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1、第18章 搅拌反应器,18.1概述,定义：在化学反应过程中，为反应提供反应空间和反应条件的装置称为反应设备，常称作反应釜。为了使化学反应快速均匀进行，需对参加化学反应的物质进行充分混合，且对物料加热或冷却，采取搅拌操作才能得到良好的效果。,实现搅拌的方式：机械搅拌；气流搅拌；射流搅拌；静态(管道)搅拌；电磁搅拌,18.1.1搅拌的目的,(1)使不互溶液体混合均匀，制备均匀混合液、乳化液，强化传质过程。(2)使气体在液体中充分分散，强化传质或化学反应。(3)制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解、浸取或液-固化学反应。(4)强化传热，防止局部过热或过冷。,18.1概述,18.1概述,18.1.2搅拌反
2、应釜的基本结构,图18.1 通气式搅拌反应釜典型结构,18.1概述,18.1.2搅拌反应釜机械设计的依据,搅拌反应釜的机械设计是在工艺设计之后进行的。工艺设计所确定的对搅拌反应釜的工艺要求是机械设计的依据。,反应釜的容积，最大工作压力，工作温度，工作介质及腐蚀情况，传热面积，换热方式，搅拌形式，转速及功率，接口管方位与尺寸,主要工艺要求：,18.1概述,18.1.4 搅拌反应釜机械设计的内容,(1)确定搅拌反应的结构形式和尺寸。(2)选择材料。(3)计算强度或稳定性。(4)选用主要零部件。(5)绘制图样。(6)提出技术要求。,18.2釜体与传热装置,搅拌反应釜釜体和传热装置设计的主要内容包括釜
3、体的结构形式和各部分尺寸、传热形式和结构、各种工艺接管的安设等。釜体的形状一般为圆柱形，主要受传热方式的影响，主要的传热方式包括夹套式和蛇管式。,18.2.1釜体几何尺寸的确定,反应釜尺寸主要影响因素容积V,反应釜尺寸主要参数高H和内径Di,长径比对搅拌功率的影响,长径比对夹套传热的影响,长径比对某些物料的反应的影响,18.2釜体与传热装置,罐体容积V（直筒与下封头容积之和）和物料容积V0有如下关系：V0=V(19-1)或V=V0。,确定了HDi和V 以后，忽略下封头容积，则：,将算出的Di圆整成标准直径，按下式得出罐体的高度：,V为釜体容积(m3)；H为筒体高度(m)；Di为筒体内径(m)；
4、Vh为下封头容积(m3)。,18.2釜体与传热装置,18.2.2 夹套的结构与尺寸,夹套的主要结构型式有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等。,表182 各种碳素钢夹套的适用温度和压力范围,18.2釜体与传热装置,1.整体夹套,(1)整体夹套的结构形式,18.2釜体与传热装置,(2)夹套与釜体的连接方式,图18.5 夹套与釜体的连接结构,18.2釜体与传热装置,(3)夹套上介质的进出口,夹套上设有介质进出口，介质的流向要有利于强化传热，还可以再夹套内设置螺旋导流板以增加传热效率。,18.2釜体与传热装置,(4)夹套的尺寸(Dj、Hj),表183 夹套直径与筒体直径的关系,夹套高度Hj的
5、确定：,确定夹套筒体高度还应考虑两个因素：当反应釜筒体与上封头采用法兰连接时，夹套顶边应在法兰下150200mm处(视法兰螺栓长度及拆卸方便而定)，参见图18.5(b)；当反应釜具有悬挂支座时，应考虑避免因夹套顶部位置而影响支座的焊接。,18.2釜体与传热装置,当釜体直径较大，或者传热介质压力较高时，常采用型钢夹套、半圆管夹套或蜂窝夹套代替整体夹套。这样不仅能提高传热介质的流速，改善传热效果，而且还能提高筒体承受外压的稳定性和刚度。,2 型钢夹套,布置方式：,沿着筒体外壁螺旋布置或者沿着通体轴线布置。,特点：,能够承受较高压力，稳定性好，但制造困难。,18.2釜体与传热装置,3.半圆管夹套,结
6、构和布置形式：半圆管在筒体外的布置，既可螺旋形缠绕在筒体上，也可沿筒体轴向平行焊在筒体上，或沿筒体圆周方向平行焊接在筒体上。,特点：,半圆管由带材压制而成，加工方便。半圆管夹套的缺点是焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时易造成焊接变形。,18.2釜体与传热装置,4.蜂窝夹套,蜂窝夹套是以整体夹套为基础，采取折边或短管等加强措施，提高筒体的刚度和夹套的承载能力，减小流道面积，从而减薄筒体厚度，强化传热效果。,18.2釜体与传热装置,18.2.3 釜体和夹套壁厚的确定,釜体和夹套的强度和稳定性设计可按内、外压容器的设计方法进行。,筒体,无夹套,有夹套,按照内压容器计算；当筒体内真空时，按外压容器计算。
7、,按照外压容器计算，压力为夹套压力+0.1Ma。,夹套,按照内压容器计算；当筒体内真空时，按外压容器计算。,18.2釜体与传热装置,18.2.3 蛇管的布置,蛇管传热的优点：浸在物料里，热量损失少；与夹套联合使用，增大传热面积。,蛇管传热的缺点：检修麻烦。,蛇管材料：一般采用无缝钢管,蛇管传热的形式：螺旋形蛇管、竖式蛇管,18.2釜体与传热装置,1 蛇管的长度,图18.12 蛇管的排列,18.2釜体与传热装置,2.蛇管的固定,如果蛇管的中心圆直径较小或圈数不多、质量不大，可以利用蛇管进出口接管固定在釜体的顶盖上，不再另设支架以固定蛇管。当蛇管中心圆直径较大、比较笨重或搅拌有振动时，则需要安装支
8、架以增加蛇管的刚性。,(a)单螺栓固定型式,(b)单螺栓加固型式,(e)双螺栓固定型式,(d)自由支承型式,(e)紧密排列固定型式,(f)防振加固型式,18.2釜体与传热装置,3.蛇管的进出口结构,图18.14 蛇管的进出口结构,蛇管的进出口一般都设置在釜体的顶盖上，常见的结构型式如图：,18.2釜体与传热装置,18.2.5 工艺接管,反应釜上工艺接管包括进、出料接管、仪表接管、温度计及压力表接管等。,图18.15 进料管结构,1进料管,2出料管,反应釜出料有上出料和下出料两种方式。,18.2釜体与传热装置,18.3搅拌装置,18.3.1搅拌器的形式与选用,(1)桨式搅拌器,图18.18 桨式
9、搅拌器,18.3搅拌装置,(2)涡轮式搅拌器,图18.19 涡轮式搅拌器,18.3搅拌装置,(3)锚式和框式搅拌器,(4)推进式搅拌器,(5)其它型式搅拌器,图18.22螺杆和螺带式搅拌器(a)螺杆式搅拌器(b)螺带式搅拌器,18.3搅拌装置,2.搅拌器的选型,(1)按搅拌目的选型,表186 搅拌目的与推荐的搅拌器型式,(2)按搅拌器型式和适用条件选型,18.3搅拌装置,18.3.2 流型,搅拌釜内的流型取决于搅拌器的型式、搅拌釜和搅拌附件几何特征，流体性质、搅拌器转速等因素。对于顶插入式中心安装的立式圆筒，有以下三种基本流型。,18.3搅拌装置,图18.23 反应釜内流体的流型(a)径向流；
10、(b)轴向流；(c)切向流,18.3搅拌装置,18.3.3 搅拌附件,1.挡板,圆柱状回转区：搅拌器在搅拌粘度不高的液体时，只要搅拌器转速足够高，都会产生切向流，严重时可使全部流体在反应釜中央围绕搅拌器的圆形轨道旋转，形成“圆柱状回转区”。,打漩：液体在离心力作用下甩向釜壁，使周边的液体沿釜壁上升，而中心部分的液面下降，于是形成一个大的旋涡，如图18.23(c)所示。搅拌器的转速越高，旋涡越深，这种现象叫做“打漩”,18.3搅拌装置,图18.24 竖挡板(a)挡板紧贴釜壁安装(b)挡板离壁安装,图18.25 横挡板,18.3搅拌装置,2导流筒,图18.26 推进式搅拌器与导流筒,无论搅拌器的型
11、式如何，流体总是从各个方向流向搅拌器。在需要控制流回的速度和方向以确定某一特定流型时，可在反应釜中设置导流筒。,作用：提高混合效率,18.3搅拌装置,18.3.4搅拌轴,1.搅拌轴直径的确定,搅拌轴材料：45号钢，普通结构钢，不锈钢等,假定搅拌轴只承受扭矩的作用，根据强度条件和刚度条件初步确定搅拌轴直径，用增加安全系数以降低材料许用应力的方法来弥补由于忽略轴受弯曲作用所引起的误差。,(1)搅拌轴的强度计算,18.3搅拌装置,(2)搅拌轴的刚度计算,轴的直径取强度和刚度计算结果的较大者。,18.3搅拌装置,2.搅拌轴的临界转速,当搅拌轴的转速达到其自振频率时会发生剧烈振动，并出现很大的弯曲，这个
12、速度称为临界转速nc。,刚性轴：要求n0.7nc；柔性轴：要求n1.3nc。,低速旋转的刚性轴，一般不会发生共振。当搅拌轴转速n200r/min时，应进行临界转速验算。,临界转速的影响因素：,支承型式、支承点距离及轴径有关。,图18.27 搅拌轴临界转速技术图,18.3搅拌装置,3.搅拌轴的支承,当不能满足上述要求，或搅拌转速较快而密封要求较高时，可考虑安装中间轴承，如图18.29所示，或底轴承，如图18.30所示。,18.3搅拌装置,图18.30 底轴承,18.4传动装置,18.4传动装置,搅拌反应釜传动装置一般包括：电动机、减速机和联轴器、机座和底座等。,图18.31搅拌反应釜的传动装置,
13、18.4传动装置,18.4.1 电动机,电动机选型要求：(1)功率(2)工作环境,包括防爆、防护等级、腐蚀环境等(3)与减速机的匹配,电动机功率包括搅拌器运转功率及传动装置和密封系统功率损耗，还用考虑传动系统的机械效率。,18.4传动装置,18.4.2 减速机,1978年，HG/T31393142；2001年，HG/T3139.112釜用立式减速机。,18.4传动装置,18.4.3 传动装置的机座,图18.32 单支点机座1机座；2轴承,图18.33 双支点机座1机座；2上轴承；3下轴承,机座可以采用无支点，单支点，双支点等形式,18.4传动装置,18.4.4 底座,视釜内物料的腐蚀情况，底座
14、有不衬里和衬里两种。不衬里的底座材料可用Q235-A；要求衬里的，则在与物料可能接触的表面衬一层耐腐蚀材料，通常为不锈钢,18.5 轴封装置,18.5 轴封装置,为了防止介质从转动轴与封头之间的间隙泄漏而设置的密封装置，简称为轴封装置。反应釜中使用的轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。,18.5.1 填料密封,特点：结构简单，易于制造，适用于低压、低温的场合。,1.填料的结构和工作原理,图18.37 填料密封结构,18.5 轴封装置,填料密封结构如图18.37所示。在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱之间的填料产生径向扩张，对搅拌轴表面施加径向压紧力，塞紧了间隙，从而阻止介质的泄漏。由于填料
15、中含有一定量的润滑剂，因此，在对搅拌轴产生径向压紧力的同时形成一层极薄的液膜，它一方面使搅拌轴得到润滑，另一方面阻止设备内流体逸出或外部流体渗入而达到密封作用。,18.5 轴封装置,2.填料,(1)要富有弹性，这样在压紧压盖后，填料能贴紧搅拌轴并对轴产生一定的抱紧力。(2)良好的耐磨性。(3)与搅拌轴的摩擦系数要小，以便降低摩擦功率损耗，延长填料寿命。(4)良好的导热性，使摩擦产生的热量能较快地传递出去。(5)耐介质及润滑剂的浸泡和腐蚀。,填料的要求：,填料选用需要考虑的因素：介质的特性，压力、毒性、易燃易爆等,18.5 轴封装置,18.5 轴封装置,、填料箱,材料：铸铁铸造，碳钢或不锈钢焊接
16、而成。当反应釜内操作温度大于或等于100或搅拌轴线速度大于或等于1ms时，填料箱应带水夹套。填料箱中需设置油环。填料箱底部需设置衬套。标准：HG21537.18。,18.5.2 机械密封,机械密封是用垂直于轴的两个密封元件（静环和动环）的平面相互贴合,并作相对运动达到密封的装置,又称端面密封。填料密封耗功小、泄漏量低，密封可靠，广泛应用于搅拌反应釜的轴封。,18.5 轴封装置,1.机械密封的结构和工作原理,图18.39 机械密封结构,18.5 轴封装置,图18.39是一种典型反应釜机械密封的结构图。从图中可以看出，静环14依靠螺母1、双头螺栓2和静环压板16固定在静环座17上，静环座与反应釜底
17、座联接。当搅拌轴7转动时，弹簧4依靠三只紧定螺钉10固定在轴上，而双头螺栓6使弹簧压板11与弹簧座9进行轴向固定，三只固定螺钉3又使动环13与弹簧压板进行周向固定。所以当轴转动时，带动了弹簧座、弹簧弹簧压板、动环等零件一起旋转。由于弹簧力的作用，使动环紧紧压在静环上，而静环静止不动，这样动环和静环相接触的环形端面就阻止了介质的泄漏。,18.5 轴封装置,机械密封有四个密封点，点是静环座和反应釜底座之间的密封，属静密封。点是静环座与静环之间的密封，也属静密封。点是动环和静环间有相对旋转运动的两个端面密封，是机械密封的关键部分，属动密封。点是动环与搅拌轴或轴套之间的密封，也属静密封。,18.5 轴
18、封装置,2.机械密封的结构型式分类,18.5.3 机械密封与填料密封的比较,(1)在填料密封中轴和填料的接触是圆柱形表面，而在机械密封中动环和静环的接触是环形平面。(2)填料密封中的密封力靠拧紧压盖螺栓后，使填料发生径向膨胀而产生，在轴的运转过程中，伴随着填料与轴的摩擦发生磨损，从而减小了密封力会引起泄漏，而在机械密封中，密封力是靠弹簧压紧动环和静环而产生的，当两个环有微小磨损后，密封力基本保持不变，因而介质不容易泄漏。结论：故机械密封比填料密封要优越得多。,18.5 轴封装置,复习思考题,18-2 搅拌反应釜有哪些主要部分构成？各部分的作用是什么？18-4 搅拌反应釜常用的传热形式有哪几种？各有什么特点？18-10“圆柱状回转区”和“打漩”是怎么回事？它们对搅拌有何影响？18-14 搅拌反应釜的电动机功率如何计算？18-19 试对填料密封和机械密封进行比较。,
