第14章-搅拌设备设计分解

14.3 搅拌装置设计
容器设计
2. 推进式搅拌器 推进式搅拌器（又称船用推进器） 常用于低粘流体中。
结构
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14-13 推进式搅拌器
14.3 搅拌装置设计
容器设计
(a)螺旋形角钢互搭式
图14-5 型钢夹套结构
(b)角钢螺旋形缠绕
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
二、内盘管
常采用 内盘管
当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时
结构特点 浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，检修较困难。
螺旋形盘管
分类
图14-7 图14-8
竖式蛇管
14.2 搅拌容器的设计
14.3 搅拌装置设计
容器设计
流型
流型与搅拌的关系
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。 径向流 流型 轴向流
搅拌机顶插式中心安装
立式圆筒的三种基本流型
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14-1 搅拌反应器 典型结构
14.2 搅拌容器的设 计
容器设计
14.2.1 搅拌容器
14.2.1.1 搅拌容器
容器设计
(a) 垂直 偏心式
(b) 底插式
(c) 侧插式
(d) 斜插式
(e) 卧式
图14-10 搅拌器在容器内的安装方式
14.3 搅拌装置设计
容器设计
挡板与导流筒
目的——消除打漩和提高混合效果。 打漩—— 物料粘度小，搅拌转速高，
液体随桨叶旋转，在离心
力作用下涌向内壁面并上 升，中心部分液面下降，
容器设计
14.3.1.2 搅拌器分类及典型搅拌器特性 一、搅拌器分类 轴向流搅拌器 径向流搅拌器 混合流搅拌器
按流体流动形态
平叶
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
按结构分为
折叶 螺旋面叶
14.3 搅拌装置设计
容器设计
桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在
种类 一般搅拌罐 罐内物料类型 液-固相、液－液相 气－液相 高径比 1～1.3 1～2
聚合釜
发酵罐类
悬浮液、乳化液
发酵液 搅拌容器的强度计算和
2.08～3.85
1.7～2.5
稳定性分析方法见前面的内容
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
14.2.1.2 换热元件 优先采用夹套，减少 夹套 换热元件 内盘管 容器内构件，便于清 洗，不占有效容积。
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％。
14.3 搅拌装置设计
容器设计
二、几种常用搅拌器： 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14-12 桨式搅拌器
14.3 搅拌装置设计
为改善流动状况，
有时把桨叶制成凹形或箭形
14.3 搅拌装置设计
容器设计
应用
涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得
很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、
液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。
平直叶——剪切作用较大，属剪切型搅拌器。 弯叶 ——指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率 消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。
容器设计
3．涡轮式搅拌器
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。见图 14—14。
图14-14
涡轮式搅拌器
14.3 搅拌装置设计
容器设计
开式
开式有： 平直叶、斜叶、弯叶等。 叶片数为2叶和4叶
涡轮式搅拌器分为
盘式 盘式有： 圆盘平直叶、圆盘斜叶、 圆盘弯叶等。叶片数常 为6叶。
第14章 搅拌设备设计
容器设计
本章主要内容
● 14.1 概述 ● 14.2 搅拌容器的设计 7.2.1 板式塔的分类 7.2.2 板式塔的结构 ● 14.3 搅拌装置设计 7.3.1 填料 7.3.2 填料塔内件的结构设计 ● 14.4 传动装置 ● 14.5 轴封装置
14.1 概述
容器设计
应用
结构
1. 圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆 形封头应用最广）。
2. 各种接管，满足进料、出料、排气等要求。 3. 加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。
4. 上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架 的连接。
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
5. 传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参 数。
D Dj
D Dj
(a) 圆筒型
(b) U型 图14-2 整体夹套
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
(a)封口锥
图14-3 夹套肩与筒体的连接结构
(b)封口环
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
t
1
2
d d1
1
t1 d1
t
t
2
t
t
3
封口锥 图14-4 夹套底与封头连接结构
封口环
1
14.2 搅拌容器的设计
要求不太高的场合。
由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器 大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、 晶析操作。 常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。 当搅拌粘度大于100Pa· s 的流体时，应采用螺带 式或螺杆式。
桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min ， 最高粘度为20Pa· s 。其常用参数见表14-5。
缺点 不能用于以保持气体和以细微化为目的 的气—液分散操作中。
14.3 搅拌装置设计
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容器设计
表14-2 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 小于 低转速时水平 环向流为主； 转速高时为径 向流；有挡板 时为上下循环 流 当d/D=0.9以上， 并设置多层桨叶 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 流动状态 备注
最高转速可达 1750r/min:最 高叶端线速度
d/D=0.2～ n=100 0.5(以0.33 ～ 居多) p/d=1,2 Bn=2,3,4( 以3居多) p－螺距 500r/m in v=3～ 15m/s
可达25m/s。转
速在500r/min 以下，适用介
质粘度可达
50Pa.s
14.3 搅拌装置设计
容器设计
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。 也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替 价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。
14.3 搅拌装置设计
容器设计
备注
开 式 涡 轮
平直叶、 最高转速 后弯叶为 可达 600r/min 径向流型。 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。
盘 式 涡 轮
n=10～ 300r/min v=4～ 10m/s 折叶式
小于 50Pa· s， 折叶和 后弯叶 小于
折叶的还 有轴向分 流，近于 轴流型
切向流
14.3 搅拌装置设计
容器设计
(a)径向流 图14-9 搅拌器与流型 (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。
14.3 搅拌装置设计
容器设计
(b)轴向流
图14-9 搅拌器与流型 (b) 轴向流
容器设计
D
图14-7 螺旋形盘管
d
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
D
对称布置的几组 竖式蛇管： 传热 挡板作用
d
图14-8 竖式蛇管
14.3 搅拌装置设计
容器设计
14.3.1 搅拌器
14.3.1.1 搅拌器与流动特征 定义 搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键 部件。 功能 提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。 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。 流型 流体循环流动的途径。
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
一、夹套结构
夹套
在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装设各种形 状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。
此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容
器内的物料。 整体夹套
结构型式
型钢夹套 半圆管夹套 蜂窝夹套等
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
tj
t
D Dj
D Dj
t
tj
d/D=0.35～0.8 n=1～ Bn=2 折叶式 θ=45°，60° v=1.0～ 5.0m/s
b/d=0.1～0.25 100r/min 2Pa· s
注：n－转速； v－叶端线速度； Bn－叶片数； v=1.0～3.0m/s 流作用 d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。
折叶式有轴向、 粘度可达 s, 径向和环向分 100Pa·
容器设计
应用
粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好 的搅拌效果。 主要用于液－液系混合、使温度均匀，在低浓度固－液系
中防止淤泥沉降等
容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、
改进
搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。
常用参数见表14-3
14.3 搅拌装置设计
容器设计
表14-3 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 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
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。
14.3 搅拌装置设计
容器设计
(c)切向流 图14-9 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。
化学反应、生物反应、混合、分散、溶解、 结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。
结构
组成——搅拌容器和搅拌机两大部。
由筒体、换热元件 及内构件组成
由搅拌器、搅拌轴及其密封 装置、传动装置等组成
14.1 概述
容器设计
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；
6. 支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承
式支座。 7. 装料系数（对容积而言），通常取0.6～0.85。有
泡沫或呈沸腾状态取0.6～0.7；平稳时取0.8～0.85。
直立式搅拌容器 容积 卧式搅拌容器
筒体和下封头两部分容积之和
筒体和左右两封头容积之和
14.2 搅拌容器的设计
容器设计
表14—1 几种搅拌设备筒体的高径比
14.3 搅拌装置设计
容器设计
4．锚式搅拌器
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14-15 锚式搅拌器
14.3 搅拌装置设计
容器设计
应用
锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合
14.3 搅拌装置设计
容器设计
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
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14-10。
不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。
14.3 搅拌装置设计
14.3 搅拌装置设计
表14-4 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 粘度范围 小于 50Pa· s， 折叶和后 弯叶小于 10Pa· s 流动状态
容器设计
型 式
常用尺寸 d/D=0.2～0.5 (以0.33居多) b/d=0.2 Bn=,3,4,6,8 (以6居多) 折叶式 θ=30°,45°,60° 后弯式 ß =30°,50°,60° ß 后弯角 d:l:b=20:5:4 d/D=0.2～0.5 (以0.33居多) Bn=4,6,8 θ=45°,60°
形成漩涡，称为打漩区。
14.3 搅拌装置设计
容器设计
后果
随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进 入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。
一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 宽度为容器直径的1/12～1/10。
14.3 搅拌装置设计
容器设计
图14-11 挡板
14.3 搅拌装置设计