第八章反應(yīng)設(shè)備ppt課件

1、反應(yīng)設(shè)備,第八章,8.1 概述,反應(yīng)設(shè)備是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或生物質(zhì)變化等過程的場所，是流程性材料產(chǎn)品生產(chǎn)中的核心設(shè)備。任何一種流程性材料產(chǎn)品的生產(chǎn)流程都可概括為：原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)或生物質(zhì)變化、反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純等。所以反應(yīng)設(shè)備開發(fā)應(yīng)考慮以下因素：①物料性質(zhì)，②反應(yīng)條件，③反應(yīng)過程的特點(diǎn)。,8.1.1反應(yīng)設(shè)備的分類,工業(yè)反應(yīng)設(shè)備主要有化學(xué)反應(yīng)設(shè)備、生物反應(yīng)設(shè)備、電化學(xué)反應(yīng)設(shè)備和微反應(yīng)設(shè)備等。其中，按反應(yīng)物系的相態(tài)來劃分，可分為均相反

2、應(yīng)器和多相反應(yīng)器；按操作方式來劃分，可分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式反應(yīng)器；按過程流體力學(xué)劃分，可分為泡狀流型、柱塞流型和全混流型反應(yīng)器；按過程傳熱學(xué)換分，可分為絕熱、等溫和非等溫非絕熱反應(yīng)器；按結(jié)構(gòu)原理劃分，可分為管式反應(yīng)器、釜式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、移動床反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器、電極式反應(yīng)器和微反應(yīng)器等。,8.1.2常見反應(yīng)設(shè)備的特點(diǎn),（1）機(jī)械攪拌式反應(yīng)器應(yīng)用廣泛，十分具有代表意義，機(jī)械攪拌式反應(yīng)器將在8

3、.2節(jié)中詳細(xì)介紹。,,（2）管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。應(yīng)用條件：需要的反應(yīng)時間較長；反應(yīng)過程放出或吸入的熱量較大；或反應(yīng)過程在高溫、高壓條件下進(jìn)行。如圖8-1為石油腦油分解轉(zhuǎn)化管式反應(yīng)器。,1—上法蘭；2—下法蘭；3—溫度計；4—管端帽；5—轉(zhuǎn)化管主體；6—觸媒支承架；7—漸縮管；,圖8-1 側(cè)繞式轉(zhuǎn)化反應(yīng)器,,,（3）塔式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器的典型特點(diǎn)是：一般高度為直徑的數(shù)倍乃至十余倍，塔內(nèi)設(shè)有增加兩相接

4、觸的構(gòu)建，如填料，篩板等。塔式反應(yīng)器主要用于兩種流體相之間的反應(yīng)過程，如氣液反應(yīng)和液液反應(yīng)等。,,（4）固定床反應(yīng)器定義：氣體流經(jīng)固定不動的催化劑床層進(jìn)行催化反應(yīng)的裝置。優(yōu)點(diǎn)：主要用于氣固相催化反應(yīng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作穩(wěn)定、便于控制、易實(shí)現(xiàn)大型化和連續(xù)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)：床層的溫度分布不均勻，由于固相粒子不動，床層導(dǎo)熱性較差，因此對放熱量大的反應(yīng)，應(yīng)增大換熱面積，及時移走反應(yīng)熱，但這會減少有效空間。,,固定床反應(yīng)器有三種基本形式：軸向

5、絕熱式、徑向絕熱式和列管式。如圖8-2,圖8-2 固定床反應(yīng)器,,圖8-3所示的氨合成塔是典型的固定床反應(yīng)器，N2、H2合成氣由主進(jìn)氣口進(jìn)入反應(yīng)塔，塔內(nèi)壓力約30MPa，溫度550℃，在觸媒作用下合成為氨。,1—平頂蓋；2—筒體端部；3—筒體；4—上觸媒框；5—上觸媒框；6—中心網(wǎng)筒；7—升氣管；8—換熱器；9—半球形封頭,圖8-3 氨合成塔,,（5）流化床反應(yīng)器定義：流體（氣體或者液體）以較高的流速通過床層

6、，帶動床內(nèi)的固體顆粒運(yùn)動，使之懸浮在流動的主體流動中進(jìn)行反應(yīng)，并具有類似流體流動的想一些特殊的裝置。優(yōu)點(diǎn)：傳熱面積大，傳熱系數(shù)高和傳熱效果好。缺點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)物料返混大，粒子磨損嚴(yán)重；通常要有回收和集塵裝置；內(nèi)構(gòu)件比較復(fù)雜；操作要求高。典型的流化床反應(yīng)器如圖8-4所示。,,圖8-4 流化床反應(yīng)器,1—旋風(fēng)分離器；2—筒體擴(kuò)大段；3—催化劑入口；4—筒體；5—冷卻介質(zhì)出口；6—換熱器；7—冷卻介質(zhì)進(jìn)口；8—?dú)怏w分布板；

7、9—催化劑出口；10—反應(yīng)氣入口,,（6）移動床反應(yīng)器移動床反應(yīng)器也是一種固體顆粒參與的反應(yīng)器，與固定床反應(yīng)類似，不同之處在于，固體粒子自反應(yīng)器一邊連續(xù)加入，自進(jìn)口邊向出口邊連續(xù)移動至卸出。（7）電極式反應(yīng)器（8）微反應(yīng)器每種反應(yīng)器都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)使用場合和設(shè)計要求等因素，確定最合適的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。,8.2 機(jī)械攪拌反應(yīng)設(shè)備,8.2.1 基本結(jié)構(gòu),,8.2.2.1 攪拌容器攪拌器的作用是為物料反應(yīng)提供合適的空間

8、。攪拌容器的筒體基本上是圓筒，封頭常采用橢圓形封頭、錐形封頭和平蓋，以橢圓形封頭應(yīng)用最廣。如圖8-7所示為通氣式攪拌反應(yīng)器典型結(jié)構(gòu)。,圖8-7 通氣式攪拌反應(yīng)器典型結(jié)構(gòu),1—電動機(jī)；2—減速機(jī)；3—機(jī)架；4—人孔；5—密封裝置；6—進(jìn)料口；7—上封頭；8—筒體；9—聯(lián)軸器；10—攪拌軸；11—夾套；12—載熱介質(zhì)出口；13—擋板；14—螺旋導(dǎo)流板；15—軸向流攪拌器；16—徑向流攪拌器；17—?dú)怏w分布器

9、；18—下封頭；19—出料口；20—載熱介質(zhì)進(jìn)口；21—?dú)怏w進(jìn)口,8.2.2.2 換熱元件,換熱元件,表8—6 各種碳鋼夾套的適用溫度和壓力范圍,圖8—8 整體夾套,(a) 圓筒型,(b) U型,圖8—9 夾套肩與筒體的連接結(jié)構(gòu),(a)封口錐,(b)封口環(huán),封口環(huán),圖8—10 夾套底與封頭連接結(jié)構(gòu),封口錐,,圖8—11 型鋼夾套結(jié)構(gòu),(a)螺旋形角鋼互搭式,(b)角鋼螺旋形纏繞,圖8－12 半圓管夾套結(jié)構(gòu),圖8—12

10、 半圓管夾套結(jié)構(gòu),,(a)螺旋形纏繞,圖8—13 半圓管夾套的安裝,圖8—13 半圓管夾套的安裝,(b)平行排管,,,,,,,D,,t1,,圖8—14 折邊式蜂窩夾套,用沖壓的小錐體或鋼管做拉撐體。蜂窩孔在筒體上呈正方形或三角形布置,圖8—15 短管支撐式蜂窩夾套,圖8—16 螺旋形盤管,,對稱布置的幾組豎式蛇管： 傳熱 擋板作用,圖8－17 豎式蛇管,8.2.3 攪拌器,8.2.3.1 攪拌器與流動特征

11、攪拌器又稱攪拌槳或攪拌葉輪，是攪拌反應(yīng)器的關(guān)鍵部件。其功能是提供過程所需要的能量和適宜的流動狀態(tài)。（1）流型：攪拌器旋轉(zhuǎn)時把機(jī)械能傳給流體，在攪拌器附近形成高湍動的充分混合區(qū)，并產(chǎn)生一股高速射流推動液體在攪拌器內(nèi)循環(huán)流動。,,三種基本流型：（1）徑向流——渦輪式葉輪、圓筒形罐體，帶擋板；（2）軸向流——推進(jìn)式葉輪、圓筒形罐體，帶擋板；（3）切向流——渦輪式葉輪、圓筒形罐體，無擋板；實(shí)際中這三種流型同時存在，但所占比例不同。

12、各種流型見圖8-18,。,（2）擋板與導(dǎo)流攪拌器沿容器中心線安裝，攪拌物料的粘度不大，攪拌轉(zhuǎn)速較高時，液體將隨著槳葉旋轉(zhuǎn)方向一起運(yùn)動，容器中間部分的液體在離心力作用下涌向內(nèi)壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩渦。通常稱為打漩區(qū)[圖8-18（c）]。隨著轉(zhuǎn)速的增加，漩渦中心下凹到與槳葉接觸，此時外面的空氣進(jìn)入槳葉被吸到液體中，液體混入到氣體后密度減小，從而降低混合效果。為消除這種現(xiàn)象，通常可在容器中加入擋板。擋板的安裝：一般在罐體內(nèi)壁

13、上安裝4~6塊擋板（罐體直徑小時用2~4塊，大時用4~8塊）。各擋板沿罐體周向均布，其長邊與罐體母線平行。擋板寬度：擋板寬度取罐體直徑的1/12~1/10。,擋板的安裝結(jié)構(gòu),,②導(dǎo)流筒是上下開口圓筒，安裝于容器內(nèi)，在攪拌混合中起導(dǎo)流作用。導(dǎo)流筒直徑：約為罐體直徑的0.7倍，以使導(dǎo)流筒內(nèi)的通流面積等于導(dǎo)流筒與罐體間的環(huán)形通流面積。詳見董大勤舊版書P563。導(dǎo)流筒壁上開孔的作用：當(dāng)液面在操作中降低時，流體仍可從開孔中進(jìn)入導(dǎo)流筒。,導(dǎo)

14、流筒的安裝結(jié)構(gòu),,（3）流動特征葉輪攪拌流體時，在葉輪附近產(chǎn)生剪切流，在整個罐體內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)流。剪切流比較劇烈而作用范圍較小，主要使液—液體系中的分散相、或液—固體系中的顆粒、或氣—液體系中的氣泡破碎；循環(huán)流比較輕緩而作用范圍較大，主要使物料各相均勻混合、均勻換熱、或液—固體系中固體顆粒的懸?。ǚ乐钩练e）。,8.2.3.2 攪拌器類型及典型攪拌器特征,按流體流動形態(tài),軸向流攪拌器,徑向流攪拌器,,按結(jié)構(gòu)分為,平 葉,折

15、 葉,螺旋面葉,,槳式、渦輪式、框式和錨式的槳葉都有平葉和折葉二種結(jié)構(gòu),,推進(jìn)式、螺桿式和螺帶式的槳葉為螺旋面葉,,,⒈攪拌器分類: 圖8-22,混合流攪拌器,按攪拌用途分為,低粘流體用攪拌器,高粘流體用攪拌器,,低粘流體攪拌器有：推進(jìn)式、長薄葉螺旋槳、槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、布魯馬金式、板框槳式、三葉后彎式、MIG 和改進(jìn)MIG等。,,,高粘流體攪拌器有：錨式、框式、鋸齒圓盤式、螺旋槳式、螺帶式（

16、單螺帶、雙螺帶）、螺旋—螺帶式等。,圖8—22 攪拌器流型分類圖譜,結(jié)構(gòu)最簡單葉片用扁鋼制成，焊接或用螺栓固定在輪轂上，葉片數(shù)是2、3或4 片，葉片形式可分為平直葉式和折葉式兩種。,圖8—23槳式攪拌器,（1）槳式攪拌器,表8－5 槳式攪拌器常用參數(shù),注：n－轉(zhuǎn)速； v－葉端線速度； Bn－葉片數(shù)； d－攪拌器直徑；D－容器內(nèi)徑：θ－折葉角。,（2）推進(jìn)式攪拌器（又稱船用推進(jìn)器）常用于低粘流體中。,標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)式

17、攪拌器有三瓣葉片，其螺距與槳直徑d相等。它直徑較小，d/D=1/4～1/3，葉端速度一般為 7～10 m/s，最高達(dá)15 m/s。,圖8—24推進(jìn)式攪拌器,表8－6推進(jìn)式攪拌器常用參數(shù),,（3）渦輪式攪拌器（又稱透平式葉輪），是應(yīng)用較廣的一種攪拌器，能有效地完成幾乎所有的攪拌操作，并能處理粘度范圍很廣的流體。,圖8—25 渦輪式攪拌器,表8－7 渦輪式攪拌器常用參數(shù),結(jié)構(gòu)簡單。適用于粘度在100Pa·s以下的

18、流體攪拌，當(dāng)流體粘度在10～100Pa·s時，可在錨式槳中間加一橫槳葉，即為框式攪拌器，以增加容器中部的混合。,圖8—26 錨式攪拌器,（4）錨式攪拌器,表8－8 錨式攪拌器常用參數(shù),8.2.3.3 攪拌器的選用,（1）按攪拌目的選用僅考慮攪拌目的時攪拌器的選型見表8-11.,表8－11 攪拌目的與推薦的攪拌器形式,表8－11 攪拌目的與推薦的攪拌器形式（續(xù)）,（2）按攪拌形式和適用條件選型,表8－12

19、攪拌器型式和適用條件,8.2.3.5 攪拌功率計算,功率計算的目的：設(shè)計立軸體系和選擇驅(qū)動裝置。,功率與影響因素的關(guān)聯(lián)：NP,影響功率的主要因素,,① 葉輪的結(jié)構(gòu)、尺寸與轉(zhuǎn)速；② 罐體及其內(nèi)件的結(jié)構(gòu)、尺寸；③ 物料的特性（密度、粘度）與容量；④ 重力加速度g。,NP——功率準(zhǔn)數(shù)，無因次；P ——攪拌功率，w；ρ——物料密度，kg/m3；n —— 葉輪轉(zhuǎn)速，1/s；d —— 葉輪直徑，m；k —— 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的形狀系數(shù)，無

20、因次；Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)，Re=d2n ρ/μ，μ為物料粘度，Pa·s，其余同前；Fr ——弗勞德準(zhǔn)數(shù)，F(xiàn)r=n2d/g，g為重力加速度，m/s2，其余同前；r、q ——指數(shù)，無因次。,式中：,d ——葉輪直徑，m;D——罐體內(nèi)徑，m;B——槳葉寬度，m;h ——液面高度，m,,對于特定的攪拌系統(tǒng)，可通過實(shí)驗(yàn)和輔以計算來建立功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系，并將其關(guān)系繪在雙對數(shù)坐標(biāo)系中得到功率曲線。圖8－27為羅土頓（Rus

21、hton）等人完全的功率曲線，根據(jù)計算的雷諾準(zhǔn)數(shù)可從圖中查到功率準(zhǔn)數(shù)。由關(guān)聯(lián)式得：P=NPρn3d5，式中ρ、n、d均為已知參數(shù)，NP已查到，代入計算即可得攪拌功率P。,8.2.4 攪拌軸設(shè)計,,考慮上述因素計算所得,設(shè)計步驟: 計算d (危險截面)→ d+C2 → 圓整為標(biāo)準(zhǔn)軸徑。,（1）攪拌軸的力學(xué)模型,圖中Fh、Fhi、Fa均為葉輪水力的分量，其中Fa為各葉輪水力軸向分量的合力，一般可忽略；Fh、Fhi因葉輪結(jié)構(gòu)對稱一般為零。,

22、,（2）按扭轉(zhuǎn)變形計算攪拌軸的直徑,式中：,,d ——軸的外徑，m；Mn max——軸的最大扭矩，N·m；式中：Pn——電機(jī)功率，kw；n ——軸的轉(zhuǎn)速，1/min；η——傳動效率，%。[γ]——許用扭轉(zhuǎn)角，懸壁軸[γ]=0.35°/m，單跨梁[γ]=0.7°/m；G——軸材料的剪切彈性模量，Pa；α——空心軸的內(nèi)、外徑比，攪拌軸細(xì)長，常用空心軸。,（3）按臨界轉(zhuǎn)速校核攪拌軸的直徑

23、,當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到軸的自振頻率時，軸會發(fā)生強(qiáng)烈的振動，并產(chǎn)生很大的彎曲變形，這個轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。攪拌軸的轉(zhuǎn)速n 應(yīng)避開臨界轉(zhuǎn)速nc，低臨界轉(zhuǎn)速的軸稱為剛性軸，超臨界轉(zhuǎn)速的軸稱為柔性軸。一般的軸都具有多階自振頻率，一般的攪拌軸是一階低臨界軸。對于空心等截面（等質(zhì)量分布）、懸壁梁支承、裝有葉輪的攪拌軸（見圖8－28），其一階臨界轉(zhuǎn)速為：,,（書上分子有（1－α4）項(xiàng)，錯誤）,式中：,,E——軸材料的彈性模量，Pa，鋼軸 E=2.06&

24、#215;1011Pa；I——空心軸的慣性矩，m4，I =πD4（1-α4）/64式中：D ——軸的外徑, m； α ——軸的內(nèi)、外徑比。L1、a ——見圖8－28，m；ms ——軸及葉輪在s點(diǎn)（轉(zhuǎn)化點(diǎn)，見圖8－28）的等效質(zhì)量之和，kg。,將質(zhì)量轉(zhuǎn)化成等效質(zhì)量的意義：把原來復(fù)雜的多質(zhì)量體系簡化成無質(zhì)量軸上只有一個集中質(zhì)量的體系，以便于計算臨界轉(zhuǎn)速。,式中：,,mL1s——攪拌軸的L1段在S點(diǎn)的等效質(zhì)量，k

25、g:式中：mL1 ——攪拌軸的L1段質(zhì)量，kg； L1、a ——見圖8－28，m。mis ——第i個葉輪在S點(diǎn)的等效質(zhì)量，kg：式中： mi ——第i個葉輪在S點(diǎn)的等效質(zhì)量，kg； Li、L1 ——見圖8－28，m。,Z1——葉輪數(shù)量。,表8—13 攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速的選取,注：葉片式攪拌器包括：槳式、開啟渦輪式、圓盤渦輪式、

26、 三葉后掠式、推進(jìn)式； 不包括：錨式、框式、螺帶式。,式中：,,d ——空心攪拌軸外徑，m；Mn max——軸的最大扭矩，N·m（見前面）；[τ]——軸材料的許用剪切應(yīng)力，Pa：[τ]=σb/16，σb為軸材料的抗拉強(qiáng)度，Paα——意義同前。,（4）按強(qiáng)度計算攪拌軸的直徑,式中：,,δL0 ——攪拌軸在軸封處的徑向位移量，mm;[δ]L0——攪拌軸在軸封處的

27、允許徑向位移量，mm；,（5）按軸封處的徑向位移驗(yàn)算軸徑,攪拌軸受力變形后會在軸封處產(chǎn)生徑向位移（跳動），影響罐體的密封，為此需對徑向位移量加以限制：,式中：,d——攪拌軸外徑，mm；k3——徑向位移系數(shù)，對于壓力p=0.1~0.6MPa、轉(zhuǎn)速n>100 1/min的一般物料，取[σ]L0=0.3,（6）減小軸端撓度，提高臨界轉(zhuǎn)速的措施,①縮短懸臂段攪拌軸的長度。②增加軸徑，軸徑越大，軸端撓度越小。③設(shè)置底軸承或中間軸承。

28、④設(shè)置穩(wěn)定器。,8.2.5 密封裝置,作用: a. 保證攪拌設(shè)備內(nèi)處于一定正壓或真空 b.避免介質(zhì)通過轉(zhuǎn)軸從攪拌容器內(nèi)泄漏或外部雜質(zhì)滲入 攪拌容器內(nèi)。,型式,,填料密封,機(jī)械密封,（1）填料密封的結(jié)構(gòu),8.2.5.1 填料密封,（2）填料密封的特點(diǎn)：,① 結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，適于非或弱腐蝕性介質(zhì)、密封要求不高的場合；② 填料緊壓在轉(zhuǎn)軸上，增加功耗且磨損軸體；填料密封裝置的選用：

29、a. 根據(jù)設(shè)計壓力、設(shè)計溫度選用b. 根據(jù)介質(zhì)特性選用,8.2.5.2 機(jī)械密封,定義：通過動環(huán)和靜環(huán)兩個端面的相互貼合，并作相對運(yùn)動達(dá)到密封的裝置，又稱端面密封。,機(jī)械密封分類：,機(jī)械密封分類,按密封面負(fù)荷平衡情況分為,按密封面 數(shù)目分為,,,單端面,雙端面,平衡型: K＜1, 圖8-36 (a),非平衡型: K≥1, 圖8-36 (b) (c),一對密封面,圖8-35,二對密封面,,8.2.6 傳動裝置,這里不做過多