反应设备(Reactors)-南京工业大学教学在线

南京工业大学备课笔记1第八章反应设备（Reactors）反应设备可分为：化学反应器，生物反应器生物反应器：为细胞或酶提供适宜反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应应。典型的化工生产、生物过程：p363图8-1，8-28.1概述8.1.1反应器分类（1）化学反应器分类：chemicalreactorP364表8-1（2）生物反应器分类：Bioreactor表8-28.1.2常见反应器的特点：常见的结构形式：机械搅拌式、管式、固定式、流化床（1）机械搅拌反应器（MechancialAgitatedReactor）优点：灵活性大，可适应不同规格、不同产品、不同生产时间的需要，生料容易，清洗方便。（2）管式反应器（TubularReactor）反应在管内进行，反应从一端入，反应后从另一端排除。特点：结构简单，制造方便，反应流动快，停留时间短P365图8-3石脑油化解转化管式反应器）（3）固定床式反应器（FixedBedReactor）通过固定不动的催化剂床层进行催化反应。应用：氨合成塔，甲醇合成塔，SO3转化器特点：操作稳定，便于控制，易于大型化、连续化生产。形式：轴向绝热式：流体沿轴向通过催化剂床层。径向绝热式：流体沿径向通过催化剂床层。列管式：很多管子并联式构成，管内（外）装催化剂。图8-5：氨合成塔简图。缺点：床层温度分布不均匀，固项粒子不动，床层导热性稍差。（4）移动床反应器（MovingBedRactor）南京工业大学备课笔记2固体催化剂连续加入，反应物通过固体颗粒连续反应后连续排出。固体颗粒层整体移动而无相对移动。特点：固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，流动返混少。缺点：控制固体粒子运动的机械装置较复杂。（5）流化床反应器（FluidigedBedRreator）（沸腾床）（6）流体以较高流速通过床层带动床内固体颗粒运动，使之悬浮在流体的主体流中进行反应。P367图8-6组成：壳体、气体分布装置、换热装置、气-固分离装置、内构件、催化剂加入（卸出）装置。优点：传热面积大，传热系数高，传热效果好。进出料可用气流输送，易于实现自动化。缺点：物料泛混大，磨损严重，内构件较复杂，操作要求高。其他：回转筒式。喷嘴式，鼓泡塔式反应器等。8.2机械搅拌反应器（MechanicalAgitatedReator）8.2.1基本结构由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。图8-7适用：各种物料，各种操作条件的反应过程。还大量适用于混合，分散，溶解，结晶，萃取，吸收等。8.2.2搅拌容器（AgitatedVessel）（Kettle釜体）组成：筒体，换热元件（夹套，吸盘管），内构件（挡板，气体分布器，过滤网，进料口等）8.2.2.1搅拌容器组成：筒体，封头，上封头焊有凸缘法兰、搅拌机连接支座：悬挂式（小型），裙座，支承式（大型）装料系数：物料在容器内的充料比例，取0.6~0.85若反应器中产生泡沫或沸腾状，取0.6~0.7若反应比较平稳，取0.8~0.85容积：直立式------筒体和下封头之和。卧式：筒体和两个封头之和南京工业大学备课笔记3筒体高径比：P369表8-38.2.2.2换热元件Heatexchangecomponente选用：夹套（减少内构件，便于清洗）、内盘管（1）夹套结构：（jacket）结构形式：整体，型钢，半圆管，蜂窝等①整体夹套形式：圆筒型，u型与筒体连接：可拆卸式：用于介质易结垢，需经常清洗不可拆卸式：夹套底与容器封头连接提高热效率：a、筒体上焊接螺旋导流板，增加流速b、进口处安装扰流喷嘴，使流体呈湍流状态/c、夹套的不同高度处安装切向进口，提高流速。②型钢夹套（图8-11）角钢直接焊接在筒体上。③半圆筒夹套（图8-12）螺旋形缠绕或平行焊在筒体上。缺点：焊缝多，焊接工作量大。（2）内盘管结构当夹套换热面积不够时，采用内盘管。优点：换热损失少，传热效果好。缺点：检修等比较困难。形式：；螺旋形（图8-16），竖式蛇形（8-17）8.2.3搅拌器（AgitatorImpdller）8.2.3.1搅拌器与流动特征：characteristicsofFlor）搅拌器，又称搅拌浆或搅拌叶轮。功能：提供能量或适宜的流动状态。⑴流型：Flowpatterns影响因素：搅拌形式、搅拌器和内构件的几何特征、流体性质和搅拌器转速。三种基本流型（顶插式，中心安装）：径向流：图8-18a流体流动垂直于搅拌轴，沿径向到搅南京工业大学备课笔记4拌器壁，分上下流动，再回到叶端，形成两个循环流动轴向流：图8-18b流动方向平行于搅拌轴，到容器底步再返回向上。切向流：图8-18c若无挡板，则流体围绕轴做旋转运动。流速高时液体表面形成旋涡，混合效果差。轴向流与径向流对混合起主要作用，切向流应给以制止。⑵挡板与导流筒①设置原因：当物料黏度不大，转速较高时，液体随浆叶一起旋转，液体中间部分在离心力的作用下涌向壁面并上升，中央部分液面下降，形成旋涡，称“打漩”。图8-18c数量：一般均匀安装4块。全挡板化：当再增加挡板数和挡板宽度时，功率消耗不再增加，此时称全挡板条件。安装（图8-20）如有垂直换热管，可不装挡板。②导流筒（图8-21）上下开口圆筒，安装于容器内，混合中起导流作用。位置：涡轮式，浆式--------置于浆叶上方推进式-------------------套在浆叶外面或略高于浆叶安装及结构：上端低于静液面，筒身上开槽，直径为0.7容器直径。③流动特征：搅拌器对流体产生两种作用剪切作用：使液滴细化，固体粒子破碎，气泡细微化有关。循环作用：与混合时间，传热，固体的悬浮有关。两种叶轮：循环型叶轮：框式，螺带式，锚式，浆式，推进十。剪切型叶轮：径向涡轮式，锯齿圆盘式。8.2.3.2搅拌器分类，图谱及典型搅拌器特征按流动形态：轴向流，径向流，混合流按搅拌器结构：平叶，折叶，螺旋面叶（浆式，涡轮式，框式，锚式）（推进式，螺杆式，螺带式）按搅拌用途：低黏度，高黏流体用（推进式，涡轮式）（锚式，框式，螺杆式，螺带式）图谱P376，图8-22其中：浆式-推进式，南京工业大学备课笔记5涡轮式，锚式应用很光，约占75-80%⑴浆式搅拌器（Paddle）（P377，图8-23）⑵推进式搅拌器（marinepropeller）（P378图8-24）又称船用推进器，三半叶片，螺距与直径相等。搅拌特性：轴向流动，湍动程度不高，循环量大，装挡板。适用：黏度低，流量大，液---液混合，液—固防沉淀参数：直径d/D=1/4~1/3，叶轮速度7`10m/s。表8—6⑶涡轮式搅拌器（Turbineimpeller）开式：平直叶，斜叶，弯叶盘式：圆盘平直叶，圆盘斜叶，圆盘弯叶适用：低中的黏度混合，液—液分散，液—固悬浮参数：表8—7⑷锚式搅拌器（Aanchor）适用：混合要求不高，传热，晶析等操作，高浓度于浆参数：表8---88.2.3.3搅拌器的选用考虑：满足工艺要求，功耗，操作费用，制造，维修选型：搅拌目的，物料黏度，搅拌黏度大小⑴按搅拌目的，P380表8—9⑵按搅拌器形式和适用条件P381，表8---10高黏度流体混合：锚式，螺杆式，螺带式小容积流体混合：浆式低黏度流体混合：推进式涡轮式：流体黏度不超过50Pa.s的其他各种操作8.2.3.4生物反应器，物料特性及搅拌器物料特性：⑴在多相体系中进行。黏度变化，形态也变化⑵大多生物对剪切力敏感⑶大多微生物发酵需要氧气搅拌器：有较大流体循环特性，径向流和轴向流相结合的多层搅拌器南京工业大学备课笔记68.2.3.5搅拌功率计算（PVOWE）搅拌功率：搅拌器在一定转速搅拌时，对液体做功，并使之发生流动所需要的功率功率计算目的：设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度，刚度，选择电机和减速器等。影响功率的因素：⑴搅拌器的几何尺寸及转速，搅拌器直径d，浆叶宽度B，浆叶倾斜角。转速n，单个搅拌器的个数，搅拌器距搅拌底部的距离。⑵搅拌器的结构。容器内径D，液面高度h，挡板数，挡板宽度b，导流筒尺寸。⑶搅拌介质特性：液体密度p，黏度u⑷重力加速度g用下式表示：NP=P/n3d5=K（Re）r（Fr）gf（d/D，B/D，h/D）（8---1）NP：功率准熟；P：搅拌功率K：系数Fr：弗德系数Fr=n2d/gr，g指数一般情况：Fr影响较小，D、不、b等参数归因到K搅拌功率：NP=P/n3d5NP的确定：特定搅拌装置上，测得NP与Re的关系，得到功率曲线（8-27）NP随Re的变化：Re10层流区，曲线近似直线10eRe1000，过度流区，为一下凹曲线Re1000充分湍流后，一水平直线，与Re无关8.2.4搅拌轴设计（Shaft）考虑因素：扭转变形，临界转速，扭距和弯距联合作用下的强度，轴封出于允许的径向位移，腐蚀裕度⑴搅拌轴的力学模型：旋转轴，单跨轴P386图8-29，8-28南京工业大学备课笔记7⑵按扭转变形计算搅拌轴的轴径（Torsion）扭转变形过大，轴振动单位长度扭转角：r=583.6Mnmax/G.Vd5（（1-4）[r]（8-3）Mnmax：轴传递的最大扭距=9553PnPn：：电机功率n：搅拌轴转速：传动装置效率G：轴材料剪切弹性模量：空心轴内外径之比搅拌轴直径：D=4.92（Mnmax/[r].G（1-4）0.25（8—4）⑶按临界转速校核搅拌轴直径临界转速：搅拌轴达到轴的自振频率时会发生强烈震动，并出现很大弯曲时的转速。Ne刚性轴：搅拌轴的工作转速低于第一临界转速的轴要求n0.7nc柔性轴：搅拌轴的工作转速大于第一临界转速的轴要求n1.3nc还有第二，第三临界转速，一般工作转速较低，多为刚性轴刚性轴与支承形式，支承点距离，轴径有关。具有多个搅拌器的等直径悬臂轴，其第一临界转速为：nc=30smaLLEI)()1(31214（8-5）L1：第一搅拌轴悬臂长度A：悬臂轴两支点间距离Ms：轴及搅拌器有效质量在S点的等萧质量之和表8-11不同介质，不同搅拌器，工作转速与临界转速比值选用⑷按强度计算搅拌轴的直径搅拌轴强度条件：maxv=Mte/WP[]（8-6）Mte：扭转和弯距联合作用时的当量直径：Mte=22MMnMn：牛距M：弯距M=MR+MAMR，MA“：水平推力，轴向力引起的轴的弯距南京工业大学备课笔记8搅拌轴直径：d=1.72[Mte/[]（1-4）]1/3⑸按轴封处允许径向位移验算轴径径向位移产生：轴承的径向间隙，流体形成的水平推力。搅拌器及附件质量不均匀产生的离心力总的径向位移：dKL301.0][K3：径向系数一般取K3=0.3⑹减小轴端扰度，提高搅拌轴临界转速的措施①缩短悬臂段搅拌轴的长度。受端部集中力作用的悬臂梁，端点扰度与悬臂长度的三次方成正比②增加轴径：轴径增加，饶度减小，但需增加轴承，轴封，连轴器③设置底轴承或中间轴承。可减少饶度，但轴承在物料中润、滑不好。④设置稳定器原理：稳定器受到介质阻尼的方向与搅拌器对搅拌轴施加的水平作用力的方向相反，减少摆动，其阻尼力与承受阻尼作用的面积有关结构形式：圆筒型：心圆筒安装在搅拌器的下面，迎液面积较大叶片型：切向布置在搅拌器的下面，安装在轴上，与轴垂直8.2.5密封装置轴封：填料密封，机械密封目的：防介质外泻，外部杂质渗入搅拌容器⑴填料密封特点：结构简单，制造容易适用：非腐蚀性，弱腐蚀性介质，密封要求不高；允许定期维护①结构与工作原理：结构P390底环，本体，油环，填料，螺柱，压盖，油杯组成原理：压盖作用下，填料对轴表面产生径向压紧力，其填料中润滑剂在轴上形成一层液膜或外部流体渗入缺点；不可能绝对不漏，填料与轴中间磨损南京工业大学备课笔记9②填料密封箱特点：A：压盖上有衬套，可提高安装精度B：成型环状填料，易保证尺寸公差，接触均匀③填料选用A：根据介质腐蚀性及设计压力，设计温度选用。适用非易燃，易爆，有毒的一般物料，且压力不高。按表8-12选用填料箱B：根据填料性能选用p392表8-13⑵机械密封组成：动环，静环，弹簧压紧装置，密封圈①结构及工作原理：轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触，并经轴上弹簧压紧力的作用，阻