反应设备讲解

第8章反应设备讲解

1.反应器类型及特点（使用场合）

2.机械搅拌反应器

3.机械搅拌技术进展基本结构反应设备主要内容和教学点搅拌器搅拌轴设计密封装置传动装置8.反应设备

反应设备可分为化学反应器和生物反应器，前者是指在其中实现一个或几个化学反应，并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备；后者是指为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。

化工生产的典型流程原料前处理化学反应后处理产品排气排污循环8.反应设备操作方式均相气相间歇操作物料相态流动状态传热情况液相

化学反应器分类结构特征非均相气-液相液-液相气-固相液-固相气-液-固相连续操作半连续操作活塞流型全混流型绝热式等温式非等温非绝热式搅拌釜式管式固定床流化床移动床塔式滴流床8.1概述8.1.1反应器分类操作方式酶催化反应器间歇操作生物催化剂输入能量流动状态

生物反应器分类

结构特征细胞催化反应器（发酵罐）连续操作半连续操作搅拌桨叶式气体喷射式活塞流全混流机械搅拌式气升式流化床固定床（气升式）8.1概述8.1.1反应器分类反应器机械搅拌式反应器（用于均相反应、也可用于多相；可用于连续、间歇操作；灵活性、可控范围大；设计成熟）管式反应器（结构简单、制造方便；可用于连续、间歇操作）固定床反应器（气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置）（包括轴向绝热式、径向绝热式和列管式）其他：回转筒式反应器、喷嘴式反应器和鼓泡塔式反应器流化床反应器（流体以较高的流速通过床层、带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流中进行反应，并具有类似流体流动的一些特性的装置。传热面积大、系数高、效果好）8.1概述8.1.2常见反应器的特点

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。8.2机械搅拌反应器8.2.1基本结构搅拌容器的作用是为物料反应提供合适的空间。搅拌容器的筒体基本上是圆筒，封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，以椭圆应用最广。根据工艺需要，容器上装有各种接管，以满足进料、出料、排气等要求。为对物料加热或取走反应热，常设置外夹套或内盘管。上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。操作过程中为了对反应进行控制，必须测量反应物的温度、压力、成分及其他参数，还设置有温度、压力传感器。8.2机械搅拌反应器8.2.2搅拌容器搅拌容器罐内物料类型一般搅拌罐液-固相、液-液相聚合釜种类高径比种类罐内物料类型高径比气-液相1~1.31~2发酵罐类悬浮液、乳化液发酵液2.08~13.851.7~2.5换热元件夹套结构表8-4各种碳素钢的适用温度和压力范围夹套类型整体夹套U型300最高温度最高压力350圆筒型型钢夹套蜂窝夹套短管支撑式折边锥体式半圆管夹套2002002503501.60.62.52.54.06.48.2机械搅拌反应器8.2.2搅拌容器夹套结构整体夹套（有圆筒型和U形两种，圆筒型换热面积小，U型传热面积大是常用的结构）

（与筒体的连接分为可拆式和不可拆式；与容器封头的连接有封口锥和封口环两种）型钢夹套（用角钢与筒体焊接而成）半圆管夹套（即可螺旋缠绕，也可平行焊接，焊缝多，焊接工作量大）蜂窝夹套（以整体夹套为基础，提高筒体的刚度和夹套的承压能力，强化传热效果；有折边式和拉撑式两种）当仅靠外夹套传热，换热面积不够时，常采用内盘管，传热效果好，但检修困难。内盘管分为螺旋盘管和蛇管。8.2机械搅拌反应器8.2.2搅拌容器搅拌器与流动特征流型径向流（流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流动。）轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流）切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）

搅拌器又称搅拌桨和搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。其功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。搅拌器把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍流的充分混合区。这种循环流动的途径称为流型。8.2机械搅拌反应器8.2.3搅拌器挡板与导流筒挡板（在容器内壁面均匀安装4块挡板，其宽度为容器直径的1/12-1/10。当再增加挡板数和挡板宽度，功率消耗不再增加时，称为全挡板条件。传热蛇管可部分或全部代替挡板，装有垂直换热管时，一般不在安装挡板）导流筒（导流筒是上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流筒作用。对于我论式或桨叶式搅拌器，导流筒刚好置于桨叶上方。对于推进式搅拌器，导流筒套在桨叶外面。或略高于桨叶。通常上端都低于静液面，且同身上开孔或槽。）8.2机械搅拌反应器搅拌器与流动特征8.2.3搅拌器流动特性当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环流动时，称为循环型叶轮，如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式；当用于对流体的剪切作用时，称为剪切式叶轮，如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。搅拌器分类、图谱与典型搅拌器特性按流体流动形态轴向流搅拌器混合流搅拌器径向流搅拌器按搅拌器结构平叶螺旋面叶折叶搅拌器与流动特征8.2机械搅拌反应器8.2.3搅拌器按用途低粘流体用流搅拌器（推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG式等）高粘流体用流搅拌器（锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式、螺旋-螺带式等）8.2机械搅拌反应器搅拌器分类、图谱与典型搅拌器特性8.2.3搅拌器叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。桨式搅拌器主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少、故轴流桨叶使用较多。桨式搅拌器也可用于高粘度流体的搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮。桨式搅拌器的转速一般为20-100r/min，最高粘度为20Pa.s。搅拌器分类、图谱与典型搅拌器特性8.2机械搅拌反应器桨式搅拌器8.2.3搅拌器常用于低粘度流体中，标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径d相等。推进式搅拌器搅拌时流体的湍流程度布告，但循环量大推进式搅拌器结构简单制造方便，适用用于粘度低、流量大的场合，循环性能好剪切作用不大，属于循环型搅拌器。推进式搅拌器的直径较小，d/D=1/4-1/3，叶端速度一般为7-10m/s，最高达15m/s。搅拌器分类、图谱与典型搅拌器特性8.2机械搅拌反应器推进式搅拌器8.2.3搅拌器能有效完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。涡轮式搅拌器可分为开式和盘式两种。开式有平直叶、斜叶、弯叶等；盘式有圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。开式涡轮常用的叶片数为2叶和4叶；盘式以6片最常见。涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液-液分散、液-固悬浮。平直叶片剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶是指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。搅拌器分类、图谱与典型搅拌器特性8.2机械搅拌反应器涡轮式搅拌器（透平式叶轮）8.2.3搅拌器锚式搅拌器结构简单，适用于粘度在100Pa.s以下的流体搅拌，当粘度在10-100Pa.s时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅拌器。锚式搅拌器和框式搅拌器的混合效果并不理想，只适用与对混合要求不太高的场合。由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其他搅拌器大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。也常用于搅拌高浓度淤浆和沉降淤浆，当粘度大于100pa.s时，应采用螺带式或螺杆式。搅拌器分类、图谱与典型搅拌器特性8.2机械搅拌反应器锚式搅拌器8.2.3搅拌器表8-9搅拌目的与推荐的搅拌器形式搅拌目的互溶性液体的混合及在其中进行化学反应推荐形式流动状态有导流筒有或无导流筒无挡板有或无挡板有导流筒湍流（低粘度流体）挡板条件固-液相分散再及在其中溶解和进行化学反应有或无导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式桨式、六叶折叶开启式涡轮三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式螺带式、螺杆式、锚式层流（高粘度流体）湍流（低粘度流体）层流（高粘度流体）搅拌器的选用8.2机械搅拌反应器8.2.3搅拌器表8-9按搅拌器形式和适用条件选型搅拌器形式搅拌目的转速范围r/min流动状态涡轮式对流循环湍流扩散剪切流低粘度混合高粘度液混合传热反应分散溶解固体悬浮气体吸收结晶传热液相反应桨式推进式折叶开启涡轮式布鲁马金式锚式螺杆式螺带式1-1001-2001-10001-1001-1001-2001-501-5010-30010-30010-50010-30010-3001-1000.5-500.5-505050250100100100100搅拌容器容积min3最高粘度Pa.s8.2机械搅拌反应器搅拌器的选用8.2.3搅拌器搅拌目的液-液相分散（互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应推荐形式流动状态有挡板有导流筒有挡板有或无导流筒有挡板湍流（低粘度流体）挡板条件液-液相分散（不互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应有反射物三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮、推进式圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮三叶折叶涡轮圆盘涡轮、闭式涡轮三叶折叶涡轮湍流（低粘度流体）层流（高粘度流体）湍流（低粘度流体）有导流筒有导流筒固-液相分散再及在其中溶解和进行化学反应无导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式螺杆式锚式、螺带式层流（高粘度流体）有反射物螺带式、螺杆式、锚式三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式搅拌器的选用搅拌功率是指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功并使之发生流动所需的功率。计算搅拌功率的目的，一是用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度，二是用于选择电机和减速机等传动装置。

影响搅拌功率的因素有四个方面：1）搅拌器的几何尺寸与转速：搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶倾斜角、转速、单个搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等。2）搅拌容器的结构：容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、导流筒的尺寸等。3）搅拌介质的特性：液体的密度、粘度。4）重力加速度。8.2机械搅拌反应器搅拌功率计算8.2.3搅拌器

上述影响可用下式关联式中B—桨叶宽度，m

d—搅拌器直径，m

D—搅拌容器内直径，m

Fr—弗劳德数，

K—系数；

n—转速，s-1

Np—功率准数；

P—搅拌功率，W

r,q—搅拌器直径，m

Re—雷诺数，

—密度，kg/m3

—粘度，Pa.s8.2机械搅拌反应器搅拌功率计算8.2.3搅拌器一般情况下弗劳德数的影响较小。容器内直径D、挡板宽度b等几何参数可归结到系数K。图8-27六种搅拌器的功率曲线。在低雷诺数的层流区内，流体不会打旋，重力影响可忽略，功率曲线为-1的直线；当Re>10000时，流动进入充分湍流区，功率曲线呈一水平直线，即Np与Re无关，保持不变。需要指出图8-27所示的功率曲线只适用于图示六种搅拌器的几何比例关系。如果比例关系不同，功率准数也不同。8.2机械搅拌反应器搅拌功率计算8.2.3搅拌器机械搅拌反应器的振动、轴封性能等直接与搅拌轴的设计相关。对于大直径或高径比大的反应器，尤其应重视搅拌轴的设计。设计搅拌轴时，应考虑四个因素：1）扭转变形；2）临界转速；3）扭矩和弯矩联合作用下的强度；4）轴封处允许的径向位移。考虑上述因素设计所得的轴径是指危险截面处的直径。确定实际轴径时，还应考虑腐蚀余量，最后调整为标准轴径。

1）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴；2）搅拌器及轴上的其他零件的重力、惯性力、流体作用力均作用在零件轴套的中部；3）轴受扭矩外，还考虑搅拌器上流体的径向力以及搅拌轴和搅拌器在组合重心处质量偏心引起的离心力的作用。8.2机械搅拌反应器搅拌轴的力学模型8.2.4搅拌轴设计传动侧轴承搅拌侧轴承L1LiaFedm1miLeFh1SFAFhi悬臂轴受力模型传动侧轴承L1LiFedm1miLeFh1SFAFhi单跨轴受力模型L8.2机械搅拌反应器8.2.4搅拌轴设计L1LiaFedm1miLeFh1SFAFhi按扭转变形计算搅拌轴的轴径

搅拌轴受扭矩和弯矩联合作用时，应将轴单位长度最大扭角限制在允许范围内，轴扭矩的刚度条件为：式中d—搅拌轴直径，m

G—轴材料剪切弹性模量，Pa

[γ]—许用扭转角，对于悬臂梁[γ]=0.35°/m，对于单跨梁[γ]=0.7°/m

Pn—电机功率；KW;n—搅拌轴转速，s-1Mnmax—轴传递的最大扭矩,N.mα—空心轴内径和外径的比值η—传动装置效率；8.2机械搅拌反应器8.2.4搅拌轴设计故搅拌轴的直径为按临界转速校核搅拌轴的直径式中a—搅拌轴直径，m

E—轴材料弹性模量，PaL1—第一个搅拌轴长度；m;nc—临界转速，r/minI—轴的惯性矩，m4ms—轴及搅拌器的有效质量在s点的等效质量之和，kgz—搅拌器的数量；按扭转变形计算搅拌轴的轴径8.2机械搅拌反应器8.2.4搅拌轴设计

搅拌轴的强度条件是式中M—弯矩，M=MR+MA

WP—抗扭截面模量，Pa[τ]—轴材料的许用切应力，PaMte—轴上扭转联合作用时的当量扭矩，m4则搅拌轴的直径按强度计算搅拌轴的轴径8.2机械搅拌反应器8.2.4搅拌轴设计轴封处径向位移的大小直接影响密封的性能，径向位移主要由三个因素引起：1）轴承的径向游隙；2）流体形成的水平推力；3）搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。

一般物料，

—径向位移系数，当设计压力，

—轴封处的允许径向位移，通常按轴封处允许径向位移计算轴径8.2机械搅拌反应器8.2.4搅拌轴设计1）缩短悬臂段搅拌轴的长度；2）增加轴径；3）设置底轴承或中间轴承；4）设置稳定器稳定筒减小轴端绕度、提高搅拌轴临界转速的措施8.2机械搅拌反应器8.2.4搅拌轴设计填料密封（1）填料密封的结构及工作原理（由底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油环等组成）（3）填料密封的选用a.根据设计压力、设计温度及介质腐蚀性选用当介质为非易燃、易爆、有毒的一般物料且压力不高时。b.根据填料的性能选用当密封要求不高时，选用一般石棉或油浸石棉填料，当要求高时，选用膨体聚四肤乙烯、柔性石墨填料。a.在填料箱的压盖上设置衬套，可提高装配精度，压紧时受力均匀。b.成型环状填料。（2）填料密封的特点填料密封8.2机械搅拌反应器8.2.5密封装置表8-13填料材料的性能填料名称油浸石棉填料线速度m/s适用条件（接触介质）450酸碱、强腐蚀性溶液