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1、第四章 釜式反应器的搅拌与传热精细化工反应过程的化学变化，是以反应物的充分混合以及维持适宜的反应温度为前提的就釜式反应器而言，达到充分混合的根本条件是对反应混合物进行充分的搅拌；满足适宜的反应温度的根本途径是良好的传热。所以，搅拌装置、传热构件就成为釜式反应器不可缺少的组成部分本章包括以下内容：1釜式反应器的搅拌与传热课件第四章釜式反应器的搅拌与传热第四章釜式反应器的搅拌与传热4.14.1搅拌器型式及其液体流型搅拌器型式及其液体流型4.24.2搅拌过程的种类及搅拌器的选型搅拌过程的种类及搅拌器的选型 4.34.3搅拌器功率的计算搅拌器功率的计算4.44.4釜式反应器的传热釜式反应器的传热4.5
2、4.5搅拌系统传热时间搅拌系统传热时间2釜式反应器的搅拌与传热课件4.1.1 搅拌器的一般型式搅拌器主要有*推推进进式式、涡涡轮轮式式、桨桨式式、框框式式、锚锚式式等。3釜式反应器的搅拌与传热课件(1) 桨式常用尺寸dj/D=0.350.80; z =2b/dj=0.100.25; =45,60一般转速1100 rpm介质粘度2000cP流动状态a:低速时 ,水平切线流 ;高 速时水平径向流b:有轴向分流 ,径向分流 及环向分流。多在层流 及过度流操作各种不同搅拌器的特性及应用如下：各种不同搅拌器的特性及应用如下：4釜式反应器的搅拌与传热课件Paddle with 2 bladesPaddle
3、 with 2 blades5釜式反应器的搅拌与传热课件(2-1) 开启涡轮式常用尺寸dj/D=0.200.50(0.33); z =3,4,6,8b/dj=0.150.30; = 45,60;后弯角a = 30,50,60,80一般转速10300 rpm介质粘度5104cP; b,c 104cP流动状态a,c:径向流 ,有挡板时以桨叶为 界形成上下两个循环流b:有轴向分流,近于轴型流备注 最高转速可达600rpm6釜式反应器的搅拌与传热课件Paddle with 4 bladesPaddle with 4 blades7釜式反应器的搅拌与传热课件Paddle with 6 blades8釜式
4、反应器的搅拌与传热课件9釜式反应器的搅拌与传热课件常用尺寸dj/l/b=20:5:4; z = 4,6,8dj/D=0.20.5; = 45,60;后弯角a = 45一般转速10300 rpm介质粘度5104cP; b,c 104cP流动状态a,c:径向流 ,有挡板时以桨叶为 界形成上下两个循环流b:有轴向分流,备注 最高转速可达600rpm, 圆盘上下流体混合不及开启涡轮(2-2) 圆盘涡轮式10釜式反应器的搅拌与传热课件Rushton Turbine with 5 bladesRushton Turbine with 5 bladesRushton Turbine with 6 blade
5、sRushton Turbine with 6 bladesRushton Turbine with 3 bladesRushton Turbine with 3 bladesRushton Turbine with 4 bladesRushton Turbine with 4 blades11釜式反应器的搅拌与传热课件Rushton Turbine with 8 bladesRushton Turbine with 8 bladesRushton Turbine with 12 bladesRushton Turbine with 12 blades12釜式反应器的搅拌与传热课件Holmes
6、 & NarverHolmes & Narverpumper mixerpumper mixerCurved bladed Curved bladed pumper mixer pumper mixer Sawtooth DisperserSawtooth Disperser13釜式反应器的搅拌与传热课件14釜式反应器的搅拌与传热课件(3) 推进式常用尺寸dj/D=0.20.5(0.33); s/d=1,2;z=2,3,4一般转速100500 rpm介质粘度2000cP流动状态轴流型,循环速率高,剪切力小,采用挡板获导流筒则轴向循环更强备注 最高转速可达1750rpm15釜式反应器的搅拌与传热
7、课件16釜式反应器的搅拌与传热课件(4) 锚式及框式常用尺寸dj/D=0.90.98; b/D=0.1;h/D=0.481.0一般转速1100 rpm介质粘度105cP流动状态水平切线流,层流态操作备注 可加立叶及横梁17釜式反应器的搅拌与传热课件18釜式反应器的搅拌与传热课件(5) 螺带式常用尺寸dj/D=0.90.98; s/dj=0.5,1,1.5;b/D=0.1;h/dj=1.03.0一般转速0.550 rpm介质粘度105cP流动状态轴流型,一般是流体沿反应器壁上升再沿桨轴而下,层流态操作19釜式反应器的搅拌与传热课件20釜式反应器的搅拌与传热课件(6) 螺杆式常用尺寸dj/D=0.
8、40.5; s/dj=1,1.5; b/D=0.1;h/dj=1.03.0一般转速0.550 rpm介质粘度105cP流动状态轴流型,有导流筒时,一般导流筒内流体向下,导流筒外流体向上流动,层流态操作21釜式反应器的搅拌与传热课件4.1.2 搅拌流体的流型*概括地讲,搅搅拌拌器器的的作作用用是赋予流体以机械能，并使之以适宜的状况流动。而流体的流动状态也因搅拌器的型式、搅拌附件的有无及其种类而异。一般而言，搅拌流体的流型可归纳为以下几类：(1)轴向流：流体沿搅拌轴的方向流动，分为轴向 流和分区轴向流(2)径向流：流体沿反应器的半径方向在搅拌器与 釜壁间流动(3)切线流(环向流)：流体沿搅拌轴作圆
9、周运动22釜式反应器的搅拌与传热课件23釜式反应器的搅拌与传热课件流体流型的作用流体流型的作用：搅拌流体的流型对传传质质传传热热有着显著的影响，也是搅拌器的重要特性之一，搅拌器型式不同，其对应的流体流型也显著不同。一般而言：轴向流轴向流剪切作用小而循环速率高；径向流径向流剪切作用大而循环速率低；切切线线流流的优点是可以提高夹套的传热速率，但对其它过程往往产生不利影响，而且，切线流的存在经常使流体液面下陷，严重时导致桨叶露出液面。加挡板加挡板可抑制切线流，减小液面下陷深度。24釜式反应器的搅拌与传热课件切线流 、液面下陷及加挡板的流动状况25釜式反应器的搅拌与传热课件改改变变搅搅拌拌器器的的安安
10、装装方方式式，如将搅拌器偏心安装，可以改变被搅拌流体的流动状况，从而在一定程度上达到消除切线流，抑制液面下陷，减小流动死角，强化传质、传热的目的26釜式反应器的搅拌与传热课件不同类型搅拌器的流体流型 a-桨式有档板 b-涡轮式无档板 c-涡轮式有档板 d-推进式有档板 27釜式反应器的搅拌与传热课件e - 锚式 f - 螺杆式带导流筒 g - 螺带式 28釜式反应器的搅拌与传热课件4.1.3搅拌附件搅拌附件指指搅搅拌拌釜釜内内为为了了改改善善流流体体流流动动状状况况而而增增设设的的零零件件，在化学反应器中通常为在化学反应器中通常为挡板和导流筒挡板和导流筒挡板和导流筒挡板和导流筒。(1)挡板：
11、一般是长条形竖向固定在搅拌釜内壁上的板。 作作用用:加剧流体的湍动程度，消除切线流，提高搅拌器的剪切性能。 全全挡挡板板条条件件：挡板数目足够，再增加数目，搅拌效率也不再增加，此时称为全挡板条件。 板宽板宽W(1/201/10)D，视粘度高低而减增； 数数目目依釜径尺寸而异，小直径釜一般24个，大者一般48个。通常以46个居多。 29釜式反应器的搅拌与传热课件当搅拌高粘度流体(700010000cP)或固液多相操作时，挡板一般要离离壁壁安安装装，离壁距离通常为板宽的1/51倍。釜内有传热蛇管时，挡板一般安装在蛇管内侧蛇管内侧。挡挡板板上上缘缘一般与液面平齐，下下缘缘可到釜底。如需沉降固体物料，
12、其下缘可在桨叶之上，使底部出现切线流，以利固体沉降。n挡板安装方式挡板安装方式30釜式反应器的搅拌与传热课件n挡板安装方式挡板安装方式31釜式反应器的搅拌与传热课件32釜式反应器的搅拌与传热课件33釜式反应器的搅拌与传热课件 D形折流档板 指形 套管式传热档板示意图 34釜式反应器的搅拌与传热课件(2)导流筒导流筒导流筒为圆筒型，紧包着桨叶，可使桨叶排出的流体在导流筒内外形成上下循环流，从而更严严格格地地控控制制流流体体流流型型，并可得到高高速速涡涡流流和和高高倍倍循循环环量量，从而达到防止短路防止短路，强化传质传热强化传质传热的目的。此外，某些情况下，这些附件的功能可由其它非附件工艺接管实现
13、，如传热蛇管可起导流筒的作用；传热挡板、小容积反应器的压料管和热电偶可起挡板作用等 35釜式反应器的搅拌与传热课件推进式搅拌器的导流筒示意图 36釜式反应器的搅拌与传热课件Sewage Treatment Systems37釜式反应器的搅拌与传热课件4.2.1搅拌过程的种类搅拌过程的种类（1）均相液体混合）均相液体混合 （2）液一液分散）液一液分散 （3）气一液分散）气一液分散 （4）固一液分散）固一液分散 （5）结晶）结晶 （6）固体溶解）固体溶解 （ 7）强化传热）强化传热 38釜式反应器的搅拌与传热课件4.2.2搅拌的混合机理搅拌的混合机理搅拌器运转时，叶轮把能量传给它周围的液体，使这些
14、液体以很高的速度运动起来。当这些高速运动的液体掠过静止或运动速度较低的液体时，产生强烈的剪切剪切作用。在这种剪应力的作用下，静止或低速运动的液体也跟着以很高的速度运动起来，从而带动所有液体在设备范围内流动。这种设备范围内的循环流动称为“宏观流动宏观流动”。由此造成的设备范围内的扩散混合作用称作“主主体对流扩散体对流扩散”。39釜式反应器的搅拌与传热课件处于高速液流和静止或低速液流界面的液体，由于受到强烈的剪剪切切作用被卷起而形成漩漩涡涡。这些高速旋转的漩涡又对它周围的液体造成强烈的剪切作用，从而产生更多的漩涡。众多的漩涡一方面把更多的液体挟带到作宏宏观观流流动动的的主主体体液液流流中去，同时形
15、成局部范围内液体快速而紊乱的对对流流运运动动，即局部的湍湍流流流流动动。这种局部范围内的漩涡运动称为“微观流动微观流动”。由此造成的局部范围内的扩散混合作用称作“涡涡流流对对流扩散流扩散”。 搅拌设备里不仅存在涡流对流扩散和主体对流扩散，还存在分分子子扩扩散散，其强强弱弱程程度度依依次次减减小小。实际的混合作用是上述三种扩散作用的综合。 40釜式反应器的搅拌与传热课件4.2.3循环流量循环流量搅拌器应具有两方面的性能搅拌器应具有两方面的性能 (1)能产生强大的液体循环流量能产生强大的液体循环流量 所谓液体循环流量是指单位时间内在设备范围内进行循环流动的液体体积，用Q表示。 显然，液体循环流量Q
16、是宏宏观观混混合合的表征。Q越大，宏观混合效果越好，所需的混合时间就越短。（2）能产生强烈的剪切作用）能产生强烈的剪切作用 剪切作用越强烈，漩涡运动及其所造成的湍流流动就越剧烈，分散的微团尺寸就越小微团尺寸就越小。 要求得到高分散度的搅拌过程，如气一液分散、液一液分散、固体溶解就应该选用能产生强烈剪切作用的搅拌器。41釜式反应器的搅拌与传热课件液体循环流量是叶轮的排液量与由它所吸引挟带的液体量之和。按离心泵原理，叶轮的排液量与叶轮转速的一次方及叶轮直径的三次方成正比。 Q=NQnd3 式中液体循环流量m3/s；搅拌叶轮转速1/s;搅拌叶轮直径。NQ 循环流量数42釜式反应器的搅拌与传热课件循环
17、流量数与搅拌雷诺数Res、叶轮型式、叶轮直径、叶片数目等许多因素有关。当Res104、有挡板时推进式搅拌器：NQ=0.68.975涡轮式搅拌器：NQ=1.195.65543釜式反应器的搅拌与传热课件4.2.4叶轮的剪切性能叶轮的剪切性能搅拌器运转时，叶轮把能量传给液体，叶轮传给单位重量液体的能量称作叶轮的压头，用H表示。式中 1液体离开叶轮的速度，m/s； 重力加速度m/s2； u搅拌叶轮的叶端速度m/s 压头H是叶轮所产生的剪切作用大小程度的度量。44釜式反应器的搅拌与传热课件4.2.5搅拌功率的分配搅拌功率的分配搅拌功率Ps与液体循环流量Q、压头H的关系 Ps=gQH 上式表明，搅拌功率与
18、叶轮转速的三次方、叶轮直径的五次方成正比。搅拌功率Ps分为两部分，一部分用于产生液体的循环流动，造成宏观混合；一部分用于产生液体的剪切流动，减少微团的尺寸。 45釜式反应器的搅拌与传热课件4.2.6搅拌器的选型搅拌器的选型一般原则*：考虑搅搅拌拌目目的的，工工艺艺过过程程对搅拌的要求以及被搅拌流体的流流体体力力学学性性质质，同时还要考虑动力消耗动力消耗问题所以，一个好的选型方案应是经经济济合合理理，安安全可靠，符合工艺要求的方案全可靠，符合工艺要求的方案.判据：选型结果合理，选型方法简单。判据：选型结果合理，选型方法简单。46釜式反应器的搅拌与传热课件(1) 根据搅拌目的选型低粘度均相液体混合
19、低粘度均相液体混合-推进式推进式搅拌器 非非均均相相液液液液分分散散过程 -涡涡轮轮式式搅拌器。特别是平平直直叶叶涡涡轮轮搅拌器搅拌器 气气液分散液分散过程 -涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 固体悬浮固体悬浮操作-固液比重差小固液比重差小优先选择推进式推进式搅拌器 固液比重差大固液比重差大 -选用开启式涡轮开启式涡轮搅拌器 固固体体颗颗粒粒对对叶叶轮轮的的腐腐蚀蚀性性较较大大时时，选用开开启启弯弯叶涡轮叶涡轮搅拌器 固体溶解固体溶解 -开启式涡轮开启式涡轮搅拌器 结晶结晶过程 -微粒结晶选择涡轮式涡轮式搅拌器 粒度较大的结晶 -可选择桨式桨式搅拌器 以传热传热为主的搅拌操作 -选用涡轮式涡轮式搅拌器
20、 47釜式反应器的搅拌与传热课件搅拌器选型表(O表示合适,空白表示不合适或不详)搅 拌器型式搅 拌 目 的反 应 器容量/m3低粘度液混合高粘度液混合固液反应气液反应液液反应桨 式OOO1200涡轮式OOOO1100推进式OOO11000锚 式O1100螺带式O1504848釜式反应器的搅拌与传热课件(2) 根据粘度选型4949釜式反应器的搅拌与传热课件4.3.1搅拌器功率的计算搅拌器功率的计算搅拌器赋予反应釜内的流体以机械能需要外界能量输入。使搅拌器连续运转所需要的功率称为搅搅拌拌器器功功率率，亦称搅拌功率或轴功率(不包括消耗于机械传动和轴密封部分的功率)搅拌功率目前尚不能由理论算出不能由理
21、论算出目前通常采用相相似似论论和和因因次次分分析析的方法，将与搅拌功率有关的几几何何变变量量、操操作作变变量量和和物物理理变变量量转换成少数有物理意义的可作为设计基础的无无因因次次数数群群，通过准数关联求得搅拌功率。5050釜式反应器的搅拌与传热课件影响搅拌功率的物理因素有影响搅拌功率的物理因素有* *：（1）搅拌器的转速n；（2）液体密度、液体粘度；（）重力加速度。因为当出现“打漩”时，必有部分液体被推到高于平均液面的位置，该部液体需克服重力作功。影响搅拌功率的几何因素有影响搅拌功率的几何因素有* *：（1）搅拌器的直径d；（2）搅拌器叶片数Z、搅拌器形状、叶片宽度、搅拌器叶轮离釜底距离C；
22、（3）搅拌釜内径、釜内所装液体深度，挡板数目、挡板宽度W。51釜式反应器的搅拌与传热课件显然，搅拌功率是搅拌器叶轮形状、尺寸和转速，被搅拌流体的密度和粘度，搅拌釜的大小和内部构件(挡板或其它障碍物)情况以及搅拌器在反应釜内的位置的函数。 对于特特定定的的搅搅拌拌装装置置，通常用搅拌器直径d作为特征尺寸，而把其他的几何尺寸用无因次的比变量来表示。 所以，搅拌功率Ps可表示为上述诸因素的函数：如果在不同规模的一系列搅拌装置中保持几几何何相相似似，则对比量1、2、3都为常数，上式可化简为：52釜式反应器的搅拌与传热课件假定此函数关系是最简单的指数函数，令式中K为常数，是搅拌器几何构型的总形状系数总形
23、状系数。用长度-质量-时间（L-M-）单位制进行因因次次分分析析得出如下关系式：NP功率准数， Res搅拌雷诺准数， Fr佛鲁德准数， 53釜式反应器的搅拌与传热课件这些无因次准数的物理意义是：这些无因次准数的物理意义是：功率准数Np含有搅拌功率PS，代表输入功率输入功率；雷诺准数Res表示流体的惯性力与粘滞力之比惯性力与粘滞力之比；佛鲁德准数Fr表示流体的惯性力与重力之比惯性力与重力之比。上式可以写成上述关联式只只与与搅搅拌拌器器的的各各项项尺尺寸寸比比例例有有关关，而与反反应应釜釜的的大大小小无无关关，因此对于一定的搅拌系统，通过实验求得Np和Res的关系，可获得功率曲线图。功率曲线图。
24、以图4-12（标准尺寸涡轮搅拌器的功率曲线和同一搅拌器无档板时的功率曲线）来说明搅拌功率的一般规律。54釜式反应器的搅拌与传热课件图一11标准尺寸涡轮搅拌器 （1）六平直叶圆盘涡轮搅拌器，圆盘直径为S；（2）叶轮直径d与搅拌槽内径之比（3）叶轮离槽底距离C= d；（4）叶片宽度（5）叶片长度（6）液体深度h=D（7）挡板数目=4（8）挡板宽度55釜式反应器的搅拌与传热课件曲线1：标准尺寸涡轮搅拌器的功率曲线曲线2：无挡板时的功率曲线图4一12功率曲线1 2 3 4 556釜式反应器的搅拌与传热课件（）当10时由图4一12可见，该层流区域内的功率曲线是一段直线，液体的粘滞力控制着系统内的流动，重
25、力影响可以忽略，因而可以不考虑佛鲁德准数，此时y=0 把上式写成对数形式得：logNP=logK+xlogRes实验表明，该区域内直线的斜率x=-1.0，则 所以，57釜式反应器的搅拌与传热课件（2）Res=1010000,有档板搅拌雷诺准数逐渐增大时，流动进入过渡流。当Res达到300以后，有足够的能量传给液体并引起打漩。但对于装有档板的系统，档板能有效地抑制打漩，因此可以忽略佛鲁德准数，功率准数仅随Res变化。所以，对于过渡流有档板的情况， 由图412可见，该区域内有档板时的功率曲线（曲线1）呈曲线状，表明x值不再是常数，而是随Res变化。58釜式反应器的搅拌与传热课件（3）Res1000
26、0，有档板当Res10000以后，流动变为充分湍流，有档板时的功率曲线（曲线1）变成水平线，和NP为定植，此时，流动与雷诺数和佛鲁德准数无关。对于充分湍流的液体，由于惯性力很大，粘性力的影响可以忽略。由于=NP=K2=常数所以59釜式反应器的搅拌与传热课件（4）Res=10300，无档板由图4-12可见，直到Res=300，无档板时的功率曲线（曲线2）才与有档板时的功率曲线（曲线1）分开，表明当Res300时，无档板系统与有档板系统完全一致，即=NP，所以60釜式反应器的搅拌与传热课件（5）Res300，无档板当Res300时，液体打漩现象加剧，佛鲁德准数的影响也增大，功率准数NP同时受Res
27、和Fr的作用。 对于无挡板且的情况，佛鲁德准数的指数y可用下式表示 式中、由实验确定的无因次常数 ，可查表。所以，无档板且es300时的搅拌功率由下式确定 PS 61釜式反应器的搅拌与传热课件利用功率曲线可计算几何相似的搅拌器的功率，步骤如下：（1）根据搅拌器的操作条件计算搅拌雷诺准数Res；（2）根据搅拌器的型式、几何相似条件、Res在相应的功率曲线上求取功率函数值；（3）根据流动状态（层流、湍流）、挡板情况（有、无挡板）和求取功率准NP; 对于任何搅拌器来说，只有在无挡板且Res300的情况下，重力影响不能忽略，此时：其他情况：NP= （4）计算搅拌器功率PS62釜式反应器的搅拌与传热课件
28、例4-1直径1.2m，液深2m的四挡板反应釜内，采用三叶推进式 搅 拌 器 以 300rpm的 转 速 搅 拌 。 已 知 反 应 液 密 度 为1300kg/m3，粘度为0.013 Pas，桨叶直径0.4m，s/d=1。（1）求搅拌功率为多少。（2）若采用六平叶涡轮桨搅拌，其它条件不变，结果如何？（3）仍采用六平叶涡轮桨搅拌，若釜内不设档板，其结果又如何？ 解：（1）先计算雷诺准数湍流，所以63釜式反应器的搅拌与传热课件（2）若采用六平叶涡轮桨搅拌，由于n、d不变，故Res不变，仍按上式计算，此时查表4-1得K2=6.10，则 可见它比推进式搅拌器的搅拌强度增加10100/530=19倍。（
29、3）不用档板时，Fr准数影响显著，需用下式进行计算：d/D=0.4/1.2=0.33，查表4-2得=1，=40，指数y值可计算为：64釜式反应器的搅拌与传热课件y=（1-log80000）/40=-3.9Fr=n2d/g=（300/60）20.4/9.81=1.02Fry=1.02（-3.9）=1.08由Res=80000查图得=1.2所以65釜式反应器的搅拌与传热课件4.3.2附件的附加搅拌功率当搅拌釜内装有压料管、温度计套管、导流筒、支架等附件时，会增大搅拌器的功率。各种附件使搅拌功率增大的增加率用q表示。 装有附件的搅拌功率为：式中Ps未装附件时的搅拌功率； mi同一种附件的个数； qi
30、每一种附件的功率增加率。66釜式反应器的搅拌与传热课件4.3.3电动机功率电动机功率电动机的功率除了要满足搅动液体所需要的搅拌功率外，还要考虑轴封装置所产生的摩擦阻力以及传动装置所产生的功率损失。如果电动机的功率过小，不仅达不到预期的搅拌效果，还会使电动机烧毁；如果电动机的功率过大，则会使操作成本和投资费用增加。 电动机的功率可按下式确定：式中P电动机功率 搅拌功率； Pm轴封装置的摩擦损失功率。 传动装置的机械效率，与其结构有关，一般为0.70.98 67釜式反应器的搅拌与传热课件小型搅拌釜的搅拌电机功率参考值：小型搅拌釜的搅拌电机功率参考值：釜釜容容/m3挡挡板板搅拌器转速搅拌器转速/rp
31、m 搅拌电机功率搅拌电机功率/kw锚式锚式桨式桨式涡轮式涡轮式0.2有有6080100320400 400 500 5000.60.60.61.51.72.23.04.0无无406080100320320 400 400 500 5000.60.60.60.60.61.11.11.51.73.00.3有有6080100 100320400 400 500 5000.60.60.61.11.51.72.23.04.0无无406080100 100320320 400 400 500 5000.60.60.60.61.10.61.11.11.51.73.068釜式反应器的搅拌与传热课件釜釜容容/m
32、3挡挡板板搅拌器转速搅拌器转速/rpm 搅拌电机功率搅拌电机功率/kw锚式锚式桨式桨式涡轮式涡轮式0.5有有60801001002503204000.60.60.61.11.73.05.5无无4060801001002502503203204004000.60.60.60.61.11.11.51.72.23.05.50.8有有6080802002002500.60.61.11.52.23.0无无4060801002002002502500.60.60.61.01. 11.51.53.01.0有有40602002002503200.61.01.52.23.05.5无无20204040606020
33、02002502503203200.61.11.70.60.61.01.11.51.53.03.05.569釜式反应器的搅拌与传热课件4.3.4搅拌器的放大搅拌器的放大工业搅拌装置的设计主要包括以下内容工业搅拌装置的设计主要包括以下内容* *：（）确定搅拌器的类型以及搅拌釜的几何形状；（）确定搅拌器的具体尺寸、转速和搅拌功率；（）确定电动机的型号和功率以及减速机的型号等。小型实验小型实验小型实验的目的主要包括：小型实验的目的主要包括：（1）确定搅拌器的类型和搅拌釜的几何形状；()在满足工艺要求的前提下，确定最佳的搅拌操作条件；()测定功率曲线。70釜式反应器的搅拌与传热课件. .搅拌器的放大准
34、则搅拌器的放大准则 目的目的确定工业搅拌装置的尺寸、转速、功率等。所选用的放大准则应能保证在放大后工艺结果保持不变 相似条件：相似条件：几何相似几何相似小型设备与生产设备相应尺寸的比例都相等。运动相似运动相似小型设备与生产设备除了几何相似外，对应位置的流体运动速度之比运动速度之比为常数。动力相似动力相似小型设备与生产设备除几何相似外，对应位置上所受的力的比例受的力的比例为常数。热相似热相似小型设备与生产设备除几何相似外，对应位置上的温度差之比温度差之比为常数。化学相似化学相似小型设备与生产设备除几何相似外，对应位置上的浓度差之比浓度差之比为常数。71釜式反应器的搅拌与传热课件以下一些放大准则可
35、供选择 （1）保持搅拌雷诺准数Res不变 （2）保持单位体积物料的搅拌功率(Ps/V0)不变 （3）保持搅拌器叶端速度不变 （）保持搅拌器的流量和压头之比值（H）不变 72釜式反应器的搅拌与传热课件化学反应常常伴随有热效应，即放热或吸热，所以常常需要在反应过程中移出或输入热量。提高反应温度一般能提高反应速度，缩短反应达到化学平衡所需的时间，进而提高生产能力。合理的温度及温度分布又常常能够抑制副反应，强化主反应，进而通过提高生成目标产物的选择性而提高产品收率，降低原料消耗。有些反应涉及的物料对温度敏感，控制好反应温度能提高操作的安全性。73釜式反应器的搅拌与传热课件4.4.1传热方式传热方式搅拌
36、反应大多设有传热装置，以满足加热或冷却的需要。传热方式、传热结构形式和传热剂的选择主要决定与所需控制的温度的高低、反应热的大小、传热速率的快慢和工艺上的要求等。釜式反应器主要的传热方式有两种，即夹夹套套和和蛇蛇管。管。74釜式反应器的搅拌与传热课件(1)夹套传热夹套传热 夹套是一个套在反应器筒体外面能形成密封的容器，一般由钢板焊制而成.其优点其优点是结构简单，耐腐蚀，适应性强；缺缺点点:传热面积受到反应器容积的限制；传热系数 一般较小，而且普通夹套耐压低。 夹套的高度取决于由工艺确定的传热面积，为保证充分传热，一般高出釜内液面50100mm.75釜式反应器的搅拌与传热课件图4-16普通夹套传热
37、普通夹套适用于传热速率要求不高和传热剂的工作压力较低（小于0.6MPa，相当于158的饱和水蒸汽的压力）的场合；当反应器的直径较大或采用的加热蒸汽 压 力 较 高 （ 大 于0.6MPa）时，夹套必须采取加强措施加强措施。 76釜式反应器的搅拌与传热课件a为短短管管加加强强蜂蜂窝窝夹夹套套，在夹套和反应器壁之间焊接支撑短管。这样使传热介质流速得以提高，使传热系数增大，提高反应器抗外压的强度和刚度。可用1MP 的饱和蒸汽加热到180。 a图4-17几种加强夹套77釜式反应器的搅拌与传热课件b冲压式蜂窝夹套冲压式蜂窝夹套 c焊接半圆旋管结构焊接半圆旋管结构 b、c可耐更高的压力 78釜式反应器的搅
38、拌与传热课件d为角钢焊在釜外壁上的结构，称做角角钢钢夹夹套套，耐压可达56 MPa。 d79釜式反应器的搅拌与传热课件80釜式反应器的搅拌与传热课件(2) 蛇管传热蛇管传热特点：工业上多采用水平蛇管和立式蛇管，前者可起导流筒作用，后者可起挡板作用。蛇管浸没在被搅拌的流体中，传热系数大。搅拌含有固体颗粒或粘稠的物料时容易挂料，会影响传热效率。还要考虑物料的腐蚀性 。当需要的传热面积较大而仅仅采用夹套不能满足热交换要求时，或由于工艺要求，不宜采用夹套时，往往采用蛇管传热。81釜式反应器的搅拌与传热课件82釜式反应器的搅拌与传热课件（3）传热构件）传热构件传热档板既可以增加传热面积，移走热量，又可强
39、化搅拌效果，起破坏涡流控制流型的作用 这些插入式结构还适合反应物料容易在传热壁上结垢的场合，检修、除垢都比较方便。图4-19夹套传热档板83釜式反应器的搅拌与传热课件(4)其它其它图4-20回流冷凝法 图4-20外循环冷凝法 84釜式反应器的搅拌与传热课件图-22内装列管式换热器的反应器85釜式反应器的搅拌与传热课件4.4.2高温热源的选择高温热源的选择用一般的低压饱和水蒸气加热时最高只能达150一160，需更高加热温度时则需要考虑高温热源的选择问题。（1）压力高的饱和水蒸气 ：蒸汽压力可达一至数MPa。 （2）高压汽水混合物：可用于温度为200-250的加热要求 ，当汽水混合物的温度为250
40、时，管内压力达20MPa。 （3）有机载热体 ： 利用某些有机物常压沸点高、熔点低、热稳定性好等特点可提供高温的热源。它的突出优点是能在较低的压力下得到较高的加热温度。 （4）电加热法 ：电阻加热 、感应电流加热 、短路电流加热 （5）烟道气加热法 ：可用于300以上的高温加热 86釜式反应器的搅拌与传热课件1-加热蛇管；2-空气冷却器；一加热炉；一排气阀图4-23高压汽水混合物的加热装置87釜式反应器的搅拌与传热课件-被加热设备;2-加热炉；-膨胀器；-回流冷凝器；5-熔化槽；6-事故槽；7-温度自控装置图4-24液休联苯混合物自然循环加热装置 88釜式反应器的搅拌与传热课件1一加热设备；2
41、一加热夹套； 3一管式电热器图4-25液体联苯混合物夹套浴电加热装置一加热设备；一液面计； 3一电加热棒；一回流冷凝器图4-26联苯混合物蒸气夹套浴加热装置89釜式反应器的搅拌与传热课件4.4.3釜式反应器的传热系数计算釜式反应器的传热系数计算解决(1)传热面积和(2)传热时间问题传热面积由式 给出。其中传热量Q由热量衡算确定，温度差t由工艺条件确定。所以，在确定了总传热系数K之后，就可以求传热面积。90釜式反应器的搅拌与传热课件夹套传热总传热系数K的计算由于搅拌釜夹套传热类似平面壁传热其中i :物料与传热壁(釜内壁)之间的给热系数:传热壁(釜壁)厚:传热壁(釜壁)导热系数o:传热介质与传热壁
42、(釜外壁)之间的给热系数 Rsi, Rso:内、外壁污垢热阻91釜式反应器的搅拌与传热课件蛇管传热总传热系数K的计算与列管换热器的计算方法相同i:传热介质与传热壁(蛇管内壁)之间的给热系数:传热壁(蛇管壁)厚:传热壁(蛇管壁)导热系数o:物料与传热壁(蛇管外壁)之间的给热系数 Rsi, Rso:内、外壁污垢热阻所以，求给热系数就成为求总传热系数的关键所以，求给热系数就成为求总传热系数的关键92釜式反应器的搅拌与传热课件给热系数关联式给热系数关联式努赛尔准数普兰特准数雷诺准数93釜式反应器的搅拌与传热课件: 对流给热系数, KJ/(m2h): 流体导热系数, KJ/(mh): 流体主体温度下的粘
43、度, Pahw : 流体在壁温下的粘度, Pah: 流体密度, Kg/m3 D: 反应釜内径, m do: 蛇管外径, m d: 搅拌器直径, m b: 搅拌器桨叶宽, m n: 搅拌器转速, /h Cp: 流体定压热容, KJ/(Kg) A及指数a、b、c、d、e: 常数94釜式反应器的搅拌与传热课件搅拌器型 式Re范围挡板Aabe备注桨 式3004105 无0.360.670.330.14桨 式204103有0.420.670.330.24或无挡板涡轮式400无0.540.670.330.14涡轮式2004104有0.730.650.330.24平底釜推进式无0.540.670.250.1
44、4锚 式30300无1.00.500.330.18锚 式3004000无0.380.670.330.18（1）夹套内壁给热系数的计算）夹套内壁给热系数的计算95釜式反应器的搅拌与传热课件（2）蛇管外壁给热系数）蛇管外壁给热系数o的计算的计算 涡轮式，无挡板，Re=3003106 圆盘涡轮式，有挡板，Re=4001.5106 平桨式，无挡板，Re=300410596釜式反应器的搅拌与传热课件（3）夹套侧给热系数的计算）夹套侧给热系数的计算如果夹套内通冷却水，可用如下的关联式计算：Res3600时还可用：式中u-水在夹套中的流速m/s de-夹套的当量直径m97釜式反应器的搅拌与传热课件（4）蛇管
45、内侧给热系数的计算）蛇管内侧给热系数的计算式中dt-管子直径m dc-蛇管圈直径m 直管-液体在直管内的给热系数W/（m2K）（5）物料的垢层阻力）物料的垢层阻力可参见表4-5列出的部分数据98釜式反应器的搅拌与传热课件例4-2蛇管冷却的釜式反应器。已知釜内径为1.0m，蛇管外壁温30，反应物温度为50，密度为860kg/m3，热容为1.96kJ/(kg)，导热系数为0.5kJ/(mh)，粘度0.16(30)、0.075(50)Pas。平直桨搅拌，桨径0.6m，转速60rpm，无挡板。求蛇管外壁给热系数。 解： 所以 99釜式反应器的搅拌与传热课件例4-3求氯苯硝化反应锅夹套传热系数K。桨式搅
46、拌，无档板（所需数据在题中给出） 例4-4按例4-3工艺数据求氯苯硝化锅蛇管传热的传热系数。已知蛇管圈直径为0.46m。 100釜式反应器的搅拌与传热课件4.5.1内蛇管或外夹套，加热介质为恒温内蛇管或外夹套，加热介质为恒温 : 传热时间/h; W: 被加热流体的质量, kg;Cp: 被加热流体的定压热容, kJ/(kg )；K: 总传热系数, kJ/(m2h )；A: 传热面积, m2；th热载体温度, ；tC1:被加热流体初温, tC2:被加热流体终温,101釜式反应器的搅拌与传热课件4.5.2 蛇管或夹套，冷却介质为恒温th1:被冷却流体的初温,；th2:被冷却流体的终温,；tC:冷却介
47、质的温度,102釜式反应器的搅拌与传热课件4.5.3 蛇管或夹套，加热介质非恒温M、 Cp: 热 载 体 质 量 流 量 ,kg/h及 定 压 热 容kJ/(kg)th1:加热介质的入口温度,；tC1 、tC2 :被加热流体的初温、终温,103釜式反应器的搅拌与传热课件 4.5.4 蛇管或夹套，冷却介质非恒温M、Cp: 冷却介质的质量流量,kg/h及定压热容,kJ/(kg)tC1:冷却介质的入口温度,；th1 、th2 :被冷却流体的初温、终温,104釜式反应器的搅拌与传热课件例4-5试推导加热介质为恒温时加热时间的计算公式 解：热通量即釜内物料吸热于是其中代入上式，分离变量，积分得所以105釜式反应器的搅拌与传热课件
