《反应设备续》PPT课件.ppt

第九章 反应设备,机械搅拌设备技术进展概况（续）,搅拌设备由搅拌装置、轴封和搅拌槽三部分组成，其构成形式如下：,搅拌设备的典型结构如图1-1所示 图1-1中的搅拌设备是立式结构 搅拌轴上可装有多个叶轮，且叶轮的形式有数十种槽体和附件(如夹套、挡板、导流筒、蛇管)的形式也很多，实际构型不下数百种,图1-2是典型用于粉体混合的螺带式叶轮搅拌设备,搅拌槽常被称作搅拌釜，槽体亦可称作釜体 常见的有旋浆式搅拌釜、涡轮式搅拌釜、旋带式搅拌釜等 当搅拌设备用作反应器时，称搅拌槽式反应器，有时简称反应釜。,槽体槽体的形式通常是立式圆筒形的，筒体上部和下部都有碟形或椭圆形的封头，如图1-1也有一些搅拌设备是卧式的，如图1-2立式槽在常压下操作时，为降低槽体的制造成本也可采用平底槽.当物料对环境没有污染，且被搅物料对空气中尘埃的落入并不敏感时，槽上部也可是敞口的,图1-3中槽体是圆锥形的，使用螺带式叶轮，它能混合高粘液体或粉体，与用立式圆筒形槽体的螺带式搅拌机相比，它混合效率更高,在卧式搅拌槽中大多进行半釜操作 因此卧式釜与立式釜相比有更多的气液接触面积,卧式釜常用于气液传质过程，如气-液吸收或从高粘液体中脱除少量易挥发物质.另一方面，卧式釜的料层较浅，有利于叶轮将粉末搅动，并可借叶轮的高速回转使粉体抛扬起来，使粉体在瞬间失重状态下进行混合,卧式搅拌设备有单轴的，也有双轴的，如图1-4,采用卧式双轴搅拌设备的目的是要使搅拌器获得自清洁效果,当搅拌高粘液体时，叶轮的外缘都与槽壁很接近，有时还在叶轮上装刮刀，即所谓刮壁式搅拌设备.即使采用了刮壁式搅拌器，若采用单轴型，高粘液体还可能粘滞在叶轮上，随叶轮一起转动.,而若采用自清洁型的卧式双轴搅拌设备，通过两支轴上特殊设计的叶轮的啮合，使叶轮之间产生互相清洁作用，可使滞留物减至最少,槽与轴的相对位置 通常搅拌槽的中心线与搅拌轴的中心线是重合的 但也有两支轴线互相垂直、互成一夹角、互相平行等不重合的情况，分别称之为侧进式、斜进式和偏置式搅拌设备 如图1-5至图1-8是常用的侧进和斜进式搅拌器的安装位置图,在搅拌叶轮靠近槽底部安装时，可将搅拌轴从槽底伸入，即所谓底伸入式搅拌设备 如图1-9中的80m3氯乙烯聚合反应器,釜内径4m，若搅拌器由釜顶伸入，则搅拌轴的长度须大于6m；而采用底伸入法时，搅拌轴长仅12m 不仅大大节约了制造成本 还能使底部的机械密封减少振动延长使用寿命,采用底部伸入的搅拌器时，对轴封的要求提高 须保证轴封泄漏量小于额定值 当物料中有小的固体颗粒时，要采取措施，勿使颗粒进入轴封以致损坏轴封,叶轮 常见的叶轮种类有数十种，如图1-10所示的是最常用的搅拌叶轮 通常搅拌器分成低粘液体用和高粘液体用的两大类,附件 搅拌槽上附件很多 主要介绍对搅拌效果有影响的四种：挡板、导流筒、夹套和内置传热管,1.挡板 挡板是指长条形的竖向固定在槽壁上的板 安装挡板的目的是控制槽内液体的流动，以强化混合和促进固一液悬浮、气一液和液一液分散。,作用：挡板能消除所谓固体回转部的不良混合区 而固体回转部的直径rc与叶轮直径r之比rc/r和搅拌雷诺数Re之间有如下关系：,式中d叶轮直径(m)；N叶轮转速(rs)液体密度(kgm3)；液体粘度(Pas)由上式可见 当Re104时,rc/r约等于0.7 而当Re在103-102范围内时，rc/r急剧减少以至接近于零 因此，在Re小于100时，没有必要使用挡板,槽内流体均匀混合，主要依靠轴向循环流动 叶轮产生的周向流动对混合的作用甚微 搅拌槽内安装了挡板，则周向流与挡板相撞后能转换成向上和向下的轴向流，从而使混合效果大大增强 这种混合效果的增加是以成倍地增加功率消耗为代价的,进行液一液分散或气一液分散操作时，需要叶轮提供强的剪切力(需要叶轮有高的能量输入)同时又需要均匀地将液滴或气泡分散到全槽，这时使用挡板就非常必要 使用挡板增强了槽内液体的湍动，也有利于槽内液体向夹套、蛇管等传热元件的传热,挡板的数量、大小以及安装方式都会影响槽内流动状态和搅拌功耗 挡板宽度W通常为槽径的110至112，在高粘度液时也可减小至槽径的120 挡板的数量视槽径的大小而异，小直径槽时用24个，大直径槽时用48个 挡板直立沿槽壁周向均布安装，安装方式如图1-11,在低粘液体时，挡板可紧贴槽壁安装，如图中之a当粘度较高时或进行固一液操作时，挡板要离壁安装，如图中之b挡板离壁距离一般为挡板宽度W的0.21倍.当粘度更高时还可将挡板倾斜一个角度，如图中之c,这样可有效地防止粘滞液体在挡板处形成死角 以及防止固体颗粒的堆积当槽内有传热蛇管时，挡板一般安在蛇管内侧，如图中之d,挡板的上缘一般可与液面齐平 当液面上有轻而浮、不易润湿的固体物料时 则需在液面上造成旋涡 这时挡板上缘可低于液面100200mm。,挡板的下缘可到槽底 指形挡板也可用在非搪玻璃类搅拌槽式反应器中 由指形挡板的形状不同、配置位置不同还可以有不同的效果 其随操作目的不同所用的不同配置法如图112。,在固液悬浮过程中，直立挡板有其不利之处在叶轮底部易形成固体颗粒堆积 湍流操作时，推荐使用如图1-13所示的底部小挡板。挡板的参数列于图中，挡板数为4块，十字形放置.,对于液-液分散 建议采用如图1-14所示的轻液挡板 以获得好的分散效果,2导流筒 导流筒主要用于推进式和螺杆式叶轮的导流 结构：导流筒是一个紧围着叶轮的圆筒作用：能使叶轮排出的液体在筒内和筒外(筒与槽壁的环隙)形成上下循环流,应用导流筒可严格控制流型，防止短路 获得高速涡流和高倍循环 也可迫使流体高速流过加热面以利于传热.导流筒也能强化混合和分散过程,作用：根据叶轮的转向不同，可使液体有不同的循环方向工作原理：物料首先进入导流筒，在筒内通过叶轮的强力剪切作用，得到高速的混合 再流入剪切相对较弱的筒体与槽壁的环隙中,3、传热夹套 传热夹套是一个在反应器筒体外面能形成密闭空间的容器。夹套上设有水蒸气、冷却水或其它传热介质的进出口。如果加热介质是水蒸气则进口管应靠近夹套上端，冷凝液从底部排出；,如果传热介质是液体则进口管应安置在夹套底部，使液体从底部进入，上部流出，从而使传热介质能充满整个夹套空间 在用液体传热介质时，为强化传热效果，可在夹套空间设置螺旋导流板，如图1-17,此外还由半管夹套、扰流喷嘴、内部夹套和双壳夹套等结构形式,4、内置传热元件 最常见的内置传热元件是蛇管 导流筒也往往作为内置传热元件使用,图1-22中的蛇管呈盘管状 它对液体流动的控制作用较小 若要使蛇管兼起挡板的作用，通常使用直立的蛇管 图1-23中有二种直立蛇管 由于在反应器中，蛇管主要起携带反应热的作用，故蛇管常称作内冷管,图1-23a中的D型内冷管的进水、出水流路如其左侧的附图 当反应物系不易产生粘附物时 可采用如图1-23c所示的反应器形式,传动装置 作用：传动装置的作用是使搅拌轴以所需的转速进行转动，并保证搅拌轴获得所需的扭矩,传动方式与混合过程的关系：绝大多数的搅拌设备中，搅拌轴只有一支，且搅拌叶轮以恒定的速度向一个方向回转 为获得更佳的混合效果，可在一个搅拌槽中使用多个叶轮，有时还让叶轮进行复杂的运动,1、复动式 工作原理：通过一副悬挂在曲轴上的伞齿轮、万向节、连杆等机构使叶轮在进行回转的同时，还进行上下往复移动,由于两个伞齿轮齿数有小的差别，如19：20，则叶轮每转一圈，其所处高度与起始时有一个小的相位差，当叶轮转过20圈时，才回复到起始的位置,这样可以保证，在一个周期(转20圈)内，叶轮能扫过上下往复行程内的全部容积 复动式搅拌机的传动机构示意图和叶轮端部运动轨迹图分别如图1-24和图1-25。为使叶轮平稳地转动，曲轴上需配置一个能平衡伞齿轮8重量的平衡块,图1-24所示的复动机，最大转速只能达90rmin 转速过大，整台机械会产生很大的振动 故此种复动搅拌机属慢速复动机，它最适合于高粘流体的混合.,混合高粘流体效率最高效的是如图1-26所示的交叉式叶轮，多层使用。当它一面旋转，一面上下移动时，叶片产生的轨迹恰如一个四螺带搅拌器。,一种使用偏心轮、连杆和花键的快速复动机，叶轮约每转10次，上下往复一次，如图127 它适合于中粘流体的快速混合和固液悬浮操作,2、往复式 如图1-28的一个特殊的传动机构，使电动机产生的单方向转动变成为振幅为45度的正反转摆动 该传动机构与特殊的三角形桨叶配合，可使被搅液体既受到强的剪切，又能使液体在槽内形成很好的循环流动,能很好地适用于高、低粘液体的混合、固液悬浮、液液分散和固体的溶解等操作叶轮只在90度范围内作正、反方向摆动，同时叶轮快速改向，使槽内液体产生强烈的湍动,3、行星式 图1-29所示的行星式搅拌设备，用于以铜粉为催化剂的有机合成反应 该搅拌设备通过一对圆锥齿轮和一根带有曲柄的锚式搅拌器所组成 当传动轴通过曲柄带动搅拌器转动时，搅拌器上端的小圆锥齿轮绕着大圆锥齿轮滚动，从而获得了两种运动方式,一种是以搅拌器本身为轴心的转动，称为自转；另一种是旋转的搅拌器以槽中心线为轴心的转动称为公转 这两种运动互相叠合，使液体在槽内既有垂直方向的运动，又有水平方向的运动 强烈的对流遍及槽内每个角落，从而使密度差悬殊的固液两相得以很好的混合,图1-30是一台常见的行星锥形搅拌设备 它常用于粉体的混合中，也很适合高粘液体的混合，特别适合于高粘的粘弹性液体摇臂带动整个螺杆以下支承点为顶点，绕圆锥面进行公转；另一方面通过装在摇臂内部的传动机构，使螺杆进行自转,4、组合式 为了提高混合效率，将两种或两种以上形式不同、转速不同的搅拌器组合起来使用，称组合式搅拌设备,图1-31中是一台用于生产牙膏、涂料等的搅拌设备 通过三种叶轮的协同作用，将固体粉末均匀地分散到粘稠性液体中,工作原理：齿片式叶轮以大于1500rmin的高速进行回转，具有打散粉团，和打碎固体颗粒的作用 螺杆式搅拌器以每分钟数十至数百转的速度旋转，它造成强有力的轴向流动,锚式搅拌器以每分钟十多转至数十转的低速转动，把全槽液体搬送至齿片式叶轮造成的高剪切区和螺杆式叶轮形成的轴向流区 由于这三个叶轮的旋转轴互不重合，故称作非同轴组合式搅拌设备,图1-32是同轴组合式搅拌设备最大的容积达25m，最大输入功率为250kW 它把框式搅拌器与另一个中心搅拌器进行组合 两个搅拌叶轮安置在同一轴线上,搅拌器可是高速旋转的齿片，也可为不规则四边形 叶轮等如图所示的双层涡轮 框式搅拌器上可带刮板也可不带刮板 框式搅拌器可适合于更高粘度,这种搅拌设备适合于非牛顿流体和热敏性液体的混合，也适合于作为中、高粘物料的反应器 图1-32中两个叶轮的驱动电动机均在槽的顶部 即两个搅拌叶轮都是顶伸入式的 也有采用一个搅拌叶轮是顶伸入式的，另一个叶轮是底伸入式的 这样两个叶轮的同轴线组合在设备制造上比较方便,5、双轴卧式 其传动装置除了可变化两支轴的旋转方向或旋转速度外，没有其它特殊要求 对于进行高粘液体脱挥发的设备，有时其轴封的设计要予以特别重视,常用搅拌设备的选型 搅拌设备的设计难于在一个严密的理论指导下完成，设计的优劣可使搅拌设备的效益相差很大,必须在明确搅拌目的和物料性质的基础上 对搅拌设备的各个要素，例如叶轮的形状、叶轮直径、叶轮的层数、叶轮的安装位置、转速、槽的形状、挡板的尺寸和个数等进行参数优化,一般搅拌设备的设计步骤为：,在搅拌条件确定后，搅拌叶轮形式的选定是非常重要的一步：须从叶轮的剪切一循环特性、叶轮对物料粘性的适应性等方面加以综合考虑,此外，还需从叶轮产生的流型等方面分析各种叶轮的特点 再结合不同的搅拌目的来探讨叶轮的选型问题,1、搅拌对象的性质 设计搅拌设备时，对于物料以液相为主，密度、相对密度和粘度是液体最重要的性质 当液体中含有气泡或另一种互不相溶的液体时，表面张力也很重要,2.叶轮的剪切一循环特性,3、流动状态与叶轮性能的关系,几种常用叶轮的特性,1.齿片式叶轮 在所有叶轮中齿片式叶轮使用的转速最高，通常其转速为5003000 rmin 齿片式叶轮外周的锯齿状叶片的高速回转使之具有高的切应力 用齿片式叶轮时，一般不安装挡板 当液体粘度很高时，若不能产生全槽范围内的流动，则可采用与锚式叶轮进行组合的方法,齿片式叶轮的应用领域有：液液分散体系，如树脂的混合；固-液体系，如使高岭土、粘土、氯化钙和颜料等达到高度分散,2.推进式叶轮通常由钢板制扭曲而制得 如图2-5,3、涡轮式叶轮 一类是有一个圆盘安装在轮毂上，叶片再安装在圆盘上，称盘式涡轮，如图2-6中的a图和b图 另一类是叶片直接安装在轮毂上，称风扇式叶轮，如图中的c图和d图,4、桨式叶轮 根据叶片的垂直或倾斜安装可分成径向流型和轴向流型,桨式叶轮主要用于流体的循环 由于在同样的排量下，轴向流叶轮的功耗比径向流低，故轴向流叶轮使用较多 其主要用途为：在液-液系用于防止分离和使温度均一；在固-液系，多用于防止固体沉降,5、锚式叶轮 不适用于液一液和气一液分散,不具有良好的混合均一性 常用于传热、晶析操作,也常用它来搅拌高浓度淤桨和沉降性淤桨和高粘流体的搅拌,6、螺带式叶轮 螺带式叶轮的叶片是把细长形的金属卷成螺旋状而制成的，它是搅拌高粘流体时不可少的一种叶轮形式 螺带的枚数一般为2，称之为双螺带叶轮 也有用一条螺带的单螺带叶轮,有时将一条螺带放在外侧，另一条螺带放在中间，并使叶轮转动时，内外两条螺带推动液体前进的方向相反，设计时使得两条螺带推动液体的排量相同，这种螺带称内外单螺带，,如图2-10还有螺带一螺杆式叶轮，如图2-11螺带与螺杆分别使液体向相反方向流动，使全槽形成整体的轴向循环,7、MIG式和INTERMIG式叶轮 MIG的意义是多段逆流搅器,INTERMIG是其改进型 这两种叶轮的设计原理是相同的 当叶轮旋转时，叶片的端部和根部分别把液体向相反的方向推进，促进液体形成轴向循环 常多层地使用,8、三角形叶轮 叶轮进行水平地左右往复转动，好象使互相逆向的轴向流桨式叶轮交替地进行正反转，液体朝三角形顶角的方向流动，即三角形顶角向上则液体向上流，顶角向下则把液体向下压 往复式搅拌机的整体情况如图所示,超高粘流体混合设备 1、捏合机,通用的捏合机是卧式双轴型的 它将两个相反方向旋转的叶轮安装在两个相连接的卧槽中 槽底是半圆形的 两槽的接合部呈山脊状突起，如图2-15a,两个叶轮可以是相切型的，也可以是交叠型的，如图2-15中右上方所示,图中左边的a是型叶轮，属交叠型 它是应用最广泛的叶轮 分散式叶轮b能提供的剪切大于型叶轮 多段切割型叶轮c属交叠型 常用于开始时具有橡胶状的强韧材料 单曲线叶轮d设计用于掺混玻璃纤维增强材料,2、双螺杆挤出型机,图示是ZSK双螺杆型混合机 它由两支一起旋转的螺杆组成，每支螺杆由数个螺旋单元和捏和单元装配起来，两支螺杆有相互自清洁作用，并具有正排量挤出性,3、密炼机 密炼机系分批操作式，每批操作的物料量不大 混合时产生的磨擦热很大,