反應設備續(xù)的學習教案

反應設備續(xù)的學習教案第1頁/共95頁

攪拌設備由攪拌裝置、軸封和攪拌槽三部分組成，其構成形式如下：第2頁/共95頁第3頁/共95頁

攪拌設備的典型結構如圖1-1所示

圖1-1中的攪拌設備是立式結構

攪拌軸上可裝有多個葉輪，且葉輪的形式有數(shù)十種

槽體和附件(如夾套、擋板、導流筒、蛇管)的形式也很多，實際構型不下數(shù)百種第4頁/共95頁圖1-2是典型用于粉體混合的螺帶式葉輪攪拌設備第5頁/共95頁

攪拌槽常被稱作攪拌釜，槽體亦可稱作釜體

常見的有旋漿式攪拌釜、渦輪式攪拌釜、旋帶式攪拌釜等

當攪拌設備用作反應器時，稱攪拌槽式反應器，有時簡稱反應釜。第6頁/共95頁槽體槽體的形式通常是立式圓筒形的，筒體上部和下部都有碟形或橢圓形的封頭，如圖1-1也有一些攪拌設備是臥式的，如圖1-2立式槽在常壓下操作時，為降低槽體的制造成本也可采用平底槽.當物料對環(huán)境沒有污染，且被攪物料對空氣中塵埃的落入并不敏感時，槽上部也可是敞口的第7頁/共95頁圖1-3中槽體是圓錐形的，使用螺帶式葉輪，它能混合高粘液體或粉體，與用立式圓筒形槽體的螺帶式攪拌機相比，它混合效率更高第8頁/共95頁

在臥式攪拌槽中大多進行半釜操作

因此臥式釜與立式釜相比有更多的氣液接觸面積第9頁/共95頁

臥式釜常用于氣液傳質過程，如氣-液吸收或從高粘液體中脫除少量易揮發(fā)物質.

另一方面，臥式釜的料層較淺，有利于葉輪將粉末攪動，并可借葉輪的高速回轉使粉體拋揚起來，使粉體在瞬間失重狀態(tài)下進行混合第10頁/共95頁臥式攪拌設備有單軸的，也有雙軸的，如圖1-4第11頁/共95頁

采用臥式雙軸攪拌設備的目的是要使攪拌器獲得自清潔效果第12頁/共95頁

當攪拌高粘液體時，葉輪的外緣都與槽壁很接近，有時還在葉輪上裝刮刀，即所謂刮壁式攪拌設備.

即使采用了刮壁式攪拌器，若采用單軸型，高粘液體還可能粘滯在葉輪上，隨葉輪一起轉動.第13頁/共95頁

而若采用自清潔型的臥式雙軸攪拌設備，通過兩支軸上特殊設計的葉輪的嚙合，使葉輪之間產生互相清潔作用，可使滯留物減至最少第14頁/共95頁槽與軸的相對位置

通常攪拌槽的中心線與攪拌軸的中心線是重合的

但也有兩支軸線互相垂直、互成一夾角、互相平行等不重合的情況，分別稱之為側進式、斜進式和偏置式攪拌設備

如圖1-5至圖1-8是常用的側進和斜進式攪拌器的安裝位置圖第15頁/共95頁第16頁/共95頁第17頁/共95頁

在攪拌葉輪靠近槽底部安裝時，可將攪拌軸從槽底伸入，即所謂底伸入式攪拌設備

如圖1-9中的80m3氯乙烯聚合反應器第18頁/共95頁

釜內徑4m，若攪拌器由釜頂伸入，則攪拌軸的長度須大于6m；

而采用底伸入法時，攪拌軸長僅1．2m

不僅大大節(jié)約了制造成本

還能使底部的機械密封減少振動延長使用壽命第19頁/共95頁

采用底部伸入的攪拌器時，對軸封的要求提高須保證軸封泄漏量小于額定值當物料中有小的固體顆粒時，要采取措施，勿使顆粒進入軸封以致?lián)p壞軸封第20頁/共95頁

葉輪

常見的葉輪種類有數(shù)十種，如圖1-10所示的是最常用的攪拌葉輪

通常攪拌器分成低粘液體用和高粘液體用的兩大類第21頁/共95頁第22頁/共95頁附件

攪拌槽上附件很多

主要介紹對攪拌效果有影響的四種：擋板、導流筒、夾套和內置傳熱管第23頁/共95頁1.擋板擋板是指長條形的豎向固定在槽壁上的板安裝擋板的目的是控制槽內液體的流動，以強化混合和促進固一液懸浮、氣一液和液一液分散。

第24頁/共95頁作用：

擋板能消除所謂固體回轉部的不良混合區(qū)而固體回轉部的直徑rc與葉輪直徑r之比rc/r和攪拌雷諾數(shù)Re之間有如下關系：第25頁/共95頁

式中d——葉輪直徑(m)；

N——葉輪轉速(r／s)ρ——液體密度(kg／m3)；

η——液體粘度(Pa．s)

由上式可見當Re>104時,rc/r約等于0.7

而當Re在103-102范圍內時，rc/r急劇減少以至接近于零因此，在Re小于100時，沒有必要使用擋板第26頁/共95頁

槽內流體均勻混合，主要依靠軸向循環(huán)流動

葉輪產生的周向流動對混合的作用甚微

攪拌槽內安裝了擋板，則周向流與擋板相撞后能轉換成向上和向下的軸向流，從而使混合效果大大增強

這種混合效果的增加是以成倍地增加功率消耗為代價的第27頁/共95頁

進行液一液分散或氣一液分散操作時，需要葉輪提供強的剪切力(需要葉輪有高的能量輸入)

同時又需要均勻地將液滴或氣泡分散到全槽，這時使用擋板就非常必要使用擋板增強了槽內液體的湍動，也有利于槽內液體向夾套、蛇管等傳熱元件的傳熱第28頁/共95頁

擋板的數(shù)量、大小以及安裝方式都會影響槽內流動狀態(tài)和攪拌功耗

擋板寬度W通常為槽徑的1／10至1／12，在高粘度液時也可減小至槽徑的1／20

擋板的數(shù)量視槽徑的大小而異，小直徑槽時用2—4個，大直徑槽時用4—8個

擋板直立沿槽壁周向均布安裝，安裝方式如圖1-11第29頁/共95頁在低粘液體時，擋板可緊貼槽壁安裝，如圖中之a當粘度較高時或進行固一液操作時，擋板要離壁安裝，如圖中之b擋板離壁距離一般為擋板寬度W的0.2—1倍.當粘度更高時還可將擋板傾斜一個角度，如圖中之c第30頁/共95頁

這樣可有效地防止粘滯液體在擋板處形成死角以及防止固體顆粒的堆積當槽內有傳熱蛇管時，擋板一般安在蛇管內側，如圖中之d第31頁/共95頁

擋板的上緣一般可與液面齊平

當液面上有輕而浮、不易潤濕的固體物料時

則需在液面上造成旋渦

這時擋板上緣可低于液面100—200mm。第32頁/共95頁

擋板的下緣可到槽底指形擋板也可用在非搪玻璃類攪拌槽式反應器中由指形擋板的形狀不同、配置位置不同還可以有不同的效果其隨操作目的不同所用的不同配置法如圖1—12。第33頁/共95頁

在固液懸浮過程中，直立擋板有其不利之處——在葉輪底部易形成固體顆粒堆積

湍流操作時，推薦使用如圖1-13所示的底部小擋板。

擋板的參數(shù)列于圖中，擋板數(shù)為4塊，十字形放置.第34頁/共95頁

對于液-液分散建議采用如圖1-14所示的輕液擋板以獲得好的分散效果第35頁/共95頁2．導流筒導流筒主要用于推進式和螺桿式葉輪的導流結構：導流筒是一個緊圍著葉輪的圓筒作用：能使葉輪排出的液體在筒內和筒外(筒與槽壁的環(huán)隙)形成上下循環(huán)流第36頁/共95頁

應用導流筒可嚴格控制流型，防止短路獲得高速渦流和高倍循環(huán)也可迫使流體高速流過加熱面以利于傳熱.

導流筒也能強化混合和分散過程第37頁/共95頁作用：

根據(jù)葉輪的轉向不同，可使液體有不同的循環(huán)方向

工作原理：

物料首先進入導流筒，在筒內通過葉輪的強力剪切作用，得到高速的混合

再流入剪切相對較弱的筒體與槽壁的環(huán)隙中第38頁/共95頁3、傳熱夾套

傳熱夾套是一個在反應器筒體外面能形成密閉空間的容器。

夾套上設有水蒸氣、冷卻水或其它傳熱介質的進出口。如果加熱介質是水蒸氣則進口管應靠近夾套上端，冷凝液從底部排出；第39頁/共95頁

如果傳熱介質是液體則進口管應安置在夾套底部，使液體從底部進入，上部流出，從而使傳熱介質能充滿整個夾套空間在用液體傳熱介質時，為強化傳熱效果，可在夾套空間設置螺旋導流板，如圖1-17第40頁/共95頁此外還由半管夾套、擾流噴嘴、內部夾套和雙殼夾套等結構形式第41頁/共95頁第42頁/共95頁4、內置傳熱元件

最常見的內置傳熱元件是蛇管

導流筒也往往作為內置傳熱元件使用第43頁/共95頁

圖1-22中的蛇管呈盤管狀它對液體流動的控制作用較小若要使蛇管兼起擋板的作用，通常使用直立的蛇管圖1-23中有二種直立蛇管由于在反應器中，蛇管主要起攜帶反應熱的作用，故蛇管常稱作內冷管第44頁/共95頁

圖1-23a中的D型內冷管的進水、出水流路如其左側的附圖當反應物系不易產生粘附物時可采用如圖1-23c所示的反應器形式第45頁/共95頁傳動裝置作用：傳動裝置的作用是使攪拌軸以所需的轉速進行轉動，并保證攪拌軸獲得所需的扭矩第46頁/共95頁傳動方式與混合過程的關系：絕大多數(shù)的攪拌設備中，攪拌軸只有一支，且攪拌葉輪以恒定的速度向一個方向回轉為獲得更佳的混合效果，可在一個攪拌槽中使用多個葉輪，有時還讓葉輪進行復雜的運動第47頁/共95頁1、復動式

工作原理：

通過一副懸掛在曲軸上的傘齒輪、萬向節(jié)、連桿等機構使葉輪在進行回轉的同時，還進行上下往復移動第48頁/共95頁

由于兩個傘齒輪齒數(shù)有小的差別，如19：20，則葉輪每轉一圈，其所處高度與起始時有一個小的相位差，當葉輪轉過20圈時，才回復到起始的位置第49頁/共95頁

這樣可以保證，在一個周期(轉20圈)內，葉輪能掃過上下往復行程內的全部容積復動式攪拌機的傳動機構示意圖和葉輪端部運動軌跡圖分別如圖1-24和圖1-25。為使葉輪平穩(wěn)地轉動，曲軸上需配置一個能平衡傘齒輪8重量的平衡塊第50頁/共95頁

圖1-24所示的復動機，最大轉速只能達90r／min

轉速過大，整臺機械會產生很大的振動

故此種復動攪拌機屬慢速復動機，它最適合于高粘流體的混合.第51頁/共95頁

混合高粘流體效率最高效的是如圖1-26所示的交叉式葉輪，多層使用。當它一面旋轉，一面上下移動時，葉片產生的軌跡恰如一個四螺帶攪拌器。第52頁/共95頁

一種使用偏心輪、連桿和花鍵的快速復動機，葉輪約每轉10次，上下往復一次，如圖1—27

它適合于中粘流體的快速混合和固液懸浮操作第53頁/共95頁2、往復式

如圖1-28的一個特殊的傳動機構，使電動機產生的單方向轉動變成為振幅為45度的正反轉擺動．

該傳動機構與特殊的三角形槳葉配合，可使被攪液體既受到強的剪切，又能使液體在槽內形成很好的循環(huán)流動第54頁/共95頁

能很好地適用于高、低粘液體的混合、固——液懸浮、液——液分散和固體的溶解等操作葉輪只在90度范圍內作正、反方向擺動，同時葉輪快速改向，使槽內液體產生強烈的湍動第55頁/共95頁3、行星式圖1-29所示的行星式攪拌設備，用于以銅粉為催化劑的有機合成反應該攪拌設備通過一對圓錐齒輪和一根帶有曲柄的錨式攪拌器所組成當傳動軸通過曲柄帶動攪拌器轉動時，攪拌器上端的小圓錐齒輪繞著大圓錐齒輪滾動，從而獲得了兩種運動方式第56頁/共95頁

一種是以攪拌器本身為軸心的轉動，稱為自轉；另一種是旋轉的攪拌器以槽中心線為軸心的轉動稱為公轉

這兩種運動互相疊合，使液體在槽內既有垂直方向的運動，又有水平方向的運動

強烈的對流遍及槽內每個角落，從而使密度差懸殊的固液兩相得以很好的混合第57頁/共95頁

圖1-30是一臺常見的行星錐形攪拌設備

它常用于粉體的混合中，也很適合高粘液體的混合，特別適合于高粘的粘彈性液體

搖臂帶動整個螺桿以下支承點為頂點，繞圓錐面進行公轉；另一方面通過裝在搖臂內部的傳動機構，使螺桿進行自轉

第58頁/共95頁4、組合式

為了提高混合效率，將兩種或兩種以上形式不同、轉速不同的攪拌器組合起來使用，稱組合式攪拌設備第59頁/共95頁

圖1-31中是一臺用于生產牙膏、涂料等的攪拌設備通過三種葉輪的協(xié)同作用，將固體粉末均勻地分散到粘稠性液體中第60頁/共95頁工作原理：

齒片式葉輪以大于1500r／min的高速進行回轉，具有打散粉團，和打碎固體顆粒的作用

螺桿式攪拌器以每分鐘數(shù)十至數(shù)百轉的速度旋轉，它造成強有力的軸向流動第61頁/共95頁

錨式攪拌器以每分鐘十多轉至數(shù)十轉的低速轉動，把全槽液體搬送至齒片式葉輪造成的高剪切區(qū)和螺桿式葉輪形成的軸向流區(qū)由于這三個葉輪的旋轉軸互不重合，故稱作非同軸組合式攪拌設備第62頁/共95頁

圖1-32是同軸組合式攪拌設備最大的容積達25m，最大輸入功率為250kW

它把框式攪拌器與另一個中心攪拌器進行組合兩個攪拌葉輪安置在同一軸線上第63頁/共95頁

攪拌器可是高速旋轉的齒片，也可為不規(guī)則四邊形

葉輪等如圖所示的雙層渦輪

框式攪拌器上可帶刮板也可不帶刮板

框式攪拌器可適合于更高粘度第64頁/共95頁

這種攪拌設備適合于非牛頓流體和熱敏性液體的混合，也適合于作為中、高粘物料的反應器圖1-32中兩個葉輪的驅動電動機均在槽的頂部即兩個攪拌葉輪都是頂伸入式的也有采用一個攪拌葉輪是頂伸入式的，另一個葉輪是底伸入式的這樣兩個葉輪的同軸線組合在設備制造上比較方便第65頁/共95頁5、雙軸臥式

其傳動裝置除了可變化兩支軸的旋轉方向或旋轉速度外，沒有其它特殊要求

對于進行高粘液體脫揮發(fā)的設備，有時其軸封的設計要予以特別重視第66頁/共95頁常用攪拌設備的選型攪拌設備的設計難于在一個嚴密的理論指導下完成，設計的優(yōu)劣可使攪拌設備的效益相差很大第67頁/共95頁

必須在明確攪拌目的和物料性質的基礎上對攪拌設備的各個要素，例如葉輪的形狀、葉輪直徑、葉輪的層數(shù)、葉輪的安裝位置、轉速、槽的形狀、擋板的尺寸和個數(shù)等進行參數(shù)優(yōu)化第68頁/共95頁一般攪拌設備的設計步驟為：第69頁/共95頁

在攪拌條件確定后，攪拌葉輪形式的選定是非常重要的一步：須從葉輪的剪切一循環(huán)特性、葉輪對物料粘性的適應性等方面加以綜合考慮第70頁/共95頁

此外，還需從葉輪產生的流型等方面分析各種葉輪的特點

再結合不同的攪拌目的來探討葉輪的選型問題第71頁/共95頁1、攪拌對象的性質設計攪拌設備時，對于物料以液相為主，密度、相對密度和粘度是液體最重要的性質當液體中含有氣泡或另一種互不相溶的液體時，表面張力也很重要2.葉輪的剪切一循環(huán)特性第72頁/共95頁第73頁/共95頁第74頁/共95頁3、流動狀態(tài)與葉輪性能的關系第75頁/共95頁幾種常用葉輪的特性1.齒片式葉輪

在所有葉輪中齒片式葉輪使用的轉速最高，通常其轉速為500—3000r／min

齒片式葉輪外周的鋸齒狀葉片的高速回轉使之具有高的切應力用齒片式葉輪時，一般不安裝擋板當液體粘度很高時，若不能產生全槽范圍內的流動，則可采用與錨式葉輪進行組合的方法第76頁/共95頁齒片式葉輪的應用領域有：

液—液分散體系，如樹脂的混合；

固-液體系，如使高嶺土、粘土、氯化鈣和顏料等達到高度分散第77頁/共95頁2.推進式葉輪通常由鋼板制扭曲而制得如圖2-5第78頁/共95頁3、渦輪式葉輪

一類是有一個圓盤安裝在輪轂上，葉片再安裝在圓盤上，稱盤式渦輪，如圖2-6中的a圖和b圖

另一類是葉片直接安裝在輪轂上，稱風扇式葉輪，如圖中的c圖和d圖第79頁/共95頁第80頁/共95頁4、槳式葉輪

根據(jù)葉片的垂直或傾斜安裝可分成徑向流型和軸向流型第81頁/共95頁

槳式葉輪主要用于流體的循環(huán)由于在同樣的排量下，軸向流葉輪的功耗比徑向流低，故軸向流葉輪使用較多其主要用途為：在液-液系用于防止分離和使溫度均一；在固-液系，多用于防止固體沉降第82頁/共95頁5、錨式葉輪

不適用于液一液和氣一液分散,不具有良好的混合均一性

常用于傳熱、晶析操作,也常用它來攪拌高濃度淤槳和沉降性淤槳和高粘流體的攪拌第83頁/共95頁6、螺帶式葉輪螺帶式葉輪的葉片是把細長形的金屬卷成螺旋狀而制成的，它是攪拌高粘流體時不可少的一種葉輪形式螺帶的枚數(shù)一般為2，稱之為雙螺帶葉輪也有用一條螺帶的單螺帶葉輪第84頁/共95頁

有時將一條螺帶放在外側，另一條螺帶放在中間，并使葉輪轉動時，內外兩條螺帶推動液體前進的方向相反，設計時使得兩條螺帶推動液體的排量相同，這種螺帶稱內外單螺帶，第8