反應(yīng)設(shè)備課件

第九章反應(yīng)設(shè)備第一節(jié)、概述

目錄第二節(jié)、機(jī)械攪拌反應(yīng)器第三節(jié)、機(jī)械攪拌設(shè)備技術(shù)進(jìn)展概況反應(yīng)設(shè)備是過(guò)程工業(yè)的核心設(shè)備之一前處理：進(jìn)入反應(yīng)設(shè)備后，原料需要經(jīng)過(guò)一系列的預(yù)處理，如混合、加熱、滅菌等，以達(dá)到進(jìn)入反應(yīng)器的要求該過(guò)程統(tǒng)稱(chēng)為前處理。后處理：反應(yīng)產(chǎn)物同樣需要經(jīng)過(guò)分離、提純等該過(guò)程統(tǒng)稱(chēng)為后處理

化學(xué)反應(yīng)器分類(lèi)按物料相態(tài)：

均相反應(yīng)器、非均相反應(yīng)器；按操作方式：

間歇式、連續(xù)式、半連續(xù)式按物料流動(dòng)狀態(tài)：

活塞流型、全混流型按設(shè)備結(jié)構(gòu)分：攪拌釜式、管式、固定床、流化床式一、反應(yīng)器分類(lèi)

生物反應(yīng)器分類(lèi)

按反應(yīng)器的操作方式：

間歇操作、連續(xù)操作、半連續(xù)操作式

按輸入攪拌器的能量方式：

機(jī)械方式輸入、氣體噴射輸入式

根據(jù)反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)：

活塞流反應(yīng)器、全混流式

按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征：

機(jī)械攪拌式、氣升式、流化床、固定床式。機(jī)械攪拌式反應(yīng)器這種反應(yīng)器可用于均相反應(yīng)，也可用于多相反應(yīng)，可以間歇操作，也可以連續(xù)操作。管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。用于連續(xù)生產(chǎn)，也可用于間歇操作，反應(yīng)物不返混，可在高溫高壓下操作。固定床反應(yīng)器三種基本形式:軸向絕熱式、徑向絕熱式、列管式。缺點(diǎn)是：床層的溫度分布不均勻。二、常見(jiàn)反應(yīng)器的特點(diǎn)

區(qū)別：它與流化床反應(yīng)器及移動(dòng)床反應(yīng)器的區(qū)別在于固體顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。固定床反應(yīng)器主要用于實(shí)現(xiàn)氣固相催化反應(yīng)，如氨合成塔、二氧化硫接觸氧化器、烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化爐等用于氣固相或液固相非催化反應(yīng)時(shí)，床層則填裝固體反應(yīng)物。湍流床反應(yīng)器也可歸屬于固定床反應(yīng)器，氣、液相并流向下通過(guò)床層，呈氣液固相接觸。固定床反應(yīng)器分類(lèi)根據(jù)換熱方式不同,可分為三種基本型式：①軸向換熱式固定床反應(yīng)器(右圖)

結(jié)構(gòu)型式類(lèi)似于列管式換熱器，流體沿軸向自上而下流經(jīng)床層，床層同外界無(wú)熱交換

管內(nèi)裝填催化劑，反應(yīng)物料自上而下通過(guò)床層；管間為載熱體，與管內(nèi)物料進(jìn)行換熱，以維持所需的溫度條件。②絕熱式固定床反應(yīng)器流體沿徑向流過(guò)床層，可采用離心流動(dòng)（右圖）或向心流動(dòng)，床層同外界無(wú)熱交換結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉徑向反應(yīng)器與軸向反應(yīng)器相比，流體流動(dòng)的距離較短，流道截面積較大,流體的壓力降較小

絕熱式固定床反應(yīng)器③列管式固定床反應(yīng)器（如右圖）由多根反應(yīng)管并聯(lián)構(gòu)成管內(nèi)或管間置催化劑，載熱體流經(jīng)管間或管內(nèi)進(jìn)行加熱或冷卻，管徑通常在25～50mm之間，管數(shù)可多達(dá)上萬(wàn)根列管式固定床反應(yīng)器適用于反應(yīng)熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。列管式固定床反應(yīng)器

列管式固定床反應(yīng)器有時(shí)也可稱(chēng)為自熱式固定床反應(yīng)器特點(diǎn)：以冷的原料作為載熱體，使冷原料本身預(yù)熱到反應(yīng)所需的溫度然后進(jìn)入床層進(jìn)行反應(yīng)

使用前提：放熱反應(yīng)，熱量大致平衡自熱式固定床反應(yīng)器

固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：①返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可得較高選擇性②催化劑機(jī)械損耗?、劢Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。移動(dòng)床反應(yīng)器固體和流體的停留時(shí)間可以在較大范圍內(nèi)改變，固體和流體的運(yùn)動(dòng)接近活塞流，返混較少。流化床反應(yīng)器最大優(yōu)點(diǎn)：傳熱面積大、傳熱系數(shù)高和傳熱效果好。缺點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)物料返混大，離子磨損嚴(yán)重；要有回收和集塵裝置；內(nèi)構(gòu)件比較復(fù)雜；操作要求高等。流化床反應(yīng)器簡(jiǎn)介氣體在一定的流速范圍內(nèi)，將堆成一定厚度(床層)的催化劑或物料的固體細(xì)粒強(qiáng)烈攪動(dòng)使之象沸騰的液體一樣并具有液體的一些特性，如對(duì)器壁有流體壓力的作用、能溢流和具有粘度等，此種操作狀況稱(chēng)為“流化床”流化床反應(yīng)器是工業(yè)上使用較廣泛的一種反應(yīng)器適用于流-固或氣-液-固催化或非催化反應(yīng)系統(tǒng)在流化床中，固體粒子可以象流體一樣進(jìn)行流動(dòng)，這種現(xiàn)象就是所謂的流態(tài)化流化床反應(yīng)器沸騰床反應(yīng)器：氣體在由固體物料或催化劑構(gòu)成的沸騰床層內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，稱(chēng)為“沸騰床反應(yīng)器”分類(lèi)：按應(yīng)用可分為兩類(lèi)：一類(lèi)的加工對(duì)象主要是固體,如礦石的焙燒,稱(chēng)為固相加工過(guò)程；另一類(lèi)的加工對(duì)象主要是流體，如石油催化裂化、酶反應(yīng)過(guò)程等催化反應(yīng)過(guò)程，稱(chēng)為流體相加工過(guò)程

按結(jié)構(gòu)分有兩種形式：①有固體物料連續(xù)進(jìn)料和出料裝置，用于固相加工過(guò)程或催化劑迅速失活的流體相加工過(guò)程例如催化裂化過(guò)程，催化劑在幾分鐘內(nèi)即顯著失活，須用上述裝置不斷予以分離后進(jìn)行再生特性:與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是：①可以實(shí)現(xiàn)固體物料的連續(xù)輸入和輸出；②流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫度均勻，而且易于控制，特別適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)；③便于進(jìn)行催化劑的連續(xù)再生和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過(guò)程的進(jìn)行石油餾分催化流化床裂化的迅速發(fā)展就是這一方面的典型例子。局限性：原因：由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過(guò)程影響因素的多樣性，①由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程中的劇烈循環(huán)和攪動(dòng)，無(wú)論氣相或固相都存在著相當(dāng)廣的停留時(shí)間分布，導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品分布，降低了目的產(chǎn)物的收率；

優(yōu)點(diǎn)：溫度分布較均勻，熱穩(wěn)定性好，所需傳熱面比固定床小得多，合金鋼用材省，催化劑裝卸方便，操作安全缺點(diǎn)：催化劑易磨損由于催化劑軸向混合，引起部分氣體返混，影響轉(zhuǎn)化率。適宜于大型化生產(chǎn)，特別適用于熱效應(yīng)很大的氧化反應(yīng)過(guò)程。二、攪拌容器

一、基本結(jié)構(gòu)第二節(jié)機(jī)械攪拌反應(yīng)器六、傳動(dòng)裝置

五、密封裝置

三、攪拌器

四、攪拌軸設(shè)計(jì)

一、基本結(jié)構(gòu)

攪拌反應(yīng)器由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大部分組成。圖8-7是一臺(tái)通氣式攪拌反應(yīng)器。攪拌反應(yīng)器（1）攪拌容器的作用為物料提供合適的空間筒體基本上是圓筒封頭常用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋，以橢圓形封頭應(yīng)用最廣容器上裝有各種接管，設(shè)置外加套和內(nèi)盤(pán)管制作選用應(yīng)考慮容器的大小和安裝位置。二、攪拌容器

容積的確定

確定容積時(shí)，應(yīng)考慮物料的裝料系數(shù)，其值常取0.6-0.85當(dāng)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生泡沫或呈沸騰狀態(tài)時(shí)，取0.6-0.7；反應(yīng)過(guò)程比較平穩(wěn)時(shí)，取0.8-0.85。

工藝設(shè)計(jì)的給定容積：對(duì)直立式攪拌容器通常是指筒體和下封頭兩部分容積之和；對(duì)臥式攪拌容器則指筒體和左右兩封頭容積之和.

（2）換熱元件

主要有夾套和內(nèi)盤(pán)管。優(yōu)先采用夾套優(yōu)點(diǎn)：可減少容器內(nèi)構(gòu)件，便于清洗，不占用有效面積。

夾套結(jié)構(gòu)

所謂夾套就是在容器的外側(cè)，裝設(shè)的各種形式的鋼結(jié)構(gòu)夾套的主要結(jié)構(gòu)有：整體夾套、型鋼夾套、半圓管架套和蜂窩夾套。1.整體夾套有圓筒型和U型兩種，如圖夾套與筒體的連接方式分為：可拆式和不可拆式。

為提高傳熱效率，常采用以下措施：在筒體上焊接螺旋導(dǎo)流板，以減小流道截面積，增加冷卻水流速。進(jìn)出口安裝擾流噴嘴，提高傳熱系數(shù)。3.夾套的不同高度處安裝切向進(jìn)口，減緩冷卻水的流速，增加傳熱系數(shù)。2.型鋼夾套

一般用角鋼與筒體焊接組成，如圖8-11。3.半圓管夾套如圖

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，減薄筒體厚度，強(qiáng)化傳熱效果常用的有兩種形式：折邊式如圖8-14和拉撐式8-15。

內(nèi)盤(pán)管分為：

螺旋形盤(pán)管和豎式蛇管。如圖

（一）攪拌器與流動(dòng)特征形狀有攪拌漿或攪拌葉輪是攪拌反應(yīng)器的關(guān)鍵部件。功能：提供過(guò)程所需要的能量適宜的流動(dòng)狀態(tài)。

三、攪拌器流型流型是循環(huán)流動(dòng)的途徑流型取決于攪拌器的形式、攪拌容積和內(nèi)構(gòu)件幾何特征，流體性質(zhì)、攪拌轉(zhuǎn)速等因素

有三種基本流型：1.徑向流流體的流動(dòng)方向垂直于攪拌軸沿徑向流動(dòng)碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動(dòng)，再回到葉端，不穿過(guò)槳葉面形成上、下兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)。見(jiàn)下圖2、軸向流流體的流動(dòng)方向平行于攪拌軸流體由槳葉推動(dòng)，使流體向下遇到流體底面再翻上形成上下循環(huán)流。見(jiàn)下圖

切向流

無(wú)擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流體高速時(shí)液體表面形成漩渦，這種流型稱(chēng)為切向流。見(jiàn)下圖各種攪拌器在容器內(nèi)的安裝方式

流動(dòng)特性

攪拌器對(duì)流場(chǎng)起剪切作用和循環(huán)流動(dòng)當(dāng)攪拌器輸入流體的能量主要用于流體的循環(huán)流動(dòng)時(shí)，稱(chēng)為循環(huán)型葉輪，如框式、螺帶式、錨式、漿式、推進(jìn)式等微循環(huán)型葉輪。當(dāng)輸入液體的能量主要用于對(duì)流體的剪切作用時(shí)，則稱(chēng)為剪切型葉輪，如徑向蝸輪式、鋸齒圓盤(pán)式等為剪切型葉輪。

攪拌器分類(lèi)、圖譜及典型攪拌器特性按流體流動(dòng)形態(tài)：

軸向流、徑向流、混合流攪拌器。按攪拌器結(jié)構(gòu)：平葉、折葉、螺旋面葉、漿式、渦輪式、推進(jìn)式、螺桿式、螺帶式

按攪拌的用途：低粘流體用攪拌器和高粘流體用攪拌器。

低粘流體用攪拌器有：推進(jìn)式、長(zhǎng)薄葉螺旋槳、漿式、開(kāi)啟渦輪式、盤(pán)渦輪式、布魯馬金式、板框漿式、三葉后彎式MIG和改進(jìn)MIG等。

高粘流體用攪拌器：錨式、框式、鋸齒圓盤(pán)式、螺旋槳式、螺帶式、螺旋-螺帶式等。攪拌器的徑向、軸向和混合流型的圖譜見(jiàn)圖槳式、推進(jìn)式、渦輪式和錨式攪拌器應(yīng)用最廣泛。槳式攪拌器是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種攪拌器，如圖8-23主要用于流體的循環(huán)，轉(zhuǎn)速一般為10～100r/min,最高粘度為20Pa.s。

推進(jìn)式攪拌器推進(jìn)式攪拌器常用于低粘流體中，如圖8-24攪拌時(shí)流體的湍流程度不大，單循環(huán)量大。容器內(nèi)裝擋板，攪拌軸向偏心安裝或攪拌器傾斜，可防止旋渦形成。推進(jìn)式攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造方便適用于粘度低，流量大的場(chǎng)合主要用于：液-液系混合循環(huán)性能好剪切作用不大屬于循環(huán)型攪拌器。渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器，應(yīng)用較廣能完成幾乎所有的攪拌操作并能處理范圍很廣的液體操作。渦輪式攪拌器分為開(kāi)式和盤(pán)式兩類(lèi)。其常用參數(shù)見(jiàn)表8-7。錨式攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖8-26它適用于粘度在100Pa.s以下的流體攪拌其常有參數(shù)見(jiàn)表8-8。

攪拌器的選用一般從三個(gè)方面考慮：

攪拌目的、物料粘度和攪拌器容積的大小。除滿足工藝要求外，還應(yīng)考慮功耗、操作費(fèi)用，制造維護(hù)和檢修等因素。選用攪拌器的依據(jù)如下：根據(jù)使用攪拌器的目的選型根據(jù)攪拌器的型式和適用條件選型攪拌器目的選型見(jiàn)表8-9攪拌器形式和適用條件選型

生物反應(yīng)物料特性及攪拌器與化工過(guò)程的區(qū)別：（1）生物反應(yīng)都是在多相體系中進(jìn)行的（2）大多數(shù)生物顆粒對(duì)剪切力非常敏感（3）大多數(shù)微生物發(fā)酵需要氧氣

攪拌功率計(jì)算計(jì)算目的：1.用于設(shè)計(jì)或校核攪拌器和攪拌軸的強(qiáng)度和剛度2.用于選用電機(jī)和減速機(jī)等傳動(dòng)裝置。影響攪拌器的因素：攪拌器的幾何尺寸與轉(zhuǎn)速攪拌器的結(jié)構(gòu)攪拌介質(zhì)的特性重力加速度上述影響因素用下式表示：式中B——漿葉厚度，md——攪拌器直徑，mD——攪拌容器內(nèi)直徑，mFr——弗勞德數(shù)，ｈ——液面高度，mＫ——系數(shù)，n——轉(zhuǎn)速，s-1Np——功率準(zhǔn)數(shù)，Ｐ——攪拌功率，Wr，q——指數(shù)，Re——雷諾數(shù)，ρ——密度，kg/m3μ——粘度，Pa.s

一般情況下弗勞德數(shù)Er的影響較小。容器內(nèi)直徑D、擋板寬度b登記和參數(shù)可歸結(jié)到系數(shù)K。得攪拌器的功率P為

上式中n、d為已知數(shù)，故計(jì)算攪拌器功率的關(guān)鍵是求得功率準(zhǔn)數(shù)Np。在特定的攪拌裝置上，可測(cè)的功率準(zhǔn)數(shù)Np與雷諾數(shù)的關(guān)系。將此關(guān)系繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上即得功率曲線。

功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系在低雷諾數(shù)（Re≤10）的層流區(qū)內(nèi)，流體不會(huì)打漩，重力影響可忽略，功率曲線為斜率-1的曲線；當(dāng)10≤Re≤10000時(shí)為過(guò)渡流區(qū)，功率曲線為一下凹曲線，當(dāng)Re>10000時(shí)，流動(dòng)進(jìn)入充分湍流區(qū)，功率曲線為一水平直線，及Np與無(wú)關(guān)，保持不變六種攪拌器的幾何比例關(guān)系附件：擋板與導(dǎo)流筒1.擋板2.導(dǎo)流筒：導(dǎo)流筒是一上下開(kāi)口圓筒，安裝于容器內(nèi)，在攪拌混合中起導(dǎo)流作用

設(shè)計(jì)攪拌軸時(shí)，應(yīng)考慮四個(gè)因素：1.扭轉(zhuǎn)變形；2.臨界轉(zhuǎn)速3.扭矩和彎矩聯(lián)合作用下的強(qiáng)度；4.軸封處允許的徑向位移?？紤]上述因素計(jì)算所的軸徑是指危險(xiǎn)截面處的直徑。確定軸的實(shí)際直徑時(shí)，還得考慮腐蝕裕量，最后把直徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)軸徑。四、攪拌軸設(shè)計(jì)攪拌軸的力學(xué)模型按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸的軸徑

按臨界轉(zhuǎn)速校核攪拌軸的直徑一階臨界轉(zhuǎn)速nc為：式中α——懸臂軸兩支點(diǎn)間距，mE——軸材料的彈性模量，PaI——軸的慣性距，m4L1——第一個(gè)攪拌器懸臂梁長(zhǎng)度，mNs——臨界轉(zhuǎn)速，r/minMs——軸及攪拌器有效質(zhì)量在s點(diǎn)的等效質(zhì)量之和,kg

按強(qiáng)度計(jì)算攪拌軸的直徑攪拌軸的強(qiáng)度條件為式中M——彎矩，M=MR+MAMA——由軸向力引起的軸的彎矩，N.mMn——扭矩，N.mMR——水平推力引起的軸的彎矩，N.mMte——扭轉(zhuǎn)和彎矩聯(lián)合作用時(shí)的當(dāng)量扭矩，N.mWP——抗彎截面模量，m3[τ]——軸材料的許用切應(yīng)力，PaΤmax——截面上最大切應(yīng)力，Paσb——軸材料的抗拉強(qiáng)度，Pa則攪拌軸的直徑

按軸封處允許徑向位移驗(yàn)算軸徑要分別計(jì)算徑向位移，然后疊加，使總徑向位移滿足以下條件：式中[δ]L0——軸封處允許的徑向位移，mm

減小軸端撓度、提高攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速的措施：（1）縮短懸臂段攪拌軸的長(zhǎng)度（2）增加軸徑