反应器设计
化学反应器的设计和操作要点
化学反应器的设计和操作要点化学反应器是化学过程中的一个核心设备，在很多化学工业领域都有广泛的应用。
它的设计和操作是化学工程师们需要关注的重要问题。
本文将从不同的角度讨论化学反应器的设计和操作要点。
一、反应器设计1. 反应器选择：根据反应的特性和要求，确定适合的反应器类型。
常见的反应器类型包括批量反应器、连续流动反应器和半批量反应器等。
不同的反应器类型适用于不同的反应条件和规模。
2. 热平衡和传热：化学反应过程通常伴随着热的释放或吸收。
因此，在设计反应器时需要考虑热平衡和传热的问题。
合理的热平衡和传热设计可以提高反应过程的效率，避免产生过热或过冷的情况。
3. 材料选择：根据反应条件和反应物的性质，选择适合的材料用于反应器的制造。
材料的选择需要考虑反应物的腐蚀性、温度和压力等因素，以确保反应器的安全性和稳定性。
4. 搅拌和混合：搅拌和混合是反应器操作中重要的环节，它可以促进反应物之间的接触和质量传递。
在反应器设计中，需要考虑搅拌器的类型、位置和转速等参数，以确保反应物的均匀混合。
5. 控制系统：合理的控制系统对于反应器的安全和稳定运行至关重要。
控制系统应能实时监测反应器的温度、压力和物料流量等参数，并能根据需要调整反应条件，以保持反应器在理想状态下运行。
二、反应器操作1. 反应物的添加和混合：在反应器操作中，需要按照一定的顺序和比例将反应物添加到反应器中。
反应物的添加应遵循化学反应的速率和亲和力等因素，以确保反应的顺利进行。
2. 温度和压力控制：反应器操作中的温度和压力控制是非常重要的。
温度和压力的变化会对反应速率和产物的选择性产生影响。
因此，在操作过程中需要实时监测和调整温度和压力，以维持反应器在最佳工作条件下运行。
3. 反应物的停留时间：反应物在反应器中停留的时间对于反应的完整性和选择性有很大的影响。
停留时间过短可能导致反应不完全，停留时间过长可能导致副反应的发生。
因此，在操作过程中需要根据反应的特性和要求，合理控制反应物的停留时间。
化学工程中的反应器设计与操作技术
化学工程中的反应器设计与操作技术一、引言在化学工程领域中，反应器是至关重要的装置，用于将原料转化为所需的化学产物。
反应器设计与操作技术的合理应用，对于提高生产效率、降低能耗、改善产品质量具有重要意义。
本文将从反应器设计和操作技术两个方面进行介绍。
二、反应器设计1. 反应器选择在反应器设计中，首先需要根据反应物性质、反应条件和产品要求来选择合适的反应器类型。
常见的反应器包括批式反应器、连续流动反应器和搅拌式反应器等。
根据反应物料的特性和反应过程的要求，选择合适的反应器类型可以提高反应的效率和产物的纯度。
2. 反应器尺寸和热力学计算反应器的尺寸设计涉及到反应器的体积、搅拌功率、传热面积等参数的确定。
通过热力学计算和流体力学模拟，可以得到反应器的热力学数据和质量传递程度，进而优化反应器的设计参数，提高反应器的效率和稳定性。
3. 材料选择和耐腐蚀性考虑在反应器设计中，材料的选择至关重要，需要根据反应介质的性质和反应条件选取合适的材料。
耐腐蚀性是反应器材料选择的重要考虑因素之一，确保反应器在长期运行中能够保持稳定的性能。
三、反应器操作技术1. 温度控制技术温度是反应过程中最重要的控制参数之一，合理的温度控制可以提高反应速率、减少副反应和副产物的生成。
常用的温度控制技术包括外部加热、内部换热、点燃器和冷却系统等。
2. 压力控制技术压力对于某些反应具有重要影响，合理的压力控制可以改善反应速率和选择性。
常用的压力控制技术包括反应器设计中的排气系统、气体压力调节阀和液压系统等。
3. 搅拌技术搅拌是反应器中的重要操作参数之一，可以提高反应物料的混合性和传质速率。
在搅拌技术中，需要考虑搅拌器的类型、转速和功率等因素，以达到最佳的搅拌效果。
4. 改性技术在某些反应中，可以通过添加助剂或催化剂来改善反应过程。
通过合理的改性技术，可以提高反应物料的选择性、减少副反应的发生和改善产物的纯度。
5. 安全技术化学反应器的操作中要时刻注意安全问题，防止发生意外事故。
反应器设计的基本方程
反应器设计的基本方程反应器设计是工程学中一个非常重要的领域，它是指将反应器容积及其他重要参数如反应温度、反应时间、速率常数等综合考虑，从而确定不同反应物浓度在反应器内部及数学上达到一种理想状态的工程学设计理论。
基于此，反应器设计的基本方程能够为相关的反应器设计和优化工作提供帮助。
反应器设计的基本方程构建在一般热力学反应器原理基础上，它要求反应器必须维持守恒的非热力学条件，以便系统可以实现平衡状态。
根据守恒的非热力学条件和初始条件，可以给出基础的反应器设计方程，如：总容积：Vt = V + Vd，反应物浓度：C = C0 + [C(t)-C0]V/Vt，反应器温度：T = T0 + [T(t)-T0]V/Vt，反应器压力：P = P0 + [P(t)-P0]V/Vt，反应速率常数：K = [C0/C(t)]K0，反应器运行状态：F = F0 + [F(t)-F0]V/Vt，反应器转速：N = N0 + [N(t)-N0]V/Vt，反应器流动模式：M = M0 + [M(t)-M0]V/Vt。
综上所述，反应器设计的基本方程是一种用于描述反应器容积、反应物浓度、反应温度、反应时间、速率常数等多种参数之间关系的表达式。
它可以有效地根据实际应用场景，优化反应器容积及其关联参数，以达到理想的反应物浓度。
关于应用反应器设计的基本方程，应该把握一个原则：反应器容积及其关联参数的计算结果受守恒的非热力学条件及初始条件的影响，所以正确使用反应器设计的基本方程时，要根据实际开展的设计工作，结合操作条件及实际原料特性，仔细计算反应器容积及其关联参数，确保反应系统可以得到最佳效果。
另外，也可以通过实验进行反应器设计，将实验反应器容积及其他参数，以实验方法确定，通过控制反应温度、反应时间、速率常数等参数，以达到设计中指定的试验效果，最终根据实验结果，反推反应器容积及其关联参数，以实现有效的反应器设计和优化。
总的来说，反应器设计的基本方程是为反应器设计和优化提供帮助的重要工具，它可以有效地准确计算出反应器容积及其关联参数，以达到有效的反应物浓度，但是要记住，它仅仅是一种计算工具，并不能代替实验和经验，在实际应用中，仍需要根据实际情况，综合考虑守恒的非热力学条件和初始条件，结合多种因素，综合运用反应器设计的基本方程，以达到最佳的反应物浓度。
化学反应器设计、操作与控制
压力控制
压力是化学反应的重要参数，通过调节进料流量和压力调 节系统，将压力控制在适当的范围内，以保证反应的顺利 进行。
流量控制
进料流量对化学反应的影响较大，通过流量计和调节阀， 精确控制进料流量，以保证反应物料的均匀投入。
反应过程监控
温度监测
实时监测反应器内的温度变化 ，确保温度在预设范围内波动
。
研究反应的动力学性质，如反应速率 常数、活化能等，以优化反应过程。
02 化学反应器操作
操作参数控制
温度控制
保持反应器内的温度稳定，是实现化学反应的重要条件。 通过加热和冷却系统，将温度控制在适宜的范围内，以获 得最佳的反应效果。
液位控制
保持反应器内的液位稳定，对于化学反应的稳定性和安全 性至关重要。通过液位传感器和调节阀，实时监测和控制 液位高度。
反应器材料选择
根据反应条件选择耐 腐蚀、耐高温、耐高 压的材料。
对于特殊反应，如强 氧化、还原等，需选 用具有特殊性能的材 料。
考虑材料的机械性能、 加工性能和经济性。
反应器热力学与动力学基础
分析反应的热力学性质，如反应平衡 常数、熵变等，以确定最佳反应条件。
利用热力学和动力学数据，进行反应 器模拟和优化。
预防措施
加强设备维护和巡检，制定应急预案，提高员工安全意识。
案例分析
某化工厂反应器爆炸事故的调查与预防措施。
05 未来展望与挑战
新材料与新技术的应用
新材料的研发
随着科技的发展，新型的高性能材料如纳米材料、复合材料 等在化学反应器中的应用越来越广泛。这些新材料具有优异 的物理和化学性能，可以提高反应器的效率、降低能耗和减 少环境污染。
环保要求
严格控制三废（废气、废水和固 废）的排放，采用环保材料和工 艺，降低能耗和资源消耗，实现 绿色生产。
化学工程中的反应器设计
化学工程中的反应器设计反应器是化学工程中至关重要的设备，它用于控制和促进化学反应的进行。
反应器设计需要考虑多个因素，包括反应物的特性、反应条件、反应速率等。
下面将讨论在化学工程中进行反应器设计的一些关键考虑因素。
1. 反应物的特性在设计反应器之前，首先需要了解反应物的特性。
这包括反应物的化学性质、物理性质以及反应的机理。
通过对反应物特性的了解，可以确定反应的类型和可能发生的副反应。
2. 反应条件确定适当的反应条件对于反应器设计至关重要。
反应条件包括温度、压力、物料的浓度等。
这些条件将直接影响反应的速率和选择性。
因此，在进行反应器设计时，需要根据反应条件来选择和确定反应器的类型和尺寸。
3. 反应速率了解反应的速率对于确定反应器的尺寸和反应时间非常重要。
反应速率可以通过实验室实验或者基于反应物特性进行估算。
反应速率的了解将有助于确定反应器的体积和反应物的进料速率。
4. 混合效应反应器中的混合效应对于反应的进行至关重要。
混合效应决定了反应物之间的接触程度，从而影响反应速率。
不同的反应器类型和设计方式会导致不同的混合效应，如完全混合反应器和不完全混合反应器。
5. 均质反应器和非均质反应器均质反应器是指反应物在体积上是均匀分布的反应器，例如连续搅拌槽反应器。
而非均质反应器是指反应物在体积上不均匀分布的反应器，例如流化床反应器。
在进行反应器设计时，需要确定是使用均质反应器还是非均质反应器。
6. 安全性考虑在进行反应器设计时，安全性是一个重要的考虑因素。
需要考虑反应物的毒性、易燃性等特性，并采取相应的安全措施。
此外，还需要考虑反应过程中可能发生的意外情况，如压力突然增加或温度失控等，并设计相应的安全系统。
综上所述，化学工程中的反应器设计需要综合考虑反应物的特性、反应条件、反应速率、混合效应等多个因素。
通过合理设计反应器，可以提高反应的效率、选择性并确保反应的安全进行。
反应器设计参照的国标
反应器设计参照的国标
一、反应器的分类
1、按结构形式分类：管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器。
2、按物相分类：单相和多相。
3、按操作方式分类：间歇操作、连续操作、半连续操作。
4、按传热方式分类：绝热、等温、非绝热非等温（工业中常用的反应器）。
二、反应器的布置
1、反应器与其关联设备的布置要求：
1.1反应器和加热炉的距离仅留出通道和管道布置和检修空间，不得小于4.5米。
1.2在内部装有搅拌和输送机械的反应器，应在顶部或侧面留出拆卸、起吊等检修所需的空间和场地。
2、反应器位置及周围环境的要求：
2.1固定床反应器--般成组布置在框架内，框架顶部设有装催化剂和检修用的平台和吊装机具；框架下流有卸催化剂的空间，框架的一侧留有堆放和运输所需要的场地和通道。
2.2根据工艺需要反应器也可以布置在厂房内。
若布置在厂房内，除装卸催化剂和检修的空间外，还需设吊装孔，吊装孔应靠近通道。
三、反应器的安装高度
1、反应器的支撑方式：裙座支撑、支腿支撑、支耳支撑
2、反应器的安装高度应考虑催化剂的卸料口位置和高度。
化工原理中的反应器设计与操作
化工原理中的反应器设计与操作在化工原理中，反应器设计与操作是一项十分重要且复杂的任务。
反应器是化学反应进行的关键设备，其设计合理与否直接影响着反应效果和产物质量。
本文将介绍反应器设计与操作的基本原理和常用方法。
一、反应器设计的基本原理反应器设计的主要目标是实现反应的高效与安全，确保产物的质量和数量得到满足。
在设计反应器时，一般需要考虑以下几个方面的因素。
1. 反应动力学反应动力学是了解反应速率与反应条件（如温度、压力等）之间关系的重要理论基础。
通过反应动力学的研究，可以确定反应器的尺寸和操作参数，以实现所需的反应速率和产物收率。
2. 反应热学反应过程中常伴随着吸热或放热现象，这将对反应器的操作和安全性造成影响。
通过对反应热学的研究，可以估算反应热量的大小，设计合适的冷却设备以控制反应温度，并采取必要的安全措施。
3. 反应物料的选择和物料平衡反应器中的反应物料选择合适，能够改善反应效果。
在设计反应器时，需要进行物料平衡计算，确保反应物料的进出口量满足反应方程式的要求，避免物料的浪费和产物的污染。
4. 反应器的类型选择根据反应条件和需求，可以选择不同类型的反应器，如批量反应器、连续流动反应器、固定床反应器等。
每种反应器都有其适用的场合和特点，需要根据具体情况来选择。
二、常用的反应器设计方法反应器的设计方法有多种，根据具体的需求和反应条件选择合适的方法进行设计。
1. 理论计算法理论计算法是最常用的反应器设计方法之一，它基于反应动力学和物料平衡原理，通过数学模型和计算方法，推导出反应器的尺寸和操作参数。
这种方法需要准确的反应动力学和物料数据作为输入，相对精确但较为繁琐。
2. 经验法经验法是反应器设计的一种简化方法，它基于过去的经验和实验数据，通过调整参数和模型的经验常数来估计反应器的尺寸和操作参数。
这种方法快速简便，但其结果依赖于经验数据的准确性。
3. 缩尺实验法缩尺实验法是指在较小的实验装置中进行反应试验，并根据试验结果进行反应器的设计。
反应器设计与工艺优化策略
反应器设计与工艺优化策略反应器设计是化学工程领域中的重要环节，它直接影响到化学反应的效率和产物的质量。
在反应器设计过程中，工艺优化策略的选择和实施也起着关键作用。
本文将探讨反应器设计与工艺优化策略的相关知识，并介绍一些常用的方法和技术。
一、反应器设计反应器设计是指根据反应的特性和要求，确定反应器的类型、尺寸和操作条件等参数。
反应器的类型包括批量反应器、连续流动反应器和半批量反应器等。
不同类型的反应器适用于不同类型的反应，因此在设计过程中需要根据具体情况进行选择。
在反应器设计中，关键的一步是确定反应器的尺寸。
尺寸的选择要考虑到反应速率、传热速率和物料的处理能力等因素。
反应速率决定了反应器的体积，传热速率决定了反应器的表面积，而物料的处理能力则决定了反应器的装载量。
此外，反应器的操作条件也对反应的效果有着重要影响。
操作条件包括温度、压力和反应物浓度等。
在设计过程中，需要根据反应的热力学性质和动力学特性来确定最佳的操作条件，以提高反应的效率和产物的质量。
二、工艺优化策略工艺优化策略是指通过改进反应器设计和操作条件，提高反应的效率和产物的质量。
工艺优化的目标通常包括提高反应速率、降低能耗和减少废物排放等。
在工艺优化中，一个重要的策略是改进反应器的传热性能。
传热性能的改善可以通过增加反应器的表面积、改变传热介质和优化传热方式等方式实现。
例如，可以采用多管式反应器或换热器来增加传热表面积，从而提高传热效率。
另一个常用的优化策略是改变反应物的浓度和配比。
反应物的浓度和配比对反应速率和产物选择性有着重要影响。
通过调整反应物的浓度和配比，可以改变反应的平衡位置和速率控制步骤，从而优化反应的效果。
此外，反应器的温度和压力也是工艺优化的关键因素。
温度和压力的选择要根据反应的热力学和动力学特性来确定。
通过调整温度和压力，可以改变反应的平衡位置和速率，从而实现工艺的优化。
三、常用方法和技术在反应器设计和工艺优化中，有许多常用的方法和技术可以帮助工程师们实现目标。
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第九章反应器设计9.1 概述 (1)9.2反应器的分类和结构特点 (3)9.3 发酵罐设计与分析 (6)9.5 其他反应器 (13)9.1 概述生物反应器是指一个能为生物反应提供适宜的反应条件，以实现将原料转化为特定产品的设备，是生物技术产业化的核心。
生物反应器设计的主要内容包括：（1）反应器选型，即根据生产工艺要求、反应及物料的特性等因素，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等；（2）设计反应器结构，确定各种结构参数，即确定反应器的内部结构及几何尺寸、搅拌器形式、大小及转速、换热方式及换热面积等；（3）确定工艺参数及其控制方式，如温度、压力、pH、通气量、底物浓度、进料的浓度、流量和温度等。
生物反应器设计的基本要求：（1）避免将必须蒸汽灭菌的部件与其它部件直接相连；（2）法兰应尽量少；（3）尽可能采用焊接连接，焊接部位要充分抛光；（4）避免产生凹陷和裂缝；（5）设备各部件能分别进行灭菌；（6）反应器的接口处用蒸汽封口；（7）阀门要易清洗，易使用，易灭菌；（8）反应器内易保持一定正压；（9）为便于清洗，反应器主体部分应尽量简单。
反应器的设计以及工程放大，主要采用数学模型法，即利用数学模型来分析、研究生化反应过程中的现象和规律，即用数学语言表达过程中各种变量之间的关系。
数学模型的建立：以生物反应器为研究对象，将其中的生化反应过程分解为生化反应、传递过程及流体流动与混合等子过程，并分别进行研究，通过物料衡算和热量衡算将各子过程的相关参数进行关联和偶合，即对动力学方程、物料衡算及热量衡算式联立求解，从而得到所研究的生化反应过程规律的解析表达形式。
另一方面，由于生化反应过程极为复杂，往往对过程的机理研究得不透彻或有些问题尚不清楚，在这种情况下，就必须结合一定的经验模型，即在一定条件下由实验数据进行数学关联并拟合而得到的模型。
9.2反应器的分类和结构特点由于生物催化剂种类和生产目的的多样性，生物反应器种类繁多。
不同的生物反应器在结构和操作方式上具有不同的特点。
根据生物反应器的结构和操作方式的某些特征，可以从不同角度对其进行分类。
9.2.1根据反应器的操作方式分类根据反应器的操作方式不同，可将生物反应器分为间歇式生物反应器、连续式生物反应器和半连续式（流加）生物反应器。
间歇式反应器，其基本特征是：反应物料一次性加入、一次性卸出，反应器内物系的组成仅随时间而变化，属于一种非稳态过程。
间歇式反应器适用于多品种、小批量、反应速率较慢的反应过程，可以经常进行灭菌操作。
在实际应用中，由于间歇培养不会产生严重的染菌问题、因周期短而较适合于遗传变异性大的细胞、对过程控制的要求较低、能适应培养细胞株和产物经常变化的需要，因此是应用最广泛的操作模式。
采用连续操作的反应器被称为连续式反应器，这一操作方式的特点是原料连续流入反应器，反应产物则连续从反应器流出。
反应器内任何部位的物系组成均不随时间变化，故属于稳态操作。
连续操作反应器一般具有产品质量稳定、生产效率高等优点，因而适合于大批量生产。
半间歇半连续操作系指原料与产物只有其中一种为连续输入或输出，而其余则为分批加入或输出的操作，相应的反应器称为半连续式反应器或流加式反应器。
半连续操作同时兼有间歇操作和连续操作某些特点的操作。
9.2.2根据催化剂分类生物催化剂包括酶和细胞两大类，相应地，生物反应器也可以分为酶反应器和细胞反应器。
酶催化反应与一般的化学反应并无本质的区别，催化剂本身不会因为反应而增加，但是酶催化反应的条件更加温和。
酶催化反应器的结构往往与化学反应器类似，且通常不需要太高的温度和压力。
游离酶催化常采用搅拌罐反应器，固定化酶催化除了搅拌罐反应器外，常选择固定床反应器，近年来，酶膜反应器的应用正在日益增多。
细胞培养过程是典型的自催化过程，细胞本身既是催化剂，同时又是反应的主要产物之一。
因此，催化剂的量是随反应的进行而不断增大的。
对于这种活的催化剂，在反应过程中保持细胞的生长和代谢活性是对反应器设计的最基本要求。
根据细胞类型的不同，细胞反应器又可分为微生物细胞反应器（通常称为发酵罐）、动物细胞反应器和植物细胞反应器。
根据不同类型细胞的生理特点，对反应器也有不同的要求。
例如，动植物细胞是好氧的，同时对剪切力又非常敏感，在设计反应器时如何在氧传递和剪切力之间的矛盾找到一个平衡点就成为要考虑的首要问题；植物细胞培养可能需要可见光，就要采用光生物反应器。
9.2.3根据流体流动或混合状况分类对于连续反应器，有两种理想的流动模型：一种是反应器内的流体在各个方向完全混合均匀，称为全混流（CSTR），其主要特征是反应物加入到反应器中，同时反应产物也离开反应器，并保持反应体积不变，其过程是一物系中组成不随时间改变的定态过程；另一种则是通过反应器的所有物料以相同的方向、速度向前推进，在流体流动方向上完全不混合，而在垂直于流动方向的截面上则完全混合，所有微元体在反应器中所停留的时间都是相同的，这种流动模型称为平推流、活塞流或柱塞流（PFR）。
实际反应器内流体的流动方式则往往介于上述两种理想流动模型之间，称为非理想流动（混合）模型。
非理想生物反应器需要考虑流动和混合的非理想性，如：流体在连续操作反应器中的停留时间分布、微混合问题、反应器轴向或径向扩（弥）散及反应器操作的震荡问题等。
间歇操作的非理想生物反应器则需要考虑混合时间、剪切力分布、各组分浓度及温度分布等复杂问题。
9.2.4根据反应器结构特征及动力输入方式分类根据反应器的主要结构特征（如外形和内部结构）的不同，可以将其分为釜（罐）式、管式、塔式、膜式反应器等，它们之间的差别主要反映在其外形（长径比）和内部结构上的不同。
釜式生物反应器能用于间歇、流加和连续所有三种操作模式，而管式、塔式和生物膜反应器等则一般适用于连续操作的细胞反应工程。
根据动力输入方式的不同，生物反应器可以分为机械搅拌反应器、气流搅拌反应器和液体环流反应器。
机械搅拌反应器采用机械搅拌实现反应体系的混合（图9-1）。
气流搅拌反应器以压缩空气作为动力来源（图9-2）。
而液体环流反应器则通过外部的液体循环泵实现动力输入（图9-3）。
图9-1机械搅拌反应器（G —气体；L —液体；M —电机）图9-2气流搅拌反应器（G —气体；L —液体）图9-3液体环流反应器9.3 发酵罐设计与分析9.3.1 通气搅拌罐的结构特征通气搅拌罐是好氧生物反应器的典型代表，其主要组成部分有壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。
反应器主体采用不锈钢材料，通常采用涡轮式搅拌器。
搅拌轴与罐体的连接要进行无菌密封。
罐体底部设有空气分布器或喷嘴，通过空气过滤器的无菌空气从孔径几毫米的多孔管鼓入培养液内。
搅拌器由置于罐顶的搅拌电机以一定的转速驱动旋转，通过搅拌涡轮产生的液体漩涡及剪切力，将鼓入的空气打碎成小气泡，并均匀分散在培养液中。
这样，既提供了细胞生长所需氧，同时又使培养液浓度均匀。
反应器的装料系数一般为70～80％。
系统通常还设有消泡装置、参数测试元件、蛇管或夹套冷却装置等。
典型通气搅拌罐的一些基本特征可以参考通气搅拌罐适用于大多数的生物工程，它具有以下优点：pH值及温度易于控制；工业放大方法研究比较多；适合连续培养。
不足之处是：搅拌消耗的功率较大；结构比较复杂，难以彻底拆卸清洗，易染菌；剪切力稍大，特别是培养丝状菌体时，对细胞有较大损伤，等等。
经过半个多世纪的发展，现在通气搅拌罐的几何尺寸都趋向于标准化，表9.1列举了通气搅拌罐一些主要相对尺寸的范围。
表9-1通气搅拌罐的一些主要相对尺寸的范围相对尺寸符号范围典型值罐体的高径比 H/D 1～3搅拌桨直径与罐体直径之比 Di/D 1/3～1/2 1/3(Rushton桨)挡板宽度与罐体直径之比 Wb/D 1/8～1/12（4块挡板） 1/10最下层搅拌桨高度与罐体直径之比 0.8～1.0相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比 1～2.59.3.2 机械搅拌系统作为通气搅拌罐的主要特征之一，机械搅拌系统提供的动力是机械搅拌罐质量传递、热量传递、混合和悬浮物均匀分布的基本保证。
搅拌装置的设计和选择必须综合考虑以满足上述要求并降低造价和动力消耗。
机械搅拌系统由电机、变速箱、搅拌轴、搅拌桨、轴封和挡板组成。
下面做简要的介绍。
1．电机和变速箱电机和变速箱置于罐体之外。
对小型反应器，可以采用单相电驱动的电机，而大型反应器所用的一般均为三相电机。
对大型反应器，由于电机的转速一般远高于搅拌转速，必须通过变速箱降低转速。
实验室小型反应器可以采用无级变速，不需要变速箱。
在间歇培养时，细胞生长各个阶段对剪切力和氧传递有不同的要求，为了降低功耗，最好采用可调速电机。
2．搅拌轴搅拌轴既可以从顶部伸入罐体，也可以从底部伸入罐体，前者称为上搅拌，后者称为下搅拌。
一般而言，上搅拌的制造和安装成本要略高于下搅拌。
但是，采用下搅拌时，培养基中的固体颗粒或者可溶性成分在水分挥发后形成的结晶会损坏轴封，使其维护成本增加。
不同尺寸的通气搅拌罐，其搅拌桨层数也不同，小型通气搅拌罐一般只有一层搅拌桨，而大型通气搅拌罐一般具有2～4层搅拌桨以改善混合和传质。
3．轴封轴封的主要作用是防止环境中的微生物侵入反应器以及培养液等发生泄漏。
机械传动部件往往是造成染菌的主要原因之一，因此轴封设计的关键是避免染菌和泄漏，应尽可能采用无菌密封材料。
4．挡板为防止搅拌时液面上产生大的旋涡，并促进罐内流体在各个方向的混合，与搅拌桨相对应，在罐体上还安装有挡板。
挡板的设计要满足“全挡板条件”。
所谓全挡板条件，是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌功率不再增加。
挡板的数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12D。
全挡板条件是达到消除液面漩涡的最低条件。
在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。
此条件与挡板数Z，挡板宽度W和罐径D有关，必须满足下面的关系式（9-1）式中W——挡板宽度，m；D——罐内径，m；Z——挡板数。
5．搅拌桨根据搅拌所产生的流体运动的初始方向，可以将搅拌桨分为径向流搅拌桨和轴向流搅拌桨（图9-5）。
径向流搅拌桨将流体向外推进，遇反应器内壁和档板后再向上下两侧折返，产生次生流（图9-6a）。
轴向流搅拌桨则使流体一开始就沿轴向运动（图9-6b）。
一般而言，带轴向流搅拌桨的反应器，其功率准数较低，达到同样混合效果所需消耗的能量要远低于径向流搅拌桨。
径向流搅拌桨所造成的剪切力大于轴向流搅拌桨，这有利于打碎气泡，从而增大总括氧传递速率常数，但会对有些细胞产生伤害。
因此，径向流搅拌桨多用于对剪切力不敏感的好氧细菌和酵母的培养，而轴向流搅拌桨多用于对剪切力敏感的生物反应体系。
对于大型发酵罐，可采用这两类搅拌桨混合配置的设计，以充分发挥各自的优点。