机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器)

机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器)适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程，应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、医药、农药、化肥、染料、涂料、食品、冶金、废水处理等行业。17机械搅拌反应器应用化学反应、生物反应、混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。结构组成——搅拌容器和搅拌机两大部。由筒体、换热元件及内构件组成由搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等组成1—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17-1通气式搅拌反应器典型结构17.1搅拌容器结构1.圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆形封头应用最广）。2.各种接管，满足进料、出料、排气等要求。3.加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。4.上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。5.传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参数。6.支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。7.装料系数（对容积而言），通常取0.6～0.85。有泡沫或呈沸腾状态取0.6～0.7；平稳时取0.8～0.85。容积直立式搅拌容器卧式搅拌容器筒体和下封头两部分容积之和筒体和左右两封头容积之和表17—1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1.7～2.5换热元件换热元件夹套内盘管优先采用夹套，减少容器内构件，便于清洗，不占有效容积。一、夹套结构夹套在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容器内的物料。结构型式整体夹套型钢夹套半圆管夹套蜂窝夹套等表17—2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3506.4圆筒和下封头都包有夹套，传热面积大，最常用结构1.整体夹套圆筒型U型传热面积较小，适用于换热量要求不大的场合ttjDDDjDjttjDDDjDj图17-2整体夹套(a)圆筒型(b)U型连接方式可拆卸式不可拆卸式用于夹套内载热介质易结垢、需经常清洗的场合。夹套肩与筒体的联接处，做成锥形的称为封口锥，做成环形的称为封口环，见图17—3。图17-3夹套肩与筒体的连接结构(a)封口锥(b)封口环d1t1t2t1t2d1t3t1d1d1封口环图17-4夹套底与封头连接结构封口锥介质流通特点载热介质流经夹套与筒体的环形面积，流道面积大、流速低、传热性能差。提高传热效率的措施：①在筒体上焊接螺旋导流板，减小流道截面积，增加冷却水流速，见图17－1；②进口处安装扰流喷嘴，使冷却水呈湍流状态，提高传热系数；③夹套的不同高度处安装切向进口，提高冷却水流速，增加传热系数。2．型钢夹套构成——角钢与筒体焊接组成，见图17—5。结构沿筒体外壁轴向布置沿筒体外壁螺旋布置型钢的刚度大，弯曲成螺旋形时加工难度大图17-5型钢夹套结构(a)螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕3．半圆管夹套特性——半圆管或弓形管由带材压制而成，加工方便。当载热介质流量小时宜采用弓形管。缺点：焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时易造成焊接变形。见图17—6。结构螺旋形缠绕在筒体外侧沿筒体轴向平行焊在筒体外侧沿筒体圆周方向平行焊接在筒体外侧图17-7图17-6半圆管夹套二种结构(a)半圆管图17-6半圆管夹套二种结构bL3L2Lt1L3(a)螺旋形缠绕图17-7半圆管夹套的安装图17-6半圆管夹套的安装(b)平行排管Dt14．蜂窝夹套特点以整体夹套为基础，采取折边或短管等加强措施；提高筒体的刚度和夹套的承压能力，减少流道面积；减薄筒体壁厚，强化传热效果。结构折边式拉撑式图17-8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D1t1D2edminb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17-9短管支撑式蜂窝夹套二、内盘管当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时常采用内盘管结构特点浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，检修较困难。分类螺旋形盘管竖式蛇管图17-10图17-11图17-10螺旋形盘管dDdD对称布置的几组竖式蛇管：传热挡板作用图17-11竖式蛇管搅拌器1、搅拌器与流动特征定义功能搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。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。流型流体循环流动的途径。一、流型流型与搅拌的关系流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切。搅拌器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手。流型决定因素取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何特征，以及流体性质、搅拌器转速等因素。搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型径向流轴向流切向流流型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17-12搅拌器与流型(a)径向流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17-13搅拌器与流型(b)轴向流无挡板的容器内，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17-14搅拌器与流型(c)切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采用挡板可削弱切向流，增强轴向流和径向流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，见图17-14。不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。图17-14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)卧式挡板与导流筒(1)挡板目的——消除打漩和提高混合效果。物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。打漩——后果随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。一般在容器内壁面均匀安装4块挡板宽度为容器直径的1/12～1/10。全挡板条件当再增加挡板数和挡板宽度，而功率消耗不再增加时，称为全挡板条件。全挡板条件与挡板数量和宽度有关。搅拌容器中的传热蛇管可部分或全部代替挡板，装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。图17-15挡板(2)导流筒作用——上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。(a)涡轮式或桨式搅拌器导流筒置于桨叶的上方(b)推进式搅拌器导流筒套在桨叶外面，或略高于桨叶图17-16导流筒结构当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器的直径。通常导流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽，当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分，导流筒直径约为容器直径的70%。流动特性搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用。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。当输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用时，则称为剪切型叶轮，如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。流动特性搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用。循环作用与混合时间、传热、固体的悬浮等相关。当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环作用时，称为循环型叶轮，如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等为循环型叶轮。2、搅拌器分类、图谱及典型搅拌器特性一、搅拌器分类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两种结构推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶混合流搅拌器轴向流搅拌器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。图17-17搅拌器流型分类图谱轴流式混流式径流式搅拌器桨式、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％。二、几种常用搅拌器：1.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17-18桨式搅拌器主要应用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。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。桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min，最高粘度为20Pa·s。其常用参数见表17-5。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。表17-5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=2n=1～100r/minv=1.0～5.0m/s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。2.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17-19推进式搅拌器特点——搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单，制造方便。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。循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器应用粘度低、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。常用参数见表17-6表17-6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.s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。见图17—20。3．涡轮式搅拌器图17-20涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器分为开式盘式开式有：平直叶、斜叶、弯叶等。叶片数为2叶和4叶盘式有：圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。叶片数常为6叶。为改善流动状况，有时把桨叶制成凹形或箭形应用涡轮式搅拌器有较大的剪切力，