第12章 攪拌設備

12攪拌設備---過程工業(yè)的核心設備

12.1概述化學工業(yè)中，很多化工生產都或多或少地應用著攪拌操作。化學工藝過程的種種化學變化是以參加反應物質的充分混合為前提的，對于加熱、冷卻和液體萃取，以及氣體吸收等物理變化過程，也往往要采用攪拌操作才能得到好的效果。本章以攪拌釜式反應器的設計為例介紹攪拌設備。（1）攪拌操作的目的：①使兩種或兩種以上的液體混合均勻；②使固體粒子（如催化劑）在液相中均勻的懸浮；③使不相容的另一液相均勻懸浮或充分乳化；④使氣體在液相中很好地分散；⑤促進化學反應和加速物理變化過程，如促進溶解、吸收、吸附、萃取、傳熱等過程的速率。（2）攪拌操作分類①氣流攪拌是利用氣體鼓泡通過液體層，對液體產生攪拌作用，或使氣泡群以密集狀態(tài)上升，促進液體產生對流循環(huán)。與機械攪拌相比，僅氣泡的作用對液體所進行的攪拌是比較軟弱的，對于高粘度液體是難以適用的。因此在工業(yè)生產中，大多數(shù)的攪拌操作均系機械攪拌。②機械攪拌是一種廣泛應用的操作單元，它的原理涉及流體力學、傳熱、傳質及化學反應等多種過程。攪拌過程就是在流動場中進行單一的動量傳遞或是包括動量、熱量、質量傳遞及化學反應的過程。（3）攪拌釜式反應器工作原理對于不同的氣體混合在一起，由于氣體分子擴散速率很快，不需要施加任何外力就能形成有不同分子均勻分布的混合物。但液體分子的擴散速率卻很小，單靠分子擴散而達到兩種或多種液體的均勻混合是很難的，一般情況下通過葉輪的旋轉把機械能傳給液體物料，造成強制對流擴散，以達到均勻混合的目的。（4）攪拌釜式反應器組成和應用攪拌釜式反應器典型結構如圖12-1所示，由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內構件。攪拌機包括攪拌裝置及其密封裝置和傳動裝置。123456789101112131-電機；2-減速機；3-機座；4-加料管；5-內筒；6-夾套；7-出料管；8-攪拌軸；9-攪拌槳；10-支座；11-人孔；12-軸封裝置；13-聯(lián)軸器圖12-1攪拌反應器12.2攪拌釜式反應器

機械設計的步驟和內容攪拌釜式反應器的機械設計是在工藝設計完成后進行的。工藝上給出的條件一般包括：釜體容積、最大工作壓力、工作溫度、介質腐蝕性、傳熱面積、攪拌形式、轉速和功率、工藝接管尺寸、方位等。這些條件通常以表格或示意圖的形式反映到機械設計任務書中。機械設計過程就是設計者根據(jù)工藝提出的要求和條件，對攪拌釜式反應器的容器、攪拌軸、傳動裝置和軸封結構進行合理的選型、設計和計算。攪拌釜式反應器的機械設計大體上按以下步驟進行：（1）總體結構設計：根據(jù)工藝要求考慮制造、安裝和使用維修方便等，確定各部分結構型式和尺寸，如封頭、傳熱面、傳動類型、軸封和各種附件的結構型式和連接形式等；（2）材料選擇：根據(jù)壓力、溫度、介質等情況經濟合理選擇材料；（3）強度和穩(wěn)定性的計算：對釜體、封頭、夾套、攪拌軸等進行強度計算和必要的穩(wěn)定性計算校核；（4）零部件設計和選用：包括電動機、減速機、聯(lián)軸器、軸封類型以及機架、支座等有關零部件的選用和設計；（5）圖樣繪制：包括總裝圖和零部件圖，標準零件在裝配圖上應注明標準號，必要時應注明生產廠家；（6）提出技術要求：提出制造、裝配、檢驗和試車等方面的要求；（7）編寫計算說明書：包括設備設計重要問題的論證，受壓元件的主要零部件的設計計算，主要零部件設計選用依據(jù)說明等。12.3攪拌容器的結構設計根據(jù)工藝需要，容器上裝有各種接管，以滿足進料、出料和排氣等要求；為對物料加熱或取走反應熱，常設置外夾套或內盤管；為了減速機和軸封相連接，上封頭焊有凸緣法蘭；操作過程中為了對反應進行控制，必須測量反應物的溫度、壓力、成分及其它參數(shù)，容器上還設置有溫度、壓力等傳感器。為了便于檢修內件及加料和排料，需要裝焊人孔、手孔和各種接管；有時為了改變物料的流型、增加攪拌強度、強化傳質和傳熱，還要在罐體的內部焊裝擋板和導流筒。支座選用時應考慮容器的大小和安裝位置，小型的反應器一般用懸掛式支座，大型的用裙式支座或支承式支座。釜的內筒和夾套都是承壓容器，筒體和封頭的強度計算應當考慮可能出現(xiàn)的最危險工況。釜體設計1、反應釜的釜體尺寸反應釜的釜體是由封頭和筒體組成，下封頭與筒體一般為焊接，上封頭與筒體也常用焊接，但在筒體Di＜1500mm的場合多做成法蘭聯(lián)接。筒體的直徑和高度是釜體設計的基本尺寸。工藝條件通常給出設備容積或操作容積，有時也給出筒體內徑，或者筒體高度和筒體內徑之比(稱為長徑比)。工藝設計給定的容積，對直立式攪拌容器通常是指筒體和下封頭兩部分容積之和；對臥式攪拌容器則指筒體和左右兩封頭容積之和。（1）確定長徑比時應該考慮如下因素：①長徑比對攪拌功率的影響②長徑比對傳熱的影響③反應過程對長徑比的要求表12-1幾種攪拌設備筒體的長徑比種類罐內物料類型長徑比種類罐內物料類型長徑比一般攪拌罐液-固相、液-液相1~1.3聚合釜懸浮液、乳化液2.08~3.85氣-液相1~2發(fā)酵罐發(fā)酵液1.7~2.5（2）確定釜體內直徑和高度釜體內直徑Di和高度H與釜容積的大小有關，容積的大小又和攪拌反應器的生產能力有關。首先應該根據(jù)年產量、釜的操作方式(間歇操作成連續(xù)操作)確定每一釜反應物料的容積Vg，然后可按下列步驟確定釜體內直徑Di和高度H：①確定裝料系數(shù)η，計算釜的實際容積V。若操作時盛裝物料的容積為Vg（即公稱容積VN），則釜的容積為：（12-1）裝料系數(shù)η值通常可取0.6～0.85。如果物料在反應過程中產生泡沫或呈沸騰狀態(tài)，取0.6～0.7，如果物料在反應中比較平穩(wěn)，可取0.8～0.85（物料黏度較大可取大值）。②估算筒體內徑。為簡化計算，先忽略封頭容積，認為：（12-2）則

（12-3）③確定公稱直徑DN。在公稱直徑系列中選定一最接近Di的公稱直徑DN。④確定筒體高度H。根據(jù)公稱直徑DN，查封頭容積υ，計算筒體高。（12-4）⑤驗算H／DN(大致符合即可)，確定公稱直徑DN和高度H。2、換熱元件

有傳熱要求的攪拌反應器，為維持反應的最佳溫度，需要設置換熱元件所需要的傳熱面積應根據(jù)攪拌反應釜升溫、保溫或冷卻過程的傳熱量和傳熱速率來計算。常用的換熱元件有夾套和蛇管。當夾套的換熱面積能滿足傳熱要求時，應優(yōu)先采用夾套，當傳熱量很大，僅用夾套傳熱面積不足時，就需要在筒體內部增設蛇管。（1）夾套換熱所謂夾套就是在容器的外側，用焊接或法蘭連接的方式裝設各種形狀的鋼結構，使其與容器外壁形成密閉的空間。在此空間內通人加熱或冷卻介質，可加熱或冷卻容器內的物料。夾套的主要結構型式有：整體夾套、型鋼夾套、半圓管夾套和蜂窩夾套等整體夾套圓筒型:傳熱面積較小，適用于換熱量要求不大的場合。U型:傳熱面積大，是最常用的結構。型鋼夾套型鋼夾套一般用角鋼與筒體焊接組成半圓管夾套半圓管或弓形管由帶材壓制而成，加工方便。當載熱介質流量小時宜采用弓形管。半圓管夾套的缺點是焊縫多，焊接工作量大，筒體較薄時易造成焊接變形。蜂窩夾套蜂窩夾套是以整體夾套為基礎，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，從而減薄筒體厚度，強化傳熱效果。常用的蜂窩夾套有折邊式和拉撐式兩種型式。夾套向內折邊與筒體貼合好再進行焊接的結構稱為折邊式蜂窩夾套。拉撐式蜂窩夾套是用沖壓的小錐體或鋼管做拉撐體。（2）蛇管換熱當反應器的熱量僅靠外夾套傳熱換熱面積不夠時常采用蛇管蛇管浸沒在物料中，熱量損失小，傳熱效果好，但檢修較困難。蛇管可分為螺旋形蛇管和豎式蛇管，對稱布置的幾組豎式蛇管除傳熱外，還起到擋板作用，但是會增大所需要的攪拌器運行功率，且蛇管的材質必須耐介質的腐蝕。蛇管如果承受蒸汽壓力時應當用無縫鋼管。攪拌系統(tǒng)攪拌裝置攪拌裝置由攪拌器、攪拌軸及其支承組成。攪拌器的作用概括地說就是加強介質的混合或分散，提供工藝過程所需的能量和適宜的流動狀態(tài)，以加快反應速度，強化傳熱和傳質，達到攪拌過程的目的。攪拌器攪拌器與流動特征攪拌器又稱攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應器的關鍵部件。其功能是提供過程所需要的能量和適宜的流動狀態(tài)。攪拌器旋轉時把機械能傳遞給流體，在攪拌器附近形成高湍動的充分混合區(qū)，并產生一股高速射流推動液體在攪拌容器內循環(huán)流動。這種循環(huán)流動的途徑稱為流型。流型攪拌器的流型與攪拌效果、攪拌功率的關系十分密切。攪拌器的改進和新型攪拌器的開發(fā)往往從流型著手。攪拌容器內的流型取決于攪拌器的形式、攪拌容器和內構件幾何特征，以及流體性質、攪拌器轉速等因素。對于攪拌機頂插式中心安裝的立式圓筒，有三種基本流型。(1)

徑向流流體的流動方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環(huán)流動。(2)

軸向流

流體的流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流。(3)切向流無擋板的容器內，流體繞軸作旋轉運動，流速高時液體表面會形成漩渦，這種流型稱為切向流。此時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。上述三種流型通常同時存在，其中軸向梳與徑向流對混合起主要作用，而切向流應加以抑制，采用擋板可削弱切向流，增強軸向流和徑向流。除中心安裝的攪拌機外，還有偏心式、底插式、側插式、斜插式、臥式等安裝方式，不同方式安裝的攪拌機產生的流型也各不相同。擋板與導流筒（1）擋板為消除打漩現(xiàn)象，通?？稍谌萜髦屑尤霌醢濉Ｒ话阍谌萜鲀缺诿婢鶆虬惭b4塊擋板，其寬度為容器直徑的1/12~1/10。當再增加擋板數(shù)和擋板寬度，功率消耗不再增加時，稱為全擋板條件。全擋板條件與擋板數(shù)量和寬度有關。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。（2）導流筒導流筒是上下開口圓筒，安裝于容器內，在攪拌混合中起導流作用。對于渦輪式或槳式攪拌器，導流筒剛好置于槳葉的上方。對于推進式攪拌器，導流筒套在槳葉外面，或略高于槳葉，通常導流筒的上端都低于靜液面，且筒身上開孔或槽，當液面降落后流體仍可從孔或槽進入導流筒。導流筒將攪拌容器截面分成面積相等的兩部分，即導流筒的直徑約為容器直徑的70%。當攪拌器置于導流筒之下，且容器直徑又較大時，導流筒的下端直徑應縮小，使下部開口小于攪拌器的直徑。

流動特性當攪拌器輸入流體的能量主要用于流體的循環(huán)流動時，稱為循環(huán)型葉輪，如框式、螺帶式、錨式、槳式、推進式等。當輸入液體的能量主要用于對流體的剪切作用時，則稱為剪切型葉輪，如徑向渦輪式、鋸齒圓盤式等。攪拌器分類、圖譜及典型攪拌器特性按流體流動形態(tài)，攪拌器可分為軸向流攪拌器徑向流攪拌器混合流攪拌器。攪拌器的徑向、軸向和混合流型的圖譜如下：按攪拌器結構可分為平葉折葉槳式、渦輪式、框式和錨式的槳葉都有平葉和折葉兩種結構；螺旋面葉。推進式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉。按攪拌的用途可分為：低粘流體用攪拌器用于低粘流體攪拌器有：推進式、長薄葉螺旋槳、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式、MIG和改進MIG等。高粘流體用攪拌器。用于高粘流體的攪拌器有：錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式(單螺帶、雙螺帶)、螺旋—螺帶式等。槳式、推進式、渦輪式和錨式攪拌器在攪拌反應設備中應用最為廣泛，據(jù)統(tǒng)計約占攪拌器總數(shù)的75％一80％。下面介紹這幾種常用的攪拌器。槳式攪拌器槳式攪拌器是攪拌器中結構最簡單的一種攪拌器，一般葉片用扁鋼制成，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。槳式攪拌器主要用于流體的循環(huán)，由于在同樣排量下，折葉式比平直葉式的功耗少，操作費用低，故軸流槳葉使用較多。槳式攪拌器也可用于高粘流體的攪拌，促進流體的上下交換，代替價格高的螺帶式葉輪，能獲得良好的效果。槳式攪拌器的轉速一般為20—100r／min，最高粘度為20Pa·s。推進式攪拌器攪拌時流體的湍流程度不高，但循環(huán)量大。容器內裝擋板、攪拌軸偏心安裝或攪拌器傾斜，可防止漩渦形成。推進式攪拌器的直徑較小，d／D=1/4~1/3，葉端速度一般為7～10m／s，最高達15m／s。推進式攪拌器結構簡單，制造方便，適用于粘度低、流量大的場合，利用較小的攪拌功率，通過高速轉動的槳葉獲得較好的攪拌效果，主要用于液-液系混合、使溫度均勻，在低濃度固-液系中防止淤泥沉降等。推進式攪拌器的循環(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(又稱透平式葉輪)，是應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。渦輪式攪拌器可分為開式和盤式兩類。開式有平直葉、斜葉、彎葉等；盤式有圓盤平直葉、圓盤斜葉、圓盤彎葉等。錨式攪拌器錨式或框式槳葉的混合效果并不理想，只適用于對混合要求不太高的場合。也常用于攪拌高濃度淤漿和沉降性淤漿，當攪拌粘度大于100Pa·s的流體時，應采用螺帶式或螺桿式?？蚴饺~輪錨式葉輪攪拌器的選用攪拌操作涉及流體的流動、傳質和傳熱，所進行的物理和化學過程對攪拌效果的要求也不同，至今對攪拌器的選用仍帶有很大的經驗性。攪拌器選型一般從三個方面考慮：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，還應考慮功耗、操作費用，以及制造、維護和檢修等因素。常用的攪拌器選用方法如下：按攪拌目的選型按攪拌器型式和適用條件選型按攪拌目的選型按攪拌器型式和適用條件選型攪拌功率計算攪拌功率是指攪拌器以一定轉速進行攪拌時，對液體做功并使之發(fā)生流動所需的功率。計算攪拌功率的目的：用于設計或校核攪拌器和攪拌軸的強度和剛度用于選擇電機和減速機等傳動裝置①攪拌器的幾何尺寸與轉速：攪拌器直徑、槳葉寬度、槳葉傾斜角、轉速、單個攪拌器葉片數(shù)、攪拌器距離容器底部的距離等。②攪拌容器的結構：容器內徑、液面高度、擋板數(shù)、擋板寬度、導流筒的尺寸等。③攪拌介質的特性：液體的密度、粘度。④重力加速度。影響攪拌功率的因素主要有以下四個方面：B—槳葉寬度，m；d—攪拌器直徑，m；D—攪拌容器內直徑，m；Fr—弗勞德數(shù)，F(xiàn)r=n2d/g；h—液面高度，m；K—系數(shù)；n—轉速，s-1；上述影響因素可用下式關聯(lián)Np—功率準數(shù)；P—攪拌功率，W；r，q—指數(shù)；Re—雷諾數(shù)，Re=d2nρ/μρ——密度，kg／m3；μ——粘度，Pa·s。一般情況下弗勞德數(shù)Fr的影響較小。容器內直徑D、擋板寬度b等幾何參數(shù)可歸結到系數(shù)K。由式(8-1)得攪拌功率P為上式中ρ、n、d為已知數(shù)，故計算攪拌功率的關鍵是求得功率準數(shù)Np。在特定的攪拌裝置上，可以測得功率準數(shù)Np與雷諾數(shù)Re的關系。將此關系繪于雙對數(shù)坐標圖上即得功率曲線。圖8-27為六種攪拌器的功率曲線。攪拌軸設計設計攪拌軸時，應考慮四個因素：①扭轉變形；②臨界轉速；③扭矩和彎矩聯(lián)合作用下的強度；④軸封處允許的徑向位移?？紤]上述因素計算所得的軸徑是指危險截面處的直徑。確定軸的實際直徑時，通常還得考慮腐蝕裕量，最后把直徑圓整為標準軸徑。

攪拌軸的力學模型

按扭轉變形計算攪拌軸的軸徑攪拌軸受扭矩和彎矩的聯(lián)合作用，扭轉變形過大會造成軸的振動，使軸封失效，因此應將軸單位長度最大扭轉角γ限制在允許范圍內?？傻脭嚢栎S的直徑為：按臨界轉速校核攪拌轱的直徑

當攪拌軸的轉速達到軸自振頻率時會發(fā)生強烈振動，并出現(xiàn)很大彎曲，這個轉速稱為臨界轉速，記作nc。在靠近臨界轉速運轉時，軸常因強烈振動而損壞，或破壞軸封而停產。因此工程上要求攪拌軸的工作轉速避開臨界轉速，工作轉速低于第一臨界轉速的軸稱為剛性軸，要求，n≤0.7nc；工作轉速大于第一臨界轉速的軸稱為柔性軸，要求，n≥1.3nc。一般攪拌軸的工作轉速較低，大都為低于第一臨界轉速下工作的剛性軸。臨界轉速與支承方式、支承點距離及軸徑有關，不同型式支承軸的臨界轉速的計算方法不同。不同型式的攪拌器、攪拌介質，剛性軸和柔性軸的工作轉速n與臨界轉速nc的比值可參考下表。按強度計算攪拌軸的直徑攪拌軸的強度條件是則攪拌軸的直徑按軸封處允許徑向位移驗算軸徑軸封處的徑向位移主要由三個因素引起：①軸承的徑向游隙；②流體形成的水平推力；③攪拌器及附件組合質量不均勻產生的離心力。因此要分別計算其徑向位移，然后疊加，使總徑向位移δL0小于允許的徑向位移[δ]L0。減小軸端撓度、提高攪拌軸臨界轉速的措施

縮短懸臂段攪拌軸的長度增加軸徑設置底軸承或中間軸承設置穩(wěn)定器密封裝置用于機械攪拌反應器的軸封主要有兩種：填料密封和機械密封。軸封的目的是避免介質通過轉軸從攪拌容器內泄漏或外部雜質滲入攪拌容器內。填料密封填料密封結構簡單，制造容易，適用于非腐蝕性和弱腐蝕性介質、密封要求不高、并允許定期維護的攪拌設備。在壓蓋壓力作用下，裝在攪拌軸與填料箱本體之間的填料，對攪拌軸表面產生徑向壓緊力。由于填料中含有潤滑劑，因此，在對攪拌軸產生徑向壓緊力的同時，形成一層極薄的液膜，一方面使攪拌軸得到潤滑，另一方面阻止設備內流體的逸出或外部流體的滲人，達到密封的目的。填料密封不可能絕對不漏，因為增加壓緊力，填料緊壓在轉動軸上，會加速軸與填料間的磨損，使密封更快失效。填料密封的工作原理機械密封機械密封是把轉軸的密封面從軸向改為徑向，通過動環(huán)和靜環(huán)兩個端面的相互貼合，并作相對運動達到密封的裝置，又稱端面密封。機械密封的泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用壽命長，在攪拌反應器中得到廣泛地應用。A點是動環(huán)與軸之間的密封，屬靜密封，密封件常用“O”形環(huán)，B點是動環(huán)和靜環(huán)作相對旋轉運動時的端面密封，屬動密封，是機械密封的關鍵。C點是靜環(huán)與靜環(huán)座之間的密封，屬靜密封。D點是靜環(huán)座與設備之間的密封，屬靜密封動環(huán)和靜環(huán)之間的摩擦面稱為密封面。密封面上單位面積所受的力稱為端面比壓，它是動環(huán)在介質壓力和彈簧力的共同作用下，緊壓在靜環(huán)上引起的，是操作時保持密封所必需的凈壓力。機械密封工作原理傳動裝置傳動裝置包括電動機減速機聯(lián)軸器機架。式中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