化工设备 反应器结构 反应器结构docx

  化 化 工 设 备 反 反 应 器 结 构 9 876 9 8 7 6 5 4 3 2 1 总体结构 依照结构不同，釜式搅拌反应器分为立式容器中心搅拌反应器、偏心搅拌反应器、倾斜搅拌反应器、卧式容器搅拌反应器等。其中立式容器中心搅拌反应器最典型，如图7-6所示。 图7-6 立式容器中心搅拌反应器结构1-搅拌器；2-釜 图7-6 立式容器中心搅拌反应器结构 1-搅拌器；2-釜体；3-夹套；4-搅拌轴；5-压出管；6-支座；7-人孔（或加料口）； 8-轴封；9-传动装置 搅拌罐——包括罐体、传热装置及支座、人孔、工艺接管等附件，用于盛装反应物料和提供换热条件。 搅拌装置——包括搅拌轴、搅拌器及挡板、导流筒等搅拌附件，搅拌轴把来自传动装置的动力传递给搅拌器，搅拌器使釜内物料均匀混合、强化釜内的传热和传质过程。 传动装置——包括电动机、减速器、联轴器及机座等部件，用于提供搅拌物料所需的动力；轴封是保证工作时形成密封条件，阻止介质向外泄漏的部件。 二、搅拌器 （一）搅拌器作用及型式 搅拌器是反应釜的核心部件，通过搅拌可使物料充分混合、加快反应速率、强化传质传热效果、促进化学反应的实现。由于操作条件各不相同，介质情况千差万别，搅拌器的结构型式多种多样。为确保搅拌器生产质量，降造成本，增加零部件互换性，搅拌器已标准化，可查阅《HG/T 3796.1-2005 搅拌器型式及基本信息参数》。常用搅拌器的结构和应用见图7-7和表7-1。 图7-7 典型搅拌器的结构型式 表7-1 搅拌器类型及其适用条件 搅拌器类型 流动状态 搅拌目的 搅拌容器容积/m3 转速范围/r.Min-1 最高粘度/Pa.s 对流循环 湍流扩散 剪切流 低粘度混合 高粘度混合传热反应 分散 溶解 固体悬浮 气体吸收 结晶 传热 液相反应 涡轮式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1～100 10～300 50 桨式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1～200 10～300 2 推进式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1～1000 100～500 50 折叶开启涡轮式 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 1～1000 10～300 50 锚框式 ○ ○ ○ 1～100 1～100 100 螺带式 ○ ○ ○ 1～50 0.5～50 100 螺杆式 ○ ○ ○ 1～50 0.5～50 100 注：表中“○”为合适，空白为不适合或不许。 （二）挡板与导流筒 在液体粘度较低、搅拌器转速较高时，易产生旋涡，使搅拌效果明显降低。为了改变流体在搅拌过程中的旋涡现象，通常在反应器内设置挡板或导流筒以增大液体的湍动程度，改善流体的流动状况。 常见挡板、导流筒结构如图7-14、图7-15所示。 ? 图7-14 挡板的安装方法 ?图7-15? 推进式搅拌器的导流筒 三、传动装置 搅拌反应器的传动装置通常 设置在反应器的顶盖或上封头上，一 般采用立式布置。传动装置包含电动 机、减速器、联轴器、机架等。 1—电动机； 1—电动机；2—减速器； 3—联轴器；4—机座； 5—轴封装置；6—底座； 7—封头；8—搅拌轴 速器将转速调整到工艺技术要求所需的搅拌 转速，再通过联轴器带动搅拌轴旋转， 从而带动搅拌器转动。 图7-16 搅拌反应器的传动装置 ◆电动机功率包括搅拌功率、传动损失功率和轴封摩擦损失功率。 = （7-1 ） 式中 ——电动机功率，KW； ——工艺要求的搅拌功率，KW； ——轴封摩擦损失功率，KW； ——传动系统的机械效率。 ◆ 减速器作用是传递运动和改变转动速度，以满足工艺条件要求。搅拌反应器常用的有摆线针轮行星减速器、两级齿轮减速器、V带减速器及圆柱蜗杆减速器等多种标准釜用立式减速器。 ◆ 联轴器的作用是将两个独立设备的轴牢固地联接在一起，以传递运动和功率。搅拌反应器常用的联轴器可分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类，如图7-1所示。 （a）刚性联轴器 （b）弹性联轴器 图7-17联轴器 ◆ 搅拌反应器的传动装置是通过机架安装在釜体顶盖上，其结构型式要考虑安装联轴器、轴封装置以及与之配套的减速器输出轴径和定位结构尺寸的需要。 搅拌反应釜用机架的常用结构有单支点机架和双支点机架两种。如图7-18、图7-19所示。 图7-18 单支点机架 图7-19 双支点机架 1-机架；2-轴承 1-机架；2-上轴承；3-下轴承 ◆ 底座是用于支承机架和轴封的，使轴封装置和减速器机架有一定的同心度，保证搅拌轴既与减速器连接又能穿过轴封顺利运转。视釜内物料的腐蚀情况，底座有衬里和不衬里两种。不衬里底座材料可用普通碳钢；要求衬里的则在与物料可能进出的表面衬一层耐腐蚀材料，一般为不锈钢。安装方法分为上装式（传动装置设置在釜体上部）和下装式（传动装置设置在釜体下部），如图7-20所示。 (a)上装式 (b)下装式 图7-20底座安装方法 1-轴封；2-机架；3-安装底盖；4-凸缘法兰 四、轴封 轴封是指搅拌轴与顶盖之间的密封，是搅拌反应器的重要组成部分。由于搅拌轴是转动的，而顶盖是固定静止的，所以轴封是动密封。其作用是保证搅拌反应器内处于一定的正压或真空状态,防止反应物料逸出或杂质的渗入。搅拌反应釜常用的动密封有填料密封和机械密封。其结构与泵用密封类似，如图7-21、图7-22所示。 图7-21 带夹套铸铁填料密封 图7-22 单端面机械密封 1-本体；2-螺钉；3-衬套；4-螺塞；5-油圈； 1-弹簧座；2-弹簧；3-动环；4-静环； 6-油杯；7-O形密封圈；8-水夹套； 5-静环密封圈；6-静环座；7-防转销 9-油环；10-填料；11-压盖； 8-动环密封圈；9-紧定螺钉； 12-螺母；13-双头螺柱 10-静环座密封圈 第三节 釜式搅拌反应器的结构 搅拌反应器的罐体是为物料完成搅拌反应提供空间，其主体部分是立式圆筒形容器，包括顶盖、筒体和罐底，并通过支座安装在基础或平台上。为满足传热的要求，需要在搅拌罐体的外侧安装夹套或在罐体内部安装蛇管结构；顶盖上还装有传动装置，罐体上要安装人、手孔等各种工艺接管。因此搅拌反应器罐体需要确定其尺寸、传热装置类型及各种工艺接管的形式等。 一、罐体尺寸确定 (一)筒体直径与高度的确定 1.确定高径比 罐体的内径Di和高度H是反应器的基本尺寸，如图7-24所示，它的确定取决于工艺所要求的容积。在已知反应器的操作容积后，首先要确定罐体适宜的高径比H/Di。由于搅拌功率在一定的条件下与搅拌器直径的5次方成正比，而搅拌器直径随容器直径的增大而增大，所以从减少搅拌功率角度，反应器的筒体直径不宜太大，高径比可取得大一些 。同时从利于传热及考虑反应物料的状态（如发酵类物料）来看，希望高径比取得大一些。考虑，一般可参考表7-4选取。 图7-23 图7-23罐体 种类 罐内物料类型 高径比H/Di 一般搅拌罐 液-液相或液-固相料 1～1.3 气-液相物料 1～2 聚合釜 悬浮液、乳化液 2.08～3.85 发酵罐类 发酵液 1.7～2.5 图7-24 罐体几何尺寸 2.计算直径与高度 确定筒体高径比后，还应考虑物料在容器内的充装比例即装料系数η。要合理选用η值，尽量提高设备的利用率，通常η值可取0.6～0.85。如果物料在反应中呈泡沫或呈沸腾状态，装料系数η应取较小值0.6～0.7；如果物料在反应中比较平稳，可取较大值0.8～0.85。因此罐体容积V与真实的操作容积V0间的关系可表示为 V0=ηV （7-2） 罐体容积由圆筒部分的容积和底封头的容积组成。为便于计算，可先忽略底封头的容积，即 V≈DH =D() 所以 Di= （7-3） 由上式初步得到罐体直径 Di，并圆整为标准直径，带入式（7-4）计算出筒体高度H,即 H== （7-4） 式中 V——下封头容积，m。 将上式H值圆整，并按表7-4核算高径比是不是适合。若差值较大，则需重新进行尺寸调整直到合适尺寸。 （二）壁厚确定及压力试验 反应器筒体和夹套壁厚，可按本书内压薄壁容器和外压容器的有关办法来进行壁厚计算和强度或稳定性校核。 夹套——承受内压时按内压计算。 筒体和下封头——既承受内压，同时又承受外压，应根据也许会出现的最危险的状况计算；当反应器为真空外带夹套时，则筒体和下封头按外压设计，设计压力等于真空容器的设计压力再加上夹套内的设计压力；当反应器内为常压操作时，则筒体和下封头按外压计算，设计压力等于夹套内的设计压力；当反应器内为正压操作时，则筒体按承受内压和外压分别计算，最后取两者中的较大值。上封头不承受外压，只按内压计算，一般取与下封头壁厚相同数值。 例1 有一夹套反应器，操作时筒体内最高压力0.5MPa，夹套内最高压力0.3MPa，内筒和夹套材料均为16MnR，在设计温度250℃时=156MPa，20℃时=170 MPa，则设计压力和水压试验压力按表7-5确定。 表7-5 例1中夹套反应器设计压力与试验压力的确定/MPa 部件名称 设计内压力p 设计外压力p0 水压试验压力pT 内筒与下封头 0.5 0.3 按内压pT=1.25p/=1.25×0.5×170/156=0.68 按外压pT=1.25p0=1.25×0.3=0.375 夹套与封头 0.3 pT=1.25p/=1.25×0.3×170/156=0.41 内筒上封头 0.5 pT=1.25p/=1.25×0.5×170/156=0.68 计算时对内筒和下封头都应分别按内压0.5MPa、外压0.3MPa计算并取较大值为其壁厚。由于内、外压容器均以内压方式来进行压力试验，而0.68MPa0.375MPa，所以只需按0.68MPa对内筒与下封头进行压力试验强度校核；对夹套及封头应以0.3MPa按内压计算壁厚，按0.41MPa进行内压试验校核；对内筒上封头可不做计算，直接取与下封头相同壁厚。 必须要格外注意，在搅拌反应器内筒制成后应先对内筒进行压力试验，试验合格后再装上夹套，对夹套进行压力试验。进行夹套压力试验时，应先校核夹套试验压力下内筒与下封头的稳定性，如不满足规定的要求，则应规定在作夹套压力试验时，必须同时在内筒内保持很多压力，以使整个试压过程任一时刻，夹套和内筒的压力差不超出原有设计压差。图纸上应注明这一要求，并注明试验压力和允许压差。 对于带半圆管夹套的反应器筒体与半圆管厚度的确定可查阅相关设计手册。 二、传热装置 搅拌反应器常用的传热装置有夹套传热和蛇管传热两种形式等。如图7-25所示。一般夹套传热结构应用更普遍，当反应器采用衬里结构或夹套传热不能够满足要求时常采用蛇管传热方式。 （一）夹套传热 夹套就是用焊接或法兰连接的方式在容器外侧装设各种形状的结构，使其与容器外壁形成密闭的空间，在此空间内通入载热体，加热或冷却容器内的物料，以维持物料的温度在预定的范围。夹套的主要结构型式有整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等，如图7-26所示。 （a）夹套传热方式 （b）蛇管传热方式 图7-25 传热装置 整体夹套与罐体连接方式有可拆式和不可拆式，如图7-27所示。不可拆式连接结构相对比较简单，密封可靠，大多数都用在同一种材料制造成的搅拌设备。如果罐体与夹套用不一样的材料制造，两种材料不能用焊接连接，或因反应条件恶劣要求按时进行检查罐体表面时应采用可拆式连接。 夹套直径Dj一般可根据罐体公称直径按表7-6选取，夹套封头根据夹套直径及所选封头类型按标准选用。 表7-6 夹套直径与内筒直径的关系 内筒内直径Di/mm 500～600 700～1800 2000～3000 夹套内直径Dj/mm Di+50 Di+100 Di+200 （a）整体夹套（b）型钢夹套 c）半圆管夹套（d）折边蜂窝夹套（e）短管支撑式蜂窝夹套 图7-26 夹套主要结构型式 ???? （a）可拆式整体夹套结构 （b）不可拆式整体夹套结构 图7-27 整体夹套与罐体的连接方式????????? 夹套高度Hj主要根据传热面积的大小，为了能够更好的保证传热充分，夹套上端一般应高于反应釜内料液的高度，所以夹套的高度为： Hj＞ ( 7-5) 式中各符号意义与式(7-4)相同。 按估算的夹套高度，校核传热面积，当夹套传热面积能满足传热要求时，应首选夹套结构，这样减少容器内构件，便于清洗。 各种夹套适合使用的范围见表7-7。 表7-7 几种夹套适用的压力和温度范围 夹 套 型 式 最高温度/℃ 最高压力/MPa 整体夹套 U形 350 0.6 圆筒形 300 1.6 型钢夹套 200 2.5 蜂窝夹套 短管支撑式 200 2.5 折边锥体式 250 4.0 半圆管夹套 350 6.4 （二）?蛇管传热 当需要传热面积较大、夹套不能满足时，可采用蛇管传热。蛇管沉浸在物料中，热损失小、传热效果好，还能提高搅拌强度。也可以夹套与蛇管联合使用，以增大传热面积。蛇管可分为螺旋式盘管和竖式蛇管，如图7-28所示。蛇管不宜太长，一是因为凝液积聚会降低传热效果，二是因为要从很长的蛇管中排出蒸汽中夹带的惰性气体也是很困难的。常用蛇管固定方式如图7-30所示。蛇管进出口一般均设在顶盖上，常见的结构型式如图7-31所示。 （a）螺旋式盘管 （b）竖式蛇管 图7-29 同心圆蛇管组结构尺寸 图7-28 蛇管结构 图7-30 蛇管的固定型式 图7-31 蛇管进出口结构 三、工艺接管 （一）进料管 搅拌反应设备的进料管一般是从顶盖引入。加料管下端的开口截成45°角，开口方向朝向设备中心，以防止冲刷罐体。根据自身的需求可按图7-32选择进料管结构。图（a）为一般常用结构，进料管伸入罐体内，可避免物料沿罐体内壁流下；图（b）为套管式结构，便于拆装、更换和清洗，适用于易腐蚀、易磨损、易堵塞的场合，以方便清洗和更换；图（c）为长进料结构，接管沉浸在料液中，这样可减少飞溅和冲击液面，有利于稳定液面，并可起到液封的作用，气液吸收效果较好，管子上部开有小孔是为避免虹吸现象。 图7-32 进料管结构 （二）出料管 出料管分上出料和下出料两种。下出料用于粘性大或有固体颗粒介质，如图7-33所示，图（b）多用于内筒和夹套温差较大的场合。 当物料需要输送到较高位置或需要输送到并列的另一台设备或需要密闭输送时，采用压出结构的上出料管，如图7-34所示。出料时利用罐体内的压缩空气或惰性气体的压力将罐内物料压入出料管，压出管管口必须放在罐内最低处，将底部管口截成450～600角，且底部做成与罐底相似形状，以尽量排尽物料。为了不妨碍搅拌器运转和便于固定压出管，应靠近筒体内壁设置和安装压出管。 (b) ? 图7-33 下部出料管 图7-34 上出料管

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