反應(yīng)設(shè)備講解

第8章反應(yīng)設(shè)備講解

1.反應(yīng)器類型及特點(diǎn)（使用場合）

2.機(jī)械攪拌反應(yīng)器

3.機(jī)械攪拌技術(shù)進(jìn)展基本結(jié)構(gòu)反應(yīng)設(shè)備主要內(nèi)容和教學(xué)點(diǎn)攪拌器攪拌軸設(shè)計(jì)密封裝置傳動(dòng)裝置8.反應(yīng)設(shè)備

反應(yīng)設(shè)備可分為化學(xué)反應(yīng)器和生物反應(yīng)器，前者是指在其中實(shí)現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)化學(xué)反應(yīng)，并使反應(yīng)物通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)產(chǎn)物的設(shè)備；后者是指為細(xì)胞或酶提供適宜的反應(yīng)環(huán)境以達(dá)到細(xì)胞生長代謝和進(jìn)行反應(yīng)的設(shè)備。

化工生產(chǎn)的典型流程原料前處理化學(xué)反應(yīng)后處理產(chǎn)品排氣排污循環(huán)8.反應(yīng)設(shè)備操作方式均相氣相間歇操作物料相態(tài)流動(dòng)狀態(tài)傳熱情況液相

化學(xué)反應(yīng)器分類結(jié)構(gòu)特征非均相氣-液相液-液相氣-固相液-固相氣-液-固相連續(xù)操作半連續(xù)操作活塞流型全混流型絕熱式等溫式非等溫非絕熱式攪拌釜式管式固定床流化床移動(dòng)床塔式滴流床8.1概述8.1.1反應(yīng)器分類操作方式酶催化反應(yīng)器間歇操作生物催化劑輸入能量流動(dòng)狀態(tài)

生物反應(yīng)器分類

結(jié)構(gòu)特征細(xì)胞催化反應(yīng)器（發(fā)酵罐）連續(xù)操作半連續(xù)操作攪拌槳葉式氣體噴射式活塞流全混流機(jī)械攪拌式氣升式流化床固定床（氣升式）8.1概述8.1.1反應(yīng)器分類反應(yīng)器機(jī)械攪拌式反應(yīng)器（用于均相反應(yīng)、也可用于多相；可用于連續(xù)、間歇操作；靈活性、可控范圍大；設(shè)計(jì)成熟）管式反應(yīng)器（結(jié)構(gòu)簡單、制造方便；可用于連續(xù)、間歇操作）固定床反應(yīng)器（氣體流經(jīng)固定不動(dòng)的催化劑床層進(jìn)行催化反應(yīng)的裝置）（包括軸向絕熱式、徑向絕熱式和列管式）其他：回轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)器、噴嘴式反應(yīng)器和鼓泡塔式反應(yīng)器流化床反應(yīng)器（流體以較高的流速通過床層、帶動(dòng)床內(nèi)的固體顆粒運(yùn)動(dòng)，使之懸浮在流動(dòng)的主體流中進(jìn)行反應(yīng)，并具有類似流體流動(dòng)的一些特性的裝置。傳熱面積大、系數(shù)高、效果好）8.1概述8.1.2常見反應(yīng)器的特點(diǎn)

攪拌反應(yīng)器由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱為攪拌機(jī)。8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.1基本結(jié)構(gòu)攪拌容器的作用是為物料反應(yīng)提供合適的空間。攪拌容器的筒體基本上是圓筒，封頭常采用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋，以橢圓應(yīng)用最廣。根據(jù)工藝需要，容器上裝有各種接管，以滿足進(jìn)料、出料、排氣等要求。為對物料加熱或取走反應(yīng)熱，常設(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。操作過程中為了對反應(yīng)進(jìn)行控制，必須測量反應(yīng)物的溫度、壓力、成分及其他參數(shù)，還設(shè)置有溫度、壓力傳感器。8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.2攪拌容器攪拌容器罐內(nèi)物料類型一般攪拌罐液-固相、液-液相聚合釜種類高徑比種類罐內(nèi)物料類型高徑比氣-液相1~1.31~2發(fā)酵罐類懸浮液、乳化液發(fā)酵液2.08~13.851.7~2.5換熱元件夾套結(jié)構(gòu)表8-4各種碳素鋼的適用溫度和壓力范圍夾套類型整體夾套U型300最高溫度最高壓力350圓筒型型鋼夾套蜂窩夾套短管支撐式折邊錐體式半圓管夾套2002002503501.60.62.52.54.06.48.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.2攪拌容器夾套結(jié)構(gòu)整體夾套（有圓筒型和U形兩種，圓筒型換熱面積小，U型傳熱面積大是常用的結(jié)構(gòu)）

（與筒體的連接分為可拆式和不可拆式；與容器封頭的連接有封口錐和封口環(huán)兩種）型鋼夾套（用角鋼與筒體焊接而成）半圓管夾套（即可螺旋纏繞，也可平行焊接，焊縫多，焊接工作量大）蜂窩夾套（以整體夾套為基礎(chǔ)，提高筒體的剛度和夾套的承壓能力，強(qiáng)化傳熱效果；有折邊式和拉撐式兩種）當(dāng)僅靠外夾套傳熱，換熱面積不夠時(shí)，常采用內(nèi)盤管，傳熱效果好，但檢修困難。內(nèi)盤管分為螺旋盤管和蛇管。8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.2攪拌容器攪拌器與流動(dòng)特征流型徑向流（流體流動(dòng)的方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動(dòng)，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動(dòng)，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)。）軸向流（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)，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流）切向流（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)液體表面會形成旋渦，此時(shí)流體從漿葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。）

攪拌器又稱攪拌槳和攪拌葉輪，是攪拌反應(yīng)器的關(guān)鍵部件。其功能是提供過程所需要的能量和適宜的流動(dòng)狀態(tài)。攪拌器把機(jī)械能傳遞給流體，在攪拌器附近形成高湍流的充分混合區(qū)。這種循環(huán)流動(dòng)的途徑稱為流型。8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.3攪拌器擋板與導(dǎo)流筒擋板（在容器內(nèi)壁面均勻安裝4塊擋板，其寬度為容器直徑的1/12-1/10。當(dāng)再增加擋板數(shù)和擋板寬度，功率消耗不再增加時(shí)，稱為全擋板條件。傳熱蛇管可部分或全部代替擋板，裝有垂直換熱管時(shí)，一般不在安裝擋板）導(dǎo)流筒（導(dǎo)流筒是上下開口圓筒，安裝于容器內(nèi)，在攪拌混合中起導(dǎo)流筒作用。對于我論式或槳葉式攪拌器，導(dǎo)流筒剛好置于槳葉上方。對于推進(jìn)式攪拌器，導(dǎo)流筒套在槳葉外面。或略高于槳葉。通常上端都低于靜液面，且同身上開孔或槽。）8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌器與流動(dòng)特征8.2.3攪拌器流動(dòng)特性當(dāng)攪拌器輸入流體的能量主要用于流體的循環(huán)流動(dòng)時(shí)，稱為循環(huán)型葉輪，如框式、螺帶式、錨式、槳式、推進(jìn)式；當(dāng)用于對流體的剪切作用時(shí)，稱為剪切式葉輪，如徑向渦輪式、鋸齒圓盤式等。攪拌器分類、圖譜與典型攪拌器特性按流體流動(dòng)形態(tài)軸向流攪拌器混合流攪拌器徑向流攪拌器按攪拌器結(jié)構(gòu)平葉螺旋面葉折葉攪拌器與流動(dòng)特征8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.3攪拌器按用途低粘流體用流攪拌器（推進(jìn)式、長薄葉螺旋槳、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式等）高粘流體用流攪拌器（錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式、螺旋-螺帶式等）8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌器分類、圖譜與典型攪拌器特性8.2.3攪拌器葉片用扁鋼制成，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。槳式攪拌器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、故軸流槳葉使用較多。槳式攪拌器也可用于高粘度流體的攪拌，促進(jìn)流體的上下交換，代替價(jià)格高的螺帶式葉輪。槳式攪拌器的轉(zhuǎn)速一般為20-100r/min，最高粘度為20Pa.s。攪拌器分類、圖譜與典型攪拌器特性8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器槳式攪拌器8.2.3攪拌器常用于低粘度流體中，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。推進(jìn)式攪拌器攪拌時(shí)流體的湍流程度布告，但循環(huán)量大推進(jìn)式攪拌器結(jié)構(gòu)簡單制造方便，適用用于粘度低、流量大的場合，循環(huán)性能好剪切作用不大，屬于循環(huán)型攪拌器。推進(jìn)式攪拌器的直徑較小，d/D=1/4-1/3，葉端速度一般為7-10m/s，最高達(dá)15m/s。攪拌器分類、圖譜與典型攪拌器特性8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器推進(jìn)式攪拌器8.2.3攪拌器能有效完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的流體。渦輪式攪拌器可分為開式和盤式兩種。開式有平直葉、斜葉、彎葉等；盤式有圓盤平直葉、圓盤斜葉、圓盤彎葉等。開式渦輪常用的葉片數(shù)為2葉和4葉；盤式以6片最常見。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。平直葉片剪切作用較大，屬剪切型攪拌器。彎葉是指葉片朝著流動(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。攪拌器分類、圖譜與典型攪拌器特性8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器渦輪式攪拌器（透平式葉輪）8.2.3攪拌器錨式攪拌器結(jié)構(gòu)簡單，適用于粘度在100Pa.s以下的流體攪拌，當(dāng)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。錨式攪拌器和框式攪拌器的混合效果并不理想，只適用與對混合要求不太高的場合。由于錨式攪拌器在容器壁附近流速比其他攪拌器大，能得到大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，故常用于傳熱、晶析操作。也常用于攪拌高濃度淤漿和沉降淤漿，當(dāng)粘度大于100pa.s時(shí)，應(yīng)采用螺帶式或螺桿式。攪拌器分類、圖譜與典型攪拌器特性8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器錨式攪拌器8.2.3攪拌器表8-9攪拌目的與推薦的攪拌器形式攪拌目的互溶性液體的混合及在其中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)推薦形式流動(dòng)狀態(tài)有導(dǎo)流筒有或無導(dǎo)流筒無擋板有或無擋板有導(dǎo)流筒湍流（低粘度流體）擋板條件固-液相分散再及在其中溶解和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有或無導(dǎo)流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、槳式、圓盤渦輪三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式槳式、螺桿式、框式、螺帶式、錨式槳式、六葉折葉開啟式渦輪三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式螺帶式、螺桿式、錨式層流（高粘度流體）湍流（低粘度流體）層流（高粘度流體）攪拌器的選用8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.3攪拌器表8-9按攪拌器形式和適用條件選型攪拌器形式攪拌目的轉(zhuǎn)速范圍r/min流動(dòng)狀態(tài)渦輪式對流循環(huán)湍流擴(kuò)散剪切流低粘度混合高粘度液混合傳熱反應(yīng)分散溶解固體懸浮氣體吸收結(jié)晶傳熱液相反應(yīng)槳式推進(jìn)式折葉開啟渦輪式布魯馬金式錨式螺桿式螺帶式1-1001-2001-10001-1001-1001-2001-501-5010-30010-30010-50010-30010-3001-1000.5-500.5-505050250100100100100攪拌容器容積min3最高粘度Pa.s8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌器的選用8.2.3攪拌器攪拌目的液-液相分散（互溶的液體）及在其中強(qiáng)化傳質(zhì)和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)推薦形式流動(dòng)狀態(tài)有擋板有導(dǎo)流筒有擋板有或無導(dǎo)流筒有擋板湍流（低粘度流體）擋板條件液-液相分散（不互溶的液體）及在其中強(qiáng)化傳質(zhì)和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有反射物三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、槳式、圓盤渦輪、推進(jìn)式圓盤渦輪、六葉折葉開啟渦輪三葉折葉渦輪圓盤渦輪、閉式渦輪三葉折葉渦輪湍流（低粘度流體）層流（高粘度流體）湍流（低粘度流體）有導(dǎo)流筒有導(dǎo)流筒固-液相分散再及在其中溶解和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)無導(dǎo)流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式螺桿式錨式、螺帶式層流（高粘度流體）有反射物螺帶式、螺桿式、錨式三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式攪拌器的選用攪拌功率是指攪拌器以一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌時(shí)，對液體做功并使之發(fā)生流動(dòng)所需的功率。計(jì)算攪拌功率的目的，一是用于設(shè)計(jì)或校核攪拌器和攪拌軸的強(qiáng)度和剛度，二是用于選擇電機(jī)和減速機(jī)等傳動(dòng)裝置。

影響攪拌功率的因素有四個(gè)方面：1）攪拌器的幾何尺寸與轉(zhuǎn)速：攪拌器直徑、槳葉寬度、槳葉傾斜角、轉(zhuǎn)速、單個(gè)攪拌器葉片數(shù)、攪拌器距離容器底部的距離等。2）攪拌容器的結(jié)構(gòu)：容器內(nèi)徑、液面高度、擋板數(shù)、擋板寬度、導(dǎo)流筒的尺寸等。3）攪拌介質(zhì)的特性：液體的密度、粘度。4）重力加速度。8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌功率計(jì)算8.2.3攪拌器

上述影響可用下式關(guān)聯(lián)式中B—槳葉寬度，m

d—攪拌器直徑，m

D—攪拌容器內(nèi)直徑，m

Fr—弗勞德數(shù)，

K—系數(shù)；

n—轉(zhuǎn)速，s-1

Np—功率準(zhǔn)數(shù)；

P—攪拌功率，W

r,q—攪拌器直徑，m

Re—雷諾數(shù)，

—密度，kg/m3

—粘度，Pa.s8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌功率計(jì)算8.2.3攪拌器一般情況下弗勞德數(shù)的影響較小。容器內(nèi)直徑D、擋板寬度b等幾何參數(shù)可歸結(jié)到系數(shù)K。圖8-27六種攪拌器的功率曲線。在低雷諾數(shù)的層流區(qū)內(nèi)，流體不會打旋，重力影響可忽略，功率曲線為-1的直線；當(dāng)Re>10000時(shí)，流動(dòng)進(jìn)入充分湍流區(qū)，功率曲線呈一水平直線，即Np與Re無關(guān)，保持不變。需要指出圖8-27所示的功率曲線只適用于圖示六種攪拌器的幾何比例關(guān)系。如果比例關(guān)系不同，功率準(zhǔn)數(shù)也不同。8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌功率計(jì)算8.2.3攪拌器機(jī)械攪拌反應(yīng)器的振動(dòng)、軸封性能等直接與攪拌軸的設(shè)計(jì)相關(guān)。對于大直徑或高徑比大的反應(yīng)器，尤其應(yīng)重視攪拌軸的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)攪拌軸時(shí)，應(yīng)考慮四個(gè)因素：1）扭轉(zhuǎn)變形；2）臨界轉(zhuǎn)速；3）扭矩和彎矩聯(lián)合作用下的強(qiáng)度；4）軸封處允許的徑向位移?？紤]上述因素設(shè)計(jì)所得的軸徑是指危險(xiǎn)截面處的直徑。確定實(shí)際軸徑時(shí)，還應(yīng)考慮腐蝕余量，最后調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)軸徑。

1）剛性聯(lián)軸器聯(lián)接的可拆軸視為整體軸；2）攪拌器及軸上的其他零件的重力、慣性力、流體作用力均作用在零件軸套的中部；3）軸受扭矩外，還考慮攪拌器上流體的徑向力以及攪拌軸和攪拌器在組合重心處質(zhì)量偏心引起的離心力的作用。8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌軸的力學(xué)模型8.2.4攪拌軸設(shè)計(jì)傳動(dòng)側(cè)軸承攪拌側(cè)軸承L1LiaFedm1miLeFh1SFAFhi懸臂軸受力模型傳動(dòng)側(cè)軸承L1LiFedm1miLeFh1SFAFhi單跨軸受力模型L8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.4攪拌軸設(shè)計(jì)L1LiaFedm1miLeFh1SFAFhi按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸的軸徑

攪拌軸受扭矩和彎矩聯(lián)合作用時(shí)，應(yīng)將軸單位長度最大扭角限制在允許范圍內(nèi)，軸扭矩的剛度條件為：式中d—攪拌軸直徑，m

G—軸材料剪切彈性模量，Pa

[γ]—許用扭轉(zhuǎn)角，對于懸臂梁[γ]=0.35°/m，對于單跨梁[γ]=0.7°/m

Pn—電機(jī)功率；KW;n—攪拌軸轉(zhuǎn)速，s-1Mnmax—軸傳遞的最大扭矩,N.mα—空心軸內(nèi)徑和外徑的比值η—傳動(dòng)裝置效率；8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.4攪拌軸設(shè)計(jì)故攪拌軸的直徑為按臨界轉(zhuǎn)速校核攪拌軸的直徑式中a—攪拌軸直徑，m

E—軸材料彈性模量，PaL1—第一個(gè)攪拌軸長度；m;nc—臨界轉(zhuǎn)速，r/minI—軸的慣性矩，m4ms—軸及攪拌器的有效質(zhì)量在s點(diǎn)的等效質(zhì)量之和，kgz—攪拌器的數(shù)量；按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸的軸徑8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.4攪拌軸設(shè)計(jì)

攪拌軸的強(qiáng)度條件是式中M—彎矩，M=MR+MA

WP—抗扭截面模量，Pa[τ]—軸材料的許用切應(yīng)力，PaMte—軸上扭轉(zhuǎn)聯(lián)合作用時(shí)的當(dāng)量扭矩，m4則攪拌軸的直徑按強(qiáng)度計(jì)算攪拌軸的軸徑8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.4攪拌軸設(shè)計(jì)軸封處徑向位移的大小直接影響密封的性能，徑向位移主要由三個(gè)因素引起：1）軸承的徑向游隙；2）流體形成的水平推力；3）攪拌器及附件組合質(zhì)量不均勻產(chǎn)生的離心力。

一般物料，

—徑向位移系數(shù)，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力，

—軸封處的允許徑向位移，通常按軸封處允許徑向位移計(jì)算軸徑8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.4攪拌軸設(shè)計(jì)1）縮短懸臂段攪拌軸的長度；2）增加軸徑；3）設(shè)置底軸承或中間軸承；4）設(shè)置穩(wěn)定器穩(wěn)定筒減小軸端繞度、提高攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速的措施8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.4攪拌軸設(shè)計(jì)填料密封（1）填料密封的結(jié)構(gòu)及工作原理（由底環(huán)、本體、油環(huán)、填料、螺柱、壓蓋及油環(huán)等組成）（3）填料密封的選用a.根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及介質(zhì)腐蝕性選用當(dāng)介質(zhì)為非易燃、易爆、有毒的一般物料且壓力不高時(shí)。b.根據(jù)填料的性能選用當(dāng)密封要求不高時(shí)，選用一般石棉或油浸石棉填料，當(dāng)要求高時(shí)，選用膨體聚四膚乙烯、柔性石墨填料。a.在填料箱的壓蓋上設(shè)置襯套，可提高裝配精度，壓緊時(shí)受力均勻。b.成型環(huán)狀填料。（2）填料密封的特點(diǎn)填料密封8.2機(jī)械攪拌反應(yīng)器8.2.5密封裝置表8-13填料材料的性能填料名稱油浸石棉填料線速度m/s適用條件（接觸介質(zhì)）450酸堿、強(qiáng)腐蝕性溶液