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1、第八章 反应设备（Reactors）反应设备可分为：化学反应器，生物反应器生物反应器：为细胞或酶提供适宜反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应应。典型的化工生产、生物过程：p363图8-1，8-28.1概述8.1.1反应器分类（1）化学反应器分类：chemical reactor P364表8-1（2）生物反应器分类：Bioreactor 表8-28.1.2常见反应器的特点： 常见的结构形式：机械搅拌式、管式、固定式、流化床（1） 机械搅拌反应器（Mechancial Agitated Reactor）优点：灵活性大，可适应不同规格、不同产品、不同生产时间的需要，生料容易，清洗方便。（2） 管式
2、反应器（Tubular Reactor）反应在管内进行，反应从一端入，反应后从另一端排除。特点：结构简单，制造方便，反应流动快，停留时间短P365 图8-3石脑油化解转化管式反应器）（3） 固定床式反应器（Fixed Bed Reactor）通过固定不动的催化剂床层进行催化反应。应用：氨合成塔，甲醇合成塔，SO3转化器特点：操作稳定，便于控制，易于大型化、连续化生产。形式：轴向绝热式：流体沿轴向通过催化剂床层。径向绝热式：流体沿径向通过催化剂床层。列管式：很多管子并联式构成，管内（外）装催化剂。图8-5：氨合成塔简图。缺点：床层温度分布不均匀，固项粒子不动，床层导热性稍差。（4） 移动床反应器
3、（Moving Bed Ractor）固体催化剂连续加入，反应物通过固体颗粒连续反应后连续排出。固体颗粒层整体移动而无相对移动。特点：固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，流动返混少。缺点：控制固体粒子运动的机械装置较复杂。（5） 流化床反应器（Fluidiged Bed Rreator）（沸腾床）（6） 流体以较高流速通过床层带动床内固体颗粒运动，使之悬浮在流体的主体流中进行反应。P367 图8-6组成：壳体、气体分布装置、换热装置、气-固分离装置、内构件、催化剂加入（卸出）装置。优点：传热面积大，传热系数高，传热效果好。进出料可用气流输送，易于实现自动化。缺点：物料泛混大，磨损严重，内
4、构件较复杂，操作要求高。其他：回转筒式。喷嘴式，鼓泡塔式反应器等。8.2机械搅拌反应器（Mechanical Agitated Reator）8.2.1基本结构由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。图8-7适用：各种物料，各种操作条件的反应过程。还大量适用于混合，分散，溶解，结晶，萃取，吸收等。8.2.2搅拌容器（Agitated Vessel）（Kettle 釜体）组成：筒体，换热元件（夹套，吸盘管），内构件（挡板，气体分布器，过滤网，进料口等）8.2.2.1搅拌容器组成：筒体，封头，上封头焊有凸缘法兰、搅拌机连接 支座：悬挂式（小型），裙座，支承式（大型）装料系数：物料在容器内的充料比例，取0.
5、60.85 若反应器中产生泡沫或沸腾状，取0.60.7 若反应比较平稳，取0.80.85 容积：直立式-筒体和下封头之和。 卧式：筒体和两个封头之和 筒体高径比：P369 表8-38.2.2.2换热元件 Heat exchange componente选用：夹套（减少内构件，便于清洗）、内盘管（1） 夹套结构：（jacket）结构形式：整体，型钢，半圆管，蜂窝等 整体夹套形式 ：圆筒型，u型 与筒体连接：可拆卸式：用于介质易结垢，需经常清洗 不可拆卸式：夹套底与容器封头连接 提高热效率：a、筒体上焊接螺旋导流板，增加流速 b、 进口处安装扰流喷嘴，使流体呈湍流状态/ c、夹套的不同高度处安装切
6、向进口，提高流速。 型钢夹套（图8-11）角钢直接焊接在筒体上。 半圆筒夹套（图8-12）螺旋形缠绕或平行焊在筒体上。缺点：焊缝多，焊接工作量大。 （2）内盘管结构 当夹套换热面积不够时，采用内盘管。优点：换热损失少，传热效果好。缺点：检修等比较困难。形式：；螺旋形（图8-16），竖式蛇形（8-17）8.2.3搅拌器（Agitator Impdller）8.2.3.1搅拌器与流动特征：characteristics of Flor） 搅拌器，又称搅拌浆或搅拌叶轮。 功能：提供能量或适宜的流动状态。 流型：Flow patterns 影响因素：搅拌形式、搅拌器和内构件的几何特征、流体性质和搅拌器
7、转速。 三种基本流型（顶插式，中心安装）：径向流： 图8-18a 流体流动垂直于搅拌轴，沿径向到搅拌器壁，分上下流动，再回到叶端，形成两个循环流动轴向流：图8-18b 流动方向平行于搅拌轴，到容器底步再返回向上。切向流：图8-18c 若无挡板，则流体围绕轴做旋转运动。流速高时液体表面形成旋涡，混合效果差。轴向流与径向流对混合起主要作用，切向流应给以制止。 挡板与导流筒 设置原因：当物料黏度不大，转速较高时，液体随浆叶一起旋转，液体中间部分在离心力的作用下涌向壁面并上升，中央部分液面下降，形成旋涡，称“打漩”。图8-18c 数量：一般均匀安装4块。 全挡板化：当再增加挡板数和挡板宽度时，功率消耗
8、不再增加，此时称全挡板条件。安装（图8-20）如有垂直换热管，可不装挡板。 导流筒（图8-21）上下开口圆筒，安装于容器内，混合中起导流作用。 位置：涡轮式，浆式 -置于浆叶上方 推进式-套在浆叶外面或略高于浆叶 安装及结构：上端低于静液面，筒身上开槽，直径为0.7容器直径。 流动特征 ：搅拌器对流体产生两种作用 剪切作用：使液滴细化，固体粒子破碎，气泡细微化有关。 循环作用：与混合时间，传热，固体的悬浮有关。 两种叶轮：循环型叶轮：框式，螺带式，锚式，浆式，推进十。 剪切型叶轮：径向涡轮式，锯齿圆盘式。 8.2.3.2搅拌器分类，图谱及典型搅拌器特征 按流动形态：轴向流，径向流，混合流 按搅
9、拌器结构：平叶，折叶，螺旋面叶（浆式，涡轮式，框式，锚式）（推进式，螺杆式，螺带式） 按搅拌用途：低黏度，高黏流体用（推进式，涡轮式）（锚式，框式，螺杆式，螺带式）图谱P376，图8-22 其中：浆式-推进式，涡轮式，锚式应用很光，约占75-80% 浆式搅拌器（Paddle ）（P377，图8-23） 推进式搅拌器（marine propeller ）（P378 图8-24）又称船用推进器，三半叶片，螺距与直径相等。 搅拌特性：轴向流动，湍动程度不高，循环量大，装挡板。 适用：黏度低，流量大，液 -液混合，液固防沉淀 参数：直径d/D=1/41/3，叶轮速度710m/s 。表86 涡轮式搅拌器
10、（Turbine impeller） 开式：平直叶，斜叶，弯叶 盘式：圆盘平直叶，圆盘斜叶，圆盘弯叶 适用：低中的黏度混合，液液分散，液固悬浮 参数：表87 锚式搅拌器（Aanchor） 适用：混合要求不高，传热，晶析等操作，高浓度于浆 参数：表8-8 8.2.3.3搅拌器的选用 考虑：满足工艺要求，功耗，操作费用，制造，维修 选型：搅拌目的，物料黏度，搅拌黏度大小 按搅拌目的，P380 表89 按搅拌器形式和适用条件P381，表8-10 高黏度流体混合：锚式，螺杆式，螺带式 小容积流体混合：浆式 低黏度流体混合：推进式 涡轮式：流体黏度不超过50Pa.s的其他各种操作 8.2.3.4生物反应
11、器，物料特性及搅拌器 物料特性：在多相体系中进行。黏度变化，形态也变化 大多生物对剪切力敏感 大多微生物发酵需要氧气 搅拌器：有较大流体循环特性，径向流和轴向流相结合的多层搅拌器 8.2.3.5搅拌功率计算（PVOWE） 搅拌功率：搅拌器在一定转速搅拌时，对液体做功，并使之发生流动所需要的功率 功率计算目的：设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度，刚度，选择电机和减速器等。 影响功率的因素：搅拌器的几何尺寸及转速，搅拌器直径d，浆叶宽度B，浆叶倾斜角。转速n，单个搅拌器的个数，搅拌器距搅拌底部的距离。 搅拌器的结构。容器内径D ，液面高度h，挡板数，挡板宽度b，导流筒尺寸。 搅拌介质特性：液体密度p，
12、黏度u重力加速度g 用下式表示：NP = P /3d5=K（Re）r（Fr）gf（d/D，B/D，h/D）（8-1） NP：功率准熟； P：搅拌功率 K：系数 Fr：弗德系数 Fr=n2d/g r，g 指数 一般情况：Fr影响较小，D、不、b等参数归因到K 搅拌功率：NP = P /3d5 NP的确定：特定搅拌装置上，测得NP与 Re的关系，得到功率曲线（8-27）NP 随Re 的变化： Re10层流区，曲线近似直线 10 e Re1000，过度流区，为一下凹曲线 Re1000充分湍流后，一水平直线，与 Re无关 8.2.4搅拌轴设计（Shaft） 考虑因素：扭转变形，临界转速，扭距和弯距联合作用下的强度，轴封出于允许的径向位移，腐蚀裕度 搅拌轴的力学模型：旋转轴，单跨轴 P386图8-29，8-28 按扭转变形计算搅拌轴的轴径（Torsion）扭转变形过大，轴振动 单位长度扭转角：r=583.6Mnmax/G.Vd5（1-4）r （8-3） Mnmax：轴传递的最大扭距=9553Pn Pn：电机功率 n：搅拌轴转速 ：传动装置效率
