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  化工设备设计基础搅拌反应釜_机械/仪表_工程科技_专业资料。材料系高分子材料与工程专业 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 材料系高分子材料与工程专业 第六章 搅拌器反应釜 2 第一节

  材料系高分子材料与工程专业 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 .cn 材料系高分子材料与工程专业 第六章 搅拌器反应釜 2 第一节 概述 材料系高分子材料与工程专业 一、搅拌的目的 使气体在液相中很好地分散 1、使物料 混合均匀 使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮 2、强化传热、 传质 3 使不相溶的另一液相均匀悬浮或充分乳化 强化相间的传质(如吸收等) 强化传热 二、结构 材料系高分子材料与工程专业 图9-1 搅拌设备结构图 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 4 搅拌装置 搅拌设备 轴封 搅拌罐 5 材料系高分子材料与工程专业 传动装置 搅拌轴 搅拌器 罐体 附件 第二节 搅拌罐结构设计 一、罐体的尺寸确定 1、罐体长径比 罐体长径比对搅拌功率的影响 材料系高分子材料与工程专业 需要较大搅拌功率的,长径比可以选得小些。 罐体长径比对传热的影响 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。 6 物料特性对罐体长径比的要求 表6—1 几种搅拌罐的长径比 材料系高分子材料与工程专业 种类 一般搅拌罐 聚合釜 发酵罐类 设备内物料类型 液-固相、液-液相 气-液相 悬浮液、乳化液 发酵液 长径比 1~1.3 1~2 2.08~3.85 1.7~2.5 7 2、搅拌罐装料量 装料系数 Vg ? V ?? 初步计算筒体内径 Di ? 3 4Vg ? ???? H Di ????? 确定筒体直径和高度 8 材料系高分子材料与工程专业 一般取0.6~0.8 二、夹套传热及其结构 材料系高分子材料与工程专业 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。 材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 (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 以套保高证度充分Hj主传要热决,定可于按传下热式面估积算F的要求,H一j 般? ?不?4V低-DVi于2F m液面高度, 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。 材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 (三)夹套上的附件 材料系高分子材料与工程专业 1、进口接管 2、螺旋导流板 材料系高分子材料与工程专业 三、其他形式的夹套结构 材料系高分子材料与工程专业 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 材料系高分子材料与工程专业 四、蛇管传热及其结构材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 (二)搅拌器的形式 材料系高分子材料与工程专业 桨式、涡轮式、推进式、锚式、框式、螺带式、螺杆式 第二节 搅拌器的型式及选型 一、常见型式 材料系高分子材料与工程专业 24 二、搅拌器的功能 材料系高分子材料与工程专业 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。 25 三、选型 材料系高分子材料与工程专业 搅拌目的 搅拌器选型 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、ag澳门娱乐福利视频,维护和检修方便等因素。 26 表9-1 搅拌器型式适用条件表 材料系高分子材料与工程专业 搅拌器型式 涡轮式 桨式 推进式 流动状态 搅拌目的 对 湍 剪 低 高粘 分 溶 固 气 结 传 液 流 流 切 粘 度液 散 解 体 体 晶 热 相 循 扩 流 度 混合 悬吸 反 环散 混 传热 浮收 应 合 反应 ○○○○ ○ ○ ○ ○○○○ ○ ○○○○ ○ ○○ ○○ ○ ○○ ○ ○○ ○ ○○ ○ 搅拌容 器容积 (m3) 转速范 围(r/min) 最高 粘度 (P) 1~100 1~200 10~300 500 10~300 20 1~1000 10~500 500 折叶开启涡轮式 ○ ○ ○ ○○ ○ ○○ 1~1000 10~300 500 布尔马金式 ○○○○ ○ ○ 锚式 ○ ○ ○ 螺杆式 ○ ○ ○ 螺带式 ○ ○ ○ 注 表中空白为不适或不详,○为适合。 ○○ 1~100 1~100 1~50 1~50 10~300 1~100 0.5~50 0.5~50 500 1000 1000 1000 27 四、几种常用搅拌器简介 材料系高分子材料与工程专业 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75~80%。 28 1. 桨式搅拌器 材料系高分子材料与工程专业 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。 29 图9-3 桨式搅拌器 主要应用 材料系高分子材料与工程专业 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。 30 材料系高分子材料与工程专业 桨式搅拌器的转速一般为20~100r/min , 最高粘度为20Pa·s 。 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。 31 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 材料系高分子材料与工程专业 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=1/4~1/3, 叶端速度一般为 7~10 m/s, 最高达15 m/s。 32 图9-4 推进式搅拌器 材料系高分子材料与工程专业 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。 33 应用 材料系高分子材料与工程专业 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。 34 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。 材料系高分子材料与工程专业 图9-5 涡轮式搅拌器 35 应用 材料系高分子材料与工程专业 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。 36 4.锚式搅拌器 结构简单。 适用于粘度在100Pa·s 以下的流体搅拌,当流 体粘度在10~100Pa·s 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。 37 材料系高分子材料与工程专业 图9-6 锚式搅拌器 应用 材料系高分子材料与工程专业 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100Pa·s 的流体时,应采用螺带 式或螺杆式。 38 材料系高分子材料与工程专业 ? 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。 材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 ? 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 材料系高分子材料与工程专业 ◆ 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 材料系高分子材料与工程专业 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。 材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 ? 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。 材料系高分子材料与工程专业 材料系高分子材料与工程专业 ● 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。 材料系高分子材料与工程专业 导流筒 四、搅拌器的功率 材料系高分子材料与工程专业 (一)搅拌器功率和搅拌器作业功率 搅拌功率 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。 1、定义 搅拌器功率 为使搅拌器连续运转所需要的功率称 为搅拌器功率。 搅拌作业功率 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。 最理想状态:搅拌器功率=搅拌作业功率 49 2、影响搅拌器功率的因素 材料系高分子材料与工程专业 搅拌器的几何参数与运转参数 搅拌槽的几何参数 搅拌介质的物性参数 50 材料系高分子材料与工程专业 第四节 传动装置及搅拌轴 一、传动装置 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 51 图9-9 涡轮减速机 二、轴的计算 1、轴的强度计算 材料系高分子材料与工程专业 ?d 3 16 ? Wp ? T? ?? ?k 2、轴的刚度计算 ? ? ? 0 ? T? ? 180 ?100 ? ? 0 G0 J P ? 52 二、轴封 机械搅拌反应器 轴封主要有两种 轴的密封装置 材料系高分子材料与工程专业 填料密封 机械密封 目的: 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。 53 1、填料密封 材料系高分子材料与工程专业 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。 54 工作原理 材料系高分子材料与工程专业 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。 55 存在问题 材料系高分子材料与工程专业 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。 56 材料系高分子材料与工程专业 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 57 图9-10 填料密封的结构 填料密封箱的特点 材料系高分子材料与工程专业 a. 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。 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8—34。 58 材料系高分子材料与工程专业 图9-11 压制成型填料 59 当旋转轴线m/s时,摩擦热大,填料 寿命会降低,轴也易烧坏。 材料系高分子材料与工程专业 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0.8-0.2?m。 60 填料密封的选用 材料系高分子材料与工程专业 a. 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8-12选用填料密封。 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。 61 材料系高分子材料与工程专业 表9-4 标准填料箱的允许压力、温度 材料 碳钢填料箱 不锈钢填料箱 公称压力 /MPa 常压 0.6 1.6 常压 0.6 1.6 允许压力范围 /MPa (负值指线.6 -0.03~1.6 允许温度 范围/℃ <200 ≤200 -20~300 <200 ≤200 -20~300 转轴线 速度/ (m/s) <1 <1 62 表9-5 填料材料的性能 材料系高分子材料与工程专业 填料名称 油浸石棉填料 聚四氟乙烯纤维编 结填料 聚四氟乙烯石棉盘 根 石棉线或石棉线与 尼龙线浸渍聚四氟 乙烯填料 柔性石墨填料 介质极限 温度/0C 450 250 260 300 250~300 介质极 限压力 /MPa 6 线速 度 /(m/s) 适用条件(接触介质) 蒸汽、空气、工业用水、重质 石油产品、弱酸液等 30 2 强酸、强碱、有机溶剂 25 1 酸碱、强腐蚀性溶液、化学试 剂等 30 2 弱酸、强碱、各种有机溶剂、 液氨、海水、纸浆废液等 醋酸、硼酸、柠檬酸、盐酸、 20 2 硫化氢、乳酸、硝酸、硫酸、 硬脂酸、 水钠、溴、矿物油料、 汽油、二甲苯、四氯化碳等 膨体聚四氟乙烯石 墨盘根 250 63 4 2 强酸、强碱、有机溶液 2、机械密封 材料系高分子材料与工程专业 定义: 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。 特点: 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。 64 机械密封的结构及工作原理 材料系高分子材料与工程专业 结构 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。 65 1—弹簧; 2—动环; 3—静环 材料系高分子材料与工程专业 图9-12 机械密封结构 66 釜用机械密 封基本结构 材料系高分子材料与工程专业 67 材料系高分子材料与工程专业 图9-13 机械密封的基本结构及组成 68 材料系高分子材料与工程专业 工作原理 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。 A点: 图中有四个密封点: 动环与轴之间的密封,属静密封,密封件常用“O”形环。 69 B点: 动密封, 密封的关键 材料系高分子材料与工程专业 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。 70 材料系高分子材料与工程专业 C点: 静环与静环座之间的密封,属静密封。 D点: 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。 71 端面比压: 材料系高分子材料与工程专业 动环和静环之间的 摩擦面称为密封面 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。 端面比压过大: 造成摩擦面发热,摩擦加剧, 功率消耗增加,使用寿命缩 短 72 端面比压过小: 密封面因压不紧而泄漏, 密封失效 机械密封分类 机械密封 分类 按密封面 数目分为 按密封面负荷 平衡情况分为 73 材料系高分子材料与工程专业 单端面 双端面 平衡型 一对密封面 二对密封面 非平衡型