釜式反应器的搅拌与传热

第四章 釜式反应器的搅拌与传热精 细 化 工 反 应 过 程 的 化 学 变 化 ， 是 以 反 应 物 的充 分 混 合 以 及 维 持 适 宜 的 反 应 温 度 为 前 提 的就 釜 式 反 应 器 而 言 ， 达 到 充 分 混 合 的 根 本 条 件是 对 反 应 混 合 物 进 行 充 分 的 搅 拌 ； 满 足 适 宜 的反 应 温 度 的 根 本 途 径 是 良 好 的 传 热 。 所 以 ， 搅拌 装 置 、 传 热 构 件 就 成 为 釜 式 反 应 器 不 可 缺 少的 组 成 部 分本 章 包 括 以 下 内 容 ： 第 四 章 釜 式 反 应 器 的 搅 拌 与 传 热 4.1搅 拌 器 型 式 及 其 液 体 流 型 4.2搅 拌 过 程 的 种 类 及 搅 拌 器 的 选 型 4.3搅 拌 器 功 率 的 计 算 4.4釜 式 反 应 器 的 传 热 4.5搅 拌 系 统 传 热 时 间 4.1.1 搅拌器的一般型式搅 拌 器 主 要 有 *推 进 式 、 涡 轮 式 、 桨 式 、 框 式 、 锚式 等 。 (1) 桨 式 常 用尺 寸 dj/D=0.350.80; z =2b/dj=0.100.25; =45,60一 般转 速 1100 rpm介 质粘 度 2000cP流 动状 态 a:低 速 时 ,水 平 切 线 流 ;高 速 时 水 平 径 向 流b:有 轴 向 分 流 ,径 向 分 流 及 环 向 分 流 。 多 在 层 流 及 过 度 流 操 作各 种 不 同 搅 拌 器 的 特 性 及 应 用 如 下 ： (2-1) 开 启 涡 轮 式 常 用尺 寸 dj/D=0.200.50(0.33); z =3,4,6,8b/dj=0.150.30; = 45,60;后 弯角 a = 30,50,60,80一 般转 速 10300 rpm介 质粘 度 5 104cP; b,c 104cP流 动状 态 a,c:径 向 流 ,有 挡 板 时 以 桨 叶 为 界 形 成 上 下 两 个 循 环 流b:有 轴 向 分 流 ,近 于 轴 型 流备 注 最 高 转 速 可 达 600rpm 常 用尺 寸 dj/l/b=20:5:4; z = 4,6,8dj/D=0.20.5; = 45,60;后 弯 角a = 45一 般转 速 10300 rpm介 质粘 度 5 104cP; b,c 104cP流 动状 态 a,c:径 向 流 ,有 挡 板 时 以 桨 叶 为 界 形 成 上 下 两 个 循 环 流b:有 轴 向 分 流 ,备 注 最 高 转 速 可 达 600rpm, 圆 盘 上下 流 体 混 合 不 及 开 启 涡 轮(2-2) 圆 盘 涡 轮 式 (3) 推 进 式 常 用尺 寸 dj/D=0.20.5(0.33); s/d=1,2;z=2,3,4一 般转 速 100500 rpm介 质粘 度 2000cP流 动状 态 轴 流 型 ,循 环 速 率 高 ,剪 切 力小 ,采 用 挡 板 获 导 流 筒 则 轴向 循 环 更 强备 注 最 高 转 速 可 达 1750rpm (4) 锚 式 及 框 式 常 用尺 寸 dj/D=0.90.98; b/D=0.1;h/D=0.481.0一 般转 速 1100 rpm介 质粘 度 105cP流 动状 态 水 平 切 线 流 ,层 流 态 操 作备 注 可 加 立 叶 及 横 梁 (5) 螺 带 式 常 用尺 寸 dj/D=0.90.98; s/dj=0.5,1,1.5;b/D=0.1;h/dj=1.03.0一 般转 速 0.550 rpm介 质粘 度 105cP流 动状 态 轴 流 型 ,一 般 是 流 体 沿 反应 器 壁 上 升 再 沿 桨 轴 而下 ,层 流 态 操 作 (6) 螺 杆 式 常 用尺 寸 dj/D=0.40.5; s/dj=1,1.5; b/D=0.1;h/dj=1.03.0一 般转 速 0.550 rpm介 质粘 度 105cP流 动状 态 轴 流 型 ,有 导 流 筒 时 ,一 般导 流 筒 内 流 体 向 下 ,导 流筒 外 流 体 向 上 流 动 ,层 流态 操 作 4.1.2 搅拌流体的流型*概 括 地 讲 ,搅 拌 器 的 作 用 是 赋 予 流 体 以 机 械 能 ， 并 使之 以 适 宜 的 状 况 流 动 。而 流 体 的 流 动 状 态 也 因 搅 拌 器 的 型 式 、 搅 拌 附 件 的有 无 及 其 种 类 而 异 。一 般 而 言 ， 搅 拌 流 体 的 流 型 可 归 纳 为 以 下 几 类 ：(1)轴 向 流 ： 流 体 沿 搅 拌 轴 的 方 向 流 动 ， 分 为 轴 向 流 和 分 区 轴 向 流(2)径 向 流 ： 流 体 沿 反 应 器 的 半 径 方 向 在 搅 拌 器 与 釜 壁 间 流 动(3)切 线 流 (环 向 流 )： 流 体 沿 搅 拌 轴 作 圆 周 运 动 流 体 流 型 的 作 用 ：搅 拌 流 体 的 流 型 对 传 质 传 热 有 着 显 著 的 影 响 ， 也 是搅 拌 器 的 重 要 特 性 之 一 ， 搅 拌 器 型 式 不 同 ， 其 对 应的 流 体 流 型 也 显 著 不 同 。 一 般 而 言 ：轴 向 流 剪 切 作 用 小 而 循 环 速 率 高 ；径 向 流 剪 切 作 用 大 而 循 环 速 率 低 ；切 线 流 的 优 点 是 可 以 提 高 夹 套 的 传 热 速 率 ， 但 对 其它 过 程 往 往 产 生 不 利 影 响 ， 而 且 ， 切 线 流 的 存 在 经常 使 流 体 液 面 下 陷 ， 严 重 时 导 致 桨 叶 露 出 液 面 。加 挡 板 可 抑 制 切 线 流 ， 减 小 液 面 下 陷 深 度 。 切 线 流 、 液 面 下 陷 及 加 挡 板 的 流 动 状 况 改 变 搅 拌 器 的安 装 方 式 ， 如将 搅 拌 器 偏 心安 装 ， 可 以 改变 被 搅 拌 流 体的 流 动 状 况 ，从 而 在 一 定 程度 上 达 到 消 除切 线 流 ， 抑 制液 面 下 陷 ， 减小 流 动 死 角 ，强 化 传 质 、 传热 的 目 的 不 同 类 型 搅 拌 器 的 流 体 流 型 a-桨 式 有 档 板 b-涡 轮 式 无 档 板 c-涡 轮 式 有 档 板 d-推 进 式 有 档 板 e - 锚 式 f - 螺 杆 式 带 导 流 筒 g - 螺 带 式 4.1.3搅 拌 附 件 (1)挡 板 ： 一 般 是 长 条 形 竖 向 固 定 在 搅 拌 釜 内 壁 上 的 板 。 作 用 :加 剧 流 体 的 湍 动 程 度 ， 消 除 切 线 流 ， 提 高 搅 拌器 的 剪 切 性 能 。 全 挡 板 条 件 ： 挡 板 数 目 足 够 ， 再 增 加 数 目 ， 搅 拌 效率 也 不 再 增 加 ， 此 时 称 为 全 挡 板 条 件 。 板 宽 W (1/201/10)D， 视 粘 度 高 低 而 减 增 ； 数 目 依 釜 径 尺 寸 而 异 ， 小 直 径 釜 一 般 24个 ， 大 者 一般 48个 。 通 常 以 46个 居 多 。 n挡 板 安 装 方 式 n挡 板 安 装 方 式 D形 折 流 档 板 指 形 套 管 式传 热 档 板 示 意 图 (2)导 流 筒 导 流 筒 为 圆 筒 型 ， 紧 包 着 桨 叶 ， 可 使 桨 叶 排 出 的 流体 在 导 流 筒 内 外 形 成 上 下 循 环 流 ， 从 而 更 严 格 地控 制 流 体 流 型 ， 并 可 得 到 高 速 涡 流 和 高 倍 循 环 量 ，从 而 达 到 防 止 短 路 ， 强 化 传 质 传 热 的 目 的 。 此 外 ， 某 些 情 况 下 ， 这 些 附 件 的 功 能 可 由 其 它 非 附件 工 艺 接 管 实 现 ， 如 传 热 蛇 管 可 起 导 流 筒 的 作 用 ；传 热 挡 板 、 小 容 积 反 应 器 的 压 料 管 和 热 电 偶 可 起 挡板 作 用 等 推 进 式 搅 拌 器 的 导 流 筒 示 意 图 4.2.1搅 拌 过 程 的 种 类 （ 1） 均 相 液 体 混 合 （ 2） 液 一 液 分 散 （ 3） 气 一 液 分 散 （ 4） 固 一 液 分 散 （ 5） 结 晶 （ 6） 固 体 溶 解 （ 7） 强 化 传 热 4.2.2搅 拌 的 混 合 机 理 搅 拌 器 运 转 时 ， 叶 轮 把 能 量 传 给 它 周 围 的 液 体 ，使 这 些 液 体 以 很 高 的 速 度 运 动 起 来 。 当 这 些 高 速运 动 的 液 体 掠 过 静 止 或 运 动 速 度 较 低 的 液 体 时 ，产 生 强 烈 的 剪 切 作 用 。 在 这 种 剪 应 力 的 作 用 下 ， 静 止 或 低 速 运 动 的 液 体也 跟 着 以 很 高 的 速 度 运 动 起 来 ， 从 而 带 动 所 有 液体 在 设 备 范 围 内 流 动 。 这 种 设 备 范 围 内 的 循 环 流动 称 为 “ 宏 观 流 动 ” 。 由 此 造 成 的 设 备 范 围 内 的 扩 散 混 合 作 用 称 作 “ 主体 对 流 扩 散 ” 。 处 于 高 速 液 流 和 静 止 或 低 速 液 流 界 面 的 液 体 ， 由 于 受到 强 烈 的 剪 切 作 用 被 卷 起 而 形 成 漩 涡 。 这 些 高 速 旋转 的 漩 涡 又 对 它 周 围 的 液 体 造 成 强 烈 的 剪 切 作 用 ， 从而 产 生 更 多 的 漩 涡 。 众 多 的 漩 涡 一 方 面 把 更 多 的 液 体挟 带 到 作 宏 观 流 动 的 主 体 液 流 中 去 ， 同 时 形 成 局 部范 围 内 液 体 快 速 而 紊 乱 的 对 流 运 动 ， 即 局 部 的 湍 流流 动 。 这 种 局 部 范 围 内 的 漩 涡 运 动 称 为 “ 微 观 流动 ” 。 由 此 造 成 的 局 部 范 围 内 的 扩 散 混 合 作 用 称 作 “ 涡 流对 流 扩 散 ” 。 搅 拌 设 备 里 不 仅 存 在 涡 流 对 流 扩 散 和 主 体 对 流 扩 散 ，还 存 在 分 子 扩 散 ， 其 强 弱 程 度 依 次 减 小 。 实 际 的 混合 作 用 是 上 述 三 种 扩 散 作 用 的 综 合 。 4.2.3循 环 流 量 搅 拌 器 应 具 有 两 方 面 的 性 能 (1)能 产 生 强 大 的 液 体 循 环 流 量 所 谓 液 体 循 环 流 量 是 指 单 位 时 间 内 在 设 备 范 围 内 进行 循 环 流 动 的 液 体 体 积 ， 用 Q表 示 。 显 然 ， 液 体 循 环 流 量 Q是 宏 观 混 合 的 表 征 。 Q越 大 ，宏 观 混 合 效 果 越 好 ， 所 需 的 混 合 时 间 就 越 短 。 （ 2） 能 产 生 强 烈 的 剪 切 作 用 剪 切 作 用 越 强 烈 ， 漩 涡 运 动 及 其 所 造 成 的 湍 流 流 动就 越 剧 烈 ， 分 散 的 微 团 尺 寸 就 越 小 。 要 求 得 到 高 分 散 度 的 搅 拌 过 程 ， 如 气 一 液 分 散 、 液一 液 分 散 、 固 体 溶 解 就 应 该 选 用 能 产 生 强 烈 剪 切 作用 的 搅 拌 器 。 液 体 循 环 流 量 是 叶 轮 的 排 液 量 与 由 它 所 吸 引 挟 带的 液 体 量 之 和 。 按 离 心 泵 原 理 ， 叶 轮 的 排 液 量 与 叶 轮 转 速 的 一 次方 及 叶 轮 直 径 的 三 次 方 成 正 比 。 Q=NQnd3 式 中 液 体 循 环 流 量 m3/s； 搅 拌 叶 轮 转 速 1/s; 搅 拌 叶 轮 直 径 。 N Q 循 环 流 量 数 3ndQ 循 环 流 量 数 与 搅 拌 雷 诺 数 Res、 叶 轮 型式 、 叶 轮 直 径 、 叶 片 数 目 等 许 多 因 素 有 关 。 当 Res 104、 有 挡 板 时 推 进 式 搅 拌 器 ： NQ=0.68 .975 涡 轮 式 搅 拌 器 ： NQ=1.195.655 4.2.4叶 轮 的 剪 切 性 能 搅 拌 器 运 转 时 ， 叶 轮 把 能 量 传 给 液 体 ， 叶 轮 传 给 单位 重 量 液 体 的 能 量 称 作 叶 轮 的 压 头 ， 用 H表 示 。 式 中 1液 体 离 开 叶 轮 的 速 度 ， m/s； 重 力 加 速 度 m/s2； u搅 拌 叶 轮 的 叶 端 速 度 m/s 压 头 H是 叶 轮 所 产 生 的 剪 切 作 用 大 小 程 度 的 度 量 。22221 2= dnuguH 4.2.5搅 拌 功 率 的 分 配 搅 拌 功 率 Ps与 液 体 循 环 流 量 Q、 压 头 H的 关 系 Ps=gQH 上 式 表 明 ， 搅 拌 功 率 与 叶 轮 转 速 的 三 次 方 、叶 轮 直 径 的 五 次 方 成 正 比 。 搅 拌 功 率 Ps分 为 两 部 分 ， 一 部 分 用 于 产 生 液体 的 循 环 流 动 ， 造 成 宏 观 混 合 ； 一 部 分 用 于产 生 液 体 的 剪 切 流 动 ， 减 少 微 团 的 尺 寸 。 QHPs 53 dnPs 38dHQ 58nHQ 4.2.6搅 拌 器 的 选 型一 般 原 则 *：考 虑 搅 拌 目 的 ， 工 艺 过 程 对 搅 拌 的 要 求 以 及被 搅 拌 流 体 的 流 体 力 学 性 质 ， 同 时 还 要 考 虑动 力 消 耗 问 题所 以 ， 一 个 好 的 选 型 方 案 应 是 经 济 合 理 ， 安全 可 靠 ， 符 合 工 艺 要 求 的 方 案 .判 据 ： 选 型 结 果 合 理 ， 选 型 方 法 简 单 。 (1) 根 据 搅 拌 目 的 选 型 低 粘 度 均 相 液 体 混 合 -推 进 式 搅 拌 器 非 均 相 液 液 分 散 过 程 -涡 轮 式 搅 拌 器 。 特 别 是 平 直 叶 涡 轮搅 拌 器 气 液 分 散 过 程 -涡 轮 式 搅 拌 器 固 体 悬 浮 操 作 -固 液 比 重 差 小 优 先 选 择 推 进 式 搅 拌 器 固 液 比 重 差 大 -选 用 开 启 式 涡 轮 搅 拌 器 固 体 颗 粒 对 叶 轮 的 腐 蚀 性 较 大 时 ， 选 用 开 启 弯叶 涡 轮 搅 拌 器 固 体 溶 解 -开 启 式 涡 轮 搅 拌 器 结 晶 过 程 -微 粒 结 晶 选 择 涡 轮 式 搅 拌 器 粒 度 较 大 的 结 晶 -可 选 择 桨 式 搅 拌 器 以 传 热 为 主 的 搅 拌 操 作 -选 用 涡 轮 式 搅 拌 器 搅 拌 器 选 型 表 (O表 示 合 适 ,空 白 表 示 不 合 适 或 不 详 )搅 拌器 型 式 搅 拌 目 的 反 应 器容 量 /m3低 粘度 液混 合 高 粘度 液混 合 固 液反 应 气 液反 应 液 液反 应桨 式 O O O 1200涡 轮 式 O O O O 1100推 进 式 O O O 11000锚 式 O 1100螺 带 式 O 150 48 (2) 根 据 粘 度 选 型 49 4.3.1搅 拌 器 功 率 的 计 算搅 拌 器 赋 予 反 应 釜 内 的 流 体 以 机 械 能 需 要 外 界能 量 输 入 。使 搅 拌 器 连 续 运 转 所 需 要 的 功 率 称 为 搅 拌 器 功率 ， 亦 称 搅 拌 功 率 或 轴 功 率 (不 包 括 消 耗 于 机械 传 动 和 轴 密 封 部 分 的 功 率 )搅 拌 功 率 目 前 尚 不 能 由 理 论 算 出目 前 通 常 采 用 相 似 论 和 因 次 分 析 的 方 法 ， 将 与 搅 拌 功 率 有关 的 几 何 变 量 、 操 作 变 量 和 物 理 变 量 转 换 成 少 数 有 物 理 意义 的 可 作 为 设 计 基 础 的 无 因 次 数 群 ， 通 过 准 数 关 联 求 得 搅拌 功 率 。 50 影 响 搅 拌 功 率 的 物 理 因 素 有 *： （ 1） 搅 拌 器 的 转 速 n； （ 2） 液 体 密 度 、 液 体 粘 度 ； （ ） 重 力 加 速 度 。 因 为 当 出 现 “ 打 漩 ” 时 ， 必 有 部 分液 体 被 推 到 高 于 平 均 液 面 的 位 置 ， 该 部 液 体 需 克 服 重 力 作功 。 影 响 搅 拌 功 率 的 几 何 因 素 有 *： （ 1） 搅 拌 器 的 直 径 d； （ 2） 搅 拌 器 叶 片 数 Z、 搅 拌 器 形 状 、 叶 片 宽 度 、 搅 拌 器叶 轮 离 釜 底 距 离 C； （ 3） 搅 拌 釜 内 径 、 釜 内 所 装 液 体 深 度 ， 挡 板 数 目 、挡 板 宽 度 W。 显 然 ， 搅 拌 功 率 是 搅 拌 器 叶 轮 形 状 、 尺 寸 和 转 速 ， 被 搅 拌流 体 的 密 度 和 粘 度 ， 搅 拌 釜 的 大 小 和 内 部 构 件 (挡 板 或 其它 障 碍 物 )情 况 以 及 搅 拌 器 在 反 应 釜 内 的 位 置 的 函 数 。 对 于 特 定 的 搅 拌 装 置 ， 通 常 用 搅 拌 器 直 径 d作 为 特 征 尺 寸 ，而 把 其 他 的 几 何 尺 寸 用 无 因 次 的 比 变 量 来 表 示 。 所 以 ， 搅 拌 功 率 Ps可 表 示 为 上 述 诸 因 素 的 函 数 ： 如 果 在 不 同 规 模 的 一 系 列 搅 拌 装 置 中 保 持 几 何 相 似 ， 则 对比 量 1、 2、 3 都 为 常 数 ， 上 式 可 化 简 为 ：.=,=,= 321 dCdhdD .),(= 321 gdnfPs ),(= gdnfPs 假 定 此 函 数 关 系 是 最 简 单 的 指 数 函 数 ， 令 式 中 K为 常 数 ， 是 搅 拌 器 几 何 构 型 的 总 形 状 系 数 。 用 长 度 -质 量 -时 间 （ L-M-） 单 位 制 进 行 因 次 分 析 得 出 如下 关 系 式 ： N P功 率 准 数 ， Res搅 拌 雷 诺 准 数 ， gdKnPs = yxs gdnndKdnP )()(= 2253 yxsP FrsKdnPN Re= 53 53= dnPN sP 2=Re nds Fr佛 鲁 德 准 数 ， gdnFr 2= 这 些 无 因 次 准 数 的 物 理 意 义 是 ： 功 率 准 数 Np含 有 搅 拌 功 率 PS， 代 表 输 入 功 率 ； 雷 诺 准 数 Res表 示 流 体 的 惯 性 力 与 粘 滞 力 之 比 ； 佛 鲁 德 准 数 Fr表 示 流 体 的 惯 性 力 与 重 力 之 比 。 上 式 可 以 写 成 上 述 关 联 式 只 与 搅 拌 器 的 各 项 尺 寸 比 例 有 关 ， 而 与反 应 釜 的 大 小 无 关 ， 因 此 对 于 一 定 的 搅 拌 系 统 ， 通过 实 验 求 得 Np和 Res的 关 系 ， 可 获 得 功 率 曲 线 图 。 以 图 4-12（ 标 准 尺 寸 涡 轮 搅 拌 器 的 功 率 曲 线 和 同 一搅 拌 器 无 档 板 时 的 功 率 曲 线 ） 来 说 明 搅 拌 功 率 的 一般 规 律 。 xyP sKFrN Re= 图 一 11标 准 尺 寸 涡 轮 搅 拌 器 （ 1） 六 平 直 叶 圆 盘 涡 轮 搅 拌 器 ，圆 盘 直 径 为 S；（ 2） 叶 轮 直 径 d与 搅 拌 槽 内 径 之 比 31=Dd（ 3） 叶 轮 离 槽 底 距 离 C= d；（ 4） 叶 片 宽 度 dB 51=（ 5） 叶 片 长 度 dl 41=（ 6） 液 体 深 度 h=D（ 7） 挡 板 数 目 =4（ 8） 挡 板 宽 度 DW 101= 曲 线 1： 标 准 尺 寸 涡 轮 搅 拌 器 的 功 率 曲 线曲 线 2： 无 挡 板 时 的 功 率 曲 线图 4一 12功 率 曲 线 1 2 3 4 5 （ ） 当 10时 由 图 4一 12可 见 ， 该 层 流 区 域 内 的 功 率 曲 线 是 一 段 直 线 ，液 体 的 粘 滞 力 控 制 着 系 统 内 的 流 动 ， 重 力 影 响 可 以 忽 略 ，因 而 可 以 不 考 虑 佛 鲁 德 准 数 ， 此 时 y=0 把 上 式 写 成 对 数 形 式 得 ： logNP=logK+xlogRes 实 验 表 明 ， 该 区 域 内 直 线 的 斜 率 x=-1.0， 则 所 以 ， xsP sKdnPN Re= 53 530.11Re dnPskN sP 321530.121 )( dnKdnndKPs （ 2） Res=1010000,有 档 板 搅 拌 雷 诺 准 数 逐 渐 增 大 时 ， 流 动 进 入 过 渡 流 。 当 Res达 到300以 后 ， 有 足 够 的 能 量 传 给 液 体 并 引 起 打 漩 。 但 对 于 装有 档 板 的 系 统 ， 档 板 能 有 效 地 抑 制 打 漩 ， 因 此 可 以 忽 略 佛鲁 德 准 数 ， 功 率 准 数 仅 随 Res变 化 。 所 以 ， 对 于 过 渡 流 有档 板 的 情 况 ， 由 图 412可 见 ， 该 区 域 内 有 档 板 时 的 功 率 曲 线 （ 曲 线 1）呈 曲 线 状 ， 表 明 x值 不 再 是 常 数 ， 而 是 随 Res变 化 。 5353 = dndnNP Ps （ 3） Res 10000， 有 档 板 当 Res 10000以 后 ， 流 动 变 为 充 分 湍 流 ， 有 档 板 时 的 功率 曲 线 （ 曲 线 1） 变 成 水 平 线 ， 和 NP为 定 植 ， 此 时 ， 流动 与 雷 诺 数 和 佛 鲁 德 准 数 无 关 。 对 于 充 分 湍 流 的 液 体 ， 由于 惯 性 力 很 大 ， 粘 性 力 的 影 响 可 以 忽 略 。 由 于 =NP=K2=常 数 所 以 532= dnKPs （ 4） Res=10300， 无 档 板 由 图 4-12可 见 ， 直 到 Res=300， 无 档 板 时 的 功 率 曲 线 （ 曲线 2） 才 与 有 档 板 时 的 功 率 曲 线 （ 曲 线 1） 分 开 ， 表 明 当Res 300时 ， 无 档 板 系 统 与 有 档 板 系 统 完 全 一 致 ， 即=NP， 所 以 5353 = dndnNP Ps （ 5） Res 300， 无 档 板 当 Res 300时 ， 液 体 打 漩 现 象 加 剧 ， 佛 鲁 德 准 数 的 影 响也 增 大 ， 功 率 准 数 NP同 时 受 Res和 Fr的 作 用 。 对 于 无 挡 板 且 的 情 况 ， 佛 鲁 德 准 数 的 指 数 y可 用 下 式 表 示 式 中 、 由 实 验 确 定 的 无 因 次 常 数 ， 可 查 表 。 所 以 ， 无 档 板 且 es 300时 的 搅 拌 功 率 由 下 式 确 定 sy Relog 53= dnNPPS sy gdndn dnFr Relog253 53 )( 利 用 功 率 曲 线 可 计 算 几 何 相 似 的 搅 拌 器 的 功 率 ，步 骤 如 下 ： （ 1） 根 据 搅 拌 器 的 操 作 条 件 计 算 搅 拌 雷 诺 准 数 Res； （ 2） 根 据 搅 拌 器 的 型 式 、 几 何 相 似 条 件 、 Res在 相 应 的 功率 曲 线 上 求 取 功 率 函 数 值 ； （ 3） 根 据 流 动 状 态 （ 层 流 、 湍 流 ） 、 挡 板 情 况 （ 有 、 无挡 板 ） 和 求 取 功 率 准 NP; 对 于 任 何 搅 拌 器 来 说 ， 只 有 在 无 挡 板 且 Res 300的 情 况 下 ，重 力 影 响 不 能 忽 略 ， 此 时 ： 其 他 情 况 ： N P= （ 4） 计 算 搅 拌 器 功 率 PS )Relog(2 )( syP gdnFrN 53= dnNP PS 例 4-1直 径 1.2m， 液 深 2m的 四 挡 板 反 应 釜 内 ， 采 用 三 叶 推 进式 搅 拌 器 以 300rpm的 转 速 搅 拌 。 已 知 反 应 液 密 度 为1300kg/m3， 粘 度 为 0.013 Pas， 桨 叶 直 径 0.4m， s/d=1。 （ 1）求 搅 拌 功 率 为 多 少 。 （ 2） 若 采 用 六 平 叶 涡 轮 桨 搅 拌 ， 其 它条 件 不 变 ， 结 果 如 何 ？ （ 3） 仍 采 用 六 平 叶 涡 轮 桨 搅 拌 ， 若釜 内 不 设 档 板 ， 其 结 果 又 如 何 ？ 4422 10108013.0 4.0603001300 ndRe解 ： （ 1） 先 计 算 雷 诺 准 数湍 流 ， 所 以 WdnkPs 5304.0)60300(130032.0 53532 （ 2） 若 采 用 六 平 叶 涡 轮 桨 搅 拌 ， 由 于 n、 d不 变 ， 故 Res不变 ， 仍 按 上 式 计 算 ， 此 时 查 表 4-1得 K2=6.10， 则 可 见 它 比 推 进 式 搅 拌 器 的 搅 拌 强 度 增 加 10100/530=19倍 。（ 3） 不 用 档 板 时 ， Fr准 数 影 响 显 著 ， 需 用 下 式 进 行 计 算 ：d/D=0.4/1.2=0.33， 查 表 4-2得 =1， =40， 指 数 y值 可 计 算 为 ：WdnkPs 101004.0)60300(130010.6 53532 ss gdndnP Relog253 )( y=（ 1-log80000） /40=-3.9Fr=n2d/g=（ 300/60） 2 0.4/9.81=1.02Fry=1.02（ -3.9） =1.08由 Res=80000查 图 得 =1.2所 以WP S2200 08.14.0)60/300(13002.1 53 4.3.2附 件 的 附 加 搅 拌 功 率 当 搅 拌 釜 内 装 有 压 料 管 、 温 度 计 套 管 、 导 流 筒 、支 架 等 附 件 时 ， 会 增 大 搅 拌 器 的 功 率 。 各 种 附 件使 搅 拌 功 率 增 大 的 增 加 率 用 q表 示 。 装 有 附 件 的 搅 拌 功 率 为 ： 式 中 Ps 未 装 附 件 时 的 搅 拌 功 率 ； mi 同 一 种 附 件 的 个 数 ； qi 每 一 种 附 件 的 功 率 增 加 率 。)+1(= iiss qmPP 4.3.3电 动 机 功 率 电 动 机 的 功 率 除 了 要 满 足 搅 动 液 体 所 需 要 的 搅 拌 功 率 外 ，还 要 考 虑 轴 封 装 置 所 产 生 的 摩 擦 阻 力 以 及 传 动 装 置 所 产 生的 功 率 损 失 。 如 果 电 动 机 的 功 率 过 小 ， 不 仅 达 不 到 预 期 的搅 拌 效 果 ， 还 会 使 电 动 机 烧 毁 ； 如 果 电 动 机 的 功 率 过 大 ，则 会 使 操 作 成 本 和 投 资 费 用 增 加 。 电 动 机 的 功 率 可 按 下 式 确 定 ： 式 中 P 电 动 机 功 率 搅 拌 功 率 ； Pm 轴 封 装 置 的 摩 擦 损 失 功 率 。 传 动 装 置 的 机 械 效 率 ， 与 其 结 构 有 关 ， 一 般 为0.70.98 ms PPP += SP 釜容/m3挡板搅拌器转速/rpm 搅拌电机功率/kw锚式桨式涡轮式0.2有60 80 100 320 400 400 500 5000.6 0.6 0.6 1.5 1.7 2.2 3.0 4.0无40 60 80 100 320 320 400 400 500 5000.6 0.6 0.6 0.6 0.6 1.1 1.1 1.5 1.7 3.00.3有60 80 100 100 320 400 400 500 5000.6 0.6 0.6 1.1 1.5 1.7 2.2 3.0 4.0 无40 60 80 100 100 320 320 400 400 500 5000.6 0.6 0.6 0.6 1.1 0.6 1.1 1.1 1.5 1.7 3.0 釜容/m3挡板搅拌器转速/rpm 搅拌电机功率/kw锚式桨式涡轮式0.5有60 80 100 100 250 320 4000.6 0.6 0.6 1.1 1.7 3.0 5.5无40 60 80 100 100 250 250 320 320 400 4000.6 0.6 0.6 0.6 1.1 1.1 1.5 1.7 2.2 3.0 5.50.8有60 80 80 200 200 2500.6 0.6 1.1 1.5 2.2 3.0无40 60 80 100 200 200 250 2500.6 0.6 0.6 1.0 1. 1 1.5 1.5 3.0 1.0有40 60 200 200 250 3200.6 1.0 1.5 2.2 3.0 5.5无20 20 40 40 60 60 200 200 250 250 320 3200.6 1.1 1.7 0.6 0.6 1.0 1.1 1.5 1.5 3.0 3.0 5.5 4.3.4搅 拌 器 的 放 大 工 业 搅 拌 装 置 的 设 计 主 要 包 括 以 下 内 容 *： （ ） 确 定 搅 拌 器 的 类 型 以 及 搅 拌 釜 的 几 何 形 状 ； （ ） 确 定 搅 拌 器 的 具 体 尺 寸 、 转 速 和 搅 拌 功 率 ； （ ） 确 定 电 动 机 的 型 号 和 功 率 以 及 减 速 机 的 型 号等 。 小 型 实 验 小 型 实 验 的 目 的 主 要 包 括 ： （ 1） 确 定 搅 拌 器 的 类 型 和 搅 拌 釜 的 几 何 形 状 ； ( )在 满 足 工 艺 要 求 的 前 提 下 ， 确 定 最 佳 的 搅 拌 操作 条 件 ； ( )测 定 功 率 曲 线 。 .搅 拌 器 的 放 大 准 则 目 的 确 定 工 业 搅 拌 装 置 的 尺 寸 、 转 速 、 功 率 等 。 所 选 用 的 放 大 准 则 应 能 保 证 在 放 大 后 工 艺 结 果 保 持 不 变 相 似 条 件 ： 几 何 相 似 小 型 设 备 与 生 产 设 备 相 应 尺 寸 的 比 例 都 相 等 。 运 动 相 似 小 型 设 备 与 生 产 设 备 除 了 几 何 相 似 外 ， 对 应位 置 的 流 体 运 动 速 度 之 比 为 常 数 。 动 力 相 似 小 型 设 备 与 生 产 设 备 除 几 何 相 似 外 ， 对 应 位置 上 所 受 的 力 的 比 例 为 常 数 。 热 相 似 小 型 设 备 与 生 产 设 备 除 几 何 相 似 外 ， 对 应 位 置上 的 温 度 差 之 比 为 常 数 。 化 学 相 似 小 型 设 备 与 生 产 设 备 除 几 何 相 似 外 ， 对 应 位置 上 的 浓 度 差 之 比 为 常 数 。 以 下 一 些 放 大 准 则 可 供 选 择 （ 1） 保 持 搅 拌 雷 诺 准 数 Res不 变 （ 2） 保 持 单 位 体 积 物 料 的 搅 拌 功 率 (Ps/V0)不 变 （ 3） 保 持 搅 拌 器 叶 端 速 度 不 变 （ ） 保 持 搅 拌 器 的 流 量 和 压 头 之 比 值（ H） 不 变 化 学 反 应 常 常 伴 随 有 热 效 应 ， 即 放 热 或 吸 热 ， 所以 常 常 需 要 在 反 应 过 程 中 移 出 或 输 入 热 量 。 提 高 反 应 温 度 一 般 能 提 高 反 应 速 度 ， 缩 短 反 应 达到 化 学 平 衡 所 需 的 时 间 ， 进 而 提 高 生 产 能 力 。 合 理 的 温 度 及 温 度 分 布 又 常 常 能 够 抑 制 副 反 应 ，强 化 主 反 应 ， 进 而 通 过 提 高 生 成 目 标 产 物 的 选 择性 而 提 高 产 品 收 率 ， 降 低 原 料 消 耗 。 有 些 反 应 涉 及 的 物 料 对 温 度 敏 感 ， 控 制 好 反 应 温度 能 提 高 操 作 的 安 全 性 。 4.4.1传 热 方 式 搅 拌 反 应 大 多 设 有 传 热 装 置 ， 以 满 足 加 热 或 冷 却的 需 要 。 传 热 方 式 、 传 热 结 构 形 式 和 传 热 剂 的 选 择 主 要 决定 与 所 需 控 制 的 温 度 的 高 低 、 反 应 热 的 大 小 、 传热 速 率 的 快 慢 和 工 艺 上 的 要 求 等 。 釜 式 反 应 器 主 要 的 传 热 方 式 有 两 种 ， 即 夹 套 和 蛇管 。 (1)夹 套 传 热 夹 套 是 一 个 套 在 反 应 器 筒 体 外 面 能 形 成 密 封 的 容器 ， 一 般 由 钢 板 焊 制 而 成 .其 优 点 是 结 构 简 单 ， 耐 腐 蚀 ， 适 应 性 强 ；缺 点 :传 热 面 积 受 到 反 应 器 容 积 的 限 制 ； 传 热 系 数 一 般 较 小 ， 而 且 普 通 夹 套 耐 压 低 。 夹 套 的 高 度 取 决 于 由 工 艺 确 定 的 传 热 面 积 ， 为 保证 充 分 传 热 ， 一 般 高 出 釜 内 液 面 50100mm. 图 4-16普 通 夹 套 传 热 普 通 夹 套 适 用 于 传 热 速率 要 求 不 高 和 传 热 剂 的工 作 压 力 较 低 （ 小 于0.6MPa， 相 当 于 158的 饱 和 水 蒸 汽 的 压 力 ）的 场 合 ； 当 反 应 器 的 直径 较 大 或 采 用 的 加 热 蒸汽 压 力 较 高 （ 大 于0.6MPa） 时 ， 夹 套 必须 采 取 加 强 措 施 。 a为 短 管 加 强 蜂 窝 夹 套 ，在 夹 套 和 反 应 器 壁 之 间焊 接 支 撑 短 管 。 这 样 使传 热 介 质 流 速 得 以 提 高 ，使 传 热 系 数 增 大 ， 提 高反 应 器 抗 外 压 的 强 度 和刚 度 。 可 用 1MP 的 饱 和蒸 汽 加 热 到 180 。 a图 4-17几 种 加 强 夹 套 b冲 压 式 蜂 窝 夹 套 c焊 接 半 圆 旋 管 结 构 b、 c可 耐 更 高 的 压 力 d为 角 钢 焊 在 釜 外 壁 上 的 结 构 ， 称 做 角 钢 夹套 ， 耐 压 可 达 56 MPa。 d (2) 蛇 管 传 热特 点 ： 工 业 上 多 采 用 水 平蛇 管 和 立 式 蛇 管 ， 前 者 可起 导 流 筒 作 用 ， 后 者 可 起挡 板 作 用 。蛇 管 浸 没 在 被 搅 拌 的 流 体中 ， 传 热 系 数 大 。搅 拌 含 有 固 体 颗 粒 或 粘 稠的 物 料 时 容 易 挂 料 ， 会 影响 传 热 效 率 。 还 要 考 虑 物 料 的 腐 蚀 性 。当 需 要 的 传 热 面 积 较 大 而 仅 仅 采 用 夹 套 不 能 满 足 热 交 换 要 求时 ， 或 由 于 工 艺 要 求 ， 不 宜 采 用 夹 套 时 ， 往 往 采 用 蛇 管 传 热 。 （ 3） 传 热 构 件传 热 档 板 既 可 以 增 加 传热 面 积 ， 移 走 热 量 ， 又可 强 化 搅 拌 效 果 ， 起 破坏 涡 流 控 制 流 型 的 作 用 这 些 插 入 式 结 构 还 适 合反 应 物 料 容 易 在 传 热 壁上 结 垢 的 场 合 ， 检 修 、除 垢 都 比 较 方 便 。 图 4-19夹 套 传 热 档 板 (4)其 它图 4-20回 流 冷 凝 法 图 4-20外 循 环 冷 凝 法 图 -22内 装 列 管 式 换 热 器 的 反 应 器 4.4.2高 温 热 源 的 选 择 用 一 般 的 低 压 饱 和 水 蒸 气 加 热 时 最 高 只 能 达 150一 160 ， 需更 高 加 热 温 度 时 则 需 要 考 虑 高 温 热 源 的 选 择 问 题 。 （ 1） 压 力 高 的 饱 和 水 蒸 气 ： 蒸 汽 压 力 可 达 一 至 数 MPa。 （ 2） 高 压 汽 水 混 合 物 ： 可 用 于 温 度 为 200-250 的 加 热 要 求 ，当 汽 水 混 合 物 的 温 度 为 250 时 ， 管 内 压 力 达 20MPa。 （ 3） 有 机 载 热 体 ： 利 用 某 些 有 机 物 常 压 沸 点 高 、 熔 点 低 、热 稳 定 性 好 等 特 点 可 提 供 高 温 的 热 源 。 它 的 突 出 优 点 是 能 在较 低 的 压 力 下 得 到 较 高 的 加 热 温 度 。 （ 4） 电 加 热 法 ： 电 阻 加 热 、 感 应 电 流 加 热 、 短 路 电 流 加 热 （ 5） 烟 道 气 加 热 法 ： 可 用 于 300 以 上 的 高 温 加 热 1-加 热 蛇 管 ； 2-空 气 冷 却 器 ； 一 加 热 炉 ； 一 排 气 阀图 4-23高 压 汽 水 混 合 物 的 加 热 装 置 -被 加 热 设 备 ;2-加 热 炉 ； -膨 胀 器 ； -回 流 冷 凝 器 ；5-熔 化 槽 ； 6-事 故 槽 ； 7-温 度 自 控 装 置图 4-24液 休 联 苯 混 合 物 自 然 循 环 加 热 装 置 1一 加 热 设 备 ； 2一 加 热 夹 套 ； 3一 管 式 电 热 器图 4-25液 体 联 苯 混 合 物夹 套 浴 电 加 热 装 置 一 加 热 设 备 ； 一 液 面 计 ； 3一 电 加 热 棒 ； 一 回 流 冷 凝 器图 4-26联 苯 混 合 物 蒸 气 夹 套 浴 加 热 装 置 4.4.3釜 式 反 应 器 的 传 热 系 数 计 算解 决 (1)传 热 面 积 和 (2)传 热 时 间 问 题 传 热 面 积 由 式 给 出 。 其 中 传 热 量 Q由热 量 衡 算 确 定 ， 温 度 差 t由 工 艺 条 件 确 定 。 所 以 ，在 确 定 了 总 传 热 系 数 K之 后 ， 就 可 以 求 传 热 面 积 。)(= tKAQ 夹 套 传 热 总 传 热 系 数 K的 计 算 ooimii AAAAk 11夹 由 于 搅 拌 釜 夹 套 传热 类 似 平 面 壁 传 热SoSi oi RRk 111夹 其 中i :物 料 与 传 热 壁 (釜 内 壁 )之 间 的 给 热 系 数:传 热 壁 (釜 壁 )厚:传 热 壁 (釜 壁 )导 热 系 数o:传 热 介 质 与 传 热 壁 (釜 外 壁 )之 间 的 给 热 系 数 Rsi, Rso:内 、 外 壁 污 垢 热 阻 蛇 管 传 热 总 传 热 系 数 K的 计 算与 列 管 换 热 器 的 计 算 方 法 相 同 SoSiomoiio RRddddk 11蛇i:传 热 介 质 与 传 热 壁 (蛇 管 内 壁 )之 间 的 给 热 系 数:传 热 壁 (蛇 管 壁 )厚:传 热 壁 (蛇 管 壁 )导 热 系 数 o:物 料 与 传 热 壁 (蛇 管 外 壁 )之 间 的 给 热 系 数 Rsi, Rso:内 、 外 壁 污 垢 热 阻所 以 ， 求 给 热 系 数 就 成 为 求 总 传 热 系 数 的 关 键 给 热 系 数 关 联 式 ewdcba DbDdPrReANu )()()()()( 努 赛 尔 准 数普 兰 特 准 数雷 诺 准 数 DNu CpPr ndRe 2 : 对 流 给 热 系 数 , KJ/(m2h ): 流 体 导 热 系 数 , KJ/(mh ): 流 体 主 体 温 度 下 的 粘 度 , Pahw : 流 体 在 壁 温 下 的 粘 度 , Pah: 流 体 密 度 , Kg/m3 D: 反 应 釜 内 径 , m do: 蛇 管 外 径 , m d: 搅 拌 器 直 径 , m b: 搅 拌 器 桨 叶 宽 , m n: 搅 拌 器 转 速 , /h Cp: 流 体 定 压 热 容 , KJ/(Kg ) A及 指 数 a、 b、 c、 d、 e: 常 数 搅 拌 器 型 式 Re范 围 挡板 A a b e 备 注桨 式 3004 105 无 0.36 0.67 0.33 0.14桨 式 204 103 有 0.42 0.67 0.33 0.24 或 无 挡 板涡 轮 式 400 无 0.54 0.67 0.33 0.14涡 轮 式 2004 104 有 0.73 0.65 0.33 0.24 平 底 釜推 进 式 无 0.54 0.67 0.25 0.14锚 式 30300 无 1.0 0.50 0.33 0.18锚 式 3004000 无 0.38 0.67 0.33 0.18（ 1） 夹 套 内 壁 给 热 系 数 的 计 算 ewba PrReAD )()()( （ 2） 蛇 管 外 壁 给 热 系 数 o的 计 算14.033.062.0 )(01.1 wPrReNu 2.05.01.037.067.0 ,)()()(17.0 RDdDdPrReNu Rwo 涡 轮 式 ， 无 挡 板 ， Re=3003 106 圆 盘 涡 轮 式 ， 有 挡 板 ， Re=4001.5 106 平 桨 式 ， 无 挡 板 ， Re=3004 105 0154.0/;8.0/;6.0/,)(87.0 14.033.062.0 DsDDDdPrReNu ow （ 3） 夹 套 侧 给 热 系 数 的 计 算如 果 夹 套 内 通 冷 却 水 ， 可 用 如 下 的 关 联 式 计 算 ：4400Res ： )/(400= 210.05.0 2.0 KmWTdu e 夹Res 3600时 还 可 用 ： )/(9300= 22.08.0 KmWdue夹式 中 u-水 在 夹 套 中 的 流 速 m/s de-夹 套 的 当 量 直 径 m （ 4） 蛇 管 内 侧 给 热 系 数 的 计 算直 管内 )5.3+1(= ctdd式 中 dt-管 子 直 径 m dc-蛇 管 圈 直 径 m 直 管 -液 体 在 直 管 内 的 给 热 系 数 W/（ m2K）（ 5） 物 料 的 垢 层 阻 力可 参 见 表 4-5列 出 的 部 分 数 据 例 4-2蛇 管 冷 却 的 釜 式 反 应 器 。 已 知 釜 内 径 为 1.0m， 蛇 管 外 壁温 30 ， 反 应 物 温 度 为 50 ， 密 度 为 860kg/m3， 热 容 为1.96kJ/(kg )， 导 热 系 数 为 0.5kJ/(mh)， 粘 度 0.16(30 )、0.075(50 )Pas。 平 直 桨 搅 拌 ， 桨 径 0.6m， 转 速 60rpm， 无 挡板 。 求 蛇 管 外 壁 给 热 系 数 。 解 ： 4128=075.0 860)60/60(6.0= 22ndRes 1058=3600/5.0 075.096.1= CpPr 1359=)(87.0= 14.033.062.0 wPrReDNu k)W/(m680=1359= 2D 所 以 例 4-3求 氯 苯 硝 化 反 应 锅 夹 套 传 热 系 数 K。 桨 式 搅 拌 ， 无 档 板（ 所 需 数 据 在 题 中 给 出 ） 例 4-4按 例 4-3工 艺 数 据 求 氯 苯 硝 化 锅 蛇 管 传 热 的 传 热 系 数 。已 知 蛇 管 圈 直 径 为 0.46m。 4.5.1内 蛇 管 或 外 夹 套 ， 加 热 介 质 为 恒 温21ln ch ch tt ttKAWCp : 传 热 时 间 /h; W: 被 加 热 流 体 的 质 量 , kg;Cp: 被 加 热 流 体 的 定 压 热 容 , kJ/(kg )；K: 总 传 热 系 数 , kJ/(m2h )；A: 传 热 面 积 , m2； th热 载 体 温 度 , ；tC 1:被 加 热 流 体 初 温 , tC2:被 加 热 流 体 终 温 , 4.5.2 蛇 管 或 夹 套 ， 冷 却 介 质 为 恒 温ch ch tt ttKAWCp 21lnth1:被 冷 却 流 体 的 初 温 , ；th2:被 冷 却 流 体 的 终 温 , ；tC:冷 却 介 质 的 温 度 , exp,ln)1( 21 11 MCpKAtt ttMCpWCp ch ch 4.5.3 蛇 管 或 夹 套 ， 加 热 介 质 非 恒 温M、 Cp: 热 载 体 质 量 流 量 ,kg/h及 定 压 热 容 kJ/(kg )th1:加 热 介 质 的 入 口 温 度 , ；tC1 、 tC2 :被 加 热 流 体 的 初 温 、 终 温 , 4.5.4 蛇 管 或 夹 套 ， 冷 却 介 质 非 恒 温exp,ln)1( 12 11 MCpKAtt ttMCpWCp ch ch M、 Cp: 冷 却 介 质 的 质 量 流 量 ,kg/h及 定 压 热容 ,kJ/(kg )tC 1:冷 却 介 质 的 入 口 温 度 , ；th1 、 th2 :被 冷 却 流 体 的 初 温 、 终 温 , 例 4-5试 推 导 加 热 介 质 为 恒 温 时 加 热 时 间 的 计 算 公 式 21ln ch ch tt ttKAWCp 解 ： 热 通 量 mtKAQ 即 mtKAddQ 釜 内 物 料 吸 热 ddtWCpddQ C 于 是 WCptKAddt mC 其 中 chm ttt 代 入 上 式 ， 分 离 变 量 ， 积 分 得 210 CCtt ch cttdtKAWCpd 所 以 21ln ch ch tt ttKAWCp