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文献综述

 

在食品工业中搅拌釜是常用的典型设备之一，它是一种在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液体以及液体与固体或气体物料混匀，实现搅拌混合、调和、均质的作用，加速化学反应，物料混合，防止物料沉淀，加强换热效率等促进其物理或化学反应的设备。在多数伴有热效应的搅拌过程中，全部(或部分)过程需维持在一定温度下，因此，研究搅拌设备内物料的加热或冷却 过程具有重要意义[1,2]. INTER-MIG 桨是一种多段逆流搅拌桨，适用于低、中黏度的液体混合、固体颗粒悬浮、液液分散和传质传热等过程，特别适用于过度湍流域的操作[3].  目前，对搅拌釜的研究多集中于搅拌釜内流场[4−6]，Delaplace 等[7]采用热流传感器在非标准螺旋搅拌桨的夹套搅拌釜中测定了瞬时传热系数；本课题以SOLIDWORKS软件为工具，以搅拌釜夹层釜体为研究对象,应用SOLIDWORKS软件对其在不同工况下的蒸汽流通，热传导，保温进行计算， 分析和验证设计结果。

关键词：搅拌釜；建模；夹层釜体；

搅拌容器常被称作搅拌釜，搅拌釜是化工生产中使用的典型设备之一。由于化学工艺过程的种种化学变化，是以参加反应的介质的充分混合为前提的，对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程，也往往采用搅拌操作，才能获得更好的效果。实现搅拌的方法有机械搅拌、气流搅拌、射流搅拌、静态（管道）搅拌和电磁搅拌等。其中机械搅拌应用最早，现如今也被广泛应用。搅拌釜是食品工业中常用的典型设备之一，还广泛应用于树脂、食品、建材、饮料、化工、制药、生物工程、涂料、果酒、颜料、调味品、精细化工、油脂、科研等行业中常用的中间缓冲、储液、搅拌、调配设备。

搅拌釜由搅拌器和釜体组成，搅拌器包括传动装置，搅拌轴（含轴封），叶轮（搅拌桨）；釜体包括筒体，夹套和内件，盘管，导流筒等。管口配置有人孔、进料口、出料口、视镜、射灯、呼吸口、CIP（配万向清洗球）、温度表、温度传感器、冷热介质进出口等工艺管口。

在含能化合物的制备过程中常常伴有强放热反应，反应放热量大，而且放热速度快。如果反应热不能及时移出，会导致反应热积蓄，出现局部热点，不仅会产生大量副产物，甚至引发安全问题。合成含能化合物的反应荃仅采用夹套通常难以达到换热要求，一般采用内置螺旋盘管来增加换热面积。相比夹套，螺旋盘管有更好的换热性能。螺旋盘管内流体在流动中连续地改变方向，管内流体在离心力的作用下引发二次环流，加剧了扰动，强化了对流传热。一般含能化合物的生产都在低温下进行，如合成的销化反应温度在°左右，化合物的合成需要在°的超低温条件下进行，超低温导致反应体系點度很大，给反应热的及时移出带来很大难度。在含能化合物合成拔拌圣的冷却过程中，螺旋盘管内冷却流体一般在瑞流状态下换热，盘管内侧对流换热系数较大，而檢拌签中反应体系點度较大，反应物常处于层流状态下，圣内盘管外侧对流换热系数较小，这正是拔拌签换热效果不好的直接原因。因此，对挽拌圣内对流传热过进

行强化对含能化合物的安全生产有重要意义。

 

 

1.1 搅拌釜的发展历程

反应釜自1912年发明以来取得迅猛发展，至今全球仍以每年3—5%的速度递增。全世界反应釜的消费总量达3500万。我国正处于反应釜生产和消费应用的高速增长期，已广泛应用于石油、化工、轻工、食品、酿酒、制药、家电、水电、机械、建筑、市政和各种民用器具中。1990年我国反应釜消费量为26万吨，1999年为153万吨，2000年为173万吨，2001年为225万吨，2004年反应釜消费量达到447万吨左右，居全世界第一位，预计2006年反应釜消费量将达到600万吨以上，其中铬镍奥氏体反应釜的消费量占反应釜总消费量的75%—80%。

搅拌釜行业在几十年的发展中，经历了从无到有、从小到大的成长历程。虽然我国搅拌釜设备行业起步较晚，但是依托于我国机械工业的迅猛发展，搅拌釜设备行业的市场需求量与日俱增。

1.2 国内外研究的成果

反应釜设备主要适用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等行业，常用的反应釜设备，如钛反应釜、实验室反应釜、不锈钢反应釜、磁力反应釜等设备，我国均能生产满足市场供应，对于一些较新型的技术也都已开发研究。

在食品加工中，各种面浆、混合乳液、原料糖浆的制备，以及糖果生产中的溶糖操作，都是采用搅拌釜实现的。

1.3 比较分析国内外研究成果

当前，我国反应釜设备在国内市场占有率颇高，但是竞争也相当激烈。其焦点主要集中在技术水平、产品质量、价格方面与售后服务。我国目前的反应釜设备对国内来说供应充足，但是难以与国外抗衡，主要原因是核心技术掌握不足，由于我国反应釜设备的生产技术与国外相比有差距，国内企业规模比较小产业集中度不高。

技术落后使我国反应釜设备领域面临发展困局，由于规模和应用都较小，没有形成足够的规模化应用，一方面在国内竞争激烈下企业生存空间受到影响，另一方面在国际上没有优势，与外商企业的产品相比没有缺乏竞争力。

1.4 今后发展的方向

推动新技术、新工艺的发展，加强标准与科研、特别是国家重大科技项目研究的联系，引导科研和技术先进的骨干企业，将自主创新的成果转化为标准，推动新技术、新工艺的发展。对促进搅拌釜设备产业的发展，对堵住或减少进口产品有很大的作用。

将一批新产品、新技术转化为标准，降低成本，提高了效益，优化了产品功能，并使新产品和新技术迅速得到市场的认可，促进了产业的进步，是搅拌釜设备新的发展思路。发展节能降耗、新型材料等方面的标准，促进产业结构调整。在降低能耗方面，大力发展流阻小、损耗小的产品。在节电方面，重点是搅拌釜设备的电动装置，通过选用低能耗低噪声的电机。以及对电动装置结构的改进，控制电动装置的能耗。

我国自然资源有限，因此制定节电、节水、节材方面的标准是搅拌釜行业标准的发展方向之一。加快淘汰效率低、能耗大的产品，调整产业结构，促进新技术、新产品的开发和推广应用。搅拌釜设备在节材方面，重点是研究新型材料，用新型材料代替金属材料，达到节约钢材和贵重金属的目的。搅拌釜设备采用新型材料新工艺，提高了产品的耐磨性、防腐性，大大延长了设备的寿命。而且对环境保护起到积极的推进作用。

今后几年，我国反应釜设备需求将进一步增长。这就要求企业不断对技术进行创新，生产满足市场需求的产品。

2.1 主要功能及应用

Solidworks是一套高度集成的CAD/CAE/CAM一体化软件，采用用户熟悉的windows图形界面，操作简便、易学易用，被广泛应用于机械、汽车和航空等领域，是一个产品级的设计和制造系统。利用Solidworks建模后可以运用插件Solidworks Simulstion进行分析和优化。

2.2 建模模块介绍

Solidworks提供了十分强大的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、扫描、放样、特征的阵列以及孔等操作来实现产品的设计；通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现现实时的设计修改；solidworks中提供的三维草图功能可以为扫描、放样等特征生成三维草图路径或为管道、电缆线和管线生成路径。通过带控制线的扫描曲面、放样曲面、边界曲面以及拖动可控制的相切操作，产生非常复杂的曲面，并可以直观地对已存在曲面进行修剪、延伸、缝合和圆角等操作。

在当今社会产品的设计中降低成本而不损坏质量是至关重要的，本课题以立式搅拌釜夹层釜体的优化设计为例，利用SolidWorks对立式搅拌釜进行三维建模，并对它进行优化分析。可以直观的看到应力、应变、位移图解。然后对所设计的搅拌釜进行优化，得到符合要求的最佳设计尺寸。从而缩短了设计的周期，降低成本节省时间，减轻设计人员的工作量。这对解决一些在现实中难以实现的问题提供了新的思路，加速工业的发展。

[1] 濮良贵主编.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006,5.

[2] 葛文杰主编.机械原理[M].西安:西北工业大学出版社，2007.6.

[3] 唐伟强主编.食品通用机械与设备[M].广州:华南理工大学出版社,2010.3.

[4] 李福宝，李勤主编.压力容器及过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2010.1.

[5] 蔡纪宁，张莉彦主编.化工设备机械基础课程设计指导书（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2010.8.

[6] 赵军，张有忱，段成红主编.化工设备机械基础（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[7] Olney B R，Carlson J G．Power absorption in mixers[J]．Chem Eng Sci，1947，43(9)：473—480．

[8] 闻邦椿主编.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.1.

[9] 贺匡国主编.化工容器及设备简明设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.4.

[10] 编委会主编.最新压力容器设计手册[M].宁夏：宁夏大地音像出版社，2006.5.

[11] American Society of Mechanical Engineers.ASME Boiler andPressure Vessel Code[M] .NewYork:ASME,1983.

[12] BS 5500.Unifired Fusion Welded Pressure Vessels[S] .BritishStandards Institution, 1976. 

[13] GOST24755-89( STSEV1639-88) VesselsandApparatuses,Codesand Methods of Calculation on Strength of Reinforcement ofOpening[S] . British Standards Institution, 1989.

[14] JB4732-95, 钢制压力容器- 分析设计标准[S] .北京:全国压力容器标准化技术委员会,1995.

[15] 马青山，聂毅强，包雨云等．搅拌槽内三维流场的数值模拟[J]．化工学报，2003，54(5)：612—618．

[16] 沈健, 朱仁胜, 赵韩主编.单自由度微位移机构柔性铰链的研究[J] .上海交通大学学报,2004,38(4) :932-936.

[17] 湛迪强主编.SolidWorks 2014快速入门、进阶与精通[M].北京:电子工业出版社,2014.3.

[18] DS Solidworks®公司著，杭州新迪数字工程系统有限公司编译.Solisworks® Simulation 基础教程[M].北京：机械工业出版社，2012.5.

[19] DS Solidworks®公司著，杭州新迪数字工程系统有限公司编译.Solisworks® Simulation 高级教程[M].北京：机械工业出版社，2013.4.