第九章-反应设备PPT课件..ppt

1第九章 反应设备在器内实现一个或几个化学反应，并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备化学反应器生物反应器为细胞或酶提供适宜的反应环境，以达到细胞生长代谢和进行反应的设备原 料前处理化学反应后处理产 品排 污排 气循 环化工生产的典型流程2原料培养摇瓶培养种子发酵罐分离提 纯废液处理原 料培养基配制灭菌计算机控制发酵罐空气产品典型的生物过程一、反应设备的应用 反应设备 在化工生产过程中，为化学反应提供反应空间和反应条件的装置. 反应设备的应用 * 通过对参加反应的介质的充分搅拌，使物料混合均匀； * 强化传热效果和相间传质； * 使气体在液相中作均匀分散； * 使固体颗粒在液相中均匀悬浮； * 使不相容的另一液相均匀悬浮或充分乳化二、反应设备的类型 按结构型式分类，可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等 釜式反应器 釜式反应器也称槽式、锅式反应器 管式反应器 管式反应器主要用于气相、液相、气液相连续反应过程，由单根(直管或盘管)连续或多根平行排列的管子组成，一般设有套管或壳管式换热装置 管式反应器结构示意图塔式反应器鼓泡塔反应器结构示意图1分布格板；2夹套；3气体分布器；4塔体；5挡板；6塔外换热器；7液体捕集器；8扩大段固定床反应器-是指流体通过静止不动的固体物料所形成的床层而进行化学反应的设备。

以气- 固反应的固定床反应器最常见床固体催化剂床层入料均预热，麻点区代表固体催化剂床层，图a中催化剂紧贴器壁，反应过程有径向热交换，必要时应加外保温层图c可在反应的同时加热或冷却高温（550）、高压（30MPa）、触媒催化放热反应；要求对进塔的原料气预热；要求对反应过程中放出的大量热及时排除；要有触媒床及其搁置装置触媒框主气进口N2气、H2气进口氨合成塔的应用条件氨合成塔的应用条件：氨合成塔（固定床反应器）1平顶盖；2筒体端部；3筒体；4上触媒框；5上触媒框；6中心网筒；7升气管；8换热器；9半球形封头 流化床反应器 细小的固体颗粒被流动着的流体携带，具有像流体一样自由流动的性质，此种现象称为固体的流态化 把反应器和在其中呈流态化的固体催化剂颗粒合在一起，成为流化床反应器流化床反应器多用于气- 固反应过程 流化床反应器此外还有其它多种形式的反应器，详见有关资料流化床反应器1旋风分离器；2筒体扩大段；3催化剂入口；4筒体；5冷却介质出口；6换热器；7冷却介质进口；8气体分布板；9催化剂出口；10反应气入口搅拌反应釜的结构如图所示，主要由以下几个部分组成：1、釜体部分2、传热装置3、搅拌传动装置4、轴封装置5、其他结构第一节 搅拌反应釜的总体结构标准手册 ： HG/T 2059694 机械搅拌设备化工设备设计全书搅拌设备设计多功能分散反应釜1、釜体部分 釜体又称罐体，是物料进行化学反应的场所。

它由筒体和上下封头组成，通过支座安装在基础上，其容积由生产能力和产品的反应要求决定2、传热装置 化学反应一般都伴有放热或吸热为了保持反应的温度保持稳定，一般均需对系统进行加热或移走热量，所以必须设置加热或冷却装置常用的是在釜体外设置夹套夹套或在釜内设置蛇管蛇管第一节 反应釜的总体结构3、搅拌传动装置为了使参加反应的各种物料混合均匀，接触良好，以加速反应的进行或减少副反应的发生，需要在釜内设置搅拌装置搅拌传动装置由搅拌轴、搅拌器和传动装置组成传动装置包括电动机、减速器和联轴器组成4、轴封装置搅拌轴要穿过釜体上封头与传动装置相连，为保证釜体内的反应介质不外泄，需对搅拌轴进行密封处理，一般采用填料密封或机械密封5、其他结构除了上述几种主要结构外，还有人孔、物料进出口管、监测仪表和安全泄放装置等第一节 反应釜的总体结构第二节 釜体及传热装置一、釜体的尺寸釜体的尺寸主要是确定它的容积、长径比和壁厚1.容积 反应釜操作时所装物料的体积，称为釜体的操作容积操作容积（V0）表示釜体的全容积全容积V V与操作容积V0的关系，由装料系装料系数数确定，三者的关系为： 取决于物料性质 若物料在反应过程中产生泡们沫或呈沸腾状态，装料系数0.60.7；若物料反应较平稳，则取装料系数0.80.85 釜体的操作容积V0与全容积V V由工艺确定。

(1)对搅拌功率的影响，在固定转速下，搅拌功率浆叶直径的5次方 长径比应选得大一些；(2)对传热的影响，当使用夹套传热时，长径比的增大会使夹套传热面积增加，同时改善传热效果；(3)工艺上的特定要求，例如发酵反应，要求通入反应釜内的空气与发酵液要有足够的接触时间，这样液位就必须保持有一定的高度，因而罐体的长径比应满足这样的特定要求 第二节 釜体及传热装置2.长径比（H/D0）长径比取值影响:种类罐内物料类型高径比一般搅拌罐液-固相、液液相11.3气液相12聚合釜悬浮液、乳化液2.083.85发酵罐类发酵液1.72.5几种搅拌设备筒体的长径比（H/D0） （1）直径及高度确定 选取装料系数，选取H/Di 直径及高度确定 1）、在初步确定H/Di后，先忽略封头的容积，近似计算出罐体的容积V第二节 釜体及传热装置 2）计算并圆整釜体直径为标准直径Di（可向上圆整或向下圆整） 3）选择确定封头形式，查取封头容积再代入下式中计算出罐体的高度并圆整（向上圆整至整数） 4）复核V，复核H/Di是否在规定范围内3釜体的直径、全容积与长径比之间的关系在实际的设计工作中，对于釜体直径、容积和长径比这三个参数，不论先设定其中的哪两个，虽然都能算出第三个，但是往往要经过反复调整才能达到或接近预期的要求。

第二节 釜体及传热装置4.釜体的壁厚釜体：釜内介质压力作用及夹套介质压力作用 夹套：受夹套介质压力作用同一般内压或外压容器设计 第二节 釜体及传热装置釜体正压操作时，需进行强度与稳定计算；釜体负压操作时，要进行稳定性计算 釜体是正压操作时需进行强度与稳定计算：釜体强度计算时所确定的计算压力不得低于釜体的设计压力；稳定计算所确定的计算压力不得低于夹套强度计算时的计算压力 当釜体是负压操作时：釜体的稳定计算压力应取夹套的计算压力再加0.1MPa对于间歇操作反应釜要考虑工况组合下的压力作为内、外压设计压力： （1）釜内通介质，夹套无介质 （2）釜内无介质，夹套通介质 （3）釜内与夹套内均通介质例：一带夹套的立式搅拌反应釜，已知釜内操作压力0.2MPa，夹套内操作压力为0.4MPa，间歇操作试确定夹套与釜体的设计压力反应釜内压设计压力：pi=0.2MPa；外压设计压力：p0=0.4MPa；夹套设计内压压力：pi=0.4MPa釜内若为真空操作时，设计压力为多少？二、釜体的传热装置釜体的传热装置主要有夹套和蛇管两类第二节 釜体及传热装置（一）夹套结构夹套在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。

此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容器内的物料结构型式整体夹套型钢夹套半圆管夹套蜂窝夹套等第二节 釜体及传热装置 各种碳钢夹套的适用温度和压力范围夹套型式最高温度/最高压力/MPa 整体夹套 U型 圆筒型3503000.61.6 型钢夹套2002.5 蜂窝夹套 短管支撑式 折边锥体式2002502.54.0 半圆管夹套3506.4第二节 釜体及传热装置圆筒和下封头都包有夹套，传热面积大，最常用结构1. 整体夹套 圆筒型U型传热面积较小，适用于换热量要求不大的场合第二节 釜体及传热装置ttjDDDjDjttjDDDjDj整体夹套(a) 圆筒型(b) U型第二节 釜体及传热装置第二节 釜体及传热装置夹套传热面的计算 图示形状带有夹套的釜体，内筒及下封头的总表面积可查阅手册得到第二节 釜体及传热装置夹套连接方式可拆卸式不可拆卸式用于夹套内载热介质易结垢、需经常清洗的场合夹套肩与筒体的联接处，做成锥形的称为封口锥，做成环形的称为封口环第二节 釜体及传热装置 夹套肩与筒体的连接结构(a)封口锥(b)封口环第二节 釜体及传热装置不可拆卸式封口环 夹套底与封头连接结构封口锥第二节 釜体及传热装置不可拆卸式可拆卸的夹套 第二节 釜体及传热装置可拆卸式整体式夹套介质流通特点 载热介质流经夹套与筒体的环形面积，流道面积大、流速低、传热性能差。

提高传热效率的措施： 在筒体上焊接螺旋导流板，减小流道截面积， 增加冷却水流速； 进口处安装扰流喷嘴，使冷却水呈湍流状态， 提高传热系数； 夹套的不同高度处安装切向进口，提高冷却 水流速，增加传热系数第二节 釜体及传热装置2 2型钢夹套型钢夹套 构成角钢与筒体焊接组成结构沿筒体外壁轴向布置沿筒体外壁螺旋布置型钢的刚度大，弯曲成螺旋形时加工难度大优点：夹套中的载热流体严格按螺旋通道流动，换热效率较高；缺点：角钢揻成螺旋状较困难，焊接工作量大，罐体壁厚较小时便产生焊接变形第二节 釜体及传热装置 型钢夹套结构(a)螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕第二节 釜体及传热装置3 3半圆管夹套半圆管夹套 特性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宜采用弓形管缺点：缺点：焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时易造成焊接变形结构螺旋形缠绕在筒体外侧沿筒体轴向平行焊在筒体外侧沿筒体圆周方向平行焊接在筒体外侧第二节 釜体及传热装置半圆管夹结构1(a)半圆管 半圆管夹套结构2bL3L2Lt1L3(a)螺旋形缠绕半圆管夹套的安装半圆管夹套的安装(b)平行排管Dt14 4蜂窝夹套蜂窝夹套 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；减薄筒体壁厚，强化传热效果。

结构折边式拉撑式折边式蜂窝夹套夹套向内折边与筒体贴合好, 再进行焊接的结构 D1t1D2t2bAA向D1t1D2edminb用冲压的小锥体或钢管做拉撑体蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角形布置短管支撑式蜂窝夹套（二）内盘管-蛇管当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时常采用内盘管结构特点浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，检修较困难分类螺旋形盘管竖式蛇管螺旋形盘管dDdD对称布置的几组竖式蛇管：传热挡板作用竖式蛇管蛇管的固定结构 第三节 传动装置与密封总体结构 搅拌轴强度设计按工程力学所学知识进行扭转强度和弯扭联合强度进行校核传动装置传动装置包括：电动机，搅拌轴及其支撑、密封，减速装置，联轴器一） 电机的选择与计算搅拌器功率和搅拌器作业功率 选电机搅拌器功率和搅拌器作业功率 搅拌功率搅拌器功率搅拌作业功率理想状态：搅拌器功率搅拌作业功率实际情况：搅拌器功率 搅拌作业功率搅拌过程进行时需要动力，笼统地称这一动力时叫做搅拌功率为使搅拌器连续运转所需要的功率称为搅拌器功率（研究较多）搅拌器使搅拌槽中的液体以最佳方式完成搅拌过程所需要的功率（研究较少）1定义 功率计算的目的功率计算的目的：设计立轴体系和选择驱动装置。

搅拌器功率与影响因素的关联：NP影响功率的主要因素 叶轮的结构、尺寸与转速； 罐体及其内件的结构、尺寸； 物料的特性（密度、粘度）与容量； 重力加速度g选电机搅拌器功率和搅拌器作业功率 NP功率准数，无因次；P 搅拌功率，w；物料密度，kg/m3；n 叶轮转速，1/s；d 叶轮直径，m；k 结构系统的形状系数，无因次；Re雷诺准数，Re=d2n /，为物料粘度，Pas，其余同前；Fr 弗劳德准数，Fr=n2d/g，g为重力加速度，m/s2，其余同前；r、q 指数，无因次式中：d 叶轮直径，m;D罐体内径，m;B桨叶宽度，m;h 液面高度，m选电机搅拌器功率和搅拌器作业功率 对于特定的搅拌系统，可通过实验和辅以计算来建立功率准数与雷诺准数的关系，并将其关系绘在双对数坐标系中得到功率曲线罗土顿（Rushton）等人完成的功率曲线，根据计算的雷诺准数可从图中查到功率准数由关联式得：P=NPn3d5，式中、n、d均为已知参数，NP已查到，代入计算即可得搅拌功率P选电机搅拌器功率和搅拌器作业功率 搅拌功率：P=NPn3d5，式中、n、d均为已知参数，NP查取。