《機械裝備導論》課件第4章

第4章石油化工機械4.1石油化工機械總論4.2典型石油鉆采機械——抽油機的構造4.3其他石油化工機械4.1石油化工機械總論現(xiàn)代社會的各行各業(yè)和我們生活的方方面面幾乎都離不開化工產(chǎn)品。要生產(chǎn)出高質量的化工產(chǎn)品，高效的、性能優(yōu)良的化工機械設備是必不可少的。由于化工產(chǎn)品原料的很大一部分來自于石油，基于對各類機械設備的一般性介紹，我們將石油和化工工業(yè)中常用的機械設備合為一章介紹。4.1.1石油和化工機械設備分類

1．按加工對象分類

(1)采油機械，典型的如自動抽油機等。

(2)鉆探及穿孔機械，如潛孔鉆機、地質鉆機等。

(3)裝藥及充填機械。

(4)煉油設備。

(5)化工基本設備，包括塔設備、反應器、干燥器等。

(6)橡膠專用機械，如平板硫化機、開放式煉膠機等。

(7)塑料專用機械，包括塑料注射成型機、塑料紡織器材、吹瓶機、中縫復合機、收絲機、吹膜機、高頻塑料熱合機、聚氨脂發(fā)泡機、封口機、壓延機、泡塑自動切割機、塑料粉碎機等。

(8)日用化學制品專用機械。

(9)林產(chǎn)化工機械。

2．按石油及化工行業(yè)的生產(chǎn)工藝過程劃分

(1)泵包括離心式清水泵、管道泵、離心式耐腐蝕泵(玻璃泵、陶瓷泵、鈦泵等)、離心式油泵、離心式雜質泵(泥漿泵、污水泵及砂泵等)、離心式液下泵、特殊泵(屏蔽泵、計量泵、旋渦泵及齒輪泵等)、螺桿泵等。

(2)真空泵包括機械式容積真空泵(水環(huán)式、W往復式、旋片式、滑閥式、羅茨式等)、射流式真空泵(水蒸汽噴射泵和水噴射泵)、擴散式真空泵、吸附式真空泵、吸氣離子泵等。

(3)過濾分離設備包括離心式分離機(間歇式過濾離心機、連續(xù)式過濾離心機、活塞式過濾離心機、沉降離心機、灌式高速離心機、室式分離機、碟式分離機等)、過濾機(板框壓濾機、轉鼓真空過濾機、盤式過濾機、帶式過濾機等)、膜分離設備(超過濾、滲析、滲透與反滲透)。

(4)壓縮機包括離心式及活塞式空氣壓縮機、離心式及活塞式制冷機。

(5)混合攪拌機包括釜用攪拌器、管道攪拌器、定型攪拌器、氣體攪拌器、靜態(tài)混合器、文丘里管式混合器、螺旋混合機、滾筒式混合機、回轉式混合機、捏合機等。

(6)換熱器包括固定式薄管板列管換熱器、固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、螺旋板式換熱器、板片式換熱器、復波型傘板換熱器、石墨換熱器等。

(7)塔設備包括填料塔、板式塔、噴灑塔等。

(8)干燥設備包括噴霧干燥器、硫化床干燥器、氣流干燥器、滾筒干燥器、回轉圓筒干燥器、真空耙式干燥器、箱式干燥器、帶式干燥器、紅外線及遠紅外線干燥器、微波干燥器等。

(9)水處理設備如機械過濾器、濾網(wǎng)過濾器、燒結式濾芯過濾器、電滲析器、離子交換器及成套純水裝置等。

(10)除塵環(huán)保設備包括袋式除塵器、旋風除塵器、電除塵器、自激式除塵器、離心水膜除塵器等。4.1.2石油及化工機械設備的特點

大部分石油及化工機械設備具有以下特點：

(1)作為物料處理設備，其所接觸的作用對象種類很多，故設備類型多樣，即使是處理同一物料，也有多種處理裝置可供選擇。

(2)處理物料的過程既有物理過程，也有化學過程，或者是二者的綜合。

(3)設備要耐受加工過程中的腐蝕、熱、濕、壓力等作用。

(4)加工過程常產(chǎn)生各種對環(huán)境有害的物質，故要求設備的密閉性好。4.2典型石油鉆采機械——抽油機的構造抽油機是構成“三抽”設備體系(抽油機、抽油桿、抽油泵)的主要組成部分。在抽油機的驅動下，通過抽油桿帶動抽油泵上下往復運動，實現(xiàn)無自噴能力油井機械式采油。4.2.1抽油機的類型

抽油機主要分游梁式和無梁式兩大類。

(1)游梁式抽油機按不同的標準，可進行不同的分類：

按結構形式可分為常規(guī)型、變型、前置型、偏置型、斜井型、低短型、大輪型等。

按減速器形式可分為漸開線齒輪式、圓弧齒輪式、鏈條式、皮帶式等。

按動力傳動方式可分為三角帶式、窄V聯(lián)組帶式、同步皮帶式等。

按平衡方式可分為游梁平衡式、曲柄平衡式、復合平衡式、重錘平衡式、氣動平衡式、差動平衡式等。

按曲柄連桿裝配位置可分為前置式、偏置式。

按驢頭結構形式可分為上翻式、側轉式、整體式、組裝式、旋轉式、大輪式、雙驢頭式等。

按驅動方式可分為普通電機驅動式、多速電機驅動式、天然氣發(fā)動機驅動式、超差轉率電動機驅動式等。

(2)無梁式抽油機一般可分為鏈條式、滑輪增距式、鏈條增程式、小型式、矮型式、塔架式、曲柄連桿式、電動式、滾筒式、液壓式等。4.2.2抽油機的設計要求

抽油機的工作條件比較惡劣，需要全天候常年野外連續(xù)運轉，無人監(jiān)護，且受交變載荷作用。因此，要求抽油機應具有良好的可靠性、耐久性。還要求抽油機具有性能領域寬，調節(jié)范圍大，能源消耗低，易損件少，維護保養(yǎng)方便，對環(huán)境適應性強等特點。4.2.3常規(guī)型游梁式抽油機的結構

圖4-1為最普通的常規(guī)型游梁式抽油機。

常規(guī)型游梁式抽油機主要由發(fā)動機、三角皮帶傳動、曲柄、連桿、橫梁、游梁、懸繩器、支架、撬座、制動系統(tǒng)及平衡重等組成。

發(fā)動機安裝在撬座上，有兩種方案確定其安裝位置，一種是將發(fā)動機置于整體尾部，另一種是將發(fā)動機放在支架下面。圖4-1常規(guī)型游梁式抽油機減速箱為二級齒輪傳動減速器，傳動比約為30左右，齒輪形式一般小功率時用斜齒，而大功率時用人字齒。近年來逐步推廣使用點嚙合雙圓弧人字齒減速器。

曲柄一端由減速器驅動，故與減速器輸出軸固定，而另一端與連桿鉸接。

連桿與橫梁常見有兩種形式，小型抽油機多為組焊結構，靠改變后臂長度來調節(jié)沖程，而大型抽油機多為整體結構，沖程的調節(jié)靠改變曲柄與連桿鉸接位置來完成。

游梁一般由型鋼焊接而成，也有用大型工字鋼整體制造的。

驢頭由鋼板組焊，有上翻式、側轉式、拆裝式等幾種機構形式。

游梁平衡塊為金屬塊，小型抽油機多裝于游梁尾部，大型抽油機則多裝于曲柄兩翼，它根據(jù)需要可以調整。4.2.4常規(guī)型游梁式抽油機的工作原理

常規(guī)型游梁式抽油機的工作原理如圖4-1所示。動力裝置2(通常為發(fā)動機)通過三角皮帶傳動和減速箱4增扭后驅動曲柄8作等速旋轉運動。曲柄8、連桿12、游梁16和支架10構成的四桿機構將這一運動轉換成驢頭18的變速的上下圓弧往復運動，再經(jīng)懸點、抽油桿(圖中未示出)等帶動抽油泵柱塞作變速的上下往復直線運動。抽油泵泵筒底部設有固定閥，而柱塞上裝有游動閥。當懸點作下沖程時，固定閥關閉，而游動閥開啟，柱塞向下運動，將原油排出泵；當懸點作上沖程時，固定閥開啟，而游動閥關閉，柱塞向上運動，則將原油吸入泵內，同時將已泵外的原油舉升到地面。4.3其他石油化工機械4.3.1壓縮機類型概述隨著近代科學技術的不斷發(fā)展，作為重要能量形式之一的壓力能在工業(yè)生產(chǎn)上的應用已十分普遍，所占的地位亦相當重要。壓縮機就是產(chǎn)生氣體壓力能的機器，它在國民經(jīng)濟各部門，特別是化工、石油、礦山、冶金，機械以及國防工業(yè)中已成為必不可少的關鍵設備，其重要的應用場合有：

(1)在化工工藝過程上的應用?；どa(chǎn)中，為保證某些合成工藝能在高壓條件下進行,往往通過壓縮機先把氣體加壓到所需的壓力。如高壓聚乙烯的聚合反應要求把乙烯氣加壓到2000kgf/cm2以上，合成氮的反應要求把合成氣加壓到320kgf/cm2，而石油裂解加氫要求把氫加壓到150?kgf/cm2以上，等等。

(2)在動力工程上的應用。在動力方面，機械以及國防工業(yè)上常采用壓縮空氣作為驅動裝置的動力氣源，例如常見的風動機械，要求空氣的壓力為8?kgf/cm2，用于控制儀表及自動化裝置上的氣源壓力為6?kgf/cm2；國防工業(yè)中某些武器的發(fā)射、潛水艇的深浮、魚雷的發(fā)射驅動等都需采用壓縮機。

(3)氣體輸送中的應用。石油、化工生產(chǎn)中，為了輸送原料氣體，常用壓縮機增壓。如從油田輸出天然氣，從煤氣田輸出煤氣都要求事先增壓。此外，在化工流程中為了使系統(tǒng)內未反應氣體得以再循環(huán)，常用循環(huán)壓縮機加以增壓。按照能量轉換的方式不同，常用壓縮機可分為容積式和速度式兩大類，如下所示：

1．容積式壓縮機

容積式壓縮機通過使氣缸工作容積周期性的變化來壓縮氣體，以達到提高其壓力的目的。按其運動特點，又可分為以下兩種。

1)往復式壓縮機

活塞式壓縮機就是一種最典型的往復式壓縮機。它依靠氣缸內活塞的往復運動來壓縮氣體。根據(jù)所需壓力的高低，它可作成單級或多級；為使機器受載均衡，它還可配置成單列或多列。

圖4-2是一種典型的活塞式壓縮機，目前工業(yè)上凡需高壓的場合多采用這類壓縮機。圖4-2活塞式壓縮機

2)回轉式壓縮機

回轉式壓縮機內無往復運動件，它是依靠機內轉子回轉時產(chǎn)生容積變化而實現(xiàn)氣體的壓縮。按照結構形成的不同，這種壓縮機又可分為滑片式和螺桿式。

滑片式壓縮機如圖4-3所示，機內轉子偏心裝于機殼內，轉子上開有若干徑向滑槽，槽內置有滑片。當轉子轉動時，滑片與機殼內壁間所形成的容積不斷縮小，從而使氣體受到壓縮。這類壓縮機排氣壓力不高，常用于合成橡膠工業(yè)。圖4-3滑片式壓縮機螺桿式壓縮機的結構如圖4-4所示，機殼內置有兩個轉子——陰螺桿和陽螺桿，由同步齒輪帶動。工作時，螺桿表面的凹槽與機殼內壁間所形成的壓縮腔容積不斷變化，從而實現(xiàn)氣體的吸入、壓縮及排出。這類壓縮機除常作為動力用的壓縮機外，還應用于制冷工業(yè)。圖4-4螺桿式壓縮機

2．速度式壓縮機

速度式壓縮機的工作原理與容積式截然不同。速度式壓縮機機內作高速旋轉的葉輪，使吸進的氣流量頭提高，再通過擴壓元件把氣流的動能頭轉換成所需的壓力能量頭。根據(jù)氣流方向的不同，這類壓縮機可分為離心式和軸流式。

1)離心式壓縮機

圖4-5為一臺三級離心式壓縮機的結構簡圖。機殼內主軸上裝有三個葉輪，每個葉輪與其相配的固定元件構成一個壓縮級。工作時氣體在進氣口被吸入機內，逐級沿葉輪上的流道流動，即在葉輪的機械作用下提高了氣流能量頭后，進入擴壓器(靜止件)擴壓，經(jīng)過彎道和回流道進入下一級，最后經(jīng)蝸殼和排氣口排出。由于它的速度高，壓縮過程連續(xù)進行，生產(chǎn)能力大，氣體潔凈，非常適于大型化生產(chǎn)，因而在近代化工廠中已被廣泛應用。圖4-5離心式壓縮機

2)軸流式壓縮機

軸流式壓縮機與離心式相同，也是靠轉動的葉片對氣流作功；不同的是它的氣體流動方向與葉輪主軸的軸線平行，其主要結構如圖4-6所示。主要組成部分有動、靜葉片、轉鼓及機殼。這類壓縮機中的氣流路程較短，氣體阻力損失較小，效率比離心式高，排氣量也較大，多用于燃氣輪機裝置及噴氣式發(fā)動機上。近代大型石油化工生產(chǎn)中也有采用軸流—離心組合壓縮機來處理大流量氣體的壓送問題。圖4-6軸流式壓縮機4.3.2常用化工泵

1．單級懸臂式離心泵

圖4-7所示為目前生產(chǎn)的B型泵結構圖，圖中泵殼為垂直剖分，在葉輪上開有平衡孔以減小同向力。泵軸用填料函密封，填料中有液封圈，通過鑄在泵殼內蓋中的通道把泵壓液室中液體引入液封圈。泵的吸液管和排液管法蘭側面上開有螺孔用以裝壓力計。蝸殼的最大高點也有螺孔，供開泵前預灌時放氣之用。圖4-7單級懸臂離心泵圖4-8所示是一臺與電動機直聯(lián)成一體的懸臂式水泵(BZ型)，泵的葉輪直接裝在電機的長軸上，而泵殼則用法蘭直接固定在電機的法蘭盤上。這種泵是借電機的底座固定

的，并且泵的軸承也是與電機共用的，因此比起圖4-7所示的單級懸臂水泵，其重量可減輕50%～70%。圖4-8與電機直聯(lián)式離心泵

2．單級雙吸離心水泵

這種泵的轉子總是做成兩端支承形式，并且泵殼是中天花板式水平剖分的，如圖4-9所示。泵的兩個吸液室呈蝸殼形，吸液接管兩側共用，并且泵的吸、排液管都布置在下半個泵殼的兩側，因此在打開泵殼檢修時不必拆動泵外的管路。為防止空氣漏入泵中，兩側的填料涵中裝有液封圈，并有液封管路將壓液室中的液體引入其中。在泵的吸液室和壓液室的最高點分別開有螺孔，供灌泵時放氣之用；因雙吸葉輪的軸向力基本平衡，故這種泵未設軸向力平衡裝置。圖4-9單級雙吸離心泵

3．分段式多級離心水泵

這種泵由多級串聯(lián)而成，一般有好幾個葉輪裝在同一根軸上串聯(lián)工作，所以泵的揚程較高。圖4-10所示為一臺D型分段式多級離心水泵，各級葉輪吸液口都在同一側，因此在泵的最后一級與填料涵之間設有自動平衡盤以平衡軸向力。

這種泵供吸送清水及物理化學性質與水類似的液體之用，如礦山排水、工廠或城市給水等。圖4-10分段式多級離心水泵

4．離心式耐腐蝕泵

圖4-11所示是一臺FG15型耐腐蝕泵，該泵用高硅鐵合金制成，主要用于輸送不含懸浮物的酸或堿。圖4-11離心式耐腐蝕泵該類泵有如下特點：

(1)因硅鐵合金材料較脆弱，采用這種材料制造的零件(如泵殼與泵蓋)不是用螺栓直接緊固，而是通過鑄鐵的夾緊法蘭，用長螺栓連住鑄鐵泵架而不壓緊。

(2)泵的吸液接管和排液接管的接頭做成錐形凸緣，不像一般泵那樣做成帶螺孔的法蘭。泵軸可用普通鋼制造，但軸伸入泵的一段套有耐酸護套。葉輪用單硅鐵合金鑄造，因其機械加工性能差，故泵吸液室與葉輪間的密封是簡單地靠軸向間隙的節(jié)流來達到的。

(3)耐酸泵填料涵中的填料常用耐酸的蛇紋石棉繩等物資，如用機械密封時，則應在靜環(huán)背后進行冷卻和對密封端面進行沖洗冷卻。耐腐蝕泵工作時，最易出故障的是軸的密封，如用填料涵密封，可采用幾個方法解決泄漏問題：

(1)通過設計使填料函處在低壓或有不大的負壓下工作。為此，常采用在葉輪背后鑄出平衡葉片或在葉輪上開平衡孔等措施，并設法使泵殼內裝填料函處與吸液室相連通，以獲得低壓和將高壓處漏入的液體引回吸液室。

(2)?在填料函中加裝有液封圈。當泵送濃度不大的酸類時，用比填料涵處壓力大0.5?kgf/cm2的清水注入液封圈。如果泵吸液室負壓，則與之連通的填料函也將在負壓下工作，泵內的酸液不會漏入填料涵，此時注入液封圈的清水將起到阻止空氣漏入泵內的作用，同時還可對填料摩擦面進行潤滑和冷卻。被注入的清水很少一部分滲到酸中，同時應有少量(30～60滴/分鐘)的外漏。

(3)當輸送濃硫酸等不允許與其接觸的腐蝕介質時，填料借油槍注入特別稠厚的潤滑脂來潤滑，這時填料涵必須處于負壓下工作，注入稠油也可防止空氣漏入。

(4)若腐蝕介質是在壓力下從儲罐流入泵的，則應在泵的吸液管路上裝上閥門，用調節(jié)吸液閥來使吸液室以及與之連通的填料涵處于負壓下工作。但停泵時一定要先關吸液閥，以免濃硫酸在壓力作用下滲入填料涵并漏出泵外。

因腐蝕介質在高速流動時對金屬的侵蝕加劇，故一般認為耐腐蝕泵不宜在高速下運轉；此外，耐腐蝕泵也不宜在關住排液閥或使泵在流量很小的工況下工作，因為在這種情況下，泵內的液體將會增加發(fā)熱，導致腐蝕速度比額定工況大很多。

5．旋渦泵

旋渦泵又叫渦流泵，適合于流量小、揚程高的場合，其單級揚程可達100?m以上，用于輸送－20℃～80℃、粘度小于5×10－3?Pa·s、無腐蝕性和無固體顆粒的液體。

圖4-12所示為旋渦泵的工作原理圖。

該泵的葉輪是一個等厚的圓盤，在圓盤的邊緣兩側間隔地銑去一部分，從而構成許多徑向小葉片和相應的流道空間，葉輪與泵體構成等截面的環(huán)形流道，進口和出口被突出的隔障分開，隔障與葉輪間留有很小的間隙。圖4-12旋渦泵的工作原理圖1—葉輪；2—葉片；3—泵體；4—隔障；5—環(huán)形流道；6—進口；7—出口；8—軸液體被從進口吸入泵體后，在葉片間流道內隨葉輪高速旋轉，并被拋向環(huán)形流道，其受離心力的作用很大；而環(huán)形流道內的液體則靠分子間摩擦力運動，受離心力作用小。在這兩個大小不同的力的作用小，液體將產(chǎn)生旋轉運動(如圖4-12中右圖箭頭所示)，同時液體隨葉輪一起作旋轉運動(如圖4-12中左圖箭頭所示)，這兩種運動的合成結果，使得液體產(chǎn)生與葉輪轉向相同的“縱向旋渦”運動。這時，旋渦泵好像一臺多級離心泵，每一個葉片流道相當于一級，所以該類泵的揚程較高。旋渦泵與離心泵一樣，不具備干吸能力，起動時必須預先在泵內灌注液體。

圖4-13所示是W型旋渦泵的結構。該泵的軸封有兩種形式：軟填料密封和單端面機械密封，出廠時一般用軟填料密封。該泵結構簡單緊湊、易于制造和修理，并具有較高的吸入高度，葉輪在軸上可自由移動，以保證葉輪與泵體和泵蓋間的間隙相等。圖4-13漩渦泵的結構

6．單螺桿泵

單螺桿泵特別適合輸送高粘度介質，被輸送介質的粘度從0到200?000厘泊。含有顆?；蚶w維的介質時，顆粒直徑可以達30?mm(不超過轉子偏心距)，纖維可以長達350?mm(不超過轉子螺距的1/3)。其含量一般可達介質的45%，若介質中的固體物為細微之粉沫狀，則最高含量可達65%以上，甚至更高。當要求輸送壓力穩(wěn)定，介質固有結構不受破壞時，選用單螺桿泵輸送最為理想。

單螺桿泵的結構如圖4-14所示。圖4-14單螺桿泵結構單螺桿泵屬于轉子式容積泵，它是依靠螺桿與襯套相互嚙合在吸入腔和排出腔產(chǎn)生容積變化來輸送液體的。作為一種內嚙合的密閉式螺桿泵，其主要工作部件由具有雙頭螺旋空腔的襯套(定子)和在定子腔內與其嚙合的單頭螺旋螺桿(轉子)組成。當輸入軸通過萬向節(jié)驅動轉子繞定子中心作行星回轉時，定子—轉子副就連續(xù)地嚙合形成密閉腔，這些密閉腔容積不變地作勻速軸向運動，把輸送介質從吸入端經(jīng)定子—轉子副輸送至壓出端，吸入密閉腔內的介質流過定子而不會受到大的攪動和破壞。

螺桿具有單頭螺紋，其任意截面皆為等半徑的圓，截面的中心位于螺旋線上，是其截面繞軸旋轉且同時沿軸向移動而形成的。襯套內表面具有相位差180°的雙螺紋，其任意截面為一長圓，兩端是半徑與螺桿截面半徑相等的半圓，中間為直線段，其長度是螺桿螺旋線直徑的2倍。螺桿裝入襯套后，螺桿表面與襯套內螺紋表面之間形成一個個封閉的腔室，同時任意截面也被分成上下兩個月牙形工作腔。當螺桿旋轉時，靠近吸入室的第一個工作室的容積逐漸增大，形成負壓，在壓差的作用下液體被吸入工作腔。隨著螺桿的繼續(xù)轉動，工作腔容積不斷增至最大后，這個工作室封閉，并將液體沿軸向推向壓出室。與此同時上下兩個工作腔交替循環(huán)地吸入和排出液體，因此液體被連續(xù)不斷地從吸入室沿軸向推向壓出室。

單螺桿泵在其規(guī)定的最高負荷壓力下工作，當負荷導致壓力過大時應減速運行，以避免介質回流而造成定子膠套的劇烈磨損。

圖4-15是單螺桿泵外形圖。圖4-15單螺桿泵外形圖4.3.3攪拌反應器

反應設備是化工設備中為化學反應提供反應空間和反應條件的裝置，常見的主要有固定床式反應器、流化床式反應器和攪拌式反應器。

攪拌式反應器是化學工業(yè)中廣泛應用的典型設備之一。它主要用于液—液相反應、液—氣相反應和液—固相反應，其最大特點是攪拌混合作用，廣泛應用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、基本有機合成、有機染料及三大合成材料(合成橡膠、合成塑料和合成纖維)等工業(yè)中。

1．攪拌反應器的典型結構

圖4-16是配制乙醇鈉的攪拌反應器的結構，通常由以下幾部分組成：

1)容器部分

反應器為物料進行化學反應提供一定的空間條件，此時需要配有一個容器。這個容器一般由筒體及上、下封頭組成，其直徑和高度由產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和反應要求所決定。反應器根據(jù)化工生產(chǎn)易燃、易爆、有毒及有一定的工作壓力(或真空)的特點，大多數(shù)是密閉的，有時也由于反應過程的允許而設計成敞開的。圖4-16所示反應器是由圓形筒體、上部平板封頭和下部橢圓形封頭組成的。由于該反應器常在常壓下操作，因此，上封頭可用平板蓋，而其下封頭采用橢圓形封頭，一方面是考慮底部出料，另一方面考慮到其夾套內有介質壓力存在。

2)傳熱裝置

由于化學反應過程一般都伴有熱效應，即反應過程中會放出熱量或吸收熱量，因此，在容器的外部或內部需設置起加熱或冷卻作用的傳熱裝置。加熱或冷卻的目的是為保證反應能在控制的溫度范圍內進行。常見措施是在容器外部設置夾套，或在容器內部設置蛇形管，或二者兼而有之。

圖4-16所示反應器由于乙醇鈉配制過程中要放出熱量，因此在筒體外部設置夾套進行冷卻，以吸收放出的熱量。圖4-16配制乙醇鈉的攪拌反應器

3)攪拌混合裝置

為了使參與化學反應的各種物料混合均勻，接觸良好，以加速反應的進行，需要在容器內設置攪拌裝置。攪拌裝置由攪拌器組成，其轉動一般是由電動機經(jīng)減速機減速到攪拌器所需轉速后，再通過聯(lián)軸節(jié)來帶動。攪拌軸可是懸臂的，有的大型反應器的攪拌軸需要在器內用軸承支承。

圖4-16所示攪拌裝置由軸及兩組槳式攪拌器(上、下攪拌槳)組成，由電動機經(jīng)立式蝸桿減速器減速后，通過聯(lián)軸節(jié)帶動。由于本反應器的攪拌軸較短，因此采用懸臂結構。

4)軸封

由于攪拌是旋轉過程，而反應器容器的封頭是靜止的，在攪拌軸伸出封頭之處必須進行密封，以阻止器內介質泄露。這種密封為轉動軸與靜止封頭間的密封，簡稱軸封。常用軸封有機械密封和填料密封兩種。圖4-16所示結構采用了填料密封的形式。

5)其他結構

這種攪拌反應器除上述的幾部分主要結構外，還有各種入孔、接管、手孔及支座等附件。如圖4-16中的溫度計管、入孔、支座、出水口、進水口等。下面主要論述攪拌反應器中的攪拌器。

2．攪拌器的形式

攪拌反應器里安裝攪拌器的作用是進行兩種以上物料的攪拌混合，使兩種物料混合均勻，增加接觸，強化器內物料的傳熱和傳質效果，改善反應條件。傳質增強以促進化學反應更充分、均勻地進行；強化傳熱，可使化學反應在放熱和吸熱過程中溫度控制在設定范圍，以保證反應的正常進行。當反應器里的液體有一些懸浮的固體，如一些高分子化合物的時候，如不進行攪拌，這些懸浮的固體就會沉降下來，使參與反應的各成分的接觸狀況惡化，操作難以正常進行；也有一些聚合過程會產(chǎn)生“掛料”，即其反應的結果會產(chǎn)生一些粘稠物料粘附在器壁上，對器壁的傳熱產(chǎn)生不利的影響，因此也有必要加入攪拌過程。對于有氣體或空氣參與反應的場合，可用蒸汽方式對介質進行加熱，同時，可采用鼓泡攪拌的辦法進行攪拌混合。

常見的機械攪拌器如圖4-17所示，下面分別論述。圖4-17機械攪拌器的典型形狀

1)槳式攪拌器

槳式攪拌器結構比較簡單，一般以扁鋼或角鋼加工制成，當介質對普通鋼材有腐蝕性時，可用合金鋼或有色金屬，或在鋼制的葉片外包制橡膠或塑料涂層，如環(huán)氧樹脂等。這種攪拌器的結構如圖4-18所示，有平直葉式和折葉式兩種形式。折葉式槳式攪拌器除了能使液體作圓周運動外，還能使液體上下運動，起到充分攪拌的作用。攪拌槳的運轉速度較慢，一般以它的外緣線速度控制在1.5～3?m/s范圍內，轉速18～80?r/min為宜。圖4-18槳式攪拌器槳式攪拌器的直徑可以做得較大，可達2000?mm，但直徑越大，功率消耗越大(功率消耗與直徑的5次方成正比)，直徑一般取筒體內徑的1/3～2/3。徑寬比(D/B)一般為4～10，取決于介質的粘度、攪拌槳的轉速和葉片數(shù)量。

攪拌器低速旋轉時液體將產(chǎn)生切線流動，而轉速加大時將逐漸增加徑向流動，可使用在粘度高達1500厘泊，重度達2000?kgf/m3的液體中。

在料液層較大的情況下，為攪拌均勻，常設多層槳葉，每層間成90°?交叉安裝。

槳式攪拌器已有標準化系列HG5-220-65，設計時可供選用。

2)渦輪式攪拌器

渦輪式攪拌器有多種形狀，如圖4-19所示。其中開啟直葉渦輪式、開啟彎葉渦輪式和開啟折葉渦輪式。這幾種渦輪式攪拌器和槳式攪拌器在原理上是一樣的，區(qū)別在于渦輪式的轉速較高，葉片較多。一般槳式攪拌器的槳葉數(shù)少于4，圓周速度小于3?m/s。

渦輪式攪拌器能使流體從縱向運動變?yōu)樗椒较虻倪\動(切向和徑向的合成)，碰到器壁后再次改變方向，從而使液體受到劇烈的攪動和均勻混合。其中彎葉式相對直葉式而言，因其葉片對液體的徑向作用更大，相同直徑下攪拌效果一般更好些。這三種開啟式渦輪式攪拌器的寬徑比(D/B)為5～8，外緣線速度為3～8?m/s，圓盤渦輪式的尺寸關系推薦采用D∶L∶B=20∶5∶4，外緣速度約為3～8?m/s。和槳式相比，渦輪攪拌器直徑不能做得太大。

攪拌葉片一般采用焊接或裝配結構，在耐磨損的場合可考慮采用耐磨鑄鐵或合金鑄造成形。當較大直徑的渦輪式攪拌器裝入采用了全焊接結構的攪拌反應器時，由于沒有可打開的端蓋供攪拌器裝入，應把渦輪式攪拌器做成剖分結構，以便能從入孔放入攪拌器中安裝。渦輪式攪拌器一般使用在粘度為2000～2500厘泊、重度達2000?kgf/m3的液體介質和氣體中，或在反應過程中需要強烈攪拌，以及粘度相差懸殊的液體中。

開啟直葉渦輪式攪拌器已有標準化系列HG5-211-65，設計時可供選用。圖4-19各種渦輪式攪拌器

3)推進式攪拌器

推進式攪拌器的結構如同船用螺旋槳推進器，葉數(shù)為三葉，如圖4-20所示。它的直徑和渦輪式一樣，通常比反應器內筒內徑要小得多，一般為反應器內筒直徑的1/4～1/3，但外緣線速度較高，一般是5～15?m/s，最大不超過25?m/s，相應轉速300～600?r/min。這種攪拌器主要使液體作軸向運動，引起液體循環(huán)，其剪切作用較小，常用于攪拌粘度為2000厘泊、重度為2000?kgf/m3的液體。

推進式攪拌器常由灰口鑄鐵、碳鋼或合金鋼鑄造而成，制造時應作靜平衡。

推進式攪拌器已由標準HG5-225-65系列化，設計時可供選用。圖4-20推進式攪拌器

4)框式(錨式)攪拌器

框式攪拌器的特點是旋轉部分的外直徑略小于容器的內徑，如圖4-21所示，其形狀相當于槳式攪拌器的變形，即水平槳葉和垂直槳葉連成一體構成剛性框架，具有良好的剛性。這類反應器的底部是由反應器下封頭的形狀來決定的，錨式這個名稱由此而來。對于大直徑的反應器或所攪拌液體的粘度很大時，常用橫梁加強，故也叫框式攪拌器。

框式(錨式)攪拌器的外徑很大，常取反應器內筒直徑的2/3～9/10，或按葉片與內筒器壁的距離為內筒直徑的5%～8%設計。攪拌器轉速一般為50～70?r/min，最大線速度為0.5～1.5?m/s。圖4-21框式(錨式)攪拌器當液體粘度較低時，攪拌葉主要產(chǎn)生切線流，粘度高時則有其他方向的分流?？捎糜谡扯刃∮?5?000厘泊，重度小于2000?kgf/m3的液體中，特點適合有固定沉淀或容易掛料的場合，這就是反應筒體與攪拌器間距小的原因。

框式(錨式)攪拌器常用碳鋼(如扁鋼或角鋼)或不銹鋼制造，可采用焊接結構或裝配結構，這些都取決于反應器筒體的結構。

鋼制框式攪拌器有化工部部頒標準HG5-757-78可供采用。

5)螺帶式攪拌器

螺帶式攪拌器主要由一螺旋環(huán)帶、軸套和把兩者相連接的支撐桿所組成，如圖4-22所示。螺旋環(huán)帶的外緣能夠盡量與容器內壁靠近，有時間距僅幾毫米，幾乎緊貼內壁，故能將粘在反應器器壁上的物料掛下來。攪動時液體呈復雜的螺旋運動，至上部再沿軸而下。這種攪拌器常用于高分子化合物的聚