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1、第九章 反应设备,第一节、概述,目录,第二节、机械搅拌反应器,第三节、机械搅拌设备技术进展概况,反应设备,化学反应器：,生物反应器：,在其中实现一个或几个化学反应，并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备。,为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。,前处理：进入反应设备前，原料需要经过一系列的预处理，如混合、加热、灭菌等，以达到进入反应器的要求，该过程统称为前处理。 后处理：反应产物同样需要经过分离、提纯等过程统称为后处理,图8-1 化工生产的典型流程,反应设备是过程工业的核心设备。,二、常见反应器的特点,一、反应器分类,第一节 概述,2.按操作方式：,一、反应器分类
2、,（一）化学反应器分类,均相反应器：,非均相反应器：,1.按物料相态：,间歇式,连续式,半连续式,反应物与生成物为同一相,反应物与生成物多于一相,4.按设备结构特征： 搅拌釜式、管式、固定床 、流化床式,连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合。,3.按物料流动状态：,活塞流型：,全混流型：,连续稳定流入反应器的流体，在垂直于流动方向的任一截面上，各质点的流速完全相同，平行向前流动，恰似汽缸中活塞的移动，故称为活塞流。,（二）生物反应器分类 1.按反应器的操作方式： 间歇操作、连续 操作、半连续操作式 2.按输入搅拌器的能量方式： 机械方式输入、气体喷射输入式 3
3、.根据反应物系在反应器内的流动状态： 活塞流反应器、全混流式 4.按反应器结构特征： 机械搅拌式、气升式、流化床、固定床式。,1.机械搅拌式反应器 这种反应器可用于均相反应，也可用于多相反应，可以间歇操作，也可以连续操作。 2.管式反应器 结构简单，制造方便。用于连续生产，也可用于间歇操作，反应物不返混，可在高温高压下操作。,二、常见反应器的特点,3.固定床反应器： （1）定义：气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置 （2）基本形式:轴向绝热式、径向绝热式、列管式。,缺点是：床层的温度分布不均匀。由于固相粒子不动，床层导热性较差。,4.移动床反应器： （1）定义：固体催化剂连续加入，反
4、应物反应后连续排出。 （2）优点：固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，固体和流体的运动接近活塞流，返混较少。 5.流化床反应器 （1）定义：流体以较高的流速通过床层，带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主流体中进行反应。 （2）优点：传热面积大、传热系数高和传热效果好。 （3）缺点：反应器内物料返混大，离子磨损严重；要有回收和集尘装置；内构件比较复杂；操作要求高等。,二、搅拌容器,一、基本结构,第二节 机械搅拌反应器,六、传动装置,五、密封装置,三、搅拌器,四、搅拌轴设计,一、基本结构,搅拌反应器,搅拌容器,搅拌机,1电动机； 2减速机； 3机架； 4人孔； 5密封装置； 6进料口；
5、 7上封头； 8筒体： 9联轴器； 10搅拌轴；,11夹套； 12载热介质出口； 13挡板； 14螺旋导流板； 15轴向流搅拌器； 16径向流搅拌器； 17气体分布器； 18下封头； 19出料口； 20载热介质进口； 21气体进口,图17-1 通气式搅拌反应器 典型结构,工作原理,(1)作用：为物料提供合适的空间 (2)筒体：基本上是圆筒 （3）封头：常用椭圆形封头、锥形封头和平盖，以椭圆形封头应用最广。 （4）容器上装有各种接管，以满足进出料、排气等要求。 （5）外加套和内盘管：制作选用应考虑容器的大小和安装位置。,二、搅拌容器,（6）容积的确定 确定容积时，应考虑物料的装料系数，其值常取0
6、.6-0.85 当反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态时，取0.6-0.7； 反应过程比较平稳时，取0.8-0.85。,（7）工艺设计的给定容积： 直立式搅拌容器：指筒体和下封头两部分容积之和； 卧式搅拌容器：指筒体和左右 两封头容积之和 .,表8-3 几种搅拌设备筒体的高径比,设计时，根据搅拌容器的容积、所选用筒体的高径比，就可确定出筒体直径和高度。,三、换热元件 1.作用：维持反应的最佳温度。 2.类型：夹套和内盘管。优先采用夹套 原因：可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效面积。 （一）夹套结构 所谓夹套就是在容器的外侧，装设的各种形式的钢结构。 夹套的主要结构有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹
7、套和蜂窝夹套。,圆筒和下封头都包有夹套，传热面积大，最常用结构,仅圆筒部分有，传热面积较小，适用于换热量要求不大的场合,图17-2 整体夹套,(a) 圆筒型,(b) U型,思考：夹套中加挡板的作用？,可拆卸式,不可拆卸式,夹套肩与筒体的联接处， 做成锥形的称为封口锥， 做成环形的称为封口环， 见图8-9。,封口环,图17-4 夹套底与封头连接结构,封口锥,在筒体上焊接螺旋导流板，以减小流道截面积，增加冷却水流速。 进出口安装扰流喷嘴，提高传热系数。 3.夹套的不同高度处安装切向进口，提高冷却水的流速，增加传热系数。,载热介质流通特点,2型钢夹套,构成角钢与筒体焊接组成。,结构,沿筒体外壁轴向布
8、置,沿筒体外壁螺旋布置,图8-11 型钢夹套结构,(a)螺旋形角钢互搭式,(b)角钢螺旋形缠绕,3半圆管夹套,特性,由半圆管或弓形管布置在筒外侧。,图8-12 半圆管夹套二种结构,(a) 半圆管,图8-12 弓形管夹套二种结构,(a)螺旋形缠绕,图8-13 半圆管夹套的安装,图8-13半圆管夹套的安装,4蜂窝夹套,特点,以整体夹套为基础，采取折边或短管等加强措施； 提高筒体的刚度和夹套的承压能力，减少流道面积； 减薄筒体壁厚，强化传热效果。,结构,折边式,拉撑式,图17-8 折边式蜂窝夹套,用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角形布置,图17-9 短管支撑式蜂窝夹套,（二）
9、内盘管 可分为螺旋形盘管和竖式蛇管。 如图,优点：热损失小，传热效果好 缺点：检修较困难。,三、搅拌器,（一） 搅拌器与流动特征,定义,作用,搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。,提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。,搅拌器与流动特征,原理,搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形 成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液 体在搅拌容器内循环流动。,流型,流体循环流动的途径。,1.流型,流型决定因素,取决于搅拌器的形式、搅拌 容器和内构件几何特征，以 及流体性质、搅拌器转速等 因素。,流体流动方向垂直于 搅拌轴，沿径向流动， 碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向
10、 下流动，再回到叶端， 不穿过叶片，形成上、 下二个循环流动。,(a)径向流,图8-18 搅拌器与流型 (a) 径向流,流体流动方向平行于 搅拌轴，流体由桨叶 推动，使流体向下流 动，遇到容器底面再 向上翻，形成上下循环流。,(b)轴向流,图8-18 搅拌器与流型 (b) 轴向流,无挡板的容器内，流 体绕轴作旋转运动， 流速高时液体表面会 形成漩涡，流体从桨 叶周围周向卷吸至桨 叶区的流量很小，混 合效果很差。,(c)切向流,图8-18 搅拌器与流型 (c) 切向流,上述三种流型通常同时存在,轴向流与径向流对混合起主要作用,切向流应加以抑制,采用挡板可削弱切向流， 增强轴向流和径向流,图8-1
11、9 搅拌器在容器内的安装方式,(a) 垂直偏心式,(b) 底插式,(c) 侧插式,(d) 斜插式,(e) 卧式,2.挡板与导流筒,(1) 挡板,目的消除打漩和提高混合效果。,当物料粘度小，搅拌转速高时，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。,打漩,后果,随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进 入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。,一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 宽度为容器直径的1/121/10。,防止措施,(2) 导流筒,特点上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。,涡轮式或桨式搅拌器 导流筒置于桨叶的上方,
12、（二）流动特性,剪切作用与液液搅拌体系中液滴的细化、 固液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气液 搅拌体系中气泡的细微化有关。,当输入液体的能量主要用于对流体的剪切 作用时，则称为剪切型叶轮，如径向涡轮式、 锯齿圆盘式等。,流动特性,搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。 搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用。,当搅拌器输入流体的能量主要用于流体 的循环作用时，称为循环型叶轮，如框式、 螺带式、锚式、桨式、推进式等为循环型叶 轮。,四、 搅拌器分类、图谱及典型搅拌器特性,（一）搅拌器分类,按流体流动形态,径向流搅拌器,按结构分为,平叶,折叶,螺旋面叶,混合流搅拌器,轴向流搅拌器,按
13、搅拌 用途分为,低粘流体 用搅拌器,高粘流体 用搅拌器,低粘流体搅拌器有： 推进式、长薄叶螺旋桨、 桨式、开启涡轮式、圆盘 涡轮式、布鲁马金式、板 框桨式、三叶后弯式、MIG和改进MIG等。,高粘流体搅拌器有： 锚式、框式、锯齿圆盘式、 螺旋桨式、螺带式（单螺带、 双螺带）、螺旋螺带式等。,搅拌器的径向、轴向和混合流型的图谱见图。,二、几种常用搅拌器：,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8-23 桨式搅拌器,主要应用,也可用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替 价格高的螺带式叶轮
14、，能获得良好的效果。,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。,桨式搅拌器的转速一般为20100r/min ， 最高粘度为20Pas 。其常用参数见表17-5。,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。,表17-5 桨式搅拌器常用参数,注：n转速； v叶端线速度； Bn叶片数； d搅拌器直径；D容器内径：折叶角。,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
15、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8-24推进式搅拌器,思考：此为何种流型？,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。,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,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。,表8-6 推进式搅拌器常用参数,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。,3涡轮式
16、搅拌器,图8-25 涡轮式搅拌器,涡轮式搅拌器分为,开式,盘式,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。,平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。 弯叶 指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率 消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。,表8-7 涡轮式搅拌器常用参数,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8-26 锚式搅拌器,应用,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
