第二十章搅拌反应设备

1、,化工设备机械基础,制作与设计 徐龙贵,第二十章 搅拌反应设备,主要内容：,概述 斧体与传热装置 搅拌装置 传动装置 轴封装置,20-1 概述,反应釜,为反应提供反应空间和反应条件的反应设备,搅拌方法,机械搅拌、气流搅拌、射流搅拌、静态（管道）搅拌和电磁搅拌,机械搅拌应用最早，机械搅拌反应釜简称搅拌反应釜,应 用,各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程 合成塑料、合成纤维、合成橡胶、医药、农药化肥、染料涂料、食品、冶金等行业 混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收等操作,搅拌的目的,使不相溶液体混合均匀，制备均匀混合液、 乳化液，强化传质过程 使气体在液体中充分分散，强化传

2、质或化学反应 制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解、浸取 或液-固化学反应 强化传热，防止局部过热或过冷,搅拌反应釜的基本结构,搅拌反应釜,反应釜,提供反应空间和反应条件的部件如蛇管、夹套等,搅拌装置,由搅拌轴和搅拌器组成,传动装置,为搅拌器提供搅拌动力和相应的条件,轴封装置,封住釜体内的液体不致泄露,搅拌反应釜机械设计的依据,工艺要求：包括反应釜的容积、最大工作压力、工作温度、工作介 质及腐蚀情况、传热面积、换热方式、搅拌形式、转速及功率、接口管方位与尺寸的 确定等。,搅拌反应釜机械设计的内容,确定搅拌反应的结构形式和尺寸； 选择材料； 计算强度或稳定性； 选用主要零部件； 绘制图样 提出技术要

3、求。,20-2 釜体与传热装置,常用传热方式有两种：夹套式壁外传热结构和釜体内部蛇管传热结构,釜体几何尺寸的确定,一、选取反应釜的h/ di,二、选取反应釜的装料系数,一般可取0.60.8 反应过程产生泡沫或呈沸腾状态 取0.60.7 反应状态平稳 取0.80.85,釜体的容积v与操作容积vo应有如下关系：vo= v,三、确定反应釜的内径 di 和高度 h,夹套的结构与尺寸,夹套的主要结构形式有整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等，其适用的温度和压力范围如表20-2所示.,一、整体夹套,(1)整体夹套的结构形式,图20-4（a）为圆筒型夹套，传热面积小，适用于换热量不大的场合；图20-4

4、（b）为u形夹套，是最常用的典型结构；图20-4（c)为分段式夹套，适用于釜体细长的场合；图20-4（d）为全包式夹套，传热面积最大。,(2)夹套与釜体的连接方式,连接方式有可拆式连接和不可拆式连接,（a）可拆式连接适应于需要检修内筒外表面以及定期更换夹 套，或者由于特殊要求夹套与内筒之间不能焊接的场合图。,(b)较常用，加工简单，密封可靠,(3)夹套上介质的进出口,用蒸汽作为载热体时，蒸汽从上端进入夹套，冷凝液从底部排除；用液体作为冷凝液时，从下端进，上端出，为加强传热效果，可在釜体外壁焊接螺旋导流板。,(4)夹套的尺寸,hj-夹套筒体高度 dj -夹套内径,当反应釜筒体与上封头采用法兰连接

5、时，夹套顶 折应在法兰下150200mm处（参见图20-5（b） 当反 应釜具有悬挂短座时应考虑避免因夹套顶部位置而影响短座的焊接。,还应考虑,二、型钢夹套,优点：能承受更高的压力 缺点：制造难度增加,三、半圆管夹套,优点：加工方便 缺点：焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时 易造成焊接变形,四、蜂窝夹套,蜂窝夹套是以整体夹套为基础采取折边或短管等加强措施以提高筒体的刚度和夹套的承载能力，减小流道面积，从而减小筒体厚度，强化传热效果。,釜体和夹套壁厚的确定,一、釜体,（1）壁厚确定,不带夹套受内压时，筒体与上下封头均按内压容器设计 真空反应器按承受外压设计 带夹套时，按承受内压和外压分别计算,（2

6、）水压试验,二、夹套,蛇管的布置,蛇管优点：热量损失小，传热效果 缺点：检修麻烦,一、蛇管的长度与排布,蛇管不宜太长，长径比可按表20-4选取,为减小蛇管长度，又不影响传热面积，可采用多根蛇管串级使用，形成同心圆的蛇管组,二、蛇管的固定,蛇管中心圆直径较小或圈数不多时，无需另设短架固管 中心圆直径较大或有振动时，安装短架固管。短架结构如图,工艺接管,工艺接管包括进、出料接管，仪表接管，温度计及压力表接管等，其结构与容器接管结构基本相同。,一、进料管,进料管从顶端引入，在管端开45切口 结构有固定式、可拆式、内伸式三种,二、出料管,出料有上出料和下出料两种方式 采用上出料：反应釜内液体物料需要被

7、输送到位置更 高或与它并列的另一设备 采用下出料：反应釜内物料需放入位置较低的设备以及物料粘稠或物料含有固体颗粒,20-3 搅拌装置,搅拌器的形式与选用,结构简单，浆页一般以扁钢制造，有平直页和折页两种，折页比平直页搅拌更均匀,一、桨式搅拌器,二、涡轮式搅拌器,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，并能处理黏度范围很广的流体。,三、锚式和框式搅拌器,适用于有固体沉淀或容易挂料的场合,四、推进式搅拌器及其他形式搅拌器,搅拌器的选型,一、搅拌目的选型,一、按搅拌器形式和试用条件选型,流型,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

8、流体在搅拌釜内循环流动。这种循环流动的途径称为流型。,流型概念,对 于顶插入式中心安装的立式圆筒有三种基本流型 ：径向流、轴向流、切向流,挡板附件,搅拌附件通常指挡板和导流筒,一、挡 板,为了消除“圆柱回旋区”和“打旋”现象，在反应釜中设置挡板。 挡板分为竖挡板和横挡板两种，竖挡板较常用,二、导流筒,提高了对筒内液体的搅拌程度，加强了搅拌器对液体的直接机械剪切作用； 确定了充分循环的流型，使反应釜内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，减小了走短路的机会。,结论：提高混合效率,搅拌轴,一、搅拌轴直径的确定,根据强度条件和刚度条件初步确定搅拌轴直径,（1）搅拌轴的强度计算,（2）搅拌轴的刚度计算

9、,二、搅拌轴的临界转速,临界转速nc,三、搅拌轴的支承,20-4 传动装置,电动机,pe为电动机功率， kw ； pa 为搅拌功率 ，kw； pf 为轴封摩擦损失功率，kw； 为传动系统的机械效率,减速器,反应釜用立式减速器主要有两级齿轮减速器、带减速器和摆线针轮 、行星减速器、谐波减速器。,20-5 轴封装置,概 念,防止介质从转动轴与封头之间的间隙泄漏的密封装置,分 类,填料密封,机械密封,结构简单，宜于制造，适用于低温低压场合,填料密封耗功小、泄露量低、密封可靠，广泛应用于搅拌反应釜密封,一、填料密封,（1）填料的结构和工作原理,填料中含有一定量的润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的同时形

10、成一层极薄的液膜，它一方面使搅拌轴得到润滑，另一方面阻止设备内流体逸出或外部流体渗入而达到密封作用。,工作原理,基本要求,（1）富有弹性 （2）良好的耐磨性。 （3）与搅拌轴的摩擦因数小 （4）良好的导热性 （5）耐介质及润滑剂的浸和 腐蚀。,具体选用参见填料材料选用表20-9，p125,（2）填 料,（3）填 料 箱,使用条件按照行业标准hg 21537.18,二、机械密封,1、机械密封的结构和工作原理,由于弹簧的作用，使动环紧紧压在静环上，而静环静止不动，这样东环和静环相接触的环形端面就阻止了介质的泄露。,2、机械密封的结构形式,（1）单端面和双端面,单端面,结构简单，制造拆卸容易，适用于操作压力低和密封要求一般的场合,单端面,适用于密封要求严格和操作压力较高的场合,（2）大弹簧和小弹簧,大弹簧,又称单弹簧，结构简单，用于轴径小于22mm的情况,小弹簧,又称多弹簧，弹簧力分布均匀，用于轴径大于28mm和密封力较高时的情况,（3）内装式和外装式,搅拌反应釜所用机械密封多为外装式 优点