8.2 机械搅拌反应器——【过程设备设计】

图8-18 搅拌器与流型
(b) 轴向流
8.2 机械搅拌反应器
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过程设备设计
(c)切向流
无挡板的容器内，流 体绕轴作旋转运动， 流速高时液体表面会 形成漩涡，流体从桨 叶周围周向卷吸至桨 叶区的流量很小，混 合效果很差。
图8-18 搅拌器与流型
(c) 切向流
8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
上述三种流型通常同时存在
定义 搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键 部件。
功能 提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。 原理 搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形
成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液 体在搅拌容器内循环流动。 流型 流体循环流动的途径定义为流型。
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8.2 机械搅拌反应器
一、流型
搅拌容器中的传热蛇管可部分或 全部代替挡板，装有垂直换热管 时一般可不再安装挡板。
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
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图8-20 挡板
8.2 机械搅拌反应器
(2) 导流筒
过程设备设计
作用——上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌 混合中起导流作用。
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8.2 机械搅拌反应器
(a) 涡轮式或桨 式搅拌器 导流筒置于 桨叶的上方
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
流动特性
搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。 搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用。
循环作用与混合时间、传热、固体的悬 浮等相关。
当搅拌器输入流体的能量主要用于流体 的循环作用时，称为循环型叶轮，如框式、 螺带式、锚式、桨式、推进式等为循环型叶 轮。
轴向流与径向流对混合起主要作用
切向流应加以抑制
采用挡板可削弱切向流， 增强轴向流和径向流
除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧 插式、斜插式、卧式等安装方式，见图8-19。 不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。
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8.2 机械搅拌反应器
避免完全的对称性
过程设备设计
(a) 垂直 偏心式
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分类
螺旋形盘管 竖式蛇管
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图8-16 图8-17
8.2 机械搅拌反应器
D
过程设备设计
图8-16 螺旋形盘管
d
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8.2 机械搅拌反应器
D
d
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过程设备设计
对称布置的几组 竖式蛇管：
传热 挡板作用
图8-17 竖式蛇管
8.2 机械搅拌反应器
8.2.3 搅拌器
过程设备设计
8.2.3.1 搅拌器与流动特征
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
8.2.3.2 搅拌器分类、图谱及典型搅拌器特性
一、搅拌器分类 按流体流动形态
轴向流搅拌器 径向流搅拌器 混合流搅拌器
按结构分类
平叶 折叶 螺旋面叶
桨式、涡轮式、框式和 锚式的桨叶都有平叶和 折叶两种结构
推进式、螺杆式和螺带 式的桨叶为螺旋面叶
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
流型与搅拌的关系
流型与搅拌效果、搅拌功 率的关系十分密切。搅拌 器的改进和新型搅拌器的 开发往往从流型着手。
流型决定因素
搅拌器形式、搅拌容器、 内构件几何特征，以及流 体性质、搅拌器转速等 因素。
搅拌机顶插式中心安装 立式圆筒的三种基本流型 流型
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径向流 轴向流 切向流
8.2 机械搅拌反应器
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
(a)封口锥 图8-9 夹套肩与筒体的连接结构
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(b)封口环
8.2 机械搅拌反应器
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t2 t
1
t1
dd11
d1
封口锥
封口环
图8-10 夹套底与封头连接结构
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
介质流通特点
载热介质流经夹套与筒体的环形面积，流道面积大、 流速低、传热性能差。
(b)推进式搅拌器 导流筒套在桨 叶外面，或略 高于桨叶
图8-21 导流筒
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过程设备设计
8.2 机械搅拌反应器
结构
过程设备设计
通常导流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽， 当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流筒。
导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分， 导流筒直径约为容器直径的70%。
当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大 时，导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小 于搅拌器的直径。
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8.2 机械搅拌反应器
一、夹套结构
过程设备设计
夹套
在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装设各种形 状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。 此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容 器内的物料。
结构型式
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整体夹套 型钢夹套 半圆管夹套 蜂窝夹套等
8.2 机械搅拌反应器
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表8—6 各种碳钢夹套的适用温度和压力范围
（b）弓形管 图8-12 半圆管夹套二种结构
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8.2 机械搅拌反应器
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b L3
L3 L2
L
t1
(a)螺旋形缠绕
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图8-13 半圆管夹套的安装
8.2 机械搅拌反应器
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D t1
(b)平行排管 图8-13 半圆管夹套的安装
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8.2 机械搅拌反应器
4．蜂窝夹套
过程设备设计
特点
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过程设备设计
11—夹套 12—载热介质出口 13—挡板 14—螺旋导流板 15—轴向流搅拌器 16—径向流搅拌器 17—气体分布器 18—下封头 19—出料口 20—载热介质进口 21—气体进口
图8-7 通气式搅拌反应器
典型结构
8.2 机械搅拌反应器
8.2.2 搅拌容器
8.2.2.1 搅拌容器
过程设备设计
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压能力，减少流道面积； 减薄筒体壁厚，强化传热效果。
结构
折边式 拉撑式
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
D1
t1
夹套向内折边与筒 体贴合好, 再进行 焊接的结构
D2
t2
A
b
A向
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图8-14 折边式蜂窝夹套
8.2 机械搅拌反应器
提高传热效率的措施：
① 在筒体上焊接螺旋导流板，减小流道截面积， 增加冷却水流速，见图8－7；
② 进口处安装扰流喷嘴，使冷却水呈湍流状态， 提高传热系数；
③ 夹套的不同高度处安装切向进口，提高冷却 水流速，增加传热系数。
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8.2 机械搅拌反应器
2．型钢夹套 构成——角钢与筒体焊接组成，见图8—11。
过程设备设计（下） 30学时
第五章 储存设备(7学时) 第六章 换热设备(8学时) 第七章 塔设备(8学时) 第八章 反应设备(6学时) 各章的三维动画(1学时)
第八章 反应设备
第一节 第二节 第三节
概述 机械搅拌反应设备 微反应器
2
8.2 机械搅拌反应器
8.2.1 基本结构 8.2.2 搅拌容器 8.2.3 搅拌器 8.2.4 搅拌轴设计 8.2.5 密封装置 8.2.6 传动装置 8.2.7 机械搅拌设备技术进展
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
应用
化学反应、生物反应、混合、分散、溶解、 结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。
结构
组成——搅拌容器和搅拌机两大部分。
由筒体、换热元件 及内构件组成
由搅拌器、搅拌轴及其密封 装置、传动装置等组成
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8.2 机械搅拌反应器
1—电动机 2—减速机 3—机架 4—人孔 5—密封装置 6—进料口 7—上封头 8—筒体 9—联轴器 10—搅拌轴
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
流动特性
搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。 搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用。
剪切作用与液—液搅拌体系中液滴的细化、 固—液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气—液 搅拌体系中气泡的细微化有关。
当输入液体的能量主要用于对流体的剪切 作用时，则称为剪切型叶轮，如径向涡轮式、 锯齿圆盘式等。
传热面积较小，适用于换热 量要求不大的场合
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
t
DD
t
DD
tj
Dj Dj
tj
Dj Dj
(a) 圆筒型
(b) U型
图8-8 整体夹套
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8.2 机械搅拌反应器
连接方式
可拆卸式 不可拆卸式
过程设备设计
用于夹套内载热介质易结 垢、需经常清洗的场合。
夹套肩与筒体的联接处， 做成锥形的称为封口锥， 做成环形的称为封口环， 见图8—9。
6. 支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承 式支座。
7. 装料系数（对容积而言），通常取0.6～0.85。有 泡沫或呈沸腾状态取0.6～0.7；平稳时取0.8～0.85。
容积
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直立式搅拌容器 筒体和下封头两部分容积之和
卧式搅拌容器
筒体和左右两封头容积之和
8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
表8—5 几种搅拌设备筒体的高径比
种类
罐内物料类型
高径比
一般搅拌罐
聚合釜 发酵罐类
液-固相、液－液相 气－液相
悬浮液、乳化液 发酵液
1～1.3 1～2 2.08～3.85 1.7～2.5
搅拌容器的强度计算和 稳定性分析方法见本书第4章
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8.2 机械搅拌反应器
8.2.2.2 换热元件
换热元件
夹套 内盘管
过程设备设计
优先采用夹套，减少 容器内构件，便于清 洗，不占有效容积。
按搅拌 用途分类
低粘流体 用搅拌器
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(a)径向流
流体流动方向垂直于 搅拌轴，沿径向流动， 碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向 下流动，再回到叶端， 不穿过叶片，形成上、 下二个循环流动。
图8-18 搅拌器与流型
(a) 径向流
8.2 机械搅拌反应器
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过程设备设计
(b)轴向流
流体流动方向平行于 搅拌轴，流体由桨叶 推动，使流体向下流 动，遇到容器底面再 向上翻，形成上下循 环流。
结构
1. 圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆 形封头应用最广）。
2. 各种接管，满足进料、出料、排气等要求。
3. 加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。
4. 上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架 的连接。
8
8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
5. 传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其他参 数。
3
过程设备设计
8.2 机械搅拌反应器
8.2 机械搅拌反应设备
教学重点： （1）搅拌器 （2）搅拌轴设计
教学难点： （1）搅拌轴设计 （2）机械密封
过程设备设计
本章 重点
4
8.2 机械搅拌反应器
8.2.1 基本结构
过程设备设计
机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器)
适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条 件（温度、压力）的反应过程，应用于合成塑料、 合成纤维、合成橡胶、医药、农药、化肥、染料、 涂料、食品、冶金、废水处理等行业。
缺点：焊缝多，焊接工作量大， 筒体较薄时易造成焊接 变形。见图8—12。
结构
螺旋形缠绕在筒体外侧 沿筒体轴向平行焊在筒体外侧
图8-13
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沿筒体圆周方向平行焊接在筒体外侧
8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
(a) 半圆管
（a）半圆管 图8-12 半圆管夹套二种结构
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
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过程设备设计
8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
后果
随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进 入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。
一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 宽度为容器直径的1/12～1/10。
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8.2 机械搅拌反应器
全挡板条件
过程设备设计
当再增加挡板数量和挡板宽度，而功率消耗不再增加 时，称为全挡板条件。 全挡板条件与挡板数量和宽度有关。
过程设备设计
结构
沿筒体外壁轴向布置 沿筒体外壁螺旋布置
型钢的刚度大， 弯曲成螺旋形 时加工难度大
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8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
(a)螺旋形角钢互搭式 图8-11 型钢夹套结构
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(b)角钢螺旋形缠绕
8.2 机械搅拌反应器
3．半圆管夹套
过程设备设计
特性—— 半圆管或弓形管由带材压制而成，加工方便。 当载热介质流量小时宜采用弓形管。
夹套型式 整体夹套 U型
圆筒型 型钢夹套 蜂窝夹套 短管支撑式 折边锥体式 半圆管夹套
最高温度/℃ 最高压力/MPa
350
0.6
300
1.6
200
2.5
200
2.5
250
4.0
350
6.4
13
8.2 机械搅拌反应器
1. 整体夹套
U型 圆筒型
过程设备设计
圆筒和下封头都包有夹套，传 热面积大，最常用结构
(b) 底插式
(c) 侧插式
(d) 斜插式
图8-19 搅拌器在容器内的安装方式
(e) 卧式
8.2 机械搅拌反应器
挡板与导流筒 (1) 挡板 目的——消除打漩和提高混合效果。
打漩——
物料粘度小，搅拌转速高， 液体随桨叶旋转，在离心 力作用下涌向内壁面并上 升，中心部分液面下
e
b
过程设备设计
dmin
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图8-15 短管支撑式蜂窝夹套
用冲压的小锥体 或钢管做拉撑体。 蜂窝孔在筒体上 呈正方形或三角 形布置
8.2 机械搅拌反应器
过程设备设计
二、内盘管
常采用 内盘管
当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时
结构特点： 浸没在物料中，热量损失小，传热效果好；检修较困难。