反应釜设计.ppt

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山东师范大学化工设备机械基础课程设计电子课件,反应釜设计,2,参考书目,化工设备机械基础课程设计指导书蔡纪宁张秋翔编，化学工业出版社化工设备机械基础董大勤编，化学工业出版社化工设备机械基础赵军张有忱段成红编，化学工业出版社化工设备机械基础朱思明汤善莆编，化学工业出版社GB1502011钢制压力容器,3,18-5搅拌反应器的轴封,18-4传动装置与搅拌轴,18-3搅拌器,18-2釜体及传热装置设计,18-1反应釜的总体结构,反应釜,4,搅拌设备由主要由釜体部分、搅拌装置、轴封、传热装置和传动装置五大部分组成。

釜体部分包括筒体，上、下封头以及各种接管口等。

筒体的直径和高度决定釜容积的大小，应根据工艺要求确定其长径比。

强度、稳定性计算按前述方法进行。

传热装置的作用是控制反应过程中的热量传递。

常用外置式夹套或内置式蛇管。

加热介质常选用蒸汽，有时用有机载热体，冷却介质通常用冷却水或盐水。

传热面积要满足工艺所需传热量的要求。

搅拌装置是为了使各种物料混合均匀，常用搅拌器如桨式、涡轮式、推进式等各有不同的尺寸和范围，可根据被搅拌物料的粘度、搅拌器转速等选择。

搅拌器通常用可拆连接固定在搅拌轴上。

传动装置一般由电机、减速器、联轴器等组成。

搅拌轴用联轴器与减速器相联，传递来自电机的动力。

为保证反应釜筒体空间的密封，在搅拌轴穿过封头处要有密封装置即轴封。

电机、减速器重量不大时可利用机架支承在封头上,18-1反应釜的总体结构,5,搅拌釜的结构,6,反应釜,7,18-2釜体及传热装置设计,釜体及传热装置设计主要包括：

釜体的结构设计；釜体的几何尺寸计算；夹套的几何尺寸计算；釜体和夹套的壁厚计算；工艺接管口设计；夹套的结构设计；,8,上下封头一般均采用标准椭圆封头。

下封头与筒体焊接，上封头与筒体的连接型式分为可拆连接和不可拆连接两种，可拆连接一般做成法兰连接。

夹套常采用焊接式整体结构形式。

反应器有上出料方式和下出料方式。

常选用悬挂式支座。

罐体和夹套的结构设计,9,10,反应釜,11,一、釜体的尺寸,确定长径比时应考虑：

1.长径比（H1/D1）的确定,长径比对搅拌功率的影响：

Ndj5，长径比越大，即D1或dj越小，所需搅拌功率也越小。

长径比对传热的影响：

长径比大，可以使传热表面到釜中心的距离较小，釜内温度梯度小，有利于传热。

反应过程对长径比的要求：

用于发酵过程的发酵罐，为使通入的空气与发酵液充分接触，需有足够的液深，因此要求长径比大。

12,罐体的长径比i：

按物料类型选取，见下表：

H1/D1,几种搅拌釜的长径比i（H1/D1）值,既然长径比越大，搅拌功率越小，越有利于传热，为什么表中的i值并不是很大？

13,装料系数一般取0.60.8；物料在反应过程中要起泡沫或呈沸腾状态，装料系数取低值，约为0.60.7；物料反应平稳，可取0.80.85，物料粘度较大可取大值。

2.釜体内直径D1和高度H1的确定,釜体全容积V与操作容积V0的关系：

V0=V,确定装料系数,14,估算筒体内径D1,釜体全容积V：

确定公称直径DN（表8-1）,确定筒体高度,V封封头容积，V1m1米高筒体容积（表8-4）。

修正实际容积V=V1mH1+V封,15,夹套直径D2（mm）夹套高度H2,V封下封头容积，V1m1米高筒体的容积。

二、夹套的几何尺寸计算,夹套直径D2（mm）,16,F封+F筒F式中：

F筒筒体内表面积；F筒=H2F1m，m2；F封封头内表面积（表8-27）；F1m1米高筒体内表面积（表8-24）；F给定传热面积。

当F封+F筒F时，应考虑再设其他传热装置。

传热面积校核,17,三、罐体厚度计算,当罐体内为正压外带夹套时，被夹套包围部分的筒体和封头应分别进行内压强度计算及外压稳定性计算，并取其中较大值；其余部分按内压圆筒设计。

其中内压设计压力P等于釜体设计压力P1，外压设计压力P等于夹套设计压力P2。

为什么？

最后要进行水压试验应力校核。

18,夹套按内压进行设计计算。

注意：

应在内筒液压试验合格后再焊接夹套；夹套内压试验压力同第八章。

夹套水压试验必须事先校核该容器在夹套试压时的稳定性是否足够；若不满足稳定性，则夹套水压试验时釜体内须保持一定压力，以便在整个试压过程中，夹套与筒体的压力差不超过设计值。

四、夹套厚度计算,以上三点均应在装配图的技术要求里注明！

19,（a）型接管伸进设备内，端部成45斜面朝向中心，可避免物料沿釜壁流动。

加料管,（b）型加料管可抽出，用于易磨蚀、易堵塞的物料，清洗、检修方便。

（c）型加料管浸没在料液中，可减少因冲击液面而产生的泡沫。

管上开小孔是为了防止虹吸现象。

四、工艺接管口,20,上出料管,上出料管,当反应釜内液体物料需要输出到位置更高或者与其并列的另一设备中去时，可采用上出料管。

出料利用压缩空气或惰性气体的压力，将釜内液体物料压出。

或真空抽出。

Q235-A,21,下出料管,下出料管,当反应釜的液体物料需要放入另一个位置更低的设备中去时，反应釜底部装设下出料管。

（a）型夹套需进行翻边，应力集中小，但加工困难。

（b）型夹套不需翻边，易于制造。

用于夹套内压力较低时。

22,五、传热构件,常用的传热装置有两种：

夹套和内盘管。

传热装置所需要的传热面积应根据搅拌反应釜升温、保温或冷却过程的传热量和传热速率来计算。

1.夹套,夹套的主要结构有：

整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套。

整体夹套有圆筒型和U型两种，夹套与筒体的连接方式分为：

可拆式和不可拆式。

23,最常用的夹套是U型夹套，它是一个薄壁筒体，套在搅拌釜外部。

夹套所包围的筒体表面积即为传热面积。

夹套的特点是结构简单，制造方便，基本不需要检修。

一般U型夹套可以使用于2.5MPa以下，压力高时可以采用蜂窝式夹套。

整体式夹套,24,整体式夹套,可拆式整体式夹套,不可拆式整体式夹套,25,整体式夹套,26,螺旋导流板,带螺旋导流板的夹套,焊在釜体上的螺旋导流板既可提高加热或冷却介质的流速、改善传热效果，又可增加釜体刚性。

27,夹套封闭件与釜体的焊接,28,夹套的高度由所需的传热面积决定，一般夹套的上端应高于筒体内物料的高度，且离开筒体法兰应有150250mm的距离，以便上紧和拆卸筒体法兰的螺栓。

夹套上开有供加热或冷却介质进出的接管。

加热蒸汽自上部进入，冷凝水自夹套底部排出；若通冷水，则相反。

当传热量很大，仅用夹套传热面积不够时，需在筒体内部增设蛇管。

整体式夹套,夹套的安装尺寸,29,夹套进气管,为防止高温蒸气对釜壁的冲蚀作用，蒸汽进口处可装防冲板。

30,穿越夹套的釜体接管,31,其他形式夹套,32,螺旋形蛇管,内盘管分为：

螺旋形蛇管和竖式蛇管。

若承受蒸汽压力，蛇管应采用无缝钢管。

蛇管热效率高，还可以起挡板的作用，但会增加所需搅拌器的运行功率。

2.内盘管（蛇管）,同心圆蛇管式,33,18-3搅拌器,一、搅拌器的类型和流型常用的有：

桨式、涡轮式、推进式、锚式、框式、螺带式、螺杆式等。

有三种基本流型：

搅拌器的作用：

加强介质的混合或分散，提供适宜的流动状态，加快反应速度，达到搅拌过程。

轴向流径向流混合流,34,搅拌器的三种基本流型,径向流式流体从轴向进入叶轮，从径向流出。

常用于低粘度乳浊液、悬浊液、固-液的搅拌。

轴向流式液体从轴向进入叶片，从轴向流出。

常用于乳浊液和混浊液的制备。

混合流型：

在容器侧壁加设挡板等阻挡物引起液流方向变化而形成的各种流型。

35,搅拌器三维动态模拟,36,几种常用搅拌器,37,1.桨式搅拌器,1.浆式搅拌器主要用于流体的循环，不能用于气液分散操作。

2.折叶式比平直叶式功耗少，操作费用低，故折叶桨使用较多。

38,由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。

桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。

由平板构成，一般26个叶片，有平直叶、折叶两种。

叶片多少视容器大小和液层高度而定，有两排以上桨叶时相邻两排桨叶应相错90，以增加搅拌效率。

1.桨式搅拌器,39,桨叶面与容器底面平行时，物料不能形成涡流，搅拌效果差。

桨叶面与旋转方向垂直时，造成阻力大。

桨叶有倾角-折叶，可减小阻力，提高搅拌效果。

当轴顺时针旋转时，可使沉淀物通过搅拌向上翻起，对固液系统的搅拌效果特别好。

当轴反时针旋转时，则可使悬浮物搅拌至底部，对具有悬浮物液体搅拌十分有利。

桨叶平面位置：

使浆叶与旋转方向成一夹角,桨叶与轴的固定方法,焊接法：

制造方便，强度不大，拆卸困难，用于直径小容器。

螺钉连接法：

轴是圆形时，易产生滑动，拆卸方便，适用于功率小的场合。

螺钉连接法：

轴是方的，克服浆叶与之滑动。

键固定法：

克服以上缺点，广泛采用。

41,2.推进式搅拌器,特点：

1.轴向流搅拌器2.循环量大，搅拌功率小3.常用于低粘流体的搅拌4.结构简单、制造方便,42,推进式搅拌器的特点,23片浆叶，其桨叶形状和螺旋桨相似。

应用于低粘度液体，混合两种不相混和液体制备乳浊液时采用，对粘稠性产品搅拌不适用。

搅拌速度高，转速达500转/分。

桨叶用螺母固定在轴上，螺母拧紧方向与桨叶旋转方向相反，借阻力作用使螺母在搅拌器运转时愈来愈紧。

否则，螺母极易松动。

桨叶不宜过大，用在容积较小设备中。

43,分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按叶轮又可分为平直叶和弯曲叶。

是一个圆盘或圆筒，具有小的叶片或通路，主要产生径向液流。

常用于稀薄的乳浊液，悬浮液及固体溶液等制备。

转速较高（达300转/分）。

3.涡轮式搅拌器,44,涡轮式搅拌器,直叶圆盘叶轮,弯叶圆盘叶轮,直叶开启涡轮,弯叶开启涡轮,45,46,锚式搅拌器,框式搅拌器,与釜壁间隙较小，有利于传热，适用于粘度大、处理量大的物料。

4.框式和锚式搅拌器,47,框式和锚式搅拌器的特点,夹套加热器中用得较多。

利用搅拌作用，把已受热的容器壁附近的物料搅拌至其它地方，而处于其它地方较冷物料搅拌至容器壁附近加热。

提高热交换速率，防止物料在壁上焦化或结晶析出。

浆叶1的外形与容器2底部的轮廓相似。

浆叶边缘至容器底部的距离要适当，以3050mm为宜，但用于高浓度物料搅拌时只能取5毫米，加工及安装精度高，不然叶片碰上器壁而损坏设备。

转速一般为5070转/分。

48,螺杆式搅拌器,螺带式搅拌器,5.螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器,常用扁钢按螺旋形绕成，转速较低，通常不超过50r/min，主要用于高粘度液体的搅拌。

49,介质的性质介质的粘度：

介质粘度大时应选用慢速搅拌器，反之则应选用快速搅拌器。

随着介质粘度增高，各种搅拌器使用的顺序是：

推进式、涡轮式、桨叶式、框式和锚式、螺杆（带）式。

介质的密度介质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。

搅拌效果和搅拌功率的要求,二、搅拌器的选型,50,51,三、搅拌器附件,目的是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，以消除切线流和“打漩”，促使液体激烈翻动，增大湍流速度。

一般为2-4块。

挡板,通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件。

所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。

挡板的长度自液面起到罐底为止。

挡板与罐壁之间的距离为（1/51/9）W，（W：

挡板宽度）避免形成死角，防止物料堆积。

52,导流筒,是一上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。

推进式叶轮的导流筒,53,搅拌釜的传动装置一般包括：

电动机、减速器、联轴器、轴封装置、机座及搅拌轴。

电动机经减速器将转速降低，再通过联轴器带动搅拌轴旋转，从而带动搅拌器转动。

整个传动装置连同机座及轴封装置都安装在底座上。

一、传动装置,18-4传动装置与搅拌轴,54,电动机,搅拌釜的电动机绝大部分与减速器配套使用，设计时可根据选定的减速器选用配套的电动机。

选用电动机主要确定电动机系列、功率、转速以及安装形式和防爆要求。

常用电动机系列有Y系列三相异步电动机、YB系列隔爆型三相异步电动机、YF系列防腐型三相异步电动机,55,减速器,常用减速器有齿轮减速器、蜗轮减速器、三角皮带减速器、摆线针齿行星减