化工设备设计基础搅拌反应釜.ppt

化工设备设计基础,主讲 滕艳华 副教授 材料学院高分子材料教研室 ,2,第六章 搅拌器反应釜,3,一、搅拌的目的,1、使物料 混合均匀,第一节 概述,2、强化传热、传质,4,1-搅拌器 2-罐体 3-夹套 4-搅拌轴 5-压出管 6-支座 7-人孔 8-轴封 9-传动装置,图9-1搅拌设备结构图,二、结构,5,搅拌设备,搅拌装置,轴封,搅拌罐,罐体,附件,搅拌轴,搅拌器,传动装置,6,一、罐体的尺寸确定,罐体长径比对搅拌功率的影响,第二节 搅拌罐结构设计,罐体长径比对传热的影响,需要较大搅拌功率的，长径比可以选得小些。,体积一定时，长径比越大，表面积越大，越利于传热；并且此时传热面距罐体中心近，物料的温度梯度就越大，有利于传热效果。因此，单纯从夹套传热角度考虑，一般希望长径比大一些。,1、罐体长径比,7,物料特性对罐体长径比的要求,表61 几种搅拌罐的长径比,8,装料系数,初步计算筒体内径,确定筒体直径和高度,一般取0.60.8,2、搅拌罐装料量,二、夹套传热及其结构,搅拌反应釜最常见的传热方式为夹套和蛇管传热。在釜体外侧，以焊接或法兰连接的方法装设各种形式的外套，时期与釜体外表面形成密闭的空间，在此空间内通入载热流体，以加热或冷却无料，维持物料的温度在规定的范围，这种结构称为夹套。 （一）整体夹套的结构类型 （a）仅圆筒的一部分有加套，用在需要加热面积不大的场合。 （b）圆筒的一部分和下封头包有加套，是最常用的典型结构。 （c）考虑到筒体受外压时为了减小筒体的计算长度L，或者为了实现在筒体的轴线方向分段的控制温度而采用分段夹套，各段之间设置加强圈或采用能够起到加强圈作用的夹套封口件，此结构适用于筒体细长的场合。 （d）为全包式夹套，与前三种相比，有最大的传热面积。,（二）整体夹套的尺寸确定及连接方式,夹套直径Dj可根据筒体内径按表选取 夹套封头根据夹套直径及所选封头形式按标准选取 夹套高度Hj主要决定于传热面积F的要求，一般不低于液面高度，以保证充分传热，可按下式估算 按估算的夹套高度，校核传热面积，如果不符合要求，则需选择其他形式的传热装置。 整体夹套与筒体的连接方式有可拆卸和不可拆卸两种。,（三）夹套上的附件,1、进口接管,2、螺旋导流板,三、其他形式的夹套结构,各种夹套的适用范围： （一）半圆管夹套的结构,（二）型钢夹套结构,四、蛇管传热及其结构,（二）搅拌器的形式,桨式、涡轮式、推进式、锚式、框式、螺带式、螺杆式,24,第二节 搅拌器的型式及选型,一、常见型式,25,二、搅拌器的功能,提供搅拌过程所需要的能量和适宜的流动状态，以达到搅拌过程的目的。,浆叶旋转运动，产生能量，作用于液体，形成流动状态。关键在浆叶，也与其它因素有关，如介质特性，搅拌器的工作环境等。,26,三、选型,搅拌器选型,搅拌目的,物料粘度,搅拌容器容积的大小,选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。,27,表9-1 搅拌器型式适用条件表,注表中空白为不适或不详，为适合。,28,四、几种常用搅拌器简介,桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在 搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占 搅拌器总数的7580。,29,1. 桨式搅拌器,结构最简单 叶片用扁钢制成，焊 接或用螺栓固定在轮 毂上，叶片数是2、3 或4 片，叶片形式可 分为平直叶式和折叶 式两种。,图9-3 桨式搅拌器,30,主要应用,液液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固 液系中多用于防止固体沉降。,主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式 比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使 用较多。,也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替 价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。,31,桨式搅拌器的转速一般为20100r/min ， 最高粘度为20Pas 。,缺点,不能用于以保持气体和以细微化为目的 的气液分散操作中。,32,2. 推进式搅拌器,推进式搅拌器（又称船用推进器） 常用于低粘流体中。,结构,标准推进式搅拌器有三瓣叶 片，其螺距与桨直径d相等。 它直径较小，d/D=1/41/3，叶端速度一般为 710 m/s，最高达15 m/s。,图9-4 推进式搅拌器,33,搅拌时流体由桨叶上方吸入，下方以圆筒状螺旋形排 出，流体至容器底再沿壁面返至桨叶上方，形 成轴向流动。,特点 搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构 简单，制造方便。,循环性能好，剪切作用不大， 属于循环型搅拌器。,34,应用,粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好 的搅拌效果。 主要用于液液系混合、使温度均匀，在低浓度固液系 中防止淤泥沉降等。,改进,容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、 搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。,35,3涡轮式搅拌器,涡轮式搅拌器（又称透 平式叶轮），是应用较 广的一种搅拌器，能有 效地完成几乎所有的搅 拌操作，并能处理粘度 范围很广的流体。,图9-5 涡轮式搅拌器,36,涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液液分散、液固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。,37,4锚式搅拌器,结构简单。 适用于粘度在100Pas 以下的流体搅拌，当流 体粘度在10100Pas 时，可在锚式桨中间加 一横桨叶，即为框式搅 拌器，以增加容器中部 的混合。,图9-6 锚式搅拌器,38,锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合 要求不太高的场合。,由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器 大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、 晶析操作。 常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。 当搅拌粘度大于100Pas 的流体时，应采用螺带 式或螺杆式。,挡板与导流筒 1挡板 当流体粘度不大，搅拌转速较高，而且桨叶放在釜的中心线时，液体将随着桨叶旋转的方向循着釜壁滑动，釜内液体在离心力作用下涌向釜壁，使液面沿袭壁上升，中心部分的液面下降，形成一个漩涡，通常称打漩现象。,打漩现象消除措施： a.搅拌轴偏心安装时，能减弱游涡，提 高轴向循环速率; b.在釜内安装挡板可有效的消除游涡, 挡板 挡板的作用是避免旋 涡现象，增大被搅拌液体 的湍流程度，将切向流动 变为轴向和径向流动，强 化反应器内液体的对流和 扩散，改善搅拌效果。,搅拌反应器的挡板结构,可有效地防止粘滞液体在挡板处形成死角，以防止固体颗粒的堆积。,在高粘度物料中使用桨式搅拌器时，可安装横挡板以增加掺合作用，挡板宽度可与搅拌叶同宽。,2导流筒 设置导流筒，既可提高釜内流体的搅拌程度，加强桨叶对流体的直接剪切作用，同时又造成一定的循环流型，使釜内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高混合效率。另外由于限定了循环路径，减少了短路机会。, 导流筒的作用 导流筒作用-提高混合效率 一方面提高了对液体的搅拌程度，加强了搅拌器对液体的直接机械剪切作用；另一方面由于限定了液体的循环路径，确立了充分循环的流型，使器内所有物料均能通过导流筒内的强烈混合区，减少了走短路的机会。 导流筒的组成 导流筒是一个圆筒，安装在搅拌器的外面。常用于推进式和涡轮式搅拌器。,导流筒,49,（一）搅拌器功率和搅拌器作业功率,1、定义,搅拌功率,搅拌器功率,搅拌作业功率,四、搅拌器的功率,最理想状态：搅拌器功率搅拌作业功率,搅拌过程进行时需要动力，笼统地称这一动力时叫做搅拌功率。,为使搅拌器连续运转所需要的功率称为搅拌器功率。,搅拌器使搅拌槽中的液体以最佳方式完成搅拌过程所需要的功率。,50,2、影响搅拌器功率的因素,51,一、传动装置,第四节 传动装置及搅拌轴,一般包括电动机、减速装置、联轴节及搅拌轴,图9-8 齿轮减速机,图9-9 涡轮减速机,52,二、轴的计算,1、轴的强度计算,2、轴的刚度计算,53,二、轴封,机械搅拌反应器 轴封主要有两种,轴的密封装置,填料密封,机械密封,避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部 杂质渗入搅拌容器内。,目的：,54,1、填料密封,特点：,结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、 密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。,填料密封的结构及工作原理,组成：,底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等。,55,工作原理,在压盖压力作用下，装在搅拌轴与填料箱本体之间的填料，对搅拌轴表面产生径向压紧力。 填料中含有润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的 同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得到 润滑，另一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体 的渗入，达到密封的目的。,56,存在问题,填料中的润滑剂会在运转中不断消耗，通过设置在填料中间的油环向填料内加油，保持润滑。 填料密封不可能绝对不漏。增加压紧力，填料紧压在转动轴上，会加速轴与填料间的磨损，使密封更快失效。 在操作过程中应适当调整压盖的压紧力，并需定期更换填料。,57,图9-10 填料密封的结构,1压盖 2双头螺柱 3螺母 4垫圈 5油杯 6油环 7填料 8本体 9底环,58,填料密封箱的特点,b. 成型环状填料 盘状填料装配时尺寸公差很难保证，填料压紧后不能 完全保证每圈都与轴均匀良好接触，受力状态不好， 易造成填料密封失效而泄漏。采用具有一定公差的成 型环状填料，密封效果可大为改善。填料一般在裁 剪、压制成填料环后使用。 成型环状填料的形状见图834。,在填料箱的压盖上设置衬套，可提高装配精度，使轴有良好对中，填料压紧时受力均匀，保证填料密封在良好条件下进行工作。,59,图9-11 压制成型填料,60,当旋转轴线速度大于1m/s时，摩擦热大，填料 寿命会降低，轴也易烧坏。,措施：,提高轴表面硬度和加工精度，提高填料自 润滑性能，如在轴表面堆焊硬质；,合金或喷涂陶瓷或采用水夹套等。轴表面 的粗糙度应控制在0.8-0.2m。,61,填料密封的选用,b. 根据填料的性能选用： 当密封要求不高时，选用一般石棉或油浸石棉填 料，当密封要求较高时，选用膨体聚四氟乙烯、 柔性石墨等填料。各种填料材料的性能不同，按 表8-13选用。,根据设计压力、设计温度及介质腐蚀性选用当介 质为非易燃、易爆、有毒的一般物料且压力不高 时，按表812选用填料密封。,62,表9-4 标准填料箱的允许压力、温度,63,表9-5 填料材料的性能,64,2、机械密封,把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静 环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封 的装置，又称端面密封。,泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长， 在搅拌反应器中得到广泛地应用。,定义：,特点：,65,由固定在轴上的动环及弹簧压紧装置、固定在设备上的静环以及辅助密封圈组成。,机械密封的结构及工作原理,结构,66,1弹簧； 2动环； 3静环,图9-12 机械密封结构,67,釜用机械密封基本结构,68,图9-13 机械密封的基本结构及组成,69,当转轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触，并经轴上弹簧压紧力的作用，阻止容器内介质从接触面上泄漏。,工作原理,动环与轴之间的密封，属静密封，密封件常用“O”形环。,A点：,图中有四个密封点：,70,B点：,动密封, 密封的关键,动环和静环作相对旋转运动时的端面密封，属动密 封，是机械密封的关键。 两个密封端面的平面度和粗糙度要求较高，依靠介 质的压力和弹簧力使两端面保持紧密接触，并形成 一层极薄的液膜起密封作用。,71,静环座与设备之间的密封，属静密封。 通常设备凸缘做成凹面，静环座做成凸面， 中间用垫片密封。,C点：,静环与静环座之间的密封，属静密封。,D点：,72,密封面上单位面积所受的力称为端面比压。 它是动环受介质压力和弹簧力的共同作用下，紧压在静环上引起的，是操作时保持密封所必需的净压力。,造成摩擦面发热，摩擦加剧，功率消耗增加，使用寿命缩短,端面比压：,密封面因压不紧而泄漏，密封失效,端面比压过大：,端面比压过小：,动环和静环之间的摩擦面称为密封面,73,机械密封分类,机械密封 分类,按密封面负荷 平衡情况分为,按密封面 数目分为,单端面,双端面,平衡型,非平衡型,一对密封面,二对密封面,