高分子工程设计--设备工艺计算课件

第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 5.1 设备选型及设计的原则设备选型及设计的原则 合理性。设备在满足工艺设计一般要求的合理性。设备在满足工艺设计一般要求的基础上要与工艺流程、生产规模、操作条件、基础上要与工艺流程、生产规模、操作条件、控制水平等相适应，能充分发挥每台设备的控制水平等相适应，能充分发挥每台设备的生产能力。生产能力。先进性。设备运转可靠性、自控水平、生先进性。设备运转可靠性、自控水平、生产能力、生产效率等要尽可能达到先进水平。产能力、生产效率等要尽可能达到先进水平。安全性。生产过程稳定、操作安全安全性。生产过程稳定、操作安全,有一有一定的弹性。定的弹性。经济性。设备投资费用和操作费用要低。经济性。设备投资费用和操作费用要低。此外此外,设备选型及设备选型及设计具体还要考虑技设计具体还要考虑技术经济指标术经济指标(如生产能如生产能力、消耗系数、设备力、消耗系数、设备价格、设备与管理费价格、设备与管理费用和产品总成本等用和产品总成本等)与与设备结构设备结构(如强度、刚如强度、刚性、耐久性、密封性性、耐久性、密封性和材质等和材质等)上的要求。上的要求。高分子工程设计5.1 设备选型及设计的原则 合理性。设第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 5.2 聚合反应器的工艺设计聚合反应器的工艺设计 常见的聚合反应器有搅拌釜反应器、管式反应器和塔式反应常见的聚合反应器有搅拌釜反应器、管式反应器和塔式反应器。通常器。通常,这些聚合反应器为非定型设备，是要针对具体生产过程这些聚合反应器为非定型设备，是要针对具体生产过程进行工艺设计的。又因聚合反应器是实现聚合反应过程的核心设备，进行工艺设计的。又因聚合反应器是实现聚合反应过程的核心设备，它的设计水平会直接影响聚合物产品质量和产量、生产效益和水平。它的设计水平会直接影响聚合物产品质量和产量、生产效益和水平。因此因此,如何选择聚合反应器的类型及结构并对其进行合理可靠的工如何选择聚合反应器的类型及结构并对其进行合理可靠的工艺设计是整个生产装置设计的关键。艺设计是整个生产装置设计的关键。高分子工程设计5.2 聚合反应器的工艺设计 第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 5.2.1 聚合反应器工艺设计的基本要求聚合反应器工艺设计的基本要求 产品的质量与产量要求产品的质量与产量要求 首先首先根据不同反应特点根据不同反应特点以以及对产品质量和产量要求选择反应及对产品质量和产量要求选择反应器类型，然器类型，然后后根据反应时间或停留时间及每批反应数量或流量确定根据反应时间或停留时间及每批反应数量或流量确定反应器体积、台数、串并联方式、几何尺寸等。反应器体积、台数、串并联方式、几何尺寸等。物料流动要求物料流动要求 通常物料要处于一定的流动状态。釜式反应器多设搅拌装置用通常物料要处于一定的流动状态。釜式反应器多设搅拌装置用于强制物料流于强制物料流动动;管式反应器管式反应器多多采用外加泵调节物料的流量及流速。采用外加泵调节物料的流量及流速。高分子工程设计5.2.1 聚合反应器工艺设计的基本要求 产第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 热量传递要求热量传递要求 聚合反应过程常伴随有热传递现象。聚合反应过程常伴随有热传递现象。连连锁锁聚聚合合通常是放热通常是放热反应且放热集中反应且放热集中,需及时撤热需及时撤热;缩聚反应缩聚反应通常为吸热反应且温度较通常为吸热反应且温度较高高,需需供热且供热且传热速率比较平缓。传热速率比较平缓。过程操作与控制要求过程操作与控制要求 聚合反应过程中工艺物料的进出、传热介质的进聚合反应过程中工艺物料的进出、传热介质的进出出、反应过、反应过程的观测与控制（视镜、测控口）、设备的安装与程的观测与控制（视镜、测控口）、设备的安装与维修维修（人人孔、孔、手孔）、操作过程的安全装置（安全阀、放手孔）、操作过程的安全装置（安全阀、放空空口）等，都需要在口）等，都需要在反应器的不同位置设置不同尺寸的反应器的不同位置设置不同尺寸的工艺管口工艺管口。高分子工程设计 热量传递要求 聚合反应过程常伴第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 5.2.2 聚合反应器的类型及特点聚合反应器的类型及特点 釜式反应器釜式反应器 釜式反应器的基本结构如图釜式反应器的基本结构如图5-1所示。这类所示。这类反应器通反应器通常带有常带有搅拌装置，搅拌装置，亦亦称搅拌釜反应器。称搅拌釜反应器。搅拌釜反应器对各种反应体系适应性强、搅拌釜反应器对各种反应体系适应性强、操作弹性大、适用温度和压力范围广，既可用操作弹性大、适用温度和压力范围广，既可用于间歇操作于间歇操作(生产灵活性大生产灵活性大、更换品种方便更换品种方便、适适应市场需求能力强应市场需求能力强)，又可用于连续操作，又可用于连续操作(反应反应器操作过程稳定器操作过程稳定、产品质量均一产品质量均一、多釜串联连多釜串联连操作产量大操作产量大)。据统计搅拌釜反应器在聚合反应。据统计搅拌釜反应器在聚合反应器中器中80-90%。图5-1釜式反应器的基本结构高分子工程设计5.2.2 聚合反应器的类型及特点 釜式反第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 高分子工程设计第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 管式管式、塔式反应器塔式反应器 一般用于处理一般用于处理粘度粘度较低的均相反应物料较低的均相反应物料,属于连续操作反应属于连续操作反应器。在反应器内，物料的流动接近于平推流，器。在反应器内，物料的流动接近于平推流，返混返混程度不大，物程度不大，物料的浓度与温度沿反应器轴料的浓度与温度沿反应器轴向向分布分布,可根据加料速度来控制物料可根据加料速度来控制物料在反应器中的在反应器中的停留停留时间，也可按工艺要求分段控制反应温度。当时间，也可按工艺要求分段控制反应温度。当反应器长径比较小时，在反应器内可设置多层隔板反应器长径比较小时，在反应器内可设置多层隔板,防止物料形防止物料形成沟流成沟流。管式、塔式反应器约占聚合反。管式、塔式反应器约占聚合反应应器的器的10-20%,如乙烯高如乙烯高压聚合、苯乙烯本体压聚合、苯乙烯本体聚合聚合、己内、己内酰酰胺开环聚合、尼龙胺开环聚合、尼龙66的预缩聚的预缩聚等的反等的反应应型式为管式、塔式反应器。型式为管式、塔式反应器。高分子工程设计 管式、塔式反应器 一般用于处理第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 高分子工程设计第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 处理高处理高粘粘度的聚合体系，如本体聚合或缩度的聚合体系，如本体聚合或缩聚聚后期，物料的后期，物料的粘粘度可达度可达500-5000Pas 特种反应器特种反应器高分子工程设计 处理高粘度的聚合体系，如本体聚合或缩第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 5.2.3 搅拌釜反应器的设计搅拌釜反应器的设计 搅拌釜反应器的结构主要由釜体搅拌釜反应器的结构主要由釜体、搅拌装置搅拌装置、传热装置传热装置、工艺接管工艺接管、轴密封装置等组成轴密封装置等组成。反应器釜体与贮罐外型相近反应器釜体与贮罐外型相近,都是由圆形直筒部分与上下封头都是由圆形直筒部分与上下封头组成组成。一一、釜体设计釜体设计 反应器体积计算反应器体积计算 间歇操作间歇操作 根据年产量确定日产量根据年产量确定日产量Wd,Kgd-1高分子工程设计5.2.3 搅拌釜反应器的设计 搅第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 选择反应器装料系数选择反应器装料系数 确定生产周期或每天生产批数确定生产周期或每天生产批数高分子工程设计 选择反应器装料系数 确定生产周期或每天生第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 计算反应器体积计算反应器体积 计算反应器台数计算反应器台数 设计产量很大设计产量很大,需选用多台反应器需选用多台反应器,对于间歇操作时多台反应对于间歇操作时多台反应器通常并联使用且每个反应器体积器通常并联使用且每个反应器体积(VTi)尽量相同尽量相同,高分子工程设计 计算反应器体积 计算反应器台数 第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology(2)连续操作连续操作 根据年产量确定每小时处理物料量根据年产量确定每小时处理物料量d,Kgh-1 确定物料平均停留时间确定物料平均停留时间,h,h 同间歇操作一样确定装料系数同间歇操作一样确定装料系数 计算反应器体积计算反应器体积 连续操作通常是多台反应器串联使用连续操作通常是多台反应器串联使用,每个反应器体积每个反应器体积(VTi)可取相同可取相同,台数计算同间歇操作。台数计算同间歇操作。计算反应器台数计算反应器台数高分子工程设计(2)连续操作 根据年产量确定每小时处理物第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 釜体外型尺寸设计釜体外型尺寸设计 确定封头型式确定封头型式 封头是化工设备的重要组成部分，它与圆形直筒部分一起组封头是化工设备的重要组成部分，它与圆形直筒部分一起组成设备的外壳，如储罐、塔设备、换热器、反应器等设备的釜体成设备的外壳，如储罐、塔设备、换热器、反应器等设备的釜体均是由筒体与封头组成。搅拌釜反应器常用的封头型式有标准椭均是由筒体与封头组成。搅拌釜反应器常用的封头型式有标准椭圆封头、蝶封头、锥封头和球面封头等。圆封头、蝶封头、锥封头和球面封头等。高分子工程设计 釜体外型尺寸设计 确定封头型式 第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 标准椭圆封头标准椭圆封头 由椭圆曲面和圆筒形组成由椭圆曲面和圆筒形组成,如图如图5-2所示。所示。图5-2 标准椭圆封头结构 标准椭圆封头的应力分布比较均匀、它标准椭圆封头的应力分布比较均匀、它的强度与其相连的筒体强度相同。搅拌釜反的强度与其相连的筒体强度相同。搅拌釜反应器和压力容器大都选用此类封头应器和压力容器大都选用此类封头,标准椭标准椭圆封头的直边高度与直径存在圆封头的直边高度与直径存在5-1所示的关所示的关系系表5-1标准椭圆封头的直边高度与直径的关系高分子工程设计 标准椭圆封头 由椭圆曲面和圆筒形第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 碟封头碟封头 由三段圆弧连接成的曲线沿轴线旋转而成曲面由三段圆弧连接成的曲线沿轴线旋转而成曲面,如如图图5-3所示。所示。应力分布不均匀应力分布不均匀,强度不如标准椭圆封头强度不如标准椭圆封头,当标准椭圆封头模当标准椭圆封头模具加工困难时具加工困难时,可用碟封头代替。可用碟封头代替。图5-3 碟封头结构高分子工程设计 碟封头 由三段圆弧连接成的曲线沿第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 锥形封头锥形封头 如图如图5-4所示。所示。应力分布不均匀应力分布不均匀,但加工简单但加工简单,造价低造价低,通常用于固体物料的存通常用于固体物料的存放放,特殊情况可用于压力较低的反应器如间歇缩聚反应器。一般特殊情况可用于压力较低的反应器如间歇缩聚反应器。一般,锥度越小锥度越小,排料越畅通。排料越畅通。图5-4 锥形封头结构高分子工程设计 锥形封头 如图5-4所示。第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 如图如图5-5所示。所示。球面封头球面封头 一般用于卧式容器的两端封头。一般用于卧式容器的两端封头。图5-5 球面封头结构高分子工程设计 如图5-5所示。球面封头 第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 表表5-2为各种封头的设计参数。为各种封头的设计参数。表5-2 各种封头的设计参数高分子工程设计 表5-2为各种封头的设计参数。表5-第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 椭圆封头蝶形封头球形封头锥形封头平封头无直边封头高分子工程设计椭圆封头 蝶形封头 球形封头 锥形封头 平封头第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 确定封头与筒体的连接方式确定封头与筒体的连接方式 封头与筒体有焊接连接和法兰连接两种连接方式。法兰连接封头与筒体有焊接连接和法兰连接两种连接方式。法兰连接便于设备内部结构的安装与检修便于设备内部结构的安装与检修,但造价较高、密封性能较差；但造价较高、密封性能较差；而焊接连接设备结构简单、造价低、密封性能好，但不利于设备而焊接连接设备结构简单、造价低、密封性能好，但不利于设备安装与检修，通常要在釜体上封头上开设人孔。安装与检修，通常要在釜体上封头上开设人孔。对于搅拌釜反应器，若反应器直径较大、密封要求较高时，对于搅拌釜反应器，若反应器直径较大、密封要求较高时，应采用焊接连接。若直径较小、内部结构比较复杂、安装和检修应采用焊接连接。若直径较小、内部结构比较复杂、安装和检修要求较明确时，可采用法兰连接。要求较明确时，可采用法兰连接。高分子工程设计 确定封头与筒体的连接方式 封头与第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 选择长径比选择长径比(H/D)釜内液体比表面积大，表面更新容易，小分子组分易汽化；搅釜内液体比表面积大，表面更新容易，小分子组分易汽化；搅拌轴相对较短，搅拌装置旋转稳定；搅拌桨直径大，需要搅拌功率拌轴相对较短，搅拌装置旋转稳定；搅拌桨直径大，需要搅拌功率高；对传热面积的增加不利高；对传热面积的增加不利;传热距离较长，传热效果差。传热距离较长，传热效果差。矮胖型矮胖型(H/D小小)釜内液体比表面积小，有利于气体吸收；搅拌轴较长，加工困釜内液体比表面积小，有利于气体吸收；搅拌轴较长，加工困难，旋转不稳定；单位反应器体积夹套传热面积较大，传热距离较难，旋转不稳定；单位反应器体积夹套传热面积较大，传热距离较短，传热效果较好。短，传热效果较好。瘦高型瘦高型(H/D大大)高分子工程设计 选择长径比(H/D)釜内液体比表第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 表表5-3为几种搅拌反应器釜体的长径比。为几种搅拌反应器釜体的长径比。计算并选择釜体内径计算并选择釜体内径 计算釜体直边高度计算釜体直边高度 计算最高、最低液位计算最高、最低液位 画出反应器几何外型示意图画出反应器几何外型示意图表5-3 几种搅拌反应器釜体的长径比高分子工程设计 表5-3为几种搅拌反应器釜体的长径第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 例例:有一变容反应体系，采用搅拌釜反应器，日产量有一变容反应体系，采用搅拌釜反应器，日产量Wd=26.6td-1，间歇操作。间歇操作。R=3h、a=0.5h、m=970kgm-3,体积收缩系数体积收缩系数=-0.2、H/D=1.52，上下封头均用标准椭圆封头，确定，上下封头均用标准椭圆封头，确定反应器几何外型尺寸。反应器几何外型尺寸。解：间歇操作周期解：间歇操作周期:反应液体积反应液体积:反应器总体积应为反应器总体积应为:高分子工程设计 例:有一变容反应体系，采用搅拌釜反应器，日产第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 查表查表5-3标准椭圆封头的体积为标准椭圆封头的体积为0.131D3、h封封0.25D 令：令：h为釜为釜体直边高度、体直边高度、H为反应器釜体总高度，则：为反应器釜体总高度，则：若取若取H/D=1.5,则有则有:虽然虽然反应器属于非标准设备，但用于制造反应器上下封头仍应选反应器属于非标准设备，但用于制造反应器上下封头仍应选用标准封头（用标准封头（见教材见教材P186附附录）。因为录）。因为H/D取得较小，所以此处按公取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为称尺寸选定釜体直径为1.8m。高分子工程设计 查表5-3标准椭圆封头的体积为0第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 釜体的直边高度釜体的直边高度:反应器釜体的总高度反应器釜体的总高度:根据表根据表5-2可取封头的直边高度为可取封头的直边高度为50mm,釜体圆形直筒部分高度釜体圆形直筒部分高度为为2.020-20.05=1.920m 反应器的实际体积反应器的实际体积:反应器的实际长径比反应器的实际长径比:最高液位最高液位:高分子工程设计 釜体的直边高度:反第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 反应器的几何外型示意图及尺寸见图反应器的几何外型示意图及尺寸见图5-6 最低液位最低液位:二、搅拌装置设计二、搅拌装置设计 搅拌釜反应器中的搅拌器通常由搅拌桨叶搅拌釜反应器中的搅拌器通常由搅拌桨叶和搅拌轴等组成和搅拌轴等组成,通过搅拌器的旋转向流体输入机通过搅拌器的旋转向流体输入机械能械能,从而使流体产生流动从而使流体产生流动,进而进行能量传递和进而进行能量传递和化学反应化学反应,具有混合、搅拌、分散和悬浮功能具有混合、搅拌、分散和悬浮功能,不不同的反应体系对搅拌器功能要求不同。同的反应体系对搅拌器功能要求不同。图5-6 反应器的几何外型示意图高分子工程设计 反应器的几何外型示意图及尺寸见图第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 例如均相体系例如均相体系,以混合、搅动功能为主；以混合、搅动功能为主；非非均相体系，四个功均相体系，四个功能均能均有有，对分散与悬浮功能要求更显突出；连续操作对搅拌，对分散与悬浮功能要求更显突出；连续操作对搅拌器混器混合合功能要求比间歇操作要高功能要求比间歇操作要高，保证物料连续进入反应器后能够迅速混，保证物料连续进入反应器后能够迅速混合均匀合均匀；高；高粘粘体系对搅拌器功能的体系对搅拌器功能的要要求求比比低低粘粘体系体系高高。搅拌器的结构型式搅拌器的结构型式 按搅拌桨叶的结构型式可将搅拌器分为桨式按搅拌桨叶的结构型式可将搅拌器分为桨式、涡轮式涡轮式、锚式锚式、框式框式、螺带式等如表螺带式等如表5-4所示所示。搅拌器的功能受搅拌器的功能受搅拌桨叶的型式及尺寸、搅拌桨叶的层数及安搅拌桨叶的型式及尺寸、搅拌桨叶的层数及安装位置、搅拌器转速、搅拌附件的安装与装位置、搅拌器转速、搅拌附件的安装与否否等因素等因素有关有关。高分子工程设计 例如均相体系,以混合、搅动功能为第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 点击动画进入 按搅拌桨叶与搅拌轴按搅拌桨叶与搅拌轴之间的夹角可将搅拌桨叶大之间的夹角可将搅拌桨叶大致分为平叶桨致分为平叶桨、折叶桨折叶桨、和和螺旋叶面桨三类。螺旋叶面桨三类。平叶桨平叶桨 搅拌桨叶与搅拌轴平行搅拌桨叶与搅拌轴平行,以剪切作用为主以剪切作用为主,径向流动径向流动,如如平桨平桨、直叶或弯叶涡轮桨直叶或弯叶涡轮桨、锚锚式桨式桨、框式桨等。框式桨等。表5-4 搅拌桨叶的结构型式高分子工程设计点击动画进入 按搅拌桨叶与搅拌轴之第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 搅拌桨叶与搅拌轴有一定的夹角搅拌桨叶与搅拌轴有一定的夹角,以循环流动为主以循环流动为主,轴向流动轴向流动,如斜桨如斜桨、开启式折叶涡轮桨开启式折叶涡轮桨、圆盘折叶涡轮桨等。圆盘折叶涡轮桨等。折叶桨折叶桨 搅拌桨叶绕搅拌轴螺旋上升搅拌桨叶绕搅拌轴螺旋上升,如推进式如推进式、螺杆式桨螺杆式桨、螺带式螺带式桨等。桨等。螺旋叶面桨螺旋叶面桨 若瘦高型反应器或大型反应器液位较深若瘦高型反应器或大型反应器液位较深,可选用多层搅拌桨叶可选用多层搅拌桨叶组合使用组合使用,也可选用不同的搅拌桨叶进行组合使搅拌达到预期的效也可选用不同的搅拌桨叶进行组合使搅拌达到预期的效果。果。高分子工程设计 搅拌桨叶与搅拌轴有一定的夹角,以第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 搅拌附件是指在搅拌釜内为了改善液体流动状态而增设的部件，搅拌附件是指在搅拌釜内为了改善液体流动状态而增设的部件，如挡板、导流筒等。它是搅拌装置的重要组成部分，对搅拌效果有如挡板、导流筒等。它是搅拌装置的重要组成部分，对搅拌效果有直接的作用直接的作用,一般应用在搅拌桨叶直径比反应器内径小很多的情况。一般应用在搅拌桨叶直径比反应器内径小很多的情况。挡板的作用是可避免液体在高速旋转搅拌轴中心形成液面凹挡板的作用是可避免液体在高速旋转搅拌轴中心形成液面凹陷的漩涡，增大液体的湍动程度，改善搅拌效果。挡板安装后液陷的漩涡，增大液体的湍动程度，改善搅拌效果。挡板安装后液体可在较小搅拌转速下达到湍流状态。同时，流动阻力增加，搅体可在较小搅拌转速下达到湍流状态。同时，流动阻力增加，搅拌功率增大。拌功率增大。挡板挡板 搅拌附件的设置搅拌附件的设置高分子工程设计 搅拌附件是指在搅拌釜内为了改善液第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 釜体内一般安装四块挡板，宽度为釜体直径的釜体内一般安装四块挡板，宽度为釜体直径的1/10-1/12，高，高粘流体可小到粘流体可小到120。挡板的上端与静液面平齐，下端与反应器直。挡板的上端与静液面平齐，下端与反应器直筒部分下沿平齐。筒部分下沿平齐。挡板主要有三种方式挡板主要有三种方式,如图如图5-7所示。所示。图5-7 挡板 图图(a)挡板紧贴釜壁且垂直釜挡板紧贴釜壁且垂直釜壁，用于低粘度均相流体的搅壁，用于低粘度均相流体的搅拌，效果显著。拌，效果显著。图图(b)挡板与釜壁有一定距离挡板与釜壁有一定距离(为板宽的为板宽的1/6)且垂直于釜壁，用且垂直于釜壁，用于含有固体颗粒或粘度较高液体于含有固体颗粒或粘度较高液体的搅拌，可避免固体颗粒堆积和的搅拌，可避免固体颗粒堆积和粘壁现象。粘壁现象。在层流区（在层流区（NRe 20）搅拌）搅拌时，一般不需安装挡板。对于高时，一般不需安装挡板。对于高粘流体粘流体(粘度大于粘度大于60Pas),通常采通常采用具有刮壁效果的搅拌桨如框式用具有刮壁效果的搅拌桨如框式、锚式锚式、螺带式等螺带式等,也可不安装挡板。也可不安装挡板。图图(c)挡板与釜壁倾斜安装，挡板与釜壁倾斜安装，留有一定间隙留有一定间隙,既可避免固体颗粒既可避免固体颗粒的堆积或粘液产生死角，还可降的堆积或粘液产生死角，还可降低流动阻力。低流动阻力。高分子工程设计 釜体内一般安装四块挡板，宽度为釜第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 导流筒导流筒 导流筒的作用是控制釜内液体循环流量和循环方向，提高导流筒的作用是控制釜内液体循环流量和循环方向，提高对釜内流体的搅拌强度对釜内流体的搅拌强度,加强搅拌器对液体的剪切作用加强搅拌器对液体的剪切作用,一般是身一般是身上开有槽或孔圆筒，也可是换热环或密集排列的蛇形换热盘管。上开有槽或孔圆筒，也可是换热环或密集排列的蛇形换热盘管。通常导流筒上端低于静液面如图通常导流筒上端低于静液面如图5-8所示。所示。图图(a)推进式搅拌桨叶安装在推进式搅拌桨叶安装在导流筒套内且略高于导流筒的导流筒套内且略高于导流筒的下端。下端。图图(b)涡轮式或桨式搅拌桨叶涡轮式或桨式搅拌桨叶常置于导流筒的下端。导流筒常置于导流筒的下端。导流筒直径一般为釜径的直径一般为釜径的70。图5-8 导流筒高分子工程设计 导流筒 导流筒的作用是控制釜内液第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 收集数据资料收集数据资料 反应体系物性数据（粘度、密度、数量、表面张力、物料组成、反应体系物性数据（粘度、密度、数量、表面张力、物料组成、固体颗粒含量、粒状物料在悬浮介质中的沉降速率等）、反应体系固体颗粒含量、粒状物料在悬浮介质中的沉降速率等）、反应体系对搅拌的要求、反应器的几何尺寸（反应釜的体积、直径、长径比、对搅拌的要求、反应器的几何尺寸（反应釜的体积、直径、长径比、液位高度等）、有无相应的生产实例等。液位高度等）、有无相应的生产实例等。选择搅拌桨叶型式选择搅拌桨叶型式,确定搅拌桨叶尺寸确定搅拌桨叶尺寸 a.均相液体混合。以混合、搅动功能为主，液体在反应器中的均相液体混合。以混合、搅动功能为主，液体在反应器中的容积循环速率是搅拌过程的主要控制因素。若对达到完全混合的时容积循环速率是搅拌过程的主要控制因素。若对达到完全混合的时间没有严格要求，可选用任何类型搅拌器。低粘度液体通常可选用间没有严格要求，可选用任何类型搅拌器。低粘度液体通常可选用桨式（斜桨）、推进式桨、涡轮桨等。湍流流动时，最好加挡板。桨式（斜桨）、推进式桨、涡轮桨等。湍流流动时，最好加挡板。搅拌装置设计的主要步骤搅拌装置设计的主要步骤高分子工程设计 收集数据资料 反应体系物性数据第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology b.非均相液体混合。四种功能均有非均相液体混合。四种功能均有,要求分散、悬浮功能更突要求分散、悬浮功能更突出出,液滴的大小及容积循环速率是非均相液体混合搅拌过程的主要液滴的大小及容积循环速率是非均相液体混合搅拌过程的主要控制因素。涡轮式搅拌桨具有较大的局部剪切作用和容积循环速控制因素。涡轮式搅拌桨具有较大的局部剪切作用和容积循环速率，其中直叶涡轮桨的剪切作用最大，液滴分散程度最好。当分率，其中直叶涡轮桨的剪切作用最大，液滴分散程度最好。当分散液粘度较大时，可考虑用弯叶涡轮，以减少动力消耗。散液粘度较大时，可考虑用弯叶涡轮，以减少动力消耗。c.固体悬浮。以悬浮兼分散功能为主，容积循环速率和流动固体悬浮。以悬浮兼分散功能为主，容积循环速率和流动的湍流程度固体悬浮搅拌过程的主要控制因素。可根据固体颗粒的湍流程度固体悬浮搅拌过程的主要控制因素。可根据固体颗粒的性质及含固量选择搅拌器。固体颗粒较大、固液比的性质及含固量选择搅拌器。固体颗粒较大、固液比30%时，可时，可开式涡轮桨；固体颗粒较小、固液比在开式涡轮桨；固体颗粒较小、固液比在60%-90%时，可选用桨式时，可选用桨式搅拌器；固体颗粒较小、固液比搅拌器；固体颗粒较小、固液比50%时，可选用推进式桨。时，可选用推进式桨。高分子工程设计 b.非均相液体混合。四种功能均第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology d.气体吸收及气气体吸收及气-液相反应。以分散与混合功能为主，局部的液相反应。以分散与混合功能为主，局部的剪切作用、容积循环速率以及高转数是这种搅拌过程的主要控制因剪切作用、容积循环速率以及高转数是这种搅拌过程的主要控制因素。一般采用圆盘式涡轮搅拌器。素。一般采用圆盘式涡轮搅拌器。e.高粘度反应体系。常见搅拌体系有本体聚合、溶液聚合、缩高粘度反应体系。常见搅拌体系有本体聚合、溶液聚合、缩聚）。最好选用带有刮壁效果的搅拌桨，防止产生死角。随着反应聚）。最好选用带有刮壁效果的搅拌桨，防止产生死角。随着反应体系粘度的增加，可依次选用涡轮式、锚式、框式、螺杆、螺带、体系粘度的增加，可依次选用涡轮式、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型高粘度搅拌器（圆盘式搅拌器）。在反应前后粘度差别很大特殊型高粘度搅拌器（圆盘式搅拌器）。在反应前后粘度差别很大的均相聚合体系可采用改变转速和搅拌器型式满足不同粘度条件下的均相聚合体系可采用改变转速和搅拌器型式满足不同粘度条件下的搅拌效果要求。的搅拌效果要求。选定搅拌器型式后选定搅拌器型式后,可根据表可根据表3-8计算搅拌桨叶的几何尺寸及安计算搅拌桨叶的几何尺寸及安装位置。装位置。高分子工程设计 d.气体吸收及气-液相反应。以第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 设计搅拌附件设计搅拌附件 对于小尺寸搅拌桨（如桨式、涡轮式、推进式、螺杆式等）通常对于小尺寸搅拌桨（如桨式、涡轮式、推进式、螺杆式等）通常设置搅拌附件设置搅拌附件;具有刮壁作用的搅拌桨（锚式、筐式、螺带式等），具有刮壁作用的搅拌桨（锚式、筐式、螺带式等），则不能设置附件。则不能设置附件。确定搅拌转数确定搅拌转数 a根据搅拌要求选择搅拌等级。根据搅拌效果可将搅拌操作分为根据搅拌要求选择搅拌等级。根据搅拌效果可将搅拌操作分为均相混合搅动型和非均相悬浮型两大类。不同搅拌类型对搅拌等级的要均相混合搅动型和非均相悬浮型两大类。不同搅拌类型对搅拌等级的要求见表求见表5-5和表和表5-6。表。表5-7给出了聚合物生产中搅拌装置设计的参考标准。给出了聚合物生产中搅拌装置设计的参考标准。高分子工程设计 设计搅拌附件 对于小尺寸搅拌桨（第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 表5-5 不同搅拌级别的搅拌效果(均相混合搅动型)表5-6 不同搅拌级别的搅拌效果(非均相悬浮型)高分子工程设计表5-5 不同搅拌级别的搅拌效果(均相混合搅动第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 表5-7 聚合物生产中搅拌装置设计的参考标准高分子工程设计表5-7 聚合物生产中搅拌装置设计的参考标准第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 高分子工程设计第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology b.选择流体总体流速选择流体总体流速。不同搅拌级别对应流体总体流速。不同搅拌级别对应流体总体流速 如表如表5-8所示。所示。c.计算搅拌桨叶排出流量计算搅拌桨叶排出流量qd。表5-8 不同搅拌级别对应流体总体流速 高分子工程设计 b.选择流体总体流速。不同搅第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology d.确定搅拌转速确定搅拌转速n。混合搅动型的搅拌器可根据搅拌雷诺数及排。混合搅动型的搅拌器可根据搅拌雷诺数及排出流量数的关系确定搅拌转速，图出流量数的关系确定搅拌转速，图5-9为涡轮搅拌桨的排出流量数为涡轮搅拌桨的排出流量数与雷诺数的关系曲线。与雷诺数的关系曲线。图5-9 涡轮搅拌桨的排出流量数与雷诺数的关系曲线高分子工程设计 d.确定搅拌转速n。混合搅动型的第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 搅拌雷诺数搅拌雷诺数：排出流量数：排出流量数：悬浮型搅拌器还需考虑颗粒的沉降速率等后才能确定搅拌悬浮型搅拌器还需考虑颗粒的沉降速率等后才能确定搅拌转速。转速。计算搅拌功率计算搅拌功率 a.搅拌桨叶克服流体流动阻力所消耗的能量，简称搅拌器轴搅拌桨叶克服流体流动阻力所消耗的能量，简称搅拌器轴功率（功率（Pa，kW）。它是搅拌电机消耗功率的主要部分，计算难度）。它是搅拌电机消耗功率的主要部分，计算难度较大。较大。高分子工程设计搅拌雷诺数：排出流量数：悬浮型搅第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology b.搅拌轴密封所消耗的功率搅拌轴密封所消耗的功率(Pm，kW)。密封装置主要有填密封装置主要有填料密封和机械密封两种，填料密封料密封和机械密封两种，填料密封Pm=10-15%Pa;机械密封机械密封 Pm=2%Pa c.机械传动消耗的功率（机械传动消耗的功率（Pe，kW），也可用传动效率（），也可用传动效率（传传）表示。通常表示。通常 取取0.8-0.95,还可从设计手册或电机产品样本中获得。还可从设计手册或电机产品样本中获得。还可从设计手册或电机产品样本中获得。还可从设计手册或电机产品样本中获得。高分子工程设计 b.搅拌轴密封所消耗的功率(第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 通常是通过内设带有冷介质或热介质传热装置，提供足够的通常是通过内设带有冷介质或热介质传热装置，提供足够的传热面积，带走或向物料中提供热量实现的。传热面积，带走或向物料中提供热量实现的。反应器是发生化学反应产生聚合物的场所，而化学反应常伴反应器是发生化学反应产生聚合物的场所，而化学反应常伴有放热或吸热现象，那么如何操作才能保证反应器中的反应在预有放热或吸热现象，那么如何操作才能保证反应器中的反应在预定的反应温度下进行呢？定的反应温度下进行呢？三三、传热装置设计传热装置设计高分子工程设计 通常是通过内设带有冷介质或热介质传第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 传热装置的形式传热装置的形式 在釜体外侧安装各种形状的钢结构（称夹套），使其与釜体在釜体外侧安装各种形状的钢结构（称夹套），使其与釜体表面形成密闭的空间。这种传热形式是在上述密闭空间内通入传表面形成密闭的空间。这种传热形式是在上述密闭空间内通入传热介质实现传热的，图热介质实现传热的，图5-10所示为常见的几种夹套型式。所示为常见的几种夹套型式。夹套传热夹套传热图5-10 常见的几种夹套型式 图图5-10（b）中，一部分直）中，一部分直边釜壁和下封头外有夹套，是最边釜壁和下封头外有夹套，是最常见的夹套型式。通常夹套高度常见的夹套型式。通常夹套高度高于液面高度以便提供最大的传高于液面高度以便提供最大的传热面积；而对于热敏性体系，夹热面积；而对于热敏性体系，夹套高度应低于液面高度。套高度应低于液面高度。图图5-10（a）中，只有一部分）中，只有一部分直边釜壁外有夹套，适用于传热直边釜壁外有夹套，适用于传热面积不大的情况面积不大的情况 图图5-10（c）中，夹套型式）中，夹套型式便于釜体轴向分段控制温度。便于釜体轴向分段控制温度。图图5-10（d）为全包式夹套）为全包式夹套型式，即整体夹套。例如型式，即整体夹套。例如PET合合成中的缩聚反应器，反应过程有成中的缩聚反应器，反应过程有气体蒸出，且易夹带低聚物，采气体蒸出，且易夹带低聚物，采此夹套型式可以使低聚物遇到热此夹套型式可以使低聚物遇到热的上封头熔融流回到反应液中，的上封头熔融流回到反应液中，防止物料挂壁。防止物料挂壁。注意：若传热介质是气相或注意：若传热介质是气相或气体冷凝时，气体应上进下出；气体冷凝时，气体应上进下出；若传热介质是液体时，为使液体若传热介质是液体时，为使液体充满夹套，液体应下进上出。充满夹套，液体应下进上出。若采用整体夹套，且传热介若采用整体夹套，且传热介质是液体时，液体在夹套内流速质是液体时，液体在夹套内流速很慢，传热效率低，液体易走短很慢，传热效率低，液体易走短路，釜壁温度分布不均匀等。路，釜壁温度分布不均匀等。高分子工程设计 传热装置的形式 在釜体外侧安装各第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 通常，在夹套内设置螺旋导流板或采用焊接螺旋半圆管、螺旋通常，在夹套内设置螺旋导流板或采用焊接螺旋半圆管、螺旋角钢等结构代替整体夹套不仅可大大提高传热介质的流速，强化传角钢等结构代替整体夹套不仅可大大提高传热介质的流速，强化传热效果，使釜壁温度分布均匀，而且能提高内釜体的强度和刚度。热效果，使釜壁温度分布均匀，而且能提高内釜体的强度和刚度。如图如图5-11所示。所示。上述夹套型式中，整体夹上述夹套型式中，整体夹套用于气相反应时，有最大的套用于气相反应时，有最大的传热面积；而用于液相反应时，传热面积；而用于液相反应时，同其它夹套型式一样，有效的同其它夹套型式一样，有效的传热面积应是与反应液实际接传热面积应是与反应液实际接触的夹套部分的传热面积。触的夹套部分的传热面积。图5-11 内置导流结构高分子工程设计 通常，在夹套内设置螺旋导流板或采用第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 与反应器釜体直径选择的原则相同，夹套直径也应按公称尺寸与反应器釜体直径选择的原则相同，夹套直径也应按公称尺寸选取，有利于按标准选择夹套的封头。具体方法，可在确定内釜选取，有利于按标准选择夹套的封头。具体方法，可在确定内釜体直径的基础上，按表体直径的基础上，按表5-9选取。选取。内置传热装置内置传热装置 当需要的传热面积较大，单靠夹套面积不能满足需求时，可采当需要的传热面积较大，单靠夹套面积不能满足需求时，可采用内置传热装置的方法增加传热面积。内置传热器的主要型式有蛇用内置传热装置的方法增加传热面积。内置传热器的主要型式有蛇管（盘管）式、列管式、直管式、换热环等多种型式，也可利用挡管（盘管）式、列管式、直管式、换热环等多种型式，也可利用挡板或导流筒作为内置传热装置，如图板或导流筒作为内置传热装置，如图5-12所示。所示。表5-9 夹套直径选取高分子工程设计 与反应器釜体直径选择的原则相同，夹第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 蛇管式蛇管式(coil pipe)传热装置沉浸在物料中，无散热损失，缩短传热装置沉浸在物料中，无散热损失，缩短了传热距离，传热均匀，另外可起到导流筒作用，强化了搅拌效果，了传热距离，传热均匀，另外可起到导流筒作用，强化了搅拌效果，但维修麻烦，不适用高粘度体系（易挂壁和结垢）但维修麻烦，不适用高粘度体系（易挂壁和结垢）图5-12 内置传热装置高分子工程设计 蛇管式(coil pipe)传热装第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 列管式（列管式（tube array）传热装置能提供非常大的传热面积，适）传热装置能提供非常大的传热面积，适用于一般传热装置很难达到传热面积需求反应体系，如用于一般传热装置很难达到传热面积需求反应体系，如PTA连续直连续直接酯化反应体系，但不适于高粘反应体系接酯化反应体系，但不适于高粘反应体系 当反应釜直径较大、反应液粘度较高、搅拌转速较慢时，即使当反应釜直径较大、反应液粘度较高、搅拌转速较慢时，即使夹套传热面积已经够用，但由于传热距离较远，传热效果较差，易夹套传热面积已经够用，但由于传热距离较远，传热效果较差，易造成反应液温度分布不均匀。此时可在反应器内设置换热环等缩短造成反应液温度分布不均匀。此时可在反应器内设置换热环等缩短传热距离，改善传热效果。传热距离，改善传热效果。高分子工程设计 列管式（tube array）传热第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 传热面积的计算传热面积的计算 要计算反应器传热装置的传热面积，首先要计算总传热系数要计算反应器传热装置的传热面积，首先要计算总传热系数K，它不仅与釜内流体及传热介质的性质和流动状态有关，还与釜，它不仅与釜内流体及传热介质的性质和流动状态有关，还与釜壁材质及结垢等因素有关。计算公式如下：壁材质及结垢等因素有关。计算公式如下：高分子工程设计 传热面积的计算 要计算反应器传第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 式中式中ai,a0计算是非常困难的，在反应器传热装置计算中一般采计算是非常困难的，在反应器传热装置计算中一般采用估算或根据放大原则由工业生产装置的数据推算出来。用估算或根据放大原则由工业生产装置的数据推算出来。通常夹套内设置导流板或安装扰流喷嘴可提高传热介质的湍动通常夹套内设置导流板或安装扰流喷嘴可提高传热介质的湍动程度，从而提高程度，从而提高a0。对于低粘度体系如悬浮聚合、乳液聚合等，在。对于低粘度体系如悬浮聚合、乳液聚合等，在强制搅拌作用下，强制搅拌作用下，ai可达约可达约2000 W m-2 -1，不构成热阻的主要，不构成热阻的主要部分。当体系粘度增加，搅拌转速降低，部分。当体系粘度增加，搅拌转速降低，ai迅速降低，可使总传热迅速降低，可使总传热系数下降到小于系数下降到小于100 W m-2 -1，而这一点是很难克服的。另外，而这一点是很难克服的。另外，有机固体的热导率较小，最严重的传热阻力是附着在釜内壁上的聚有机固体的热导率较小，最严重的传热阻力是附着在釜内壁上的聚合物结成的垢层，它会大大降低总传热系数。合物结成的垢层，它会大大降低总传热系数。高分子工程设计 式中ai,a0计算是非常困难第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 防止聚合物在釜内壁上结垢可采取的主要措施有：提高釜内防止聚合物在釜内壁上结垢可采取的主要措施有：提高釜内壁的光洁度；在釜内壁上涂覆阻垢剂；使用刮壁式搅拌器，如框壁的光洁度；在釜内壁上涂覆阻垢剂；使用刮壁式搅拌器，如框式、锚式、螺带式搅拌器；定期清洗釜内壁等。式、锚式、螺带式搅拌器；定期清洗釜内壁等。搅拌反应器传热面积的计算与一般的传热面积的计算基本相搅拌反应器传热面积的计算与一般的传热面积的计算基本相同，计算公式如下：同，计算公式如下：高分子工程设计 防止聚合物在釜内壁上结垢可采取的主第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 例：悬浮法生产例：悬浮法生产PVC，间歇操作，每批投料量，间歇操作，每批投料量WB4400kg B-1，总转化率，总转化率x0.95，反应时间，反应时间=6h，高峰时的反应速率是平均反应速率的，高峰时的反应速率是平均反应速率的2.67倍，聚合反应热倍，聚合反应热H=-30.32 kJ mol-1,反应温度反应温度T50 ，总传热系数，总传热系数K=320W m-2 -1，冷却水入口温，冷却水入口温度度t1=5，冷却水进出口温差为，冷却水进出口温差为4.5。求总传热面积。求总传热面积。高分子工程设计例：悬浮法生产PVC，间歇操作，每批投料量WB第5章设备工艺计算高分子工程设计高分子工程设计Design of Polymer Engineering,Shaanxi University of Technology 四四、工艺管口的设计工艺管口的设计 搅拌釜反应器上设置如液体物料进出管口、传热介质进出管搅拌釜反应器上设置如液体物料进出管口、