攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)

1、1緒論1.1 反應(yīng)釜概況攪拌設(shè)備是一種在一定容積的容器中，借助攪拌器向液相物料中傳遞必要的能量進(jìn)行攪拌過程的化學(xué)反應(yīng)設(shè)備。反應(yīng)釜就是其中比較典型的一種，它適用于多種物性（如粘度、密度）和多種操作條件（溫度、壓力）的反應(yīng)過程，廣泛應(yīng)用于石油化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥等行業(yè)，是一種用以完成磺化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程，以及有機(jī)染料和中間體的許多其它工藝過程的反應(yīng)設(shè)備。攪拌式反應(yīng)釜有很大的通用性，由于攪拌可以把多種液體物料相混合，把固體物料溶解在液體中、將幾種不互溶的液體制成乳濁液、把固體微粒攪渾在液體中制成懸浮液或在液相中析出結(jié)晶等，故攪拌反應(yīng)釜可以在帶有攪拌的許多物理過程中廣泛

2、的應(yīng)用。同時(shí)在研究容器的結(jié)構(gòu)方面，如容器形狀、攪拌裝置、傳熱部件等，攪拌式反應(yīng)釜都具有代表性。在大多數(shù)設(shè)備中，反映釜是作為反應(yīng)器來應(yīng)用的。例如在三大合成材料的生產(chǎn)中，攪拌設(shè)備作為反應(yīng)器，約占反應(yīng)器總數(shù)的90%。其它如染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、油漆等設(shè)備的使用亦很廣泛。有色冶金部門對全國有色冶金行業(yè)中的攪拌設(shè)備作了調(diào)查及功率測試，結(jié)果是許多濕法車間的動(dòng)力消耗50%以上是用在攪拌作業(yè)上。攪拌設(shè)備的應(yīng)用范圍之所以這樣廣泛，還因?yàn)閿嚢柙O(shè)備操作條件（如濃度、溫度、停留時(shí)間等）的可控范圍廣，又能適用于多樣化的生產(chǎn)。攪拌式反應(yīng)釜在石油化工生產(chǎn)中被用于物料混合、溶解、傳熱、制備懸浮液、聚合反應(yīng)、制備催化劑等。例如石油

3、工業(yè)中，異種原油的混合調(diào)整和精致，汽油添加四乙基鉛等添加物而進(jìn)行混合，使原料液或產(chǎn)品均勻化?；どa(chǎn)中，制造苯乙烯、乙烯、高壓聚乙烯、聚丙烯、合成橡膠、苯胺燃料和油漆顏料等工藝過程，都裝備著各種型式的攪拌設(shè)備。因?yàn)樵谑凸I(yè)中大量使用催化劑、添加劑，所以對于攪拌設(shè)備的需求量比較大。由于物料操作條件的復(fù)雜性、多樣性、對攪拌設(shè)備的要求也比較復(fù)雜。如煉油廠的硅鋁反應(yīng)器、大漿罐、鋇化反應(yīng)釜、硫磷化反應(yīng)釜、烴化反應(yīng)釜、白土混合罐等都是裝有各種不同型式攪拌器的攪拌設(shè)備。大型原油儲(chǔ)罐中，由于原有里含有各種不同的組分，各組分重度不同，因此油罐中會(huì)出現(xiàn)各處成分不均勻的現(xiàn)象，為使油罐中上下組成均一，就必須不斷地進(jìn)

4、行攪拌。攪拌式反應(yīng)釜由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速機(jī)帶動(dòng)攪拌軸及安裝在軸上的攪拌器，以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使流體獲得適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)場，并在流動(dòng)場內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。為滿足工藝的換熱要求，容器上裝有夾套。夾套內(nèi)螺旋導(dǎo)流板的作用是改善傳熱性能。容器內(nèi)設(shè)置有氣體分布器、擋板等內(nèi)構(gòu)件。在攪拌軸下安裝徑向流攪拌器、上層為軸向流攪拌器。攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)分為化工工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分?；すに囋O(shè)計(jì)提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原始條件，應(yīng)確定出產(chǎn)量、操作方式、最大工作壓力、最高工作溫度、工作介質(zhì)及其物性，腐蝕情況等。有時(shí)工藝設(shè)計(jì)中還提出傳熱面形式和傳熱面積、攪拌器形式和功率等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選型，即合理選擇容器部分、攪拌器、軸

5、封?；蛉萜鞑糠忠诟鶕?jù)產(chǎn)量確定容積、直徑與高度進(jìn)行。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括傳熱構(gòu)件、接管形式和攪拌器的選型及功率計(jì)算、攪拌軸的強(qiáng)度計(jì)算以及軸封形式的選擇等。1.2 反應(yīng)釜的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)反應(yīng)釜的分類方式比較多，常見的有根據(jù)反應(yīng)釜的制造結(jié)構(gòu)可分為開式平蓋式反應(yīng)釜、開式對焊法蘭式反應(yīng)釜和閉式反應(yīng)釜三大類；根據(jù)反應(yīng)釜的密封型式不同可分為：填料密封，機(jī)械密封和磁力密封。每一種結(jié)構(gòu)都有其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。反應(yīng)釜由釜體、加熱裝置（夾套）、攪拌裝置、傳動(dòng)裝置、軸封裝置等組成。也可以說反應(yīng)釜作為一種反應(yīng)設(shè)備是由攪拌容器和攪拌機(jī)組成的。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件。攪拌器、攪拌軸及密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱為攪拌機(jī)。攪拌

6、形式一般有錨式、槳式、渦輪式、推進(jìn)式和框式，還有最新的研究成果行星輪式。攪拌裝置在高徑比較大時(shí)，可用多層攪拌槳葉，也可根據(jù)用戶的要求任意選配。并在釜壁外設(shè)置夾套，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過外循環(huán)進(jìn)行換熱。加熱方式有電加熱、熱水加熱、導(dǎo)熱油循環(huán)加熱、遠(yuǎn)紅外加熱、外(內(nèi))盤管加熱等，冷卻方式為夾套冷卻和釜內(nèi)盤管冷卻，攪拌槳葉的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。1.2.1攪拌容器攪拌容器的作用是為物料提供反應(yīng)空間。常見的攪拌容器的筒體積是圓筒，封頭常采用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋，其中以橢圓形封頭應(yīng)用最廣。根據(jù)工藝需要，容器上裝有各種接管，以滿足進(jìn)料、出料、排氣等要求。為對物料加熱或取走反應(yīng)熱，

7、常設(shè)置外夾套或內(nèi)盤管。上封頭焊有凸緣法蘭，用于攪拌容器與機(jī)架的連接。操作過程中為了對反應(yīng)進(jìn)行控制，必須測量反應(yīng)物的溫度、壓力、成份及其他參數(shù)，容器上還設(shè)有溫度，壓力傳感器。支座選用是應(yīng)考慮容器的大小和安裝位置，小型的反應(yīng)器一般用懸掛式支座，大型的用裙式支座或支撐式支座。反應(yīng)釜為維持反應(yīng)的最佳溫度設(shè)置了換熱元件。常用的換熱元件有夾套和內(nèi)盤管。當(dāng)夾套的換熱面積能滿足傳熱要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用夾套，這樣可減少內(nèi)構(gòu)件，便于清洗，不占有有效容積。所謂夾套就是在容器的外側(cè)，用焊接或法蘭連接的方式使其與容器外壁形成密閉空間各種形狀的鋼結(jié)構(gòu),在此空間內(nèi)加熱或冷卻介質(zhì)，可加熱或冷卻容器內(nèi)的物料。夾套的主要結(jié)構(gòu)形式有

8、：整體夾套、型鋼夾套、半圓管夾套和蜂窩夾套等。(1) 整體夾套，常用的整體夾套型式有圓筒形和U形兩種。圓筒形夾套僅在圓筒部分有夾套，傳熱面積較小，適用于換熱量要求不大的場合。U形管式圓筒部分和下封頭都有夾套，傳熱面積大，是最常用的結(jié)構(gòu)。根據(jù)夾套與筒體的連接方式不同，夾套可分為可拆卸式和不可拆卸式?？刹鹦妒接糜趭A套內(nèi)載體熱介質(zhì)一結(jié)垢、需經(jīng)常清洗的場合。(2) 型鋼夾套，一般用于角鋼與筒體焊接組成，角鋼主要由兩種布置方式：沿筒體外壁軸向布置和沿容器筒體外壁螺旋布置。型鋼剛度大，不易彎曲成螺旋形。(3) 半圓管夾套，半圓管在筒體外的布置，即可螺旋形纏繞在筒體上，也可沿筒體軸向平行焊在筒體上沿筒體圓周

9、方向平行焊接在筒體上。(4) 蜂窩夾套，蜂窩夾套是以整體夾套為基礎(chǔ)，采取折邊或短管等加強(qiáng)措施，提高筒體的剛度和夾套的承壓能力，減少流道面積，從而減薄筒體厚度，強(qiáng)化傳熱效果。常用的蜂窩夾套由折邊式和拉撐式兩種型式。1.2.2 攪拌器攪拌器又稱作攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應(yīng)器的關(guān)鍵部件。其功能是提供過程所需要的能量和適宜的流動(dòng)狀態(tài)。其葉輪的主要方式有錨式、槳式、渦輪式、推進(jìn)式、框式，還有最新的研究成果行星輪式.。(1) 攪拌器的分類按流體流動(dòng)形態(tài)，攪拌器可分為軸向流攪拌器，徑向流攪拌器和混合流攪拌器。按攪拌器的結(jié)構(gòu)可分為平葉、折葉、螺旋面葉。槳式、渦輪式、框式和錨式的槳葉都有平葉和折葉兩種結(jié)構(gòu)；推

10、進(jìn)式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉。按攪拌器的用途可分為：低黏度體用攪拌器和高粘度流體用攪拌器。用于低粘度流體攪拌器有：推進(jìn)式、長薄葉螺旋槳、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、布魯瑪近式、三葉后彎式、MIG和改進(jìn)式等。用于高粘度流體的攪拌器有：錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式、螺旋螺帶式等。(2) 攪拌器的流型攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)把機(jī)械能傳遞給流體，在攪拌機(jī)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。這種循環(huán)流動(dòng)的途徑稱為流型。攪拌器的流型與攪拌效果、攪拌功率的關(guān)系十分密切。攪拌器的改進(jìn)和新型攪拌器的開發(fā)往往從流型著手。攪拌器旋轉(zhuǎn)時(shí)把機(jī)械傳給流體，在攪拌器附近形成高湍動(dòng)的充分混合區(qū)，并產(chǎn)生一股高速射流推動(dòng)液體在攪拌器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)

11、。常見的有三種基本流型：a徑向流，流體的流動(dòng)方向垂直與攪拌軸，沿徑向流動(dòng)，碰到容器壁面分成兩股流分別兩股流體分別向上、向下流體，再回到葉軸，不穿過葉片，形成上，下兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)。b軸向流，流體流動(dòng)方向平行于攪拌軸，流體又槳葉推動(dòng)，使流體向下流動(dòng)，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流。c切向流，無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流速高時(shí)液體表面會(huì)形成漩渦，這種流行稱為切向流。上述三種流行通常同時(shí)存在，其中軸向流與徑向流對混合其主要作用，而且切向流應(yīng)加以抑制，采用擋板可削弱切向流，增強(qiáng)軸向流和徑向流，從而提高攪拌效率。(3) 擋板與導(dǎo)流筒a擋板，攪拌器攪拌器沿容器中心安裝，攪拌物料的粘度不大，攪拌轉(zhuǎn)

12、速較高時(shí)，液體將隨著槳葉旋轉(zhuǎn)方向一起運(yùn)動(dòng)，容器中間部分的液體在離心力作用下涌向內(nèi)壁面上升，中心部分液面下降，形成漩渦，統(tǒng)稱為打旋區(qū)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，漩渦中心部分液面下凹到槳葉接觸，此外外面的空氣進(jìn)入槳葉被吸到液體中，液體混入氣體后密度減小，從而降低混合效果。為消除這種現(xiàn)象，通?？稍谌萜髦屑尤霌醢?。一般在容器內(nèi)壁面均勻安裝4塊擋板，其寬度為容器直徑的1/121/10。當(dāng)再增加擋板數(shù)和擋板寬度，功率消耗不再增加時(shí)，稱為全擋板條件。b導(dǎo)流筒，是上下開口圓筒，安裝于容器內(nèi)，在攪拌器混合中期導(dǎo)流作用。對于渦輪式或槳式攪拌器，導(dǎo)流筒剛好至于槳葉的上方。對于推進(jìn)式攪拌器，導(dǎo)流筒套在災(zāi)槳葉外面，或略高于槳葉，

13、通常導(dǎo)流筒的上端都低于靜液葉面，且筒身上開孔或槽，當(dāng)液面降落后仍可從孔或槽進(jìn)入導(dǎo)流筒。導(dǎo)流筒將攪拌容器分成面積相等的兩部分，即導(dǎo)流筒的直徑約為容器直徑的70%，當(dāng)攪拌器置于導(dǎo)流筒之下。且容器直徑又較大時(shí)，導(dǎo)流筒的下端直徑應(yīng)縮小，時(shí)下部開口小于攪拌器的直徑。1.2.3 密封裝置完成攪拌器的設(shè)計(jì)后需要解決攪拌軸的支撐與密封問題。前者裝置止推軸承解決；后者轉(zhuǎn)軸與靜止支撐部分由相對移動(dòng)，屬轉(zhuǎn)動(dòng)密封。由于釜內(nèi)還存在壓力，密封口有相當(dāng)?shù)膲翰?，這種密封比一般容器的精密封困難的多。因此，攪拌軸的密封成為反應(yīng)釜的一個(gè)重要的組成部分。轉(zhuǎn)軸密封的形式很多，有填料密封、液體密封、機(jī)械密封、迷宮密封、浮動(dòng)環(huán)密封等。對于

14、反應(yīng)物不能被其他介質(zhì)污染，有許多特殊的要求，一般只能填料封閉與機(jī)械密封兩種形式。a填料密封通過填料箱實(shí)現(xiàn)的。填料箱的基本結(jié)構(gòu)有箱體、填料、壓蓋及螺栓等零件構(gòu)成。箱體放置在反應(yīng)釜的頂蓋上，裝軸通過其中心，箱體與轉(zhuǎn)軸的環(huán)形空間構(gòu)成填料室，在填料室中放置數(shù)圈彈性填料，蓋上壓蓋，擰緊螺栓，壓緊壓蓋，在表面壓緊。由于填料中含有潤滑劑，在對軸產(chǎn)生徑向壓緊的同時(shí)，產(chǎn)生一層極薄的液膜，這層液膜一方面是攪拌軸得到潤滑，尤其密封作用，因而既使軸運(yùn)轉(zhuǎn)自如，又能達(dá)到密封，填料箱的尺寸的結(jié)構(gòu)有各種各樣。具有水夾套的填料箱其水夾套是冷卻填料用的，轉(zhuǎn)速較高，填料發(fā)熱溫度較高，便需要冷卻裝置。由于填料圈數(shù)較多，密封面較長，為使填料能產(chǎn)生徑向力，需雙重壓蓋，密封性能越好，雙填料具有較高的密封型。用于反應(yīng)釜的填料箱，由于釜內(nèi)有一定的溫度與壓力，又有腐蝕的介質(zhì)，其填料要能起密封作用，需滿足下列要求：應(yīng)有足夠塑性，在壓蓋的壓縮下，能適應(yīng)軸和填料函的形狀而變形；應(yīng)有足夠的彈性，乙烯受載設(shè)計(jì)上不能避免個(gè)別的震動(dòng)與擺動(dòng)；應(yīng)使釜內(nèi)的介質(zhì)與潤滑劑的浸