第七章--搅拌反应釜

图7-1 通气式搅拌反应器
典型结构
釜体内筒通常为一圆柱形壳体，它提供 反应所需空间；
传热装置的作用是满足反应所需温度条 件；
搅拌装置包括搅拌器、搅拌轴等，是实 现搅拌的工作部件；
传动装置包括电机、减速器、联轴器及 机架等附件，它提供搅拌的动力；
轴封装置是保证工作时形成密封条件， 组织介质向外泄漏的部件。
夹套上设有蒸汽、冷却水或其他加热、冷却介质的进出 口。
当加热介质是蒸汽时，进口管应靠近夹套上端，冷凝液 从底部排出；当加热(冷却)介质是液体时，则进口管应设 在底部，使液体下进上出，有利于排出气体和充满液体。
三、蛇管
如果所需传热面积较大，而夹套传热不能满足要求 或不宜采用夹套传热时，可采用蛇管传热。
浆叶旋转运动，产生能量，作用于液 体，形成流动状态。关键在浆叶，也 与其它因素有关，如介质特性，搅拌 器的工作环境等。
一、搅拌器类型
常见型式
选型
搅拌目的 搅拌器选型 物料粘度
搅拌容器容积的大小
选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、 操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。
流型
流型与搅拌的关系
(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17-13 搅拌器与流型 (b) 轴向流
(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。
时，必须装设压料管，使物料从上部排出。压料 管及固定方式如图7-11所示。上部出料常采用压 缩空气或其他惰性气体，将物料从釜内经压料管 压送到下一工序设备。为使物料排除干净，应使 压出管下端位置尽可能低些，且底部作成与釜底 相似形状。
第三节 反应釜搅拌装置
提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动 状态，以达到搅拌过程的目的。
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17-14。
不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。
(a) 垂直 偏心式
(b) 底插式
(c) 侧插式
(d) 斜插式
(e) 卧式
图17-14 搅拌器在容器内的安装方式
桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在 搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占 搅拌器总数的75～80％。
第二节 筒体和传热装置
▪ 筒体 ▪ 釜体的内筒一般为钢制圆筒；
▪ 容器的封头大多选用标准椭圆形封头；
▪ 多种接管，如物料进出口管、监测装置接管等(为满足工 艺要求)。
▪ 传热装置
常用的传热装 置有两种形式
夹套结构的壁外传热(应用最多见图7－2(a) )
和釜内装设换热管传热见图7－2(b)
当反应釜采用衬 里结构或夹套传 热不能满足温度 要求
蛇管在筒体内需要固定，固定形式有多种。当 蛇管中心直径较小，圈数较少时，蛇管可利用进 出口管固定在釜盖或釜底上；若中心直径较大、 圈数较多、重量较大时，则应设立固定支架支撑。
蛇管的进出口最好设在同一端，一般设在上封 头处，以使结构简单、装拆方便。
四、顶盖
反应釜的顶盖(上封头)为满足装拆需要 常做成可拆式的。即通过法兰将顶盖与筒 体相连接。带有夹套的反应釜，其接管口 大多开设在顶盖上。此外，反应釜传动装 置也大多直接支承在顶盖上。故顶盖必须 有足够的强度和刚度。
一、内筒的直径和高度及壁厚确定 1、实际容积V的确定
▪ 为了满足介质反应所需空间，工艺计算已 确定了反应釜所需的容积Vo，在实际操作 时，反应介质可能产生泡沫或呈现沸腾状 态，故简体的实际容积V应大于所需容积Vo， 这种差异用装料系数η来考虑，即
V0 V
7-1
通常装料系数，可取0．6～0．85。在选 用值时，应根据介质特性和反应时的状态 以及生成物的特点，合理选取，以尽量提 高筒体容积的利用率。
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；
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
优点：蛇管置于釜内，沉浸在介质中，热量能充分 利用，传热效果比夹套结构好。
缺点：但蛇管检修困难，还可能因冷凝液积聚而降 低传热效果。
蛇管和夹套可同时采用，以增加传热效果。蛇管一 般由公称直径为25~70mm的无缝钢管绕制而成。常用 结构形状有圆形螺旋状、平面环形、U形立式、弹簧同 心圆组并联形式等。
1. 桨式搅拌器
结构最简单
叶片用扁钢制成，焊
接或用螺栓固定在轮 毂上，叶片数是2、3 或4 片，叶片形式可 分为平直叶式和折叶 式两种。
图9-3 桨式搅拌器
主要应用
液—液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固— 液系中多用于防止固体沉降。
主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式 比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使 用较多。
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
取决于搅拌器的形式、搅拌 容器和内构件几何特征，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
径向流 轴向流 切向流
图17-12 搅拌器与流型 (a) 径向流
（1）当介质反应易产生泡沫或沸腾状态时， 应取较小值，一般为0．6～0．7；
（2）当介质反应状态平稳时，可取为0．8～ 0．85；
（3）若介质粘度大，则可取最大值。
2、内筒的直径和高度的确定
▪ 釜体的实际容积由圆筒部分的容积和底封 头的容积构成，如图7-3所示。若将底封头 容积忽略不计，则筒体容积为
顶盖的结构形式有平盖、碟形盖、锥形 盖，而使用最多的还是椭圆形盖。
五、筒体上的接管
反应釜筒体的接管主要有：
物料进出所需要的进料管和排出管； 用于安装检修的人孔或手孔； 观察物料搅拌和反应状态的视镜接管； 测量反应温度用的温度计接口； 保证安全而设立的安全装置接管等。
1．进料管
进料管一般设在顶部。进料管的下端一般成的切口，以防物料沿壁面 流动。 图(a)为一般常用结构。 图(b)为套管式结构，便于装拆更换和清洗，适用于易腐蚀、易磨损、易 堵塞的介质。 图(c)管子较长，沉浸于料液中，可减少进料时产生的飞溅和对液面的冲 击，并可起液封作用。为避免虹吸，在管子上部开有小孔。
图17-14 搅拌器与流型 (c) 切向流
(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。
上述三种流型通常同时存在
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
1、工艺设计的主要内容有：
▪ 反应釜所需容积； ▪ 传热面积及构成形式； ▪ 搅拌器形式和功率、转速； ▪ 管口方位布置等。
工艺设计所确定的工艺要求和基本参数是机械设计的基本依据。
2、机械设计的内容一般包括：
▪ ①确定反应釜的结构形式和尺寸； ▪ ②进行筒体、夹套、封头、搅拌轴等构件的强度
计算； ▪ ③根据工艺要求选用搅拌装置； ▪ ④根据工艺条件选用轴封装置；
表9—3 几种搅拌罐的长径比
种类
一般搅拌罐 聚合釜
发酵罐类
设备内物料类型
液-固相、液－液相 气－液相
悬浮液、乳化液 发酵液
长径比
1～1.3 1～2 2.08～3.85 1.7～2.5
因此，选择筒体高径比时，要综合考虑多种因素的影 响。在确定高径比时，可根据物料情况，从表7-1中 选取。
▪ 将(7-1)式代人(7-2)式并整理，可得
二、夹套
夹套是搅拌反应釜最常用的传热结构， 由圆柱形壳体和底封头组成。夹套与内筒 的连接有可拆连接与不可拆(焊接)连接两种 方式。可拆连接结构用于操作条件较差， 或要求进行定期检查内筒外表面和需经常 清洗夹套的场合。可拆连接是将内筒和夹 套通过法兰来连接的。（P201 图7-4）
不可拆连接主要用于碳钢制反应釜。通过焊接将夹套连 接在内筒上。不可拆连接密封可靠、制造加工简单。
3、筒体与夹套的厚度的确定
▪ 筒体与夹套的厚度要根据强度条件或稳定性要求 来确定。
（1）夹套承受内压时，按内压容器设计。 （2）筒体既受内压又受外压，应根据开车、操作和
停工时可能出现的最危险状态来设计。 （3）当釜内为真空外带夹套时，筒体按外压设计，
设计压力为真空容器设计压力加上夹套内设计压 力； （4）当釜内为常压操作时，筒体按外压设计，设计 压力为夹套内的设计压力； （5）当釜内为正压操作时，则筒体应同时按内压和 外压设计，其厚度取两者中之较大者。
▪ ⑤根据工艺条件选用传动装置。
3、分类：由于化工产品种类繁多，物料的相态各异，
反应条件差别很大，工业上使用的反应器形式也多种多样。 按设备的结构特征可分为搅拌釜式、管式、固定床和流化 床反应器等。
三、搅拌反应釜的总体结构
▪ 搅拌反应釜主要由筒体、传热装置、传动装置、轴封装置 和各种接管组成。
▪ 图7-1所示，为夹套式搅拌反应釜。
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2．出料管 出料管分为上出料管和下出料管两种形
式。下部出料适用于粘性大或含有固体颗 粒的介质。常见的下部出料接管形式如图 7—10所示。图中(a)用于不带夹套的筒体， 图(b)和图(c)适用于带夹套的简体。其中图 (c)结构较复杂，多用在内筒与夹套温差较 大的场合。
当物料需要输送到较高位置或需要密闭输送
反应釜的作用