反应设备结构与维护（第一章）概述

第一章反应设备结构与维护概述目录第一章绪论第二章釜式反应器结构与维护第三章管式反应器结构与维护第四章固定床反应器结构与维护第五章流化床反应器结构与维护本课程内容、性质、任务课程内容：常用的典型反应器课程性质：专业核心课主要任务：1.应用所学的基础理论，结合有关标准和技术规范解决工程实际问题的能力。2.通过本课程的学习使学生掌握反应器的工作原理、特点、结构、维护、故障处理和检修等基本知识，并初步具有检修反应器的基本能力。3.具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。4.逐步树立严谨求实的工作作风。预习思考1.化工生产过程与其他生产过程的本质区别是？2.日常生活中，我们衣食住行都离不开化学反应，请列举几个化学反应例子。3.你见过或者用过反应设备吗？在哪里见过？你所使用的反应设备有什么用途？是什么结构类型的？你知道有哪些结构形式的反应器？4.反应设备属于压力容器一类，压力容器主要由哪几大部分组成？釜式反应器有哪些部分组成？5.怎样保证反应设备能安全连续高效的运行？DCS实训室化学反应工艺流程图现场图一、化学工业生产过程

思考：1.图1-1流程图用到了哪些单元操作过程？用到了哪些化工机械？2.由图1-1的生产过程可以看出，化学工业生产过程，从原料到产品一般包括哪几个组成部分？第一章一、化学工业生产过程

三个主要步骤：

1.原料的预处理与净化（如预热、加压操作）

2.化学反应

3.产物的分离与提纯（如蒸馏、吸收操作）第一章二、反应设备的应用

1.反应设备

在化工生产过程中，为化学反应提供反应空间和反应条件的装置.

化学反应器是化工生产装置中的关键设备第一章2.反应设备的应用

*通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料混合均匀；*强化传热效果和相间传质；*使气体在液相中作均匀分散；*使固体颗粒在液相中均匀悬浮；*使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化。第一章三、化工生产对反应设备的要求1.满足化学反应过程的要求。2.生产效率高。3.能保证足够快的传热速率和可靠的热稳定性。4.有足够的机械强度和抗腐蚀能力。5.制造容易，安装检修方便，操作调节灵活，生产周期长。第一章操作方式均相气相间歇操作物料相态流动状态传热情况液相四、化学反应器分类

结构特征非均相气-液相液-液相气-固相液-固相气-液-固相连续操作半连续操作活塞流型全混流型绝热式等温式非等温非绝热式搅拌釜式（釜式）管式固定床流化床移动床塔式第一章

按结构型式分类：

可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。

◆

釜式反应器

釜式反应器也称槽式、锅式或机械搅拌式反应器。

第一章◆管式反应器

由单根(直管或盘管)连续或多根平行排列的管子组成，一般设有套管或壳管式换热装置。

第一章

◆

塔式反应器

第一章◆固定床反应器固定床板反应器是指流体通过静止不动的固体物料所形成的床层而进行化学反应的设备。

◆流化床反应器把反应器和在其中呈流态化的固体催化剂颗粒合在一起，成为流化床反应器。

第一章

◆移动床反应器：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。◆滴流床反应器：气体和液体并流通过颗粒状固体催化剂床层，以进行气液固相反应过程的一种反应器第一章第二章釜式反应器结构与维护1.基本结构2.维护维修（常见故障与处理）第一节釜式反应器的基本结构及其应用1.基本结构：搅拌装置、轴封装置及搅拌罐第二章搅拌设备搅拌装置轴封搅拌罐罐体附件搅拌轴搅拌器传动装置第二章搅拌反应釜结构图第二章1-搅拌器2-罐体3-夹套4-搅拌轴5-压出管6-支座7-人孔8-轴封9-传动装置2.釜式反应器的特点及应用：结构简单、加工方便，传质、传热效率高，温度浓度分布均匀，操作灵活性大，便于控制和改变反应条件，广泛用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相的反应过程。釜式反应器应用十分广泛。第二章但是间歇操作时，辅助时间占比大，加热釜，升温和降温时间长，降低生产能力，增加产品成本。第二章第二节釜式反应器的罐体作用：为物料提供反应空间组成：筒体

底和盖法兰和人孔工艺接管1.筒体筒体的高径比根据情况可按表2-1经验值取值。搅拌罐的装料量装料系数η通常可取0.6～0.85。第二章第二节釜式反应器的罐体初步计算筒体的直径。各参数意义和取值参考教材。第二章1.筒体2.底和盖种类：有折边椭圆形、折边球形、平面形、蝶形、有时也用锥形的。（由操作条件来选择确定）思考：常用什么结构类型的底和盖，为什么？第二章3.法兰和人孔法兰：连接筒体的上端和顶盖，有平焊和对焊法兰。人孔或手孔：加入固态物料和清理检修反应釜内部(看实物）。第二章4.工艺接管（1）连管：连管的短管部分通常焊接在釜盖上，与各种管道相连接。第二章（2）加料管：

当向反应釜内加料时，原则上不允许用连管直接加料，否则，会使液体散在釜盖的内表面上，并流入设备的法兰之间垫料圈中去，引起腐蚀和渗漏。因此，在连管内必须另装加料管。第二章（3）出料管：出料管分上部出料管和下部出料管两种。第二章第三节釜式反应器的传热装置夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式

1.夹套传热及其结构

定义在釜体外侧，以焊接或法兰连接的形式装设各种外套，并与釜体表面形成密闭空间，依靠夹套内流过蒸汽或冷却水，来加热或冷却釜内物料。结构型式:整体夹套型钢夹套半圆管夹套蜂窝夹套等最常用第二章第二章夹套的直径Dj可按表2-2选取夹套的高度应比釜内液面高出50－100mm左右，可由（2-3）公式估算：（1）整体夹套整体式夹套结构：（a）部分圆筒有夹套，用在传热面积不大的场合；（b）部分圆筒与下封头有夹套，这是一种常用典型结构；（c）分段式夹套，各段之间设置加强圈或采用能起加强作用的夹套封口结构，此结构适用于罐体细长的情况；（d）全包式夹套，这种结构有相对最大的传热面积。第二章第二章（a）可拆夹套结构（b）不可拆夹套结构适用于夹套内盛不清洁介质，需要经常清洗或需要经常检查内筒外表面的场合适用于清洁流体不锈钢碳钢夹套与罐体的连接方式有：可拆式和不可拆式两种。第二章第二章第二章（2）型钢夹套角钢与筒体焊接组成：角钢沿筒体轴向布置和螺旋布置第二章第二章（3）半圆管夹套（3）半圆管夹套半圆管或弓形管焊接在筒体上，可螺旋形和平行排管。第二章第二章（4）蜂窝夹套

定义结构2.蛇管传热及其结构当传热面积较大，可用蛇管传热，其浸在物料中，热量损失小、传热效果好，同时可减小漩涡，强化搅拌程度。蛇管结构第二章◆蛇管排列方式蛇管结构

蛇管：一般由无缝钢管冷弯成螺旋形盘管，可采用单圈或同心圆组蛇管结构。第二章第二章3.列管式结构对于大型搅拌反应釜需要高速传热时可用列管式。第二章4.外部循环式结构通过泵将反应器内的物料移出反应器换热后再循环回反应器。第二章二、反应釜的保温常用保温材料：石棉纤维及其混合材料方法：（1）制成石棉绳，缠绕在反应釜外面，再涂敷粉状的绝热材料；（2）有时将它制成石棉瓦、石棉套管包砌在反应釜外面；（3）为了防止脱落，可以缠以铁丝网。第四节釜式反应器的搅拌器搅拌器又称搅拌浆或搅拌叶轮，是釜式反应器的关键部件，其作用是提供反应过程所需要的能量和适宜的流动状态，以利于强化传热或传质效果、提高反应速率。1.搅拌的目的：均相液体的混合液液分散气液相分散固液分散固体溶解强化传热控制传质速率第二章一、搅拌的目的和要求第二章2．搅拌的要求

物料能很快且良好地分散；反应釜中的物料混合要充分，浓度均应相等。给热系数要求足够大，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。第二章二、搅拌液体的流型第二章三、典型搅拌器

搅拌器的形式很多，按结构来分有桨式、推进式、涡轮式和锚式等，这四种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75～80％。（a)桨式搅拌器(c)推进式搅拌器(b)涡轮式搅拌器(e)平直叶涡轮圆盘(f)框式(g)锚式(h)螺带式(i)螺杆式典型搅拌器结构示意

第二章常用搅拌器及流型示意

第二章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。1.桨式搅拌器特点

桨式搅拌器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。应用第二章第二章主要应用液—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。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。第二章桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min，最高粘度为20Pa·s。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。第二章2.锚式搅拌器应用特点结构简单。适用于粘度在100Pa·s以下的流体搅拌，当流体粘度在10～100Pa·s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。

锚式搅拌器第二章第二章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。应用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。当搅拌粘度大于100Pa·s的流体时，应采用螺带式或螺杆式。第二章3.推进式搅拌器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。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。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。应用

推进式搅拌器第二章第二章涡轮式搅拌器，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。特点应用它有较大的剪切力，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。4.涡轮式搅拌器

涡轮式搅拌器第二章涡轮式搅拌器（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。涡轮式搅拌器第二章第二章四、搅拌器附件1.挡板作用：挡板可以增大被搅动液体的湍流程度，从而改善搅拌效果。应用：常用于推进式、涡轮式、浆式搅拌器。安装方式：有竖和横两种，常用竖挡板；当黏度较高的时候，使用横挡板。第二章为了改善反应釜内流体的流动状态，常在罐内增设挡板和导流筒等附件。流体粘度较小时，挡板紧贴内壁安装。流体粘度较大或含有固体颗粒时，挡板应与壁面保持一定距离，以防止物料粘结和堆积。也可倾斜一定角度。第二章2.导流筒作用：在搅拌混合中起导流作用，可提高混合效率；由于限定了循环路径，减少了短路机会。应用：常用于推进式和涡轮式。涡轮式搅拌器的导流筒推进式搅拌器的导流筒第二章导流筒是一个上下敞口的圆筒，安装于反应釜筒体内，搅拌器外面。搅拌器选型搅拌目的

物料粘度

搅拌容器容积的大小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。五、搅拌器选型第二章第二章类型流向结构尺寸优点缺点应用桨式切线流，少量轴向流平直叶和折叶

尺寸较大,直径为容器直径的1/2~4/5,转速一般为20~80r/min,圆周速度在1.5~3m/s结构简单,制造容易

主要产生旋转方向的液流,即便是折叶式桨式搅拌器,所造成的轴向流动范围也不大

流体的循环或黏度较高物料的搅拌。

推进式轴向流三瓣叶片,其螺距与桨直径相等。直径较小,叶端速度一般为7~10m/s,最高达15m/s整体铸造,加工方便

焊接时，加工较困难。

黏度低,流量大。

螺带式轴向流由螺旋带、轴套和支承杆组成。消耗功率比较小。

高黏度，低转速，黏度大于100pas的流体。第二章涡轮式剪切流开式和盘式，开式：2叶或4叶,盘式：6叶，平直叶,斜叶和弯叶。

直径为容器直径的1/3~1/2，转速较高，切线速度约3~80m/s，转速范围300~600r/min。当能量消耗不大时,搅拌效率较高。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。与低黏度到中等黏度流体的混合,液-液分散,液-固悬浮。框式和锚式切线流直径则与反应器直径非常接近,其间距一般只有25~50mm.外缘形状也是根据釜内壁的形状而定。

在容器壁附近流速比其他搅拌器大,能得到大的表面传热系数,固常用于传热,晶析操作.也常用于搅拌高浓度淤桨和沉降性淤桨。搅拌器的转速很低,叶片端部的圆周速度为0.5~1.5m/s。锚式：黏度在100pas以下物体搅拌

框式：流体黏度在10~100pas第二章搅拌器型式适用条件表注表中空白为不适或不详，○为适合。搅拌器型式流动状态搅拌目的搅拌容器容积(m3)转速范围(r/min)最高粘度(P)对流循环湍流扩散剪切流低粘度混合高粘度液混合传热反应分散溶解固体悬浮气体吸收结晶传热液相反应涡轮式○○○○

○○○○○○○○1~10010~300500桨式○○○○

○

○○

○○○1~20010~30020推进式○○

○○○○

○○○1~100010~500500折叶开启涡轮式○○

○○○○

○○1~100010~300500布尔马金式○○○○

○

○

○○1~10010~300500锚式○

○

○

1~1001~1001000螺杆式○

○

○

1~500.5~501000螺带式○

○

○

1~500.5~501000第二章第二章

搅拌器功率是指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对流体做功并使之发生流动所需的功率。搅拌器功率包括搅拌功率、轴封所消耗的功率及机械功率三个部分。六、搅拌器功率第二章功率准数影响搅拌功率的因素很多，可以用下式表达：（要求掌握各参数意思，能代入公式计算即可）第二章搅拌功率P常见六种搅拌器的功率曲线如图2-37。（要求掌握各参数意思，能代入公式计算即可）第二章七、搅拌轴1.搅拌轴的材料45钢Q235钢不锈钢或采用防腐措施2.搅拌轴的结构实心和空心结构。第二章第二章4.搅拌轴的强度计算5.搅拌轴的刚度计算第二章搅拌轴的转速达到其自振频率时的转速称为临界转速。一般搅拌轴的工作转速较低，大都为低于第一临界转速下工作的刚性轴。6.轴的临界转速第五节釜式反应器的传动装置

（自学内容）第六节釜式反应器的轴封机械搅拌反应器轴封主要有两种填料密封机械密封避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部杂质渗入搅拌容器内。目的：1.机械密封把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称端面密封。泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长,在搅拌反应器中得到广泛地应用。定义特点原理当转轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触，并经轴上弹簧压紧力的作用，阻止容器内介质从接触面上泄漏，达到密封效果。第二章第二章1—弹簧2—动环3—静环机械密封结构图4个泄漏点第二章当转轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触，并经轴上弹簧压紧力的作用，阻止容器内介质从接触面上泄漏。工作原理动环与轴之间的密封，属静密封，密封件常用“O”形环。A点：图中有四个密封点：第二章B点：动密封,密封的关键动环和静环作相对旋转运动时的端面密封，属动密封，是机械密封的关键。两个密封端面的平面度和粗糙度要求较高，依靠介质的压力和弹簧力使两端面保持紧密接触，并形成一层极薄的液膜起密封作用。第二章静环座与设备之间的密封，属静密封。通常设备凸缘做成凹面，静环座做成凸面，中间用垫片密封。C点：静环与静环座之间的密封，属静密封。D点：第二章密封面上单位面积所受的力称为端面比压。它是动环受介质压力和弹簧力的共同作用下，紧压在静环上引起的，是操作时保持