搅拌设备

搅拌器的径向、轴向和混合流型的图谱 如下：

按搅拌器结构可分为

平叶 折叶

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。
12 搅拌设备
---过程工业的核心设备
12.1 概述

化学工业中，很多化工生产都或多或少地 应用着搅拌操作。化学工艺过程的种种化 学变化是以参加反应物质的充分混合为前 提的，对于加热、冷却和液体萃取，以及 气体吸收等物理变化过程，也往往要采用 搅拌操作才能得到好的效果。本章以搅拌 釜式反应器的设计为例介绍搅拌设备。
（4）搅拌釜式反应器组成和应用

搅拌釜式反应器典 型结构如图12-1所示， 由搅拌容器和搅拌 机两大部分组成。 搅拌容器包括筒体、 换热元件及内构件。 搅拌机包括搅拌装 置及其密封装置和 传动装置。
1 2 3
13 12 11
4
10
5 6 7 9 8
1-电机；2-减速机；3-机座；4-加料管；5-内筒； 6-夹套；7-出料管；8-搅拌轴；9-搅拌桨； 10-支座；11-人孔；12-轴封装置；13-联轴器 图12-1 搅拌反应器



2、换热元件 有传热要求的搅拌反应器，为维持反应的 最佳温度，需要设置换热元件 所需要的传热面积应根据搅拌反应釜升温、 保温或冷却过程的传热量和传热速率来计 算。 常用的换热元件有夹套和蛇管。当夹套的 换热面积能满足传热要求时，应优先采用 夹套， 当传热量很大，仅用夹套传热面积不足时， 就需要在筒体内部增设蛇管。

流型
搅拌器的流型与搅拌效果、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。搅 拌容器内的流型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。对于搅 拌机顶插式中心安装的立式圆筒，有 三种基本流型。
(1)
径向流
流体的流动方 向垂直于搅拌轴， 沿径向流动，碰 到容器壁面分成 两股流体分别向 上、向下流动， 再回到叶端，不 穿过叶片，形成 上、下两个循环 流动。
①
g
②
估算筒体内径。为简化计算，先 忽略封头容积，认为： H （ 12-2 ） V D H D 4 4 D 则
2 i 3 i i

4V 4 Vg Di H 3 H 3 D D i i


型钢夹套 型钢夹套一般用角钢与筒体焊接组成

半圆管夹套 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。半圆管夹套的缺点是焊缝多，焊接 工作量大，筒体较薄时易造成焊接变形。

蜂窝夹套 蜂窝夹套是以整体夹套为基础，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，从 而减薄筒体厚度，强化传热效果。常用 的蜂窝夹套有折边式和拉撑式两种型式。 夹套向内折边与筒体贴合好再进行焊接 的结构称为折边式蜂窝夹套。拉撑式蜂 窝夹套是用冲压的小锥体或钢管做拉撑 体。


① 气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体 产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升，促 进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡 的作用对液体所进行的搅拌是比较软弱的，对于 高粘度液体是难以适用的。因此在工业生产中， 大多数的搅拌操作均系机械搅拌。 ② 机械搅拌是一种广泛应用的操作单元，它的原 理涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多种 过程。搅拌过程就是在流动场中进行单一的动量 传递或是包括动量、热量、质量传递及化学反应 的过程。

（2）蛇管换热

当反应器的热量仅靠外夹套传热换热面积 不够时常采用蛇管
蛇管浸没在物料中，热量损失小，传热效 果好，但检修较困难。 蛇管可分为螺旋形蛇管和竖式蛇管，对称 布置的几组竖式蛇管除传热外，还起到挡 板作用，但是会增大所需要的搅拌器运行 功率，且蛇管的材质必须耐介质的腐蚀。 蛇管如果承受蒸汽压力时应当用无缝钢管。
(2)
轴向流
流体的流动方 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 再翻上，形成 上下循环流 。
(3)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，这种 流型称为切向流。 此时流体从桨叶周 围周向卷吸至桨叶 区的流量很小，混 合效果很差。


（1）确定长径比时应该考虑如下因素：
① 长径比对搅拌功率的影响 ② 长径比对传热的影响 ③ 反应过程对长径比的要求

表12-1 几种搅拌设备筒体的长径比 种类 罐内物料 长径 类型 比 种类 罐内物 料类型 长径比
一般 液-固相、 1~1.3 聚合釜 悬浮液、 2.08~3.85 乳化液 搅拌 液-液相 1~2 发酵罐 发酵液 1.7~2.5 气-液相 罐

釜体设计

1、反应釜的釜体尺寸
反应釜的釜体是由封头和筒体组成，下封头与筒 体一般为焊接，上封头与筒体也常用焊接，但在 筒体Di＜1500mm的场合多做成法兰联接。 筒体的直径和高度是釜体设计的基本尺寸。工艺 条件通常给出设备容积或操作容积，有时也给出 筒体内径，或者筒体高度和筒体内径之比(称为 长径比)。工艺设计给定的容积，对直立式搅拌 容器通常是指筒体和下封头两部分容积之和；对 卧式搅拌容器则指筒体和左右两封头容积之和。
流动特性
当搅拌器输入流体的能量主要用于 流体的循环流动时，称为循环型叶 轮，如框式、螺带式、锚式、桨式、 推进式等。 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。

搅拌器分类、图谱及
典型搅
拌器特性

按流体流动形态，搅拌器可分为
轴向流搅拌器 径向流搅拌器 混合流搅拌器。
（12-3）



③ 确定公称直径DN。在公称直径系列中选 定一最接近Di 的公称直径DN。 ④ 确定筒体高度H。根据公称直径DN，查 封头容积υ，计算筒体高。 （12-4）
Vg H

V v
4
DN

2

Fra Baidu bibliotek

v
4
DN 2
⑤ 验算H／DN(大致符合即可)，确 定公称直径DN和高度H。

（2）确定釜体内直径和高度 釜体内直径Di和高度H与釜容积的
大小有关，容积的大小又和搅拌反 应器的生产能力有关。首先应该根 据年产量、釜的操作方式(间歇操 作成连续操作)确定每一釜反应物 料的容积Vg，然后可按下列步骤 确定釜体内直径Di和高度H：
确定装料系数η，计算釜的实际容积 V。若操作时盛装物料的容积为Vg（即 公称容积VN），则釜的容积为： V V= （ 12-1 ） η 装料系数η值通常可取0.6～0.85。如果 物料在反应过程中产生泡沫或呈沸腾 状态，取0.6～0.7，如果物料在反应中 比较平稳，可取0.8～0.85（物料黏度较 大可取大值）。
12.3 搅拌容器的结构设计





根据工艺需要，容器上装有各种接管，以满足进料、出料和 排气等要求； 为对物料加热或取走反应热，常设置外夹套或内盘管； 为了减速机和轴封相连接，上封头焊有凸缘法兰； 操作过程中为了对反应进行控制，必须测量反应物的温度、 压力、成分及其它参数，容器上还设置有温度、压力等传感 器。 为了便于检修内件及加料和排料，需要装焊人孔、手孔和各 种接管； 有时为了改变物料的流型、增加搅拌强度、强化传质和传热， 还要在罐体的内部焊装挡板和导流筒。 支座选用时应考虑容器的大小和安装位置，小型的反应器一 般用悬挂式支座，大型的用裙式支座或支承式支座。 釜的内筒和夹套都是承压容器，筒体和封头的强度计算应当 考虑可能出现的最危险工况。
（1）搅拌操作的目的：




① 使两种或两种以上的液体混合均匀； ② 使固体粒子（如催化剂）在液相中均匀 的悬浮； ③ 使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳 化； ④ 使气体在液相中很好地分散； ⑤ 促进化学反应和加速物理变化过程，如 促进溶解、吸收、吸附、萃取、传热等过 程的速率。
（2）搅拌操作分类
上述三种流型通常同时存
在，其中轴向梳与径向流 对混合起主要作用，而切 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，不同方式安装的搅拌机产生的流 型也各不相同。
挡板与导流筒

（1）挡板

为消除打漩现象，通常可在容器中加入 挡板。一般在容器内壁面均匀安装4块挡 板，其宽度为容器直径的1/12~1/10。当 再增加挡板数和挡板宽度，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。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。
（3）搅拌釜式反应器工作原理

对于不同的气体混合在一起，由于气体分 子扩散速率很快，不需要施加任何外力就 能形成有不同分子均匀分布的混合物。但 液体分子的扩散速率却很小，单靠分子扩 散而达到两种或多种液体的均匀混合是很 难的，一般情况下通过叶轮的旋转把机械 能传给液体物料，造成强制对流扩散，以 达到均匀混合的目的。

（2）导流筒 导流筒是上下开口圆筒，安装于容器内，在搅 拌混合中起导流作用。对于涡轮式或桨式搅拌 器，导流筒刚好置于桨叶的上方。对于推进式 搅拌器，导流筒套在桨叶外面，或略高于桨叶， 通常导流筒的上端都低于静液面，且筒身上开 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，即导流筒的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。
12.2 搅拌釜式反应器 机械设计的步骤和内容


搅拌釜式反应器的机械设计是在工艺设计完成后 进行的。工艺上给出的条件一般包括：釜体容积、 最大工作压力、工作温度、介质腐蚀性、传热面 积、搅拌形式、转速和功率、工艺接管尺寸、方 位等。这些条件通常以表格或示意图的形式反映 到机械设计任务书中。机械设计过程就是设计者 根据工艺提出的要求和条件，对搅拌釜式反应器 的容器、搅拌轴、传动装置和轴封结构进行合理 的选型、设计和计算。 搅拌釜式反应器的机械设计大体上按以下步骤进 行：


（1）总体结构设计：根据工艺要求考虑制造、安装和使 用维修方便等，确定各部分结构型式和尺寸，如封头、传 热面、传动类型、轴封和各种附件的结构型式和连接形式 等； （2）材料选择：根据压力、温度、介质等情况经济合理 选择材料； （3）强度和稳定性的计算：对釜体、封头、夹套、搅拌 轴等进行强度计算和必要的稳定性计算校核； （4）零部件设计和选用：包括电动机、减速机、联轴器、 轴封类型以及机架、支座等有关零部件的选用和设计； （5）图样绘制：包括总装图和零部件图，标准零件在装 配图上应注明标准号，必要时应注明生产厂家； （6）提出技术要求：提出制造、装配、检验和试车等方 面的要求； （7）编写计算说明书：包括设备设计重要问题的论证， 受压元件的主要零部件的设计计算，主要零部件设计选用 依据说明等。

（1）夹套换热
所谓夹套就是在容器的外侧，用
焊接或法兰连接的方式装设各种 形状的钢结构，使其与容器外壁 形成密闭的空间。在此空间内通 人加热或冷却介质，可加热或冷 却容器内的物料。夹套的主要结 构型式有：整体夹套、型钢夹套、 半圆管夹套和蜂窝夹套等

整体夹套
圆筒型:传热面积较小，适用于换热量要求不 大的场合。 U型:传热面积大，是最常用的结构。



搅拌系统
搅拌装置
搅拌装置由搅拌器、搅拌轴及其支
承组成。搅拌器的作用概括地说就 是加强介质的混合或分散，提供工 艺过程所需的能量和适宜的流动状 态，以加快反应速度，强化传热和 传质，达到搅拌过程的目的。
搅拌器

搅拌器与流动特征

搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器 的关键部件。其功能是提供过程所需要的能量 和适宜的流动状态。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。这种循环流动的途径称为流型。