第18章-搅拌反应器

第18章搅拌反应器18.1概述定义：在化学反应过程中，为反应提供反应空间和反应条件的装置称为反应设备，常称作反应釜。为了使化学反应快速均匀进行，需对参加化学反应的物质进行充分混合，且对物料加热或冷却，采取搅拌操作才能得到良好的效果。实现搅拌的方式：机械搅拌；气流搅拌；射流搅拌；静态(管道)搅拌；电磁搅拌18.1.1搅拌的目的(1)使不互溶液体混合均匀，制备均匀混合液、乳化液，强化传质过程。(2)使气体在液体中充分分散，强化传质或化学反应。(3)制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解、浸取或液-固化学反应。(4)强化传热，防止局部过热或过冷。18.1概述18.1概述18.1.2搅拌反应釜的基本结构反应釜轴封釜体传热装置搅拌装置搅拌器搅拌轴传动装置电动机减速机及机座联轴器底座图18.1通气式搅拌反应釜典型结构18.1概述18.1.2搅拌反应釜机械设计的依据搅拌反应釜的机械设计是在工艺设计之后进行的。工艺设计所确定的对搅拌反应釜的工艺要求是机械设计的依据。反应釜的容积，最大工作压力，工作温度，工作介质及腐蚀情况，传热面积，换热方式，搅拌形式，转速及功率，接口管方位与尺寸主要工艺要求：18.1概述18.1.4搅拌反应釜机械设计的内容(1)确定搅拌反应的结构形式和尺寸。(2)选择材料。(3)计算强度或稳定性。(4)选用主要零部件。(5)绘制图样。(6)提出技术要求。18.2釜体与传热装置搅拌反应釜釜体和传热装置设计的主要内容包括釜体的结构形式和各部分尺寸、传热形式和结构、各种工艺接管的安设等。釜体的形状一般为圆柱形，主要受传热方式的影响，主要的传热方式包括夹套式和蛇管式。图18.2传热形式图18.3釜体几何尺寸Hj18.2.1釜体几何尺寸的确定反应釜尺寸主要影响因素——容积V反应釜尺寸主要参数——高H和内径Di•长径比对搅拌功率的影响•长径比对夹套传热的影响•长径比对某些物料的反应的影响种类釜内物料类型H/Di一般反应釜液－液相或液－固相物料气－液相物料1～1.31～2发酵罐类气－液相物料1.7～2.518.2釜体与传热装置罐体容积V（直筒与下封头容积之和）和物料容积V0有如下关系：V0=ηV(19-1)或V=V0／η。确定了H／Di和V以后，忽略下封头容积，则：将算出的Di圆整成标准直径，按下式得出罐体的高度：2ih4DVVHi3i2i44DHDHDV3ii)(4DHVDV为釜体容积(m3)；H为筒体高度(m)；Di为筒体内径(m)；Vh为下封头容积(m3)。18.2釜体与传热装置18.2.2夹套的结构与尺寸夹套的主要结构型式有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等。表18－2各种碳素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3500.6圆筒型3001.6型钢夹套2002.5蜂窝夹套短管支撑式2002.5折边锥体式2504.0半圆管夹套3506.418.2釜体与传热装置1.整体夹套图18.4整体夹套的形式(1)整体夹套的结构形式18.2釜体与传热装置(2)夹套与釜体的连接方式图18.5夹套与釜体的连接结构18.2釜体与传热装置(3)夹套上介质的进出口夹套上设有介质进出口，介质的流向要有利于强化传热，还可以再夹套内设置螺旋导流板以增加传热效率。图18.6螺旋导流板δj18.2釜体与传热装置(4)夹套的尺寸(Dj、Hj)Di(mm)500～600700～18002000～3000Dj(mm)Di+50Di+100Di+200表18－3夹套直径与筒体直径的关系42ihjDVVH夹套高度Hj的确定：确定夹套筒体高度还应考虑两个因素：当反应釜筒体与上封头采用法兰连接时，夹套顶边应在法兰下150～200mm处(视法兰螺栓长度及拆卸方便而定)，参见图18.5(b)；当反应釜具有悬挂支座时，应考虑避免因夹套顶部位置而影响支座的焊接。18.2釜体与传热装置当釜体直径较大，或者传热介质压力较高时，常采用型钢夹套、半圆管夹套或蜂窝夹套代替整体夹套。这样不仅能提高传热介质的流速，改善传热效果，而且还能提高筒体承受外压的稳定性和刚度。2型钢夹套δδjδj图18.7型钢夹套结构δj布置方式：沿着筒体外壁螺旋布置或者沿着通体轴线布置。特点：能够承受较高压力，稳定性好，但制造困难。18.2釜体与传热装置3.半圆管夹套δδ18.8结构和布置形式：半圆管在筒体外的布置，既可螺旋形缠绕在筒体上，也可沿筒体轴向平行焊在筒体上，或沿筒体圆周方向平行焊接在筒体上。特点：半圆管由带材压制而成，加工方便。半圆管夹套的缺点是焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时易造成焊接变形。18.2釜体与传热装置4.蜂窝夹套δDiDjδjDjiδjδ图18.9折边锥体式和短管支撑式蜂窝夹套(a)折边锥体式；(b)短管支撑式(a)(b)蜂窝夹套是以整体夹套为基础，采取折边或短管等加强措施，提高筒体的刚度和夹套的承载能力，减小流道面积，从而减薄筒体厚度，强化传热效果。18.2釜体与传热装置18.2.3釜体和夹套壁厚的确定釜体和夹套的强度和稳定性设计可按内、外压容器的设计方法进行。筒体无夹套有夹套按照内压容器计算；当筒体内真空时，按外压容器计算。按照外压容器计算，压力为夹套压力+0.1Ma。夹套按照内压容器计算；当筒体内真空时，按外压容器计算。18.2釜体与传热装置18.2.3蛇管的布置蛇管传热的优点：浸在物料里，热量损失少；与夹套联合使用，增大传热面积。蛇管传热的缺点：检修麻烦。蛇管材料：一般采用无缝钢管蛇管传热的形式：螺旋形蛇管、竖式蛇管图18.10螺旋形蛇管图18.11竖式蛇管18.2釜体与传热装置1蛇管的长度蒸汽压力(MPa)0.0450.1250.20.30.5管长与管径最大比值100150200225275图18.12蛇管的排列18.2釜体与传热装置2.蛇管的固定如果蛇管的中心圆直径较小或圈数不多、质量不大，可以利用蛇管进出口接管固定在釜体的顶盖上，不再另设支架以固定蛇管。当蛇管中心圆直径较大、比较笨重或搅拌有振动时，则需要安装支架以增加蛇管的刚性。(a)单螺栓固定型式(b)单螺栓加固型式(e)双螺栓固定型式(d)自由支承型式(e)紧密排列固定型式(f)防振加固型式18.2釜体与传热装置3.蛇管的进出口结构图18.14蛇管的进出口结构蛇管的进出口一般都设置在釜体的顶盖上，常见的结构型式如图：18.2釜体与传热装置18.2.5工艺接管反应釜上工艺接管包括进、出料接管、仪表接管、温度计及压力表接管等。图18.15进料管结构1进料管2出料管反应釜出料有上出料和下出料两种方式。图18.16上出料管图18.17下出料管(a)直接下出料管；(b)带夹套的下出料管之一；(c)带夹套的下出料管之二18.2釜体与传热装置18.3搅拌装置18.3.1搅拌器的形式与选用(1)桨式搅拌器图18.18桨式搅拌器18.3搅拌装置(2)涡轮式搅拌器图18.19涡轮式搅拌器18.3搅拌装置(3)锚式和框式搅拌器图18.21推进式搅拌器图18.20锚式和框式搅拌器(a)、(b)适合于椭圆形或蝶形下封头的搅拌器；(c)适合于锥形封头的搅拌器(4)推进式搅拌器(5)其它型式搅拌器图18.22螺杆和螺带式搅拌器(a)螺杆式搅拌器(b)螺带式搅拌器18.3搅拌装置2.搅拌器的选型(1)按搅拌目的选型表18－6搅拌目的与推荐的搅拌器型式(2)按搅拌器型式和适用条件选型18.3搅拌装置18.3.2流型搅拌釜内的流型取决于搅拌器的型式、搅拌釜和搅拌附件几何特征，流体性质、搅拌器转速等因素。对于顶插入式中心安装的立式圆筒，有以下三种基本流型。18.3搅拌装置图18.23反应釜内流体的流型(a)径向流；(b)轴向流；(c)切向流18.3搅拌装置18.3.3搅拌附件1.挡板圆柱状回转区：搅拌器在搅拌粘度不高的液体时，只要搅拌器转速足够高，都会产生切向流，严重时可使全部流体在反应釜中央围绕搅拌器的圆形轨道旋转，形成“圆柱状回转区”。打漩：液体在离心力作用下甩向釜壁，使周边的液体沿釜壁上升，而中心部分的液面下降，于是形成一个大的旋涡，如图18.23(c)所示。搅拌器的转速越高，旋涡越深，这种现象叫做“打漩”18.3搅拌装置图18.24竖挡板(a)挡板紧贴釜壁安装(b)挡板离壁安装图18.25横挡板18.3搅拌装置2导流筒图18.26推进式搅拌器与导流筒无论搅拌器的型式如何，流体总是从各个方向流向搅拌器。在需要控制流回的速度和方向以确定某一特定流型时，可在反应釜中设置导流筒。作用：提高混合效率18.3搅拌装置18.3.4搅拌轴1.搅拌轴直径的确定搅拌轴材料：45号钢，普通结构钢，不锈钢等假定搅拌轴只承受扭矩的作用，根据强度条件和刚度条件初步确定搅拌轴直径，用增加安全系数以降低材料许用应力的方法来弥补由于忽略轴受弯曲作用所引起的误差。(1)搅拌轴的强度计算][nmaxWMnPM6n109.55163dW3365nPd18.3搅拌装置(2)搅拌轴的刚度计算][180103nGIM4GnPd轴的直径取强度和刚度计算结果的较大者。18.3搅拌装置2.搅拌轴的临界转速当搅拌轴的转速达到其自振频率时会发生剧烈振动，并出现很大的弯曲，这个速度称为临界转速nc。刚性轴：要求n≤0.7nc；柔性轴：要求n≥1.3nc。低速旋转的刚性轴，一般不会发生共振。当搅拌轴转速n≥200r/min时，应进行临界转速验算。临界转速的影响因素：支承型式、支承点距离及轴径有关。)(330121DcBLLmEIn图18.27搅拌轴临界转速技术图18.3搅拌装置3.搅拌轴的支承图18.28搅拌轴的支承图18.29中间轴承(釜体内径大于1mm)5~41BL50~401dL当不能满足上述要求，或搅拌转速较快而密封要求较高时，可考虑安装中间轴承，如图18.29所示，或底轴承，如图18.30所示。18.3搅拌装置图18.30底轴承18.4传动装置18.4传动装置搅拌反应釜传动装置一般包括：电动机、减速机和联轴器、机座和底座等。图18.31搅拌反应釜的传动装置18.4传动装置18.4.1电动机电动机选型要求：(1)功率(2)工作环境,包括防爆、防护等级、腐蚀环境等(3)与减速机的匹配faePPP电动机功率包括搅拌器运转功率及传动装置和密封系统功率损耗，还用考虑传动系统的机械效率。18.4传动装置18.4.2减速机1978年，HG/T3139～3142；2001年，HG/T3139.1～12《釜用立式减速机》。18.4传动装置18.4.3传动装置的机座图18.32单支点机座1－机座；2－轴承图18.33双支点机座1－机座；2－上轴承；3—下轴承机座可以采用无支点，单支点，双支点等形式18.4传动装置18.4.4底座图18.34衬里底座图18.35简化底座图18.36焊接底座视釜内物料的腐蚀情况，底座有不衬里和衬里两种。不衬里的底座材料可用Q235-A；要求衬里的，则在与物料可能接触的表面衬一层耐腐蚀材料，通常为不锈钢18.5轴封装置18.5轴封装置为了防止介质从转动轴与封头之间的间隙泄漏而设置的密封装置，简称为轴封装置。反应釜中使用的轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。18.5.1填料密封特点：结构简单，易于制造，适用于低压、低温的场合。1.填料的结构和工作原理图18.37填料密封结构18.5轴封装置填料密封结构如图18.37所示。在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱之间的填料产生径向扩张，对搅拌轴表面施加径向压紧力，塞紧了间隙，从而阻止介质的泄漏。由于填料中含有一定量的润滑剂，因此，在对搅拌轴产生径向压紧力的同时形成一层极薄的液膜，它一方面使搅拌轴得到润滑，另一方面阻止设备内流体逸出或外部流体渗入而达到密封作用。18.5轴封装置2.填料(1)要富有弹性，这样在压紧压盖后，填料能贴紧搅拌轴并对轴产生一定的抱紧力。(2)良好的耐磨性。(3)与搅拌轴的摩擦系数要小，以便降低摩擦功率损耗，延长填料寿命。(4)良好的导热性，使摩擦产生的热量能较快地