立式搅拌反应釜设计说明

1、立式搅拌反应釜工艺设计1. 推荐的设计程序1.1工艺设计1、做出流程简图；2、计算反应器体积；3、确定反应器直径和高度；4、选择搅拌器型式和规格；5、按生产任务计算换热量；6、选定载热体并计算K值；7、计算传热面积；8计算传热装置的工艺尺寸；9、计算搅拌轴功率；1.2绘制反应釜工艺尺寸图1.3编写设计说明书2. 釜式反应器的工艺设计2.1反应釜体积的计算2.1.1间歇釜式反应器Vs=VR 0(2-1 )V D=R(t+t o)(2-2 )式中V a反应器的体积，m5 ；Vr反应器的有效体积，m?。Vd每天需要处理物料的体积，3m。Fv平均每小时需处理的物料体积,m?h ；to 非反应时间，h；

2、t 反应时间，h ；xa dxAtnA。门(2-3 )0aVr等温等容情况下-XA dxAtCA0 0 .(2-4 )对于零级反应CA0Xa(2-5 )对一级反应1亠k 1 Xa(2-6 )对二级反应 2A t P; A+BP (CAc=CBo)kCXA0(2-7 )A0Xa(2-8 )(H/D)，以确定罐体直径和其中 V封一一封头容积,对二级反应 A+B t P1 In k Cbo Cao 1 Xa装料系数，一般为 0 40 85,具体数值可按下列情况确定: 不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜0 80 85;带搅拌的反应釜070 8;易起泡沫和在沸腾下操作的设备0 40 6。2.2反应器直径和高度的

3、计算在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比 高度。长径比的确定通常采用经验值，即2-1表2-1 罐体长径比经验表种类罐体物料类型H/D般搅拌罐液一固或液一液相物料11.3气一液相物料12发酵罐类1.72.5在确定了长径比和装料系数之后，先忽略罐底容积，此时23 HV -Di H -Di(2-9)44Di选择合适的高径比，将上式计算结果圆整成标准直径。 椭圆封头选择标准件，其径与筒体径 相同。可参照化工设备机械基础课程设计指导书的附录查找。通过式(2-10 )得出罐体高度。(2-10 )2.3搅拌器的选择搅拌器的作用是使釜物料混合均匀。搅拌器的类型很多， 分为：推进式、桨式、涡轮式

4、、锚式、框式、螺杆式、螺带式等，搅拌器选型时，主要考虑：（1）保证从反应器壁或浸入式热交换装置到反应混合物能有高的给热系数。（2）具有显著的搅拌效果，特别是对多相反应。（3）搅拌所消耗的能量应尽可能小。搅拌器尺寸与转速的大小与搅拌目的及被搅拌物料的物性有关。例如，均相液相的混合与固体的溶解对转速的要求较低。而非均相液体的乳化或气相的分散则要求较高的转速。对黏度小的液体，搅拌器的作用围较大，可用较小直径的搅拌叶。液体的黏度很高时，则搅拌器的有效作用围变小， 需要较大的搅拌器。 对于要不断清除釜壁上析出的固体物料时，则需要采用直径接近釜体径的锚式搅拌器。搅拌器结构的确定按标准构型搅拌装置考虑。表2

5、-2搅拌器型式选择搅拌器型式涡轮式浆式推进式折叶开启涡轮式锚式螺杆式螺带式流动状态对流循环VVVVVVV湍流扩散VVVV剪切流VV搅拌目的低黏度液体 混合VVVV高黏度液体 混合及传热VVVVV分散VVV溶解VVVVVVV固体悬浮VVVV气体吸收VV结晶VV传热VVVV液相反应VVVV搅拌设备容量（m31100120011000110001100150150转速（转/分钟）10300103001005001030011000.5500.550最高黏度Pa-s50250501001001002.4搅拌器转速的确定搅拌速的确定根据经验确定，表2-3列举了常用类型搅拌器的尺寸围与转速围。若物料粘度不

6、是太高，通常转速在80120转/分。表2-3几种常用类型就搅拌器的尺寸围与转速围类型主要尺寸围转速围（r/min）备注浆式D/T=1/22/3 ； D/W=410D/T=1/31/2 ； D/W=410Z=24206060120T:釜径D:搅拌器直径L :搅拌器叶长 Z:搅拌器叶数 W搅拌器宽度 S:叶轮间距C:搅拌器边缘与 釜壁间距推进式D/T=1/22/3，S/D=1Z=23200800涡轮式开式：D/T=1/52/5 ； D/W=58 圆盘式：D:L:W=20:5:4Z=6200550框式（锚式）C/T=1/202/25D/T=2/39/1060(小型)30(大型)搅拌器转速、直径与叶段

7、切线之间有如下关系u n D（ 2-11）u叶端切线速度，m/sn转速，r/sD直径，m叶端切线速度反映了搅拌作用的剧烈程度，根据搅拌目的、物料性质等确定叶端切线 速度，u的值大致围如下：（1）浆式，u=1.0-3.0（ m/s）；（2）推进式，u=4.0-15.0 （ m/s）；（3）涡轮式，u=2.5-6.5（ m/s）。一直设备径T以及D/T值以后，可计算需要的转速(2-12)(2-13)n 60 r/minD2.5搅拌功率的计算2.5.1对均相液一液系统关联式Np K Rex Fry其中NpRed2n匸n2dFr或者NpxFrPyKRen3d5 n2d yg(2-14 )(1)对于不打

8、旋的系统Np KRexP 5pn3d5其中N p功率准数；Re叶轮雷诺数；Fr弗鲁德准数；P功率消耗，Wg重力加速度，m/s ；N 叶轮转速，转/s ;参考经验值D 叶轮直径，m；液体密度，kg/m3;液体粘度，Pa. S;K系统几何构型的总形状系数。一功率函数或N可由功率曲线图上查出。或用下述公式计算：Re10P K2 N D(2-16)(2)对无挡板而 Re300的搅拌系统，不能忽略重力影响时，须用式 2-11 , 其中(2-17 )lg ReyK、K2值及、值可由表2-4和表2-5上查得。表2-4搅拌器的K1和K2值搅拌器KK2搅拌器KK2螺旋桨式，三叶片螺距=D41.00.32双叶单平

9、桨式D/W=443.02.25螺距=2D43.51.00=636.51.60涡轮式，四个平片70.04.50=833.01.15六个平片71.06.10四叶双平桨式 D/W=649.02.75六个弯片70.04.80六叶三平桨式 D/W=671.03.82扇形涡轮70.01.65表2-5 Re300时搅拌器的和值形式螺旋桨式涡轮式六个平片D/T0.480.370.330.300.200.300.332.62.32.11.701.01.040.018.018.018.018.018.040.0当搅拌器的形式在文献上查不到功率曲线；可根据搅拌器的形状因子对构型相近的搅拌器的功率曲线加以校正，估算出

10、该装置的功率值。(1)叶轮直径与器径比对径向流叶轮（平桨、涡轮），湍流态下:NpD 1.2(2-18 )对轴向流叶轮，湍流态下:其中(2)T 容器直径。叶片宽度W叶片数目nbNpD 0.9(2-19 )对六叶片盘式涡轮:W/D=0.2 0.5.叶片宽度W对平桨和涡轮:0.30.4Np(2-20 )0.67Np(2-21 ).涡轮nb的影响:湍流搅拌:Np0.495nb(2-22 )层流搅拌:Np0.327nb(2-23 )0.70.8(2-24 )以六叶片涡轮为基准：Np其中：nb叶片数目随叶片数目的减少， 平叶片涡轮的排液量降低， 而弯叶片涡轮排液量降低不多，但功率消耗降低。在层流时弯叶片涡

11、轮与平直叶片涡轮的功率消耗相同，但在湍流时弯叶片的功率消耗低于平直叶片。（3）叶层深度H0.6Np(2-25 )旦T对高粘度液体上式的指数近似于0,功率消耗与液深无关。（4） 对低、中粘度液体，叶轮安装高度H对功率无影响；对高粘度液体，叶轮近液面 （H=0.9T ）时功率消耗低，反之高。（5）各种涡轮其叶轮间距距离 S对功率输入的影响见精细化工过程及设备（濮存恬，化学工业，2005 )。2.5.2非均相液-液体系对于非均相的液-液体系，由于两相的存在，其物性与均相体系是不相同的。在计算其搅拌功率时，须先求出两相的平均密度和平均黏度,再用均相液体体系搅拌功率的计算方法和计算公式来求取液-液非均相

12、体系的搅拌功率。平均密度的计算:(2-26)d :分散相的密度c :连续相的密度:分散相的体积分率平均黏度的计算(1 )(1)两相液体黏度较低时(2-27)d :分散相黏度分散相黏度(2)两相液体黏度较高时2.50.4(2-28)(3 )对于常见的水和有机溶剂体系，当水的体积分率在40%以上时(2-29)1.5当水的体积分率在 40%以下时(2-30)w :水相的黏度0 :有机溶剂的黏度w :水相的体积分率0 :有机溶剂的体积分率2.5.3固-液非均相体系的搅拌功率对于固相含量不大，能形成均一的悬浮状态的固-液体系，在计算器搅拌功率时，可以应用平均黏度和平均密度，按照均相液体的计算方法和计算公

13、式求得。（1 ）平均密度的计算其中固相为分散相（2 ）平均黏度的计算当 W1时，d1c(2-31 )当1时，12.5(2-32 )1 4.5(2-33 ):液体相的黏度:固体相与液体相的溶积比2.5.4气-液非均相体系的搅拌功率气液体系的搅拌功率比单纯液体的搅拌功率低，其降低的程度与桨叶附近的气泡分散状态有关，用无因此的通气系数Na表示浆叶附近的气泡分散程度。Qand3(2-34)3Q ：通气速率m/s在实际求取气液体系的搅拌功率Rg时，须按照通气时的操作条件计算单纯液体的搅拌功率FS，再根据Na由图或者公式（2-35）求取FSg。计，P123）（左识之，精细化工反应器及车间工艺设20.115

14、,Psg“cd4.38nd2log 刁 192 dD(2-35)2.5.5锚式和框式搅拌器功率的计算锚式和框式搅拌器功率的计算可以采用永田进治式。NpA30.66 pB 101.2 Resh0.35 B1.2ResB30.66103.2 ResDsin（2-36）A142670 0.6D D185（2-37）B1021.3 4 B D 0.51.14 d D（2-38）P1.14BD 2叫 .527bd4（2-39）B:叶片宽度:浆叶平面与叶轮旋转平面之间的夹角。当高黏度下操作，Res很小，永田进治公式右边第二项可以忽略，可以使用式(2-40)ARes当d D 0.9时，仍用式（2-37 ）计

15、算A当dD0.9时，可用式（2-41 ）计算A12d(2-41)2.6电动机功率的确定mqPm在求算电动机功率时，可用下式表示:(2-42)R稳定条件下，搅拌器在不带附属装置的容器运转的功率,mi同一种附件的个数；qi每一种附件的功率增加率。P填料函的摩擦消耗功率，其值取决于填料函的结构;传动装置的机械效率。表2-6各种附件的功率增加率q设备附件的名称推进式桨式涡轮式框式压料管0.100.200.200.20温度计管或浮球液位计0.050.100.100.100.150.300.300.30两根中心角大于 90的垂直官沿器壁布置的螺旋状蛇管一0.20一一直径为容器直径 0 0330 54倍布置

16、在器底 的螺旋状蛇管2.53.0固定推进器导流筒的零件0.05一一一（1）填料函的摩擦功率 R对于填料密封，其摩擦损失功率可取为搅拌功率的10%但不能小于373W；对于机械密封，其摩擦功率约为填料密封的10%15%（2）机械传动效率电动机通过各种传动装置将能量传给搅拌器时，由于摩擦作用，必定消耗一部分能量。其传动装置的机械效率可参见精细化工反应过程与设备（晓娟，中国石化，2008 ；第77页）2.7反应釜的热量衡算热量衡算按照能量守恒定律，传热设备的热量衡算由下式计算：Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6（ 2-43）其中，Q 物料带入设备的热量，kJQ加热剂或者冷却剂传递的热量（加热剂加入热量

17、为“+”，冷却剂吸收热量为“一”），kJQ过程的热效应（放热为“+”，吸热为“一”，与热焓符号正好相反），kJQ离开设备物料带走的热量，kJQ设备各部件所消耗的热量，kJQ设备的热损失，kJ要计算传热设备的热负荷，就是要求出其中Q的值。以下分别计算各部分的热量。一般以进料温度作为基准计算比较方便。Qi Q4GiCpi t to（2-44 ）Q和Q是在反应过程中热量的损失，在工业上一般估计Q +Q=15%Q22.7.1过程热效应的计算Q3=Q+QQ 化学反应热效应，kJ(2-45)Q物理过程热效应，kJ1000G a 0-MTqr(2-46)q r 标准化学反应热，kJ/molGA参加化学反应的

18、 A的质量，kg MA的分子量不管是间歇式反应器还是连续式反应器，在计算传热面积的热负荷以及加热剂或者冷却剂的量时，必须以小时作基准。在精细化工生产过程中经常遇到组分混合、稀释和浓缩问题，这些过程往往有热效应产生。一般物质水溶液浓度变化时，其热效应的数值不大，可忽略不计。但是强酸、强碱类物 质水溶液浓度变化时热效应较大，必须计入。其热效应可以是正的（放热），也可以是负的（吸热）。其热效应可通过积分熔解热或者无限稀释热计算浓度变化热。物质的积分熔解热和无限稀释热数值可以从相关化工手册中获得，也可以通过有关公式或者图表获得。2.8总传热系数K的确定反应器是进行化学反应的设备，化学反应过程常伴有放热

19、或者吸热反应，为了维持最佳的反应温度，反应器中必须设置传热装置。一般的搅拌釜是在釜体的部或外部设置供加热或冷却用的传热装置，通常为釜体外部夹套或釜蛇管。2.8.1 夹套传热装置夹套一般由普通碳钢制备，它是套在反应器筒外能形成密封空间的容器，既简单又方便。为了强化传热，在夹套常采用螺旋导流板。夹套筒器身的间距视容器公称直径的大小采用不同的数值，一般为 25100 mm夹套的高度取决于工艺要求的传热面积，但一般不能低 于料液的高度，应比液面高度高出50100 mm以保证传热。通常加套的压力不能超过1000kPa,夹套传热的优点是结构简单，耐腐蚀，适应性强。但是传热效率不太高。计算K值的基准面积，习

20、惯上常用设备的外表面积A。，当Ao/A i2时近似按平壁计算，即A Am Ao。在计算给热系数不考虑锅壁厚度的影响。11锅内夹套Rz(2-47 )式中K总传热系数，w/m 给热系数，W/rnC；艮- 污垢热阻，nf -C /W;反应器壁厚，m;设备壁导热系数， W/m-Co(1)污垢热阻污垢热阻通常采用经验值，常用污垢热阻大致围如表2-7所示。表2-7热交换表面垢层系数R载热体流速1 m/s流速 1 m/s载热体流速 1 m/s水 50 C煤气0.002井水0.00020.0002空气0.0001河水0.00010.00060.00020.0004有机蒸汽0.0001硬水0.00060.000

21、6有机液体0.0002蒸馏水0.00010.0001纯水蒸气0软化水0.00020.0001带油水蒸气0.0002水 50 C冷却剂0.0002井水0.00040.0004盐溶液0.0002河水0.00060.00080.00040.0006锅炉燃料0.001硬水0.0010.001机油0.0002蒸馏水0.00010.0001植物油0.0006软化水0.00020.0002(2)给热系数的确定.釜侧的传热膜系数可采用如下的关联式求取。ca b(2-48 )J Res PrsD锅的直径，m入一流体的导热系数，W/ (m- K)n搅拌转速，s-1d搅拌浆直径，mp流体密度，kg/m3卩，卩s流体

22、及其器壁上的黏度 Pa -sRend2(2-49 )cCpPr(2-50)常数J、a、b、c的值与搅拌器型式、Res的围、锅有无挡板、反应锅几何形状等因素有关。见表2-8 o表2-8公式2-32的常数值搅拌器形式Res值围挡板Jabc浆式53004x10无0.360.670.330.1420400有或者无0.4150.670.330.24涡轮400有或无 有0.540.740.670.670.330.330.140.14推进式200400有P 0.73 :0.650.330.24无0.540.670.250.14锚式30300无1.000.500.330.133004000无0.380.670

23、.330.13n.夹套的传热膜系数如夹套走的是蒸汽，由于釜侧(反应区侧)的传热膜系数往往较小， 因此蒸汽冷凝的传热膜系数取=60009000W/mt K,对整个的传热系数不至于有多大的误差。如果夹套通的是冷水，则可采用如下的关联式：0.2Re3600 时： 夹 9300p W/(m K)(2-52 )de2.8.2蛇管为传热装置当需要的传热面加较大，而夹套传热不能满足要求时，或者壳体衬有橡胶、耐火砖等 隔热材料而不能采用夹套传热时，可采用蛇管传热。蛇管沉浸在物料中，热量损失小，传热 效果好。蛇管过长时，管流体阻力大，能量消耗多，因此蛇管不能过长，蛇管的直径一般为 2570 mm的管子。(2-5

24、3 )蛇管 D管外Rz管内 蛇管?.管外壁给热系数平桨式搅拌器，无挡板,A.管外D管外 0.87Res=3004x105 时0.140.62 0.33Re Pr(2-54 )B.涡轮式搅拌器，无挡板,管外D管外 1.01sRes=3003x105 时0.140.62 0.33Re Pr(2-55 )C.涡轮式搅拌器,s有挡板， Res=4001.5x10 6 时其中，m 0.7do0.67RePr0.370.1d_D0.5mdgD(2-56 )0.29810蛇管外径，m;搅拌器直径，m。n .蛇管侧给热系数Re10000 时，管内1 3.5dc直管(2-57 )直管de0.140.80.330

25、.027 Re Pr(2-58 )当量直径，m;口 流体在主体温度下的黏度，Re2100 时，dt蛇管径, Pa - s;m； d c 蛇管圈直径，m流体在壁温下的黏度，Pas。w-0.330.14蛇管长度，mde1.86 RePrdeL(2-59 )2-41式计算Nu,在乘上一个系数0 , 0的值如表2-11所示Re230030004000500060007000800000.450.660.820.880.930.960.992100Re10000 时，可用表表2-9校正系数2.9载热体的消耗量和传热面积的计算2.9.1载热体的消耗量要达到等温操作，则载热体带出热量应等于热量衡算式中的Q对

26、于间歇釜式反应器，在进行热量衡算时是以每天处理的物料量为基准，在计算传热 面积时是以小时为基准。Q2c p t出t进t(2-60 )cp- 载热体的热容，kJ/（kg C ）每天生产的次数，t反应时间，h2.9.2传热面积的计算对于间歇釜式反应器，在进行热量衡算时是以每天处理的物料量为基准，在计算传热 面积时是以小时为基准。q2Q2(2-61 )传热面积可按下式计算:F 一q2一(2-62 )K tm2.10夹套直径D及高度H计算夹套类型有整体夹套、半圆管夹套、型钢夹套和蜂窝夹套。通常整体夹套的压力不能超 过1MP否则将会因罐体及夹套壁厚太大，增加制造的困难。当反应器直径较大或采用的传 热介质

27、压力较高时，可采用后三种类型，这样不但能提高传热介质的流速，改善传热效果， 而且能提高筒体承受、外压的强度和刚度，各种夹套的使用围见下表：表2-10几种夹套的使用围夹套类型温度，C压力MPa整体夹套35006半圆管夹套2801 0 6 4型钢夹套2250 6 2 5蜂窝夹套2502 5 4 0常用的整体夹套结构类型有四种，如图2-1所示。其中a型仅圆筒的一部分有夹套，用在需加热面积不大的场合。b型为圆筒的一部分和下封头包有夹套，是最常用的典型结构。C型是考虑到筒体受外压时为了减小筒体的计算长度L,或者为了实现分段控制而采用分段夹套。d型为全包式夹套，与前三种比较，有最大传热面积。W(c)图2-1整体夹套型式2.10.1夹套直径Dj的计算D可根据罐体径按表 2-11推荐的数据选取。夹套风头根据夹套直径及所选封头形式按 标准选取。表2-11夹套直