第一篇 反应器

容器的筒体和半球形封头在联接处若存在 自由变形不协调，将产生附加力系，称为边缘 力系，与此相应的应力称为边缘应力。
二、受外压的反应器壳体
反应器受外压时其轴向及环向应力均为压应 力。 受内压薄壳容器的破坏是由于强度不足而引 起破裂。外压薄壳容器即使在强度足够的情况 下，也会被压瘪而出现波形断面。 容器在外压下失去原形而出现波形断面的 现象称为丧失稳定。失去稳定时的外压力称为 临界压力。 容器丧失稳定的主要原因是容器本身的平 衡状态遭到破坏。
0.4
式中： m −稳定系数 p −操作压力 mp －临界压力 E −弹性模量 （公斤/厘米2） 短圆筒：当圆筒两端的边界影响不能 忽略时，此时圆筒称为短圆筒。短圆筒失 稳时出现三个以上的波。
第三节
反应器的主要尺寸及设计指示
一、反应器的容积 ⒈间歇式反应器
Qd T (1 ) V 24 n
搅拌式
按反应器结构
无搅拌式（干燥塔） 立式 按安装形式 卧式
按设计方法
薄壁容器： Dw/Dn≤ 1.2
厚壁容器： Dw/Dn>1.2 式中 Dw－ 容器外径 Dn－ 容器内径
受内压容器 为了设计计算的方便 受外压容器 釜式 管式 按反应器的结构特点 卧式 特种反应器
二、对反应器的主要要求
⑸螺杆式搅拌器 它是将螺距一定的螺旋叶片固定在搅拌轴 上，也称螺轴式搅拌器。当液体粘度大于 10Pa· s时，常采用螺杆式搅拌器。
⑹螺带式搅拌器
适合于粘度较高的场合（如达103Pa· s以上）。 具体构型有单螺带、双螺带、四螺带和螺杆/螺带 式等。 通常螺带式搅拌器其螺距s与搅拌器直径 d之 比为s/d＝1，螺带叶宽b与 釜径D之比为b/D＝0.1， d/D＝0.95。 由于外螺带可以与釜内壁很好 地吻合，直接刮扫壁上的液体，有 利于夹套式搅拌釜的传热与去除釜 壁处的沉积物。
桨叶有双叶片和四叶片两种，桨叶的转速 通常为20~200rpm，叶端线速度一般为 1.5~3.0m/s，桨叶直径d与搅拌釜直径D之比 d/D＝1/4~1/2，适用于粘度0.1~102Pa· s的液 体的搅拌。 而桨叶的宽b与直径d之比 b/d＝1/10~1/4，对于 液层比较高的搅拌釜可采 用多层桨叶。
第二节
反应器壳体
一、受内压的反应器壳体 分析薄壁容器的应力有两种理论： 1.无力矩理论：设壳体很薄，壳体截面上无 法承受弯矩，只有拉应力或压应力，不存 在弯应力； 2.有力矩理论：壳体有一定的厚度和刚度， 因而除受拉或压应力外，还有弯矩或弯应 力。
1.受内压薄壁圆筒应力分析
⑴环向应力δ
2
L•D•P=2•S•L•δ2 δ2=DP/2S ⑵轴向应力δ
⑶推进式搅拌器 也称螺旋桨式搅拌器，适合于粘度较低、 液量较大的搅拌，利用较小的搅拌功率，通 过高速旋转的桨叶获得较好的搅拌效果。 其直径较小， d/D＝1/3~1/4，转 速较高， 一般为300 ~600rpm，叶端线速 度为5~15m/s。
⑷涡轮式搅拌器
又称透平搅拌器。能处理粘度范围较宽的液体， 有较大的剪切力，可使液体微团分散得很细，促 进良好的传热、传质或化学反应。 桨叶的宽b与直径d之比b/d＝1/5~1/8，d/D＝ 0.5~0.7，叶端线速度一般3~8m/s，常用的叶片 数为4~8。
常压下，L/D=1。压力>1atm，L/D越 大越好。化纤厂常用 <20kg/cm2。长径比 定在1～2之间。 ⒊从制造工艺和节省材料等方面来考虑 球与立方体或直径等于柱高的容器最省 材料。
三、设计指示 1.桶体及顶盖开孔孔距不小于孔径（方便接 管） 2.桶体及顶盖开孔孔径不大于200 mm 3.如桶体直径在Φ 1200以上,需开人孔Φ 400 4.如开人孔，外缘必须加D=2d加强区，材料 和桶体相同 5.如开手孔Φ ＝150 6.支脚不能全固定,需考虑热胀冷缩
Rn=Dn 球面半径 r=0.1~0.15Dn 过渡曲面半径 h2=0.226Dn 圆筒折边高度 S封头=S+10%S S为筒体厚度 目前，只是当椭圆形封头的模具加工困 难或缺乏大型锻压设备时，才以人工敲打 来制造碟形封头。
⑶椭圆形封头 它由半个椭球壳和一段高度为h的直边部分 组成，h值取25~50毫米。设置直边部分的目 的是为了使边缘应力的作用区避开封头与圆筒 的连接焊缝。
⒈电机功率的确定 N电机=[1.3~1.4(N计+N附加)]/η 1.3 ~1.4 启动功率系数 η 总效率=0.7 ⒉轴径的确定 d=A(N电机/n)1/3 式中: A −材料常数 45#钢 A=12
1Cr18Ni9Ti A=15
n −搅拌轴转速 键槽 单键加5%,双键加15% ⒊搅拌器叶片几何尺寸的确定（略）
第四节 搅拌器
一、搅拌的目的 溶解物料，分散固体粉末，混合液体或 用来加速化学反应，强化传热过程。 总之：使搅拌对象混合均匀，加强传质 与传热，改善反应物的接触情况。 二、搅拌器的型式与选择 ＊ ⒈搅拌器的型式 ⑴桨式搅拌器
平叶桨：低速运转时，液体主要为环流。高速运 转时，径向流增大主要是水平流，不利于轴向 混合； 折叶桨：轴向流动增强，有利于搅拌混合。
薄壁圆筒的几何尺寸和材料不同，临界 压力的大小不同，丧失稳定性时的断面形 状也不同，长径比大的圆筒失稳后断面呈 扁圆形，这种圆筒称长圆筒；长径比小的 圆筒失稳后呈两个以上的波形，这种圆筒 称为短圆筒。对钢制外压薄壁圆筒，区别 长短的长径比可由下式算得：
L / D2
式中：L−圆筒计算长度（厘米）（为法 兰或两加强圈的中心距，如有封头焊接在 筒身上，应计入1/3hw，hw为封头曲线部分 的高度） Dw−圆筒外直径（厘米） S−不包括附加量的计算壁厚（厘米） 化纤生产中，使用 反应器绝大多数为短圆 筒，钢制外压短圆筒的 壁厚计算公式：
S DW (mpL / 2.59EDW ) C
①由于椭圆形封头的母线的曲率半径 变化是连续的，所以封头中的应力分布较 碟形封头均匀； ②从制造角度看，由于椭圆封头的深 度较半球形封头浅，所以整冲压比较容易， 但仍比碟形封头困难； ③椭圆形封头较好的力学性能及较易 制造的特点，使它在中、低压容器（设备） 上获得广泛应用。
⑷锥形封头 多用于底盖，便于收集并卸除设备中的 物料，出料根据物料粘度α =45~1200 ，厚 度与桶体相同。 注意：平板形封头制造方便，但承受能 力差，一般只用作常压容器的顶盖。
式中： Qd －日产量kg（24小时） T －操作周期（小时）（包括辅助生产时间，如： 加料、出料甚至清釜） σ－设备的备用系数（通常取0.1～0.15，重要机 台取0.25～0.5）
γ－视比重，又称假比重（kg/m3） 即每立方米容积的物料重量。 （例： 4 × 3 × 3mm3的聚酯切片，γ在800 ～ 900之间） φ－填充系数 通常取0.7～0.9，如果反应过程中出现 泡沫或沸腾现象，φ值应减小。 n－设计台数
d p Qk l
3
[厘米3/秒]
式中:
Q − 泄漏量 [厘米3/秒] δ −轴与填料间的间隙 [厘米] d −轴颈的直径 [厘米] Δp −容器内外压力差 [公斤/厘米2] k −实验系数 l −填料高度 [厘米] η −被密封介质的粘度[公斤.秒/厘米2]
2.填料箱结构
填料盒 周宽 S=1.4 ~2(d)1/2 高 H=4~6S 压差高度 h=2~4S 盒底部要有30°的斜度 Δp ≤8.68×104pa
1
⑴ ⑵
P•π•D2/4= π•D•S• δ1 则δ1 =DP/4S
⑶ ⑷
⑶分析 ①δ 2＝2δ
1
a.环向应力是轴向应力的两倍，因此轴向焊缝 要特别加强； b.开椭圆形人孔时，应将短轴放在Z轴方向上。 ②δ 与D成正比，因此对相同体积的圆筒，L/D 大的更为耐压。
2.桶体顶盖（封头）简介 ⑴球形封头 制造困难,直径超过2.5m时,可用数块钢板 焊接； ⑵碟形封头 制造容易,深度小；
第五节
转轴密封
一、填料箱密封 ⒈结构及工作原理
填料箱密封是通过填料与搅拌轴之间的 径向压力产生密封作用。 填料中含有润滑剂，其作用是使搅拌轴 得到润滑和阻止设备内流体逸出或外部流 体渗入而达到密封作用。搅拌轴在旋转过 程中润滑剂不断消耗，因此在填料箱上常 设置添加润滑油的装置。当设备内温度高 于100℃或搅拌轴的线速度大于1m/s时， 填料密封需有冷却装置。
⑵锚式搅拌器 转速较低，剪切作用较小，但搅动范围 较大，不易产生死区。对高粘度流体的搅拌， 可利用桨叶的刮扫作用来防止搅拌器与釜壁 之间产生滞留层，促进传热和去除釜壁沉积 物。
锚式搅拌器一般桨叶直径d与釜径D之比 d/D＝0.95，叶端线速度一般为0.5~1.5m/s， 桨叶的宽b与桨叶直径d之比b/d＝1/12，当 锚式搅拌器中间加设横梁或竖梁时，即称为 框式搅拌器。
⒊填料选择 Pg ≤19.6×104pa ≈ 2公斤/厘米2 ⑴低压(Pg ≤2公斤/厘米2)，无毒、非易 燃易爆时，一般可选石棉绳、浸油石棉盘 根,低转速1m/s，安装时外涂工业用黄油即 可； ⑵较高压或有毒、易燃爆时，可选石棉、 石棉盘根、橡胶螺旋形盘根、石棉绳浸渍 四氟乙烯填料、耐磨尼龙密封圈、四氟乙 烯密封圈或软青铅丝。
第一篇 反应器
第一节 概述
反应器又称化学反应设备，即用于实现化 学反应过程的设备。生产过程中，聚合、熔融、 混合、溶解等工序都要应用反应器。 一、反应器的构造和种类 1.构造 2.种类：反应器种类很多，可以从不同的角度加 以分类。 按生产工艺：
间歇式（分批式）：在反应前将物料一次性 加入直至反应到达规定的转化率后输出产物， 如涤纶间歇聚合釜； 半间歇式：预先将一些反应物在反应前加 入反应器，而其余反应物则在反应过程中 连续或间断加入，或在反应过程中将某种 产物从反应器中输出； 连续式：将反应物连续输入反应器，并连续输 出反应器，如腈纶聚合釜和涤纶连续聚合釜。
附加功率： (1)有温度计插入管则加10 %~20 % (2)桶体内表面粗糙加10 %~20 % (3)内有蛇管加热器加一倍 (4)内有导流桶加一倍
三、传动装置
搅拌器的转速一般较低，所以在电动机 和搅拌器之间必须设置一个减速装置，速 率比不大的，可以直接采用三角皮带传动； 减速比大的，则要用减速箱。常用的减速 箱有涡轮涡杆减速箱和行星摆线针轮减速 器。 涡轮涡杆减速器传动效率低，容易发热， 重量大和寿命短；而行星摆线针轮减速器 结构紧凑，效率高，使用日趋广泛。
⒉连续式反应器 对于连续化生产的反应器，在知道物 料反应达到预定工艺标准所需反应时间后， 用类似的方法可以算出反应器所需体积：
Qd T V 24 n
T —反应时间
二、反应器的直径 反应器的直径应根据（化纤）工艺来定。
⒈化纤工艺角度 例如，粘胶静置脱泡装置直径很大， 可缩短气泡浮出液面路程。 ⒉工作压力角度 大多数反应器在工作时承受一定的压 力，壳体内的应力将随直径的增大而增加， 故高压容器的直径一般设计得较小。
⒋搅拌器的功率
搅拌器的型式选定后，就要确定搅拌功 率，目的是： ⑴衡量搅拌釜的搅拌强度 ⑵选择减速器（功率，速比） ⑶选择电动机，搅拌机械设计，提供基本 数据（功率，转速）
搅拌功率：搅拌器向流体输出的功率P 按下式计算: P=Kd5N3ρ 式中 ：K为功率准数，它是搅拌雷诺数 Re(Re=d2Nρ/μ )的函数； d为搅拌器直径； N为转速； ρ和μ 为混合液的密度和粘度 对于一定几何结构的搅拌槽，K与Re的 函数关系可由实验测定，将这函数关系绘 成曲线称为功率曲线。
⑺其他型式的搅拌器 ①偏心式搅拌器
②底部传动搅拌器
③卧式搅拌器
⒉搅拌器的选择
搅拌过程涉及流体的流动、传热和传质， 其影响因素极其复杂。对于给定的搅拌过 程，搅拌装置型式和操作条件的选择和设 计，还没有成熟的方法。 ⑴以液体粘度和反应釜体积为依据选型 ⑵以流动状态、搅拌目的为依据选型
⒊搅拌附件 ⑴挡板 ⑵导流筒
1.容积－确定V、L/D 反应器的容积（V）必须与生产能力相适应，高度 与直径之比（L/D）必须满足工艺要求； 2.强度（刚度）－壁厚 在工作温度和压力下，各零部件应有足够的强度和 刚度； 3.当物料有腐蚀性时，反应器应耐腐蚀，且保证物料 不变质； 4.密封可靠，操作安全； 5.结构合理简单，制造维修方便，材料来源广，价格 低廉等。