《过程设备设计基础》反应设备41

第六章反应釜设计第一节概述机械搅拌反应釜(搅拌反应釜)：适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程，应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、医药、农药、化肥、染料、涂料、食品、冶金、废水处理等行业。在化工生产过程中，为化学反应提供反应空间和反应条件的装置，称为反应设备或反应釜。一、搅拌的目的A）独立的单元操作（以促进混合为主要目的）：液-液混合、固-液悬浮、气-液分散、液-液分散和液-液乳化等;B）其他单元操作的必要手段（以促进传热、传质、化学反应为主要目的）：流体的加热与冷却、萃取、吸收、溶解、结晶、聚合等操作。二、搅拌反应釜的基本结构主要由反应釜、搅拌装置、传动装置和轴封等组成。反应釜：釜体、传热装置。它是提供反应空间和反应条件的部件。如夹套、蛇管、工艺接管等。搅拌装置：搅拌器、搅拌轴。靠搅拌轴传递动力，由搅拌器达到搅拌目的。传动装置：为搅拌器提供搅拌动力。轴封：为反应釜和搅拌轴之间的密封装置，以封住釜内的流体不致泄漏。三、搅拌反应釜机械设计的依据四、搅拌反应釜机械设计的内容工艺设计所确定的对搅拌反应釜的要求。1）确定反应釜的结构形式与尺寸；2）选择材料；3）计算强度或稳定性；4）选用主要零部件；5）绘制图样，提出技术要求。第二节釜体与传热装置搅拌反应釜釜体主要部分是一圆柱形容器,其结构形式与传热方式有关。常用的传热形式有两种:夹套式壁外传热结构、釜体内部蛇管传热结构和夹套和蛇管联合使用。一、釜体几何尺寸的确定表1反应釜的H/Di高径比种类罐内物料类型高径比一般搅拌罐液-固相、液－液相1～1.3气－液相1～2发酵罐类发酵液1.7～2.5釜体的几何尺寸必须满足化工工艺要求，对于带搅拌器的反应釜,其容积V为主要决定参数。在确定反应釜直径及高度时,还应根据反应釜操作时所允许的装料程度一装料系数η等予以综合考虑,装料系数η：通常取0.6～0.851）物料在反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态：0.6～0.7;2）反应状态平稳：0.8～0.85。3）釜体的容积V与操作容积V0的关系:V0=ηV容积直立式搅拌容器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根据釜体容积V和物料性质，选定H/Di，估算筒体内径Di已知：则：圆整为标准直径，筒体高度H为：计算值是否符合表1要求iiiDHDHDV324434iiDHVD24iDVVHh二、传热元件传热元件夹套蛇管优先采用夹套，减少容器内构件，便于清洗，不占有效容积。1）夹套的结构和尺寸在容器外侧，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。结构型式：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等。各种碳钢夹套的适用温度和压力范围夹套型式最高温度/℃最高压力/MPa整体夹套U型圆筒型3503000.61.6型钢夹套2002.5蜂窝夹套短管支撑式折边锥体式2002502.54.0半圆管夹套3506.4ttjDDDjDjttjDDDjDj圆筒和下封头都包有夹套，传热面积大，最常用结构a.整体夹套圆筒型U型传热面积较小，适用于换热量要求不大的场合分段式全包式(a)圆筒型(b)U型连接方式可拆卸式不可拆卸式要求定期检查筒体外表面或更换夹套时；当筒体与夹套采用不同材料制造，两者又不能采用焊接连接时。夹套肩与筒体的联接处，做成锥形的称为封口锥，做成环形的称为封口环，加工简单，密封可靠。夹套上介质进出口的规定：1）蒸汽作为载热体时：蒸汽一般从上端进入夹套，冷凝液从夹套底部排出。2）液体作为冷却液时：采取下端进，上端出，以使夹套中经常充满液体，充分利用传热面,加强传热效果。强化传热措施：当采用液体作为载热体时,为了加强传热效果,在釜体外壁焊接螺旋导流板。导流板以扁钢绕制而成，与简体可采用双面交错焊，导流板与夹套筒体内壁间隙越小越好。注：夹套内径Di一般按公称尺寸系列选取,以利于按标准选择夹套封头,具体可根据筒体直径Di按下表中推荐数值选用。夹套内径Dj与筒体内径Di的关系Di500～600700～18002000～3000DjDi+50Di+100Di+200夹套筒体高度Hj主要由传热面积确定,一般应不低于料液高度,以保证充分传热。根据装料系数η和操作容积ηV,夹套筒体的高度Hj可由下式估算:24ihjDVVH确定夹套简体高度考虑因素:1）当反应釜简体与上封头采用法兰连接时,夹套顶边应在法兰下150m～200mm处(视法兰螺栓长度及拆卸方便而定);2）当反应釜具有悬挂支座时,应考虑避免因夹套顶部位置而影响支座的焊接。b．型钢夹套构成—角钢与筒体焊接组成。结构为沿筒体外壁轴向布置和沿筒体外壁螺旋布置（型钢的刚度大，弯曲成螺旋形加工难度大）c．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。焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时易造成焊接变形。bL3L2Lt1L3(a)螺旋形缠绕半圆管夹套的安装Dt1(b)平行排管结构螺旋形缠绕在筒体外侧沿筒体轴向平行焊在筒体外侧沿筒体圆周方向平行焊接在筒体外侧d．蜂窝夹套特点以整体夹套为基础，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；减薄筒体壁厚，强化传热效果。2)蛇管的布置当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时可采用;釜体内衬里隔热不能采用夹套时可采用。它浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，检修较困难。图a螺旋形蛇管dDdD图b竖式蛇管对称布置的几组竖式蛇管：传热和挡板作用（一）蛇管的长度与排列蒸汽压力（MP）0.0450.1250.20.30.5管长与管径最大比值100150200225275表1蛇管长度与直径比值（二）蛇管的固定蛇管的固定型式(a)单螺栓固定型式;(b)单螺栓加固型式;(c)双螺栓固定型式;(b)(d)自由支承型式;(e)紧密排列固定型式;(f)防振加固型式蛇管的进出口结构(a)与封头固定;(b)用法兰连接;(c)与短圆筒节焊接;(d)带衬里结构;(e)螺纹连接（三）蛇管的进出口结构比较简单，用在允许有少量飞溅和冲击的场合。套管式接管，用于易腐蚀、易堵塞的场合，内管便于清洗和更换，需要时还可用不同于外管的材料制造。很长，浸在液层中，可减少飞溅和冲击液面引起的泡沫，还有液封作用，管子上部的小孔是为了避免虹吸现象。进料管结构(a)固定式;(b)可拆式;(c)内伸式三、工艺接管（一）进料管（二）出料管管卡材料Q235-A上出料管下出料管1.搅拌器分类按流体流动形态径向流搅拌器按结构分类平叶折叶螺旋面叶桨式、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混合流搅拌器轴向流搅拌器一、搅拌器的形式和选用第三节反应釜的搅拌装置按搅拌用途分类低粘流体用搅拌器高粘流体用搅拌器推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、三叶后弯式等。锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带）、螺旋—螺带式轴流式混流式径流式搅拌器桨式、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％。2.搅拌器的形式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。2)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。平直叶—剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶—叶片朝着流动方向弯曲，降低功率消耗，适用含有易碎固体颗粒的流体搅拌。涡轮式搅拌器:(a)开式直叶涡轮(b)开式弯叶涡轮式(c)开式折叶涡轮式(d)圆盘直叶涡轮式(e)圆盘弯叶涡轮式(f)闭式弯叶涡轮式3）锚式、框式搅拌器结构简单。适用于粘度在100Pa·s以下的流体搅拌；当流体粘度在100Pa·s以上时，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。铺式和框式搅拌器(a)适合于椭圆形或碟形下封头的锚式搅拌器;(b)适合于椭圆形或碟形下封头的框式搅拌器;(c)适用于锥形封头的搅拌器4）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。5）其他搅拌器螺杆式搅拌器螺带式搅拌器3.搅拌器的选用搅拌器选型一般考虑搅拌目的、物料粘度和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。搅拌目的挡板条件推荐形式流动状态互溶液体的混合及在其中进行化学反应无挡板三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮湍流(低粘流体)有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式层流(高粘流体)固—液相分散及在其中溶解和进行化学反应有或无挡板桨式、六叶折叶开启式涡轮湍流(低粘流体)有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒螺带式、螺杆式、锚式层流(高粘流体)液—液相分散（互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应有挡板三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮式、推进式湍流(低粘流体)搅拌目的与推荐的搅拌器形式液—液相分散（不互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮湍流(低粘流体)有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有或无导流筒螺带式、螺杆式、锚式层流(高粘流体)气—液相分散及在其中强化传质和进行化学反应有挡板圆盘涡轮、闭式涡轮湍流(低粘流体)有反射物三叶折叶涡轮有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式有导流筒螺杆式层流(高粘流体)无导流筒锚式、螺带式搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）二、按搅拌器型式和适用条件选型搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型：径向流、轴向流和切向流。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。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。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。流动状态搅拌目的搅拌器型式对流循环湍流扩散剪切流低粘度混合高粘度液混合传热反应分散溶解固体悬浮气体吸收结晶传热液相反应搅拌容器容积/m3转速范围/(r/min)最高粘度/(Pa.s)涡轮式◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆11001030050桨式◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆12001030050推进式◆◆◆◆◆◆◆◆◆11000105002折叶开启涡轮式◆◆◆◆◆◆◆◆110001030050布鲁马金式◆◆◆◆◆◆◆◆11001030050锚式◆◆◆11001100100螺杆式◆◆◆1500.550100螺带式◆◆◆1500.550100注：有◆者为可用，空白者不详或不合用搅拌器在容器内的安装方式(a)垂直偏心式(b)底插式(c)侧插式(d)斜插式(e)卧式三、搅拌附件为了改善物料的流动状态,在搅拌反应釜内增设的零件称为搅拌附件,通常指挡板和导流筒。(一)挡板—消除打漩和提高混合效果。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。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。竖向挡板的安装位置：要根据实际情况而定，安装竖挡板时，一般可使挡板的上端与静液面相齐，其下端略低于下封头与筒的焊缝线即可。在高黏度物料中使用桨式搅拌器时，可安装横挡板以增加掺合作用，挡板宽度可与搅拌叶同宽。(二)导流筒1)上下开口圆筒，导流筒直径约为容器直径的70%。安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。2)导流筒的作用：提高混合效率。一方面提高对筒内液体搅拌程度,加强搅拌器对液体的直接机械剪切作用;一方面,由于限制了流体的循环路径,确定充分循环的流型，使反应釜内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区,减小走