反應(yīng)設(shè)備續(xù)課件

第九章反應(yīng)設(shè)備機(jī)械攪拌設(shè)備技術(shù)進(jìn)展概況（續(xù)）攪拌設(shè)備由攪拌裝置、軸封和攪拌槽三部分組成，其構(gòu)成形式如下：圖1-2是典型用于粉體混合的螺帶式葉輪攪拌設(shè)備攪拌槽常被稱作攪拌釜，槽體亦可稱作釜體

常見(jiàn)的有旋漿式攪拌釜、渦輪式攪拌釜、旋帶式攪拌釜等

當(dāng)攪拌設(shè)備用作反應(yīng)器時(shí)，稱攪拌槽式反應(yīng)器，有時(shí)簡(jiǎn)稱反應(yīng)釜。槽體槽體的形式通常是立式圓筒形的，筒體上部和下部都有碟形或橢圓形的封頭，如圖1-1也有一些攪拌設(shè)備是臥式的，如圖1-2立式槽在常壓下操作時(shí)，為降低槽體的制造成本也可采用平底槽.當(dāng)物料對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，且被攪物料對(duì)空氣中塵埃的落入并不敏感時(shí)，槽上部也可是敞口的

在臥式攪拌槽中大多進(jìn)行半釜操作

因此臥式釜與立式釜相比有更多的氣液接觸面積臥式釜常用于氣液傳質(zhì)過(guò)程，如氣-液吸收或從高粘液體中脫除少量易揮發(fā)物質(zhì).另一方面，臥式釜的料層較淺，有利于葉輪將粉末攪動(dòng)，并可借葉輪的高速回轉(zhuǎn)使粉體拋揚(yáng)起來(lái)，使粉體在瞬間失重狀態(tài)下進(jìn)行混合臥式攪拌設(shè)備有單軸的，也有雙軸的，如圖1-4當(dāng)攪拌高粘液體時(shí)，葉輪的外緣都與槽壁很接近，有時(shí)還在葉輪上裝刮刀，即所謂刮壁式攪拌設(shè)備.即使采用了刮壁式攪拌器，若采用單軸型，高粘液體還可能粘滯在葉輪上，隨葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng).

而若采用自清潔型的臥式雙軸攪拌設(shè)備，通過(guò)兩支軸上特殊設(shè)計(jì)的葉輪的嚙合，使葉輪之間產(chǎn)生互相清潔作用，可使滯留物減至最少槽與軸的相對(duì)位置

通常攪拌槽的中心線與攪拌軸的中心線是重合的

但也有兩支軸線互相垂直、互成一夾角、互相平行等不重合的情況，分別稱之為側(cè)進(jìn)式、斜進(jìn)式和偏置式攪拌設(shè)備

如圖1-5至圖1-8是常用的側(cè)進(jìn)和斜進(jìn)式攪拌器的安裝位置圖

在攪拌葉輪靠近槽底部安裝時(shí)，可將攪拌軸從槽底伸入，即所謂底伸入式攪拌設(shè)備

如圖1-9中的80m3氯乙烯聚合反應(yīng)器釜內(nèi)徑4m，若攪拌器由釜頂伸入，則攪拌軸的長(zhǎng)度須大于6m；

而采用底伸入法時(shí)，攪拌軸長(zhǎng)僅1．2m

不僅大大節(jié)約了制造成本

還能使底部的機(jī)械密封減少振動(dòng)延長(zhǎng)使用壽命

葉輪

常見(jiàn)的葉輪種類有數(shù)十種，如圖1-10所示的是最常用的攪拌葉輪

通常攪拌器分成低粘液體用和高粘液體用的兩大類附件

攪拌槽上附件很多

主要介紹對(duì)攪拌效果有影響的四種：擋板、導(dǎo)流筒、夾套和內(nèi)置傳熱管作用：

擋板能消除所謂固體回轉(zhuǎn)部的不良混合區(qū)而固體回轉(zhuǎn)部的直徑rc與葉輪直徑r之比rc/r和攪拌雷諾數(shù)Re之間有如下關(guān)系：

式中d——葉輪直徑(m)；N——葉輪轉(zhuǎn)速(r／s)ρ——液體密度(kg／m3)；η——液體粘度(Pa．s)由上式可見(jiàn)當(dāng)Re>104時(shí),rc/r約等于0.7而當(dāng)Re在103-102范圍內(nèi)時(shí)，rc/r急劇減少以至接近于零因此，在Re小于100時(shí)，沒(méi)有必要使用擋板

擋板的數(shù)量、大小以及安裝方式都會(huì)影響槽內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和攪拌功耗

擋板寬度W通常為槽徑的1／10至1／12，在高粘度液時(shí)也可減小至槽徑的1／20

擋板的數(shù)量視槽徑的大小而異，小直徑槽時(shí)用2—4個(gè)，大直徑槽時(shí)用4—8個(gè)

擋板直立沿槽壁周向均布安裝，安裝方式如圖1-11在低粘液體時(shí)，擋板可緊貼槽壁安裝，如圖中之a(chǎn)當(dāng)粘度較高時(shí)或進(jìn)行固一液操作時(shí)，擋板要離壁安裝，如圖中之b擋板離壁距離一般為擋板寬度W的0.2—1倍.當(dāng)粘度更高時(shí)還可將擋板傾斜一個(gè)角度，如圖中之c

這樣可有效地防止粘滯液體在擋板處形成死角以及防止固體顆粒的堆積當(dāng)槽內(nèi)有傳熱蛇管時(shí)，擋板一般安在蛇管內(nèi)側(cè)，如圖中之d

擋板的上緣一般可與液面齊平

當(dāng)液面上有輕而浮、不易潤(rùn)濕的固體物料時(shí)

則需在液面上造成旋渦

這時(shí)擋板上緣可低于液面100—200mm。

擋板的下緣可到槽底指形擋板也可用在非搪玻璃類攪拌槽式反應(yīng)器中由指形擋板的形狀不同、配置位置不同還可以有不同的效果其隨操作目的不同所用的不同配置法如圖1—12。

在固液懸浮過(guò)程中，直立擋板有其不利之處——在葉輪底部易形成固體顆粒堆積

湍流操作時(shí)，推薦使用如圖1-13所示的底部小擋板。

擋板的參數(shù)列于圖中，擋板數(shù)為4塊，十字形放置.

對(duì)于液-液分散建議采用如圖1-14所示的輕液擋板以獲得好的分散效果2．導(dǎo)流筒導(dǎo)流筒主要用于推進(jìn)式和螺桿式葉輪的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)：導(dǎo)流筒是一個(gè)緊圍著葉輪的圓筒作用：能使葉輪排出的液體在筒內(nèi)和筒外(筒與槽壁的環(huán)隙)形成上下循環(huán)流應(yīng)用導(dǎo)流筒可嚴(yán)格控制流型，防止短路獲得高速渦流和高倍循環(huán)也可迫使流體高速流過(guò)加熱面以利于傳熱.導(dǎo)流筒也能強(qiáng)化混合和分散過(guò)程作用：

根據(jù)葉輪的轉(zhuǎn)向不同，可使液體有不同的循環(huán)方向

工作原理：

物料首先進(jìn)入導(dǎo)流筒，在筒內(nèi)通過(guò)葉輪的強(qiáng)力剪切作用，得到高速的混合

再流入剪切相對(duì)較弱的筒體與槽壁的環(huán)隙中3、傳熱夾套

傳熱夾套是一個(gè)在反應(yīng)器筒體外面能形成密閉空間的容器。

夾套上設(shè)有水蒸氣、冷卻水或其它傳熱介質(zhì)的進(jìn)出口。如果加熱介質(zhì)是水蒸氣則進(jìn)口管應(yīng)靠近夾套上端，冷凝液從底部排出；

如果傳熱介質(zhì)是液體則進(jìn)口管應(yīng)安置在夾套底部，使液體從底部進(jìn)入，上部流出，從而使傳熱介質(zhì)能充滿整個(gè)夾套空間在用液體傳熱介質(zhì)時(shí)，為強(qiáng)化傳熱效果，可在夾套空間設(shè)置螺旋導(dǎo)流板，如圖1-17此外還由半管夾套、擾流噴嘴、內(nèi)部夾套和雙殼夾套等結(jié)構(gòu)形式4、內(nèi)置傳熱元件

最常見(jiàn)的內(nèi)置傳熱元件是蛇管

導(dǎo)流筒也往往作為內(nèi)置傳熱元件使用

圖1-22中的蛇管呈盤(pán)管狀它對(duì)液體流動(dòng)的控制作用較小若要使蛇管兼起擋板的作用，通常使用直立的蛇管圖1-23中有二種直立蛇管由于在反應(yīng)器中，蛇管主要起攜帶反應(yīng)熱的作用，故蛇管常稱作內(nèi)冷管

圖1-23a中的D型內(nèi)冷管的進(jìn)水、出水流路如其左側(cè)的附圖當(dāng)反應(yīng)物系不易產(chǎn)生粘附物時(shí)可采用如圖1-23c所示的反應(yīng)器形式傳動(dòng)裝置作用：傳動(dòng)裝置的作用是使攪拌軸以所需的轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并保證攪拌軸獲得所需的扭矩傳動(dòng)方式與混合過(guò)程的關(guān)系：絕大多數(shù)的攪拌設(shè)備中，攪拌軸只有一支，且攪拌葉輪以恒定的速度向一個(gè)方向回轉(zhuǎn)為獲得更佳的混合效果，可在一個(gè)攪拌槽中使用多個(gè)葉輪，有時(shí)還讓葉輪進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)1、復(fù)動(dòng)式

工作原理：

通過(guò)一副懸掛在曲軸上的傘齒輪、萬(wàn)向節(jié)、連桿等機(jī)構(gòu)使葉輪在進(jìn)行回轉(zhuǎn)的同時(shí)，還進(jìn)行上下往復(fù)移動(dòng)

由于兩個(gè)傘齒輪齒數(shù)有小的差別，如19：20，則葉輪每轉(zhuǎn)一圈，其所處高度與起始時(shí)有一個(gè)小的相位差，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)過(guò)20圈時(shí)，才回復(fù)到起始的位置

這樣可以保證，在一個(gè)周期(轉(zhuǎn)20圈)內(nèi)，葉輪能掃過(guò)上下往復(fù)行程內(nèi)的全部容積復(fù)動(dòng)式攪拌機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖和葉輪端部運(yùn)動(dòng)軌跡圖分別如圖1-24和圖1-25。為使葉輪平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸上需配置一個(gè)能平衡傘齒輪8重量的平衡塊

圖1-24所示的復(fù)動(dòng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)速只能達(dá)90r／min

轉(zhuǎn)速過(guò)大，整臺(tái)機(jī)械會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)

故此種復(fù)動(dòng)攪拌機(jī)屬慢速?gòu)?fù)動(dòng)機(jī)，它最適合于高粘流體的混合.

混合高粘流體效率最高效的是如圖1-26所示的交叉式葉輪，多層使用。當(dāng)它一面旋轉(zhuǎn)，一面上下移動(dòng)時(shí)，葉片產(chǎn)生的軌跡恰如一個(gè)四螺帶攪拌器。一種使用偏心輪、連桿和花鍵的快速?gòu)?fù)動(dòng)機(jī)，葉輪約每轉(zhuǎn)10次，上下往復(fù)一次，如圖1—27

它適合于中粘流體的快速混合和固液懸浮操作2、往復(fù)式

如圖1-28的一個(gè)特殊的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的單方向轉(zhuǎn)動(dòng)變成為振幅為45度的正反轉(zhuǎn)擺動(dòng)．

該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與特殊的三角形槳葉配合，可使被攪液體既受到強(qiáng)的剪切，又能使液體在槽內(nèi)形成很好的循環(huán)流動(dòng)

能很好地適用于高、低粘液體的混合、固——液懸浮、液——液分散和固體的溶解等操作葉輪只在90度范圍內(nèi)作正、反方向擺動(dòng)，同時(shí)葉輪快速改向，使槽內(nèi)液體產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)3、行星式圖1-29所示的行星式攪拌設(shè)備，用于以銅粉為催化劑的有機(jī)合成反應(yīng)該攪拌設(shè)備通過(guò)一對(duì)圓錐齒輪和一根帶有曲柄的錨式攪拌器所組成當(dāng)傳動(dòng)軸通過(guò)曲柄帶動(dòng)攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，攪拌器上端的小圓錐齒輪繞著大圓錐齒輪滾動(dòng)，從而獲得了兩種運(yùn)動(dòng)方式

一種是以攪拌器本身為軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為自轉(zhuǎn)；另一種是旋轉(zhuǎn)的攪拌器以槽中心線為軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為公轉(zhuǎn)

這兩種運(yùn)動(dòng)互相疊合，使液體在槽內(nèi)既有垂直方向的運(yùn)動(dòng)，又有水平方向的運(yùn)動(dòng)

強(qiáng)烈的對(duì)流遍及槽內(nèi)每個(gè)角落，從而使密度差懸殊的固液兩相得以很好的混合

圖1-30是一臺(tái)常見(jiàn)的行星錐形攪拌設(shè)備

它常用于粉體的混合中，也很適合高粘液體的混合，特別適合于高粘的粘彈性液體

搖臂帶動(dòng)整個(gè)螺桿以下支承點(diǎn)為頂點(diǎn)，繞圓錐面進(jìn)行公轉(zhuǎn)；另一方面通過(guò)裝在搖臂內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使螺桿進(jìn)行自轉(zhuǎn)

4、組合式

為了提高混合效率，將兩種或兩種以上形式不同、轉(zhuǎn)速不同的攪拌器組合起來(lái)使用，稱組合式攪拌設(shè)備圖1-31中是一臺(tái)用于生產(chǎn)牙膏、涂料等的攪拌設(shè)備通過(guò)三種葉輪的協(xié)同作用，將固體粉末均勻地分散到粘稠性液體中工作原理：

齒片式葉輪以大于1500r／min的高速進(jìn)行回轉(zhuǎn)，具有打散粉團(tuán)，和打碎固體顆粒的作用

螺桿式攪拌器以每分鐘數(shù)十至數(shù)百轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，它造成強(qiáng)有力的軸向流動(dòng)錨式攪拌器以每分鐘十多轉(zhuǎn)至數(shù)十轉(zhuǎn)的低速轉(zhuǎn)動(dòng)，把全槽液體搬送至齒片式葉輪造成的高剪切區(qū)和螺桿式葉輪形成的軸向流區(qū)由于這三個(gè)葉輪的旋轉(zhuǎn)軸互不重合，故稱作非同軸組合式攪拌設(shè)備圖1-32是同軸組合式攪拌設(shè)備最大的容積達(dá)25m，最大輸入功率為250kW它把框式攪拌器與另一個(gè)中心攪拌器進(jìn)行組合兩個(gè)攪拌葉輪安置在同一軸線上攪拌器可是高速旋轉(zhuǎn)的齒片，也可為不規(guī)則四邊形

葉輪等如圖所示的雙層渦輪

框式攪拌器上可帶刮板也可不帶刮板

框式攪拌器可適合于更高粘度

這種攪拌設(shè)備適合于非牛頓流體和熱敏性液體的混合，也適合于作為中、高粘物料的反應(yīng)器圖1-32中兩個(gè)葉輪的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均在槽的頂部即兩個(gè)攪拌葉輪都是頂伸入式的也有采用一個(gè)攪拌葉輪是頂伸入式的，另一個(gè)葉輪是底伸入式的這樣兩個(gè)葉輪的同軸線組合在設(shè)備制造上比較方便5、雙軸臥式

其傳動(dòng)裝置除了可變化兩支軸的旋轉(zhuǎn)方向或旋轉(zhuǎn)速度外，沒(méi)有其它特殊要求

對(duì)于進(jìn)行高粘液體脫揮發(fā)的設(shè)備，有時(shí)其軸封的設(shè)計(jì)要予以特別重視常用攪拌設(shè)備的選型攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)難于在一個(gè)嚴(yán)密的理論指導(dǎo)下完成，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣可使攪拌設(shè)備的效益相差很大必須在明確攪拌目的和物料性質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)攪拌設(shè)備的各個(gè)要素，例如葉輪的形狀、葉輪直徑、葉輪的層數(shù)、葉輪的安裝位置、轉(zhuǎn)速、槽的形狀、擋板的尺寸和個(gè)數(shù)等進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化一般攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)步驟為：在攪拌條件確定后，攪拌葉輪形式的選定是非常重要的一步：須從葉輪的剪切一循環(huán)特性、葉輪對(duì)物料粘性的適應(yīng)性等方面加以綜合考慮此外，還需從葉輪產(chǎn)生的流型等方面分析各種葉輪的特點(diǎn)

再結(jié)合不同的攪拌目的來(lái)探討葉輪的選型問(wèn)題1、攪拌對(duì)象的性質(zhì)設(shè)計(jì)攪拌設(shè)備時(shí)，對(duì)于物料以液相為主，密度、相對(duì)密度和粘度是液體最重要的性質(zhì)當(dāng)液體中含有氣泡或另一種互不相溶的液體時(shí)，表面張力也很重要2.葉輪的剪切一循環(huán)特性3、流動(dòng)狀態(tài)與葉輪性能的關(guān)系幾種常用葉輪的特性1.齒片式葉輪

在所有葉輪中齒片式葉輪使用的轉(zhuǎn)速最高，通常其轉(zhuǎn)速為500—3000r／min齒片式葉輪外周的鋸齒狀葉片的高速回轉(zhuǎn)使之具有高的切應(yīng)力用齒片式葉輪時(shí)，一般不安裝擋板當(dāng)液體粘度很高時(shí)，若不能產(chǎn)生全槽范圍內(nèi)的流動(dòng)，則可采用與錨式葉輪進(jìn)行組合的方法齒片式葉輪的應(yīng)用領(lǐng)域有：

液—液分散體系，如樹(shù)脂的混合；

固-液體系，如使高嶺土、粘土、氯化鈣和顏料等達(dá)到高度分散2.推進(jìn)式葉輪通常由鋼板制扭曲而制得如圖2-53、渦輪式葉輪

一類是有一個(gè)圓盤(pán)安裝在輪轂上，葉片再安裝在圓盤(pán)上，稱盤(pán)式渦輪，如圖2-6中的a圖和b圖

另一類是葉片直接安裝在輪轂上，稱風(fēng)扇式葉輪，如圖中的c圖和d圖4、槳式葉輪

根據(jù)葉片的垂直或傾斜安裝可分成徑向流型和軸向流型槳式葉輪主要用于流體的循環(huán)由于在同樣的排量下，軸向流葉輪的功耗比徑向流低，故軸向流葉輪使用較多其主要用途為：在液-液系用于防止分離和使溫度均一；在固-液系，多用于防止固體沉降5、錨式葉輪

不適用于液一液和氣一液分散,不具有良好的混合均一性

常用于傳熱、晶析操作,也常用它來(lái)攪拌高濃度淤槳和沉降性淤槳和高粘流體的攪拌6、螺帶式葉輪螺帶式葉輪的葉片是把細(xì)長(zhǎng)形的金屬卷成螺旋狀而制成的，它是攪拌高粘流體時(shí)不可少的一種葉輪形式螺帶的枚數(shù)一般為2，稱之為雙螺帶葉輪也有用一條螺帶的單螺帶葉輪

有時(shí)將一條螺帶放在外側(cè)，另一條螺帶放在中間，并使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)外兩條螺帶推動(dòng)液體前進(jìn)的方向相反，設(shè)計(jì)時(shí)使得兩條螺帶推動(dòng)液體的排量相同，這種螺帶稱內(nèi)外單螺帶，如圖2-10還有螺帶一螺桿式葉輪，如圖2-11螺帶與螺桿分別使液體