搅拌式反应器及其机械设计基础.ppt

1、第五章 搅拌式反应器及其机械设计基础,第一节 概述,搅拌式反应器主要由搅拌装置、轴封和搅拌反应器壳三大部分组成。其构成形式如下：,第二节 反应器壳体结构设计壳体设计,壳体的几何尺寸包括内直径D、高度H、容积V及壁厚，如图5-2所示。,一、反应器壳体的长径比,1. 反应器壳体长径比对搅拌功率的影响 2. 反应器壳体长径比对传热的影响 3. 物料特性对反应器壳体长径比的要求 根据实践经验，几种搅拌反应器壳的长径比大致如表5-1所示。,表5-1 几种搅拌反应器壳的 H/Di 值 种类 设备内物料类型 H/Di 一般搅拌反应器 液-固相或液-液相物料 11.3 壳 气-液相物料 12发酵反应器壳类 1

2、.72.5,二、搅拌反应器壳装料量 选择了反应器壳体长径比之后，还要根据搅拌反应器操作时所允许的装满程度考虑选选择装料系数，然后经过初步计算、数值圆整及核算，最终确定筒体的直径和高度。,1. 装料系数 反应器壳体的全容积V与反应器壳体的公称容积（操作时盛装物料的体积）Vg有如下关系： Vg=V (m3) (5-1) 设计时应合理选用装料系数值，提高设备利用率。通常取0.60.85； 如果物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态，应取较低值，约为0.60.7； 如果物料反应平稳，可取0.80.85（物料粘度大时可取较大值）。,2. 初步计算筒体直径 为了便于计算，忽略封头的容积，可以认为有如下公式： 把

3、反应器壳体长径比代入上式得,将式（5-1）代入（5-3），整理得：,（3）确定筒体直径和高度 将式（5-4）计算出的结果圆整成公称直径，代入式（5-5）算出筒体高度：,二、 附件的结构1. 顶盖,搅拌反应器壳顶盖在受压状态下操作常选用椭圆形封头。设计时一般先算出顶盖承受操作压力所需要的最小壁厚，然后根据顶盖上密集的开孔情况按整体补强的方法计算其壁厚，再加上壁厚附加量，经圆整即是采用的封头壁厚。一般搅拌器重量及工作载荷对封头稳定性影响不大时，不必将封头另行加强；如果搅拌器的工作状况对封头影响较大，则要把封头壁厚适当增加一些。,2. 夹套 夹套是在搅拌式反应器壳体外面套上的一个直径稍大的容器。它与

4、罐体外壁形成密闭空间，在此空间内通入加热或冷却物料流体介质。 常用的整体式夹套结构如图5-3所示：（a）仅部分圆筒有夹套，用在传热面积不大的场合；（b）为部分圆筒与下封头有夹套，这是一种常用典型结构；（c）为分段式夹套，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）为全包式夹套，这种结构有相对最大的传热面积。,夹套与罐体的连接方式有不可拆式和可拆式两种。,表5-2 夹套直径Dj与壳体直径Di的关系 Di 50 600 7001800 20003000 Dj 55650 8001900 22003200 为了保证罐体内料液与夹套内的介质充分传热，夹套高度H

5、j应满足如下关系：,夹套的壁厚按前述的内压容器壁厚设计方法计算。当夹套内介质压力较高，或反应器直径较大时，可以按照图5-6所示的半圆管、型钢、蜂窝状夹套结构来设计。,表5-3 各种夹套的使用范围 夹套型式 整体式 半圆管式 型钢夹式 蜂窝式 温度/ 350300 280 225 250 压力/MPa0.61.6 1.06.4 0.62.5 2.54.0,3. 蛇管 在搅拌反应器中，如果采用夹套传热不能满足工艺要求，或罐体结构不能采用夹套时，可采用蛇管传热，单排蛇管结构如图5-7所示。 一般采用的蛇管公称直径DN=25mm70mm，蛇管的长径比可以参考表5-4选取。,第三节 搅拌器,在反应器中，

6、搅拌器的作用是增加反应速率，强化传质和传热效果，混合均匀，提供适宜的流动状态，加快反应速度。搅拌过程的正常进行有赖于搅拌器的类型、结构、强度等因素。搅拌器的型式很多，通常根据工艺条件来决定。,一、搅拌器的类型,（一）按照形状划分 按照搅拌器形状的不同，常用的搅拌器型式有桨式、涡轮式、推进式、锚式、框式、螺带式、螺杆式等。如图5-10所示。 桨式 弯叶开启涡轮 折叶开启涡轮 推进式,平直叶圆盘 框式 锚式 涡轮螺带式 螺杆式,（二）按照流型划分 搅拌器按流型分为轴流式和径流式。轴流式包括推进式、螺带式、螺杆式、遮叶开启涡轮式等；径流式包括平、弯叶开启涡轮式，平、弯叶圆盘涡轮式、桨式及其衍生类型。

7、常用的类型是推进式、平、弯叶涡轮式和桨式。,（三）按照搅拌速度划分 可以将搅拌器分为快速搅拌器和慢速搅拌器两种。快速搅拌器有圆盘涡轮式、开启涡轮式、推进式等；慢速搅拌器包括桨式、框式、锚式、螺带式、螺杆式等。,二、搅拌器的选型,搅拌器的选型方法可以根据实践经验，选择习惯应用的桨型，再在常用范围内决定搅拌器的种种参数，也可以通过小型试验，取得数据，进行比拟放大的设计方法。 同时，搅拌器选型也要考虑动力消耗的问题。在达到同样的搅拌效果时，要求尽可能少地消耗动力。 搅拌器的结构也是选型中需要考虑的因素。一个完整的选型方案必须满足经济与安全的要求。 总之，不论哪种选型方法，都离不开最初的搅拌目的和不同

8、搅拌器造成物料不同流动状态而产生的不同搅拌效果等这些根本出发点。,第四节 传动装置及搅拌轴,一、 传动装置 搅拌设备具有单独的传动机构，一般包括电动机、减速装置、联轴器及机座等。如图5-11所示。,（一）电机 电动机按照功率、转速、安装方式、防爆要求等条件选用。电动机功率Ne决定于搅拌功率及传动装置的机械效率。即 式中 N搅拌功率，KW； Nm轴封的摩擦损失功率，KW； 传动装置的机械效率,1搅拌器功率,搅拌过程进行时需要动力，笼统地称这一动力时叫做搅拌功率。具有一定结构形状的设备中装有一定物性的液体，用一定型式的搅拌器以一定转速进行搅拌时，将对液体作功并使之发生流动，这时为使搅拌器连续运转所

9、需要的功率称为搅拌器功率。这里所指的搅拌器功率不包括机械传动和轴封部分所消耗的动力。,2. 搅拌器作业功率,被搅拌的介质在流动状态下都要进行一定的物理过程和化学反应过程，即都有一定的目的。不同的搅拌过程、不同的物性，物料量在完成其过程时所需要的动力不同，这是由工艺过程的特性所决定的。我们把搅拌器使反应器中的液体以最佳的方式完成搅拌过程所需要的功率叫做搅拌作业功率。 最理想的状况是搅拌器功率正好等于搅拌作业功率，这就可使搅拌过程以最佳方式完成。,3影响搅拌器功率的因素,搅拌器的功率与槽内造成的流动状态有关，所以影响流动状态的因素必须也是影响搅拌器功率的因素。如： 搅拌器的几何参数与运转参数：桨径

10、，桨宽，桨叶角度，桨转速，桨叶数量，桨叶离槽底安装高度等。 搅拌反应器壳的几何参数：反应器壳内径，液体深度，挡板宽度，挡板数量，导流筒尺寸等。 搅拌介质的物性参数：液相的密度，液相的粘度，重力加速度等。,4搅拌过程功率的决定,（1） 液体单位体积的平均搅拌功率的推荐值 液体的单位体积的平均搅拌功率的大小，常用来反映搅拌的难易程度。同样一种搅拌过程，取液体单位体积的平均搅拌功率一定也是一个常用的比拟放大准则。 对于Re 104以上的湍流区操作的下述过程，液体单位体积的平均搅拌功率有如表5-6的推荐值。,表5-6 平均搅拌功率推荐值 搅拌过程的种类 液体单位体积的平均搅拌功率(Hp/m3)液体混合

11、 0.09 固体有机物悬浮 0.2640.3960 固体有机物溶解 0.3960. 528 固体无机物溶解 1.32 乳液聚合（间歇式） 1.32 2.641 悬浮聚合（间歇式） 1. 5851.894 气体分散. 3.96,（二）搅拌轴,搅拌轴的临界转速 如果搅拌轴的工作转速等于或接近于轴的固有频率时，轴将发生强烈振动，即所谓共振现象。发生共振时的转速称为临界转速。工程上轴的转速应避开临界转速。搅拌轴与搅拌器作为一个整体，有多个临界转速。如果工作转速。低于第一临界转速nc的轴称为刚性轴，要求n0.7 nc；工作转速大于第一临界转速nc的轴称为柔性轴 ，要求n1.3 nc。搅拌轴一般为刚性轴，

12、转速不是太高，轴的转速可以按照下表选取。,轴承 轴承的布置问题是保证设备正常运转的关键。轴承的布置一般有三种情况： 轴承设在支架内（图5-15）； 轴承设在设备底部，主要承受径向载荷，轴向载荷由减速机或电机的向心推力轴承承担，但所能承受的轴向力是有限的； 轴承设在密封处并与密封紧密相连(图5-16)，主要控制密封处的摆动量，保证密封正常运转。,一般的搅拌轴支承依靠的是减速箱内的一对轴承，如图5-17所示,由于搅拌轴的一端伸人罐内，运转时易发生振动，当轴的悬臂过长、轴径过小时，常常会出现将搅拌轴扭弯，甚至完全破坏的情况。为了避免这种情况，悬臂支撑应当满足下列条件：,第五节 轴封,设置轴封的目的是

13、保证设备内处于一定正压或真空条件操作，并防止物料的逸出或杂质的渗入。转轴密封的型式很多，最常见的有填料密封、机械密封、迷宫密封、浮动环密封等。虽然搅拌器轴封也属于转轴密封的范畴，但由于搅拌器轴封的任务是保证搅拌反应设备内处于一定的正压或真空以及防止反应物逸出和杂质的渗人，故不是所有转轴密封型式都能用于搅拌设备的。,一、 填料密封,填料密封的结构大体上如图5-18所示，它是由衬套、填料箱体、填料环、压盖、压紧螺栓等组成。,二、 机械密封,机械密封是一种功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用寿命长的转轴密封，被广泛地应用于各个技术领域。与填料密封相比，机械密封的泄漏率大约为填料密封的百分之一。机械密封在运转时，除了装在轴上的浮动环由于磨损需作轴向移动补偿外，安装在浮动环上的辅助密封则随浮动环沿轴表面作微小的轴向移动，故轴或轴套被磨损是微不足道的。因而可免去轴或轴套的维修。由于机械密封有很多优点，因此，在搅拌