搅拌反应器放大设计教材

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1、全国化工化学工程设计技术中心站2007年年会 State Key Lab. of Polymer Reaction Engineering College of Materials Science & Chemical Eng. Zhejiang University, Hangzhou 310027, P. R. China Tel: 0571-87951307, Email: fenglf 搅拌反应器放大设计 我的理解 冯连芳 教授 浙江大学材料与化学工程学院 聚合反应工程国家重点实验室 搅拌反应器放大设计 搅拌反应器构成： 2 搅拌反应器放大设计 常用的搅拌器： 3 搅拌反应器放大设计

2、1.空心夹套 3.螺旋导流板夹套 2.喷咀 4.半管夹套 5.内部夹套NEW! 常用的夹套： 4 搅拌反应器放大设计 常用的挡板： 5 搅拌反应器放大设计 常用的内冷管： 6 搅拌反应器放大设计 带刮壁机构的导流筒 7 搅拌反应器放大设计 锥螺带 (VCR) 前进式(AR) 最大叶片式 泛能式叶片组合式 扭格子式 EKATO同轴多臂行星式 真空乳化釜 新型 立式 搅拌 8 搅拌反应器放大设计 LIAS-AP 瑞士LIST全相型 BIVOLAK (住友重机全相型) (三菱重工) HVRSCR 新型卧式搅拌 砂磨机 CONTERNA (德国连续 捏和机)9 搅拌反应器放大设计 搅拌反应器设计的基础

3、 搅拌器的选型原则？ 搅拌反应器的放大准则？ 10 搅拌反应器放大设计 搅拌器的分类选型 注:有者为为合用，表元中空白者为为不详详或不合用。 11 搅拌反应器放大设计 低粘度高粘度 10410310210110-110-210-3粘度(Pas) 常见物质的粘度 水：约1mPas 低粘乳液：约数 mPas 重油：约数十 mPas 润滑油：约 0.1Pas 蜂蜜：约 1 Pas 涂料：约数 Pas 油墨：约数十 Pas 牙膏：约 50 Pas 口香糖：约 100 Pas 嵌缝胶：约 千 Pas 塑料熔体：近万Pas 橡胶混合物：近万Pas 搅拌器的 粘度选型 12 搅拌反应器放大设计 搅拌釜几何相

4、似放大法 几何相似放大法其实只回答一个问题：在 直径为D1的中试槽中，当转速为N1时能获 满意结果；则在直径为D2的工业槽中，转 速N2为多少时能重复中试槽的结果？ 几何相似法可归结为：(N2/N1)(D2/D1) -b， 故求取b 值是几何相似放大的核心。 13 搅拌反应器放大设计 常用的几何相似放大准则 着眼的过程 放大过程中需保持恒等的量（准 则） 14 搅拌反应器放大设计 问题的提出： 反应器选型与设计强烈依赖经验和实 验，对其的优劣很难用理论预测。 逐级放大来以达到搅拌设备被要求的 传质、传热和混合，周期长、耗费大 。 15 搅拌反应器放大设计 问题的提出： 几何相似放大的缺陷： 误

5、区：几何相似动力相似 释：几何相似条件下若Re和Fr都相等，则动力 相似。然而，Re = d2 N r / h ，Fr = d N2 /g，除非 (h/r)2/(h/r)1=(D2/D1)3/2，否则不可能Re和Fr同时相等。 单位体积传热面积的下降，反应器 内热传导距离增加 单位体积传质界面的减少（脱挥？ ），传质路径增加 仅单一特征混合参数的相同 16 搅拌反应器放大设计 几何相似放大准则举例 取不同的放大准则可使过程能耗相差很大，必须予以重视。 保持QdV 恒定（即翻转次数恒定）的放大法是最耗能的放大法 。而保持Re恒定，一般不能重现过程结果。 实用的放大法是保持Pv恒定或Nd恒定，或取

6、二者之间。 17 搅拌反应器放大设计 反应器传热能力变化(湍流) 使用上表的三种放大准则时，随槽径增大，单位体积传热量QV 均以较大幅度下降。 以N3d2或Nd恒定放大时，二者的QV相差无几，所以若搅拌槽中 仅进行传热过程时，可采用省能的使Nd恒等的放大法。 18 搅拌反应器放大设计 反应器放大设计的突破 ？ 19 搅拌反应器放大设计 搅拌反应器放大的根本目标 反应器放大就是在小试或中试工艺研 究基础上，运用化学工程原理进行工 业规模反应器设计的技术。其要求是 在工业反应器中重现小试或中试的过 程结果。 过程结果是指反应速率、收率、 产品质量（分子量、颗粒形态等） 。 20 搅拌反应器放大设计

7、 反应器放大基本准则 影响过程结果的因素有温度、浓度、传质 和剪切率（非均相）四个变量。 若工业反应器中每个反应单元的温度、浓 度、传质和所受剪切率与小试或中试一样 ，工业反应器的过程结果必然与小试或中 试相近，放大问题就解决了。 21 搅拌反应器放大设计 “放大问题”的转移 如何实现温度、浓度、传质 和剪切的相同？ 过过程结结果： 速率、收率、质质量 过过程状态态： 温度、浓浓度、传质传质 、剪切 影 响 22 搅拌反应器放大设计 搅拌反应器放大的实现策略 不同规模反应器中温度、浓度、传质和剪 切率的完全相同实际上是不可能的！ 放大技术的主要手法就是千方百计使工业 反应器中的温度、浓度、传质

8、和剪切率这 四者的平均值及其分布与中试反应器相近 。 许多场合并非要求工业反应器中重现中试 反应器的所有过程结果，有些反应也并不 对上述四个量都敏感，放大设计就有可能 简化。 23 搅拌反应器放大设计 对策1：非几何相似放大 几何相似放大法通常仅适合于简单的物理过 程，对于聚合反应这样的复杂过程无能为力 。 几何相似仅是简化放大计算的手段，反应器 放大设计完全没有必要被几何相似所制约。 反应器非几何相似放大的实质使工业反 应器中尽可能多的混合参数与中试相同，从 而能使工业中更好地重复中试的过程结果。 24 搅拌反应器放大设计 非几何相似放大法 明确所着手的反应中那些是必须重现的过程 结果。通过

9、一定规模的中试（至少几十升） ，掌握影响主要过程结果的主要变量。 明确关键混合参数。对于某个特定的反应过 程，并非在放大时需要大槽与小槽的全部混 合参数相同。 p常用的混合参数：单位体积搅拌功率PV、桨端线速 度Ut、整体流速UA、循环次数NC、翻转次数NT、 单位体积传热面FU、雷诺数Re 25 搅拌反应器放大设计 非几何相似放大法 不是在放大过程中简单地要求某个混合参数 （如PV、Nd等）恒等便能解决放大问题。 l有时要求一个混合参数的某个幂值恒 等 l可能同时还要求另一个混合参数需大 于某个临界值 l有时还可能要有第三和第四个需同时 满足的条件 l更复杂的情况是随反应的进行物料的 物性发

10、生变化，这时放大准则也要相应改变。如 在聚合初期与聚合后期可能需要不同的搅拌转速 。 进一步，反应器放大时可采用一切物理的和 化学的手段，必要时可在一定范围内改变配 方。 26 搅拌反应器放大设计 搅拌 等级 整体 流速 （ms ） 说 明 1 2 0.0305 0.0610 1级和2级搅拌适用于要求最低整体流速的工艺过程，2级搅拌的能力为 ： 可将液体相对密度差小于0.1的互溶液体混合均匀； 如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1100时，可把互溶液体 混合均匀； 可使不同批量的液体物料在较长的时间内达到混合； 可使混合物料表面产生平稳的流动。 3 4 5 6 0.0914 0.112 0

11、.152 0.183 3至6级搅拌适用于化工中大多数混合操作，6级搅拌的能力为： 可将液体相对密度差小于0.6的互溶液体混合均匀； 如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的110000时，可把互溶液 体混合均匀； 可使小于2的、沉降速度为0.01020.0203 ms的微量固体悬浮； 可使粘度较低的液体表面产生小的波动。 7 8 9 10 0.213 0.244 0.274 0.305 7至10级搅拌适用于要求高整体流速的工艺过程，如要求强烈搅拌的反 应器，10级搅拌的能力为： 可将液体相对密度差小于1.0的互溶液体混合均匀； 如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1100000时，可把互溶 液

12、体混合均匀； 可使小于2的、沉降速度为0.02030.0305 ms的微量固体悬浮； 可使粘度较低的液体表面产生激烈的湍动。 Chemical Engineering杂志在1976年发表 例1：整体流速法（低粘均相） 27 搅拌反应器放大设计 l对于均相混合搅拌槽，用整体流速的设计 法可以看作最简单的非几何相似放大法。 该法适用于不同尺寸、不同搅拌器（低粘 ）。 l按上表，若要达到6级混合强度，只要整体 流速达到0.183m/s便可。可以使用 A310叶轮，也可使用45折叶涡轮，甚 至可使用标准盘式涡轮，当然使用不同叶 轮其能耗有很大差别。 非几何相似放大整体流速法 28 搅拌反应器放大设计

13、例2：氯乙烯悬浮聚合反应器放大 放大准则： 液液分散，颗粒大小与形态 PV=11.2 kW/m3 聚合物分子量（全槽温差小于0.2） 循环次数NC大于每分钟7次 反应器高空时产率 有足够的传热能力（内夹套） 复合引发剂，均匀放热 29 搅拌反应器放大设计 搅拌器选型 底伸式三叶后掠式叶轮（液液分散、颗 粒分布、大型化、内构件简化）。在开 发80m3釜前国内没有使用三叶后掠式 桨生产PVC的装置。 对釜的长径比、桨径/槽径比、叶片宽 /槽径比、叶片截面形状对NP、NC的 影响，以及夹套和内冷管的传热作了系 统的研究。 30 搅拌反应器放大设计 PV=Np r n3 d 5 /V NC=Nqc N

14、 d 3 / V 混合参数的冷模研究 NP (d/D )-1.1(b/D )0.9 Nqd (d/D )-1.1(b/D )0.4 Nqc = Nqd 1+0.16(D/d )2-1 31 搅拌反应器放大设计 符合PVC悬浮聚合反应器放大准则的方案 实际采用第2方案，一次试车成功。 放大方案的实施 32 搅拌反应器放大设计 国产30m3国产80m3日本信越127m3 工业级PVC聚合釜 33 搅拌反应器放大设计 美国Goodrich70m3德国Huls200m3日本神钢泛技术75m3 工业级业级 PVC聚合釜 34 搅拌反应器放大设计 日本往友重机的二种新PVC反应器(90m3以上) NEW！

15、 内夹夹套： KA40 新搅搅拌： KA20 35 搅拌反应器放大设计 对策2：混合设备智能设计？ L设计空间大 应用体系、搅拌设备、操作条件和物性的多样性 L设计数据缺乏 文献中数据和公式杂乱分散且不系统，适用范围窄 L对设计者要求较高 涉及化工、机械和混合技术等多方面知识 人工实现复杂耗时且易出错 L设计理论不健全 与塔器等过程设备相比，无完善设计理论 需要领域专家凭借丰富的经验进行设计 36 搅拌反应器放大设计 实现方法：决策分析规则实例 预选型过程设计 专家决策系统 规则基专家系统实例基专家系统 知识的采集、表示和处理 混合设备的智能化设计 混合设备设计的问题 37 搅拌反应器放大设计 对策3：CFD辅助设计 Where is CFD used? A erospace A ppliances A utomotive B iomedical C hemical Processing H VAC&R H ydraulics M arine O il & Gas P ower Generation S ports F18 Store Separation Computational Fluid Dynamics 38 搅拌反应器放大设计 CFD模拟（流场） 6PTU-6DT d/D=0.45 150rpm 39 搅拌反