《反应设备》PPT课件.ppt

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1、第九章 反应设备,第一节、概述,目录,第二节、机械搅拌反应器,第三节、机械搅拌设备技术进展概况,反应设备是过程工业的核心设备之一前处理：进入反应设备后，原料需要经过一系列的预处理，如混合、加热、灭菌等，以达到进入反应器的要求 该过程统称为前处理。后处理：反应产物同样需要经过分离、提纯等该过程统称为后处理,二、常见反应器的特点,一、反应器分类,第一节 概述,化学反应器分类按物料相态：均相反应器、非均相反应器；按操作方式：间歇式、连续式、半连续式按物料流动状态：活塞流型、全混流型按设备结构分：搅拌釜式、管式、固定床、流化床式,一、反应器分类,生物反应器分类 按反应器的操作方式：间歇操作、连续 操作

2、、半连续操作式 按输入搅拌器的能量方式：机械方式输入、气体喷射输入式 根据反应物系在反应器内的流动状态：活塞流反应器、全混流式 按反应器结构特征：机械搅拌式、气升式、流化床、固定床式。,机械搅拌式反应器 这种反应器可用于均相反应，也可用于多相反应，可以间歇操作，也可以连续操作。管式反应器 结构简单，制造方便。用于连续生产，也可用于间歇操作，反应物不返混，可在高温高压下操作。固定床反应器 三种基本形式:轴向绝热式、径向绝热式、列管式。缺点是：床层的温度分布不均匀。,二、常见反应器的特点,固定床反应器简介,固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。

3、固定床反应器的特点在于：床层静止不动，流体通过床层进行反应 特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。可以是催化剂，也可以是固体反应物 适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛,区别：它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等 用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。湍流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。,固定床反应器分类 根据换热方式不同,可分为三种基本型式：轴向换热式固定床反应器(右图)结构型式类似于列管式换热器，流体沿轴向自

4、上而下流经床层，床层同外界无热交换 管内装填催化剂，反应物料自上而下通过床层；管间为载热体，与管内物料进行换热，以维持所需的温度条件。,绝热式固定床反应器 流体沿径向流过床层，可采用离心流动（右图）或向心流动，床层同外界无热交换 结构简单，造价低廉 径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流道截面积较大,流体的压力降较小,绝热式固定床反应器,径向反应器的结构较轴向反应器复杂 以上两种形式都属绝热反应器，适用于反应热效应不大，或催化剂对温度要求不高的反应，或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合,绝热式固定床反应器,列管式固定床反应器（如右图）由多根反应管并联构成 管内

5、或管间置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在2550mm之间，管数可多达上万根 列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。,列管式固定床反应器,列管式固定床反应器有时也可称为自热式固定床反应器 特点：以冷的原料作为载热体，使冷原料本身预热到反应所需的温度 然后进入床层进行反应 使用前提：放热反应，热量大致平衡,自热式固定床反应器,固定床反应器的优点：返混小，流体同催化剂可进行有效接触 当反应伴有串联副反应时可得较高选择性 催化剂机械损耗小 结构简单。,固定床反应器的缺点：传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）

6、操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用 常代之以流化床反应器或移动床反应器,移动床反应器 固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，固体和流体的运动接近活塞流，返混较少。流化床反应器 最大优点：传热面积大、传热系数高和传热效果好。缺点：反应器内物料返混大，离子磨损严重；要有回收和集尘装置；内构件比较复杂；操作要求高等。,流化床反应器简介,气体在一定的流速范围内，将堆成一定厚度(床层)的催化剂或物料的固体细粒强烈搅动 使之象沸腾的液体一样并具有液体的一些特性，如对器壁有流体压力的作用、能溢流和具有粘度等，此种操作状况称为“流化床”,流化床反应器,是工业上使用较广泛的一种反

7、应器 适用于流-固或气-液-固催化或非催化反应系统 在流化床中，固体粒子可以象流体一样进行流动，这种现象就是所谓的流态化,流化床反应器,流化床反应器定义：一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器 在用于气-固系统时，又称沸腾床反应器。,流化床反应器,沸腾床反应器：气体在由固体物料或催化剂构成的沸腾床层内进行化学反应的设备，称为“沸腾床反应器”,分类：按应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体,如矿石的焙烧,称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程,按结构分有两种

8、形式：有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程 例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生,无固体物料连续进料和出料装置 用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程,特性:与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：可以实现固体物料的连续输入和输出；流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应；便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行 石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。,局限性：原因：由于流态

9、化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，降低了目的产物的收率；,反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率；由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失；床层内的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱离经验放大、经验操作。,结构特点：反应器上部有扩大段，内装旋风分离器，用以回收被气体带走的催化剂 底部设置原料进

10、口管和气体分布板；中部为反应段，装有冷却水管和导向档板，用以控制反应温度和改善气固接触条件,优点：温度分布较均匀，热稳定性好，所需传热面比固定床小得多，合金钢用材省，催化剂装卸方便，操作安全缺点：催化剂易磨损由于催化剂轴向混合，引起部分气体返混，影响转化率。适宜于大型化生产，特别适用于热效应很大的氧化反应过程。,二、搅拌容器,一、基本结构,第二节机械搅拌反应器,六、传动装置,五、密封装置,三、搅拌器,四、搅拌轴设计,一、基本结构,搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。图8-7是一台通气式搅拌反应器。,搅拌反应器,（1）搅拌容器的作用为物料提供合适的空间筒体基本上是圆筒封头常用椭圆形封头、锥

11、形封头和平盖，以椭圆形封头应用最广容器上装有各种接管，设置外加套和内盘管制作选用应考虑容器的大小和安装位置。,二、搅拌容器,容积的确定 当反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态时，取0.6-0.7；反应过程比较平稳时，取0.8-0.85。,工艺设计的给定容积：对直立式搅拌容器通常是指筒体和下封头两部分容积之和；对卧式搅拌容器则指筒体和左右两封头容积之和.,（2）换热元件 主要有夹套和内盘管。优先采用夹套 优点：可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效面积。,夹套结构 所谓夹套就是在容器的外侧，装设的各种形式的钢结构 夹套的主要结构有：整体夹套、型钢夹套、半圆管架套和蜂窝夹套。,1.整体夹套有圆筒型和U型

12、两种，如图夹套与筒体的连接方式分为：可拆式和不可拆式。,为提高传热效率，常采用以下措施：在筒体上焊接螺旋导流板，以减小流道截面积，增加冷却水流速。进出口安装扰流喷嘴，提高传热系数。3.夹套的不同高度处安装切向进口，减缓冷却水的流速，增加传热系数。,2.型钢夹套 一般用角钢与筒体焊接组成，如图8-11。,3.半圆管夹套 如图,4.蜂窝夹套 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压能力 减少流道面积，减薄筒体厚度，强化传热效果 常用的有两种形式：折边式如图8-14和拉撑式8-15。,内盘管分为：螺旋形盘管和竖式蛇管。如图,（一）搅拌器与流动特征形状有搅拌浆或

13、搅拌叶轮是搅拌反应器的关键部件。功能：提供过程所需要的能量适宜的流动状态。,三、搅拌器,流型 流型是循环流动的途径 流型取决于搅拌器的形式、搅拌容积和内构件几何特征，流体性质、搅拌转速等因素,有三种基本流型：1.径向流 流体的流动方向垂直于搅拌轴沿径向流动 碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过桨叶面 形成上、下两个循环流动。见下图,2、轴向流 流体的流动方向平行于搅拌轴 流体由桨叶推动，使流体向下 遇到流体底面再翻上 形成上下循环流。见下图,切向流 无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流体高速时液体表面形成漩涡，这种流型称为切向流。见下图,各种搅拌器在容器内的安装方式

14、,流动特性 搅拌器对流场起剪切作用和循环流动 当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环流动时，称为循环型叶轮，如框式、螺带式、锚式、浆式、推进式等微循环型叶轮。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，如径向蜗轮式、锯齿圆盘式等为剪切型叶轮。,搅拌器分类、图谱及典型搅拌器特性 按流体流动形态：轴向流、径向流、混合流搅拌器。按搅拌器结构：平叶、折叶、螺旋面叶、浆式、涡轮式、推进式、螺杆式、螺带式,按搅拌的用途：低粘流体用搅拌器和高粘流体用搅拌器。低粘流体用搅拌器有：推进式、长薄叶螺旋桨、浆式、开启涡轮式、盘涡轮式、布鲁马金式、板框浆式、三叶后弯式MIG和改进MIG等。高粘流体

15、用搅拌器：锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式、螺旋-螺带式等。,搅拌器的径向、轴向和混合流型的图谱见图,桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器应用最广泛。桨式搅拌器是结构最简单的一种搅拌器，如图8-23 主要用于流体的循环，转速一般为10 100r/min,最高粘度为20Pa.s。,推进式搅拌器 推进式搅拌器常用于低粘流体中，如图8-24 搅拌时流体的湍流程度不大，单循环量大。容器内装挡板，搅拌轴向偏心安装或搅拌器倾斜，可防止旋涡形成。,推进式搅拌器 结构简单 制造方便 适用于粘度低，流量大的场合主要用于：液-液系混合 循环性能好 剪切作用不大属于循环型搅拌器。,涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器，应

16、用较广 能完成几乎所有的搅拌操作 并能处理范围很广的液体操作。涡轮式搅拌器分为开式和盘式两类。其常用参数见表8-7。,锚式搅拌器 结构简单，如图8-26 它适用于粘度在100Pa.s以下的流体搅拌 其常有参数见表8-8。,搅拌器的选用 一般从三个方面考虑：搅拌目的、物料粘度和搅拌器容积的大小。除满足工艺要求外，还应考虑功耗、操作费用，制造维护和检修等因素。,选用搅拌器的依据如下：根据使用搅拌器的目的选型根据搅拌器的型式和适用条件选型,搅拌器目的选型 见表8-9,搅拌器形式和适用条件选型,生物反应物料特性及搅拌器 与化工过程的区别：（1）生物反应都是在多相体系中进行的（2）大多数生物颗粒对剪切力

17、 非常敏感（3）大多数微生物发酵需要氧气,搅拌功率计算 计算目的：1.用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度 2.用于选用电机和减速机等传动装置。影响搅拌器的因素：搅拌器的几何尺寸与转速搅拌器的结构搅拌介质的特性重力加速度,上述影响因素用下式表示：式中 B浆叶厚度，md搅拌器直径，mD搅拌容器内直径，mFr弗劳德数，液面高度，m系数，,n转速，s-1Np功率准数，搅拌功率，Wr，q指数，Re雷诺数，密度，kg/m3粘度，Pa.s,一般情况下弗劳德数Er的影响较小。容器内直径D、挡板宽度b登记和参数可归结到系数K。得搅拌器的功率P为 上式中n、d为已知数，故计算搅拌器功率的关键是求得功率准数N

18、p。在特定的搅拌装置上，可测的功率准数Np与雷诺数的关系。将此关系绘于双对数坐标图上即得功率曲线。,功率准数与雷诺数的关系 在低雷诺数（Re 10）的层流区内，流体不会打漩，重力影响可忽略，功率曲线为斜率-1的曲线；当10 Re 10000时为过渡流区，功率曲线为一下凹曲线，当Re10000时，流动进入充分湍流区，功率曲线为一水平直线，及Np与无关，保持不变,六种搅拌器的几何比例关系,附件：挡板与导流筒 1.挡板 2.导流筒：导流筒是一上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用,设计搅拌轴时，应考虑四个因素：1.扭转变形；2.临界转速 3.扭矩和弯矩联合作用下的强度；4.轴封处允许的径

19、向位移。考虑上述因素计算所的轴径是指危险截面处的直径。确定轴的实际直径时，还得考虑腐蚀裕量，最后把直径圆整为标准轴径。,四、搅拌轴设计,搅拌轴的力学模型,按扭转变形计算搅拌轴的轴径,按临界转速校核搅拌轴的直径一阶临界转速nc为：式中 悬臂轴两支点间距，mE轴材料的弹性模量，PaI轴的惯性距，m4L1第一个搅拌器悬臂梁 长度，mNs临界转速，r/minMs轴及搅拌器有效质量 在s点的等效质量之和,kg,按强度计算搅拌轴的直径 搅拌轴的强度条件为 式中 M弯矩，M=MR+MA MA由轴向力引起的轴的弯矩，N.m Mn 扭矩，N.m MR 水平推力引起的轴的弯 矩，N.m Mte 扭转和弯矩联合作用

20、时 的当量扭 矩，N.m,WP 抗弯截面模量，m3 轴材料的许用切应力，Pamax 截面上最大切应力，Pab 轴材料的抗拉强度，Pa则搅拌轴的直径,按轴封处允许径向位移验算轴径 要分别计算径向位移，然后叠加，使总径向位移满足以下条件：式中 L0轴封处允许的径向位移，mm,减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的措施：（1）缩短悬臂段搅拌轴的长度（2）增加轴径（3）设置底轴承或中间轴承（4）设置稳定器,稳定器工作原理：受到的介质阻尼作用力的方向与搅拌器对搅拌轴施加的水平作用力的方向相反，从而减少轴的摆动量。稳定器有圆筒型和叶片型两种。如图,（一）填料密封 1.填料密封的结构及工作原理 如图 2.填料密

21、封的特点 3.填料密封的选用,五、密封装置,（二）机械密封 一、机械密封的结构及工作原理 如图 二、机械密封的分类 a.单端面与双端面 b.平衡型与非平衡型 C.动环、静环的材料组合 三、机械密封的选用,（三）全密闭密封 全密闭密封的磁转子的优点：a.无接触和摩擦，功耗小，效率高。b.超载时内外磁转子相对滑脱，可保护电机。c.可承受压力高，维护工作小。,传动装置包括：电动机、减速器、联轴器及机架。,六、传动装置,电动机的选型由搅拌功率计算电动机的功率式中s轴封消耗功率，传动系统的机械功率,减速器选型 一般根据功率、转速来选择减速机。选用时应优先考虑传速率高的齿轮减速机和摆线针轮星型减速机。,机架有无支点机架、单支点机架、双支点机架。,二、搅拌设备的多功能化和智能化,一、搅拌器结构优化与组合,第三节、机械搅拌设备技术进展概况,新型搅拌器的开发,一、搅拌器结构优化与组合,组合式搅拌器的应用,改变搅拌器传动方式，实现高效节能,图8-47所示用于聚合反应上的组合式搅拌设备已实现计算机控制,二、搅拌设备的多功能化和智能化,