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《过程设备设计》

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教案

8—反应设备

课程名称：

过程设备设计

专业：

过程装备与控制工程

任课教师：

贺华

第8章反应设备

§8-1概述

主　要　教　学　内　容

授课方式

授课时数

1、反应设备在过程工业中的作用

2、反应设备的主要类型

3、反应设备的种类和结构特点

讲授

自学

2

教学目的和要求

1、了解反应设备在过程工业中的作用

2、了解反应设备的主要类型

3、了解主要反应设备的结构特点

教学重点和难点

反应设备的种类及特点

课外作业

思考题

一、反应设备的应用及基本要求

1、反应设备应满足化学反应过程的要求

物料的性质（粘度、密度、腐蚀性等）；

相态；

反应条件（温度、压力等）；

反应过程的特点（气相的生成、固相的沉积等）；

2、反应设备应满足传质、传热和流体动力过程的要求

二、反应设备设计的几个问题

（1）反应物的混合

（2）适宜温度的维持

（3）停留时间的控制

三、反应设备的分类

（1）化学反应器分类

（2）生物反应器分类

按结构特征：

机械搅拌式、气升式、流化床、固定床等

四、常见反应器的特点

（1）机械搅拌式反应器

（2）管式反应器

管式反应器可用于连续生产，也可用于间隙操作，反应物不返混，也可在高温、高压下操作。

（3）固定床反应器

气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置称为固定床反应器。

它主要用于气固相催化反应，具有结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和生物反应中应用很广泛的反应器

固定床反应器有三种基本形式：

轴向绝热式、径向绝热式和列管式。

（4）流化床反应器

流体（气体或液体）以较高的流速通过床层，带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流中进行反应，并具有类似流体流动的一些特性的装置称为流化床反应器。

§8-2机械搅拌反应器

主　要　教　学　内　容

授课方式

授课时数

1、搅拌反应器的类型

2、搅拌反应器的总体结构

3、搅拌容器、搅拌器、搅拌轴、密封装置、传动装置等结构设计和设计计算

讲授

4

教学目的和要求

1、了解机械搅拌反应器的主要类型

2、了解搅机械拌反应器的总体结构

3、掌握机械搅拌反应器的机械设计内容

教学重点和难点

搅拌反应器的总体结构及零部件的设计和选型

课外作业

思考题；习题T1、T2；

一、搅拌反应器的基本结构

（一）搅拌反应器的总体结构

1、釜体部分

（1）釜体部分由圆筒和上、下封头组成，提供物料化学反应的空间，其容积由生产能力和产品的化学反应要求决定。

（2）中、低压筒体通常采用不锈钢板卷焊，也可采用碳钢或铸钢制造，为防止物料腐蚀，可在碳钢或铸钢内表面衬耐蚀材料。

（3）釜体壳能同时承受内部介质压力和夹套压力，必须分别按内、外压单独作用时的情况考虑，分别计算其强度和稳定性。

（4）对于承受较大外压的薄壁筒体，在筒体外表面影设置加强圈。

2、传热装置

为及时送入化学放应所需热量或传出化学放应放出的热量，在釜体外部或内部可设置传热装置，使温度控制在需要的范围之内。

常用的传热装置是在釜体外部设置夹套或在釜体内部设置蛇管。

3、搅拌装置

由搅拌轴和搅拌器组成，可是物料混合均匀、良好接触，加速化学反应的进行。

搅拌过程中，物料的湍动程度增大，反应物分子之间、反应物分子与容器器壁之间的接触不断更新，既强化了传质和传热，又有利于化学反应的进行。

4、轴封装置

为维持设备内的压力或阻止釜内介质泄漏，在搅拌轴伸出封抖出必须进行密封（动密封）。

轴封装置通常有填料密封和机械密封两种。

5、其它结构

如人孔、手孔、各种接管、温度计、压力表、视镜、安全泄放装置等。

（二）搅拌反应器的类型

（三）搅拌反应器的机械设计内容

1、釜体的结构形式及及和尺寸的确定

包括釜体结构、釜体尺寸（直径、高度）、封头形式的选择等。

2、材料的选择

根据工作温度、压力、物料的性质、设备加工要求等条件选择。

3、强度计算及校核

如釜体壁厚的计算、封头壁厚的计算、搅拌轴直径的确定等。

4、主要零部件的选用

搅拌轴、传动装置、轴封装置等的选择。

5、绘图、编制技术文件

装配图、各种零部件图、设计计算书、设计说明书、技术要求等。

二、搅拌容器

（一）搅拌容器

1、作用：

为物料反应提供合适的空间。

2、装料系数

如果物料在反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态，取0.60.7；

如果物料在反应中比较平稳，可取0.80.85。

3、操作容积和罐体容积

工艺设计给定的容积，对直立式搅拌容器通常是指筒体和下封头两部分容积之和；

对卧式搅拌容器则指筒体和左右两封头容积之和。

V0=η1V

罐体的直径和高度

4、高径比（表9-3）

（1）罐体长径比对搅拌功率的影响

（2）罐体长径比对传热的影响

（3）物料反应对长径比的要求

5、罐体壁厚的确定

（二）换热元件

1、夹套结构

（1）整体夹套

常用的整体夹套形式有圆筒型和U型两种。

（2）型钢夹套

（3）半圆管夹套

（4）蜂窝夹套

（二）内盘管

优点：

浸没在物料中，热量损失小，传热效果好。

缺点：

检修较困难

三、搅拌器

作用：

（1）使两种或两种以上的物料混合均匀，良好接触。

（2）强化釜内物料的传质与传热效果，改善操作情况。

（3）使反应物料分子频繁碰撞，不断更新接触，促进化学反应的进行。

（4）防止悬浮物料的沉降，防止粘稠物料的“挂壁”。

（一）搅拌器的功能和流型

功能：

提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态

1、通过自身的旋转把机械能传递给流体，形成桨叶附近高湍流充分混合区。

2、推动流体沿一定的路径在釜内循环流动，形成不同的“流型”

（1）轴向流——液体轴向流入，轴向流出

特点：

搅拌器叶片与旋转平面夹角小于90°

如：

折叶桨、推进式搅拌器

（2）径向流——液体轴向流入，径向流出

特点：

搅拌器叶片与旋转平面夹角等于90°

如：

平桨搅拌器

（3）切向流——物料粘度较低而搅拌器旋转速度较高时，液体会围绕搅拌轴作旋转运动，流体之间没有相对运动，起不到混合作用，反之，物料还会由于离心力的作用发生分离，影响搅拌反应器的正常操作。

发生旋转运动的区域称为“圆柱状回转区”

为消除圆柱状回转区，通常在釜内设置挡板。

（二）挡板与导流筒

——通常指在搅拌釜内为改善流体流动状态而设置的零件，如挡板、导流筒等。

圆柱状回转区→漩涡→叶轮吸入空气→物料发生分离→搅拌轴振动加剧

1、挡板

两种型式：

纵向挡板；横向挡板

常用的是纵向挡板，物辽粘度较高时使用横向挡板。

挡板的作用：

（1）将切向流转变为轴向流或径向流

（2）增加流体湍动程度，改善搅拌效果。

挡板的宽度：

W=（1/10~1/12）Di

全挡板化条件：

（W/Di）1.2z=0.35

挡板对流型的影响

挡板的安装方式

2、导流筒

常用于推进式或涡轮式搅拌器

推进式搅拌器的导流筒

推进式搅拌器和导流筒的几何尺寸

（三）搅拌器的型式

搅拌器的型式很多，其结构与被搅拌液体的性质和要求实现的流型有关，应根据工艺要求选用。

1、桨式搅拌器

2、推进式搅拌器

3、涡轮式搅拌器

4、框式和锚式搅拌器

5、螺杆式和螺带式搅拌器

（四）搅拌器的尺寸和搅拌器的选用

1、搅拌器的尺寸

主要指搅拌器的直径（桨径）、桨叶宽度、桨叶数目，它们将影响搅拌功率和搅拌效果，其大小和搅拌器的类型和釜体直径有关。

桨式

框式和锚式

推进式

涡轮式

dj/Di

0.35~0.8

>0.9

0.2~0.5

0.25~0.5

b/dj

0.1~0.25

0.07~0.1

0.2~0.35

0.15~0.3

n

2

3

6（8）

*（dj/Di）的大小影响搅拌效果

推进式及涡轮式搅拌器（dj/Di）较小，其原因在于：

推进式搅拌器轴向流量大，体积循环能力强；涡轮式搅拌器多用于搅拌低粘度液体。

*（b/dj）的大小影响搅拌功率

对于低粘度液体，桨叶宽度较小时，消耗功率的大小与桨叶宽度成正比，但当b增至一定值后，功率将不再增大。

对于高粘度液体，消耗功率的大小与桨叶宽度b成正比。

*n的确定主要是从结构上考虑

2、搅拌器的选用

*介质的性质

（1）液体的粘度

随着液体粘度增高，各种搅拌器使用的顺序是：

桨叶式、推进式、涡轮式、框式和锚式、螺杆（带）式

（2）液体的密度

（3）液体的腐蚀性

*反应过程的特性

间歇操作还是连续操作；吸热反应还是放热反应；是否结晶或有固体沉淀物产生等。

搅拌器型式选择（表8-9、8-10）

（五）搅拌器的功率

——指搅拌所需功率，即液体混合所需能量。

搅拌器的功率和搅拌器的位置、尺寸、转速，液体的性质及挡板、导流筒有关，可采用因次分析的方法得到搅拌功率关联式，然后用实验方法得到不同流动范围的准数关联式，从而计算搅拌器的搅拌功率。

搅拌功率关联式

影响搅拌功率的主要参数：

①搅拌器的运动参数（转速n）

②被搅拌液体的物理参数（密度ρ、粘度μ）

③反应器及搅拌器的几何尺寸

④重力的影响

功率关联式：

功率表达式：

N=f（n，dj，ρ，μ，g）

=Knadjbρcμdge

Rushton算图（图8-27）

四、搅拌轴设计

（一）结构设计

1、轴颈、轴头、轴身的设计

2、搅拌轴材料的选用

1足够的强度、刚度和韧性

2优良的切削加工性能

3耐腐蚀要求

④加工直线度的要求

（二）轴的计算

设计搅拌轴时，应考虑四个因素：

①扭转变形；

②临界转速；

③扭转和转矩联合作用下的强度；

④轴封处允许的径向位移。

1、按扭转变形计算搅拌轴的轴径

搅拌轴的外形特点是细而长，搅拌器连在轴的一端，轴工作时承受扭转和弯曲联合作用，以扭转为主。

轴扭矩的刚度条件：

式中d—搅拌轴直径，mm

G—轴材料剪切弹性模量，MPa；

Mnmax—轴传递的最大扭矩，

，N.m；

n—搅拌轴转速，r/min；

Pn—电机功率，kW；

α—空心轴内径和外径的比值；

η1—传动装置效率；

[γ]—许用扭转角，对于悬臂梁[γ]=0.35o/m，对于单跨梁[γ]=0.7o/m。

得搅拌轴的直径：

2、按临界转速校核搅拌轴的直径

通常把工作转速n低于第一临界转速的轴称为刚性轴，要求n≤0.7nc

把工作转速n高于第一临界转速的轴称为柔性轴，要求n≥1.3nc

搅拌轴的的转速在200r/min以上时，应进行临界转速的验算。

具有m个搅拌器的实心轴一阶临界转速nc：

式中α—悬臂轴两支点间距离，mm；

—轴材料的弹性模量，MPa；

I—轴的惯性矩，m4；

L1—第1个搅拌器悬臂长度，mm；

nc—临界转速，r/min；

Ws—在s点所有相当质量的总和，kg。

3、按强度计算搅拌轴的直径

搅拌轴的强度条件：

式中M—弯矩，

；

MA—由轴向力引起的轴的弯矩，N.m；

Mn—扭矩，N.m；

MR—水平推力引起的轴的弯矩，N.m。

—轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩，

N.m；

—抗扭截面模量，对空心圆轴

m3；

[τ]—轴材料的许用剪应力，

，MPa；

τmax—截面上最大剪应力，MPa；

—轴材料的抗拉强度，MPa。

得搅拌轴的直径：

4、按轴封处允许径向位移验算轴径

总径向位移δL0小于允许的径向位移[δ]L0，即：

式中[δ]L0—轴封处的允许径向位移，

通常

，mm；

K3—径向位移系数，当设计压力P＝0.1～0.6MPa、n>100r/min时，

一般物料K3＝0.3。

注意：

*轴径应同时满足强度和刚度条件

*在确定轴的结构尺寸时，还应考虑轴上键槽及开孔所引起的局部消弱，轴径应适当增

（1）轴的同一横截面上开一个键槽或浅孔时，轴径应增大4~5%

（2）轴的同一横截面上开两个键槽或浅孔时，轴径应增大7~10%

（3）若轴上沿径向开对穿销孔，孔径/轴径=0.05~0.25时，轴径应增大15%以上。

*轴径应圆整到标准公称轴径系列，如φ30、φ40、φ50、φ65、φ80、φ95、φ110等

5、减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的几个措施

（1）缩短悬臂段搅拌轴的长度

（2）增加轴径

（3）设置底轴承或中间轴承

（4）设置稳定器

五、密封装置

（一）填料密封

密封的基本要求：

（1）密封可靠，使用寿命长。

（2）结构简单、装拆方便。

填料密封是搅拌反应器最早应用的轴封装置，其结构简单、装拆方便，适用于低压、低速的场合。

1、填料密封的结构及工作原理（图8-33）

2、填料及其选用

（1）填料应富有弹性。

在压盖压紧后，弹性变形要大，这样才能贴紧转轴并对转轴产生一定的抱紧力。

（2）填料应耐磨。

填料和轴之间的摩擦系数要小，以降低摩擦功率的损耗，延长填料的使用寿命。

通常填料需要加润滑油以降低摩擦系数，有些填料（如石墨、聚四氟乙烯、耐磨尼龙等）本身具有自润滑作用，可有效地降低摩擦系数。

（3）导热性要好，能够将摩擦产生的热量尽快传递出去。

（4）高温高压条件下使用的填料，要求具有耐高温性能及足够的机械强度。

在所有填料中，石棉填料应用最为广泛。

*操作压力较低（PN≤0.2Mpa）,介质无毒、非易燃易爆时，常用石棉或油浸石棉绳作填料。

*操作压力较高或介质有毒、易燃易爆时，常用石墨石棉或橡胶石棉填料。

3、填料箱

（1）填料箱体

（2）填料压盖

4、摩擦功率的计算

转轴与填料间的摩擦力：

摩擦力距：

填料密封消耗的功率：

（二）机械密封（端面密封）

1、结构及工作原理（图8-35）

结构组成：

（1）密封元件（动环、静环）

（2）弹簧加荷装置（弹簧、弹簧座、动环压盖、紧固螺钉等）

（3）密封圈（动环密封圈、静环密封圈）

密封点：

A、B、C、D

2、机械密封的分类

（1）单端面与双端面

（2）平衡型与非平衡型

根据密封面负荷平衡情况分为平衡型和非平衡型，

设液压负荷面积为Ay，密封面接触面积为Aj，其比值K为：

经过适当的尺寸选择，可使机械密封设计成K<1，K=1或K>1。

当K<1时称为平衡型机械密封。

K≥1时为非平衡型。

通常平衡型机械密封的K值在0.6～0.9，非平衡型机械密封的K值在1.1～1.2之间。

（3）机械密封的选用

①当介质为易燃、易爆、有毒物料时，宜选用机械密封。

②设计压力小于0.6MPa且密封要求一般的场合，可选用单端面非平衡型机械密封。

设计压力大于0.6MPa时，常选用平衡型机械密封。

③密封要求较高，搅拌轴承受较大径向力时，应选用带内置轴承的机械密封，但机械密封的内置轴承不能作为轴的支点。

（4）动环、静环的材料组合

①耐磨性和导热性

②硬度——由于动环形状复杂，容易变形，所以要求动环的硬度比静环大。

③耐腐蚀性

（5）机械密封消耗的功率估算

克服密封接触面间的摩擦力Fd为：

式中dm—接触面的平均直径，dm=（D1+D2）/2，m；

D1—动环内直径，m；

D2—动环外直径，m；

fd—摩擦副的摩擦系数；

pb—密封端面比压，Pa。

摩擦力矩为：

则机械密封消耗的功率为：

3、全封闭密封

工作原理：

套装在输入机械能转子上的外磁转子，和套装在搅拌轴上的内磁转子，用隔离套使内外转子隔离，靠内外磁场进行传动，隔离套起到全封闭密封作用。

磁力联轴器的结构：

平面式联轴器和套筒式联轴器。

六、传动装置

传动装置包括电动机、减速机、联轴器及机架。

1、电动机的选型

由搅拌功率计算电动机的功率Pe：

式中Pfd—轴封消耗功率（填料密封Pf，机械密封Pd）,kW；

η—传动系统的机械效率。

2、减速机选型

常用的减速机有摆线针轮行星减速机、齿轮减速机、三角皮带减速机以及圆柱蜗杆减速机。

3、机架

机架一般有无支点机架、单支点机架和双支点机架。

无支点机架一般仅适用于传递小功率和小的轴向载荷的条件。

单支点机架适用于电动机或减速机可作为一个支点，或容器内可设置中间轴承和底轴承的情况。

双支点机架适用于悬臂轴。

对悬臂轴选用机架时应考虑：

（１）当减速机中的轴承完全能够承受液体搅拌所产生的轴向力时，可在轴封下面设置一个滑动轴承来控制轴的横向摆动，此时可选用无支点机架。

（２）当减速机中的轴承能承受部分轴向力，可采用单支点机架，机架上的滚动轴承承担大部分轴向力。

（３）当减速机中的轴承不能承受液体搅拌所产生的轴向力时，应选用双支点机架，由机架上二个支点的滚动轴承承受全部轴向力。

机械搅拌设备技术进展概述（了解）

一、搅拌器结构优化与组合

1、新型搅拌器的开发

2、组合式搅拌器的应用

二、搅拌设备的多功能化与智能化