釜式反应器的搅拌与传热

1、会计学1釜式反应器的搅拌与传热釜式反应器的搅拌与传热第1页/共111页4.1.1 搅拌器的一般型式搅拌器主要有*推进式、涡轮式、桨式、框式、锚推进式、涡轮式、桨式、框式、锚式式等。第2页/共111页(1) 桨式常用尺寸dj/D=0.350.80; z =2b/dj=0.100.25; =45,60一般转速1100 rpm介质粘度2000cP流动状态a:低速时,水平切线流;高 速时水平径向流b:有轴向分流,径向分流 及环向分流。多在层流 及过度流操作各种不同搅拌器的特性及应用如下：各种不同搅拌器的特性及应用如下：第3页/共111页4第4页/共111页(2-1) 开启涡轮式常用尺寸dj/D=0.2

2、00.50(0.33); z =3,4,6,8b/dj=0.150.30; = 45,60;后弯角a = 30,50,60,80一般转速10300 rpm介质粘度5104cP; b,c 104cP流动状态a,c:径向流,有挡板时以桨叶为 界形成上下两个循环流b:有轴向分流,近于轴型流备注 最高转速可达600rpm第5页/共111页6第6页/共111页7第7页/共111页8第8页/共111页常用尺寸dj/l/b=20:5:4; z = 4,6,8dj/D=0.20.5; = 45,60;后弯角a = 45一般转速10300 rpm介质粘度5104cP; b,c 104cP流动状态a,c:径向流,

3、有挡板时以桨叶为 界形成上下两个循环流b:有轴向分流,备注 最高转速可达600rpm, 圆盘上下流体混合不及开启涡轮(2-2) 圆盘涡轮式第9页/共111页10第10页/共111页11第11页/共111页12第12页/共111页13第13页/共111页(3) 推进式常用尺寸dj/D=0.20.5(0.33); s/d=1,2;z=2,3,4一般转速100500 rpm介质粘度2000cP流动状态轴流型,循环速率高,剪切力小,采用挡板获导流筒则轴向循环更强备注 最高转速可达1750rpm第14页/共111页15第15页/共111页(4) 锚式及框式常用尺寸dj/D=0.90.98; b/D=0.

4、1;h/D=0.481.0一般转速1100 rpm介质粘度105cP流动状态水平切线流,层流态操作备注 可加立叶及横梁第16页/共111页17第17页/共111页(5) 螺带式常用尺寸dj/D=0.90.98; s/dj=0.5,1,1.5;b/D=0.1;h/dj=1.03.0一般转速0.550 rpm介质粘度105cP流动状态轴流型,一般是流体沿反应器壁上升再沿桨轴而下,层流态操作第18页/共111页19第19页/共111页(6) 螺杆式常用尺寸dj/D=0.40.5; s/dj=1,1.5; b/D=0.1;h/dj=1.03.0一般转速0.550 rpm介质粘度105cP流动状态轴流型

5、,有导流筒时,一般导流筒内流体向下,导流筒外流体向上流动,层流态操作第20页/共111页4.1.2 搅拌流体的流型*概括地讲,搅拌器的作用搅拌器的作用是赋予流体以机械能，并使之以适宜的状况流动。而流体的流动状态也因搅拌器的型式、搅拌附件的有无及其种类而异。一般而言，搅拌流体的流型可归纳为以下几类：(1)轴向流：流体沿搅拌轴的方向流动，分为轴向 流和分区轴向流(2)径向流：流体沿反应器的半径方向在搅拌器与 釜壁间流动(3)切线流(环向流)：流体沿搅拌轴作圆周运动第21页/共111页22第22页/共111页流体流型的作用流体流型的作用：搅拌流体的流型对传质传热传质传热有着显著的影响，也是搅拌器的重

6、要特性之一，搅拌器型式不同，其对应的流体流型也显著不同。一般而言：轴向流轴向流剪切作用小而循环速率高；径向流径向流剪切作用大而循环速率低；切线流切线流的优点是可以提高夹套的传热速率，但对其它过程往往产生不利影响，而且，切线流的存在经常使流体液面下陷，严重时导致桨叶露出液面。加挡板加挡板可抑制切线流，减小液面下陷深度。第23页/共111页切线流 、液面下陷及加挡板的流动状况第24页/共111页改变搅拌器的改变搅拌器的安装方式安装方式，如将搅拌器偏心安装，可以改变被搅拌流体的流动状况，从而在一定程度上达到消除切线流，抑制液面下陷，减小流动死角，强化传质、传热的目的第25页/共111页26不同类型搅

7、拌器的流体流型 a-桨式有档板 b-涡轮式无档板 c-涡轮式有档板 d-推进式有档板 第26页/共111页27e - 锚式 f - 螺杆式带导流筒 g - 螺带式 第27页/共111页28第28页/共111页29n挡板安装方式挡板安装方式第29页/共111页30n挡板安装方式挡板安装方式第30页/共111页31第31页/共111页32第32页/共111页33 D形折流档板 指形 套管式传热档板示意图 第33页/共111页34第34页/共111页35推进式搅拌器的导流筒示意图 第35页/共111页36第36页/共111页37第37页/共111页38第38页/共111页39第39页/共111页40

8、第40页/共111页413 ndQ第41页/共111页42第42页/共111页43222212=dnuguH第43页/共111页44QHPs53dnPs38dHQ58 nHQ第44页/共111页4.2.6搅拌器的选型搅拌器的选型一般原则*：考虑搅拌目的搅拌目的，工艺过程工艺过程对搅拌的要求以及被搅拌流体的流体力学性质流体力学性质，同时还要考虑动力消耗动力消耗问题所以，一个好的选型方案应是经济合理，安经济合理，安全可靠，符合工艺要求的方案全可靠，符合工艺要求的方案.判据：选型结果合理，选型方法简单。判据：选型结果合理，选型方法简单。第45页/共111页46第46页/共111页搅拌器选型表(O表示

9、合适,空白表示不合适或不详)搅 拌器型式搅 拌 目 的反 应 器容量/m3低粘度液混合高粘度液混合固液反应气液反应液液反应桨 式OOO1200涡轮式OOOO1100推进式OOO11000锚 式O1100螺带式O15048第47页/共111页(2) 根据粘度选型49第48页/共111页4.3.1搅拌器功率的计算搅拌器功率的计算搅拌器赋予反应釜内的流体以机械能需要外界能量输入。使搅拌器连续运转所需要的功率称为搅拌器功搅拌器功率率，亦称搅拌功率或轴功率(不包括消耗于机械传动和轴密封部分的功率)搅拌功率目前尚不能由理论算出不能由理论算出目前通常采用相似论和因次分析相似论和因次分析的方法，将与搅拌功率有

10、关的几何变量、操作变量和物理变量几何变量、操作变量和物理变量转换成少数有物理意义的可作为设计基础的无因次数群无因次数群，通过准数关联求得搅拌功率。50第49页/共111页50第50页/共111页51.=,=,=321dCdhdD.),(=321gdnfPs),(=gdnfPs第51页/共111页52gdKnPs=yxsgdnndKdnP)()(=2253yxsPFrsKdnPNRe=5353=dnPNsP2=RendsFr佛鲁德准数， gdnFr2=第52页/共111页53xyPsKFrNRe=第53页/共111页54图一11标准尺寸涡轮搅拌器 （1）六平直叶圆盘涡轮搅拌器，圆盘直径为S；（2

11、）叶轮直径d与搅拌槽内径之比31=Dd（3）叶轮离槽底距离C= d；（4）叶片宽度dB51=（5）叶片长度dl41=（6）液体深度h=D（7）挡板数目=4（8）挡板宽度DW101=第54页/共111页55曲线1：标准尺寸涡轮搅拌器的功率曲线曲线2：无挡板时的功率曲线图4一12功率曲线1 2 3 4 5第55页/共111页56xsPsKdnPNRe=53530 . 11RednPskNsP321530 . 121)(dnKdnndKPs第56页/共111页575353=dndnNPPs第57页/共111页58532=dnKPs第58页/共111页595353=dndnNPPs第59页/共111页

12、60syRelog53=dnNPPS sygdndndnFrRelog25353)(第60页/共111页61)Relog(2)(syPgdnFrN53=dnNPPS第61页/共111页62442210108013. 04 . 0603001300ndRe解：（1）先计算雷诺准数湍流，所以WdnkPs5304 . 0)60300(130032. 053532第62页/共111页63（2）若采用六平叶涡轮桨搅拌，由于n、d不变，故Res不变，仍按上式计算，此时查表4-1得K2=6.10，则 可见它比推进式搅拌器的搅拌强度增加10100/530=19倍。（3）不用档板时，Fr准数影响显著，需用下式进

13、行计算：d/D=0.4/1.2=0.33，查表4-2得=1，=40，指数y值可计算为：WdnkPs101004 . 0)60300(130010. 653532ssgdndnPRelog253)(第63页/共111页64y=（1-log80000）/40=-3.9Fr=n2d/g=（300/60）20.4/9.81=1.02Fry=1.02（-3.9）=1.08由Res=80000查图得=1.2所以WPS220008. 14 . 0)60/300(13002 . 153第64页/共111页65)+1 (=iissqmPP第65页/共111页66msPPP+=SP第66页/共111页67釜釜容容

14、/m3挡挡板板搅拌器转速搅拌器转速/rpm 搅拌电机功率搅拌电机功率/kw锚式锚式桨式桨式涡轮式涡轮式0.2有有6080100320400 400 500 5000.60.60.61.51.72.23.04.0无无406080100320320 400 400 500 5000.60.60.60.60.61.11.11.51.73.00.3有有6080100 100320400 400 500 5000.60.60.61.11.51.72.23.04.0无无406080100 100320320 400 400 500 5000.60.60.60.61.10.61.11.11.51.73.0第

15、67页/共111页68釜釜容容/m3挡挡板板搅拌器转速搅拌器转速/rpm 搅拌电机功率搅拌电机功率/kw锚式锚式桨式桨式涡轮式涡轮式0.5有有60801001002503204000.60.60.61.11.73.05.5无无4060801001002502503203204004000.60.60.60.61.11.11.51.72.23.05.50.8有有6080802002002500.60.61.11.52.23.0无无4060801002002002502500.60.60.61.01. 11.51.53.01.0有有40602002002503200.61.01.52.23.05.

16、5无无2020404060602002002502503203200.61.11.70.60.61.01.11.51.53.03.05.5第68页/共111页69第69页/共111页70第70页/共111页71第71页/共111页72第72页/共111页73第73页/共111页74第74页/共111页75图4-16普通夹套传热普通夹套适用于传热速率要求不高和传热剂的工作压力较低（小于0.6MPa，相当于158的饱和水蒸汽的压力）的场合；当反应器的直径较大或采用的加热蒸汽 压 力 较 高 （ 大 于0.6MPa）时，夹套必须采取加强措施加强措施。 第75页/共111页76a为短管加强蜂窝夹套短管

17、加强蜂窝夹套，在夹套和反应器壁之间焊接支撑短管。这样使传热介质流速得以提高，使传热系数增大，提高反应器抗外压的强度和刚度。可用1MP 的饱和蒸汽加热到180。 a图4-17几种加强夹套第76页/共111页77b冲压式蜂窝夹套冲压式蜂窝夹套 c焊接半圆旋管结构焊接半圆旋管结构 b、c可耐更高的压力 第77页/共111页78d为角钢焊在釜外壁上的结构，称做角钢夹角钢夹套套，耐压可达56 MPa。 d第78页/共111页79第79页/共111页80当需要的传热面积较大而仅仅采用夹套不能满足热交换要求时，或由于工艺要求，不宜采用夹套时，往往采用蛇管传热。第80页/共111页81第81页/共111页82

18、图4-19夹套传热档板第82页/共111页83图4-20回流冷凝法 图4-20外循环冷凝法 第83页/共111页84图-22内装列管式换热器的反应器第84页/共111页85第85页/共111页861-加热蛇管；2-空气冷却器；一加热炉；一排气阀图4-23高压汽水混合物的加热装置第86页/共111页87-被加热设备;2-加热炉；-膨胀器；-回流冷凝器；5-熔化槽；6-事故槽；7-温度自控装置图4-24液休联苯混合物自然循环加热装置 第87页/共111页881一加热设备；2一加热夹套； 3一管式电热器图4-25液体联苯混合物夹套浴电加热装置一加热设备；一液面计； 3一电加热棒；一回流冷凝器图4-2

19、6联苯混合物蒸气夹套浴加热装置第88页/共111页89)(=tKAQ第89页/共111页90夹套传热总传热系数K的计算ooimiiAAAAk11夹由于搅拌釜夹套传热类似平面壁传热SoSioiRRk111夹其中i :物料与传热壁(釜内壁)之间的给热系数:传热壁(釜壁)厚:传热壁(釜壁)导热系数o:传热介质与传热壁(釜外壁)之间的给热系数 Rsi, Rso:内、外壁污垢热阻第90页/共111页91蛇管传热总传热系数K的计算与列管换热器的计算方法相同SoSiomoiioRRddddk11蛇i:传热介质与传热壁(蛇管内壁)之间的给热系数:传热壁(蛇管壁)厚:传热壁(蛇管壁)导热系数o:物料与传热壁(蛇

20、管外壁)之间的给热系数 Rsi, Rso:内、外壁污垢热阻所以，求给热系数就成为求总传热系数的关键所以，求给热系数就成为求总传热系数的关键第91页/共111页92给热系数关联式给热系数关联式ewdcbaDbDdPrReANu)()()()()(努赛尔准数普兰特准数雷诺准数DNuCpPr ndRe2第92页/共111页93: 对流给热系数, KJ/(m2h): 流体导热系数, KJ/(mh): 流体主体温度下的粘度, Pahw : 流体在壁温下的粘度, Pah: 流体密度, Kg/m3 D: 反应釜内径, m do: 蛇管外径, m d: 搅拌器直径, m b: 搅拌器桨叶宽, m n: 搅拌器

21、转速, /h Cp: 流体定压热容, KJ/(Kg) A及指数a、b、c、d、e: 常数第93页/共111页94搅拌器型 式Re范围挡板Aabe备注桨 式3004105 无0.360.670.330.14桨 式204103有0.420.670.330.24或无挡板涡轮式400无0.540.670.330.14涡轮式2004104有0.730.650.330.24平底釜推进式无0.540.670.250.14锚 式30300无1.00.500.330.18锚 式3004000无0.380.670.330.18（1）夹套内壁给热系数的计算）夹套内壁给热系数的计算ewbaPrReAD)()()(第9

22、4页/共111页9514. 033. 062. 0)(01. 1wPrReNu2 . 05 . 01 . 037. 067. 0,)()()(17. 0RDdDdPrReNuRwo 涡轮式，无挡板，Re=3003106 圆盘涡轮式，有挡板，Re=4001.5106 平桨式，无挡板，Re=30041050154. 0/; 8 . 0/; 6 . 0/,)(87. 014. 033. 062. 0DsDDDdPrReNuow第95页/共111页96（3）夹套侧给热系数的计算）夹套侧给热系数的计算如果夹套内通冷却水，可用如下的关联式计算：4400Res：)/(400=210. 05 . 02 . 0

23、KmWTdue夹Res3600时还可用：)/(9300=22 . 08 . 0KmWdue夹式中u-水在夹套中的流速m/s de-夹套的当量直径m第96页/共111页97（4）蛇管内侧给热系数的计算）蛇管内侧给热系数的计算直管内)5 . 3+1 (=ctdd式中dt-管子直径m dc-蛇管圈直径m 直管-液体在直管内的给热系数W/（m2K）（5）物料的垢层阻力）物料的垢层阻力可参见表4-5列出的部分数据第97页/共111页98例4-2蛇管冷却的釜式反应器。已知釜内径为1.0m，蛇管外壁温30，反应物温度为50，密度为860kg/m3，热容为1.96kJ/(kg)，导热系数为0.5kJ/(mh)

24、，粘度0.16(30)、0.075(50)Pas。平直桨搅拌，桨径0.6m，转速60rpm，无挡板。求蛇管外壁给热系数。 解： 4128=075. 0860)60/60(6 . 0=22ndRes1058=3600/5 . 0075. 096. 1=CpPr1359=)(87. 0=14. 033. 062. 0wPrReDNuk)W/(m680=1359=2D所以 第98页/共111页99例4-3求氯苯硝化反应锅夹套传热系数K。桨式搅拌，无档板（所需数据在题中给出） 例4-4按例4-3工艺数据求氯苯硝化锅蛇管传热的传热系数。已知蛇管圈直径为0.46m。 第99页/共111页1004.5.1内蛇管或外夹套，加热介质为恒温内蛇管或外夹套，加热介质为恒温21lnchchttttKAWCp : 传热时间/h; W: 被加热流体的质量, kg;Cp: 被加热流体的定压热容, kJ/(kg )；K: 总传热系数, kJ/(m2h )；A: 传热面积, m2；th热