8.2机械搅拌反应器

有挡板 液—液相分散 有反射物 （不互溶的液体） 及在其中强化传 有导流筒 质和进行化学反 应 有或无导流筒 有挡板 有反射物 气—液相分散及 在其中强化传质 和进行化学反应 有导流筒 有导流筒 无导流筒
7
tj
t
D Dj
D Dj
t
D
D Dj
tj
Dj
(a) 圆筒型
图8—8 整体夹套
(b) U型
8
D
D
Dj
Dj
(a)封口锥 (b)封口环
图8—9
夹套肩与筒体的连接结构
9
t
1
2
d d1
1
t1 d1
封口环
t
t
2
t
t
3
封口锥
图8—10
夹套底与封头连接结构
10
1
(a)螺旋形角钢互搭式
(b)角钢螺旋形缠绕
11
小于50Pa· s，平直叶、 最高转速 折叶和后弯 后弯叶为 可达 叶小于 径向流型。 600r/min 10Pa· s 在有挡板 圆盘上下 时以桨叶 液体的混 为界形成 合不如开 上下两个 式涡轮 循环流。 折叶的还 小于50Pa· s，有轴向分 流，近于 折叶和 轴流型 后弯叶
盘式 d:l:b=20:5:4 涡轮 d/D=0.2～0.5 (以0.33居多) Bn=4,6,8 θ =45°,60° ß=45°
26
⒍流动特性:
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 搅拌器→对流体产生 粒子的破碎以及气—液搅拌体 系中气泡的细微化有关。 循环作用:与混合时间、传热、固体的悬 浮等相关。
剪切型叶轮: 输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用, 如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。 循环型叶轮: 输入流体的能量主要用于对流体的循环作用, 如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等
湍流 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、 (低粘流体) 推进式
桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚 式 桨式、六叶折叶开启式涡轮 层流 (高粘流体)
固—液相分散及在 其中溶解和进行化 有导流筒 学反应 有或无导流筒 螺带式、螺杆式、锚式 液—液相分散（互 溶的液体）及在其 有挡板 中强化传质和进行 化学反应
种类
一般搅拌罐 聚合釜 发酵罐类
罐内物料类型
液-固相、液－液相
高径比
1～1.3
气－液相
悬浮液、乳化液 发酵液
1～2
2.08～3.85 1.7～2.5
5
整体夹套:图8-8 夹套 型钢夹套:图8-11 ⒉ 换热元件 半圆管夹套:图8-12 蜂窝夹套:图8-14,8-15 内盘管:图8-16,8-17
d
图8－17 竖式蛇管
19
三、搅拌器
㈠搅拌器的功能和流动特征
⒈功能—提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。 ⒉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。 ⒊影响搅拌器功能的因素—a.浆叶的形状、尺寸、数量、转速 b.搅拌介质的物性 c.搅拌器的工作环境 d.搅拌器在槽内的安装位置和方式
15
D1 D2
t1
夹套向内折边与筒
体贴合好, 再进行
焊接的结构
b
t2
A A向
图8—14
折边式蜂窝夹套
16
D1
D2 e
t1
dmin 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 图8—15 短管支撑式蜂窝夹套
17
b
D
图8—16 螺旋形盘管
d
18
D
对称布置的几组 竖式蛇管： 传热 挡板作用
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
2
二、搅拌容器 ⒈ 搅拌容器 作用: 为物料反应提供合适的空间 . 结构: 筒体—圆筒 封头—椭封应用最广 搅拌容器 接管—进出料/排气/控制点接管/传感器 换热元件—夹管/内盘管 小型:悬挂式 支座—考虑容器大小和安装位置 大型 : 裙式 / 支承式
20
⒋流型—流体循环流动的途径。 搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型： ⑴径向流: 图8-18(a) 流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动 ⑵轴向流: 图8-18(b) 流体流动方向平行于搅拌轴 ⑶切向流: 图8-18(c) 无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动。 这个区域内流体没有相对运动→混合效果差。 消除方法—加挡板→ 削弱切向流， 增强轴向流和径向流 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
8.2 机械搅拌反应器
一、基本结构
筒体 搅拌容器 换热元件 夹管 内盘管 内构件 搅拌反应器 搅拌器 搅拌轴 搅拌机 密封装置 传动装置
1
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；
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。
23
(b)轴向流 图8—18 搅拌器与流型 (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。
21
影响流型的因素: 搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何 特征、流体性质、搅拌器转速等。 ⒌搅拌器在容器内安装方式: 图8-19, 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。
22
(a)径向流 图8—18 搅拌器与流型 (a) 径向流
低粘流体搅拌器有： 推进式、长薄叶螺旋桨、 桨式、开启涡轮式、圆盘 涡轮式、布鲁马金式、板 框桨式、三叶后弯式、MIG 和改进MIG等。 高粘流体搅拌器有： 锚式、框式、锯齿圆盘式、 螺旋桨式、螺带式（单螺带、 双螺带）、螺旋—螺带式等。
29
搅拌器 轴流式 混流式 径流式
图8—22 搅拌器流型分类图谱
n=10～ 300r/min v=4～ 10m/s 小于 折叶式 10Pa·s v=2～6m/s
38
结构简单。 适用于粘度在100Pa·s 以下的流体搅拌，当流 体粘度在10～100Pa·s 时，可在锚式桨中间加 一横桨叶，即为框式搅 拌器，以增加容器中部 的混合。
图8—26
锚式搅拌器
39
表8－8
27
㈡搅拌器类型及典型搅拌器特性 ⒈搅拌器分类: 图8-22 按流体流动形态
轴向流搅拌器
径向流搅拌器
按结构分为
混合流搅拌器 桨式、涡轮式、框式和 锚式的桨叶都有平叶和 平 叶 折叶二种结构 折 叶 推进式、螺杆式和螺带 螺旋面叶 式的桨叶为螺旋面叶
28
按搅拌 用途分为
低粘流体 用搅拌器 高粘流体 用搅拌器
费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。
41
⒈按搅拌目的选型:
仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表8－9。
42
表 8－9
搅拌目的
搅拌目的与推荐的搅拌器形式
推荐形式
三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、 桨式、圆盘涡轮
挡板条件
无挡板
流动状态
互溶液体的混合及 在其中进行化学反 有导流筒 应 有或无导流筒 有或无挡板
3
装料系数: 一般取0.6 ~ 0.85 如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态→取0.6 ~ 0.7 如物料在反应过程中比较平稳→取0.8 ~ 0.85
容积 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
搅拌设备筒体的高径比: 表8-3→确定筒体直径、高度
4
表8—3 几种搅拌设备筒体的高径比
30
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％。
31
⒉典型搅拌器特性及尺寸: ⑴桨式搅拌器: 图8-23 ⑵推进式搅拌器 : 图8-24 ⑶涡轮式搅拌器 : 图8-25 ⑷锚式搅拌器: 图8-26
32
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。
涡轮式搅拌器
37
表8－7
型式 常用尺寸
涡轮式搅拌器常用参数
常用运转 条件 n=10～ 300r/min v=4～ 10m/s 折叶式 v=2～6m/s 常用介质粘 流动状态 度范围 备注
d/D=0.2～0.5 (以0.33居多) b/d=0.2 Bn=,3,4,6,8 开式 (以6居多) 涡轮 折叶式 θ =30°,45°,60° 后弯式 ß=30°,50°,60° ß后弯角
锚式搅拌器常用参数
常用尺寸
常用运转条 常用介质 件 粘度范围
流动状态
备注
d/D=
b/D=0.1
n=
100r/min
小于
不同高度
环向流
为了增大搅
拌范围，可 根据需要在
0.9～0.98 1～
100Pa·s 上的水平
h/D=
0.48-1.0
v=1～5m/s
桨叶上增加
立叶和横梁
40
㈢搅拌器的选型 搅拌目的 搅拌器选型依据 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
图8—23桨式搅拌器
33
表8－5 桨式搅拌器常用参数
常用尺寸 常用运转 条件 常用介质 粘度范围 流动状态 备注 当d/D=0.9以上， 并设置多层桨叶
d/D=0.35～0.8 折叶式有 b/d=0.1～0.25 轴向、径
小于2Pa· s 低转速时水平环 向流为主；转速
Bn=2
向和环向
分流作用
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高时为径向流；
优先采用夹套，减少 容器内构件，便于清 洗，不占有效容积。
6
表8—4
各种碳钢夹套的适用温度和压力范围 最高温度/℃ 350 300 最高压力/MPa 0.6 1.6
夹套型式 整体夹套 U型 圆筒型
型钢夹套 蜂窝夹套
半圆管夹套
200 短管支撑式
折边锥体式
2.5 2.5
4.0 6.4
200
250 350
湍流 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、(低粘流体) 推进式 层流 (高粘流体)
三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、 湍流 桨式、圆盘涡轮式、推进式 (低粘流体)
43
表8－9
搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）
圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮 三叶折叶涡轮 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、 推进式 螺带式、螺杆式、锚式 圆盘涡轮、闭式涡轮 三叶折叶涡轮 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、 推进式 螺杆式 锚式、螺带式 湍流 (低粘流体) 湍流 (低粘流体) 层流 (高粘流体)
图8—11 型钢夹套结构
b1
半圆管横截面重心
(a) 半圆管
t1
e2
b2
图8－12 半圆管夹套结构
D
12
弓形管横截面重心
(b)弓形管
b2
图8—12
半圆管夹套结构
t1 b1
13
L3
t1 L b
图8—13 半圆管夹套的安装
L3
L2
(a)螺旋形缠绕
14
D
t1
(b)平行排管 图8—13 半圆管夹套的安装
常用于低粘流体中。
标准推进式搅拌器有三瓣叶 片，其螺距与桨直径d相等。 它直径较小，d/D=1/4～1/3， 叶端速度一般为 7～10 m/s， 最高达15 m/s。
图8—24推进式搅拌器
35
表8－6推进式搅拌器常用参数 常用尺寸 常用运 常用介质 转条件 粘度范围 小于 2Pa· s ～ in 15m/s 流动状态 轴流型，循 环速率高， 剪切力小。 采用挡板或 导流筒则轴 向循环更强 备注 最高转速可 达1750r/min: 最高叶端线 速度可达 25m/s。转速 在500r/min
24
(c)切向流 图8—18 搅拌器与流型 (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。
25
(a) 垂直 偏心式
(b) 底插式 图8—19
(c) 侧插式
(d) 斜插式
(e) 卧式
搅拌器在容器内的安装方式
有挡板时为上下 循环流
时，可用于高粘
度液体的低速搅 拌。在层流区操 作，适用的介质 粘度可达100Pa· s, v=1.0～3.0m/s
折叶式 θ =45°，60°
折叶式有轴向、 径向和环向分流 作用
注：n－转速； v－叶端线速度； Bn－叶片数； d－搅拌器直径；D－容器内径：θ －折叶角。
34
推进式搅拌器（又称船用推进器）
d/D=0.2～ n=100 0.5(以 p/d=1,2 以3居多) 0.33居多) 500r/m Bn=2,3,4( v=3～
p－螺距
以下，适用
介质粘度可 达50Pa.s
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涡轮式搅拌器（又称透 平式叶轮），是应用较
广的一种搅拌器，能有
效地完成几乎所有的搅 拌操作，并能处理粘度
范围很广的流体。
图8—25