机械搅拌反应器

发布日期:2017-04-05 08:19
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基本结构
搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。
搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。
搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。
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搅拌容器
搅拌容器的作用是为物料反应提供合适的空间。
搅拌容器的筒体基本上是圆筒,封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖,以椭圆应用最广。

根据工艺需要,容器上装有各种接管,以满足进料、出料、排气等要求。

为对物料加热或取走反应热,常设置外夹套或内盘管。
上封头焊有凸缘法兰,用于搅拌容器与机架的连接。

操作过程中为了对反应进行控制,必须测量反应物的温度、压力、成分及其他参数,还设置有温度、压力传感器。
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换热元件
作用:维持反应的最佳温度。

类型:夹套、内盘管
当夹套换热面积能满足传热要求时,应优先采用夹套,这样可减少容器内构件,便于清洗,不占用有效容积。 

内盘管:
分类:螺旋形盘管、竖式蛇管
特点: 浸没在物料中,热量损失小,
传热效果好,但检修较困难。 

整体夹套
圆筒型:仅圆筒部分有夹套,传热面积较小,适用于换热量要求不大的场合。

U 型:圆筒部分和下封头都包有夹套,传热面积大,是最常用的结构。

按夹套与筒体的连接方式分:
可拆卸式:用于夹套内载热介质易结垢、需经常清洗的场合。

不可拆卸式:工程上应用较多。

提高传热效率措施:在筒体上焊接螺旋导流板;进口处安装扰流喷嘴;夹套的不同高度处安装切向进口。
型钢夹套
一般用角钢与筒体焊接组成。

角钢布置方式: 沿筒体外壁轴向布置; 沿容器筒体外壁螺旋布置

型钢的刚度大,不宜弯曲成螺旋形。
半圆管夹套

安装类型:螺旋形缠绕;平行排管

特点:半圆管或弓形管,由带材压制而成,加工方便; 当载热介质流量小时易采用弓形管;但焊缝多,焊接工作量大,筒体较薄时易造成焊接变形。
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,从而减薄筒体厚度,强化传热效果。

型式:折边式:夹套向内折边与筒体贴合好再进行焊接的结构。 拉撑式:用冲压的小锥体做拉撑体。
搅拌器
搅拌器与流动特征
搅拌器又称搅拌桨和搅拌叶轮,是搅拌反应器的关键部件。其功能是提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。搅拌器把机械能传递给流体,在搅拌器附近形成高湍流的充分混合区。这种循环流动的途径称为流型。

径向流(流体流动的方向垂直于搅拌轴,沿径向流动,碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动,再回到叶端,不穿过叶片,形成上、下两个循环流动。)

轴向流(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,遇到容器底面再翻上,形成上下循环流)

切向流(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旋涡,此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小,混合效果很差。)
挡板与导流筒
挡板(在容器内壁面均匀安装4块挡板,其宽度为容器直径的1/12-1/10。当再增加挡板数和挡板宽度,功率消耗不再增加时,称为全挡板条件。传热蛇管可部分或全部代替挡板,装有垂直换热管时,一般不在安装挡板)

导流筒(导流筒是上下开口圆筒,安装于容器内,在搅拌混合中起导流筒作用。对于我论式或桨叶式搅拌器,导流筒刚好置于桨叶上方。对于推进式搅拌器,导流筒套在桨叶外面。或略高于桨叶。通常上端都低于静液面,且同身上开孔或槽。)
流动特性

当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环流动时,称为循环型叶轮,如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式;当用于对流体的剪切作用时,称为剪切式叶轮,如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。


搅拌器分类、图谱:
按流体流动形态:轴向流搅拌器;径向流搅拌器;混合流搅拌器
按搅拌器结构:平叶;折叶;螺旋面叶
按用途:
  • 低粘流体用流搅拌器(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式等)
  • 高粘流体用流搅拌器(锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式、螺旋-螺带式等)
典型搅拌器特性
桨式搅拌器
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。

桨式搅拌器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、故轴流桨叶使用较多。

桨式搅拌器也可用于高粘度流体的搅拌,促进流体的上下交换,代替价格高的螺带式叶轮。

桨式搅拌器的转速一般为20-100r/min,最高粘度为20Pa.s。
推进式搅拌器

常用于低粘度流体中,标准推进式搅拌器有三瓣叶片,其螺距与桨直径d相等。推进式搅拌器搅拌时流体的湍流程度布告,但循环量大。

推进式搅拌器结构简单制造方便,适用用于粘度低、流量大的场合,循环性能好剪切作用不大,属于循环型搅拌器。

推进式搅拌器的直径较小,d/D=1/4-1/3,叶端速度一般为7-10m/s,最高达15m/s。
涡轮式搅拌器(透平式叶轮)

能有效完成几乎所有的搅拌操作,并能处理粘度范围很广的流体。

涡轮式搅拌器可分为开式和盘式两种。开式有平直叶、斜叶、弯叶等;盘式有圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。开式

涡轮常用的叶片数为2叶和4叶;盘式以6片最常见。

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。平直叶片剪切作用较大,属剪切型搅拌器。弯叶是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。


锚式搅拌器

锚式搅拌器结构简单,适用于粘度在100Pa.s以下的流体搅拌,当粘度在10-100Pa.s时,可在锚式桨中间加一横桨叶,
即为框式搅拌器。

锚式搅拌器和框式搅拌器的混合效果并不理想,只适用与对混合要求不太高的场合。

由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其他搅拌器大,能得到大的表面传热系数,故常用于传热、晶析操作。也常用于搅拌高浓度淤浆和沉降淤浆,当粘度大于100pa.s时,应采用螺带式或螺杆式。
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搅拌器选型
选型考虑: 搅拌目的;物料粘度;搅拌容器大小

选型方法:按搅拌目的选型(详见书本P380表8-9);按搅拌器型式和适用条件选型(详见书本P381表8-10)
搅拌功率计算
搅拌功率是指搅拌器以一定转速进行搅拌时,对液体做功并使之发生流动所需的功率。

计算搅拌功率的目的,一是用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度,二是用于选择电机和减速机等传动装置

影响搅拌功率的因素有四个方面:

1)搅拌器的几何尺寸与转速:搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶倾斜角、转速、单个搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等。

2)搅拌容器的结构:容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、导流筒的尺寸等。

3)搅拌介质的特性:液体的密度、粘度。

4)重力加速度。
上述因素可用下式关联:undefined
一般情况下弗劳德数的影响较小。容器内直径D、挡板宽度b等几何参数可归结到系数K。
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教材中图8-27六种搅拌器的功率曲线。在低雷诺数的层流区内,流体不会打旋,重力影响可忽略,功率曲线为-1的直线;当Re>10000时,流动进入充分湍流区,功率曲线呈一水平直线,即Np与Re无关,保持不变。

需要指出图8-27所示的功率曲线只适用于图示六种搅拌器的几何比例关系。如果比例关系不同,功率准数也不同。
搅拌轴的设计
机械搅拌反应器的振动、轴封性能等直接与搅拌轴的设计相关。对于大直径或高径比大的反应器,尤其应重视搅拌轴的设计。

设计搅拌轴时,应考虑四个因素:1)扭转变形;2)临界转速;3)扭矩和弯矩联合作用下的强度;4)轴封处允许的径向位移。考虑上述因素设计所得的轴径是指危险截面处的直径。确定实际轴径时,还应考虑腐蚀余量,最后调整为标准轴径。

搅拌轴的力学模型(见图)
1)刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴;

2)搅拌器及轴上的其他零件的重力、惯性力、流体作用力均作用在零件轴套的中部;

3)轴受扭矩外,还考虑搅拌器上流体的径向力以及搅拌轴和搅拌器在组合重心处质量偏心引起的离心力的作用。
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按扭转变形计算搅拌轴的轴径
搅拌轴受扭矩和弯矩联合作用时,应将轴单位长度最大扭角限制在允许范围内,轴扭矩的刚度条件为:
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故搅拌轴的直径为:undefined
按临界转速校核搅拌轴的直径
工程上要求搅拌轴的转速避开临界转速:
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按强度计算搅拌轴的轴径
搅拌轴的强度条件是:undefined,      undefined

则搅拌轴的直径:undefined
按轴封处允许径向位移计算轴径
轴封处径向位移的大小直接影响密封的性能,径向位移主要由三个因素引起:1)轴承的径向游隙;2)流体形成的水平推力;3)搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。
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— 轴封处的允许径向位移 ,通常undefined

— 径向位移系数,当设计压力,undefined

一般物料, 
减小轴端绕度、提高搅拌轴临界转速的措施

1)缩短悬臂段搅拌轴的长度;

2)增加轴径;

3)设置底轴承或中间轴承;

4)设置稳定器
密封装置
轴封目的:避免介质通过转轴从搅拌容内泄漏或外部杂质渗入搅拌容器内。
填料密封

结构简单,制造容易,适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。

填料密封箱的特点:在填料箱的压盖上设置衬套,可提高装配精度,使轴有良好对中,填料压紧时受力均匀,保证填料密封在良好条件下进行。

成型环状填料。 

轴表面粗糙度应控制在 0.8~0.2 μm .

填料密封的选用
a.根据设计压力、设计温度及介质腐蚀性选用

当介质位非易燃、易爆、有毒的一般物料且压力高时,参考教材表8-12填料密封。

b.根据填料的性能选用

当密封要求不高时,选用一般石棉或油浸石棉填料;

当密封要求较高时,选用膨体聚四氟乙烯、柔性石墨等填料。

各种填料材料的性能不同,参考教材表8-13。
机械密封
机械密封是把转轴的密封面从轴向改为径向,通过动环和静环两个端面的相互贴合,并作相对运动达到密封的装置,又称端面密封。

优点:泄漏率低,密封性能可靠,功耗小,使用寿命长,广泛应用于搅拌反应器。

适用于:介质为易燃、易爆、有毒物料时。

选用: 单端面与双端面 :设计压力小于0.6MPa且密封要求一般。 
       平衡型与非平衡型:设计压力大于0.6MPa。

动环、静环的材料组合:动环和静环为一对摩擦副。选用时要同时考虑它们的耐磨性及耐腐蚀性。
全封闭密封

磁力联轴器:介质为剧毒、易燃、易爆、昂贵的物料、高纯度物资以及在高真空下操作,密封要求高。

磁力联轴器结构: a. 平面式联轴器; b. 套筒式联轴器 

内外磁转子,一般采用永久磁钢。永久磁钢有陶瓷型、金属型和稀土钴。

磁力传动的优点:1)无接触和摩擦、功耗小、效率高;2)超载时内外磁转子相对滑脱,可保护电机过载;3)可承受较高压力,且维护工作量小。

磁力传动的缺点:1)筒体内轴承与介质直接接触影响了轴承的寿命;2)隔离套的厚度影响传递力矩;且转速高时造成较大涡流和磁滞;3)温度高时会造成磁性材料严重退磁而失效。使用温度受到限制。
传动装置
传动装置: 包括电动机、减速机、联轴器及机架。

电动机选型:由Pe=(P+PS)/η得电动机功率Pe ,后再根据功率、工作环境等因素选择。

减速机选型:

分类:摆线针轮行星减速机、齿轮减速机、三角皮带减速机、圆柱涡杆减速机。

选用方法:一般根据功率、转速来选择减速器。

选用时应优先考虑传动效率高的齿轮减速机和摆线针轮行星减速机 。

机架:

无支点机架:仅适用于传递小功率和小轴向载荷。

单支点机架:用于电动机或减速机可作为一个支点,容器内可设置中间轴承和低轴承的情况。

双支点机架:适用于悬臂轴。

搅拌轴分:悬臂式、单跨式。优先采用悬臂轴。

对悬臂轴选用机架时应考虑:

无支点机架:轴承完全能承受液体搅拌所产生的轴向力。

单支点机架:轴承能承受部分轴向力。

双支点机架:轴承不能承受液体搅拌所产生的轴向力。

对大型设备,对搅拌密封要求较高的场合以及搅拌轴载荷较大时,一般都推荐采用双支点机架。
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               机械密封                                          全封闭密封
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