带夹套球形釜式搅拌反应器

带夹套球形釜式搅拌反应器成都市新都凯兴科技有限公司高级工程师周凤举 2004年9月一、概论搅拌反应釜是化工生产的重要设备，它决定了化工产品的品质、品种和生产能力。

传统的带夹套搅拌反应釜无论是立式或卧式釜(图1)，其釜体形状均为圆筒形壳体，两端加装平釜盖或圆弧形封头，其存在的缺点是：传质、传热不均匀，甚至有反应死角，影响化工产品品质和生产效率；在压力工况使用时，釜体受压后应力分布不均匀。

本发明专利为带夹套球形搅拌反应釜，是将传统的带夹套搅拌反应釜的釜体和夹套制作成球形体，使釜内介质在搅拌的状况下反应时，由于球形内壳体的约束，使壳体内的流体介质都能在全容积中获得更加均匀的流动场，更易实现无死角且完全均匀的传质，同时轴转速和轴功率可以相对降低；另外，由于球形壳体在空间360°受力分布最好、最均匀，从而使釜体接受内外压力可以实现最大化，提高了反应釜的承压能力。

通常在同样材质、同等压力和温度的条件下，球形壳体比相同直径的圆筒形壳体壁厚可以约减少一半。

反之，在同样的材质、同等压力和温度的条件下，球形壳体比相同厚度的圆筒形壳体承受的压力要高出一倍，各种应力分布更均匀，使用更为安全。

同时，由于球形体空间分布的万向对称性，该反应釜可实现立、卧、斜三种使用方式。

二、具体实施方式：参见图1，釜体3是一个球形壳体夹套结构，其上有介质入口10、介质出口5。

位于釜体内的搅拌器4上的搅拌轴11的一端与传动机构−−减速器2输出轴连接，减速器2与电动机1连接。

搅拌器在电动机的带动下旋转，在保持一定转速的情况下，使釜内流动的介质形成轴向流动9、径向流动8、周向流动6，并合成最终的流动形式7，最后从介质出口5流出。

三、推论以下推论的目的是针对球形釜与圆筒形釜在相关条件下各种性能的比较，推论过程中所涉及的公式如下：根据GB150钢制压力容器设计标准，球形釜与圆筒形釜在设计温度下的最大允许工作压力及釜壁的计算厚度为：公式一：[]球w P =[]()e i te D 4δσδ+Φ公式二：[]筒w P =[]()e i te D 2δσδ+Φ公式三：球δ=[]C tic P 4D P -Φσ 公式四：筒δ=[]Ctic P 2D P -Φσ 其中：P w ：最大许用压力； δ（δe ）：釜壁的计算厚度；D i ：内直径；[σ]t ：设计温度下，材料的许用应力； Φ：焊接接头系数； P c ：计算压力。

根据“钢制压力容器用封头”标准，球形釜与圆筒形釜的容积与换热面积为：公式五：V 球=6D 3球⋅π公式六：V 筒=L 4D 2⋅π+2V 封头公式七：F w 球=2D 球⋅π公式八：F W 筒=π·D i 筒·L+2F 封头 其中：V ：容积； F w ：换热面积； D i ：内直径；L ：圆筒形釜直线段的长度； V 封头：圆筒形釜的封头容积； F 封头：圆筒形釜封头的换热面积。

根据“搅拌设备设计”手册第三章“搅拌设备的传热”第二节“液体搅拌中的传热”，釜壁的传热速率为：公式九：3Q =()w2w1w 22t -t F δλ 其中：Q 3：釜壁面一侧(1-1)至壁面另一侧(2-2)的传热速率；λ2：釜壁金属材料的导热系数；δ2：釜壁的有效厚度；F w ：釜壁换热面积；(t w1-t w2)：釜壁两侧的温度差。

1、推论1：设定球形釜与圆筒形釜在相同的设计温度、同样的材质及有效厚度、相同内直径及焊接接头系数的条件下，即有效厚度δe 、材质的许用应力[σ]t 、内直径D i 及焊接接头系数Φ相等。

根据：公式一：[]球w P =[]()e i te D 4δσδ+Φ公式二：[]筒w P =[]()e i te D 2δσδ+Φ得出：[]球w P =2[]筒w P 。

结论1：当球形釜与圆筒形釜在相同的设计温度、同样的材质及有效厚度、相同内直径及焊接接头系数的条件下使用，球形釜的承压能力是圆筒形釜的两倍。

2、推论2：设定在安全设计的前提下，球形釜与圆筒形釜在相同的换热面积、使用相同的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度的条件下，即材质的导热系数λ2、釜壁换热面积F w 及釜壁两侧的温度差(t w1-t w2)相等。

根据公式九：3Q =()w2w1w 22t -t F δλ 得出：釜壁的传热速率Q 3与釜壁的有效厚度成反比。

结论2：在安全设计的前提下，当球形釜与圆筒形釜在相同的换热面积、使用相同的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度的条件下使用，所需的釜壁越厚，热阻越大，其传热速率越低。

3、推论3：设定球形釜与圆筒形釜在相同容积的条件下，即V 球=V 筒。

举例1：选用公称直径DN 为1m 的标准椭圆封头，焊接在直径为D i 筒=1m ，长度为L=1m 的圆筒体的圆筒形釜壳(图2)及与该圆筒形釜容积相等的球形釜。

图3按照JB/4746-2002“钢制压力用封头”标准中查表1得到：该圆筒形釜封头的标准深度0.275m ，其内表面积F 封头=1.1625 m 2，容积V 封头=0.1505 m 3。

根据：公式六：V 筒=L 4D 2⋅π+2V 封头=1412⨯⨯π+2×0.1505=1.086m 3公式八：F W 筒=π·D i 筒·L+2F 封头=π×1×1+2×1.1625=5.465 m 2 由于：V 球=V 筒=1.086 m 3，根据： 公式五：V 球=6D 3球⋅π，得到球形釜的内直径为：D i 球=3V 6⋅π=3086.16⨯π=1.275m ，再根据：公式七：F w 球=2D 球⋅π=π×1.2752=5.107m 2得到：筒球w w F F =465.5107.5=0.934，即：F w 球=0.934 F W 筒。

结论3：当球形釜与圆筒形釜在相同容积的条件下使用，球形釜的换热面积略小于圆筒形釜的换热面积。

4、推论4：设定球形釜与圆筒形釜在推论3的基础上，（即：当圆筒形釜的内直径D i 筒=1m=1000mm ，且釜的容积V 球=V 筒时，球形釜的内直径D i 球=1.275m=1275mm 、球形釜的换热面积F w 球=5.107m 2、圆筒形釜的换热面积F W 筒=5.465 m 2），且使用同样的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下，即：材质的许用应力[σ]t 、材质的导热系数λ2、釜壁两侧的温度差(t w1-t w2)、釜的计算压力P c 、焊接接头系数Φ相等。

实例2，设定：(1)、计算压力P c =3MPa ；(2)、设计温度为100℃；材质为16MnR ；材质的许用应力[σ]t =170MPa ； (3)、全焊接对接接头；100%无损检测；焊接接头系数Φ=1。

根据： 公式三：球2δ=[]Cti c P 4D P -Φσ球=31170412753-⨯⨯⨯=5.65mm公式四：筒2δ=[]Cti c P 2D P -Φσ筒=31170210003-⨯⨯⨯=8.90mm得到：筒球22δδ=90.865.5=0.64 即:球2δ=0.64筒2δ 再根据： 公式九：3Q =()w2w1w 22t -t F δλ，且设定()w2w12t -t λ为相同值i ，代入公式，即： 球形釜的传热速率球3Q =⋅球球2w F δi=⨯65.5107.5i=0.904i 圆筒形釜的传热速率筒3Q =⋅筒筒2w F δi=⨯90.8465.5i=0.614i 得到：筒球33Q Q =i614.0i904.0=1.472≈1.5，即：球3Q ≈1.5筒3Q结论4：当球形釜与圆筒形釜在相同容积、使用同样的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下使用，球形釜壁传热速率约为圆筒形釜壁传热速率的1.5倍。

5、推论5：设定球形釜与圆筒形釜使用相同容积、同样的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下，即：容积V 球=V 筒、材质的许用应力[σ]t 、材质的导热系数λ2、釜壁两侧的温度差(t w1-t w2)、釜的计算压力P c 、焊接接头系数Φ相等。

举例3：设定：(1)、计算压力P c =3MPa ；(2)、设计温度为100℃；材质为16MnR ；材质的许用应力[σ]t =170MPa ； (3)、全焊接对接接头；100%无损检测；焊接接头系数Φ=1。

(4)、()w2w12t -t λ=i(5)、按照JB/T4746-2002“钢制压力容器用封头”标准，选用公称直径为800mm 的标准椭圆封头、焊接在内径D 筒2=800mm ，长度L 筒2=1845mm 的圆筒体上，形成第二个圆筒形釜壳(图4)，查表1得到：封头的深度为225mm ，其内表面积F 封头2=0.7566m 2、容积V 封头2=0.0796m 3。

根据： 公式六：V 筒=L 4D 2⋅π+2V 封头=1.086m 3公式八：F W 筒=π·D i 筒·L+2F 封头=6.15m 2 公式四：筒2δ=[]Cti c P 2D P -Φσ筒=7.1217mm公式九：3Q =()i i i 864.01217.715.6F t -t F 2w w2w1w 22===δδλ 根据推论4， 得知球形釜的速率为0.904i 在V 球=V 筒 的前提下，圆筒形釜直段的长径比为：筒筒D L =8001845=2.3时，Q≈Q3筒（0.904i≈0.864i）3球结论5：当球形釜与圆筒形釜使用相同容积、同样的材质、相同的介质及冷媒、同等压力及温度、相同焊接接头系数的条件下使用，当圆筒形釜的釜体形状由长径比为1拉长至长径比约为2.3的细长圆筒型釜时，球形釜与圆筒形釜的传热速率基本相同，但细长的圆筒形釜在搅拌传质时更为困难。

在以上条件下使用，球形釜的传质条件优于圆筒形釜。

综上所述：相对于各种类型的圆筒形釜，球形釜在承压能力、传质与传热、耗材(釜壁厚度可减少)等方面都具有独特的优越性。

四、应用范围球形釜式搅拌反应器的产品开发切入点是应用于新一代含氟共聚物新材料的聚合反应设备，其特点是要求反应釜具有高传质、传热能力，且反应条件为温度较高(160℃)、压力较大(6.3MPa)的条件下反应。

本发明专利产品可推广应用于石油化工、高分子材料、医药化工、生物化工、日用化工及其它精细化工等行业，特别适用于要高温高压并求低剪切、高分散的高、精、尖的化工产品，具有独特的实用意义。

五、查新结果及专利情况球形釜式搅拌反应器经四川省科学技术信息研究所对全世界范围内相关资料进行查新，其《科技查新报告》(报告编号：A0400348)的结论是：“国内外未见有壳体和夹套为球体形状的搅拌反应釜的文献报道”。