搅拌反应釜设计

第三章立式搅拌反应釜设计第一节推荐的设计程序一、工艺设计1、作出流程简图；2、计算反应器体积；3、确定反应器直径和高度；4、选择搅拌器型式和规格；5、按生产任务计算换热量；6、选定载热体并计算K值；7、计算传热面积及夹套高度；8、计算搅拌轴功率。二、机械设计1、确定反应器的结构型式及尺寸；2、选择材料；3、强度计算；4、选用零部件；5、绘图；6、提出技术要求。三、化工仪表选型四、编制计算结果汇总表五、绘制反应釜装配图六、编写设计说明书第二节釜式反应器的工艺设计一、反应釜体积和段数的计算1、间歇釜式反应器：V=VRφ（3—1）VR=VO(+)（3—2）式中V—反应器实际体积，m3；VR—反应器有效体积，m3。VO—平均每秒钟需处理的物料体积，m3s；—非反应时间，s；—反应时间，s；AfxRAAVdxn00,（3—3）等温等容情况下AfxAAArdxC00,（3—4）对一级反应Afxk11ln1对二级反应AfAAxxCx10,0,—装料系数，一般为04～085，具体数值可按下列情况确定：不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜08～085；带搅拌的反应釜07～08；易起泡沫和在沸腾下操作的设备04～06。2、连续釜式反应器(1)单段连续釜式反应器：AAARrxFVV0,（3—5）其中FA,O—每秒钟所处理的物料摩尔数，kmol/s。对于一级反应：（-γA）=kCA=kCA,O（1-Ax）则有效反应体积：20,00,0,1AAAAAAARKCCCVxkCxFV其中VO—每秒所处理的物料体积，m3/s对于二级反应：（-γA）=220,21AAAxkCkC，代入式（3-5）中则有效反应体积为：VR=20,020,01AAAAAAkCCCVxkCxV其中Ax—转化率，其它符号同前。(2)多级连续釜式反应器V=niiRV1,，而VR,i=iAiAiArCCV,1,0（3—6）其中VR,i—第i段釜反应体积,m31,iAC，iAC,—第i段反应釜进口及出口物料浓度，kmol/ｍ３iAr—第i段反应釜内反应物反应速度，kmol/ｍ３．sVR,i的计算方法有解析法和图解法．解析法A．对于一级反应VR,i=iAiAiAxkxxV,1,,01（3—7）B．对于二级反应VR,i=2,0,1,,01iAAiAiAxkCxxV（3—8）．图解法，常用的有两种A．对于一级反应：根据式VR,i=iAiAiAArxxF1,,0,，采用图解代替运算，求出VR，i，具体步骤如下：a．将根据动力学方程计算或实验测得的Ax~（-γA）数据，标绘在以（－γA）为纵坐标，以Ax为横坐标的图上，可得一曲线。b．在横坐标上分别标出起始和各釜出口的转化率，0,Ax、1,Ax、2,Ax、…、nAx,。并由标出的各点向上作垂线分别与曲线相交于点1、2、…、n。c．由各交点，根据Vn=1,,0,nAnAnAAxxrF逐一画出矩形，则各矩形面积分别为各级反应器的反应体积。B．对于一时难以找到动力学模型，但已取得了等温条件下一组动力学数据Ax~（-γA）的均相反应，可采用图解法求各级反应器出口转化率，反应器级数及反应器体积∵iAiAiAAiAiAiAAirxxFrxxFV,1,,0,,1,0,11iAiAiAAiAiAiAAiirxxCrxxVFVV1,,0,1,,00,0∴1,0,,0,iAiAiAiAiAxCxCr表明（-γA）i~iAx,呈线性关系，其斜率为CA,O／τi，截距为iiAAxC1,0,又∵τi=OiRVV,∴根据斜率求出τi，再根据Vo即可求出Vi。具体步骤如下：a．将已知动力学数据标绘出Ax~（-γA）曲线。b．在Ax轴上标出要求达到的最终转换率nAx,。c．根据式1,0,,0,iAiAiAiAiAxCxCr逐级图解，对于一级，n=100,Ax∴由原点出发作斜率为iAOC的直线交MN于R1，作垂线得iAx,（一级反应器出口转化率），若各级反应器的空间时间τi相同，则可依次找出R1、R2…nR，进而得出各级反应器出口转化率。通常各级反应器反应体积相同，进而τi相同，所以可作出一系列平行线，得出各级反应器出口转化率。d．对于级数已知各级反应器体积VR，i，进而τi相同的反应体系，可在最初转化率00,Ax和最终转化率nAx,之间作相似直角三角形，得出斜率iOAC,，进而根据τi=OiRVV,求出VR，i。二、反应器直径和高度的计算在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比(H/Di)，以确定罐体直径和高度。选择罐体长径比主要考虑以下两方面因素：1、长径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，PD5（其中D---搅拌器直径，P——搅拌功率），P随釜体直径的增大，而增加很多，减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌功率。因此一般情况下，长经比应选择大一些。2、长径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di越高，越有利于传热。长径比的确定通常采用经验值.即表3-1表3-1罐体长径比经验表种类罐体物料类型H/Di一般搅拌罐液—固或液—液相物料1--1.3气—液相物料1--2发酵罐类1.7--2.5在确定了长径比和装料系数之后，先忽略罐底容积，此时iiiDHDHDV3244（3—9）将上式计算结果圆整成标准直径，代入下式得出罐体高度vVDDvVHRii14422（3—10）其中v--封头容积三、搅拌器的选择搅拌器的作用是使釜内物料混合均匀。搅拌器的类型很多，分为∶推进式、桨式、涡轮式、锚式、框式、螺杆式、螺带式等，搅拌器选型时，主要考虑∶（1）保证从反应器壁或浸入式热交换装置到反应混合物能有高的给热系数。（2）具有显著的搅拌效果，特别是对多相反应。（3）搅拌所消耗的能量应尽可能小。具体选择方法可参考粘度图及搅拌器型式选用表。搅拌器结构的确定按标准构型搅拌装置考虑。四、搅拌器转速的确定：根据经验确定，若物料粘度不是太高，通常转速在80～120转/分。五、搅拌功率的计算1、对液—液系统关联式Np=KRexFry（3—11）Np=P/N3D5Re=D2N/Fr=N2D/g或=Np/Fry=KRex=53DNP／ygDN2（3—12）对于不打旋的系统Φ＝ＮＰ＝xeKR＝53DNP其中Np—功率准数；Re—叶轮雷诺数；Fr—弗鲁德准数；P—功率消耗，W；G—重力加速度，m/s2；N—叶轮转速，转/s；参考经验值D—叶轮直径，m；—液体密度，kg/m3；—液体粘度，Pa﹒S；K—系统几何构型的总形状系数。Φ—功率函数或Np可由功率曲线图上查出。或用下述公式计算：Re10P=K1N2D3（3—13）Re104P=k2N3D5（3—14）对无挡板而Re300的搅拌系统，不能忽略重力影响时，须用式3—12，其中ylgRe（3—15）式中、的值列表3—3中。W—叶片宽度。1K、2K值及、值可由表3—2和表3-3上查得。表3-2搅拌器的K1和K2值搅拌器K1K2搅拌器K1K2螺旋桨式，三叶片螺距=D41.00.32双叶单平桨式D/W=443.02.25螺距=2D43.51.00=636.51.60涡轮式，四个平片70.04.50=833.01.15六个平片71.06.10四叶双平桨式D/W=649.02.75六个弯片70.04.80六叶三平桨式D/W=671.03.82扇形涡轮70.01.65表3-3Re300时搅拌器的和值形式螺旋桨式涡轮式六个平片D/T0.480.370.330.300.200.300.332.62.32.11.701.01.018.018.018.018.018.040.040.0当搅拌器的形式在文献上查不到功率曲线；可根据搅拌器的形状因子对构型相近的搅拌器的功率曲线加以校正，估算出该装置的功率值。（1）对径向流叶轮（平桨、涡轮），湍流态下：NPDT12.（3—16）对轴向流叶轮，湍流态下：NPDT09.（3—17）其中T——容器直径。（2）对平桨和涡轮：NP403.0。～DW（3—18）、对六叶片盘式涡轮：W/D=0.2～0.5时NPWD067.（3—19）、涡轮nb的影响：湍流搅拌：NPnb0495.（3—20）层流搅拌：NPnb0327.（3—21）以六叶片涡轮为基准：NP807.06。～bn（3—22）其中：nb—叶片数目随叶片数目的减少，平叶片涡轮的排液量降低，而弯叶片涡轮排液量降低不多，但功率消耗降低。在层流时弯叶片涡轮与平直叶片涡轮的功率消耗相同，但在湍流时弯叶片的功率消耗低于平直叶片。（3）叶层深度H：NPHT06.（3—23）对高粘度液体上式的指数近似于0，功率消耗与液深无关。（4）对低、中粘度液体，叶轮安装高度Hj对功率无影响；对高粘度液体，叶轮近液面（Hj=0.9）时功率消耗低，反之高。（5）各种涡轮其叶轮间距距离S对功率输入的影响见《精化过程及设备》。上述各项修正公式可查阅《精化过程及设备》。2、固体悬浮系统的搅拌功率3、气液悬浮系统的搅拌功率4、气流搅拌2、3、4项内容可参考《精细化工过程及设备》5、电动机功率的确定在求算电动机功率时，可用下式表示：P电机=KPPC1（3—24）P—稳定条件下，搅拌器在不带附属装置的容器内运转的功率，W；K—容器装料高度的系数；—由于容器内附属装置而导致功率增加的系数；表3—4各种附件的功率附加值（适用于介质粘度在01Pa·S以下的场合）设备附件的名称桨式框式涡轮式推进式宽为容器直径008倍的四块挡板，平均分布在设备的四周附加一块直径与主要桨叶相同的水平桨叶压料管1000.350.20———0.20150—0.20050—0.20温度计管或浮球夜位计沿设备周围位置90o以外布置的两根垂直管沿器壁布置的螺旋状蛇管直径为容器直径0033～054倍布置在器底的螺旋状蛇管固定推进器导流筒的零件0100302.02.5～——0.100.30———0.100.30———0.100.15——0.05—由于启动或搅拌过程中阻力增加而引起功率增大的系数；Pc—填料函内的摩擦消耗功率，其值取决于填料函的结构；—传动效率。现分别对上式中某些系数介绍如下：（1）系数K值系数K值系指容器装料高度对功率的影响，其值为：K=Ho/Di（3—25）式中Ho----容器实际装料高度，mDi-----容器直径通常，实际装料高度可近似地考虑为容器高度的075～08。（2）系数值大多数场合下，由于启动器增加的功率可以不予考虑，即=1。在个别场合下，例如在搅拌重的、快速分层的悬浮液，搅拌高粘度的介质（约大于05Pa·S）或者是在搅拌过程中介质的阻力会改变，则必须考虑启动时的功率增加，并取1。根据搅拌装置的型式及操作条件，值可以在较宽的范围内变动。推进式搅拌装置…………………………………13桨式搅拌装置……………………………………2多桨叶的、框式的或涡轮式搅拌装置…………25在选择值时应该很小心，最好尽可能选用较小的值。（3）填料函的摩擦功率PcPc=M摩擦N（3—26）式中N------搅拌桨每秒的转数，r/s；M摩擦=410cdhq（3—27）d------搅拌轴的直径，cm；h------填料层深度，cm；c------摩擦系数，004～008；q------填料的侧压力。q=k＇P＇，Pa；k＇------填料的弹性系数，其值小于1；P＇------轴向压力。P＇=Poeshc2，Pa；Po----设备