第一篇 反應(yīng)器

第一篇反應(yīng)器第一節(jié)概述

反應(yīng)器又稱化學(xué)反應(yīng)設(shè)備，即用于實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的設(shè)備。生產(chǎn)過(guò)程中，聚合、熔融、混合、溶解等工序都要應(yīng)用反應(yīng)器。一、反應(yīng)器的構(gòu)造和種類1.構(gòu)造2.種類：反應(yīng)器種類很多，可以從不同的角度加以分類。按生產(chǎn)工藝：間歇式（分批式）：在反應(yīng)前將物料一次性加入直至反應(yīng)到達(dá)規(guī)定的轉(zhuǎn)化率后輸出產(chǎn)物，如滌綸間歇聚合釜；半間歇式：預(yù)先將一些反應(yīng)物在反應(yīng)前加入反應(yīng)器，而其余反應(yīng)物則在反應(yīng)過(guò)程中連續(xù)或間斷加入，或在反應(yīng)過(guò)程中將某種產(chǎn)物從反應(yīng)器中輸出；連續(xù)式：將反應(yīng)物連續(xù)輸入反應(yīng)器，并連續(xù)輸出反應(yīng)器，如腈綸聚合釜和滌綸連續(xù)聚合釜。按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)攪拌式無(wú)攪拌式（干燥塔）按安裝形式立式臥式按設(shè)計(jì)方法薄壁容器：Dw/Dn≤1.2

厚壁容器：Dw/Dn>1.2式中Dw－容器外徑Dn－容器內(nèi)徑為了設(shè)計(jì)計(jì)算的方便受內(nèi)壓容器受外壓容器按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)釜式管式臥式特種反應(yīng)器二、對(duì)反應(yīng)器的主要要求1.容積－確定V、L/D反應(yīng)器的容積（V）必須與生產(chǎn)能力相適應(yīng)，高度與直徑之比（L/D）必須滿足工藝要求；2.強(qiáng)度（剛度）－壁厚在工作溫度和壓力下，各零部件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度；3.當(dāng)物料有腐蝕性時(shí)，反應(yīng)器應(yīng)耐腐蝕，且保證物料不變質(zhì)；4.密封可靠，操作安全；5.結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)單，制造維修方便，材料來(lái)源廣，價(jià)格低廉等。第二節(jié)反應(yīng)器殼體一、受內(nèi)壓的反應(yīng)器殼體分析薄壁容器的應(yīng)力有兩種理論：1.無(wú)力矩理論：設(shè)殼體很薄，殼體截面上無(wú)法承受彎矩，只有拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，不存在彎應(yīng)力；2.有力矩理論：殼體有一定的厚度和剛度，因而除受拉或壓應(yīng)力外，還有彎矩或彎應(yīng)力。1.受內(nèi)壓薄壁圓筒應(yīng)力分析⑴環(huán)向應(yīng)力δ2

L?D?P=2?S?L?δ2

⑴

δ2=DP/2S

⑵⑵軸向應(yīng)力δ1P?π?D2/4=π?D?S?

δ1

⑶則δ1

=DP/4S⑷⑶分析①δ2＝2δ1

a.環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，因此軸向焊縫要特別加強(qiáng)；b.開(kāi)橢圓形人孔時(shí)，應(yīng)將短軸放在Z軸方向上。②δ與D成正比，因此對(duì)相同體積的圓筒，L/D大的更為耐壓。

2.桶體頂蓋（封頭）簡(jiǎn)介⑴球形封頭制造困難,直徑超過(guò)2.5m時(shí),可用數(shù)塊鋼板焊接；⑵碟形封頭制造容易,深度小；

Rn=Dn

球面半徑r=0.1~0.15Dn過(guò)渡曲面半徑h2=0.226Dn圓筒折邊高度S封頭=S+10%SS為筒體厚度 目前，只是當(dāng)橢圓形封頭的模具加工困難或缺乏大型鍛壓設(shè)備時(shí)，才以人工敲打來(lái)制造碟形封頭。⑶橢圓形封頭它由半個(gè)橢球殼和一段高度為h的直邊部分組成，h值取25~50毫米。設(shè)置直邊部分的目的是為了使邊緣應(yīng)力的作用區(qū)避開(kāi)封頭與圓筒的連接焊縫。

①由于橢圓形封頭的母線的曲率半徑變化是連續(xù)的，所以封頭中的應(yīng)力分布較碟形封頭均勻；②從制造角度看，由于橢圓封頭的深度較半球形封頭淺，所以整沖壓比較容易，但仍比碟形封頭困難； ③橢圓形封頭較好的力學(xué)性能及較易制造的特點(diǎn)，使它在中、低壓容器（設(shè)備）上獲得廣泛應(yīng)用。

⑷錐形封頭多用于底蓋，便于收集并卸除設(shè)備中的物料，出料根據(jù)物料粘度α=45~1200

，厚度與桶體相同。注意：平板形封頭制造方便，但承受能力差，一般只用作常壓容器的頂蓋。

容器的筒體和半球形封頭在聯(lián)接處若存在自由變形不協(xié)調(diào)，將產(chǎn)生附加力系，稱為邊緣力系，與此相應(yīng)的應(yīng)力稱為邊緣應(yīng)力。二、受外壓的反應(yīng)器殼體

反應(yīng)器受外壓時(shí)其軸向及環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力。受內(nèi)壓薄殼容器的破壞是由于強(qiáng)度不足而引起破裂。外壓薄殼容器即使在強(qiáng)度足夠的情況下，也會(huì)被壓癟而出現(xiàn)波形斷面。

容器在外壓下失去原形而出現(xiàn)波形斷面的現(xiàn)象稱為喪失穩(wěn)定。失去穩(wěn)定時(shí)的外壓力稱為臨界壓力。

容器喪失穩(wěn)定的主要原因是容器本身的平衡狀態(tài)遭到破壞。

薄壁圓筒的幾何尺寸和材料不同，臨界壓力的大小不同，喪失穩(wěn)定性時(shí)的斷面形狀也不同，長(zhǎng)徑比大的圓筒失穩(wěn)后斷面呈扁圓形，這種圓筒稱長(zhǎng)圓筒；長(zhǎng)徑比小的圓筒失穩(wěn)后呈兩個(gè)以上的波形，這種圓筒稱為短圓筒。對(duì)鋼制外壓薄壁圓筒，區(qū)別長(zhǎng)短的長(zhǎng)徑比可由下式算得：

式中：L?圓筒計(jì)算長(zhǎng)度（厘米）（為法蘭或兩加強(qiáng)圈的中心距，如有封頭焊接在筒身上，應(yīng)計(jì)入1/3hw，hw為封頭曲線部分的高度）Dw?圓筒外直徑（厘米）S?不包括附加量的計(jì)算壁厚（厘米）

化纖生產(chǎn)中，使用 反應(yīng)器絕大多數(shù)為短圓 筒，鋼制外壓短圓筒的 壁厚計(jì)算公式：式中：m?穩(wěn)定系數(shù)p?操作壓力mp－臨界壓力E?彈性模量（公斤/厘米2）短圓筒：當(dāng)圓筒兩端的邊界影響不能忽略時(shí)，此時(shí)圓筒稱為短圓筒。短圓筒失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)三個(gè)以上的波。第三節(jié)反應(yīng)器的主要尺寸及設(shè)計(jì)指示一、反應(yīng)器的容積⒈間歇式反應(yīng)器

式中：Qd－日產(chǎn)量kg（24小時(shí)）T－操作周期（小時(shí)）（包括輔助生產(chǎn)時(shí)間，如：加料、出料甚至清釜）σ－設(shè)備的備用系數(shù)（通常取0.1～0.15，重要機(jī)臺(tái)取0.25～0.5）

γ－視比重，又稱假比重（kg/m3）即每立方米容積的物料重量。（例：4×3×3mm3的聚酯切片，γ在800～900之間）φ－填充系數(shù) 通常取0.7～0.9，如果反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)泡沫或沸騰現(xiàn)象，φ值應(yīng)減小。n－設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)⒉連續(xù)式反應(yīng)器對(duì)于連續(xù)化生產(chǎn)的反應(yīng)器，在知道物料反應(yīng)達(dá)到預(yù)定工藝標(biāo)準(zhǔn)所需反應(yīng)時(shí)間后，用類似的方法可以算出反應(yīng)器所需體積：

T—反應(yīng)時(shí)間

二、反應(yīng)器的直徑

反應(yīng)器的直徑應(yīng)根據(jù)（化纖）工藝來(lái)定。⒈化纖工藝角度例如，粘膠靜置脫泡裝置直徑很大，可縮短氣泡浮出液面路程。⒉工作壓力角度大多數(shù)反應(yīng)器在工作時(shí)承受一定的壓力，殼體內(nèi)的應(yīng)力將隨直徑的增大而增加，故高壓容器的直徑一般設(shè)計(jì)得較小。

常壓下，L/D=1。壓力>1atm，L/D越大越好?；w廠常用<20kg/cm2。長(zhǎng)徑比定在1～2之間。⒊從制造工藝和節(jié)省材料等方面來(lái)考慮

球與立方體或直徑等于柱高的容器最省材料。三、設(shè)計(jì)指示1.桶體及頂蓋開(kāi)孔孔距不小于孔徑（方便接管）2.桶體及頂蓋開(kāi)孔孔徑不大于200mm3.如桶體直徑在Φ1200以上,需開(kāi)人孔Φ4004.如開(kāi)人孔，外緣必須加D=2d加強(qiáng)區(qū)，材料和桶體相同5.如開(kāi)手孔Φ＝1506.支腳不能全固定,需考慮熱脹冷縮第四節(jié)攪拌器一、攪拌的目的溶解物料，分散固體粉末，混合液體或用來(lái)加速化學(xué)反應(yīng)，強(qiáng)化傳熱過(guò)程?？傊菏箶嚢鑼?duì)象混合均勻，加強(qiáng)傳質(zhì)與傳熱，改善反應(yīng)物的接觸情況。二、攪拌器的型式與選擇＊⒈攪拌器的型式⑴槳式攪拌器平葉槳：低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液體主要為環(huán)流。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，徑向流增大主要是水平流，不利于軸向混合；折葉槳：軸向流動(dòng)增強(qiáng)，有利于攪拌混合。

槳葉有雙葉片和四葉片兩種，槳葉的轉(zhuǎn)速通常為20~200rpm，葉端線速度一般為1.5~3.0m/s，槳葉直徑d與攪拌釜直徑D之比d/D＝1/4~1/2，適用于粘度0.1~102Pa·s的液體的攪拌。 而槳葉的寬b與直徑d之比 b/d＝1/10~1/4，對(duì)于 液層比較高的攪拌釜可采 用多層槳葉。⑵錨式攪拌器轉(zhuǎn)速較低，剪切作用較小，但攪動(dòng)范圍較大，不易產(chǎn)生死區(qū)。對(duì)高粘度流體的攪拌，可利用槳葉的刮掃作用來(lái)防止攪拌器與釜壁之間產(chǎn)生滯留層，促進(jìn)傳熱和去除釜壁沉積物。

錨式攪拌器一般槳葉直徑d與釜徑D之比d/D＝0.95，葉端線速度一般為0.5~1.5m/s，槳葉的寬b與槳葉直徑d之比b/d＝1/12，當(dāng)錨式攪拌器中間加設(shè)橫梁或豎梁時(shí)，即稱為框式攪拌器。⑶推進(jìn)式攪拌器也稱螺旋槳式攪拌器，適合于粘度較低、液量較大的攪拌，利用較小的攪拌功率，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的槳葉獲得較好的攪拌效果。其直徑較小， d/D＝1/3~1/4，轉(zhuǎn) 速較高，一般為300 ~600rpm，葉端線速 度為5~15m/s。⑷渦輪式攪拌器又稱透平攪拌器。能處理粘度范圍較寬的液體，有較大的剪切力，可使液體微團(tuán)分散得很細(xì)，促進(jìn)良好的傳熱、傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)。槳葉的寬b與直徑d之比b/d＝1/5~1/8，d/D＝0.5~0.7，葉端線速度一般3~8m/s，常用的葉片數(shù)為4~8。⑸螺桿式攪拌器它是將螺距一定的螺旋葉片固定在攪拌軸上，也稱螺軸式攪拌器。當(dāng)液體粘度大于10Pa·s時(shí)，常采用螺桿式攪拌器。⑹螺帶式攪拌器適合于粘度較高的場(chǎng)合（如達(dá)103Pa·s以上）。具體構(gòu)型有單螺帶、雙螺帶、四螺帶和螺桿/螺帶式等。通常螺帶式攪拌器其螺距s與攪拌器直徑d之比為s/d＝1，螺帶葉寬b與 釜徑D之比為b/D＝0.1， d/D＝0.95。由于外螺帶可以與釜內(nèi)壁很好 地吻合，直接刮掃壁上的液體，有 利于夾套式攪拌釜的傳熱與去除釜 壁處的沉積物。⑺其他型式的攪拌器①偏心式攪拌器②底部傳動(dòng)攪拌器③臥式攪拌器⒉攪拌器的選擇

攪拌過(guò)程涉及流體的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)，其影響因素極其復(fù)雜。對(duì)于給定的攪拌過(guò)程，攪拌裝置型式和操作條件的選擇和設(shè)計(jì)，還沒(méi)有成熟的方法。⑴以液體粘度和反應(yīng)釜體積為依據(jù)選型⑵以流動(dòng)狀態(tài)、攪拌目的為依據(jù)選型⒊攪拌附件⑴擋板⑵導(dǎo)流筒⒋攪拌器的功率

攪拌器的型式選定后，就要確定攪拌功率，目的是：⑴衡量攪拌釜的攪拌強(qiáng)度

⑵選擇減速器（功率，速比）

⑶選擇電動(dòng)機(jī)，攪拌機(jī)械設(shè)計(jì)，提供基本數(shù)據(jù)（功率，轉(zhuǎn)速）

攪拌功率：攪拌器向流體輸出的功率P按下式計(jì)算:P=Kd5N3ρ式中：K為功率準(zhǔn)數(shù)，它是攪拌雷諾數(shù)Re(Re=d2Nρ/μ)的函數(shù)；d為攪拌器直徑；N為轉(zhuǎn)速；

ρ和μ為混合液的密度和粘度 對(duì)于一定幾何結(jié)構(gòu)的攪拌槽，K與Re的函數(shù)關(guān)系可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，將這函數(shù)關(guān)系繪成曲線稱為功率曲線。附加功率：(1)有溫度計(jì)插入管則加10%~20%(2)桶體內(nèi)表面粗糙加10%~20%(3)內(nèi)有蛇管加熱器加一倍(4)內(nèi)有導(dǎo)流桶加一倍三、傳動(dòng)裝置

攪拌器的轉(zhuǎn)速一般較低，所以在電動(dòng)機(jī)和攪拌器之間必須設(shè)置一個(gè)減速裝置，速率比不大的，可以直接采用三角皮帶傳動(dòng)；減速比大的，則要用減速箱。常用的減速箱有渦輪渦桿減速箱和行星擺線針輪減速器。渦輪渦桿減速器傳動(dòng)效率低，容易發(fā)熱，重量大和壽命短；而行星擺線針輪減速器結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，使用日趨廣泛。⒈電機(jī)功率的確定N電機(jī)=[1.3~1.4(N計(jì)+N附加)]/η1.3~1.4啟動(dòng)功率系數(shù)η總效率=0.7⒉軸徑的確定d=A(N電機(jī)/n)1/3式中:A?材料常數(shù)45#鋼A=12

1Cr18Ni9TiA=15n?攪拌軸轉(zhuǎn)速

鍵槽單鍵加5%,雙鍵加15%⒊攪拌器葉片幾何尺寸的確定（略）第五節(jié)轉(zhuǎn)軸密封一、填料箱密封⒈結(jié)構(gòu)及工作原理

填料箱密封是通過(guò)填料與攪拌軸之間的徑向壓力產(chǎn)生密封作用。填料中含有潤(rùn)滑劑，其作用是使攪拌軸得到潤(rùn)滑和阻止設(shè)備內(nèi)流體逸出或外部流體滲入而達(dá)到密封作用。攪拌軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中潤(rùn)滑劑不斷消耗，因此在填料箱上常設(shè)置添加潤(rùn)滑油的裝置。當(dāng)設(shè)備內(nèi)溫度高于100℃或攪拌軸的線速度大于1m/s時(shí)，填料密封需有冷卻裝置。

式中:Q?泄漏量[厘米3/秒]δ?軸與填料間的間隙[厘米]d?軸頸的直徑[厘米]

Δp?容器內(nèi)外壓力差[公斤/厘米2]k?實(shí)驗(yàn)系數(shù)l?填料高度[厘米]

η?被密封介質(zhì)的粘度[公斤.秒/厘米2][厘米3/秒]2.填料箱結(jié)構(gòu)

填料盒周寬S=1.4~2(d)1/2高H=4~6S壓差高度h=2~4S盒底部要有30°的斜度

Δp≤8.68×104pa⒊填料選擇Pg≤19.6×104pa≈2公斤/厘米2

⑴低壓(Pg≤2公斤/厘米2)，無(wú)毒、非易燃易爆時(shí)，一般可選石棉繩、浸油石棉盤根,低轉(zhuǎn)速1m/s，安裝時(shí)外涂工業(yè)用黃油即可； ⑵較高壓或有毒、易燃爆時(shí)，可選石棉、石棉盤根、橡膠螺旋形盤根、石棉繩浸漬四氟乙烯填料、耐磨尼龍密封圈、四氟乙烯密封圈或軟青鉛絲。二、機(jī)械密封⒈結(jié)構(gòu)及原理

用兩個(gè)密封元件（動(dòng)環(huán)和靜環(huán)）的平面互相貼合并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到密封的目的。機(jī)械密封又稱端面密封，主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧加荷裝置和輔助密封圈組成。當(dāng)軸回轉(zhuǎn)時(shí)靜環(huán)不動(dòng)，而動(dòng)環(huán)與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)彈簧作用使動(dòng)、靜環(huán)之間緊密接觸，從而阻止流體的泄漏。

端面密封，具有泄露量極小，使用壽命長(zhǎng)，摩擦功耗低，軸不會(huì)磨損等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝不便，加工困難，成本高。⒉機(jī)械密封的材質(zhì)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成一對(duì)摩擦副，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與被封的介質(zhì)接觸。因此選擇材料時(shí)，既要考慮其耐磨性，又要考慮其耐腐蝕性。一般采用的動(dòng)環(huán)材質(zhì)硬度大于靜環(huán)。第六節(jié)傳熱裝置一、要求1.控溫嚴(yán)格2.不污染反應(yīng)物3.不結(jié)垢二、幾種傳熱裝置⒈夾套 在攪拌釜反應(yīng)器中應(yīng)用最廣泛。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠； 缺點(diǎn)：在處理高粘度物料時(shí)，傳熱系數(shù)不高，能量損失較大。

如果熱載體為水蒸汽，則上進(jìn)下出；如熱載體為液體，則下進(jìn)上出。 根據(jù)工藝要求，夾套內(nèi)可通入傳熱介質(zhì)（水、水蒸氣或熱載體等），為了提高夾套的傳熱系數(shù)，可通過(guò)提高夾套傳熱介質(zhì)的流速來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，常在夾套內(nèi)安裝導(dǎo)流板。傳熱的基本方程：

Q—傳熱量K—傳熱系數(shù)（由壁光滑、潔凈程度和攪拌器型式?jīng)Q定）A—傳熱面積（容積一定時(shí)，隨長(zhǎng)徑比變）