機(jī)械攪拌反應(yīng)器(攪拌釜式反應(yīng)器)

機(jī)械攪拌反應(yīng)器(攪拌釜式反應(yīng)器)適用于各種物性（如粘度、密度）和各種操作條件（溫度、壓力）的反應(yīng)過程，應(yīng)用于合成塑料、合成纖維、合成橡膠、醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥、染料、涂料、食品、冶金、廢水處理等行業(yè)。17

機(jī)械攪拌反應(yīng)器應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)、生物反應(yīng)、混合、分散、溶解、結(jié)晶、萃取、吸收或解吸、傳熱等操作。結(jié)構(gòu)組成——攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部。由筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件組成由攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等組成1—電動(dòng)機(jī)；2—減速機(jī)；3—機(jī)架；4—人孔；5—密封裝置；6—進(jìn)料口；7—上封頭；8—筒體：9—聯(lián)軸器；10—攪拌軸；11—夾套；12—載熱介質(zhì)出口；13—擋板；14—螺旋導(dǎo)流板；15—軸向流攪拌器；16—徑向流攪拌器；17—?dú)怏w分布器；18—下封頭；19—出料口；20—載熱介質(zhì)進(jìn)口；21—?dú)怏w進(jìn)口圖17-1

通氣式攪拌反應(yīng)器典型結(jié)構(gòu)17.1

攪拌容器

結(jié)構(gòu)圓筒體，封頭（橢圓形、錐形和平蓋，橢圓形封頭應(yīng)用最廣）。各種接管，滿足進(jìn)料、出料、排氣等要求。加熱、冷卻裝置：設(shè)置外夾套或內(nèi)盤管。上封頭焊有凸緣法蘭，用于攪拌容器與機(jī)架

的連接。傳感器，測(cè)量反應(yīng)物的溫度、壓力、成分及其它參數(shù)。支座，小型用懸掛式支座，大型用裙式支座或支承式支座。7.裝料系數(shù)（對(duì)容積而言），通常取0.6～0.85。有泡沫或呈沸騰狀態(tài)取0.6～0.7；平穩(wěn)時(shí)取0.8～0.85。容積直立式攪拌容器臥式攪拌容器筒體和下封頭兩部分容積之和筒體和左右兩封頭容積之和表17—1

幾種攪拌設(shè)備筒體的高徑比種類罐內(nèi)物料類型高徑比一般攪拌罐液-固相、液－液相1～1.3氣－液相1～2聚合釜懸浮液、乳化液2.08～3.85發(fā)酵罐類發(fā)酵液1.7～2.5換熱元件換熱元件夾套內(nèi)盤管優(yōu)先采用夾套，減少容器內(nèi)構(gòu)件，便于清洗，不占有效容積。一、夾套結(jié)構(gòu)夾套在容器外側(cè)，用焊接或法蘭連接方式裝設(shè)各種形狀的鋼結(jié)構(gòu)，使其與容器外壁形成密閉的空間。此空間內(nèi)通入加熱或冷卻介質(zhì)，可加熱或冷卻容器內(nèi)的物料。結(jié)構(gòu)型式整體夾套型鋼夾套半圓管夾套蜂窩夾套等表17—2

各種碳鋼夾套的適用溫度和壓力范圍夾套型式最高溫度/℃最高壓力/MPa整體夾套U型圓筒型3503000.61.6型鋼夾套2002.5蜂窩夾套短管支撐式折邊錐體式2002502.54.0半圓管夾套3506.4圓筒和下封頭都包有夾套，傳熱面積大，最常用結(jié)構(gòu)1.整體夾套圓筒型U型傳熱面積較小，適用于換熱量要求不大的場(chǎng)合ttjDDDjDjttjDDDjDj圖17-2

整體夾套(a)圓筒型(b)U型連接方式可拆卸式不可拆卸式用于夾套內(nèi)載熱介質(zhì)易結(jié)垢、需經(jīng)常清洗的場(chǎng)合。夾套肩與筒體的聯(lián)接處，做成錐形的稱為封口錐，做成環(huán)形的稱為封口環(huán)，見圖17—3。圖17-3

夾套肩與筒體的連接結(jié)構(gòu)(a)封口錐(b)封口環(huán)t1t1t2t2t1d1d1封口環(huán)圖17-4

夾套底與封頭連接結(jié)構(gòu)封口錐介質(zhì)流通特點(diǎn)載熱介質(zhì)流經(jīng)夾套與筒體的環(huán)形面積，流道面積大、流速低、傳熱性能差。提高傳熱效率的措施：①在筒體上焊接螺旋導(dǎo)流板，減小流道截面積，增加冷卻水流速，見圖17－1；②進(jìn)口處安裝擾流噴嘴，使冷卻水呈湍流狀態(tài)，提高傳熱系數(shù)；③夾套的不同高度處安裝切向進(jìn)口，提高冷卻水流速，增加傳熱系數(shù)。2．型鋼夾套構(gòu)成——角鋼與筒體焊接組成，見圖17—5。結(jié)構(gòu)沿筒體外壁軸向布置沿筒體外壁螺旋布置型鋼的剛度大，彎曲成螺旋形時(shí)加工難度大圖17-5

型鋼夾套結(jié)構(gòu)(a)螺旋形角鋼互搭式(b)角鋼螺旋形纏繞3．半圓管夾套特性——半圓管或弓形管由帶材壓制而成，加工方便。當(dāng)載熱介質(zhì)流量小時(shí)宜采用弓形管。缺點(diǎn)：焊縫多，焊接工作量大，筒體較薄時(shí)易造成焊接變形。見圖17—6。結(jié)構(gòu)螺旋形纏繞在筒體外側(cè)沿筒體軸向平行焊在筒體外側(cè)沿筒體圓周方向平行焊接在筒體外側(cè)圖17-7圖17-6

半圓管夾套二種結(jié)構(gòu)(a)半圓管圖17-6

半圓管夾套二種結(jié)構(gòu)bL3L2Lt1L3(a)螺旋形纏繞圖17-7

半圓管夾套的安裝圖17-6

半圓管夾套的安裝(b)平行排管Dt14．蜂窩夾套特點(diǎn)以整體夾套為基礎(chǔ)，采取折邊或短管等加強(qiáng)措施；提高筒體的剛度和夾套的承壓能力，減少流道面積；減薄筒體壁厚，強(qiáng)化傳熱效果。結(jié)構(gòu)折邊式拉撐式圖17-8

折邊式蜂窩夾套夾套向內(nèi)折邊與筒體貼合好,再進(jìn)行焊接的結(jié)構(gòu)D1t1D2t2bAA向D1t1D2edminb用沖壓的小錐體或鋼管做拉撐體。蜂窩孔在筒體上呈正方形或三角形布置圖17-9

短管支撐式蜂窩夾套二、內(nèi)盤管當(dāng)反應(yīng)器的熱量?jī)H靠外夾套傳熱，換熱面積不夠時(shí)常采用內(nèi)盤管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)浸沒在物料中，熱量損失小，傳熱效果好，檢修較困難。分類螺旋形盤管豎式蛇管

圖17-10圖17-11圖17-10

螺旋形盤管

dDdD對(duì)稱布置的幾組豎式蛇管：傳熱擋板作用圖17-11豎式蛇管攪拌器

1、

攪拌器與流動(dòng)特征定義功能攪拌器又稱攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應(yīng)器的關(guān)鍵部件。提供過程所需要的能量和適宜的流動(dòng)狀態(tài)。原理攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)把機(jī)械能傳遞給流體，在攪拌器附近形成高湍動(dòng)的充分混合區(qū)，并產(chǎn)生一股高速射流推動(dòng)液體在攪拌容器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。流型流體循環(huán)流動(dòng)的途徑。一、流型流型與攪拌的關(guān)系流型與攪拌效果、攪拌功率的關(guān)系十分密切。攪拌器的改進(jìn)和新型攪拌器的開發(fā)往往從流型著手。流型決定因素取決于攪拌器的形式、攪拌容器和內(nèi)構(gòu)件幾何特征，以及流體性質(zhì)、攪拌器轉(zhuǎn)速等因素。攪拌機(jī)頂插式中心安裝立式圓筒的三種基本流型徑向流軸向流切向流流型流體流動(dòng)方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動(dòng)，碰到容器壁面分成二股流體分別向上、向下流動(dòng)，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下二個(gè)循環(huán)流動(dòng)。(a)徑向流圖17-12攪拌器與流型(a)徑向流流體流動(dòng)方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動(dòng)，使流體向下流動(dòng)，遇到容器底面再向上翻，形成上下循環(huán)流。(b)軸向流圖17-13

攪拌器與流型(b)軸向流無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流速高時(shí)液體表面會(huì)形成漩渦，流體從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。(c)切向流圖17-14

攪拌器與流型(c)切向流上述三種流型通常同時(shí)存在軸向流與徑向流對(duì)混合起主要作用切向流應(yīng)加以抑制采用擋板可削弱切向流，增強(qiáng)軸向流和徑向流除中心安裝的攪拌機(jī)外，還有偏心式、底插式、側(cè)插式、斜插式、臥式等安裝方式，見圖17-14。不同方式安裝的攪拌機(jī)產(chǎn)生的流型也各不相同。圖17-14

攪拌器在容器內(nèi)的安裝方式(a)垂直偏心式(b)底插式(c)側(cè)插式(d)斜插式(e)臥式擋板與導(dǎo)流筒(1)擋板

目的——消除打漩和提高混合效果。物料粘度小，攪拌轉(zhuǎn)速高，液體隨槳葉旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下涌向內(nèi)壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩渦，稱為打漩區(qū)。打漩——后果隨轉(zhuǎn)速增加，漩渦中心下凹到與槳葉接觸，外面空氣進(jìn)入槳葉被吸到液體中，使其密度減小，混合效果降低。一般在容器內(nèi)壁面均勻安裝4塊擋板寬度為容器直徑的1/12～1/10。全擋板條件當(dāng)再增加擋板數(shù)和擋板寬度，而功率消耗不再增加時(shí)，稱為全擋板條件。全擋板條件與擋板數(shù)量和寬度有關(guān)。攪拌容器中的傳熱蛇管可部分或全部代替擋板，裝有垂直換熱管時(shí)一般可不再安裝擋板。圖17-15

擋板

(2)導(dǎo)流筒作用——上下開口圓筒，安裝于容器內(nèi)，在攪拌混合中起導(dǎo)流作用。渦輪式或槳式攪拌器

導(dǎo)流筒置于槳葉的上方(b)推進(jìn)式攪拌器導(dǎo)流筒套在槳葉外面，或略

高于槳葉圖17-16

導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)當(dāng)攪拌器置于導(dǎo)流筒之下，且容器直徑又較大時(shí)，導(dǎo)流筒的下端直徑應(yīng)縮小，使下部開口小于攪拌器的直徑。通常導(dǎo)流筒上端低于靜液面，筒身上開孔或槽，當(dāng)液面降落后流體仍可從孔或槽進(jìn)入導(dǎo)流筒。導(dǎo)流筒將攪拌容器截面分成面積相等的兩部分，導(dǎo)流筒直徑約為容器直徑的70%。流動(dòng)特性攪拌器從電動(dòng)機(jī)獲得機(jī)械能，推動(dòng)物料（流體）運(yùn)動(dòng)。攪拌器對(duì)流體產(chǎn)生二種作用，剪切作用和循環(huán)作用。

剪切作用與液—液攪拌體系中液滴的細(xì)化、固—液攪拌體系中固體粒子的破碎以及氣—液攪拌體系中氣泡的細(xì)微化有關(guān)。當(dāng)輸入液體的能量主要用于對(duì)流體的剪切作用時(shí)，則稱為剪切型葉輪，如徑向渦輪式、鋸齒圓盤式等。流動(dòng)特性攪拌器從電動(dòng)機(jī)獲得機(jī)械能，推動(dòng)物料（流體）運(yùn)動(dòng)。攪拌器對(duì)流體產(chǎn)生二種作用，剪切作用和循環(huán)作用。循環(huán)作用與混合時(shí)間、傳熱、固體的懸浮等相關(guān)。當(dāng)攪拌器輸入流體的能量主要用于流體的循環(huán)作用時(shí)，稱為循環(huán)型葉輪，如框式、螺帶式、錨式、槳式、推進(jìn)式等為循環(huán)型葉輪。2、

攪拌器分類、圖譜及典型攪拌器特性

一、攪拌器分類按流體流動(dòng)形態(tài)軸向流攪拌器徑向流攪拌器按結(jié)構(gòu)分為平葉

折葉

螺旋面葉槳式、渦輪式、框式和錨式的槳葉都有平葉和折葉兩種結(jié)構(gòu)推進(jìn)式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉混合流攪拌器軸向流攪拌器

按攪拌用途分為低粘流體用攪拌器高粘流體用攪拌器低粘流體攪拌器有：推進(jìn)式、長(zhǎng)薄葉螺旋槳、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式、MIG和改進(jìn)MIG等。高粘流體攪拌器有：錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式（單螺帶、雙螺帶）、螺旋—螺帶式等。圖17-17

攪拌器流型分類圖譜

軸流式混流式徑流式攪拌器

槳式、推進(jìn)式、渦輪式和錨式攪拌器在攪拌反應(yīng)設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占攪拌器總數(shù)的75～80％。二、幾種常用攪拌器：1.槳式攪拌器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單葉片用扁鋼制成，焊接或用螺栓固定在輪轂上，葉片數(shù)是2、3或4片，葉片形式可分為平直葉式和折葉式兩種。圖17-18槳式攪拌器

主要應(yīng)用也用于高粘流體攪拌，促進(jìn)流體的上下交換，代替價(jià)格高的螺帶式葉輪，能獲得良好的效果。液—液系中用于防止分離、使罐的溫度均一，固—液系中多用于防止固體沉降。主要用于流體的循環(huán)，由于在同樣排量下，折葉式比平直葉式的功耗少，操作費(fèi)用低，故軸流槳葉使用較多。槳式攪拌器的轉(zhuǎn)速一般為20～100r/min，最高粘度為20Pa·s。其常用參數(shù)見表17-5。缺點(diǎn)不能用于以保持氣體和以細(xì)微化為目的的氣—液分散操作中。表17-5

槳式攪拌器常用參數(shù)常用尺寸常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件常用介質(zhì)粘度范圍流動(dòng)狀態(tài)備注d/D=0.35～0.8b/d=0.1～0.25Bn=2n=1～100r/minv=1.0～5.0m/s小于2Pa·s低轉(zhuǎn)速時(shí)水平環(huán)向流為主；轉(zhuǎn)速高時(shí)為徑向流；有擋板時(shí)為上下循環(huán)流當(dāng)d/D=0.9以上，并設(shè)置多層槳葉時(shí)，可用于高粘度液體的低速攪拌。在層流區(qū)操作，適用的介質(zhì)粘度可達(dá)100Pa·s,v=1.0～3.0m/s折葉式θ=45°，60°折葉式有軸向、徑向和環(huán)向分流作用注：n－轉(zhuǎn)速；v－葉端線速度；Bn－葉片數(shù)；

d－攪拌器直徑；D－容器內(nèi)徑：θ－折葉角。2.推進(jìn)式攪拌器推進(jìn)式攪拌器（又稱船用推進(jìn)器）常用于低粘流體中。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)式攪拌器有三瓣葉片，其螺距與槳直徑d相等。它直徑較小，d/D=1/4～1/3，葉端速度一般為7～10m/s，最高達(dá)15m/s。圖17-19推進(jìn)式攪拌器

特點(diǎn)——攪拌時(shí)流體的湍流程度不高，循環(huán)量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。攪拌時(shí)——流體由槳葉上方吸入，下方以圓筒狀螺旋形排出，流體至容器底再沿壁面返至槳葉上方，形成軸向流動(dòng)。循環(huán)性能好，剪切作用不大，屬于循環(huán)型攪拌器應(yīng)用粘度低、流量大的場(chǎng)合，用較小的攪拌功率，能獲得較好的攪拌效果。主要用于液－液系混合、使溫度均勻，在低濃度固－液系中防止淤泥沉降等改進(jìn)容器內(nèi)裝擋板、攪拌軸偏心安裝、攪拌器傾斜，可防止漩渦形成。常用參數(shù)見表17-6表17-6

推進(jìn)式攪拌器常用參數(shù)常用尺寸常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件常用介質(zhì)粘度范圍流動(dòng)狀態(tài)備注d/D=0.2～0.5(以0.33居多)p/d=1,2Bn=2,3,4(以3居多)p－螺距n=100～500r/minv=3～15m/s小于2Pa·s軸流型，循環(huán)速率高，剪切力小。采用擋板或?qū)Я魍矂t軸向循環(huán)更強(qiáng)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1750r/min:最高葉端線速度可達(dá)25m/s。轉(zhuǎn)速在500r/min以下，適用介質(zhì)粘度可達(dá)50Pa.s渦輪式攪拌器（又稱透平式葉輪），是應(yīng)用較廣的一種攪拌器，能有效地完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的流體。見圖17—20。3．渦輪式攪拌器

圖17-20

渦輪式攪拌器

渦輪式攪拌器分為開式盤式開式有：平直葉、斜葉、彎葉等。葉片數(shù)為2葉和4葉盤式有：圓盤平直葉、圓盤斜葉、圓盤彎葉等。葉片數(shù)常為6葉。為改善流動(dòng)狀況，有時(shí)把槳葉制成凹形或箭形應(yīng)用

渦輪式攪拌器有較大的剪切力，可使流體微團(tuán)分散得很細(xì)，適用于低粘度到中等粘度流體的混合、液—液分散、液—固懸浮，以及促進(jìn)良好的傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。平直葉——剪切作用較大，屬剪切型攪拌器。彎葉

——指葉片朝著流動(dòng)方向彎曲，可降低功率消耗，適用于含有易碎固體顆粒的流體攪拌。表17-7

渦輪式攪拌器常用參數(shù)型式常用尺寸常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件常用介質(zhì)粘度范圍流動(dòng)狀態(tài)備注開式渦輪d/D=0.2～0.5(以0.33居多)b/d=0.2Bn=,3,4,6,8(以6居多)折葉式θ=30°,45°,60°后彎式?=30°,50°,60°?后彎角n=10～300r/minv=4～10m/s折葉式v=2～6m/s小于50Pa·s，折葉和后彎葉小于10Pa·s平直葉、后彎葉為徑向流型。在有擋板時(shí)以槳葉為界形成上下兩個(gè)循環(huán)流。折葉的還有軸向分流，近于軸流型最高轉(zhuǎn)速可達(dá)600r/min圓盤上下液體的混合不如開式渦輪盤式渦輪d:l:b=20:5:4d/D=0.2～0.5(以0.33居多)Bn=4,6,8θ=45°,60°?=45°n=10～300r/minv=4～10m/s折葉式v=2～6m/s小于50Pa·s，折葉和后彎葉小于10Pa·s4．錨式攪拌器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。適用于粘度在100Pa·s以下的流體攪拌，當(dāng)流體粘度在10～100Pa·s時(shí)，可在錨式槳中間加一橫槳葉，即為框式攪拌器，以增加容器中部的混合。圖17-21

錨式攪拌器

應(yīng)用錨式或框式槳葉的混合效果并不理想，只適用于對(duì)混合要求不太高的場(chǎng)合。由于錨式攪拌器在容器壁附近流速比其它攪拌器大，能得到大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，故常用于傳熱、晶析操作。常用于攪拌高濃度淤漿和沉降性淤漿。當(dāng)攪拌粘度大于100Pa·s的流體時(shí)，應(yīng)采用螺帶式或螺桿式。常用尺寸常用運(yùn)轉(zhuǎn)條件常用介質(zhì)粘度范圍流動(dòng)狀態(tài)備注d/D=0.9～0.98b/D=0.1h/D=0.48～1.0n=1～100r/minv=1～5m/s小于100Pa·s不同高度上的水平環(huán)向流為了增大攪拌范圍，可根據(jù)需要在槳葉上增加立葉和橫梁表17-8

錨式攪拌器常用參數(shù)8.2.3.3攪拌器的選用選用時(shí)除滿足工藝要求外，還應(yīng)考慮功耗低、操作費(fèi)用省，以及制造、維護(hù)和檢修方便等因素。攪拌器選型一般從三個(gè)方面考慮攪拌目的

物料粘度

攪拌容器容積的大小僅考慮攪拌目的時(shí)攪拌器的選型見表17-9。一、按攪拌目的選型常用的攪拌器選用方法：攪拌目的擋板條件推薦形式流動(dòng)狀態(tài)互溶液體的混合及在其中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)無擋板三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、槳式、圓盤渦輪湍流(低粘流體)有導(dǎo)流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式有或無導(dǎo)流筒槳式、螺桿式、框式、螺帶式、錨式層流(高粘流體)固—液相分散及在其中溶解和進(jìn)行化學(xué)反