机械搅拌反应器

18.2机械搅拌反应器一、基本结构筒体夹管搅拌容器换热元件内盘管内构件搅拌反应器搅拌器搅拌轴搅拌机密封装置传动装置21—电动机；2—减速机；3—机架；4—人孔；5—密封装置；6—进料口；7—上封头；8—筒体：9—联轴器；10—搅拌轴；11—夹套；12—载热介质出口；13—挡板；14—螺旋导流板；15—轴向流搅拌器；16—径向流搅拌器；17—气体分布器；18—下封头；19—出料口；20—载热介质进口；21—气体进口图8-7通气式搅拌反应器典型结构3二、搅拌容器作用:为物料反应提供合适的空间.结构::/筒体—圆筒封头—椭封应用最广搅拌容器接管—进出料/排气/控制点接管/传感器换热元件—夹管/内盘管小型:悬挂式支座—考虑容器大小和安装位置大型裙式支承式⒈搅拌容器4装料系数:一般取0.6~0.85如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态→取0.6~0.7如物料在反应过程中比较平稳→取0.8~0.85容积卧式搅拌容器:筒体和左右两封头容积之和直立式搅拌容器:筒体和下封头两部分容积之和搅拌设备筒体的高径比:表8-3→确定筒体直径、高度5表8—3几种搅拌设备筒体的高径比种类罐内物料类型高径比一般搅拌罐液-固相、液－液相1～1.3气－液相1～2聚合釜悬浮液、乳化液2.08～3.85发酵罐类发酵液1.7～2.56⒉换热元件优先采用夹套，减少容器内构件，便于清洗，不占有效容积。整体夹套:图8-8型钢夹套:图8-11夹套半圆管夹套:图8-12蜂窝夹套:图8-14,8-15内盘管:图8-16,8-177表8—4各种碳钢夹套的适用温度和压力范围夹套型式最高温度/℃最高压力/MPa整体夹套U型圆筒型3503000.61.6型钢夹套2002.5蜂窝夹套短管支撑式折边锥体式2002502.54.0半圆管夹套3506.48ttjDDDjDjttjDDDjDj图8—8整体夹套(a)圆筒型(b)U型9图8—9夹套肩与筒体的连接结构(a)封口锥(b)封口环DDjDjD10d1t1t2t1t2d1t3t1d1d1封口环图8—10夹套底与封头连接结构封口锥11图8—11型钢夹套结构(a)螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕12图8－12半圆管夹套结构(a)半圆管半圆管横截面重心t1Db2b1e213图8—12半圆管夹套结构(b)弓形管弓形管横截面重心b2b1t114bL3L2Lt1L3(a)螺旋形缠绕图8—13半圆管夹套的安装15图8—13半圆管夹套的安装(b)平行排管Dt116图8—14折边式蜂窝夹套夹套向内折边与筒体贴合好,再进行焊接的结构D1t1D2t2bAA向17D1t1D2edminb用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角形布置图8—15短管支撑式蜂窝夹套18图8—16螺旋形盘管dD19dD对称布置的几组竖式蛇管：传热挡板作用图8－17竖式蛇管20三、搅拌器㈠搅拌器的功能和流动特征⒈功能—提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。⒉原理—搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动。⒊影响搅拌器功能的因素—a.浆叶的形状、尺寸、数量、转速b.搅拌介质的物性c.搅拌器的工作环境d.搅拌器在槽内的安装位置和方式21⒋流型—流体循环流动的途径。搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型：⑴径向流:图8-18(a)流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动⑵轴向流:图8-18(b)流体流动方向平行于搅拌轴⑶切向流:图8-18(c)无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动。这个区域内流体没有相对运动→混合效果差。消除方法—加挡板→削弱切向流，增强轴向流和径向流上述三种流型通常同时存在轴向流与径向流对混合起主要作用切向流应加以抑制22影响流型的因素:搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何特征、流体性质、搅拌器转速等。⒌搅拌器在容器内安装方式:图8-19,除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式。不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。23流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下二个循环流动。(a)径向流图8—18搅拌器与流型(a)径向流24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，遇到容器底面再向上翻，形成上下循环流。(b)轴向流图8—18搅拌器与流型(b)轴向流25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漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。(c)切向流图8—18搅拌器与流型(c)切向流26图8—19搅拌器在容器内的安装方式(a)垂直偏心式(b)底插式(c)侧插式(d)斜插式(e)卧式27⒍流动特性:搅拌器→对流体产生剪切作用:与液—液搅拌体系中液滴的细化、固—液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气—液搅拌体系中气泡的细微化有关。循环作用:与混合时间、传热、固体的悬浮等相关。剪切型叶轮:输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用,如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。循环型叶轮:输入流体的能量主要用于对流体的循环作用,如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等28按流体流动形态轴向流搅拌器径向流搅拌器按结构分为平叶折叶螺旋面叶桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶都有平叶和折叶二种结构推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶㈡搅拌器类型及典型搅拌器特性⒈搅拌器分类:图8-22混合流搅拌器29按搅拌用途分为低粘流体用搅拌器高粘流体用搅拌器低粘流体搅拌器有：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等。高粘流体搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带）、螺旋—螺带式等。30图8—22搅拌器流型分类图谱轴流式混流式径流式搅拌器31桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占搅拌器总数的75～80％。32⒉典型搅拌器特性及尺寸:⑴桨式搅拌器:图8-23⑵推进式搅拌器:图8-24⑶涡轮式搅拌器:图8-25⑷锚式搅拌器:图8-2633结构最简单叶片用扁钢制成，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。图8—23桨式搅拌器34表8－5桨式搅拌器常用参数常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注d/D=0.35～0.8b/d=0.1～0.25Bn=2折叶式有轴向、径向和环向分流作用小于2Pa·s低转速时水平环向流为主；转速高时为径向流；有挡板时为上下循环流当d/D=0.9以上，并设置多层桨叶时，可用于高粘度液体的低速搅拌。在层流区操作，适用的介质粘度可达100Pa·s,v=1.0～3.0m/s折叶式θ=45°，60°折叶式有轴向、径向和环向分流作用注：n－转速；v－叶端线速度；Bn－叶片数；d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。35推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低粘流体中。标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径d相等。它直径较小，d/D=1/4～1/3，叶端速度一般为7～10m/s，最高达15m/s。图8—24推进式搅拌器36表8－6推进式搅拌器常用参数常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注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轴流型，循环速率高，剪切力小。采用挡板或导流筒则轴向循环更强最高转速可达1750r/min:最高叶端线速度可达25m/s。转速在500r/min以下，适用介质粘度可达50Pa.s37涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮），是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。图8—25涡轮式搅拌器38表8－7涡轮式搅拌器常用参数型式常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注开式涡轮d/D=0.2～0.5(以0.33居多)b/d=0.2Bn=,3,4,6,8(以6居多)折叶式θ=30°,45°,60°后弯式ß=30°,50°,60°ß后弯角n=10～300r/minv=4～10m/s折叶式v=2～6m/s小于50Pa·s，折叶和后弯叶小于10Pa·s平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。折叶的还有轴向分流，近于轴流型最高转速可达600r/min圆盘上下液体的混合不如开式涡轮盘式涡轮d:l:b=20:5:4d/D=0.2～0.5(以0.33居多)Bn=4,6,8θ=45°,60°ß=45°n=10～300r/minv=4～10m/s折叶式v=2～6m/s小于50Pa·s，折叶和后弯叶小于10Pa·s39结构简单。适用于粘度在100Pa·s以下的流体搅拌，当流体粘度在10～100Pa·s时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部的混合。图8—26锚式搅拌器40常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注d/D=0.9～0.98b/D=0.1h/D=0.48-1.0n=1～100r/minv=1～5m/s小于100Pa·s不同高度上的水平环向流为了增大搅拌范围，可根据需要在桨叶上增加立叶和横梁表8－8锚式搅拌器常用参数41选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。搅拌器选型依据搅拌目的物料粘度搅拌容器容积的大小㈢搅拌器的选型42仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表8－9。⒈按搅拌目的选型:43搅拌目的挡板条件推荐形式流动状态互溶液体的混合及在其中进行化学反应无挡板三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮湍流(低粘流体)有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式层流(高粘流体)固—液相分散及在其中溶解和进行化学反应有或无挡板桨式、六叶折叶开启式涡轮湍流(低粘流体)有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒螺带式、螺杆式、锚式层流(高粘流体)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有挡板三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮式、推进式湍流(低粘流体)表8－9搅拌目的与推荐的搅拌器形式44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挡板圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮湍流(低粘流体)有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒螺带式、螺杆式、锚式层流(高粘流体)气—液相分散及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮、闭式涡轮湍流(低粘流体)有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有导流筒螺杆式层流(高粘流体)无导流筒锚式、螺带式表8－9搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）45⒉按搅拌器型式和适用条件选型:表8-10推进式搅拌器——用于低粘度流体的混合，循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容积的搅拌容器中。桨式搅拌器——结构简单，在小容积的流体混合中应用较广，对大容积的流体混合，循环能力不足。涡轮式搅拌器——应用范围较广，各种搅拌操作都适用，但流体粘度不宜超过50Pa·s。锚式、螺杆式、螺带式——适用于高粘流体的混合。46表8－10搅拌器型式和适用条件流动状态搅拌目的搅拌器型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搅拌容器容积/m3转速范围/(r/min)最高粘度/(Pa.s)涡轮式◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆11001030050桨式◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆12001030050推进式◆◆◆◆◆◆◆◆◆11000105002折叶开启涡轮式◆◆◆◆◆◆◆◆110001030050布鲁马金式◆◆◆◆◆◆◆◆11001030050锚式◆◆◆11001100100螺杆式◆◆◆1500.550100螺带式◆◆◆