第八章反應設備ppt課件

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

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

3、.2節(jié)中詳細介紹。,,（2）管式反應器管式反應器結構簡單，制造方便。應用條件：需要的反應時間較長；反應過程放出或吸入的熱量較大；或反應過程在高溫、高壓條件下進行。如圖8-1為石油腦油分解轉化管式反應器。,1—上法蘭；2—下法蘭；3—溫度計；4—管端帽；5—轉化管主體；6—觸媒支承架；7—漸縮管；,圖8-1 側繞式轉化反應器,,,（3）塔式反應器塔式反應器的典型特點是：一般高度為直徑的數倍乃至十余倍，塔內設有增加兩相接

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

5、絕熱式、徑向絕熱式和列管式。如圖8-2,圖8-2 固定床反應器,,圖8-3所示的氨合成塔是典型的固定床反應器，N2、H2合成氣由主進氣口進入反應塔，塔內壓力約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、，帶動床內的固體顆粒運動，使之懸浮在流動的主體流動中進行反應，并具有類似流體流動的想一些特殊的裝置。優(yōu)點：傳熱面積大，傳熱系數高和傳熱效果好。缺點：反應器內物料返混大，粒子磨損嚴重；通常要有回收和集塵裝置；內構件比較復雜；操作要求高。典型的流化床反應器如圖8-4所示。,,圖8-4 流化床反應器,1—旋風分離器；2—筒體擴大段；3—催化劑入口；4—筒體；5—冷卻介質出口；6—換熱器；7—冷卻介質進口；8—氣體分布板；

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

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，以橢圓形封頭應用最廣。如圖8-7所示為通氣式攪拌反應器典型結構。,圖8-7 通氣式攪拌反應器典型結構,1—電動機；2—減速機；3—機架；4—人孔；5—密封裝置；6—進料口；7—上封頭；8—筒體；9—聯(lián)軸器；10—攪拌軸；11—夾套；12—載熱介質出口；13—擋板；14—螺旋導流板；15—軸向流攪拌器；16—徑向流攪拌器；17—氣體分布器

9、；18—下封頭；19—出料口；20—載熱介質進口；21—氣體進口,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構,(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構,封口錐,,圖8—11 型鋼夾套結構,(a)螺旋形角鋼互搭式,(b)角鋼螺旋形纏繞,圖8－12 半圓管夾套結構,圖8—12

10、 半圓管夾套結構,,(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，是攪拌反應器的關鍵部件。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：攪拌器旋轉時把機械能傳給流體，在攪拌器附近形成高湍動的充分混合區(qū)，并產生一股高速射流推動液體在攪拌器內循環(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）擋板與導流攪拌器沿容器中心線安裝，攪拌物料的粘度不大，攪拌轉速較高時，液體將隨著槳葉旋轉方向一起運動，容器中間部分的液體在離心力作用下涌向內壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩渦。通常稱為打漩區(qū)[圖8-18（c）]。隨著轉速的增加，漩渦中心下凹到與槳葉接觸，此時外面的空氣進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?？稍谌萜髦屑尤霌醢?。擋板的安裝：一般在罐體內壁

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。,擋板的安裝結構,,②導流筒是上下開口圓筒，安裝于容器內，在攪拌混合中起導流作用。導流筒直徑：約為罐體直徑的0.7倍，以使導流筒內的通流面積等于導流筒與罐體間的環(huán)形通流面積。詳見董大勤舊版書P563。導流筒壁上開孔的作用：當液面在操作中降低時，流體仍可從開孔中進入導流筒。,導

14、流筒的安裝結構,,（3）流動特征葉輪攪拌流體時，在葉輪附近產生剪切流，在整個罐體內產生循環(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,,按結構分為,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構,,推進式、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,結構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,注：n－轉速； v－葉端線速度； Bn－葉片數； d－攪拌器直徑；D－容器內徑：θ－折葉角。,（2）推進式攪拌器（又稱船用推進器）常用于低粘流體中。,標準推進式

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15 m/s。,圖8—24推進式攪拌器,表8－6推進式攪拌器常用參數,,（3）渦輪式攪拌器（又稱透平式葉輪），是應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,結構簡單。適用于粘度在100Pa·s以下的

18、流體攪拌，當流體粘度在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,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：設計立軸體系和選擇驅動裝置。,功率與影響因素的關聯(lián)：NP,影響功率的主要因素,,① 葉輪的結構、尺寸與轉速；② 罐體及其內件的結構、尺寸；③ 物料的特性（密度、粘度）與容量；④ 重力加速度g。,NP——功率準數，無因次；P ——攪拌功率，w；ρ——物料密度，kg/m3；n —— 葉輪轉速，1/s；d —— 葉輪直徑，m；k —— 結構系統(tǒng)的形狀系數，無

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

21、hton）等人完全的功率曲線，根據計算的雷諾準數可從圖中查到功率準數。由關聯(lián)式得：P=NPρn3d5，式中ρ、n、d均為已知參數，NP已查到，代入計算即可得攪拌功率P。,8.2.4 攪拌軸設計,,考慮上述因素計算所得,設計步驟: 計算d (危險截面)→ d+C2 → 圓整為標準軸徑。,（1）攪拌軸的力學模型,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因葉輪結構對稱一般為零。,

22、,（2）按扭轉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——電機功率，kw；n ——軸的轉速，1/min；η——傳動效率，%。[γ]——許用扭轉角，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、外徑比，攪拌軸細長，常用空心軸。,（3）按臨界轉速校核攪拌軸的直徑

23、,當軸的轉速達到軸的自振頻率時，軸會發(fā)生強烈的振動，并產生很大的彎曲變形，這個轉速稱為臨界轉速。攪拌軸的轉速n 應避開臨界轉速nc，低臨界轉速的軸稱為剛性軸，超臨界轉速的軸稱為柔性軸。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），其一階臨界轉速為：,,（書上分子有（1－α4）項，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、外徑比。L1、a ——見圖8－28，m；ms ——軸及葉輪在s點（轉化點，見圖8－28）的等效質量之和，kg。,將質量轉化成等效質量的意義：把原來復雜的多質量體系簡化成無質量軸上只有一個集中質量的體系，以便于計算臨界轉速。,式中：,,mL1s——攪拌軸的L1段在S點的等效質量，k

25、g:式中：mL1 ——攪拌軸的L1段質量，kg； L1、a ——見圖8－28，m。mis ——第i個葉輪在S點的等效質量，kg：式中： mi ——第i個葉輪在S點的等效質量，kg； Li、L1 ——見圖8－28，m。,Z1——葉輪數量。,表8—13 攪拌軸臨界轉速的選取,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力，Pa：[τ]=σb/16，σb為軸材料的抗拉強度，Paα——意義同前。,（4）按強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算軸徑,攪拌軸受力變形后會在軸封處產生徑向位移（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，對于壓力p=0.1~0.6MPa、轉速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設置底軸承或中間軸承。

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

29、a. 根據設計壓力、設計溫度選用b. 根據介質特性選用,8.2.5.2 機械密封,定義：通過動環(huán)和靜環(huán)兩個端面的相互貼合，并作相對運動達到密封的裝置，又稱端面密封。,機械密封分類：,機械密封分類,按密封面負荷平衡情況分為,按密封面 數目分為,,,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