搅拌式反应器及其机械设计基础

（ 5-5)
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。
有如下公式：
V4D iH
(52)
❖ 把反应器壳体长径比代入上式得
V4D i3(D H i)
（ 53)
❖ 将式（5-1）代入（5-3），整理得：
Di
3
4Vg
(H)
Di
(54)
❖ （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：
HV 4 D V i2 0V 4 gD iV 20
280
225
250
❖ 压力/MPa0.6~1.6
1.0~6.4
0.6~2.5
2.5~4.0
❖ 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=25mm~70mm， 蛇管的长径比可以参考表5-4选取。
❖ 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 ~ 600 700~1800 2000~3000
❖ Dj 55~650 800~1900 2200~3200
❖ 为了保证罐体内料液与夹套内的介质充分传
热，夹套高度Hj应满足如下关系：
H V 0 V bV V b
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。常用的类型是推进式、平、弯叶涡轮式 和桨式。
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
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 1～1.3
第三节 搅拌器
❖ 在反应器中，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
❖
Vg=η·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η取0.6～0.85；
❖ 如果物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态，η应取 较低值，约为0.6～0.7；
❖ 如果物料反应平稳，η可取0.8～0.85（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
❖ 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：
传动装置
搅拌装置
搅拌轴
Байду номын сангаас
搅拌式反应器
轴封 搅拌罐
搅拌器 罐体 附件
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δ，如图5-2所示。
❖壳 酵反应器壳类
气-液相物料
1～2发 1.7～2.5
❖ 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η，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：
（ 5 -6 ）
4 D i2 4 D i2
❖ 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/℃ 350~300
❖ （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。