第一篇 反应器

第一篇反应器第一节概述

反应器又称化学反应设备，即用于实现化学反应过程的设备。生产过程中，聚合、熔融、混合、溶解等工序都要应用反应器。一、反应器的构造和种类1.构造2.种类：反应器种类很多，可以从不同的角度加以分类。按生产工艺：间歇式（分批式）：在反应前将物料一次性加入直至反应到达规定的转化率后输出产物，如涤纶间歇聚合釜；半间歇式：预先将一些反应物在反应前加入反应器，而其余反应物则在反应过程中连续或间断加入，或在反应过程中将某种产物从反应器中输出；连续式：将反应物连续输入反应器，并连续输出反应器，如腈纶聚合釜和涤纶连续聚合釜。按反应器结构搅拌式无搅拌式（干燥塔）按安装形式立式卧式按设计方法薄壁容器：Dw/Dn≤1.2

厚壁容器：Dw/Dn>1.2式中Dw－容器外径Dn－容器内径为了设计计算的方便受内压容器受外压容器按反应器的结构特点釜式管式卧式特种反应器二、对反应器的主要要求1.容积－确定V、L/D反应器的容积（V）必须与生产能力相适应，高度与直径之比（L/D）必须满足工艺要求；2.强度（刚度）－壁厚在工作温度和压力下，各零部件应有足够的强度和刚度；3.当物料有腐蚀性时，反应器应耐腐蚀，且保证物料不变质；4.密封可靠，操作安全；5.结构合理简单，制造维修方便，材料来源广，价格低廉等。第二节反应器壳体一、受内压的反应器壳体分析薄壁容器的应力有两种理论：1.无力矩理论：设壳体很薄，壳体截面上无法承受弯矩，只有拉应力或压应力，不存在弯应力；2.有力矩理论：壳体有一定的厚度和刚度，因而除受拉或压应力外，还有弯矩或弯应力。1.受内压薄壁圆筒应力分析⑴环向应力δ2

L•D•P=2•S•L•δ2

⑴

δ2=DP/2S

⑵⑵轴向应力δ1P•π•D2/4=π•D•S•

δ1

⑶则δ1

=DP/4S⑷⑶分析①δ2＝2δ1

a.环向应力是轴向应力的两倍，因此轴向焊缝要特别加强；b.开椭圆形人孔时，应将短轴放在Z轴方向上。②δ与D成正比，因此对相同体积的圆筒，L/D大的更为耐压。

2.桶体顶盖（封头）简介⑴球形封头制造困难,直径超过2.5m时,可用数块钢板焊接；⑵碟形封头制造容易,深度小；

Rn=Dn

球面半径r=0.1~0.15Dn过渡曲面半径h2=0.226Dn圆筒折边高度S封头=S+10%SS为筒体厚度 目前，只是当椭圆形封头的模具加工困难或缺乏大型锻压设备时，才以人工敲打来制造碟形封头。⑶椭圆形封头它由半个椭球壳和一段高度为h的直边部分组成，h值取25~50毫米。设置直边部分的目的是为了使边缘应力的作用区避开封头与圆筒的连接焊缝。

①由于椭圆形封头的母线的曲率半径变化是连续的，所以封头中的应力分布较碟形封头均匀；②从制造角度看，由于椭圆封头的深度较半球形封头浅，所以整冲压比较容易，但仍比碟形封头困难； ③椭圆形封头较好的力学性能及较易制造的特点，使它在中、低压容器（设备）上获得广泛应用。

⑷锥形封头多用于底盖，便于收集并卸除设备中的物料，出料根据物料粘度α=45~1200

，厚度与桶体相同。注意：平板形封头制造方便，但承受能力差，一般只用作常压容器的顶盖。

容器的筒体和半球形封头在联接处若存在自由变形不协调，将产生附加力系，称为边缘力系，与此相应的应力称为边缘应力。二、受外压的反应器壳体

反应器受外压时其轴向及环向应力均为压应力。受内压薄壳容器的破坏是由于强度不足而引起破裂。外压薄壳容器即使在强度足够的情况下，也会被压瘪而出现波形断面。

容器在外压下失去原形而出现波形断面的现象称为丧失稳定。失去稳定时的外压力称为临界压力。

容器丧失稳定的主要原因是容器本身的平衡状态遭到破坏。

薄壁圆筒的几何尺寸和材料不同，临界压力的大小不同，丧失稳定性时的断面形状也不同，长径比大的圆筒失稳后断面呈扁圆形，这种圆筒称长圆筒；长径比小的圆筒失稳后呈两个以上的波形，这种圆筒称为短圆筒。对钢制外压薄壁圆筒，区别长短的长径比可由下式算得：

式中：L−圆筒计算长度（厘米）（为法兰或两加强圈的中心距，如有封头焊接在筒身上，应计入1/3hw，hw为封头曲线部分的高度）Dw−圆筒外直径（厘米）S−不包括附加量的计算壁厚（厘米）

化纤生产中，使用 反应器绝大多数为短圆 筒，钢制外压短圆筒的 壁厚计算公式：式中：m−稳定系数p−操作压力mp－临界压力E−弹性模量（公斤/厘米2）短圆筒：当圆筒两端的边界影响不能忽略时，此时圆筒称为短圆筒。短圆筒失稳时出现三个以上的波。第三节反应器的主要尺寸及设计指示一、反应器的容积⒈间歇式反应器

式中：Qd－日产量kg（24小时）T－操作周期（小时）（包括辅助生产时间，如：加料、出料甚至清釜）σ－设备的备用系数（通常取0.1～0.15，重要机台取0.25～0.5）

γ－视比重，又称假比重（kg/m3）即每立方米容积的物料重量。（例：4×3×3mm3的聚酯切片，γ在800～900之间）φ－填充系数 通常取0.7～0.9，如果反应过程中出现泡沫或沸腾现象，φ值应减小。n－设计台数⒉连续式反应器对于连续化生产的反应器，在知道物料反应达到预定工艺标准所需反应时间后，用类似的方法可以算出反应器所需体积：

T—反应时间

二、反应器的直径

反应器的直径应根据（化纤）工艺来定。⒈化纤工艺角度例如，粘胶静置脱泡装置直径很大，可缩短气泡浮出液面路程。⒉工作压力角度大多数反应器在工作时承受一定的压力，壳体内的应力将随直径的增大而增加，故高压容器的直径一般设计得较小。

常压下，L/D=1。压力>1atm，L/D越大越好。化纤厂常用<20kg/cm2。长径比定在1～2之间。⒊从制造工艺和节省材料等方面来考虑

球与立方体或直径等于柱高的容器最省材料。三、设计指示1.桶体及顶盖开孔孔距不小于孔径（方便接管）2.桶体及顶盖开孔孔径不大于200mm3.如桶体直径在Φ1200以上,需开人孔Φ4004.如开人孔，外缘必须加D=2d加强区，材料和桶体相同5.如开手孔Φ＝1506.支脚不能全固定,需考虑热胀冷缩第四节搅拌器一、搅拌的目的溶解物料，分散固体粉末，混合液体或用来加速化学反应，强化传热过程。总之：使搅拌对象混合均匀，加强传质与传热，改善反应物的接触情况。二、搅拌器的型式与选择＊⒈搅拌器的型式⑴桨式搅拌器平叶桨：低速运转时，液体主要为环流。高速运转时，径向流增大主要是水平流，不利于轴向混合；折叶桨：轴向流动增强，有利于搅拌混合。

桨叶有双叶片和四叶片两种，桨叶的转速通常为20~200rpm，叶端线速度一般为1.5~3.0m/s，桨叶直径d与搅拌釜直径D之比d/D＝1/4~1/2，适用于粘度0.1~102Pa·s的液体的搅拌。 而桨叶的宽b与直径d之比 b/d＝1/10~1/4，对于 液层比较高的搅拌釜可采 用多层桨叶。⑵锚式搅拌器转速较低，剪切作用较小，但搅动范围较大，不易产生死区。对高粘度流体的搅拌，可利用桨叶的刮扫作用来防止搅拌器与釜壁之间产生滞留层，促进传热和去除釜壁沉积物。

锚式搅拌器一般桨叶直径d与釜径D之比d/D＝0.95，叶端线速度一般为0.5~1.5m/s，桨叶的宽b与桨叶直径d之比b/d＝1/12，当锚式搅拌器中间加设横梁或竖梁时，即称为框式搅拌器。⑶推进式搅拌器也称螺旋桨式搅拌器，适合于粘度较低、液量较大的搅拌，利用较小的搅拌功率，通过高速旋转的桨叶获得较好的搅拌效果。其直径较小， d/D＝1/3~1/4，转 速较高，一般为300 ~600rpm，叶端线速 度为5~15m/s。⑷涡轮式搅拌器又称透平搅拌器。能处理粘度范围较宽的液体，有较大的剪切力，可使液体微团分散得很细，促进良好的传热、传质或化学反应。桨叶的宽b与直径d之比b/d＝1/5~1/8，d/D＝0.5~0.7，叶端线速度一般3~8m/s，常用的叶片数为4~8。⑸螺杆式搅拌器它是将螺距一定的螺旋叶片固定在搅拌轴上，也称螺轴式搅拌器。当液体粘度大于10Pa·s时，常采用螺杆式搅拌器。⑹螺带式搅拌器适合于粘度较高的场合（如达103Pa·s以上）。具体构型有单螺带、双螺带、四螺带和螺杆/螺带式等。通常螺带式搅拌器其螺距s与搅拌器直径d之比为s/d＝1，螺带叶宽b与 釜径D之比为b/D＝0.1， d/D＝0.95。由于外螺带可以与釜内壁很好 地吻合，直接刮扫壁上的液体，有 利于夹套式搅拌釜的传热与去除釜 壁处的沉积物。⑺其他型式的搅拌器①偏心式搅拌器②底部传动搅拌器③卧式搅拌器⒉搅拌器的选择

搅拌过程涉及流体的流动、传热和传质，其影响因素极其复杂。对于给定的搅拌过程，搅拌装置型式和操作条件的选择和设计，还没有成熟的方法。⑴以液体粘度和反应釜体积为依据选型⑵以流动状态、搅拌目的为依据选型⒊搅拌附件⑴挡板⑵导流筒⒋搅拌器的功率

搅拌器的型式选定后，就要确定搅拌功率，目的是：⑴衡量搅拌釜的搅拌强度

⑵选择减速器（功率，速比）

⑶选择电动机，搅拌机械设计，提供基本数据（功率，转速）

搅拌功率：搅拌器向流体输出的功率P按下式计算:P=Kd5N3ρ式中：K为功率准数，它是搅拌雷诺数Re(Re=d2Nρ/μ)的函数；d为搅拌器直径；N为转速；

ρ和μ为混合液的密度和粘度 对于一定几何结构的搅拌槽，K与Re的函数关系可由实验测定，将这函数关系绘成曲线称为功率曲线。附加功率：(1)有温度计插入管则加10%~20%(2)桶体内表面粗糙加10%~20%(3)内有蛇管加热器加一倍(4)内有导流桶加一倍三、传动装置

搅拌器的转速一般较低，所以在电动机和搅拌器之间必须设置一个减速装置，速率比不大的，可以直接采用三角皮带传动；减速比大的，则要用减速箱。常用的减速箱有涡轮涡杆减速箱和行星摆线针轮减速器。涡轮涡杆减速器传动效率低，容易发热，重量大和寿命短；而行星摆线针轮减速器结构紧凑，效率高，使用日趋广泛。⒈电机功率的确定N电机=[1.3~1.4(N计+N附加)]/η1.3~1.4启动功率系数η总效率=0.7⒉轴径的确定d=A(N电机/n)1/3式中:A−材料常数45#钢A=12

1Cr18Ni9TiA=15n−搅拌轴转速

键槽单键加5%,双键加15%⒊搅拌器叶片几何尺寸的确定（略）第五节转轴密封一、填料箱密封⒈结构及工作原理

填料箱密封是通过填料与搅拌轴之间的径向压力产生密封作用。填料中含有润滑剂，其作用是使搅拌轴得到润滑和阻止设备内流体逸出或外部流体渗入而达到密封作用。搅拌轴在旋转过程中润滑剂不断消耗，因此在填料箱上常设置添加润滑油的装置。当设备内温度高于100℃或搅拌轴的线速度大于1m/s时，填料密封需有冷却装置。

式中:Q−泄漏量[厘米3/秒]δ−轴与填料间的间隙[厘米]d−轴颈的直径[厘米]

Δp−容器内外压力差[公斤/厘米2]k−实验系数l−填料高度[厘米]

η−被密封介质的粘度[公斤.秒/厘米2][厘米3/秒]2.填料箱结构

填料盒周宽S=1.4~2(d)1/2高H=4~6S压差高度h=2~4S盒底部要有30°的斜度

Δp≤8.68×104pa⒊填料选择Pg≤19.6×104pa≈2公斤/厘米2

⑴低压(Pg≤2公斤/厘米2)，无毒、非易燃易爆时，一般可选石棉绳、浸油石棉盘根,低转速1m/s，安装时外涂工业用黄油即可； ⑵较高压或有毒、易燃爆时，可选石棉、石棉盘根、橡胶螺旋形盘根、石棉绳浸渍四氟乙烯填料、耐磨尼龙密封圈、四氟乙烯密封圈或软青铅丝。二、机械密封⒈结构及原理

用两个密封元件（动环和静环）的平面互相贴合并作相对运动达到密封的目的。机械密封又称端面密封，主要由动环、静环、弹簧加荷装置和辅助密封圈组成。当轴回转时静环不动，而动环与轴一起转动，通过弹簧作用使动、静环之间紧密接触，从而阻止流体的泄漏。

端面密封，具有泄露量极小，使用寿命长，摩擦功耗低，轴不会磨损等优点。

缺点：结构复杂，拆装不便，加工困难，成本高。⒉机械密封的材质动环和静环组成一对摩擦副，在运转时与被封的介质接触。因此选择材料时，既要考虑其耐磨性，又要考虑其耐腐蚀性。一般采用的动环材质硬度大于静环。第六节传热装置一、要求1.控温严格2.不污染反应物3.不结垢二、几种传热装置⒈夹套 在搅拌釜反应器中应用最广泛。 优点：结构简单，工作安全可靠； 缺点：在处理高粘度物料时，传热系数不高，能量损失较大。

如果热载体为水蒸汽，则上进下出；如热载体为液体，则下进上出。 根据工艺要求，夹套内可通入传热介质（水、水蒸气或热载体等），为了提高夹套的传热系数，可通过提高夹套传热介质的流速来实现。为此，常在夹套内安装导流板。传热的基本方程：

Q—传热量K—传热系数（由壁光滑、洁净程度和搅拌器型式决定）A—传热面积（容积一定时，随长径比变）