釜式反应器配套设施的设计与选择

1、任务任务4釜式反应器配套设施的设计与选择釜式反应器配套设施的设计与选择 工作任务：根据化工产品的生产条件和工艺要求，为釜式反应器配套搅拌器和换热装置等进行设计与类型的选择。4.1搅拌装置的设计与选择 搅拌的目的： 加强釜式反应器内物料的均匀混合，以强化传质和传热。搅拌设备结构图搅拌设备结构图1-搅拌器搅拌器 2-罐体罐体 3-夹套夹套 4-搅拌轴搅拌轴 5-压出管压出管 6-支座支座 7-人孔人孔 8-轴封轴封 9-传动装置传动装置 搅拌器的类型选择和计算是否正确，直接关系到搅拌釜式反应器的操作和反应的结果。 硝化反应搅拌效硝化反应搅拌效果不好，局部反果不好，局部反应剧烈，引发爆应剧烈，引发爆

2、炸。炸。搅拌的目的搅拌的目的均相液体均相液体的混合的混合液液分散液液分散固体溶解固体溶解气液相气液相分散分散固液分散固液分散搅拌要求反应釜中的物料能很快且良好地分布到反应釜中反应釜中的物料能很快且良好地分布到反应釜中的整个物料之中。的整个物料之中。反应釜中的物料混合充分，无死角，任何一处反应釜中的物料混合充分，无死角，任何一处浓度均相等。浓度均相等。反应釜内物料侧的传热系数要求足够大，从而使反应热反应釜内物料侧的传热系数要求足够大，从而使反应热可以及时移出或使反应需要的热量及时传入可以及时移出或使反应需要的热量及时传入。如果反应受传质速率的控制，通过搅拌的作用可如果反应受传质速率的控制，通过搅

3、拌的作用可以使传质速率达到合适的数值。以使传质速率达到合适的数值。宏观流动:设备范围内的循环流动 搅拌器运转时，叶轮把能量传给它周围的液体，使这些液体以很高的速度运动起来。当这些高速运动的液体掠过静止或运动速度较低的液体时，产生强烈的剪切作用。在这种剪应力的作用下，静止或低速运动的液体也跟着以很高的速度运动起来，从而带动所有液体在设备范围内流动。这种设备范围内的循环流动称为“宏观流动”。 微观流动:局部的湍流流动 实际混合过程是主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散三种扩散机理的综合作用.微观混合宏观流动微观流动主体对流扩散涡流对流扩散分子扩散宏观混合混合机理混合机理搅拌液体的流动特性搅拌液体的流动

4、特性搅拌液体的流型 轴向流 径向流 切线流 打漩现象 打漩时几乎不产打漩时几乎不产生轴向混合作用生轴向混合作用，所以一般情况，所以一般情况下应防止打漩。下应防止打漩。 搅拌器应具有两个性能：产生强大的液体循环流量； 产生强烈的剪切作用。基本原则：在消耗同等功率的条件下，如果采用低转速、大直径的叶轮，可以增大液体循环流量，同时减少液体受到的剪切作用，有利于宏观混合。如采用高转速、小直径的叶轮，结果相反。常用搅拌器的类型、结构和特点桨式搅拌器桨式搅拌器桨叶总长可取为釜体内径的1/3 2/3，不宜过长，转速可为2080r/min适用于流动性小、黏度低的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，如果液

5、体物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。 15主要应用主要应用液液液系中用于防止分离、使罐的温度均一，液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固固液系中多用于防止固体沉降。液系中多用于防止固体沉降。主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折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，故叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴轴流桨叶使用较多。流桨叶使用较多。也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，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，能获得良好的效果代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器涡轮搅拌器由一个或数个装置在直轴

6、上的涡轮所构成。其操作形式类似于离心泵的叶轮，当涡轮旋转时，液体经由中心沿轴被吸入，在离心力作用下，沿叶轮间通道，由中心甩向涡轮边缘，并沿切线方向以高速甩出，而造成剧烈的搅拌。这种搅拌器最适用于大量液体的连续搅拌操作，除稠厚的浆糊状物料外，几乎可应用于任何情况。这种搅拌器的缺点是生产成本较高。转速范围为300-600r/min17应用应用 涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体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微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液的混合、液液分散、液液分散、液固悬浮，以及促进良固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。

7、好的传热、传质和化学反应。推进式搅拌器推进式搅拌器 操作时所用的转速为300600转/分搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。19搅拌时搅拌时流体由桨叶上方吸入，下方以圆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。至桨叶上方，形成轴向流动。特点特点 搅拌时流体的湍流程度不高，循搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单，制造方便。环量大，结构简单，制造方便。 循环性能好，剪切作用不大，循环性能好，剪切作用不大，属于

8、循环型搅拌器。属于循环型搅拌器。20应用应用粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。，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。浓度固液系中防止淤泥沉降等。改进改进容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、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。搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。框式搅拌器框式搅拌器框的宽度可取釜内径的0.90.98倍，可以防止物料附在釜壁上。转速较低，一般都小于100r/min。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行。常用于传热、

9、晶析操作和高黏度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌。锚式搅拌器锚式搅拌器锚式搅拌器转动时几乎触及釜体的内壁，可及时刮除壁面沉积物，有利于传热。此种搅拌器适用于粘稠物料的搅拌，转速可为1580r/min。23锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合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。要求不太高的场合。应用应用由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它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。常用于传热、晶析操作。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆

10、。当搅拌粘度大于当搅拌粘度大于100Pas 100Pas 的流体时，应采的流体时，应采用螺带式或螺杆式。用螺带式或螺杆式。螺带式搅拌器螺带式搅拌器 与釜壁的间隙很小，搅与釜壁的间隙很小，搅拌时能不断将粘于釜壁拌时能不断将粘于釜壁的沉积物刮下来。的沉积物刮下来。 螺带的高度常取罐底至螺带的高度常取罐底至液面的高度。液面的高度。 转速较低，通常不超过转速较低，通常不超过50r/min50r/min，产生以上下，产生以上下循环为主的流动，主要循环为主的流动，主要用于高黏度液体的搅拌用于高黏度液体的搅拌。搅拌器选型小直径、高转速搅拌器如推进式、涡轮式低黏度高黏度大直径、低转速搅拌器如锚式、框式和桨式要

11、求达到微观混合程度。控制因素：循环流量。优先选择推进式搅拌器。要求被分散的“微团”小、液体涡流湍动剧烈控制因素：剪切作用和循环流量优先选择涡轮式搅拌器，特别是平直涡轮搅拌器要求得到高分散度的“气泡”控制因素：剪切作用、循环流量优先选择涡轮式搅拌器，特别是平直叶圆盘涡轮搅拌器要求让固体充分快速溶解控制因素：循环流量、剪切作用开启式涡轮搅拌最适合对易溶块状固体常用桨式或框式搅拌器要求让固体颗粒均匀悬浮控制因素：总体循环流量根据固液密度差、固体颗粒沉降速度综合考虑需要控制晶体的形状和大小微粒结晶：较强的剪切作用和较大的循环流量选择涡轮式搅拌器粒度较大的结晶：一定的循环流量和较低的剪切作用选择桨式搅拌

12、器控制因素：总体循环流量、换热面上的高速流动选择涡轮式搅拌器29搅拌器型式适用条件表搅拌器型式适用条件表注表中空白为不适或不详，为适合。注表中空白为不适或不详，为适合。搅拌器型式搅拌器型式流动状态流动状态搅拌目的搅拌目的搅拌容搅拌容器容积器容积 (m3)转速范转速范围围(r/min)最高最高粘度粘度(P)对对流流循循环环湍湍流流扩扩散散剪剪切切流流低低粘粘度度混混合合高粘高粘度液度液混合混合传热传热反应反应分分散散溶溶解解固固体体悬悬浮浮气气体体吸吸收收结结晶晶传传热热液液相相反反应应涡轮式涡轮式110010300500桨式桨式12001030020推进式推进式1100010500500折叶开

13、启涡轮式折叶开启涡轮式1100010300500布尔马金式布尔马金式 110010300500锚式锚式 110011001000螺杆式螺杆式 1500.5501000螺带式螺带式 1500.5501000搅拌附件搅拌附件指在搅拌釜内为了改善流动状态而增设的零件指在搅拌釜内为了改善流动状态而增设的零件，如挡板、导流筒等。，如挡板、导流筒等。有时某些零件不是专为改变流动状态而设的，有时某些零件不是专为改变流动状态而设的，但因为它对液流也有一定的阻力，也会起到部但因为它对液流也有一定的阻力，也会起到部分作用。如传热蛇管、温度计套管等。分作用。如传热蛇管、温度计套管等。 挡板的作用是避免漩涡现象，增大

14、被搅拌液体的挡板的作用是避免漩涡现象，增大被搅拌液体的湍流程度，将切向流动变为轴向和径向流动，强湍流程度，将切向流动变为轴向和径向流动，强 化反应器内液体的对流和扩散，改善搅拌效果化反应器内液体的对流和扩散，改善搅拌效果. 对于低黏度液体的搅拌，可将挡板垂直纵向地安装在器的内壁上，挡板宽度Wb一般为器径T的110，四块均布。 对于中等黏度液体的搅拌，挡板与器壁可间距0.10.15板宽，其值最小0.025m，最大0.075m，用以防止固体在挡板后的积聚和形成停滞区。 对于高黏度液体，可将挡板离开器壁并与壁面倾斜放置。 挡板的高度是下端伸到器底，上端伸出液面。对锥形器底，当使用径向流叶轮时，若叶轮

15、位置较低，需把挡板伸到锥形部分，宽度减半。 由于液体的粘性力可抑制打旋，因此当液体的黏度在512Pas范围时，可减少挡板宽度，当黏度大于12Pas后，便无需安装挡板。在离心萃取、冷却式结晶中常采用有盖无挡板的封闭式搅拌。将挡板离开壁面或放在螺旋盘管内侧时，传热系数将降低5，搅拌功率可降低10。 当黏度较高，如710Pas时，或固-液操作时，挡板要离壁安装。黏度更高时，还可将挡板倾斜个角度，以防止黏滞液体在挡板上形成死角及防止固体颗粒的堆积。当罐内有传热蛇管时，挡板一般安在蛇管内侧。 2 导流筒 主要用于推进式、螺带式搅拌器的导流。涡轮式搅拌器有时也用导流筒。 导流筒可以为液体限定一个流动路线以

16、防止短路；迫使流体高速流过加热面以利于传热。对于混合和分散过程，导流筒起到强化作用。 对于涡轮式搅拌器，导流筒安置在叶轮的上方，使叶轮上方的轴向流得到加强。 对于推进式搅拌器，导流筒安置在叶轮的外面，使推进式搅拌器所产生的轴向流得到进一步加强。二、釜式反应器换热装置的设计与选择 （一）换热装置及特点 1.夹套1.夹套 夹套与反应釜内壁的间距视釜直径的大小采用不同的数值，一般取25100mm。夹套的高度取决于传热面积。但须注意夹套高度一般应高于料液的高度，应比釜内液面高出50100mm。 有时，对于较大型的搅拌釜，为了提高传热效果，在夹套空间装设螺旋导流板，提高传热系数。夹套内通蒸汽时，其蒸汽压

17、力一般不超过0.6MPa。当反应器的直径大或者加热蒸汽压力较高时，夹套必须采取加强措施。分支撑短管加强的“蜂窝夹套”，冲压式蜂窝夹套，角钢焊在釜的外壁上夹套。 2.蛇管3.列管 应用于大型反应釜、需要调整传热传热面积大，传热效果好传热面积大，传热效果好结构简单、操作弹性大结构简单、操作弹性大4.外间循环式 通过泵将反应器内的料液抽出，经过外部换热器换热后再循环回反应器中。5、回流冷凝式 蒸汽在冷凝器中以冷凝的方式散热，可以得到很高蒸汽在冷凝器中以冷凝的方式散热，可以得到很高的传热系数。的传热系数。（二）换热介质的选择 1.高温热源的选择一般的低压饱和水蒸汽加热时最高只能达到150-160，需要

18、更高温度时则需考虑高温热源的选择问题。化工厂常用的高温热源有以下几种： 压力高的饱和水蒸汽压力高的饱和水蒸汽 压力可达一至数MPa，来源有高压蒸汽锅炉、利用反应热的废热锅炉或热电站的蒸汽透平。 缺点:需高压管道输送蒸汽，费用高，且远距离输送时热损失大。 高压汽水混合物高压汽水混合物 个别设备需高温加热时，较经济可行。可用于温度为200-250的加热要求。有机载热体有机载热体 利用某些有机物常压沸点高、熔点低、热稳定性好等特点可提供高温的热源。它的突出优点是能在较低的压力下得到较高的加热能在较低的压力下得到较高的加热温度。温度。 当加热温度在250时，可采用液体联苯混合物加热，可有三种加热方案：自然循环加热法、强制循环加热法、夹套浴热法。 当加热温度超过250时，可采用联苯混合物的蒸汽加热，根据其冷凝液回流方法的不同，也可分为自然循环与强制循环。电加热电加热是一种操作方便、热效率高、便于实现自控和遥控的一种高温加热方法。有电阻加热、感应电流加热、短路电流加热三种类型。烟道气加热烟道气加热用煤气、天然气、石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟道气作热源加热设备，可用于300以上的高温加热。缺点是热效率低，给热系数小，温度不易控制。可用于300以上的高温加热。2.低温冷源的选择 低温冷源的选择 冷却用水 ：水的冷却效果好，最为常用。随水的硬度不