐蚀 ⑤在填料函压盖压得过紧情况下具有运转自如，不产生破坏性 摩擦和热的性能。 非金属: 多用。石棉、聚四氟乙稀、石墨等 金属: 用于高温、高压。铝、紫铜、不锈钢等 ⑵常用材料

99 ⑶ 填料选用: (表8-13) ⑷ 润滑剂: ①作用: a.润滑搅拌轴 b.阻止设备内流体的逸出或外部流体的渗入而达到密封 ②要求: a.含油足以提供恰当的润滑 b.不溶解于所接触的介质 c.不会污染设备内物料 d.对所接触的金属不腐蚀 e.在高温下使用时不易熔出 ③常用润滑剂: 油脂、蓖麻油、甘油、石蜡、石墨等

100 ⑶填料压盖:高度h→保证在填料磨损后拧紧螺栓仍能压紧填料 ⑷填料组承受压紧力分布情况: 最大轴向力作用在与压盖相邻的填料环上, 随后的填料环
⒊ 填料密封箱 ⑴特点: ①在填料箱的压盖上设置衬套→ 可提高装配精度，使轴有良好对中 填料压紧时受力均匀, 保证填料良好密封 ②成型环状填料→密封效果↑（图-34） ⑵填料箱体高度: 由填料圈环数确定 ⑶填料压盖:高度h→保证在填料磨损后拧紧螺栓仍能压紧填料 ⑷填料组承受压紧力分布情况: 最大轴向力作用在与压盖相邻的填料环上, 随后的填料环 的轴向力则逐个减小。∴一个填料组只需二、三个填料环就可 达到密封。但为减轻轴的磨损和保护起密封的环, 可多加一些 填料环。

101 图8—34 压制成型填料

102 表8—12 标准填料箱的允许压力、温度 材料 公称压力/MPa 允许压力范围/MPa (负值指真空) 允许温度范围/℃ 转轴线速度/
表8—12 标准填料箱的允许压力、温度 材料 公称压力/MPa 允许压力范围/MPa (负值指真空) 允许温度范围/℃ 转轴线速度/ (m/s) 碳钢填料箱 常压 ＜0.1 ＜200 ＜1 0.6 －0.03～0.6 ≤200 1.6 －0.03～1.6 －20～300 不锈钢填料箱

103 8—13 填料材料的性能 填料名称 介质极限温度/0C 介质极限压力/MPa 线速度/(m/s) 适用条件（接触介质） 油浸石棉填料 450
8—13 填料材料的性能 填料名称 介质极限温度/0C 介质极限压力/MPa 线速度/(m/s) 适用条件（接触介质） 油浸石棉填料 450 6 蒸汽、空气、工业用水、重质石油产品、弱酸液等 聚四氟乙烯纤维编结填料 250 30 2 强酸、强碱、有机溶剂 聚四氟乙烯石棉盘根 260 25 1 酸碱、强腐蚀性溶液、化学试剂等 石棉线或石棉线与尼龙线浸渍聚四氟乙烯填料 300 弱酸、强碱、各种有机溶剂、液氨、海水、纸浆废液等 柔性石墨填料 250～300 20 醋酸、硼酸、柠檬酸、盐酸、硫化氢、乳酸、硝酸、硫酸、硬脂酸、 水钠、溴、矿物油料、汽油、二甲苯、四氯化碳等 膨体聚四氟乙烯石墨盘根 4 强酸、强碱、有机溶液

104 ㈡ 机械密封 通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称端面密封。 定义： 把转轴的密封面从轴向改为径向。 泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长， 在搅拌反应器中得到广泛地应用。 特点：

105 ⒈ 结构及工作原理: ⑴结构:图8-35,由固定在轴上的动环及弹簧压紧装置、固定 在设备上的静环以及辅助密封圈组成。 ⑵工作原理:当转轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触， 并经轴上弹簧压紧力的作用，阻止容器内介质从 接触面上泄漏。

106 1—弹簧； 2—动环； 3—静环 图8—35 机械密封结构

107 有四个密封点： A点: 动环与轴之间的密封，属静密封 B点: 动环和静环作相对旋转运动时的端面密封，属动密封， 是机械密封的关键 C点: 静环与静环座之间的密封，属静密封 D点: 静环座与设备之间的密封，属静密封 密封面: 动环和静环之间的摩擦面 端面比压: 密封面上单位面积所受的力 比压↑→摩擦↑, 功耗↑, 寿命↓ 比压↓→密封面因压不紧而泄漏，密封失效

108 一对密封面,图8-35 单端面 ⒉ 分类 按密封面 数目分为 二对密封面 双端面 机械密封 分类 平衡型: K＜1, 图8-36 (a) 按密封面负荷 平衡情况分为 非平衡型: K≥1, 图8-36 (b) (c)

109 经过适当的尺寸选择，可使机械密封设计成K＜1，K=1或K＞1。
D2 平衡型机械密封 平衡型密封由于液压负荷面积减小，使接触面上的净负荷也越小。K=0.6～0.9 D1 K＜1 d 图8—36（a）机械密封的K值 p

110 D2 D1 d p D2 D1 d p K>1 K=1 K≥1时： 非平衡型。K=1.1 ～ 1.2 图8—36 (b) 、(c) 机械密封的K值

111 机械密封已标准化，其使用的压力和温度范围见表8—14。
⒊ 机械密封的选用: 当介质为易燃、易爆、有毒物料时，宜选用机械密封。 机械密封已标准化，其使用的压力和温度范围见表8—14。 表8—14 机械密封许用的压力和温度范围 密封面 对数 压力等级/MPa 使用温度/℃ 最大线速度 /(m/s) 介质端材料 单端面 0.6 -20～150 3 碳钢 不锈钢 双端面 1.6 -20～300 2～3

112 ⒋ 对材料要求: ⑴动环、静环: 它们是一对摩擦副, 且在运转时与被密封介质接触 ∴考虑耐磨性及耐腐蚀性。 一般: 动环硬度＞静环硬度, 且不宜用脆性材料. 动环、静环及密封圈材料的组合推荐见表8—15。 ⑵静密封元件: 密封圈

113 表8—15 机械密封常用动环和静环材料组合 介质性质 介质温度/℃ 介质侧 弹簧 结构件 大气侧 动环 静环 辅助密封圈 一般 ＜80
表8—15 机械密封常用动环和静环材料组合 介质性质 介质温度/℃ 介质侧 弹簧 结构件 大气侧 动环 静环 辅助密封圈 一般 ＜80 石墨浸渍树脂 碳化钨 丁睛橡胶 铬镍钢 铬钢 ＞80 氟橡胶 腐蚀性强 橡胶包复聚四氟乙烯 铬镍钼钢

114 ㈢ 机械密封与填料密封比较: 密封面性质 密封力 轴和填料是圆柱形 表面接触 填料密封 靠拧紧压盖螺栓, 使填料发生径向 膨胀而产生。轴运转时, 轴和填料摩擦发生磨损→密封力↓,引起泄漏 动环和静环是环形 平面接触 机械密封 靠弹簧压盖动环和静环产生。两环有微小磨损→密封力基本不变,介质不易泄漏 ∴机械密封比填料密封优越

115 比较项目 填料密封 机械密封 泄漏量 180 ~ 450ml/h 一般平均为填料密封的1% 摩擦功损失 为填料密封的10~15% 轴磨损
有磨损, 用久后需换轴 几乎无磨损 维护及寿命 需经常更换填料 很少需要维护 高参数 高压.高温.高真空.高转速.大直径轴封很难解决 可以 加工及安装 加工要求一般 填料更换方便 动、静环表面光洁度及平直度要求高, 不易加工, 成本高, 装拆不便 对材料要求 一般 动、静环要求较高减磨性能

116 ㈣ 全封闭密封( 磁力搅拌) ⒈适用: 介质为剧毒、易然、易爆、昂贵的物料，高纯度物 资以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料 密封和机械密封均无法满足时的场合。 ⒉工作原理: 套装在输入机械能转子上的外磁转子，和套装在 搅拌轴上的内磁转子，用隔离套使内外转子隔离， 靠内外磁场进行传动，隔离套起到全封闭密封作用。 套在内外轴上的涡磁转子称为磁力联轴器。 平面式联轴器: 图8-37 磁力联轴器的结构 套筒式联轴器: 图8-38

117 1－外轴 2－外磁转子 3－隔离套 4－内磁转子 5－内轴 由装在搅拌轴上的内磁转子和装在电机轴上的外磁转子组成 平面隔离套 图8—37 平面式联轴器

118 1－外磁转子 2－内磁转子 3－隔离套 4－反应器筒体 5－轴承 套筒隔离套 图8—38 套筒式联轴器

119 陶瓷型 金属型 稀土钴 ⒊ 内、外磁转子: 磁力传动关键, 一般采用永久磁钢→ ⒋ 优、缺点： a. 筒体内轴承与介质直接接 触影响了轴承的寿命； b. 隔离套的厚度影响传递力 矩，且转速高时造成较大 的涡流和磁滞等损耗； c. 温度较高时会造成磁性材 料严重退磁而失效，使用 温度受到限制。 a .无接触和摩擦，功耗 小，效率高； b. 超载时内外磁转子相对 滑脱，可保护电机过 载； c .可承受较高压力，且维 护工作量小。

120 ㈤ 气体润滑机械密封 在动环或静环的密封面上开有螺旋形的槽及孔。 当旋转时利用缓冲气，密封面之间引入气体，使动环和静环之间产生气体动压及静压，密封面不接触，分离微米级距离，起到密封作用。 ⒈ 基本原理： ⒉ 特点: a.与常规机械密封相比，使用寿命长，可达4年以上， 不需要润滑油系统及冷却系统，维护方便，避免了 产品的污染 b.与全封闭密封相比，运行费用少，传递功率不受 限制，投资成本低，维护方便。

121 ⒊ 应用:适合于反应设备内无菌、无油的工艺要求，特别适用于
高温、有毒气体等特殊要求的场合。

122 电动机 八、传动装置 减速机 包括 图8-39 联轴器 机架

123 1—电动机； 2—减速机； 3—联轴器； 4—支架； 5—搅拌轴； 6—轴封装置； 7—凸缘； 8—上封头 轴承 图8—39 传动装置

124 ㈠ 电机 ⒈电机功率: （8—10） 式中 Ps—轴封消耗功率，kW； η—传动系统的机械效率。 P —搅拌功率 ⒉ 选型：

125 ㈡ 减速机选型 考虑： 载荷变化、有振动、连续生产。 摆线针轮行星减速机、齿轮减速机、三角皮带减速机以及圆柱蜗杆减速机。表8-16 常用： 根据功率、转速。 选用时应优先考虑传动效率高的齿轮减速机和 摆线针轮行星减速机。 选用原则：

126 表8—16 四种常用减速机的基本特性 特性参数 减速机类型 摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 传动比i
表8—16 四种常用减速机的基本特性 特性参数 减速机类型 摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 传动比i 87～9 12～6 4.53～2.96 80～15 输出轴转速/(r/min) 17～160 65～250 200～500 12～100 输入功率/kW 0.04～55 0.55～315 0.55～200 0.55～55 传动效率 0.9～0.95 0.95～0.96 0.80～0.93 传动原理 利用少齿差内啮合行星传动 两级同中距并流式斜齿轮传动 单级三角皮带传动 圆弧齿圆柱蜗杆传动

127 表8—16 四种常用减速机的基本特性（续） 特性参数 减速机类型 摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 主要特点
表8—16 四种常用减速机的基本特性（续） 特性参数 减速机类型 摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 主要特点 传动效率高，传动比大，结构紧凑，拆装方便，寿命长，重量轻，体积小，承载能力高，工作平稳。对过载和冲击载荷有较强的承受能力，允许正反转，可用于防爆要求。 在相同传动比范围内具有体积小，传动效率高，制造成本低，结构简单，装配检修方便，可以正反转，不允许承受外加轴向载荷，可用于防爆要求。 结构简单，过载时能打滑，可起安全保护作用，但传动比不能保持精确，不能用于防爆要求。 凹凸圆弧齿廓啮合，磨损小，发热低，效率高，承载能力高，体积小，重量轻，结构紧凑，广泛用于搪玻璃反应罐，可用于防爆要求。

128 适用于电动机或减速机可作为一个支点，或容器内可设置中间轴承和底轴承的情况
㈢ 机架 一般仅适用于传递小功率和小的轴向载荷的条件 无支点机架 适用于电动机或减速机可作为一个支点，或容器内可设置中间轴承和底轴承的情况 ⒈ 类型 单支点机架（图8—40） 双支点机架（图8—41） 适用于悬臂轴

129 机架 轴承 图8—40 单支点机架

130 机架 上轴承 下轴承 图8—41 双支点机架

131 悬臂式 单跨式 ⒉ 搅拌轴支承 由于筒体内不设置中间轴承或底轴承，维护检修方便，特别对卫生要求高的生物反应器，减少了筒体内的构件，应优先采用悬臂轴。