第八章反应设备ppt课件

反应设备 第八章 8.1 概述 反应设备是发生化学反应或生物质变化等过程的反应设备是发生化学反应或生物质变化等过程的 场所，是流程性材料产品生产中的核心设备。场所，是流程性材料产品生产中的核心设备。 任何一种流程性材料产品的生产流程都可概括为任何一种流程性材料产品的生产流程都可概括为 ：原料预处理、化学反应或生物质变化、反应产：原料预处理、化学反应或生物质变化、反应产 物的分离与提纯等。所以反应设备开发应考虑以物的分离与提纯等。所以反应设备开发应考虑以 下因素：下因素：物料性质，物料性质，反应条件，反应条件，反应过程反应过程 的特点。的特点。 8.1.1反应设备的分类 工业反应设备主要有化学反应设备、生物反应设备、电化工业反应设备主要有化学反应设备、生物反应设备、电化 学反应设备和微反应设备等。学反应设备和微反应设备等。 其中，按反应物系的相态来划分，可分为均相反应器和多其中，按反应物系的相态来划分，可分为均相反应器和多 相反应器；按操作方式来划分，可分为间歇式、半连续式相反应器；按操作方式来划分，可分为间歇式、半连续式 和连续式反应器；按过程流体力学划分，可分为泡状流型和连续式反应器；按过程流体力学划分，可分为泡状流型 、柱塞流型和全混流型反应器；按过程传热学换分，可分、柱塞流型和全混流型反应器；按过程传热学换分，可分 为绝热、等温和非等温非绝热反应器；按结构原理划分，为绝热、等温和非等温非绝热反应器；按结构原理划分， 可分为管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、固定床反可分为管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、固定床反 应器、流化床反应器、移动床反应器、滴流床反应器、电应器、流化床反应器、移动床反应器、滴流床反应器、电 极式反应器和微反应器等。极式反应器和微反应器等。 8.1.2常见反应设备的特点 （1）机械搅拌式反应器 应用广泛，十分具有代表意义，机械搅拌应用广泛，十分具有代表意义，机械搅拌 式反应器将在式反应器将在8.28.2节中详细介绍。节中详细介绍。 （2）管式反应器 管式反应器结构简单，制造方便。管式反应器结构简单，制造方便。 应用条件：需要的反应时间较长；反应过应用条件：需要的反应时间较长；反应过 程放出或吸入的热量较大；或反应过程在程放出或吸入的热量较大；或反应过程在 高温、高压条件下进行。高温、高压条件下进行。 如图如图8-18-1为石油脑油分解转化管式反应器。为石油脑油分解转化管式反应器。 11上法兰；上法兰； 22下法兰；下法兰； 33温度计；温度计； 44管端帽；管端帽； 55转化管主体；转化管主体； 66触媒支承架；触媒支承架； 77渐缩管；渐缩管； 图8-1 侧绕式转化反应器 （3）塔式反应器 塔式反应器的典型特点是：一般高度为直塔式反应器的典型特点是：一般高度为直 径的数倍乃至十余倍，塔内设有增加两相径的数倍乃至十余倍，塔内设有增加两相 接触的构建，如填料，筛板等。接触的构建，如填料，筛板等。 塔式反应器主要用于两种流体相之间的反塔式反应器主要用于两种流体相之间的反 应过程，如气液反应和液液反应等。应过程，如气液反应和液液反应等。 （4）固定床反应器 定义：气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装定义：气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装 置。置。 优点：主要用于气固相催化反应，具有结构简单、操作稳优点：主要用于气固相催化反应，具有结构简单、操作稳 定、便于控制、易实现大型化和连续化生产。定、便于控制、易实现大型化和连续化生产。 缺点：床层的温度分布不均匀，由于固相粒子不动，床层缺点：床层的温度分布不均匀，由于固相粒子不动，床层 导热性较差，因此对放热量大的反应，应增大换热面积，导热性较差，因此对放热量大的反应，应增大换热面积， 及时移走反应热，但这会减少有效空间。及时移走反应热，但这会减少有效空间。 固定床反应器有三种 基本形式：轴向绝热 式、径向绝热式和列 管式。如图8-2 图8-2 固定床反应器 图图8-38-3所示的氨合所示的氨合 成塔是典型的固成塔是典型的固 定床反应器，定床反应器，N N 2 2 、 H H2 2 合成气由主进气合成气由主进气 口进入反应塔，口进入反应塔， 塔内压力约塔内压力约30MPa30MPa ，温度，温度550550，在，在 触媒作用下合成触媒作用下合成 为氨。为氨。 11平顶盖；平顶盖； 22筒体端部；筒体端部； 33筒体；筒体； 44上触媒框；上触媒框； 55上触媒框；上触媒框； 66中心网筒；中心网筒； 77升气管；升气管； 88换热器；换热器； 99半球形封头半球形封头 图8-3 氨合成塔 （5）流化床反应器 定义：流体（气体或者液体）以较高的流速通过床层，带定义：流体（气体或者液体）以较高的流速通过床层，带 动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流动中进动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流动中进 行反应，并具有类似流体流动的想一些特殊的装置。行反应，并具有类似流体流动的想一些特殊的装置。 优点：传热面积大，传热系数高和传热效果好。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，粒子磨损严重；通常要有回缺点：反应器内物料返混大，粒子磨损严重；通常要有回 收和集尘装置；内构件比较复杂；操作要求高。收和集尘装置；内构件比较复杂；操作要求高。 典型的流化床反应器如图典型的流化床反应器如图8-48-4所示。所示。 图8-4 流化床反应器 1旋风分离器； 2筒体扩大段； 3催化剂入口； 4筒体； 5冷却介质出口； 6换热器； 7冷却介质进口； 8气体分布板； 9催化剂出口； 10反应气入口 （6）移动床反应器 移动床反应器也是一种固体颗粒参与的反应器，与固定床移动床反应器也是一种固体颗粒参与的反应器，与固定床 反应类似，不同之处在于，固体粒子自反应器一边连续加反应类似，不同之处在于，固体粒子自反应器一边连续加 入，自进口边向出口边连续移动至卸出。入，自进口边向出口边连续移动至卸出。 （7）电极式反应器 （8）微反应器 每种反应器都有其优点和缺点，设计时应根据使每种反应器都有其优点和缺点，设计时应根据使 用场合和设计要求等因素，确定最合适的反应器用场合和设计要求等因素，确定最合适的反应器 结构。结构。 8.2 机械搅拌反应设备 8.2.1 基本结构 8.2.2.1 搅拌容器 搅拌器的作用是为物料反应提供合适的空搅拌器的作用是为物料反应提供合适的空 间。搅拌容器的筒体基本上是圆筒，封头间。搅拌容器的筒体基本上是圆筒，封头 常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，以常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，以 椭圆形封头应用最广。椭圆形封头应用最广。 如图如图8-78-7所示为通气式搅拌反应器典型结构所示为通气式搅拌反应器典型结构 。 图8-7 通气式搅拌反应器典型结构 11电动机；电动机； 22减速机；减速机； 33机架；机架； 44人孔；人孔； 55密封装置；密封装置； 66进料口；进料口； 77上封头；上封头； 88筒体；筒体； 99联轴器；联轴器； 1010搅拌轴；搅拌轴； 1111夹套；夹套； 1212载热介质出口；载热介质出口； 1313挡板；挡板； 1414螺旋导流板；螺旋导流板； 1515轴向流搅拌器；轴向流搅拌器； 1616径向流搅拌器；径向流搅拌器； 1717气体分布器；气体分布器； 1818下封头；下封头； 1919出料口；出料口； 2020载热介质进口；载热介质进口； 2121气体进口气体进口 8.2.2.2 换热元件 换热元件 表86 各种碳钢夹套的适用温度和压力范围 夹夹套型式最高温度/最高压压力/MPa 整体夹夹套 U型 圆圆筒型 350 300 0.6 1.6 型钢夹钢夹 套2002.5 蜂窝夹窝夹 套 短管支撑 式 折边锥边锥 体 式 200 250 2.5 4.0 半圆圆管夹夹套3506.4 t tj DD DjDj t tj DD DjDj 图88 整体夹套 (a) 圆筒型(b) U型 图89 夹套肩与筒体的连接结构 (a)封口锥(b)封口环 D Dj Dj D t1 t1 t2 t2 t1 d1 d1 封口环 图810 夹套底与封头连接结构 封口锥 图811 型钢夹套结构 (a)螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕 图812 半圆管夹套结构 (a) 半圆管 半圆管横截面重心 r2 t1 D b2 b1 t2 e2 图812 半圆管夹套结构 (b)弓形管 弓形管横截面重心 t2 e2 r2 b2 b1 D t1 b L3 L2 L t1 L3 (a)螺旋形缠绕 图813 半圆管夹套的安装 图813 半圆管夹套的安装 (b)平行排管 D t1 图814 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 D1 t1 D2t2 b A A向 D1 t1 D2 e dminb 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815 短管支撑式蜂窝夹套 图816 螺旋形盘管 d D d D 对称布置的几组 竖式蛇管： 传热 挡板作用 图817 竖式蛇管 8.2.3 搅拌器 8.2.3.1 搅拌器与流动特征 搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的 关键部件。其功能是提供过程所需要的能量和适关键部件。其功能是提供过程所需要的能量和适 宜的流动状态。宜的流动状态。 （1 1）流型：搅拌器旋转时把机械能传给流体，在）流型：搅拌器旋转时把机械能传给流体，在 搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一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器内循环流动。股高速射流推动液体在搅拌器内循环流动。 三种基本流型： （1）径向流涡轮式叶轮、圆筒形罐体，带挡 板； （2）轴向流推进式叶轮、圆筒形罐体，带挡 板； （3）切向流涡轮式叶轮、圆筒形罐体，无挡 板； 实际中这三种流型同时存在，但所占比例不同。 各种流型见图8-18,。 （2）挡板与导流 搅拌器沿容器中心线安装，搅拌物料的粘度不大，搅拌转搅拌器沿容器中心线安装，搅拌物料的粘度不大，搅拌转 速较高时，液体将随着桨叶旋转方向一起运动，容器中间速较高时，液体将随着桨叶旋转方向一起运动，容器中间 部分的液体在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分部分的液体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。通常称为打漩区液面下降，形成漩涡。通常称为打漩区 图图8-188-18（c c） 。 随着转速的增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，此时外面随着转速的增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，此时外面 的空气进入桨叶被吸到液体中，液体混入到气体后密度减的空气进入桨叶被吸到液体中，液体混入到气体后密度减 小，从而降低混合效果。为消除这种现象，通常可在容器小，从而降低混合效果。为消除这种现象，通常可在容器 中加入挡板。中加入挡板。 挡板的安装：一般在罐体内壁上安装挡板的安装：一般在罐体内壁上安装4646块挡板（罐体直块挡板（罐体直 径小时用径小时用2424块，大时用块，大时用4848块）。各挡板沿罐体周向均布块）。各挡板沿罐体周向均布 ，其长边与罐体母线平行。，其长边与罐体母线平行。 挡板宽度：挡板宽度取罐体直径的挡板宽度：挡板宽度取罐体直径的1/121/101/121/10。 挡板的安装结构挡板的安装结构 导流筒 是上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中是上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中 起导流作用。起导流作用。 导流筒直径：约为罐体直径的导流筒直径：约为罐体直径的0.70.7倍，以使导流筒倍，以使导流筒 内的通流面积等于导流筒与罐体间的环形通流面内的通流面积等于导流筒与罐体间的环形通流面 积。详见董大勤旧版书积。详见董大勤旧版书P563P563。 导流筒壁上开孔的作用：当液面在操作中降低时导流筒壁上开孔的作用：当液面在操作中降低时 ，流体仍可从开孔中进入导流筒。，流体仍可从开孔中进入导流筒。 导流筒的安装结构 （3）流动特征 叶轮搅拌流体时，在叶轮附近产生剪切流，在整个罐体内产轮搅拌流体时，在叶轮附近产生剪切流，在整个罐体内产 生循环流。剪切流比较剧烈而作用范围较小，主要使液生循环流。剪切流比较剧烈而作用范围较小，主要使液 液体系中的分散相、或液液体系中的分散相、或液固体系中的颗粒、或气固体系中的颗粒、或气液体液体 系中的气泡破碎；循环流比较轻缓而作用范围较大，主要系中的气泡破碎；循环流比较轻缓而作用范围较大，主要 使物料各相均匀混合、均匀换热、或液使物料各相均匀混合、均匀换热、或液固体系中固体颗固体系中固体颗 粒的悬浮（防止沉积）。粒的悬浮（防止沉积）。 8.2.3.2 搅拌器类型及典型搅拌器特征 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 折叶二种结构 推进式、螺杆式和螺带 式的桨叶为螺旋面叶 搅拌器分类: 图8-22 混合流搅拌器 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822 搅拌器流型分类图谱 轴流式混流式径流式 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823桨式搅拌器 （1）桨式搅拌器 表85 桨式搅拌器常用参数 常用尺寸常用运转转 条件 常用介质质 粘度范围围 流动动状态态备备注 d/D=0.350.8 b/d=0.10.25 Bn=2 折叶式有 轴轴向、径 向和环环向 分流作用 小于2Pas 低转转速时时水平环环 向流为为主；转转速 高时为时为 径向流； 有挡挡板时为时为 上下 循环环流 当d/D=0.9以上， 并设设置多层桨层桨 叶 时时，可用于高粘 度液体的低速搅搅 拌。在层层流区操 作，适用的介质质 粘度可达 100Pas, v=1.03.0m/s 折叶式 =45，60 折叶式有轴轴向、 径向和环环向分流 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：折叶角。 （2）推进式搅拌器（又称船用推进 器） 常用于低粘流体中。 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824推进式搅拌器 表86推进式搅拌器常用参数 常用尺寸常用运 转转条件 常用介质质 粘度范围围 流动动状态态备备注 d/D=0.2 0.5(以 0.33居多) p/d=1,2 Bn=2,3,4( 以3居多) p螺距 n=100 500r/m in v=3 15m/s 小于 2Pas 轴轴流型，循 环环速率高， 剪切力小。 采用挡挡板或 导导流筒则轴则轴 向循环环更强 最高转转速可 达1750r/min: 最高叶端线线 速度可达 25m/s。转转速 在500r/min以 下，适用介 质质粘度可达 50Pa.s （3）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。 图825 涡轮式搅拌器 表87 涡轮式搅拌器常用参数 型式常用尺寸 常用运转转 条件 常用介质质粘 度范围围 流动动状态态备备注 开式 涡涡 轮轮 d/D=0.20.5 (以0.33居多) b/d=0.2 Bn=,3,4,6,8 (以6居多) 折叶式 =30,45,60 后弯式 =30,50,60 后弯角 n=10 300r/min v=4 10m/s 折叶式 v=26m/s 小于50Pas ， 折叶和后弯 叶小于 10Pas 平直叶、 后弯叶为为 径向流型 。在有挡挡 板时时以桨桨 叶为为界形 成上下两 个循环环流 。 折叶的还还 有轴轴向分 流，近于 轴轴流型 最高转转速 可达 600r/min 圆盘圆盘 上下 液体的混 合不如开 式涡轮涡轮 盘盘式 涡涡 轮轮 d:l:b=20:5:4 d/D=0.20.5 (以0.33居多) Bn=4,6,8 =45,60 =45 n=10 300r/min v=4 10m/s 折叶式 v=26m/s 小于50Pas ， 折叶和 后弯叶 小于 10Pas 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826 锚式搅拌器 （4）锚式搅拌器 常用尺寸常用运转转 条件 常用介质质 粘度范围围 流动动状态态备备注 d/D= 0.90.98 b/D=0.1 h/D= 0.48-1.0 n= 1 100r/min v=15m/s 小于 100Pas 不同高度 上的水平 环环向流 为为了增大搅搅 拌范围围，可 根据需要在 桨桨叶上增加 立叶和横梁 表88 锚式搅拌器常用参数 8.2.3.3 搅拌器的选用 （1）按搅拌目的选用 仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表8-11.8-11. 搅搅拌目的挡挡板条件推荐形式流动动状态态 互溶液体的混合及 在其中进进行化学反 应应 无挡挡板 三叶折叶涡轮涡轮 、六叶折叶开启涡涡 轮轮、桨桨式、圆盘涡轮圆盘涡轮 湍流 (低粘流体 ) 有导导流筒 三叶折叶涡轮涡轮 、六叶折叶开启涡涡 轮轮、推进进式 有或无导导流筒 桨桨式、螺杆式、框式、螺带带式、锚锚 式 层层流 (高粘流体 ) 固液相分散及在 其中溶解和进进行化 学反应应 有或无挡挡板桨桨式、六叶折叶开启式涡轮涡轮 湍流 (低粘流体 ) 有导导流筒 三叶折叶涡轮涡轮 、六叶折叶开启涡涡 轮轮、推进进式 有或无导导流筒螺带带式、螺杆式、锚锚式 层层流 (高粘流体 ) 液液相分散（互 溶的液体）及在其 中强化传质传质 和进进 行化学反应应 有挡挡板 三叶折叶涡轮涡轮 、六叶折叶开启涡涡 轮轮、桨桨式、圆盘涡轮圆盘涡轮 式、推进进式 湍流 (低粘流体 ) 表811 搅拌目的与推荐的搅拌器形式 液液相分散（ 不互溶的液体） 及在其中强化传传 质质和进进行化学反 应应 有挡挡板圆盘涡轮圆盘涡轮 、六叶折叶开启涡轮涡轮 湍流 (低粘流体 ) 有反射物三叶折叶涡轮涡轮 有导导流筒 三叶折叶涡轮涡轮 、六叶折叶开启涡轮涡轮 、推进进式 有或无导导流筒螺带带式、螺杆式、锚锚式 层层流 (高粘流体 ) 气液相分散及 在其中强化传质传质 和进进行化学反应应 有挡挡板圆盘涡轮圆盘涡轮 、闭闭式涡轮涡轮 湍流 (低粘流体 ) 有反射物三叶折叶涡轮涡轮 有导导流筒 三叶折叶涡轮涡轮 、六叶折叶开启涡轮涡轮 、推进进式 有导导流筒螺杆式 层层流 (高粘流体 ) 无导导流筒锚锚式、螺带带式 表811 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续） （2）按搅拌形式和适用条件选型 注：有者为可用，空白者不详或不合用 表812 搅拌器型式和适用条件 8.2.3.5 搅拌功率计算 功率计算的目的：设计立轴体系和选择驱动装置。 功率与影响因素的关联：NP 影 响 功 率 的 主 要 因 素 叶轮的结构、尺寸与转速； 罐体及其内件的结构、尺寸； 物料的特性（密度、粘度）与容量； 重力加速度g。 NP功率准数，无因次； P 搅拌功率，w； 物料密度，kg/m3； n 叶轮转速，1/s； d 叶轮直径，m； k 结构系统的形状系数，无因次； Re雷诺准数，Re=d2n /，为物料粘度，Pas， 其余同前； Fr 弗劳德准数，Fr=n2d/g，g为重力加速度，m/s2，其 余同前； r、q 指数，无因次。 式中：d 叶轮直径，m; D罐体内径，m; B桨叶宽度，m; h 液面高度，m 对于特定的搅拌系统，可通过实验和辅以计算来建立 功率准数与雷诺准数的关系，并将其关系绘在双对数坐标 系中得到功率曲线。图827为罗土顿（Rushton）等人完 全的功率曲线，根据计算的雷诺准数可从图中查到功率准 数。 由关联式得：P=NPn3d5，式中、n、d均为已知参数 ，NP已查到，代入计算即可得搅拌功率P。 1 5 10 5 102 5 103 5 104 5 105 100 50 10 5 1 0.5 Re=d2n/ 8.2.4 搅拌轴设计 轴设计包括 强度 刚度 临界转速 轴封处径向位移 考虑上述因素计算所得 设计步骤: 计算d (危险截面) d+C2 圆整为标准轴径。 （1）搅拌轴的力学模型 图中Fh、Fhi、Fa均 为叶轮水力的分量，其 中Fa为各叶轮水力轴向 分量的合力，一般可忽 略；Fh、Fhi因叶轮结构 对称一般为零。 （2）按扭转变形计算搅拌轴的直径 式中：d 轴的外径，m； Mn max轴的最大扭矩，Nm； 式中：Pn电机功率，kw； n 轴的转速，1/min； 传动效率，%。 许用扭转角，悬壁轴=0.35/m，单跨梁=0.7/m； G轴材料的剪切弹性模量，Pa； 空心轴的内、外径比，搅拌轴细长，常用空心轴。 （3）按临界转速校核搅拌轴的直径 当轴的转速达到轴的自振频率时，轴会发生强烈的振动 ，并产生很大的弯曲变形，这个转速称为临界转速。 搅拌轴的转速n 应避开临界转速nc，低临界转速的轴称 为刚性轴，超临界转速的轴称为柔性轴。 一般的轴都具有多阶自振频率，一般的搅拌轴是一阶低 临界轴。 对于空心等截面（等质量分布）、悬壁梁支承、装有叶 轮的搅拌轴（见图828），其一阶临界转速为： （书上分子有（14）项，错误） 式中：E轴材料的弹性模量，Pa，钢轴 E=2.061011Pa； I空心轴的惯性矩，m4，I =D4（1-4）/64 式中：D 轴的外径, m； 轴的内、外径比。 L1、a 见图828，m； ms 轴及叶轮在s点（转化点，见图828）的等效质量之和， kg。 将质量转化成等效质量的意义：把原来复杂的多质量体 系简化成无质量轴上只有一个集中质量的体系，以便于计算 临界转速。 式中：mL1s搅拌轴的L1段在S点的等效质量，kg: 式中：mL1 搅拌轴的L1段质量，kg； L1、a 见图828，m。 mis 第i个叶轮在S点的等效质量，kg： 式中： mi 第i个叶轮在S点的等效质量，kg； Li、L1 见图828，m。