搅拌反应器放大设计

1、全国化工化学工程设计技术中心站全国化工化学工程设计技术中心站2007年年会年年会State Key Lab. of Polymer Reaction EngineeringCollege of Materials Science & Chemical Eng.Zhejiang University, Hangzhou 310027, P. R. ChinaTel: Email: 搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计 我的理解我的理解冯连芳冯连芳 教授教授浙江大学材料与化学工程学院浙江大学材料与化学工程学院聚合反应工程国家重点实验室聚合反应工程国家重点实验室

2、搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计2搅拌反应器构成：搅拌反应器构成：搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计3常用的搅拌器：常用的搅拌器：搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计41.空心夹套空心夹套3.螺旋导流板夹套螺旋导流板夹套2.喷咀喷咀4.半管夹套半管夹套5.内部夹套内部夹套NEW!常用的夹套：常用的夹套：搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计5常用的挡板：常用的挡板：搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计6常用的内冷管：常用的内冷管：搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计7带刮壁机构的导流筒带刮壁机构的导流筒搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计8锥螺带锥螺带(VCR)前进式前进式(AR)最大叶片

3、式最大叶片式泛能式泛能式叶片组合式叶片组合式扭格子式扭格子式EKATO同轴同轴多臂行星式多臂行星式真空乳化釜真空乳化釜新型新型立式立式搅拌搅拌搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计9LIAS-AP瑞士瑞士LIST全相型全相型BIVOLAK(住友重机全相型住友重机全相型)(三菱重工三菱重工)HVRSCR新型卧式搅拌新型卧式搅拌砂磨机砂磨机CONTERNA(德国连续德国连续 捏和机捏和机)搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计10搅拌反应器设计的基础搅拌反应器设计的基础 搅拌器的选型原则搅拌器的选型原则？ 搅拌反应器的放大准则搅拌反应器的放大准则？搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计11搅拌器的搅拌器

4、的分类分类选型选型注注:有有者为合用，表元中空白者为不详或不合用。者为合用，表元中空白者为不详或不合用。搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计12低粘度低粘度高粘度高粘度10410310210110-110-210-3粘度粘度(Pas)常见物质的粘度常见物质的粘度水：约水：约1mPas低粘乳液：约数低粘乳液：约数 mPas重油：约数十重油：约数十 mPas润滑油：约润滑油：约 0.1Pas蜂蜜：约蜂蜜：约 1 Pas涂料：约数涂料：约数 Pas油墨：约数十油墨：约数十 Pas牙膏：约牙膏：约 50 Pas口香糖：约口香糖：约 100 Pas嵌缝胶：约嵌缝胶：约 千千 Pas塑料熔体：近万塑料熔体

5、：近万Pas橡胶混合物：近万橡胶混合物：近万Pas推进式推进式齿片式齿片式桨式、涡轮式桨式、涡轮式三叶后掠式三叶后掠式螺带和螺杆式螺带和螺杆式INTERMIG、MIG传传统统叶叶轮轮锚式、框式锚式、框式新轴向流叶轮新轴向流叶轮泛能式、最大叶泛能式、最大叶片式、叶片组合片式、叶片组合式式超级叶片式超级叶片式EKATO 同轴同轴前进式前进式（AR）锥螺带锥螺带（VCR）扭格子式扭格子式复动式复动式多臂行星式多臂行星式均质器均质器新新立立式式搅搅拌拌器器真空乳化釜真空乳化釜砂磨机砂磨机新新卧卧式式搅搅拌拌器器LIST-APBIVOLAKSCRHVRCONTERNA捏和机捏和机三辊辗磨机三辊辗磨机双螺

6、杆挤出机双螺杆挤出机橡橡塑塑机机械械密炼机密炼机搅拌器的搅拌器的粘度粘度选型选型搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计13搅拌釜几何相似放大法搅拌釜几何相似放大法几何相似放大法其实只回答一个问题：在直几何相似放大法其实只回答一个问题：在直径为径为D1的中试槽中，当转速为的中试槽中，当转速为N1时能获满意时能获满意结果；则在直径为结果；则在直径为D2的工业槽中，转速的工业槽中，转速N2为为多少时能重复中试槽的结果？多少时能重复中试槽的结果？几何相似法可归结为：几何相似法可归结为：(N2/N1)(D2/D1) -b b，故故求取求取b b 值是几何相似放大的核心。值是几何相似放大的核心。搅拌反应器放

7、大设计搅拌反应器放大设计14常用的几何相似放大准则常用的几何相似放大准则着眼的过程着眼的过程 放大过程中需保持恒等的量（准则）放大过程中需保持恒等的量（准则）1 1. . 均均一一系系混混合合速速度度( (Q Qd d/ /V V) )0 0. .3 33 3 P Pv v0 0. .1 16 6( (与与N N0 0. .8 81 1d d0 0. .3 32 2等等效效) )2 2. . 分分散散相相混混合合速速度度P Pv v0 0. .5 5 1 1. .1 13 3. . 对对应应的的流流速速一一定定N N d d4 4. . 同同一一液液滴滴直直径径N N3 3d d2 2( (与

8、与P Pv v等等效效) )5 5. . 使使液液滴滴分分散散的的最最小小转转速速 N N d d1 1. .1 16 6. . 相相际际传传质质速速度度N N3 3 d d2 27 7. . 固固液液悬悬浮浮N Nd d或或N N4 4 d d3 38 8. . 溶溶解解速速度度( (Q Qd d/ /V V) )0 0. .2 24 4 P Pv v0 0. .1 11 1或或N N3 3 d d2 2搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计15问题的提出：问题的提出：反应器选型与设计强烈反应器选型与设计强烈依赖经验和实依赖经验和实验验，对其的优劣很难用理论预测。，对其的优劣很难用理论预测。

9、逐级放大逐级放大来以达到搅拌设备被要求的来以达到搅拌设备被要求的传质、传热和混合，周期长、耗费大。传质、传热和混合，周期长、耗费大。搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计16问题的提出：问题的提出：几何相似放大的几何相似放大的缺陷缺陷： 误区：几何相似动力相似误区：几何相似动力相似释：几何相似条件下若释：几何相似条件下若Re和和Fr都相等，则动力相似。然而，都相等，则动力相似。然而，Re = d2 N r r / h h ，Fr = d N2 /g，除非除非(h/rh/r)2/(h/rh/r)1=(D2/D1)3/2，否，否则不可能则不可能Re和和Fr同时相等。同时相等。 单位体积传热面积的下降

10、，反应器内热传导单位体积传热面积的下降，反应器内热传导距离增加距离增加 单位体积传质界面的减少（脱挥？），传质单位体积传质界面的减少（脱挥？），传质路径增加路径增加 仅单一特征混合参数的相同仅单一特征混合参数的相同搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计17几何相似放大准则举例几何相似放大准则举例槽槽 容容 积积 放放大大 125倍倍 时时 各各混混 合合 参参数数 的的变变 化化参参数数模模试试槽槽0.019m3工工业业槽槽2.37m3Pv v恒恒定定Qd d V恒恒定定N d恒恒定定Re恒恒定定D1.05.05.05.05.0P1.01253125250.2Pv v1.01.0250.20.0

11、016N1.00.341.00.20.04Qd d V1.00.341.00.20.04Nd1.01.75.01.00.2Re1.08.525.05.01.0Qd d1.042.5125255.0取不同的放大准则可使过程能耗相差很大，必须予以重视。取不同的放大准则可使过程能耗相差很大，必须予以重视。保持保持QdV 恒定（即翻转次数恒定）的放大法是最耗能的放大法。恒定（即翻转次数恒定）的放大法是最耗能的放大法。而保持而保持Re恒定，一般不能重现过程结果。恒定，一般不能重现过程结果。实用的放大法是保持实用的放大法是保持Pv恒定或恒定或Nd恒定，或取二者之间。恒定，或取二者之间。搅拌反应器放大设计搅

12、拌反应器放大设计18反应器传热能力变化反应器传热能力变化(湍流湍流)槽径槽径放大放大倍数倍数N3 3d2 2恒定恒定Nd恒定恒定N 0.810.81d0.320.32恒定恒定hQ VhQ VhQ V30.8850.2950.6930.2311.0860.36150.8360.1670.5850.1171.1280.226100.7740.0770.4640.0461.1890.119r rr r -1/9-1/9r r -10/9-10/9r r -1/3-1/3r r -4/3-4/3r r0.0750.075r r-0.925-0.925使用上表的三种放大准则时，随槽径增大，单位体积传热量

13、使用上表的三种放大准则时，随槽径增大，单位体积传热量QV均以较大幅度下降。均以较大幅度下降。以以N3d2或或Nd恒定放大时，二者的恒定放大时，二者的QV相差无几，所以若搅拌槽中相差无几，所以若搅拌槽中仅进行传热过程时，可采用省能的使仅进行传热过程时，可采用省能的使Nd恒等的放大法恒等的放大法。搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计19反应器放大设计的突破反应器放大设计的突破？搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计20搅拌反应器放大的根本目标搅拌反应器放大的根本目标反应器放大就是在小试或中试工艺研究反应器放大就是在小试或中试工艺研究基础上，运用化学工程原理进行工业规基础上，运用化学工程原理进行工业规

14、模反应器设计的技术。其要求是在工业模反应器设计的技术。其要求是在工业反应器中反应器中重现重现小试或中试的小试或中试的过程结果过程结果。过程结果是指过程结果是指反应速率、反应速率、收率、收率、产品质量（分子量、颗粒形态等）。产品质量（分子量、颗粒形态等）。搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计21反应器放大基本准则反应器放大基本准则 影响过程结果的因素有影响过程结果的因素有温度、浓度、传质温度、浓度、传质和剪切率和剪切率（非均相）四个变量。（非均相）四个变量。 若工业反应器中每个反应单元的温度、浓若工业反应器中每个反应单元的温度、浓度、传质和所受剪切率与小试或中试一样，度、传质和所受剪切率与小试或

15、中试一样，工业反应器的过程结果必然与小试或中试工业反应器的过程结果必然与小试或中试相近，放大问题就解决了。相近，放大问题就解决了。0EnnRTAAArkCk eC搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计22“放大问题放大问题”的转移的转移如何实现如何实现温度、浓度、传质温度、浓度、传质和剪切的相同和剪切的相同？过程过程结果结果：速率、收率、质量速率、收率、质量过程过程状态状态：温度、浓度、传质、剪切温度、浓度、传质、剪切影影响响搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计23搅拌反应器放大的实现策略搅拌反应器放大的实现策略? 不同规模反应器中温度、浓度、传质和剪切不同规模反应器中温度、浓度、传质和剪切率的

16、完全相同实际上是不可能的！率的完全相同实际上是不可能的！ 放大技术的主要手法就是千方百计使工业反放大技术的主要手法就是千方百计使工业反应器中的温度、浓度、传质和剪切率这四者应器中的温度、浓度、传质和剪切率这四者的平均值及其分布与中试反应器的平均值及其分布与中试反应器相近相近。 许多场合并非要求工业反应器中重现中试反许多场合并非要求工业反应器中重现中试反应器的所有过程结果，有些反应也并不对上应器的所有过程结果，有些反应也并不对上述四个量都敏感，放大设计就有可能述四个量都敏感，放大设计就有可能简化简化。搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计24对策对策1：非几何相似放大：非几何相似放大几何相似放大法

17、通常仅适合于简单的物理过几何相似放大法通常仅适合于简单的物理过程，对于聚合反应这样的复杂过程无能为力。程，对于聚合反应这样的复杂过程无能为力。几何相似仅是简化放大计算的手段，反应器几何相似仅是简化放大计算的手段，反应器放大设计完全没有必要被几何相似所制约。放大设计完全没有必要被几何相似所制约。反应器非几何相似放大的实质反应器非几何相似放大的实质使工业反使工业反应器中尽可能多的混合参数与中试相同，从应器中尽可能多的混合参数与中试相同，从而能使工业中更好地重复中试的过程结果。而能使工业中更好地重复中试的过程结果。搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计25非几何相似放大法非几何相似放大法明确所着手的反

18、应中那些是必须重现的过程结明确所着手的反应中那些是必须重现的过程结果。通过一定规模的中试（至少几十升），掌果。通过一定规模的中试（至少几十升），掌握影响主要过程结果的主要变量。握影响主要过程结果的主要变量。明确明确关键混合参数关键混合参数。对于某个特定的反应过程，。对于某个特定的反应过程，并非在放大时需要大槽与小槽的全部混合参数并非在放大时需要大槽与小槽的全部混合参数相同。相同。p常用的混合参数：单位体积搅拌功率常用的混合参数：单位体积搅拌功率PV、桨端线速度、桨端线速度Ut、整体流速、整体流速UA、循环次数、循环次数NC、翻转次数、翻转次数NT、单位、单位体积传热面体积传热面FU、雷诺数、雷

19、诺数Re搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计26非几何相似放大法非几何相似放大法不是在放大过程中简单地要求某个混合参数不是在放大过程中简单地要求某个混合参数（如（如PV、Nd等）恒等便能解决放大问题。等）恒等便能解决放大问题。l有时要求一个混合参数的某个幂值恒等有时要求一个混合参数的某个幂值恒等l可能同时还要求另一个混合参数需大于某个临界值可能同时还要求另一个混合参数需大于某个临界值l有时还可能要有第三和第四个需同时满足的条件有时还可能要有第三和第四个需同时满足的条件l更复杂的情况是随反应的进行物料的物性发生变化，更复杂的情况是随反应的进行物料的物性发生变化，这时放大准则也要相应改变。如在聚合

20、初期与聚合这时放大准则也要相应改变。如在聚合初期与聚合后期可能需要不同的搅拌转速。后期可能需要不同的搅拌转速。进一步，反应器放大时可采用一切物理的和化进一步，反应器放大时可采用一切物理的和化学的手段，必要时可在一定范围内改变配方。学的手段，必要时可在一定范围内改变配方。搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计27搅拌搅拌等级等级整体整体流速流速（ms）说说 明明120.03050.0610 1级和级和2级搅拌适用于要求最低整体流速的工艺过程，级搅拌适用于要求最低整体流速的工艺过程，2级搅拌的能力级搅拌的能力为：为：可将液体相对密度差小于可将液体相对密度差小于0.1的互溶液体混合均匀；的互溶液体混合

21、均匀；如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1100时，可把互溶液时，可把互溶液体混合均匀；体混合均匀；可使不同批量的液体物料在较长的时间内达到混合；可使不同批量的液体物料在较长的时间内达到混合；可使混合物料表面产生平稳的流动。可使混合物料表面产生平稳的流动。34560.09140.1120.1520.183 3至至6级搅拌适用于化工中大多数混合操作，级搅拌适用于化工中大多数混合操作，6级搅拌的能力为：级搅拌的能力为：可将液体相对密度差小于可将液体相对密度差小于0.6的互溶液体混合均匀；的互溶液体混合均匀；如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的如果大量的液

22、体的粘度小于其它液体粘度的110000时，可把互溶时，可把互溶液体混合均匀；液体混合均匀；可使小于可使小于2的、沉降速度为的、沉降速度为0.01020.0203 ms的微量固体悬浮；的微量固体悬浮；可使粘度较低的液体表面产生小的波动。可使粘度较低的液体表面产生小的波动。789100.2130.2440.2740.305 7至至10级搅拌适用于要求高整体流速的工艺过程，如要求强烈搅拌的级搅拌适用于要求高整体流速的工艺过程，如要求强烈搅拌的反应器，反应器，10级搅拌的能力为：级搅拌的能力为：可将液体相对密度差小于可将液体相对密度差小于1.0的互溶液体混合均匀；的互溶液体混合均匀；如果大量的液体的粘

23、度小于其它液体粘度的如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1100000时，可把互溶时，可把互溶液体混合均匀；液体混合均匀；可使小于可使小于2的、沉降速度为的、沉降速度为0.02030.0305 ms的微量固体悬浮；的微量固体悬浮；可使粘度较低的液体表面产生激烈的湍动。可使粘度较低的液体表面产生激烈的湍动。Chemical Engineering杂志在杂志在1976年发表年发表 例例1：整体流速法（低粘均相）：整体流速法（低粘均相）搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计28l对于均相混合搅拌槽，用整体流速的设计法对于均相混合搅拌槽，用整体流速的设计法可以看作最简单的非几何相似放大法。该法可以看作

24、最简单的非几何相似放大法。该法适用于不同尺寸、不同搅拌器（低粘）。适用于不同尺寸、不同搅拌器（低粘）。l按上表，若要达到按上表，若要达到6级混合强度，只要整体级混合强度，只要整体流速达到流速达到0.183m/s便可。可以使用便可。可以使用A310叶轮，也可使用叶轮，也可使用45折叶涡轮，甚至可使用折叶涡轮，甚至可使用标准盘式涡轮，当然使用不同叶轮其能耗有标准盘式涡轮，当然使用不同叶轮其能耗有很大差别。很大差别。非几何相似放大非几何相似放大整体流速法整体流速法搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计29例例2：氯乙烯悬浮聚合反应器放大：氯乙烯悬浮聚合反应器放大放大准则：放大准则：液液分散，颗粒大小与

25、形态液液分散，颗粒大小与形态PV=11.2 kW/m3聚合物分子量（全槽温差小于聚合物分子量（全槽温差小于0.2）循环次数循环次数NC大于每分钟大于每分钟7次次反应器高空时产率反应器高空时产率有足够的传热能力（内夹套）有足够的传热能力（内夹套）复合引发剂，均匀放热复合引发剂，均匀放热搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计30搅拌器选型搅拌器选型 底伸式三叶后掠式底伸式三叶后掠式叶轮（液液分散、颗叶轮（液液分散、颗粒分布、大型化、内构件简化）。在开粒分布、大型化、内构件简化）。在开发发80m3釜前国内没有使用三叶后掠式釜前国内没有使用三叶后掠式桨生产桨生产PVC的装置。的装置。 对釜的长径比、桨径

26、对釜的长径比、桨径/槽径比、叶片宽槽径比、叶片宽/槽径比、叶片截面形状对槽径比、叶片截面形状对NP、NC的影响，的影响，以及夹套和内冷管的传热作了系统的研以及夹套和内冷管的传热作了系统的研究。究。搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计31PV=Np r r n3 d 5 /V NC=Nqc N d 3 / V混合参数的冷模研究混合参数的冷模研究NP (d/D )-1.1(b/D )0.9Nqd (d/D )-1.1(b/D )0.4Nqc = Nqd 1+0.16(D/d )2-1搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计32序序号号 挡挡板板数数 桨桨叶叶截截 面面形形状状 桨桨径径 m m 叶叶宽

27、宽 m m 转转速速 r r/ /s s P PV V k kW W/ /m m3 3 N NC C m mi in n- -1 1 1 1 4 4 园园角角矩矩形形 2 2 0 0. .3 35 50 0 1 1. .4 40 0 1 1. .3 33 3 7 7. .3 3 2 2 4 4 园园角角矩矩形形 2 2 0 0. .4 43 30 0 1 1. .2 27 7 1 1. .1 15 5 7 7. .3 3 3 3 4 4 扁扁园园形形 2 2 0 0. .3 35 50 0 1 1. .4 40 0 1 1. .2 27 7 7 7. .1 1 符合符合PVC悬浮聚合反应器放大

28、准则的方案悬浮聚合反应器放大准则的方案实际采用第实际采用第2方案，一次试车成功。方案，一次试车成功。放大方案的实施放大方案的实施搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计33国产国产30m3国产国产80m3日本信越日本信越127m3工业级工业级PVC聚合釜聚合釜搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计34美国美国Goodrich70m3德国德国Huls200m3日本神钢泛技术日本神钢泛技术75m3工业级工业级PVC聚合釜聚合釜搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计35日本往友重机的二种新日本往友重机的二种新PVC反应器反应器(90m3以上以上)NEW！内夹套：内夹套：KA40新搅拌：新搅拌：KA20搅拌反

29、应器放大设计搅拌反应器放大设计36对策对策2：混合设备智能设计？：混合设备智能设计？L设计空间大设计空间大 应用体系、搅拌设备、操作条件和物性的多样性应用体系、搅拌设备、操作条件和物性的多样性L设计数据缺乏设计数据缺乏 文献中数据和公式杂乱分散且不系统，适用范围窄文献中数据和公式杂乱分散且不系统，适用范围窄L对设计者要求较高对设计者要求较高 涉及化工、机械和混合技术等多方面知识涉及化工、机械和混合技术等多方面知识 人工实现复杂耗时且易出错人工实现复杂耗时且易出错 L设计理论不健全设计理论不健全 与塔器等过程设备相比，无完善设计理论与塔器等过程设备相比，无完善设计理论 需要领域专家凭借丰富的经验

30、进行设计需要领域专家凭借丰富的经验进行设计搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计37实现方法：决策分析规则实例实现方法：决策分析规则实例预选型预选型过程设计过程设计 专家决策系统专家决策系统 规则基专家系统规则基专家系统实例基专家系统实例基专家系统知识的采集、表示和处理知识的采集、表示和处理混合设备的智能化设计混合设备的智能化设计混合设备设计的问题混合设备设计的问题搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计38对策对策3：CFD辅助设计辅助设计Where is CFD used? Aerospace Appliances Automotive Biomedical Chemical Processin

31、g HVAC&R Hydraulics Marine Oil & Gas Power Generation SportsF18 Store Separation Computational Fluid Dynamics 搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计39CFD模拟（流场）模拟（流场）6PTU-6DTd/D=0.45150rpm 搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计40CFD模拟（混合）模拟（混合）T0sT=7sT=40sT=92sT=118s搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计41CFD模拟（模拟（气含率分布）气含率分布）6PTU-6DTd/D=0.45250rpm Q=10m3/h 搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计42CFD模拟（模拟（ LDPE 聚合）聚合）搅拌反应器放大设计搅拌反应器放大设计43终结：设备放大过程放大终结：设备放大过程放大探索性研究催化剂性能动力学模型反应器模型工业生产反应器的设计实验室扩大规模反应器研究模拟研究中间试验工程