化工设备设计基础搅拌反应釜

材料系高分子材料与工程专业化工设备设计基础主讲滕艳华副教授材料学院高分子材料教研室[e-mail]材料系高分子材料与工程专业2第六章搅拌器反应釜材料系高分子材料与工程专业3一、搅拌的目的1、使物料混合均匀第一节概述2、强化传热、传质使气体在液相中很好地分散使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀地悬浮使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化强化相间的传质（如吸收等）强化传热材料系高分子材料与工程专业41-搅拌器2-罐体3-夹套4-搅拌轴5-压出管6-支座7-人孔8-轴封9-传动装置图9-1搅拌设备结构图二、结构材料系高分子材料与工程专业5搅拌设备搅拌装置轴封搅拌罐罐体附件搅拌轴搅拌器传动装置材料系高分子材料与工程专业6一、罐体的尺寸确定罐体长径比对搅拌功率的影响第二节搅拌罐结构设计罐体长径比对传热的影响需要较大搅拌功率的，长径比可以选得小些。体积一定时，长径比越大，表面积越大，越利于传热；并且此时传热面距罐体中心近，物料的温度梯度就越大，有利于传热效果。因此，单纯从夹套传热角度考虑，一般希望长径比大一些。1、罐体长径比材料系高分子材料与工程专业7物料特性对罐体长径比的要求表6—1几种搅拌罐的长径比种类设备内物料类型长径比一般搅拌罐液-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1.7～2.5材料系高分子材料与工程专业8装料系数初步计算筒体内径确定筒体直径和高度一般取0.6～0.82、搅拌罐装料量VVg34igiDHVD材料系高分子材料与工程专业二、夹套传热及其结构搅拌反应釜最常见的传热方式为夹套和蛇管传热。在釜体外侧，以焊接或法兰连接的方法装设各种形式的外套，时期与釜体外表面形成密闭的空间，在此空间内通入载热流体，以加热或冷却无料，维持物料的温度在规定的范围，这种结构称为夹套。（一）整体夹套的结构类型（a）仅圆筒的一部分有加套，用在需要加热面积不大的场合。（b）圆筒的一部分和下封头包有加套，是最常用的典型结构。（c）考虑到筒体受外压时为了减小筒体的计算长度L，或者为了实现在筒体的轴线方向分段的控制温度而采用分段夹套，各段之间设置加强圈或采用能够起到加强圈作用的夹套封口件，此结构适用于筒体细长的场合。（d）为全包式夹套，与前三种相比，有最大的传热面积。材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业（二）整体夹套的尺寸确定及连接方式夹套直径Dj可根据筒体内径按表选取夹套封头根据夹套直径及所选封头形式按标准选取夹套高度Hj主要决定于传热面积F的要求，一般不低于液面高度，以保证充分传热，可按下式估算按估算的夹套高度，校核传热面积，如果不符合要求，则需选择其他形式的传热装置。整体夹套与筒体的连接方式有可拆卸和不可拆卸两种。2imDFjV-VH4材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业（三）夹套上的附件1、进口接管材料系高分子材料与工程专业2、螺旋导流板材料系高分子材料与工程专业三、其他形式的夹套结构各种夹套的适用范围：（一）半圆管夹套的结构材料系高分子材料与工程专业（二）型钢夹套结构材料系高分子材料与工程专业四、蛇管传热及其结构材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业（二）搅拌器的形式桨式、涡轮式、推进式、锚式、框式、螺带式、螺杆式材料系高分子材料与工程专业24第二节搅拌器的型式及选型一、常见型式材料系高分子材料与工程专业25二、搅拌器的功能提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状态，以达到搅拌过程的目的。浆叶旋转运动，产生能量，作用于液体，形成流动状态。关键在浆叶，也与其它因素有关，如介质特性，搅拌器的工作环境等。材料系高分子材料与工程专业26三、选型搅拌器选型搅拌目的物料粘度搅拌容器容积的大小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。材料系高分子材料与工程专业27表9-1搅拌器型式适用条件表注表中空白为不适或不详，○为适合。搅拌器型式流动状态搅拌目的搅拌容器容积(m3)转速范围(r/min)最高粘度(P)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涡轮式○○○○○○○○○○○○1~10010~300500桨式○○○○○○○○○○1~20010~30020推进式○○○○○○○○○1~100010~500500折叶开启涡轮式○○○○○○○○1~100010~300500布尔马金式○○○○○○○○1~10010~300500锚式○○○1~1001~1001000螺杆式○○○1~500.5~501000螺带式○○○1~500.5~501000材料系高分子材料与工程专业28四、几种常用搅拌器简介桨式、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％。材料系高分子材料与工程专业291.桨式搅拌器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9-3桨式搅拌器材料系高分子材料与工程专业30主要应用液—液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固—液系中多用于防止固体沉降。主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。材料系高分子材料与工程专业31桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min，最高粘度为20Pa·s。缺点不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。材料系高分子材料与工程专业322.推进式搅拌器推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低粘流体中。结构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9-4推进式搅拌器材料系高分子材料与工程专业33搅拌时——流体由桨叶上方吸入，下方以圆筒状螺旋形排出，流体至容器底再沿壁面返至桨叶上方，形成轴向流动。特点——搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单，制造方便。循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器。材料系高分子材料与工程专业34应用粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。主要用于液－液系混合、使温度均匀，在低浓度固－液系中防止淤泥沉降等。改进容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。材料系高分子材料与工程专业353．涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器（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9-5涡轮式搅拌器材料系高分子材料与工程专业36应用涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。材料系高分子材料与工程专业374．锚式搅拌器结构简单。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9-6锚式搅拌器材料系高分子材料与工程专业38锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合要求不太高的场合。应用由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。当搅拌粘度大于100Pa·s的流体时，应采用螺带式或螺杆式。材料系高分子材料与工程专业挡板与导流筒1．挡板当流体粘度不大，搅拌转速较高，而且桨叶放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的方向循着釜壁滑动，釜内液体在离心力作用下涌向釜壁，使液面沿袭壁上升，中心部分的液面下降，形成一个漩涡，通常称打漩现象。材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业打漩现象消除措施：a.搅拌轴偏心安装时，能减弱游涡，提高轴向循环速率;b.在釜内安装挡板可有效的消除游涡材料系高分子材料与工程专业◆挡板挡板的作用是避免旋涡现象，增大被搅拌液体的湍流程度，将切向流动变为轴向和径向流动，强化反应器内液体的对流和扩散，改善搅拌效果。搅拌反应器的挡板结构材料系高分子材料与工程专业可有效地防止粘滞液体在挡板处形成死角，以防止固体颗粒的堆积。在高粘度物料中使用桨式搅拌器时，可安装横挡板以增加掺合作用，挡板宽度可与搅拌叶同宽。材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业2．导流筒设置导流筒，既可提高釜内流体的搅拌程度，加强桨叶对流体的直接剪切作用，同时又造成一定的循环流型，使釜内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高混合效率。另外由于限定了循环路径，减少了短路机会。材料系高分子材料与工程专业材料系高分子材料与工程专业●导流筒的作用导流筒作用---提高混合效率一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅拌器对液体的直接机械剪切作用；另一方面由于限定了液体的循环路径，确立了充分循环的流型，使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，减少了走短路的机会。●导流筒的组成导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的外面。常用于推进式和涡轮式搅拌器。材料系高分子材料与工程专业导流筒材料系高分子材料与工程专业49（一）搅拌器功率和搅拌器作业功率1、定义搅拌功率搅拌器功率搅拌作业功率四、搅拌器的功率最理想状态：搅拌器功率＝搅拌作业功率搅拌过程进行时需要动力，笼统地称这一动力时叫做搅拌功率。为使搅拌器连续运转所需要的功率称为搅拌器功率。搅拌器使搅拌槽中的液体以最佳方式完成搅拌过程所需要的功率。材料系高分子材料与工程专业502、影响搅拌器功率的因素搅拌器的几何参数与运转参数搅拌槽的几何参数搅拌介质的物性参数材料系高分子材料与工程专业51一、传动装置第四节传动装置及搅拌轴一般包括电动机、减速装置、联轴节及搅拌轴图9-8齿轮减速机图9-9涡轮减速机材料系高分子材料与工程专业52二、轴的计算1、轴的强度计算2、轴的刚度计算kpTWd163000100180PJGT材料系高分子材料与工程专业53二、轴封机械搅拌反应器轴封主要有两种轴的密封装置填料密封机械密封避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部杂质渗入搅拌容器内。目的：材料系高分子材料与工程专业541、填料密封特点：结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。填料密封的结构及工作原理组成：底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等。材料系高分子材料与工程专业55工作原理在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱本体之间的填料，对搅拌轴表面产生径向压紧力。填料中含有润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得到润滑，另一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体的渗入，达到密封的目的。材料系高分子材料与工程专业56存在问题填料中的润滑剂会在运转中不断消耗，通过设置在填料中间的油环向填料内加油，保持润滑。填料密封不可能绝对不漏。增加压紧力，填料紧压在转动轴上，会加速轴与填料间的磨损，使密封更快失效。在操作过程中应适当调整压盖的压紧力，并需定期更换填料。材料系高分子材料与工程专业57图9-10填料密封的结构1—压盖2—双头螺柱3—螺母4—垫圈5—油杯6—油环7—填料8—本体9—底环材料系高分子材料与工程专业58填料密封箱的特点b.成型环状填料盘状填料装配时尺寸公差很难保证，填料压紧后不能完全保证每圈都与轴均匀良好接触，受力状态不好，易造成填料密封失效而泄漏。采用具有一定公差的成型环状填料，密封效果可大为改善。填料一般在裁剪、压制成填料环后使用。成型环状填料的形状见图8—34。a.在填料箱的压盖上设置衬套，可提高装配精度，使轴有良好对中，填料压紧时受力均匀，保证填料密封在良好条件下进行工作。材料系高分子材料与工程专业59图9-11压制成型填料材料系高分子材料