立式搅拌反应釜设计

立式搅拌反应釜工艺设计1. 推荐的设计程序1.1 工艺设计1、做出流程简图；2、计算反应器体积；3、确定反应器直径和高度；4、选择搅拌器型式和规格；5、按生产任务计算换热量；6、选定载热体并计算K 值；7、计算传热面积；8、计算传热装置的工艺尺寸； 9、计算搅拌轴功率；1.2 绘制反应釜工艺尺寸图 1.3 编写设计说明书2. 釜式反应器的工艺设计 2.1 反应釜体积的计算2.1.1 间歇釜式反应器V a =V R /φ （2-1） V D =F v (t+t 0) （2-2）式中 V a —反应器的体积，m 3； V R —反应器的有效体积，m 3。

V D —每天需要处理物料的体积，m 3。

F v —平均每小时需处理的物料体积，m 3/h ； t 0 —非反应时间，h ； t —反应时间，h ；⎰=Ax RA AA V r dx n t 0（2-3） 等温等容情况下⎰=Ax AAA r dx C t 00 （2-4）对于零级反应A A x kC t 0=（2-5） 对一级反应Ax k t -=11ln 1 （2-6） 对二级反应 2A →P ；A+B →P （C A0=C B0）()A A A x kC x t -=100（2-7）对二级反应 A+B →P()ABA B x x C C k t ---=11ln 100 （2-8）φ—装料系数，一般为0.4～0.85，具体数值可按下列情况确定： 不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜 0.8～0.85； 带搅拌的反应釜 0.7～0.8； 易起泡沫和在沸腾下操作的设备 0.4～0.6。

2.2反应器直径和高度的计算在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比(H/D)，以确定罐体直径和高度。

长径比的确定通常采用经验值，即2-1表2-1 罐体长径比经验表在确定了长径比和装料系数之后，先忽略罐底容积，此时⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈≈i i i D H D H D V 3244ππ（2-9） 选择合适的高径比，将上式计算结果圆整成标准直径。

椭圆封头选择标准件，其内径与筒体内径相同。

可参照《化工设备机械基础课程设计指导书》的附录查找。

通过式（2-10）得出罐体高度。

π42⋅-=i D V V H 封 （2-10） 其中 V 封——封头容积，m 32.3 搅拌器的选择搅拌器的作用是使釜内物料混合均匀。

搅拌器的类型很多，分为：推进式、桨式、涡轮式、锚式、框式、螺杆式、螺带式等，搅拌器选型时，主要考虑：（1）保证从反应器壁或浸入式热交换装置到反应混合物能有高的给热系数。

（2）具有显著的搅拌效果，特别是对多相反应。

（3）搅拌所消耗的能量应尽可能小。

搅拌器尺寸与转速的大小与搅拌目的及被搅拌物料的物性有关。

例如，均相液相的混合与固体的溶解对转速的要求较低。

而非均相液体的乳化或气相的分散则要求较高的转速。

对黏度小的液体，搅拌器的作用范围较大，可用较小直径的搅拌叶。

液体的黏度很高时，则搅拌器的有效作用范围变小，需要较大的搅拌器。

对于要不断清除釜壁上析出的固体物料时，则需要采用直径接近釜体内径的锚式搅拌器。

搅拌器结构的确定按标准构型搅拌装置考虑。

表2-2 搅拌器型式选择2.4 搅拌器转速的确定搅拌速的确定根据经验确定，表2-3列举了常用类型搅拌器的尺寸范围与转速范围。

若物料粘度不是太高，通常转速在80～120转/分。

表2-3 几种常用类型就搅拌器的尺寸范围与转速范围搅拌器转速、直径与叶段切线之间有如下关系D n u π= （2-11）u —叶端切线速度，m/s n —转速，r/s D —直径，m叶端切线速度反映了搅拌作用的剧烈程度，根据搅拌目的、物料性质等确定叶端切线速度，u 的值大致范围如下：（1） 浆式，u=1.0-3.0（m/s ）； （2） 推进式，u=4.0-15.0（m/s ）； （3） 涡轮式，u=2.5-6.5（m/s ）。

一直设备内径T 以及D/T 值以后，可计算需要的转速()min /60r Du n π⨯=（2-12）2.5 搅拌功率的计算2.5.1 对均相液—液系统关联式y x p Fr K N Re = （2-13）其中 ;53DN PN p ρ= ;Re 2μρN D = g D N Fr 2= 或者 y xy p g D N D N P K Fr N ⎪⎪⎭⎫⎝⎛===Φ253Re ρ （2-14）（1）对于不打旋的系统53Re D N PK N xp ρ===Φ其中 N p —功率准数； Re —叶轮雷诺数； Fr —弗鲁德准数； P —功率消耗，W ； g —重力加速度，m/s 2；N —叶轮转速，转/s ；参考经验值 D —叶轮直径，m ； ρ—液体密度，kg/m 3； μ—液体粘度，Pa ﹒S ；K —系统几何构型的总形状系数。

Φ—功率函数Φ或N p 可由功率曲线图上查出。

或用下述公式计算：Re<10 321D N K P μ=（2-15） Re>104 532DN K P ρ=（2-16）（2）对无挡板而Re>300的搅拌系统，不能忽略重力影响时，须用式2-11，其中βαRelg -=y （2-17） K 1、K 2值及α、β值可由表2-4和表2-5上查得。

表2-4 搅拌器的K 1和K 2值表2-5 Re>300时搅拌器的α和β值当搅拌器的形式在文献上查不到功率曲线；可根据搅拌器的形状因子对构型相近的搅拌器的功率曲线加以校正，估算出该装置的功率值。

（1） 叶轮直径与器径比对径向流叶轮（平桨、涡轮），湍流态下：2.1-⎪⎭⎫⎝⎛∝T D N p （2-18）对轴向流叶轮，湍流态下：9.0-⎪⎭⎫ ⎝⎛∝T D N p （2-19）其中 T ——容器直径。

（2） 叶片宽度W 、叶片数目n bI . 叶片宽度W 对平桨和涡轮：4.0~3.0⎪⎭⎫⎝⎛∝D W N p （2-20）对六叶片盘式涡轮：W/D=0.2～0.5时67.0⎪⎭⎫ ⎝⎛∝D W N p （2-21）II . 涡轮n b 的影响：湍流搅拌：495.0bp n N ∝ （2-22） 层流搅拌：327.0bp n N ∝ （2-23）以六叶片涡轮为基准：8.0~7.06⎪⎭⎫⎝⎛∝b p n N （2-24）其中：n b —叶片数目随叶片数目的减少，平叶片涡轮的排液量降低，而弯叶片涡轮排液量降低不多，但功率消耗降低。

在层流时弯叶片涡轮与平直叶片涡轮的功率消耗相同，但在湍流时弯叶片的功率消耗低于平直叶片。

（3）叶层深度H6.0⎪⎭⎫⎝⎛∝T H N p （2-25）对高粘度液体上式的指数近似于0，功率消耗与液深无关。

（4）对低、中粘度液体，叶轮安装高度H j 对功率无影响；对高粘度液体，叶轮近液面（H j =0.9T ）时功率消耗低，反之高。

（5）各种涡轮其叶轮间距距离S 对功率输入的影响见《精细化工过程及设备》（濮存恬，化学工业出版社，2005）。

2.5.2非均相液-液体系对于非均相的液-液体系，由于两相的存在，其物性与均相体系是不相同的。

在计算其搅拌功率时，须先求出两相的平均密度和平均黏度，再用均相液体体系搅拌功率的计算方法和计算公式来求取液-液非均相体系的搅拌功率。

平均密度的计算：()c d ρϕφρρ-+=1 （2-26）d ρ：分散相的密度 c ρ：连续相的密度φ：分散相的体积分率平均黏度的计算（1）两相液体黏度较低时)1(φφμμμ-=c d （2-27）d μ：分散相黏度 c μ：分散相黏度（2）两相液体黏度较高时⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++=c d c d c μμμμφμμ4.05.21 （2-28） （3）对于常见的水和有机溶剂体系，当水的体积分率在40%以上时⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=o w o o w w μμμφφμμ61 （2-29）当水的体积分率在40%以下时⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=o w w w o o μμμφφμμ5.11 （2-30） w μ：水相的黏度 o μ：有机溶剂的黏度 w φ：水相的体积分率 o φ：有机溶剂的体积分率2.5.3固-液非均相体系的搅拌功率对于固相含量不大，能形成均一的悬浮状态的固-液体系，在计算器搅拌功率时，可以应用平均黏度和平均密度，按照均相液体的计算方法和计算公式求得。

（1）平均密度的计算()c d ρϕφρρ-+=1 （2-31）其中固相为分散相 （2）平均黏度的计算 当φ'≤1时，()φμμ'+=5.21 （2-32）当1>'φ时，()φμμ'+=5.41 （2-33）μ：液体相的黏度φ'：固体相与液体相的溶积比2.5.4 气-液非均相体系的搅拌功率气液体系的搅拌功率比单纯液体的搅拌功率低，其降低的程度与桨叶附近的气泡分散状态有关，用无因此的通气系数Na 表示浆叶附近的气泡分散程度。

3nd Q N aa =（2-34） Q a ：通气速率m 3/s在实际求取气液体系的搅拌功率sg P 时，须按照通气时的操作条件计算单纯液体的搅拌功率s P ，再根据a N 由图或者公式（2-35）求取sg P 。

（左识之，精细化工反应器及车间工艺设计，P123）()()⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛396.12115.0238.4192log nd Q g d n nd D d P P g D ds sg μρ （2-35）2.5.5 锚式和框式搅拌器功率的计算锚式和框式搅拌器功率的计算可以采用永田进治式。

()()2.135.066.0366.03sin Re 2.310Re 2.110Re θD B pp D h s s B s A N +⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++'+'= （2-36）⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+='1856.0670142D d D B A （2-37）()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡---='D d D B B 14.15.043.1210（2-38）()()()4275.05.241.1D B D d D Bp ---+= （2-39）B ：叶片宽度θ：浆叶平面与叶轮旋转平面之间的夹角。

当高黏度下操作，Res 很小，永田进治公式右边第二项可以忽略，可以使用式sA N p Re '=（2-40） 当9.0≤D d 时，仍用式（2-37）计算A ' 当9.0>Dd时，可用式（2-41）计算()21282⎥⎦⎤⎢⎣⎡-='d D DA （2-41）2.6 电动机功率的确定在求算电动机功率时，可用下式表示：()ηmi i s P q m P P ++=∑1电机 （2-42）P s —稳定条件下，搅拌器在不带附属装置的容器内运转的功率，W ； m i —同一种附件的个数； q i —每一种附件的功率增加率。