机械搅拌反应器.ppt

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1、第十三章 机械搅拌反应器,化工设备机械基础,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,2,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。,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,3,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,13-1 反应釜的总体结构,2

2、023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,4,1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13-1 通气式搅拌反应器典型结构,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,5,13.1.1 搅拌容器,结构,圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆 形封头应用最广）。各种接管，满足进料、出料、排气等要求。加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。上封头焊

3、有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架 的连接。,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,6,传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参数。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0.60.85。有 泡沫或呈沸腾状态取0.60.7；平稳时取0.80.85。,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,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,7,表13-1 几种搅拌设备筒体的高径比,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大

4、学 机电工程学院,8,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。,13-1 反应釜的总体结构,换热元件,夹套,内盘管,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,9,一、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,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,10,表13-2 各种碳钢夹套的适用温度和压力范围,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,11,圆筒和下封头都

5、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,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,12,图13-2 整体夹套,(a)圆筒型,(b)U型,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,13,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183。,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,14,图13-3 夹套肩与筒体的连接结构,(a)封

6、口锥,(b)封口环,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,15,封口环,图13-4 夹套底与封头连接结构,封口锥,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,16,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：,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；进口处安装扰流喷嘴，使冷却水呈湍流状态，提高传热系数；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。,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,17,2型钢

7、夹套,构成角钢与筒体焊接组成，见图135。,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,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,18,图13-5 型钢夹套结构,(a)螺旋形角钢互搭式,(b)角钢螺旋形缠绕,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,19,3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136。,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

8、平行焊接在筒体外侧,见图13-6,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,20,图13-6 半圆管夹套二种结构,(a)半圆管,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,21,图13-6 半圆管夹套二种结构,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,22,(a)螺旋形缠绕,图13-7 半圆管夹套的安装,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,23,图13-7 半圆管夹套的安装,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,24,

9、4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,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,25,图13-8 折边式蜂窝夹套,D2,t2,b,A,A向,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,26,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13-9 短管支撑式蜂窝夹套,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,27,二、内盘管,当反应器的热量仅靠外夹套传热，

10、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13-10,图13-11,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,28,图13-10 螺旋形盘管,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,29,对称布置的几组竖式蛇管：传热 挡板作用,图13-11竖式蛇管,13-1 反应釜的总体结构,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,30,13-2 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

11、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。,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,31,一、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,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,32,流体流动方

12、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13-12搅拌器与流型(a)径向流,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,33,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13-12 搅拌器与流型(b)轴向流,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,34,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

13、向流,图13-12 搅拌器与流型(c)切向流,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,35,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13-13。不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,36,图17-13 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,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技

14、大学 机电工程学院,37,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,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,38,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1/121/10。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,39,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

15、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。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,40,图13-14 挡板,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,41,(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。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,42,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13-15 导流筒,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程

16、学院,43,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%。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,44,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

17、称为剪切型叶轮，如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,45,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。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,46,2、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

18、、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,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,47,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。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,48,图13-16 搅拌器流型分类图谱,13-2 搅拌器,2023/10/7,

19、青岛科技大学 机电工程学院,49,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7580。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,50,二、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13-17 桨式搅拌器,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,51,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

20、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。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,52,桨式搅拌器的转速一般为20100r/min，最高粘度为20Pas。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。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,53,表13-3 桨式搅拌器常用参数,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：折叶角。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,54,2.推进式搅拌

21、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=1/41/3，叶端速度一般为 710 m/s，最高达15 m/s。,图13-18 推进式搅拌器,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,55,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,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,56,应用,粘度低、流

22、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13-4,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,57,表13-4 推进式搅拌器常用参数,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,58,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1319。,3涡轮式搅拌器,图13-19 涡轮式搅拌器,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛

23、科技大学 机电工程学院,59,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,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,60,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。,平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶 指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率 消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学

24、机电工程学院,61,表13-5 涡轮式搅拌器常用参数,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,62,4锚式搅拌器,结构简单。适用于粘度在100Pas以下的流体搅拌，当流体粘度在10100Pas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13-20 锚式搅拌器,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,63,应用,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。,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

25、于100Pas 的流体时，应采用螺带式或螺杆式。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,64,表13-6 锚式搅拌器常用参数,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,65,8.2.3.3 搅拌器的选用,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。,搅拌器选型一般从三个方面考虑,搅拌目的,物料粘度,搅拌容器容积的大小,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,66,仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表13-7。,一、按搅拌目的选型,常用的搅拌器选用方法：,13-2 搅拌器,2023/

26、10/7,青岛科技大学 机电工程学院,67,表13-7 搅拌目的与推荐的搅拌器形式,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,68,表17-7 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,69,二、按搅拌器型式和适用条件选型,推进式搅拌器用于低粘度流体的混合，循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容积的搅 拌容器中。,桨式搅拌器 结构简单，在小容积的流体混合中应 用较广，对大容积的流体混合，循环 能力不足。,涡轮式搅拌器应用范围较广，各种搅拌操作都适用，但流体粘度不宜超过50Pas。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,70,表13-8 是以操作目的和搅拌器流动状态选用搅拌器的,锚式、螺杆式、螺带式适用于高粘流体的混合。,13-2 搅拌器,2023/10/7,青岛科技大学 机电工程学院,71,表17-8 搅拌器型式和适用条件,