20XX年反應(yīng)釜設(shè)計培訓(xùn)課件

?第六章反應(yīng)釜設(shè)計第一節(jié) 概

述在化工生產(chǎn)過程中，為化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)空間和反應(yīng)條件的裝置，稱為反應(yīng)設(shè)備或反應(yīng)釜。機械攪拌反應(yīng)釜(攪拌反應(yīng)釜)：適用于各種物性（如粘度、密度）和各種操作條件（溫度、壓力）的反應(yīng)過程，應(yīng)用于合成塑料、合成纖維、合成橡膠、醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥、染料、涂料、食品、冶金、廢水處理等行業(yè)。一、攪拌的目的A）獨立的單元操作（以促進(jìn)混合為主要目的）：液-液混合、固-液懸浮、氣-液分散、液-液分散和液-液乳化等;B）其他單元操作的必要手段（以促進(jìn)傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)為主要目的）：流體的加熱與冷卻、萃取、吸收、溶解、結(jié)晶、聚合等操作。二、攪拌反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)主要由反應(yīng)釜、攪拌裝置、傳動裝置和軸封等組成。反應(yīng)釜：釜體、傳熱裝置。它是提供反

應(yīng)空間和反應(yīng)條件的部件。如夾套、蛇管、工藝接管等。攪拌裝置：攪拌器、攪拌軸。靠攪拌軸傳遞動力，由攪拌器達(dá)到攪拌目的。傳動裝置：為攪拌器提供攪拌動力。軸封：為反應(yīng)釜和攪拌軸之間的密封裝置，以封住釜內(nèi)的流體不致泄漏。三、攪拌反應(yīng)釜機械設(shè)計的依據(jù)工藝設(shè)計所確定的對攪拌反應(yīng)釜的要求。四、攪拌反應(yīng)釜機械設(shè)計的內(nèi)容1）確定反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)形式與尺寸；2）選擇材料；3）計算強度或穩(wěn)定性；4）選用主要零部件；5）繪制圖樣，提出技術(shù)要求。第二節(jié) 釜體與傳熱裝置攪拌反應(yīng)釜釜體主要部分是一圓柱形容器,其結(jié)構(gòu)形式與傳熱方式有關(guān)。常用的傳熱形式有兩種:夾套式壁外傳熱結(jié)構(gòu)、釜體內(nèi)部蛇管傳熱結(jié)構(gòu)和夾套和蛇管聯(lián)合使用。種類罐內(nèi)物料類型高徑比一般攪拌罐液-固相、液－液相1～1.3氣－液相1～2發(fā)酵罐類發(fā)酵液1.7～2.5一、釜體幾何尺寸的確定釜體的幾何尺寸必須滿足化工工藝要求，對于帶攪拌器的反應(yīng)釜,其容積V為主要決定參數(shù)。?表1 反應(yīng)釜的H/Di高徑比在確定反應(yīng)釜直徑及高度時,還應(yīng)根據(jù)反應(yīng)釜操作時所允許的裝料程度一裝料系數(shù)η等予以綜合考慮,裝料系數(shù)η：通常取0.6～0.851）物料在反應(yīng)過程中產(chǎn)生泡沫或呈沸騰狀態(tài)：0.6～0.7;2）反應(yīng)狀態(tài)平穩(wěn)：0.8～0.85。3）釜體的容積V與操作容積V0的關(guān)系:V0

=ηV?容積直立式攪拌容器臥式攪拌容器筒體和下封頭兩部分容積之和筒體和左右兩封頭容積之和根據(jù)釜體容積V和物料性質(zhì)，選定H/Di，估算筒體內(nèi)徑Di已知：?則：?圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，筒體高度H為：?計算值是否符合表1要求二、傳熱元件傳熱元件夾套蛇管優(yōu)先采用夾套，減少容器內(nèi)構(gòu)件，便于清洗，不占有效容積。1）夾套的結(jié)構(gòu)和尺寸在容器外側(cè)，用焊接或法蘭連接方式裝設(shè)各種形狀的鋼結(jié)構(gòu)，使其與容器外

壁形成密閉的空間。此空間內(nèi)通入加熱或冷卻介質(zhì)，可加熱或冷卻容器內(nèi)的物料。結(jié)構(gòu)型式：整體夾套、型鋼夾套、半圓管夾套和蜂窩夾套等。?各種碳鋼夾套的適用溫度和壓力范圍夾套型式最高溫度/℃最高壓力/MPa整體夾套U型

圓筒型3503000.61.6型鋼夾套2002.5蜂窩夾套短管支撐式

折邊錐體式2002502.54.0半圓管夾套3506.4?ttjD

?DDj

?Dj?ttjD

?DDjDj圓筒和下封頭都包有夾套，傳熱面積大，最常用結(jié)構(gòu)a.整體夾套圓筒型U型傳熱面積較小，適用于換熱量要求不大的場合分段式全包式(a)圓 筒型(b)

U型接方式可拆卸式要求定期檢查筒體外表面或更換夾套時；當(dāng)筒體與夾套采用不同材料制造，兩者又不能采用焊接連接時?？刹鹦妒綂A套肩與筒體的聯(lián)接處，做成錐形的稱為封口錐，做成環(huán)形的稱為封口環(huán)，加工簡單，密封可靠。夾套上介質(zhì)進(jìn)出口的規(guī)定：1）蒸汽作為載熱體時：蒸汽一般從上端進(jìn)入夾套，冷凝液從夾套底部排出。2）液體作為冷卻液時：采取下端進(jìn)，上端出，以使夾套中經(jīng)常充滿液體，充分利用傳熱面,加強傳熱效果。強化傳熱措施：當(dāng)采用液體作為載熱體時,為了加強傳熱效果,在釜體外壁焊接螺旋導(dǎo)流板。導(dǎo)流板以扁鋼繞制而成，與簡體可采用雙面交錯焊，導(dǎo)流板與夾套筒體內(nèi)壁間隙越小越好。?注：夾套內(nèi)徑Di一般按公稱尺寸系列選取,以利于按標(biāo)準(zhǔn)選擇夾套封頭,具體可根據(jù)筒體直徑Di按下表中推薦數(shù)值選用。?夾套內(nèi)徑Dj與筒體內(nèi)徑Di的關(guān)系?Di?500～600

?700～1800?2000～3000??Dj?Di+50?Di+100?Di+200夾套筒體高度Hj主要由傳熱面積確定,一般應(yīng)不低于料液高度,以保證充分傳熱。根據(jù)裝料系數(shù)η和操作容積η

V,夾套筒體的高度Hj可由下式估算:確定夾套簡體高度考慮因素:1）當(dāng)反應(yīng)釜簡體與上封頭采用法蘭連接時,夾套頂邊應(yīng)在法蘭下150m～200mm處(視法蘭螺栓長度及拆卸方便而定);2）當(dāng)反應(yīng)釜具有懸掛支座時,應(yīng)考慮避免因夾套頂部位置而影響支座的焊接。b．型鋼夾套構(gòu)成—角鋼與筒體焊接組成。結(jié)構(gòu)為沿筒體外壁軸向布置和沿筒體外壁螺旋布置（型鋼的剛度大，彎曲成螺旋形加工難度大）c．半圓管夾套半圓管或弓形管由帶材壓制而成，加工方便。當(dāng)載熱介質(zhì)流量小時宜采用弓形管。焊縫多，焊接工作量大，筒體較薄時易造成焊接變形。?bL3L2?Lt1L3?(a)螺旋形纏繞半圓管夾套的安裝t1?D?(b)平行排管?結(jié)構(gòu)螺旋形纏繞在筒體外側(cè)沿筒體軸向平行焊在筒體外側(cè)沿筒體圓周方向平行焊接在筒體外側(cè)d．蜂窩夾套以整體夾套為基礎(chǔ)，采取折邊或短管等加強措施；提高筒體的剛度和夾套的承壓能力，減少流道面積；減薄筒體壁厚，強化傳熱效果。2)蛇管的布置當(dāng)反應(yīng)器的熱量僅靠外夾套傳熱，換熱面積不夠時可采用;釜體內(nèi)襯里隔熱不能采用夾套時可采用。它浸沒在物料中，熱量損失小，傳熱效果好，檢修較困難。?圖a 螺旋形蛇管?d?D?d?D?圖b 豎式蛇管?對稱布置的幾組?豎式蛇管：傳熱?和擋板作用蒸汽壓力（MP）0.0450.1250.20.30.5管長與管徑最大比值100150200225275（一）蛇管的長度與排列表1 蛇管長度與直徑比值（二）蛇管的固定蛇管的固定型式(a)單螺栓固定型式;(b)單螺栓加固型式;(c)雙螺栓固定型式;

(b)(d)自由支承型式;(e)緊密排列固定型式;(f)防振加固型式蛇管的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)(a)與封頭固定;(b)用法蘭連接;(c)與短圓筒節(jié)焊接;(d)帶襯里結(jié)構(gòu);(e)螺紋連接?（三）蛇管的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)比較簡單，用在允許有少量飛濺和沖擊的場合。套管式接管，用于易腐蝕、易堵塞的場合，內(nèi)管便于清洗和更換，需要時還可用不同于外管的材料制造。很長，浸在液層中，可減少飛濺和沖擊液面引起的泡沫，還有液封作用，管子上部的小孔是為了避免虹吸現(xiàn)象。(a)固定式;進(jìn)料管結(jié)構(gòu)(b)可拆式;(c)內(nèi)伸式三、工藝接管（一）進(jìn)料管（二）出料管管卡材料

Q235-A?上出料管?下出料管1.攪拌器分類按流體流動形態(tài)按結(jié)構(gòu)分類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)推進(jìn)式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉徑向流攪拌器混合流攪拌器軸向流攪拌器第三節(jié)一、攪拌器的形式和選用反應(yīng)釜的攪拌裝置按攪拌用途分類低粘流體用攪拌器高粘流體?推進(jìn)式、長薄葉螺旋槳、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、三葉后彎式等。?錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺用攪拌器

帶式（單螺帶、雙螺帶）、螺旋—螺帶式軸流式混流式徑流式攪拌器槳式、推進(jìn)式、渦輪式和錨式攪拌器在攪拌反應(yīng)設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛，據(jù)統(tǒng)計約占攪拌器總數(shù)的75～80％。2.攪拌器的形式1)槳式攪拌器?結(jié)構(gòu)最簡單,葉片用扁鋼制成，焊接或用螺栓固定在輪轂上，葉片數(shù)是2、3或4片，葉片形式可分為平直葉式和折葉式兩種。2)渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器（又稱透平式葉輪），是應(yīng)用較廣的一種攪拌器，能有效地完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的流體。平直葉—剪切作用較大，屬剪切型攪拌器。彎葉—葉片朝著流動方向彎曲，降低功率消耗，適用含有易碎固體顆粒的流體攪拌。渦輪式攪拌器:開式直葉渦輪(b)開式彎葉渦輪式(c)開式折葉渦輪式(d)圓盤直葉渦輪式(e)圓盤彎葉渦輪式(f)閉式彎葉渦輪式3）錨式、框式攪拌器?結(jié)構(gòu)簡單。適用于粘度在100Pa·s以下的流體

攪拌；當(dāng)流體粘度在

100Pa·s以上時，可在

錨式槳中間加一橫槳葉，即為框式攪拌器，以增

加容器中部的混合。鋪式和框式攪拌器(a)適合于橢圓形或碟形下封頭的錨式攪拌器;(b)適合于橢圓形或碟形下封頭的框式攪拌器;(c)適用于錐形封頭的攪拌器4）推進(jìn)式攪拌器?推進(jìn)式攪拌器（又稱船用推進(jìn)器）常用于低粘流體中。5）其他攪拌器螺桿式攪拌器螺帶式攪拌器3.攪拌器的選用攪拌器選型一般考慮攪拌目的、物料粘度和攪拌容器容積的大小。選用時除滿足工藝要求外，還應(yīng)考慮功耗低、操作費用省，以及制造、維護(hù)和檢修方便等因素。攪拌目的擋板條件推薦形式流動狀態(tài)互溶液體的混合及在其中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)無擋板三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、槳式、圓盤渦輪湍流(低粘流體)有導(dǎo)流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式有或無導(dǎo)流筒槳式、螺桿式、框式、螺帶式、錨式層流(高粘流體)固—液相分散及在其中溶解和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有或無擋板槳式、六葉折葉開啟式渦輪湍流(低粘流體)有導(dǎo)流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式有或無導(dǎo)流筒螺帶式、螺桿式、錨式層流(高粘流體)液—液相分散（互溶的液體）及在其中強化傳質(zhì)和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有擋板三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、槳式、圓盤渦輪式、推進(jìn)式湍流(低粘流體)攪拌目的與推薦的攪拌器形式液—液相分散（不互溶的液體）及在其中強化傳質(zhì)和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有擋板圓盤渦輪、六葉折葉開啟渦輪湍流(低粘流體)有反射物三葉折葉渦輪有導(dǎo)流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式有或無導(dǎo)流筒螺帶式、螺桿式、錨式層流(高粘流體)氣—液相分散及在其中強化傳質(zhì)和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)有擋板圓盤渦輪、閉式渦輪湍流(低粘流體)有反射物三葉折葉渦輪有導(dǎo)流筒三葉折葉渦輪、六葉折葉開啟渦輪、推進(jìn)式有導(dǎo)流筒螺桿式層流(高粘流體)無導(dǎo)流筒錨式、螺帶式?攪拌目的與推薦的攪拌器形式（續(xù)）二、按攪拌器型式和適用條件選型攪拌機頂插式中心安裝立式圓筒的三種基本流型：徑向流、軸向流和切向流。?流體流動方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成二股流體分別向上、向?下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下二個循環(huán)流動。?流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再向上翻，形成上下循環(huán)流。?無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運動，流速高時液體表面會形成漩渦，流體從槳?葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。?注：有◆者為可用，空白者不詳或不合用?攪拌器在容器內(nèi)的安裝方式?(a)垂直偏心式?(b)?底插式?(c)?側(cè)插式?(d)?斜插式?(e)?臥式三、攪拌附件為了改善物料的流動狀態(tài),在攪拌反應(yīng)釜內(nèi)增設(shè)的零件稱為攪拌附件,通常指擋板和導(dǎo)流筒。(一)擋板—消除打漩和提高混合效果。一般在容器內(nèi)壁面均勻安裝4塊擋板,???寬度為容器直徑的1/12～1/10。攪拌容器中的傳熱蛇管可部分或全部代替擋板，裝有垂直換熱管時一般可不再安裝擋板。豎向擋板的安裝位置：要根據(jù)實際情況而定，安裝豎擋板時，一般可使擋板的上端與靜液面相齊，其下端略低于下封頭與筒的焊縫線即可。在高黏度物料中使用槳式攪拌器時，可安裝橫擋板以增加摻合作用，擋板寬度可與攪拌葉同寬。(二)導(dǎo)流筒1)上下開口圓筒，導(dǎo)流筒直徑約為容器直徑的70%。安裝于容器內(nèi)，在攪拌混合中起導(dǎo)流作用。2)導(dǎo)流筒的作用：提高混合效率。一方面提高對筒內(nèi)液體攪拌程度,加強攪拌器對液體的直接機械剪切作用;一方面,由于限制了流體的循環(huán)路徑,確定充分循環(huán)的流型，使反應(yīng)釜內(nèi)所有物料均能通過導(dǎo)流筒內(nèi)的強烈混合區(qū),減小走短路的機會。渦輪式或槳式攪拌器導(dǎo)流筒置于槳葉的上方推進(jìn)式攪拌器導(dǎo)流筒套在槳葉外面，或略高于槳葉。第四節(jié) 傳動裝置傳動裝置包括電動機、減速機、聯(lián)軸器、機座和機架。1—電動機；?2—減速機；?3—聯(lián)軸器；?4—支架；?5—攪拌軸；?6—軸封裝置；?7—凸緣；?8—上封頭一、電動機的選型由攪拌功率計算電動機的功率P

：式中Pe—攪拌功率，kW；Ps—軸封消耗功率，kW；η—傳動系統(tǒng)的機械效率。電動機的型號應(yīng)根據(jù)功率、工作環(huán)境等因素選擇。工作環(huán)境包括防爆、防護(hù)等級、腐蝕環(huán)境等。功率≥18.5KW電機采用6極電機（轉(zhuǎn)速950-1000r/min），其余用

6極電機（轉(zhuǎn)速950-1000r/min）或4極電機（轉(zhuǎn)速1450-1500r/min）。2極電機（轉(zhuǎn)速2950-3000r/min）二、減速機選型常用擺線針輪行星減速機、齒輪減速機、三角皮帶減速機以及圓柱蝸桿減速機。選用原則：根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速。選用時應(yīng)優(yōu)先考慮傳動效率高的齒輪減速機和擺線針輪行星減速機。?擺線針輪行星?減速機?兩級齒輪?減速機?三角皮帶?減速機特性參數(shù)減速機類型擺線針輪行星減速機齒輪減速機三角皮帶減速機圓柱蝸桿減速機傳動比i87～912～64.53～2.9680～15輸出軸轉(zhuǎn)速/(r/min)17～16065～250200～50012～100輸入功率/kW0.04～550.55～3150.55～2000.55～55傳動效率0.93～0.950.95～0.960.85～0.860.80～0.90傳動原理利用少齒差內(nèi)嚙合行星傳動兩級同中距并流式斜齒輪傳動單級三角皮帶傳動圓弧齒圓柱蝸桿傳動?四種常用減速機的基本特性