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反应设备

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典型的化工生产流程和生物过程如图8-1和图8-2所示反应设备是过程工业的核心设备前处理：进入反应设备后，原料需要经过一系列的预处理，如混合、加热、灭菌等，以达到进入反应器的要求，该过程统称为前处理。后处理：反应产物同样需要经过分离、提纯等该过程统称为后处理二、常见反应器的特点一、反应器分类第一节、概述

化学反应器分类按物料相态：

均相反应器、非均相反应器；按操作方式：

间歇式、连续式、半连续式按物料流动状态：

活塞流型、全混流型按设备结构形式：搅拌釜式、管式、固定床、流化床式一、反应器分类

生物反应器分类按反应器的操作方式：间歇操作、连续操作、半连续操作式按输入搅拌器的能量方式：机械方式输入、气体喷射输入式根据反应物系在反应器内的流动状态：活塞流反应器、全混流式按反应器结构特征：

机械搅拌式、气升式、流化床、固定床式。

机械搅拌式反应器这种反应器可用于均相反应，也可用于多相反应，可以间歇操作，也可以连续操作。

管式反应器结构简单，制造方便。用于连续生产，也可用于间歇操作，反应物不返混，可在高温高压下操作。固定床反应器三种基本形式:轴向绝热式、径向绝热式、列管式。缺点是：床层的温度分布不均匀。二、常见反应器的特点

移动床反应器固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，固体和流体的运动接近活塞流，返混较少。

流化床反应器最大优点：传热面积大、传热系数高和传热效果好。缺点：反应器内物料返混大，离子磨损严重；要有回收和集尘装置；内构件比较复杂；操作要求高等。二、搅拌容器一、基本结构第二节、机械搅拌反应器六、传动装置五、密封装置三、搅拌器四、搅拌轴设计

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。图8-7是一台通气式搅拌反应器。一、基本结构（1）搅拌容器的作用为物料提供合适的空间筒体基本上是圆筒封头常用椭圆形封头、锥形封头和平盖，以椭圆形封头应用最广容器上装有各种接管，设置外加套和内盘管制作选用应考虑容器的大小和安装位置。二、搅拌容器

容积的确定确定容积时，应考虑物料的装料系数，其值常取0.6-0.85当反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态时，取0.6-0.7；反应过程比较平稳时，取0.8-0.85。工艺设计的给定容积：对直立式搅拌容器通常是指筒体和下封头两部分容积之和；对卧式搅拌容器则指筒体和左右两封头容积之和

（2）换热元件主要有夹套和内盘管。优先采用夹套优点：可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效面积。夹套结构所谓夹套就是在容器的外侧，装设的各种形式的钢结构夹套的主要结构有：整体夹套、型钢夹套、半圆管架套和蜂窝夹套。其适用的温度和压力范围见表8-4。1.整体夹套有圆筒型和U型两种，如图夹套与筒体的连接方式分为：可拆式和不可拆式。

为提高传热效率，常采用以下措施：在筒体上焊接螺旋导流板，以减小流道截面积，增加冷却水流速。进出口安装扰流喷嘴，提高传热系数。3.夹套的不同高度处安装切向进口，减缓冷却水的流速，增加传热系数。2.型钢夹套一般用角钢与筒体焊接组成，如图8-11。3.半圆管夹套如图4.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，提高筒体的刚度和夹套的承压能力，减少流道面积，减薄筒体厚度，强化传热效果。常用的有两种形式：折边式如图8-14和拉撑式8-15。

内盘管分为：螺旋形盘管和竖式蛇管。如图

（一）

搅拌器与流动特征形状有搅拌浆或搅拌叶轮是搅拌反应器的关键部件。功能：提供过程所需要的能量适宜的流动状态。

流型

流型是循环流动的途径。流型取决于搅拌器的形式、搅拌容积和内构件几何特征，流体性质、搅拌转速等因素三、搅拌器

有三种基本流型：

1.径向流流体的流动方向垂直于搅拌轴，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，不穿过桨叶面，形成上、下两个循环流动。见下图2.轴向流流体的流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下，遇到流体底面再翻上，形成上下循环流。见下图

切向流无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流体高速时液体表面形成漩涡，这种流型称为切向流。见下图各种搅拌器在容器内的安装方式

流动特性

搅拌器对流场起剪切作用和循环流动。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、浆式、推进式等微循环型叶轮。当输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用时，则称为剪切型叶轮，如径向蜗轮式、锯齿圆盘式等为剪切型叶轮。

搅拌器分类、图谱及典型搅拌器特性按流体流动形态：轴向流、径向流、混合流搅拌器。按搅拌器结构：平叶、折叶、螺旋面叶、浆式、涡轮式、推进式、螺杆式、螺带式按搅拌的用途：低粘流体用搅拌器和高粘流体用搅拌器。低粘流体用搅拌器有：推进式、长薄叶螺旋桨、浆式、开启涡轮式、盘涡轮式、布鲁马金式、板框浆式、三叶后弯式MIG和改进MIG等。高粘流体用搅拌器：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式、螺旋-螺带式等。搅拌器的径向、轴向和混合流型的图谱见图。

桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器应用最广泛。桨式搅拌器是结构最简单的一种搅拌器，如图8-23。主要用于流体的循环，转速一般为10～

100r/min,最高粘度为20Pa.s。见表8-5。

推进式搅拌器推进式搅拌器常用于低粘流体中，如图8-24。搅拌时流体的湍流程度不大，单循环量大。容器内装挡板，搅拌轴向偏心安装或搅拌器倾斜，可防止旋涡形成。

推进式搅拌器结构简单，制造方便，适用于粘度低，流量大的场合，主要用于液-液系混合，循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器。涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器，应用较广，能完成几乎所有的搅拌操作，并能处理范围很广的液体操作。涡轮式搅拌器分为开式和盘式两类。其常用参数见表8-7。锚式搅拌器结构简单，如图8-26，它适用于粘度在100Pa.s以下的流体搅拌。其常有参数见表8-8。

搅拌器的选用

一般从三个方面考虑：搅拌目的、物料粘度和搅拌器容积的大小。除满足工艺要求外，还应考虑功耗、操作费用，制造维护和检修等因素。选用搅拌器的依据如下：根据使用搅拌器的目的选型根据搅拌器的型式和适用条件选型搅拌器目的选型

见表8-9搅拌器形式和适用条件选型

生物反应物料特性及搅拌器与化工过程的区别：（1）生物反应都是在多相体系中进行的（2）大多数生物颗粒对剪切力非常敏感（3）大多数微生物发酵需要氧气

搅拌功率计算计算目的：

1.用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度

2.用于选用电机和减速机等传动装置。影响搅拌器的因素：搅拌器的几何尺寸与转速搅拌器的结构搅拌介质的特性重力加速度上述影响因素用下式表示：式中B——浆叶后度，m

D——搅拌器直径，m

D——搅拌容器内直径，m

Fr——弗劳德数，ｈ——液面高度，m

Ｋ——系数，n——转速，s-1Np——功率准数，Ｐ——搅拌功率，Wr，q——指数，Re——雷诺数，Ρ——密度，kg/m3μ——粘度，Pa.s

一般情况下弗劳德数Er的影响较小。容器内直径D、挡板宽度b登记和参数可归结到系数K。得搅拌器的功率P为

上式中n、d为已知数，故计算搅拌器功率的关键是求得功率准数Np。在特定的搅拌装置上，可测的功率准数Np与雷诺数的关系。将此关系绘于双对数坐标图上即得功率曲线。图8-27适用于图示。

功率准数与雷诺数的关系在低雷诺数（Re≤10）的层流区内，流体不会打漩，重力影响可忽略，功率曲线为斜率-1的曲线；当10≤Re≤10000时为过渡流区，功率曲线为一下凹曲线，当Re>10000时，流动进入充分湍流区，功率曲线为一水平直线，及Np与无关，保持不变六种搅拌器的几何比例关系附件：挡板与导流筒

1.挡板

2.导流筒：导流筒是一上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用

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。考虑上述因素计算所的轴径是指危险截面处的直径。确定轴的实际直径时，还得考虑腐蚀裕量，最后把直径圆整为标准轴径。四、搅拌轴设计搅拌轴的力学模型按扭转变形计算搅拌轴的轴径按临界转速校核搅拌轴的直径一阶临界转速nc为：式中α——

悬臂轴两支点间距，m

E——轴材料的弹性模量，Pa

I——轴的惯性距，m4

L1——第一个搅拌器悬臂梁长度，m

Ns——临界转速，r/min

Ms——轴及搅拌器有效质量在s点的等效质量之和,kg

按强度计算搅拌轴的直径搅拌轴的强度条件为式中M——弯矩，M=MR+MAMA——由轴向力引起的轴的弯矩，N.mMn

——扭矩，N.mMR——水平推力引起的轴的弯矩，N.mMte

——扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩，N.mWP——抗弯截面模量，m3[τ]——轴材料的许用切应力，PaΤmax——截面上最大切应力，Paσb——轴材料的抗拉强度，Pa则搅拌轴的直径

按轴封处允许径向位移验算轴径要分别计算径向位移，然后叠加，使总径向位移满足以下条件：式中

[δ]L0——轴封处允许的径向位移，mm

减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的措施：（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

稳定器工作原理：受到的介质阻尼作用力的方向与搅拌器对搅拌轴施加的水平作用力的方向相反，从而减少轴的摆动量。稳定器有圆筒型和叶片型两种。如图（一）填料密封

1.填料密封的结构及工作原理如图

2.填料密封的特点

3.填料密封的选用五、密封装置

（二）机械密封一、机械密封的结构及工作原理如图二、机械密封的分类

a.单端面与双端面

b.平衡型与非平衡型

C.动环、静环的材料组合三、机械密封的选用

（三）全密闭密封全密闭密封的磁转子的优点：a.无接触和摩擦，功耗小，效率高。B.超载时内外磁转子相对滑脱，可保护电机。C.可承受压力高，维护工作小。传动装置包括：电动机、减速器、联轴器及机架。六、传动装置

电动机的选型由搅拌功率计算电动机的功率式中Ｐｓ——轴封消耗功率，Ｋｗ