第14章-搅拌设备设计

第14章搅拌设备设计容器设计●14.1概述●14.3搅拌装置设计7.2.1板式塔的分类7.2.2板式塔的结构本章主要内容●14.2搅拌容器的设计7.3.1填料●14.4传动装置7.3.2填料塔内件的结构设计●14.5轴封装置14.1概述容器设计应用化学反应、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；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14.1概述14.2搅拌容器的设计容器设计14.2.1.1搅拌容器14.2.1搅拌容器结构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。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。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聚合釜悬浮液、乳化液2.08～3.85发酵罐类发酵液1.7～2.5搅拌容器的强度计算和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换热元件换热元件夹套内盘管优先采用夹套，减少容器内构件，便于清洗，不占有效容积。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。结构型式整体夹套型钢夹套半圆管夹套蜂窝夹套等ttjDDDjDjttjDDDjDj14.2搅拌容器的设计容器设计图14-2整体夹套(a)圆筒型(b)U型14.2搅拌容器的设计容器设计图14-3夹套肩与筒体的连接结构(a)封口锥(b)封口环d1t1t2t1t2d1t3t1d1d114.2搅拌容器的设计容器设计封口环图14-4夹套底与封头连接结构封口锥14.2搅拌容器的设计容器设计图14-5型钢夹套结构(a)螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕14.2搅拌容器的设计容器设计二、内盘管当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时常采用内盘管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。分类螺旋形盘管竖式蛇管图14-7图14-814.2搅拌容器的设计容器设计图14-7螺旋形盘管dDdD14.2搅拌容器的设计容器设计对称布置的几组竖式蛇管：传热挡板作用图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功能搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。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。14.3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。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切向流流型14.3搅拌装置设计容器设计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。(a)径向流图14-9搅拌器与流型(a)径向流14.3搅拌装置设计容器设计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。(b)轴向流图14-9搅拌器与流型(b)轴向流14.3搅拌装置设计容器设计无挡板的容器内，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。(c)切向流图14-9搅拌器与流型(c)切向流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搅拌装置设计容器设计图14-10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。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，形成漩涡，称为打漩区。打漩——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、搅拌器分类按流体流动形态轴向流搅拌器径向流搅拌器按结构分为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搅拌装置设计容器设计主要应用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。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。14.3搅拌装置设计容器设计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流动状态备注d/D=0.35～0.8b/d=0.1～0.25Bn=2n=1～100r/minv=1.0～5.0m/s小于2Pa·s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。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7～10m/s，最高达15m/s。图14-13推进式搅拌器14.3搅拌装置设计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改进容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。常用参数见表14-314.3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转条件常用介质粘度范围流动状态备注d/D=0.2～0.5(以0.33居多)p/d=1,2Bn=2,3,4(以3居多)p－螺距n=100～500r/minv=3～15m/s小于2Pa·s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最高转速可达1750r/min:最高叶端线速度可达25m/s。转速在500r/min以下，适用介质粘度可达50Pa.s14.3搅拌装置设计容器设计涡轮式搅拌器（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。3．涡轮式搅拌器图14-14涡轮式搅拌器14.3搅拌装置设计容器设计涡轮式搅拌器分为开式盘式开式有：平直叶、斜叶、弯叶等。叶片数为2叶和4叶盘式有：圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。叶片数常为6叶。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。14.3搅拌装置设计容器设计表14-4涡轮式搅拌器常用参数型式常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注开式涡轮d/D=0.2～0.5(以0.33居多)b/d=0.2Bn=,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n=10～300r/minv=4～10m/s折叶式v=2～6m/s小于50Pa·s，折叶和后弯叶小于10Pa·s平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。折叶的还有轴向分流，近于轴流型最高转速可达600r/min圆盘上下液体的混合不如开式涡轮盘式涡轮d:l:b=20:5:4d/D=0.2～0.5(以0.33居多)Bn=4,6,8θ=45°,60°ß=45°n=10～300r/minv=4～10m/s折叶式v=2～6m/s小于50Pa·s，折叶和后弯叶小于10Pa·s14.3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。14.3搅拌装置设计容器设计常用尺寸常用运转条件常用介质粘度范围流动状态备注d/D=0.9～0.914b/D=0.1h/D=0.48～1.0n=1～100r/minv=1～5m/s小于100Pa·s不同高度上的水平环向流为了增大搅拌范围，可根据需要在桨叶上增加立叶和横梁表14-5锚式搅拌器常用参数14.3搅拌装置设计容器设计14.3.1.3搅拌器的选用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。搅拌器选型一般从三个方面考虑搅拌目的物料粘度搅拌容器容积的大小14.3搅拌装置设计容器设计按搅拌器型式和适用条件选型推进式搅拌器——用于低粘度流体的混合，循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容积的搅拌容器中。桨式搅拌器——结构简单，在小容积的流体混合中应用较广，对大容积的流体混合，循环能力不足。涡轮式搅拌器——应用范围较广