带夹套球形釜式搅拌反应器

1、带夹套球形釜式搅拌反应器成都市新都凯兴科技有限公司高级工程师 周凤举 2004 年 9 月一、概论 搅拌反应釜是化工生产的重要设备，它决定了化工产品的品质、品种和生 产能力。传统的带夹套搅拌反应釜无论是立式或卧式釜 （图 1） ，其釜体形状均为圆筒 形壳体，两端加装平釜盖或圆弧形封头，其存在的缺点是：传质、传热不均匀， 甚至有反应死角，影响化工产品品质和生产效率；在压力工况使用时，釜体受 压后应力分布不均匀。本发明专利为带夹套球形搅拌反应釜，是将传统的带夹套搅拌反应釜的釜 体和夹套制作成球形体，使釜内介质在搅拌的状况下反应时，由于球形内壳体 的约束，使壳体内的流体介质都能在全容积中获得更加均匀

2、的流动场，更易实 现无死角且完全均匀的传质，同时轴转速和轴功率可以相对降低；另外，由于 球形壳体在空间 360受力分布最好、 最均匀， 从而使釜体接受内外压力可以实 现最大化，提高了反应釜的承压能力。通常在同样材质、同等压力和温度的条 件下，球形壳体比相同直径的圆筒形壳体壁厚可以约减少一半。反之，在同样 的材质、同等压力和温度的条件下，球形壳体比相同厚度的圆筒形壳体承受的 压力要高出一倍，各种应力分布更均匀，使用更为安全。同时，由于球形体空 间分布的万向对称性，该反应釜可实现立、卧、斜三种使用方式。二、具体实施方式：参见图 1，釜体 3 是一个球形壳体夹套结构，其上有介质入口 10、介质出 口

3、 5。位于釜体内的搅拌器 4上的搅拌轴 11的一端与传动机构 - 减速器 2 输出 轴连接，减速器 2 与电动机 1 连接。搅拌器在电动机的带动下旋转，在保持一 定转速的情况下，使釜内流动的介质形成轴向流动 9、径向流动 8、周向流动 6，并合成最终的流动形式7,最后从介质出口 5流出三、推论以下推论的目的是针对球形釜与圆筒形釜在相关条件下各种性能的比较，推论过程中所涉及的公式如下：根据GB150钢制压力容器设计标准，球形釜与圆筒形釜在设计温度下的最大允许工作压力及釜壁的计算厚度为：公式一：P 山W 球 Di 5公式二：P筒=2小W 筒 Di 公式三：轧PcDi球 = k-PC公式四：=一Pc

4、Di筒 2bh：Pc其中：Pw：最大许用压力；S (S e)：釜壁的计算厚度；D :内直径；C设计温度下，材料的许用应力;：焊接接头系数；Pc：计算压力。根据“钢制压力容器用封头”标准，球形釜与圆筒形釜的容积与换热面积为：公式五：3D球V球=6公式六：V筒=旦L +2V封头4式七：Fw球=：=D球公式八：Fw筒 =二 D筒L+2F封头其中：V:容积；F w：换热面积；D i :内直径；L:圆筒形釜直线段的长度；V封头：圆筒形釜的圭寸头容积；F封头：圆筒形釜封头的换热面积。根据“搅拌设备设计”手册第三章“搅拌设备的传热”第二节“液体搅拌 中的传热”，釜壁的传热速率为：公式九：Q3=Fw twl

5、-tw22其中：Q:釜壁面一侧(1-1)至壁面另一侧(2-2)的传热速率； 入2:釜壁金属材料的导热系数；S 2：釜壁的有效厚度；Fw：釜壁换热面积；(t wl-t W2):釜壁两侧的温度差。1、推论1 :设定球形釜与圆筒形釜在相同的设计温度、同样的材质及有效厚度、相同内直径及焊接接头系数的条件下，即有效厚度S e、材质的许用应力C J、内直径D及焊接接头系数 相等。根据：公式一:4e- t：-JDi e公式二：Pw筒=詐：得出：Pw球=2 Pw 筒。结论1:当球形釜与圆筒形釜在相同的设计温度、同样的材质及有效厚度、 相同内直径及焊接接头系数的条件下使用，球形釜的承压能力是圆筒形釜的两 倍。2

6、、推论2:设定在安全设计的前提下，球形釜与圆筒形釜在相同的换热面积、使用相 同的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度的条件下，即材质的导热系数 入2、釜壁换热面积Fw及釜壁两侧的温度差（twtw2）相等。根据公式九：Q3 Fw t w1 - tw22得出：釜壁的传热速率 Q与釜壁的有效厚度成反比。结论2:在安全设计的前提下，当球形釜与圆筒形釜在相同的换热面积、使 用相同的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度的条件下使用，所需的釜 壁越厚，热阻越大，其传热速率越低。3、推论3:设定球形釜与圆筒形釜在相同容积的条件下，即V球V筒。举例1 :选用公称直径DN为1m的标准椭圆封头，焊接在直径为D筒

7、1m，长 度为L1m的圆筒体的圆筒形釜壳（图2）及与该圆筒形釜容积相等的球形釜。图 3按照JB/4746-2002 “钢制压力用封头”标准中查表 1得到：该圆筒形釜封头 的标准深度0.275m,其内表面积F封头1.1625 m2,容积V封头0.1505 m3。根据：公式六：2 2兀D 2兀X 123V筒L +2V封头1+2X 0.15051.086m44公式八：2Fw筒 二 D 筒 L+2F封头二 X 1X 1+2X 1.162 55.465 m由于：V球V筒1.086 m3，根据:公式五：V球=二卫球，得到球形釜的内直径为：6D球3.6 V 3,6 1.086 1.275m，再根据:公式七：

8、2 2 2Fw球 D球二 X 1.275 5.107m得到：旦球 5.1070.934，即：Fw球0.934 F w筒Fw筒 5.465结论3:当球形釜与圆筒形釜在相同容积的条件下使用，球形釜的换热面积略小于圆筒形釜的换热面积。4、推论4：设定球形釜与圆筒形釜在推论 3的基础上，(即：当圆筒形釜的内直径 D筒 =1m=1000mm且釜的容积 V球=V筒时，球形釜的内直径 D球=1.275m=1275mm球形 釜的换热面积Fw球=5.107m2、圆筒形釜的换热面积Fw筒=5.465 xm)，且使用同样的 材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下，即： 材质的许用应力(7

9、t、材质的导热系数入2、釜壁两侧的温度差(tw1-tw2)、釜的 计算压力巳、焊接接头系数相等。实例2，设定：、计算压力Fl =3MPa；、设计温度为100C ;材质为16MnR材质的许用应力7 t=170MPa(3)、全焊接对接接头；100%损检测；焊接接头系数 =1。根据：4 170 1-3公式四:PcDi 筒公式三：；2 球= 学球 =3 1275=5.65mm75.65圆筒形釜的传热速率Q3筒得到：二球 =5.65=0.64 即：辽球=0.64 2筒2筒 8.90再根据：公式九：Q3=Fw tw1-tw2 ，且设定2 tw1 -tw2为相同值i，代入公式，即: 2球形釜的传热速率Q3球

10、=空球i= 5107 i=0.904i5 465i= 5465 i=0.614i8.90Q3 筒0.614i得到：Q 二0.904)=1.4721.5，即：Q3球1.5 Q3筒结论4:当球形釜与圆筒形釜在相同容积、使用同样的材质、相同的介质及 冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下使用，球形釜壁传热速率 约为圆筒形釜壁传热速率的1.5倍。5、推论5：设定球形釜与圆筒形釜使用相同容积、同样的材质、相同的介质及冷媒、 同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下，即：容积V =V筒、材质的许用应力c t、材质的导热系数入2、釜壁两侧的温度差(tw1-tw2)、釜的计算压力Pc、 焊接接头系数相

11、等。举例3:设定：、计算压力Pc =3MPa；、设计温度为100C ;材质为16MnR材质的许用应力c t=170MPa(3)、全焊接对接接头；100%6损检测；焊接接头系数 =1。、2 twl -tw2 =i(5)、按照JB/T4746-2002 “钢制压力容器用封头”标准，选用公称直径为 800mm勺标准椭圆封头、焊接在内径D筒2=800mm长度L筒2=1845mm勺圆筒体上， 形成第二个圆筒形釜壳(图4)，查表1得到：封头的深度为225mm其内表面积 F 封头 2=0.7566m2、容积 V封头 2=0.0796m3。根据:公式六：兀D23V 筒 -L +2V 封头=1.086m4公式八

12、：2Fw筒 =二 D 筒 L+2F封头=6.15m公式四：-PcD i 筒、2筒=7.1217mm2b J- PC公式九：Q3 =Fw tw1-tw2 一ii 0-864iO2O27.1217根据推论4，得知球形釜的速率为0.904i在V=V筒的前提下，圆筒形釜直段的长径比为：丄筒=1845 =2.3时,D 筒 800Q球:mQ 筒（0.904i ：O864i ）结论5:当球形釜与圆筒形釜使用相同容积、同样的材质、相同的介质及冷 媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下使用，当圆筒形釜的釜体形 状由长径比为1拉长至长径比约为2.3的细长圆筒型釜时，球形釜与圆筒形釜 的传热速率基本相同，但细

13、长的圆筒形釜在搅拌传质时更为困难。在以上条件 下使用，球形釜的传质条件优于圆筒形釜。综上所述：相对于各种类型的圆筒形釜，球形釜在承压能力、传质与传热、 耗材（釜壁厚度可减少）等方面都具有独特的优越性。四、应用范围球形釜式搅拌反应器的产品开发切入点是应用于新一代含氟共聚物新材料 的聚合反应设备，其特点是要求反应釜具有高传质、传热能力，且反应条件为 温度较高（160 C ）、压力较大（6.3MPa）的条件下反应。本发明专利产品可推广应 用于石油化工、高分子材料、医药化工、生物化工、日用化工及其它精细化工 等行业，特别适用于要高温高压并求低剪切、高分散的高、精、尖的化工产品， 具有独特的实用意义。五、查新结果及专利情况球形釜式搅拌反应器经四川省科学技术信息研究所对