第一篇 反應器

第一篇反應器第一節(jié)概述

反應器又稱化學反應設備，即用于實現(xiàn)化學反應過程的設備。生產過程中，聚合、熔融、混合、溶解等工序都要應用反應器。一、反應器的構造和種類1.構造2.種類：反應器種類很多，可以從不同的角度加以分類。按生產工藝：間歇式（分批式）：在反應前將物料一次性加入直至反應到達規(guī)定的轉化率后輸出產物，如滌綸間歇聚合釜；半間歇式：預先將一些反應物在反應前加入反應器，而其余反應物則在反應過程中連續(xù)或間斷加入，或在反應過程中將某種產物從反應器中輸出；連續(xù)式：將反應物連續(xù)輸入反應器，并連續(xù)輸出反應器，如腈綸聚合釜和滌綸連續(xù)聚合釜。按反應器結構攪拌式無攪拌式（干燥塔）按安裝形式立式臥式按設計方法薄壁容器：Dw/Dn≤1.2

厚壁容器：Dw/Dn>1.2式中Dw－容器外徑Dn－容器內徑為了設計計算的方便受內壓容器受外壓容器按反應器的結構特點釜式管式臥式特種反應器二、對反應器的主要要求1.容積－確定V、L/D反應器的容積（V）必須與生產能力相適應，高度與直徑之比（L/D）必須滿足工藝要求；2.強度（剛度）－壁厚在工作溫度和壓力下，各零部件應有足夠的強度和剛度；3.當物料有腐蝕性時，反應器應耐腐蝕，且保證物料不變質；4.密封可靠，操作安全；5.結構合理簡單，制造維修方便，材料來源廣，價格低廉等。第二節(jié)反應器殼體一、受內壓的反應器殼體分析薄壁容器的應力有兩種理論：1.無力矩理論：設殼體很薄，殼體截面上無法承受彎矩，只有拉應力或壓應力，不存在彎應力；2.有力矩理論：殼體有一定的厚度和剛度，因而除受拉或壓應力外，還有彎矩或彎應力。1.受內壓薄壁圓筒應力分析⑴環(huán)向應力δ2

L?D?P=2?S?L?δ2

⑴

δ2=DP/2S

⑵⑵軸向應力δ1P?π?D2/4=π?D?S?

δ1

⑶則δ1

=DP/4S⑷⑶分析①δ2＝2δ1

a.環(huán)向應力是軸向應力的兩倍，因此軸向焊縫要特別加強；b.開橢圓形人孔時，應將短軸放在Z軸方向上。②δ與D成正比，因此對相同體積的圓筒，L/D大的更為耐壓。

2.桶體頂蓋（封頭）簡介⑴球形封頭制造困難,直徑超過2.5m時,可用數(shù)塊鋼板焊接；⑵碟形封頭制造容易,深度小；

Rn=Dn

球面半徑r=0.1~0.15Dn過渡曲面半徑h2=0.226Dn圓筒折邊高度S封頭=S+10%SS為筒體厚度 目前，只是當橢圓形封頭的模具加工困難或缺乏大型鍛壓設備時，才以人工敲打來制造碟形封頭。⑶橢圓形封頭它由半個橢球殼和一段高度為h的直邊部分組成，h值取25~50毫米。設置直邊部分的目的是為了使邊緣應力的作用區(qū)避開封頭與圓筒的連接焊縫。

①由于橢圓形封頭的母線的曲率半徑變化是連續(xù)的，所以封頭中的應力分布較碟形封頭均勻；②從制造角度看，由于橢圓封頭的深度較半球形封頭淺，所以整沖壓比較容易，但仍比碟形封頭困難； ③橢圓形封頭較好的力學性能及較易制造的特點，使它在中、低壓容器（設備）上獲得廣泛應用。

⑷錐形封頭多用于底蓋，便于收集并卸除設備中的物料，出料根據(jù)物料粘度α=45~1200

，厚度與桶體相同。注意：平板形封頭制造方便，但承受能力差，一般只用作常壓容器的頂蓋。

容器的筒體和半球形封頭在聯(lián)接處若存在自由變形不協(xié)調，將產生附加力系，稱為邊緣力系，與此相應的應力稱為邊緣應力。二、受外壓的反應器殼體

反應器受外壓時其軸向及環(huán)向應力均為壓應力。受內壓薄殼容器的破壞是由于強度不足而引起破裂。外壓薄殼容器即使在強度足夠的情況下，也會被壓癟而出現(xiàn)波形斷面。

容器在外壓下失去原形而出現(xiàn)波形斷面的現(xiàn)象稱為喪失穩(wěn)定。失去穩(wěn)定時的外壓力稱為臨界壓力。

容器喪失穩(wěn)定的主要原因是容器本身的平衡狀態(tài)遭到破壞。

薄壁圓筒的幾何尺寸和材料不同，臨界壓力的大小不同，喪失穩(wěn)定性時的斷面形狀也不同，長徑比大的圓筒失穩(wěn)后斷面呈扁圓形，這種圓筒稱長圓筒；長徑比小的圓筒失穩(wěn)后呈兩個以上的波形，這種圓筒稱為短圓筒。對鋼制外壓薄壁圓筒，區(qū)別長短的長徑比可由下式算得：

式中：L?圓筒計算長度（厘米）（為法蘭或兩加強圈的中心距，如有封頭焊接在筒身上，應計入1/3hw，hw為封頭曲線部分的高度）Dw?圓筒外直徑（厘米）S?不包括附加量的計算壁厚（厘米）

化纖生產中，使用 反應器絕大多數(shù)為短圓 筒，鋼制外壓短圓筒的 壁厚計算公式：式中：m?穩(wěn)定系數(shù)p?操作壓力mp－臨界壓力E?彈性模量（公斤/厘米2）短圓筒：當圓筒兩端的邊界影響不能忽略時，此時圓筒稱為短圓筒。短圓筒失穩(wěn)時出現(xiàn)三個以上的波。第三節(jié)反應器的主要尺寸及設計指示一、反應器的容積⒈間歇式反應器

式中：Qd－日產量kg（24小時）T－操作周期（小時）（包括輔助生產時間，如：加料、出料甚至清釜）σ－設備的備用系數(shù)（通常取0.1～0.15，重要機臺取0.25～0.5）

γ－視比重，又稱假比重（kg/m3）即每立方米容積的物料重量。（例：4×3×3mm3的聚酯切片，γ在800～900之間）φ－填充系數(shù) 通常取0.7～0.9，如果反應過程中出現(xiàn)泡沫或沸騰現(xiàn)象，φ值應減小。n－設計臺數(shù)⒉連續(xù)式反應器對于連續(xù)化生產的反應器，在知道物料反應達到預定工藝標準所需反應時間后，用類似的方法可以算出反應器所需體積：

T—反應時間

二、反應器的直徑

反應器的直徑應根據(jù)（化纖）工藝來定。⒈化纖工藝角度例如，粘膠靜置脫泡裝置直徑很大，可縮短氣泡浮出液面路程。⒉工作壓力角度大多數(shù)反應器在工作時承受一定的壓力，殼體內的應力將隨直徑的增大而增加，故高壓容器的直徑一般設計得較小。

常壓下，L/D=1。壓力>1atm，L/D越大越好?；w廠常用<20kg/cm2。長徑比定在1～2之間。⒊從制造工藝和節(jié)省材料等方面來考慮

球與立方體或直徑等于柱高的容器最省材料。三、設計指示1.桶體及頂蓋開孔孔距不小于孔徑（方便接管）2.桶體及頂蓋開孔孔徑不大于200mm3.如桶體直徑在Φ1200以上,需開人孔Φ4004.如開人孔，外緣必須加D=2d加強區(qū)，材料和桶體相同5.如開手孔Φ＝1506.支腳不能全固定,需考慮熱脹冷縮第四節(jié)攪拌器一、攪拌的目的溶解物料，分散固體粉末，混合液體或用來加速化學反應，強化傳熱過程?？傊菏箶嚢鑼ο蠡旌暇鶆?，加強傳質與傳熱，改善反應物的接觸情況。二、攪拌器的型式與選擇＊⒈攪拌器的型式⑴槳式攪拌器平葉槳：低速運轉時，液體主要為環(huán)流。高速運轉時，徑向流增大主要是水平流，不利于軸向混合；折葉槳：軸向流動增強，有利于攪拌混合。

槳葉有雙葉片和四葉片兩種，槳葉的轉速通常為20~200rpm，葉端線速度一般為1.5~3.0m/s，槳葉直徑d與攪拌釜直徑D之比d/D＝1/4~1/2，適用于粘度0.1~102Pa·s的液體的攪拌。 而槳葉的寬b與直徑d之比 b/d＝1/10~1/4，對于 液層比較高的攪拌釜可采 用多層槳葉。⑵錨式攪拌器轉速較低，剪切作用較小，但攪動范圍較大，不易產生死區(qū)。對高粘度流體的攪拌，可利用槳葉的刮掃作用來防止攪拌器與釜壁之間產生滯留層，促進傳熱和去除釜壁沉積物。

錨式攪拌器一般槳葉直徑d與釜徑D之比d/D＝0.95，葉端線速度一般為0.5~1.5m/s，槳葉的寬b與槳葉直徑d之比b/d＝1/12，當錨式攪拌器中間加設橫梁或豎梁時，即稱為框式攪拌器。⑶推進式攪拌器也稱螺旋槳式攪拌器，適合于粘度較低、液量較大的攪拌，利用較小的攪拌功率，通過高速旋轉的槳葉獲得較好的攪拌效果。其直徑較小， d/D＝1/3~1/4，轉 速較高，一般為300 ~600rpm，葉端線速 度為5~15m/s。⑷渦輪式攪拌器又稱透平攪拌器。能處理粘度范圍較寬的液體，有較大的剪切力，可使液體微團分散得很細，促進良好的傳熱、傳質或化學反應。槳葉的寬b與直徑d之比b/d＝1/5~1/8，d/D＝0.5~0.7，葉端線速度一般3~8m/s，常用的葉片數(shù)為4~8。⑸螺桿式攪拌器它是將螺距一定的螺旋葉片固定在攪拌軸上，也稱螺軸式攪拌器。當液體粘度大于10Pa·s時，常采用螺桿式攪拌器。⑹螺帶式攪拌器適合于粘度較高的場合（如達103Pa·s以上）。具體構型有單螺帶、雙螺帶、四螺帶和螺桿/螺帶式等。通常螺帶式攪拌器其螺距s與攪拌器直徑d之比為s/d＝1，螺帶葉寬b與 釜徑D之比為b/D＝0.1， d/D＝0.95。由于外螺帶可以與釜內壁很好 地吻合，直接刮掃壁上的液體，有 利于夾套式攪拌釜的傳熱與去除釜 壁處的沉積物。⑺其他型式的攪拌器①偏心式攪拌器②底部傳動攪拌器③臥式攪拌器⒉攪拌器的選擇

攪拌過程涉及流體的流動、傳熱和傳質，其影響因素極其復雜。對于給定的攪拌過程，攪拌裝置型式和操作條件的選擇和設計，還沒有成熟的方法。⑴以液體粘度和反應釜體積為依據(jù)選型⑵以流動狀態(tài)、攪拌目的為依據(jù)選型⒊攪拌附件⑴擋板⑵導流筒⒋攪拌器的功率

攪拌器的型式選定后，就要確定攪拌功率，目的是：⑴衡量攪拌釜的攪拌強度

⑵選擇減速器（功率，速比）

⑶選擇電動機，攪拌機械設計，提供基本數(shù)據(jù)（功率，轉速）

攪拌功率：攪拌器向流體輸出的功率P按下式計算:P=Kd5N3ρ式中：K為功率準數(shù)，它是攪拌雷諾數(shù)Re(Re=d2Nρ/μ)的函數(shù)；d為攪拌器直徑；N為轉速；

ρ和μ為混合液的密度和粘度 對于一定幾何結構的攪拌槽，K與Re的函數(shù)關系可由實驗測定，將這函數(shù)關系繪成曲線稱為功率曲線。附加功率：(1)有溫度計插入管則加10%~20%(2)桶體內表面粗糙加10%~20%(3)內有蛇管加熱器加一倍(4)內有導流桶加一倍三、傳動裝置

攪拌器的轉速一般較低，所以在電動機和攪拌器之間必須設置一個減速裝置，速率比不大的，可以直接采用三角皮帶傳動；減速比大的，則要用減速箱。常用的減速箱有渦輪渦桿減速箱和行星擺線針輪減速器。渦輪渦桿減速器傳動效率低，容易發(fā)熱，重量大和壽命短；而行星擺線針輪減速器結構緊湊，效率高，使用日趨廣泛。⒈電機功率的確定N電機=[1.3~1.4(N計+N附加)]/η1.3~1.4啟動功率系數(shù)η總效率=0.7⒉軸徑的確定d=A(N電機/n)1/3式中:A?材料常數(shù)45#鋼A=12

1Cr18Ni9TiA=15n?攪拌軸轉速

鍵槽單鍵加5%,雙鍵加15%⒊攪拌器葉片幾何尺寸的確定（略）第五節(jié)轉軸密封一、填料箱密封⒈結構及工作原理

填料箱密封是通過填料與攪拌軸之間的徑向壓力產生密封作用。填料中含有潤滑劑，其作用是使攪拌軸得到潤滑和阻止設備內流體逸出或外部流體滲入而達到密封作用。攪拌軸在旋轉過程中潤滑劑不斷消耗，因此在填料箱上常設置添加潤滑油的裝置。當設備內溫度高于100℃或攪拌軸的線速度大于1m/s時，填料密封需有冷卻裝置。

式中:Q?泄漏量[厘米3/秒]δ?軸與填料間的間隙[厘米]d?軸頸的直徑[厘米]

Δp?容器內外壓力差[公斤/厘米2]k?實驗系數(shù)l?填料高度[厘米]

η?被密封介質的粘度[公斤.秒/厘米2][厘米3/秒]2.填料箱結構

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

Δp≤8.68×104pa⒊填料選擇Pg≤19.6×104pa≈2公斤/厘米2

⑴低壓(Pg≤2公斤/厘米2)，無毒、非易燃易爆時，一般可選石棉繩、浸油石棉盤根,低轉速1m/s，安裝時外涂工業(yè)用黃油即可； ⑵較高壓或有毒、易燃爆時，可選石棉、石棉盤根、橡膠螺旋形盤根、石棉繩浸漬四氟乙烯填料、耐磨尼龍密封圈、四氟乙烯密封圈或軟青鉛絲。二、機械密封⒈結構及原理

用兩個密封元件（動環(huán)和靜環(huán)）的平面互相貼合并作相對運動達到密封的目的。機械密封又稱端面密封，主要由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧加荷裝置和輔助密封圈組成。當軸回轉時靜環(huán)不動，而動環(huán)與軸一起轉動，通過彈簧作用使動、靜環(huán)之間緊密接觸，從而阻止流體的泄漏。

端面密封，具有泄露量極小，使用壽命長，摩擦功耗低，軸不會磨損等優(yōu)點。

缺點：結構復雜，拆裝不便，加工困難，成本高。⒉機械密封的材質動環(huán)和靜環(huán)組成一對摩擦副，在運轉時與被封的介質接觸。因此選擇材料時，既要考慮其耐磨性，又要考慮其耐腐蝕性。一般采用的動環(huán)材質硬度大于靜環(huán)。第六節(jié)傳熱裝置一、要求1.控溫嚴格2.不污染反應物3.不結垢二、幾種傳熱裝置⒈夾套 在攪拌釜反應器中應用最廣泛。 優(yōu)點：結構簡單，工作安全可靠； 缺點：在處理高粘度物料時，傳熱系數(shù)不高，能量損失較大。

如果熱載體為水蒸汽，則上進下出；如熱載體為液體，則下進上出。 根據(jù)工藝要求，夾套內可通入傳熱介質（水、水蒸氣或熱載體等），為了提高夾套的傳熱系數(shù)，可通過提高夾套傳熱介質的流速來實現(xiàn)。為此，常在夾套內安裝導流板。傳熱的基本方程：

Q—傳熱量K—傳熱系數(shù)（由壁光滑、潔凈程度和攪拌器型式決定）A—傳熱面積（容積一定時，隨長徑比變）