反应设备(Reactors)-南京工业大学教学在线

第八章反应设备（Reactors）

反应设备可分为：化学反应器，生物反应器

生物反应器：为细胞或酶提供适宜反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应应。

典型的化工生产、生物过程：p363图8-1，8-2

8.1概述

8.1.1反应器分类

（1）化学反应器分类：chemical reactor P364表8-1

（2）生物反应器分类：Bioreactor 表8-2

8.1.2常见反应器的特点：

常见的结构形式：机械搅拌式、管式、固定式、流化床

（1）机械搅拌反应器（Mechancial Agitated Reactor）

优点：灵活性大，可适应不同规格、不同产品、不同生产时间的需要，生料容易，清洗方便。

（2）管式反应器（Tubular Reactor）

反应在管内进行，反应从一端入，反应后从另一端排除。

特点：结构简单，制造方便，反应流动快，停留时间短P365 图8-3石脑油化解转化管式反应器）

（3）固定床式反应器（Fixed Bed Reactor）

通过固定不动的催化剂床层进行催化反应。

应用：氨合成塔，甲醇合成塔，SO

转化器

3

特点：操作稳定，便于控制，易于大型化、连续化生产。

形式：

轴向绝热式：流体沿轴向通过催化剂床层。

径向绝热式：流体沿径向通过催化剂床层。

列管式：很多管子并联式构成，管内（外）装催化剂。图8-5：氨合

成塔简图。

缺点：床层温度分布不均匀，固项粒子不动，床层导热性稍差。

（4）移动床反应器（Moving Bed Ractor）

固体催化剂连续加入，反应物通过固体颗粒连续反应后连续排出。

固体颗粒层整体移动而无相对移动。

特点：固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，流动返混少。

缺点：控制固体粒子运动的机械装置较复杂。

（5）流化床反应器（Fluidiged Bed Rreator）（沸腾床）

（6）流体以较高流速通过床层带动床内固体颗粒运动，使之悬浮在流体的主体流中进行反应。P367 图8-6

组成：壳体、气体分布装置、换热装置、气-固分离装置、内构件、催化剂加入（卸出）装置。

优点：传热面积大，传热系数高，传热效果好。进出料可用气流输送，易于实现自动化。

缺点：物料泛混大，磨损严重，内构件较复杂，操作要求高。

其他：回转筒式。喷嘴式，鼓泡塔式反应器等。

8.2机械搅拌反应器（Mechanical Agitated Reator）

8.2.1基本结构

由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。图8-7

适用：各种物料，各种操作条件的反应过程。还大量适用于混合，分散，溶解，结晶，萃取，吸收等。

8.2.2搅拌容器（Agitated Vessel）（Kettle 釜体）

组成：筒体，换热元件（夹套，吸盘管），内构件（挡板，气体分布器，过滤网，进料口等）

8.2.2.1搅拌容器

组成：筒体，封头，上封头焊有凸缘法兰、搅拌机连接

支座：悬挂式（小型），裙座，支承式（大型）

装料系数：物料在容器内的充料比例，取0.6~0.85

若反应器中产生泡沫或沸腾状，取0.6~0.7

若反应比较平稳，取0.8~0.85

容积：直立式------筒体和下封头之和。

卧式：筒体和两个封头之和

筒体高径比：P369 表8-3

8.2.2.2换热元件 Heat exchange componente

选用：夹套（减少内构件，便于清洗）、内盘管

（1）夹套结构：（jacket）

结构形式：整体，型钢，半圆管，蜂窝等

①整体夹套形式：圆筒型，u型

与筒体连接：

可拆卸式：用于介质易结垢，需经常清洗

不可拆卸式：夹套底与容器封头连接

提高热效率：a、筒体上焊接螺旋导流板，增加流速

b、进口处安装扰流喷嘴，使流体呈湍流状态/

c、夹套的不同高度处安装切向进口，提高流速。

②型钢夹套（图8-11）角钢直接焊接在筒体上。

③半圆筒夹套（图8-12）螺旋形缠绕或平行焊在筒体上。缺点：焊

缝多，焊接工作量大。

（2）内盘管结构

当夹套换热面积不够时，采用内盘管。

优点：换热损失少，传热效果好。

缺点：检修等比较困难。

形式：；螺旋形（图8-16），竖式蛇形（8-17）

8.2.3搅拌器（Agitator Impdller）

8.2.3.1搅拌器与流动特征：characteristics of Flor）

搅拌器，又称搅拌浆或搅拌叶轮。

功能：提供能量或适宜的流动状态。

⑴流型：Flow patterns

影响因素：搅拌形式、搅拌器和内构件的几何特征、流体性质和搅拌器转速。

三种基本流型（顶插式，中心安装）：

径向流：图8-18a 流体流动垂直于搅拌轴，沿径向到

搅拌器壁，分上下流动，再回到叶端，形成两个循环流动

轴向流：图8-18b 流动方向平行于搅拌轴，到容器底步再返回向上。

切向流：图8-18c 若无挡板，则流体围绕轴做旋转运动。

流速高时液体表面形成旋涡，混合效果差。

轴向流与径向流对混合起主要作用，切向流应给以制止。

⑵挡板与导流筒

①设置原因：当物料黏度不大，转速较高时，液体随浆叶一起旋转，液体

中间部分在离心力的作用下涌向壁面并上升，中央部分液面下降，形

成旋涡，称“打漩”。图8-18c

数量：一般均匀安装4块。

全挡板化：当再增加挡板数和挡板宽度时，功率消耗不再增加，此时

称全挡板条件。

安装（图8-20）如有垂直换热管，可不装挡板。

②导流筒（图8-21）上下开口圆筒，安装于容器内，混合中起导流作用。

位置：涡轮式，浆式 --------置于浆叶上方

推进式-------------------套在浆叶外面或略高于浆叶安装及结构：上端低于静液面，筒身上开槽，直径为0.7容器直径。

③流动特征：搅拌器对流体产生两种作用

剪切作用：使液滴细化，固体粒子破碎，气泡细微化有关。

循环作用：与混合时间，传热，固体的悬浮有关。

两种叶轮：循环型叶轮：框式，螺带式，锚式，浆式，推进十。

剪切型叶轮：径向涡轮式，锯齿圆盘式。

8.2.3.2搅拌器分类，图谱及典型搅拌器特征

按流动形态：轴向流，径向流，混合流

按搅拌器结构：平叶，折叶，螺旋面叶（浆式，涡轮式，框式，锚式）（推进式，螺杆式，螺带式）

按搅拌用途：低黏度，高黏流体用（推进式，涡轮式）（锚式，

框式，螺杆式，螺带式）图谱P376，图8-22 其中：浆式-推进式，

涡轮式，锚式应用很光，约占75-80%

⑴浆式搅拌器（Paddle ）（P377，图8-23）

⑵推进式搅拌器（marine propeller ）（P378 图8-24）又称船用推进器，

三半叶片，螺距与直径相等。

搅拌特性：轴向流动，湍动程度不高，循环量大，装挡板。

适用：黏度低，流量大，液 ---液混合，液—固防沉淀

参数：直径d/D=1/4~1/3，叶轮速度7`10m/s 。表8—6

⑶涡轮式搅拌器（Turbine impeller）

开式：平直叶，斜叶，弯叶

盘式：圆盘平直叶，圆盘斜叶，圆盘弯叶

适用：低中的黏度混合，液—液分散，液—固悬浮

参数：表8—7

⑷锚式搅拌器（Aanchor）

适用：混合要求不高，传热，晶析等操作，高浓度于浆

参数：表8---8

8.2.3.3搅拌器的选用

考虑：满足工艺要求，功耗，操作费用，制造，维修

选型：搅拌目的，物料黏度，搅拌黏度大小

⑴按搅拌目的，P380 表8—9

⑵按搅拌器形式和适用条件P381，表8---10

高黏度流体混合：锚式，螺杆式，螺带式

小容积流体混合：浆式

低黏度流体混合：推进式

涡轮式：流体黏度不超过50Pa.s的其他各种操作

8.2.3.4生物反应器，物料特性及搅拌器

物料特性：⑴在多相体系中进行。黏度变化，形态也变化

⑵大多生物对剪切力敏感

⑶大多微生物发酵需要氧气

搅拌器：有较大流体循环特性，径向流和轴向流相结合的多层搅拌器

8.2.3.5搅拌功率计算（PVOWE）

搅拌功率：搅拌器在一定转速搅拌时，对液体做功，并使之发生流动所需要的功率

功率计算目的：设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度，刚度，选择电机和减速器等。

影响功率的因素：⑴搅拌器的几何尺寸及转速，搅拌器直径d，浆叶宽

度B，浆叶倾斜角。转速n，单个搅拌器的个数，搅

拌器距搅拌底部的距离。

⑵搅拌器的结构。容器内径D ，液面高度h，挡板数，

挡板宽度b，导流筒尺寸。

⑶搅拌介质特性：液体密度p，黏度u

⑷重力加速度g

用下式表示：N

P = P /n

ρ3d5=K（R e）r（F r）g f（d/D，B/D，h/D）（8---1）

N

P

：功率准熟； P：搅拌功率 K：系数

F

r：弗德系数 F

r=

n2d/g r，g 指数

一般情况：F

r

影响较小，D、不、b等参数归因到K

搅拌功率：N

P = P /n

ρ3d5

N

P 的确定：特定搅拌装置上，测得N

P

与 R

e

的关系，得到功率曲线

（8-27）N

P

随R

e

的变化： R

e≤10层流区，曲线近似直线

10

e≤ R e≤1000，过度流区，为一下凹

曲线

R

e?

1000充分湍流后，一水平直线，与

R

e

无关

8.2.4搅拌轴设计（Shaft）

考虑因素：扭转变形，临界转速，扭距和弯距联合作用下的强度，轴封出于允许的径向位移，腐蚀裕度

⑴搅拌轴的力学模型：旋转轴，单跨轴 P386图8-29，8-28

⑵按扭转变形计算搅拌轴的轴径（Torsion）扭转变形过大，轴振动单位长度扭转角：r=583.6M

nmax

/G.Vd5（（1-α4）≤[r] （8-3）

M

nmax：轴传递的最大扭距=9553P

nη

P

n：

：电机功率 n：搅拌轴转速η：传动装置效率

G ：轴材料剪切弹性模量α：空心轴内外径之比

搅拌轴直径：

D=4.92（M

nmax/

[r].G（1-α4）0.25 （8—4）

⑶按临界转速校核搅拌轴直径

临界转速：搅拌轴达到轴的自振频率时会发生强烈震动，并出现很大

弯曲时的转速。Ne

刚性轴：搅拌轴的工作转速低于第一临界转速的轴要求 n≤0.7n c

柔性轴：搅拌轴的工作转速大于第一临界转速的轴要求 n≥1.3n c还

有第二，第三临界转速，一般工作转速较低，多为刚性轴刚性轴与支承形式，支承点距离，轴径有关。具有多个搅拌器的等直

径悬臂轴，其第一临界转速为：n

c =

π

30

s

m

a

L

L

EI

)

(

)

1(

3

1

2

1

4

+

-α

（8-5）

L

1

：第一搅拌轴悬臂长度

A：悬臂轴两支点间距离

M

s

：轴及搅拌器有效质量在S 点的等萧质量之和

表8-11 不同介质，不同搅拌器，工作转速与临界转速比值选用⑷按强度计算搅拌轴的直径

搅拌轴强度条件：

max

v

τ=M te/W P≤[τ] （8-6）

M

te

：扭转和弯距联合作用时的当量直径：

M te =2

2M

M

n

+

M n ：牛距 M：弯距 M=M

R

+M

A

M

R

，M

A“

：水平推力，轴向力引起的轴的弯距

搅拌轴直径：d=1.72[M te /[τ]（1-4α）]1/3

⑸按轴封处允许径向位移验算轴径

径向位移产生：轴承的径向间隙，流体形成的水平推力。搅拌器及附件

质量不均匀产生的离心力

总的径向位移：d K L 301.0][?=δ

K 3：径向系数 一般取K 3=0.3

⑹减小轴端扰度，提高搅拌轴临界转速的措施

①缩短悬臂段搅拌轴的长度。受端部集中力作用的悬臂梁，端点扰度

与悬臂长度的三次方成正比

②增加轴径：轴径增加，饶度减小，但需增加轴承，轴封，连轴器 ③设置底轴承或中间轴承。可减少饶度，但轴承在物料中润、滑不好。 ④设置稳定器

原理：稳定器受到介质阻尼的方向与搅拌器对搅拌轴施加的水平

作用力的方向相反，减少摆动，其阻尼力与承受阻尼作

用的面积有关

结构形式：圆筒型：心圆筒安装在搅拌器的下面，迎液面积较大 叶片型：切向布置在搅拌器的下面，安装在轴上，与

轴垂直

8.2.5密封装置

轴封：填料密封，机械密封

目的：防介质外泻，外部杂质渗入搅拌容器

⑴填料密封

特点：结构简单，制造容易

适用：非腐蚀性，弱腐蚀性介质，密封要求不高；允许定期维护

①结构与工作原理：结构P390 底环，本体，油环，填料，螺柱，压盖，油杯组成

原理：压盖作用下，填料对轴表面产生径向压紧力，其填料中润滑剂在

轴上形成一层液膜或外部流体渗入

缺点；不可能绝对不漏，填料与轴中间磨损

②填料密封箱特点：

A：压盖上有衬套，可提高安装精度

B：成型环状填料，易保证尺寸公差，接触均匀

③填料选用

A：根据介质腐蚀性及设计压力，设计温度选用。适用非易燃，易爆，有毒的一般物料，且压力不高。按表8-12选用填料箱 B：根据填料性能选用 p392 表8-13

⑵机械密封

组成：动环，静环，弹簧压紧装置，密封圈

①结构及工作原理：轴旋转时，动环和固定不动的静环紧密接触，并经

轴上弹簧压紧力的作用，阻止介质泄露。

密封点：动环与轴（A），动环与静环（B）