机械搅拌反应器剖析课件.ppt

1、第五章第五章 储存设备储存设备(8学时学时)第八章第八章 反应设备反应设备(6学时学时)第七章第七章 塔设备塔设备(8学时学时)第六章第六章 换热设备换热设备(8学时学时)第八章第八章 反应设备反应设备 第一节第一节 概概 述述 第二节第二节 机械搅拌反应器机械搅拌反应器 第三节第三节 机械搅拌设备技术进展概述机械搅拌设备技术进展概述 教学重点：教学重点： （1）搅拌器；）搅拌器； （2）搅拌轴设计。）搅拌轴设计。教学难点：教学难点： （1）搅拌轴设计；）搅拌轴设计； （2）机械密封。）机械密封。本章本章重点重点机械搅拌反应器（搅拌釜式反应器）机械搅拌反应器（搅拌釜式反应器）适用于各种物性（如

2、粘度、密度）和各适用于各种物性（如粘度、密度）和各种操作条件（温度、压力）的反应过程，种操作条件（温度、压力）的反应过程，应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、应用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶、医药、农药、化肥、染料、涂料、食品、医药、农药、化肥、染料、涂料、食品、冶金、废水处理等行业。冶金、废水处理等行业。应用应用 结构结构 化学反应、生物反应、混合、分散、化学反应、生物反应、混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。传热等操作。组成组成搅拌容器搅拌容器和和搅拌机搅拌机两大部。两大部。由筒体、换热元件由筒体、换热元件及内构件组成。及内构件组成。由搅拌

3、器、搅拌轴及其密封由搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等组成。装置、传动装置等组成。1一电动机一电动机2一减速机一减速机3一机架一机架4一人孔一人孔5一密封装置一密封装置6一进料口一进料口7一上封头一上封头8一筒体一筒体9一联轴器一联轴器10一搅拌轴一搅拌轴11一夹套一夹套12一载热介质出口一载热介质出口13一挡板一挡板14螺旋导流板螺旋导流板15一轴向流搅拌器一轴向流搅拌器16一径向流搅拌器一径向流搅拌器17一气体分布器一气体分布器18一下封头一下封头19一出料口一出料口20一载热介质进口一载热介质进口21一气体进口一气体进口图图8-7通气式搅拌反应通气式搅拌反应器典型结构器典型结构8.2

4、.2.1 搅拌容器搅拌容器结构结构 1. 圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆形封头应用最广）。盖，椭圆形封头应用最广）。2. 各种接管，满足进料、出料、排气各种接管，满足进料、出料、排气等要求。等要求。3. 加热、冷却装置加热、冷却装置：设置外夹套或内设置外夹套或内盘管盘管。4. 上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。器与机架的连接。由筒体、换热元由筒体、换热元件及内构件组成。件及内构件组成。容积容积 直立式搅拌容器直立式搅拌容器 卧式搅拌容器卧式搅拌容器 筒体和左右两封头容积之和筒体和左右两封头容积之和筒体和下封头两部分

5、容积之和筒体和下封头两部分容积之和5. 传感器传感器，测量反应物的温度、压力、，测量反应物的温度、压力、成分及其它参数。成分及其它参数。6. 支座支座，小型用悬挂式支座，大型用，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。裙式支座或支承式支座。7. 装料系数装料系数（对容积而言），通常取（对容积而言），通常取0.60.85。有。有泡沫或呈沸腾状态取泡沫或呈沸腾状态取0.60.7；平稳时取；平稳时取0.80.85。表表8-3 几种搅拌设备筒体的高径比几种搅拌设备筒体的高径比 搅拌容器的强度计算和搅拌容器的强度计算和稳定性分析方法见本书第稳定性分析方法见本书第4章章 换热换热 元件元件 夹夹 套

6、套 内盘管内盘管 8.2.2.2 换热元件换热元件优先采用夹套，减少优先采用夹套，减少容器内构件，便于清容器内构件，便于清洗，不占有效容积。洗，不占有效容积。一、夹套结构一、夹套结构 n 在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。形成密闭的空间。n 此空间内通入加热或冷却介质，可加热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。或冷却容器内的物料。夹套夹套整体夹套整体夹套 型钢夹套型钢夹套 半圆管夹套半圆管夹套 蜂窝夹套等蜂窝夹套等 结构型式结构型式表表8-4 各种碳钢夹套的适

7、用温度和压力范围各种碳钢夹套的适用温度和压力范围 圆筒和下封头都包有圆筒和下封头都包有夹套，传热面积大，夹套，传热面积大，最常用结构。最常用结构。传热面积较小，适用传热面积较小，适用于换热量要求不大的于换热量要求不大的场合。场合。图图8-8 整体夹套整体夹套（a）圆筒型）圆筒型（b）U型型用于夹套内载热介用于夹套内载热介质易结垢、需经常质易结垢、需经常清洗的场合。清洗的场合。夹套肩与筒体的联夹套肩与筒体的联接处，做成锥形的接处，做成锥形的称为封口锥，做成称为封口锥，做成环形的称为封口环，环形的称为封口环，见图见图8-9。图图8-9 夹套肩与筒体的连接结构夹套肩与筒体的连接结构(a)封口锥封口锥

8、(b)封口环封口环图图8-10 夹套底与封头连接结构夹套底与封头连接结构封口锥封口锥封口环封口环介质流通特点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。积大、流速低、传热性能差。提高传热效率的措施：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，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，见图增加冷却水流速，见图8-7; 进口处安装扰流喷嘴，使冷却水呈湍流状态，进口处安装扰流喷嘴，使冷却水呈湍流状态，提高传热系数提高传热系数; 夹套的不同高度处安装切向进口，提高冷却水夹套的不同高度处安装切向进口

9、，提高冷却水流速，增加传热系数。流速，增加传热系数。构成构成结构结构沿筒体外壁轴向布置沿筒体外壁轴向布置沿筒体外壁螺旋布置沿筒体外壁螺旋布置型钢的刚度大，型钢的刚度大，弯曲成螺旋形时弯曲成螺旋形时加工难度大加工难度大(a)螺旋形角钢互搭式螺旋形角钢互搭式(b)螺旋形角钢互搭式螺旋形角钢互搭式图图8-11型钢夹套结构型钢夹套结构角钢与筒体焊接组成，见图角钢与筒体焊接组成，见图8-11。特性特性螺旋形缠绕在筒体外侧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沿筒体圆周方向平行焊接在筒体外侧结构结构图图8-13半圆管或弓形管由带材压制而成，

10、加工方便。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。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，筒体较薄时易造焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时易造成焊接变形。见图成焊接变形。见图8-12。图图8-12 半圆管夹套二种结构半圆管夹套二种结构图图8-12 半圆管夹套二种结构半圆管夹套二种结构图图8-13 半圆管夹套的安装半圆管夹套的安装图图8-13 半圆管夹套的安装半圆管夹套的安装 特点特点n 以整体夹套为基础，采取折边或短管等加强措施；以整体夹套为基础，采取折边或短管等加强措施； n 提高筒体的刚度和夹套的承压能力，减少流道面积；提高筒体的刚度和

11、夹套的承压能力，减少流道面积； n 减薄筒体壁厚，强化传热效果。减薄筒体壁厚，强化传热效果。 结构结构折边式折边式 拉撑式拉撑式 图图8-14 折边式蜂窝夹套折边式蜂窝夹套图图8-15 短管支撑式蜂窝夹套短管支撑式蜂窝夹套用冲压的小锥用冲压的小锥体或钢管做拉体或钢管做拉撑体。撑体。蜂窝孔在筒体蜂窝孔在筒体上呈正方形或上呈正方形或三角形布置。三角形布置。二、内盘管二、内盘管 当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时。当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时。 常采用常采用内盘管内盘管分类分类螺旋形盘管螺旋形盘管 竖式蛇管竖式蛇管 图图8-16图图8-17什么时候用？什么时候用？ 图图8-

12、16螺旋形盘管螺旋形盘管返回返回 图图8-17 竖式蛇管竖式蛇管对称布置的几组对称布置的几组竖式蛇管：竖式蛇管：n 传热传热n 挡板作用挡板作用返回返回 8.2.3.1 搅拌器与流动特征搅拌器与流动特征 搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。的关键部件。提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动。速射流推动液体在搅拌

13、容器内循环流动。流体循环流动的途径。流体循环流动的途径。定义定义功能功能 原理原理 流型流型 一、流型一、流型 流型与搅拌的关系流型与搅拌的关系 流型与搅拌效果、搅拌功流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切。搅拌率的关系十分密切。搅拌器的改进和新型搅拌器的器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手。开发往往从流型着手。流型决定因素流型决定因素 取决于搅拌器的形式、取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内构件几何搅拌容器和内构件几何特征，以及流体性质、特征，以及流体性质、搅拌器转速等因素。搅拌器转速等因素。搅拌机顶插式中心安装搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型立式圆筒的三种基本流型流型流型径向流径

14、向流 轴向流轴向流 切向流切向流 图图8-18搅拌器与流型搅拌器与流型（a）径向流）径向流（a）径向流）径向流流体流动方向垂流体流动方向垂直于搅拌轴，直于搅拌轴，沿沿径向流动径向流动，碰到，碰到容器壁面分成二容器壁面分成二股流体分别向上、股流体分别向上、向下流动，再回向下流动，再回到叶端，不穿过到叶端，不穿过叶片，形成上、叶片，形成上、下二个循环流动。下二个循环流动。图图8-18搅拌器与流型搅拌器与流型（b）轴向流）轴向流（b）轴向流）轴向流流体流动方向流体流动方向平行于搅拌轴平行于搅拌轴，流体由桨叶推流体由桨叶推动，使流体向动，使流体向下流动，遇到下流动，遇到容器底面再向容器底面再向上翻，形

15、成上上翻，形成上下循环流。下循环流。图图8-18搅拌器与流型搅拌器与流型（c）切向流）切向流（c）切向流）切向流无挡板的容器内，无挡板的容器内，流体流体绕轴作旋转绕轴作旋转运动运动，流速高时，流速高时液体表面会液体表面会形成漩涡，流体形成漩涡，流体从桨叶周围周向从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的卷吸至桨叶区的流量很小，混合流量很小，混合效果很差。效果很差。 上述三种流型通常同时存在上述三种流型通常同时存在 轴向流与径向流对混合起主要作用轴向流与径向流对混合起主要作用 切向流应加以抑制切向流应加以抑制采用挡板可削弱切向流，采用挡板可削弱切向流，增强轴向流和径向流。增强轴向流和径向流。n 除中心安装的搅

16、拌机外，还有偏心式、底插式、除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、 侧插式、斜插式、卧式等安装方式，见图侧插式、斜插式、卧式等安装方式，见图8-19。n 不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。不同方式安装的搅拌机产生的流型也各不相同。 三点注意：三点注意：图图8-19 搅拌器在容器内的安装方式搅拌器在容器内的安装方式(a) 垂直垂直偏心式偏心式（b） 底插式底插式（c） 侧插式侧插式（d） 斜插式斜插式（e） 卧式卧式（1）挡板）挡板 目的目的打漩打漩物料粘度小，搅拌转速高，物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，作用下涌向内壁面

17、并上升，中心部分液面下降，形成漩中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。涡，称为打漩区。二、挡板与导流筒二、挡板与导流筒 消除打漩和提高混合效果。消除打漩和提高混合效果。后果后果随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混空气进入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，混合效果降低。合效果降低。l 一般在容器内壁面均匀安装一般在容器内壁面均匀安装4块挡板块挡板l 宽度为容器直径的宽度为容器直径的1/121/10。挡板的数量及尺寸挡板的数量及尺寸当再增加挡板数和挡板宽度，而功率消耗不再增加时，当再增加挡板数和挡板宽度，而功

18、率消耗不再增加时，称为称为全挡板条件全挡板条件。全挡板条件与挡板数量和宽度有关。全挡板条件与挡板数量和宽度有关。搅拌容器中的传热蛇管可部分或搅拌容器中的传热蛇管可部分或全部代替挡板，装有垂直换热管全部代替挡板，装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。时一般可不再安装挡板。 图图8-20 挡挡 板板 （2）导流筒）导流筒作用作用 上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。起导流作用。图图8-21 导流筒导流筒结构结构 通常导流筒上端低于静液面，筒通常导流筒上端低于静液面，筒身上开孔或槽，当液面降落后流身上开孔或槽，当液面降落后流体仍可从孔或槽进入导流

19、筒。体仍可从孔或槽进入导流筒。导流筒将搅拌容器截面分成面积导流筒将搅拌容器截面分成面积相等的两部分，导流筒直径约为相等的两部分，导流筒直径约为容器直径的容器直径的70%。当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器导流筒的下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器的直径。的直径。流动特性流动特性 搅拌器从电动机获得机械能，推动物料搅拌器从电动机获得机械能，推动物料(流体流体)运动。运动。搅拌器对流体产生二种作用，搅拌器对流体产生二种作用，剪切剪切作用和作用和循环循环作用。作用。 剪切作用与液剪切作用与液液搅拌体系

20、中液滴的细化、液搅拌体系中液滴的细化、固固液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气液液搅拌体系中气泡的细微化有关。搅拌体系中气泡的细微化有关。 当输入液体的能量主要用于对流体的剪切当输入液体的能量主要用于对流体的剪切作用时，则称为剪切型叶轮，如径向涡轮式、作用时，则称为剪切型叶轮，如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。锯齿圆盘式等。流动特性流动特性 搅拌器从电动机获得机械能，推动物料搅拌器从电动机获得机械能，推动物料(流体流体)运动。运动。搅拌器对流体产生二种作用，搅拌器对流体产生二种作用，剪切剪切作用和作用和循环循环作用。作用。循环作用与混合时间、传热、固体的悬浮等相循环作用与

21、混合时间、传热、固体的悬浮等相关。关。当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环作用时，称为循环型叶轮，如框式、螺带式、锚式、作用时，称为循环型叶轮，如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等为循环型叶轮。桨式、推进式等为循环型叶轮。8.2.3.2 搅拌器分类、图谱及典型搅拌器特性搅拌器分类、图谱及典型搅拌器特性 一、搅拌器分类一、搅拌器分类 按流体流动形态按流体流动形态轴向流搅拌器轴向流搅拌器 径向流搅拌器径向流搅拌器 混合流搅拌器混合流搅拌器 按结构分为按结构分为平平 叶叶 折折 叶叶 螺旋面叶螺旋面叶 桨式、涡轮式、框式桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶都有平

22、和锚式的桨叶都有平叶和折叶两种结构叶和折叶两种结构推进式、螺杆式和螺带推进式、螺杆式和螺带式的桨叶为螺旋面叶式的桨叶为螺旋面叶按搅拌按搅拌用途分为用途分为低低粘流体粘流体用搅拌用搅拌器器高高粘流体粘流体用搅拌用搅拌器器低粘流体搅拌器有：低粘流体搅拌器有：推进式、长薄叶螺旋桨、推进式、长薄叶螺旋桨、桨式、开启涡轮式、圆盘桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式、框桨式、三叶后弯式、MIG和改进和改进MIG等。等。高粘流体搅拌器有：高粘流体搅拌器有：锚式、框式、锯齿圆盘式、锚式、框式、锯齿圆盘式、螺旋桨式、螺带式（单螺螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带）、

23、螺旋一螺带、双螺带）、螺旋一螺带式等。带式等。图图8-22 搅拌器流型分类图谱搅拌器流型分类图谱二、二、几种常用搅拌器几种常用搅拌器 1. 桨式搅拌器桨式搅拌器 图图8-23 桨式搅拌器桨式搅拌器 结构最简单。结构最简单。 叶片用扁钢制成，焊接或用叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数螺栓固定在轮毂上，叶片数是是2、3或或4片，叶片形式可分片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。为平直叶式和折叶式两种。主要应用主要应用 液液液系中用于防止分离液系中用于防止分离、使罐的温度均一，、使罐的温度均一，固固液系中多用于防止固体沉降。液系中多用于防止固体沉降。 主要用于流体的循环，由于在同样排

24、量下，主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，折叶式比平直叶式的功耗少，操作费用低，故故轴流桨叶使用较多轴流桨叶使用较多。 也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。果。桨式搅拌器的转速一般为桨式搅拌器的转速一般为20100r/min，最高粘度为最高粘度为20Pas。其常用参数见表。其常用参数见表8-5。缺点缺点不能用于以保持气体和以细微化为目的不能用于以保持气体和以细微化为目的的气一液分散操作中。的气一液分散操作中。表表8-5 桨式搅拌器常

25、用参数桨式搅拌器常用参数注：注：n转速；转速；v叶端线速度；叶端线速度；Bn叶片数；叶片数； d搅拌器直径；搅拌器直径；D容器内径；容器内径；折叶角。折叶角。2. 推进式搅拌器推进式搅拌器 推进式搅拌器（又称船用推进器）推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低粘流体中。常用于低粘流体中。图图8-24 推进式搅拌器推进式搅拌器结结 构构 标准推进式搅拌器有三瓣叶标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径片，其螺距与桨直径d相等。相等。它直径较小，它直径较小，d/D=1/41/3，叶端速度一般为叶端速度一般为710m/s，最高达最高达15m/s搅拌时搅拌时流体由桨叶上方吸入，下方以圆流体由桨叶上方吸

26、入，下方以圆 筒状螺旋形排出，流体至容器底筒状螺旋形排出，流体至容器底 再沿壁面返至桨叶上方，形成轴再沿壁面返至桨叶上方，形成轴 向流动。向流动。特点特点搅拌时流体的湍流程度不高，循环量搅拌时流体的湍流程度不高，循环量 大，结构简单，制造方便。大，结构简单，制造方便。 循环性能好，剪切作用不大，循环性能好，剪切作用不大，属于属于循环型循环型搅拌器。搅拌器。应应 用用 n 粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。获得较好的搅拌效果。n 主要用于液主要用于液液系混合、使温度均匀，在低浓度液系混合、使温度均匀，在低浓度固固液系中防止淤泥

27、沉降等。液系中防止淤泥沉降等。改改 进进 容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、容器内装挡板、搅拌轴偏心安装、搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。常用参数见表常用参数见表8-6 表表8-6 推进式搅拌器常用参数推进式搅拌器常用参数3. 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 图图8-25 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器（又称透涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮），是应用较平式叶轮），是应用较广的一种搅拌器，能有广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。见图范围很广的流体。见图8-25。涡轮式搅涡轮式搅拌器分为拌器分为开开

28、式式盘盘 式式开式有：开式有：平直叶、斜叶、弯叶等。平直叶、斜叶、弯叶等。叶片数为叶片数为2叶和叶和4叶。叶。盘式有：盘式有：圆盘平直叶、圆盘斜圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。叶叶、圆盘弯叶等。叶片数常为片数常为6叶。叶。为改善流动状况，为改善流动状况，有时把桨叶制成凹形或箭形。有时把桨叶制成凹形或箭形。应应 用用 涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液体的混合、液液分散、液液分散、液固悬浮，以及促固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。进良好的传热、传质和化学反

29、应。平直叶平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯弯 叶叶指叶片朝着流动方向弯曲，可降低指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。粒的流体搅拌。表表8-7 涡轮式搅拌器常用参数涡轮式搅拌器常用参数4. 锚式搅拌器锚式搅拌器 图图8-26 锚式搅拌器锚式搅拌器结构简单。结构简单。适用于粘度在适用于粘度在100Pas以下的流体搅拌，当流以下的流体搅拌，当流体粘度在体粘度在10100Pas时，可在锚式桨中间加时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部拌器，以增加容器中部的混

30、合。的混合。应用应用锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合要求不太高的场合。用于对混合要求不太高的场合。 由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅由于锚式搅拌器在容器壁附近流速比其它搅拌器大，能得到大的表面传热系数，故常用拌器大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。于传热、晶析操作。 常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。 当搅拌粘度大于当搅拌粘度大于100Pas的流体时，应采用的流体时，应采用螺带式或螺杆式。螺带式或螺杆式。表表8-8 锚式搅拌器常用参数锚式搅拌器常用参数8.2.3.3 搅拌器的选用搅拌器

31、的选用 选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。方便等因素。搅拌器选型一般搅拌器选型一般从三个方面考虑从三个方面考虑搅拌目的搅拌目的搅拌容器容积的大小搅拌容器容积的大小物料粘度物料粘度一、按搅拌目的选型一、按搅拌目的选型 仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表8-9。表表8-9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式搅拌目的与推荐的搅拌器形式表表8-9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续）二、按搅拌器型式和适用条件选型二、按搅拌器型式和适

32、用条件选型 推进式搅拌器推进式搅拌器 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器 桨式搅拌器桨式搅拌器 用于低粘度流体的混合，循环能力用于低粘度流体的混合，循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容强，动力消耗小，可应用到很大容积的搅拌容器中。积的搅拌容器中。应用范围较广，各种搅拌操作都应用范围较广，各种搅拌操作都适用，但流体粘度不宜超过适用，但流体粘度不宜超过50Pas。结构简单，在小容积的流体混合中结构简单，在小容积的流体混合中应用较广，对大容积的流体混合，应用较广，对大容积的流体混合，循环能力不足。循环能力不足。锚式、螺杆式、螺带式锚式、螺杆式、螺带式适用于高粘流体的混合。适用于高粘流体的混合。 表表8-10

33、是以是以操作目的操作目的和搅拌器和搅拌器流动流动状态状态选用搅拌器的。选用搅拌器的。表表8-10 搅拌器型式和适用条件搅拌器型式和适用条件628.2.3.5 生物反应物料特性及搅拌器生物反应物料特性及搅拌器 生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器如：青霉素生产过程中用到如：青霉素生产过程中用到的种子罐和主发酵罐常采用的种子罐和主发酵罐常采用机械搅拌。机械搅拌。生物反应与化学反应的不同生物反应与化学反应的不同处理对象不同处理对象不同如：反应器（俗称发酵罐）如：反应器（俗称发酵罐）处理对象是微生物，它的繁处理对象是微生物，它的繁殖、生长，与化学反应过程殖、生长，与

34、化学反应过程有很大的区别。有很大的区别。（1）生物反应器都是在多相体系中进行的）生物反应器都是在多相体系中进行的绝大多数生物反应体系包括绝大多数生物反应体系包括气气液液固固三相，三相，即空气或即空气或CO2等气体产物、液态培养基和生等气体产物、液态培养基和生物细胞及其载体颗粒，如青霉素、链霉素、物细胞及其载体颗粒，如青霉素、链霉素、头孢菌素等医药产品。头孢菌素等医药产品。发酵液的特点是：发酵液的特点是：a） 粘度是变化的。粘度是变化的。发酵开始时，发酵液的粘度发酵开始时，发酵液的粘度 一般不大，流体属牛一般不大，流体属牛顿型流体，但随着发酵的进行，菌体不断繁殖和顿型流体，但随着发酵的进行，菌体

35、不断繁殖和代谢物的不断产生，发酵液的粘度不断增加，流代谢物的不断产生，发酵液的粘度不断增加，流体从牛顿型流体变成非牛顿型流体；体从牛顿型流体变成非牛顿型流体；b）生物颗粒具有生命活力。）生物颗粒具有生命活力。它从环境中提取营养、获得能量、自我繁殖。其它从环境中提取营养、获得能量、自我繁殖。其形态可能随着加工过程的进行而变化，如从丝状形态可能随着加工过程的进行而变化，如从丝状变为圆球状，从单细胞到絮凝细胞团等。变为圆球状，从单细胞到絮凝细胞团等。（2）大多数生物颗粒）大多数生物颗粒对剪切力非常敏感对剪切力非常敏感，剪切作用，剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例，因此对可能影响细胞的生成速率和

36、组成比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在一定的范围内。搅拌产生的剪切力要控制在一定的范围内。（3）大多数微生物发酵需要氧气。）大多数微生物发酵需要氧气。氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度就会导致菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的供应就成为十分突出的问题。极低，因此氧气的供应就成为十分突出的问题。生物反应搅拌过程要求：生物反应搅拌过程要求：1）打碎空气气泡，使气泡细化以增加气液接触界）打碎空气气泡，使气泡细化以增加气液接触界面，提高气液面的传质速率；面，提高气液面的传质速率；2）发酵液要有

37、较大的流动循环量，使液体中的固）发酵液要有较大的流动循环量，使液体中的固形物保持悬浮状态。形物保持悬浮状态。结论结论1. 搅拌器既要有较强剪切力，又要有较大的搅拌器既要有较强剪切力，又要有较大的流体循环特性。流体循环特性。2. 往往采用径向流和轴向流相结合的多层搅往往采用径向流和轴向流相结合的多层搅拌器组合式搅拌系统。拌器组合式搅拌系统。前景前景u 生物技术产品的应用范围不断扩展，已广泛应用生物技术产品的应用范围不断扩展，已广泛应用于医药工业、食品工业、农业、环境保护等领域。于医药工业、食品工业、农业、环境保护等领域。u 作为生物反应过程的核心设备生物反应器，更是作为生物反应过程的核心设备生物

38、反应器，更是生物反应工程研究的中心内容。生物反应工程研究的中心内容。u 近年来提出了生物反应器工程，研究的内容包括近年来提出了生物反应器工程，研究的内容包括生物反应特性、生物反应器结构、操作条件与混生物反应特性、生物反应器结构、操作条件与混合、传质、传热的关系；生物反应器的设计与放合、传质、传热的关系；生物反应器的设计与放大、生物反应器的优化操作与控制等，可以预见大、生物反应器的优化操作与控制等，可以预见生物反应器将得到更快的发展。生物反应器将得到更快的发展。8.2.3.4 搅拌功率计算搅拌功率计算 搅拌功率搅拌功率 搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功

39、并使之发生流动所需的功率。并使之发生流动所需的功率。计算搅拌功率的计算搅拌功率的目的目的u用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度；用于设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度；u用于选择电机和减速机等传动装置。用于选择电机和减速机等传动装置。影响搅拌功率的因素很多，主要有以下四个方面：影响搅拌功率的因素很多，主要有以下四个方面：1. 搅拌器的几何尺寸与转速搅拌器的几何尺寸与转速 搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶倾斜角、转速、单搅拌器直径、桨叶宽度、桨叶倾斜角、转速、单个搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等。个搅拌器叶片数、搅拌器距离容器底部的距离等。2. 搅拌容器的结构搅拌容器的结构 容器内径、液

40、面高度、挡板数、挡板宽度、导流容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、导流筒的尺寸等筒的尺寸等3. 搅拌介质的特性搅拌介质的特性 液体的密度、粘度。液体的密度、粘度。4. 重力加速度重力加速度上述影响因素可用下式关联上述影响因素可用下式关联:,.),()()(53DhDBDdfFRKdnPNqrreP（8-1）式中式中 B 桨叶宽度，桨叶宽度，m； d 搅拌器直径，搅拌器直径，m； D 搅拌容器内直径，搅拌容器内直径，m； 弗劳德数。弗劳德数。rFgdnFr2h 液面高度，液面高度，m；K 系数；系数；n 转速，转速，1/s； 功率准数；功率准数；P 搅拌功率，搅拌功率，W；r，q 指数；指数；

41、 雷诺数，雷诺数， ； 密度，密度，kg/m； 粘度，粘度，Pas。pNeRndRe2一般情况下弗鲁劳德数一般情况下弗鲁劳德数Fr的影响较小。容器内的影响较小。容器内径径D、挡板宽度、挡板宽度b等几何参数可归结到系数等几何参数可归结到系数K由由式式(8-1)得搅拌功率得搅拌功率P为：为：53dnNPP（8-2）上式中上式中 为已知数，故计算搅拌功率的关为已知数，故计算搅拌功率的关键是求得功率准数键是求得功率准数 。在特定的搅拌装置上，可。在特定的搅拌装置上，可以测得功率准数以测得功率准数 与雷诺数与雷诺数 的关系。的关系。将此关系绘于双对数坐标图上即得功率曲线。将此关系绘于双对数坐标图上即得功

42、率曲线。dn、pNpNeR图图8-27 六种搅拌器的功率曲线（全挡板条件）六种搅拌器的功率曲线（全挡板条件）图图8-27 六种搅拌器的功率曲线（全挡板条件）六种搅拌器的功率曲线（全挡板条件）图（图（8-27）为六种搅拌器的功率曲线。功率准数）为六种搅拌器的功率曲线。功率准数NP随随雷诺数雷诺数Re变化。变化。低雷诺数（低雷诺数（Re10），层流区：），层流区：流体不会打漩，重力影响可忽略，功率曲线为斜率流体不会打漩，重力影响可忽略，功率曲线为斜率-1的的直线；直线；10Re10000，过渡流区：，过渡流区：功率曲线为一下凹曲线；功率曲线为一下凹曲线；Re10000，充分湍流区：，充分湍流区：功

43、率曲线呈一水平直线，即功率曲线呈一水平直线，即NP与与Re无关，保持不变。无关，保持不变。用式（用式（8-2）计算搅拌功率时，功率准数）计算搅拌功率时，功率准数NP 可直接从可直接从图图8-27查得。查得。图图8-27所示功率曲线只适用于图示六种搅拌器的所示功率曲线只适用于图示六种搅拌器的几何比例关系。几何比例关系。如果比例关系不同，功率准数如果比例关系不同，功率准数NP也不同。也不同。不同比例关系搅拌装置的功率曲线，请参见文不同比例关系搅拌装置的功率曲线，请参见文献献67第第145146页。页。上述功率曲线是在单一液体下测得的。上述功率曲线是在单一液体下测得的。几点注意：几点注意：对于非均相

44、的液对于非均相的液液或液液或液固系统，用上述功固系统，用上述功率曲线计算时，需用混合物的平均密度率曲线计算时，需用混合物的平均密度 和和修正粘度修正粘度 代替式（代替式（8-2）中的）中的 。、 计算气计算气液两相系统搅拌功率时，搅拌功液两相系统搅拌功率时，搅拌功率与通气量的大小有关。率与通气量的大小有关。 通气时，气泡的存在降低了搅拌液体的有通气时，气泡的存在降低了搅拌液体的有效密度，与不通气相比，搅拌功率要低得多。效密度，与不通气相比，搅拌功率要低得多。解决办法：解决办法： 例例8-1 搅拌反应器的筒体内直径为搅拌反应器的筒体内直径为1800mm，采用六，采用六 直叶圆盘涡轮式搅拌器，搅拌

45、器直径直叶圆盘涡轮式搅拌器，搅拌器直径600mm， 搅拌轴转速搅拌轴转速160r/min。容器内液体的密度为。容器内液体的密度为 1300kg/m，粘度为，粘度为0.12Pas。试求：。试求： 1）搅拌功率；）搅拌功率；2）改用推进式搅拌器后的搅拌）改用推进式搅拌器后的搅拌 功率。功率。3 .1040112. 06 . 0667. 21300R1667s. 2min/160rn600mmds12Pa. 0m/1300kg22e13ndRe计算雷诺数）（，已知解：由图由图8-27功率曲线功率曲线1查得，查得， =6.3按式按式8-2计算搅拌功率计算搅拌功率pNkWdnNPP08.126 . 06

46、67. 213003 . 65353（2）改用推进式搅拌器，雷诺数不变，由图）改用推进式搅拌器，雷诺数不变，由图8-27功功 率曲线率曲线3查得，查得， =1.0。搅拌功率为。搅拌功率为pNkWdnNPP92. 16 . 0667. 213000 . 15353设计搅拌轴应考虑的四个因素：设计搅拌轴应考虑的四个因素： 扭转变形；扭转变形； 临界转速；临界转速； 扭矩和弯矩联合作用下的强度；扭矩和弯矩联合作用下的强度； 轴封处允许的径向位移。轴封处允许的径向位移。上述因素计算所上述因素计算所得的轴径是指危得的轴径是指危险截面处的直径险截面处的直径确定轴的实际直径确定轴的实际直径时，还得考虑腐蚀时

47、，还得考虑腐蚀裕量，最后把直径裕量，最后把直径圆整为标准轴径。圆整为标准轴径。一、搅拌轴的力学模型一、搅拌轴的力学模型 对搅拌轴设定：对搅拌轴设定：（1）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴）刚性联轴器联接的可拆轴视为整体轴;（2）搅拌器及轴上的其它零件（附件）的重力、）搅拌器及轴上的其它零件（附件）的重力、 惯性力、流体作用力均作用在零件轴套的中惯性力、流体作用力均作用在零件轴套的中 部部;（3）轴受扭矩作用外，还考虑搅拌器上流体的径）轴受扭矩作用外，还考虑搅拌器上流体的径 向力以及搅拌轴和搅拌器（包括附件）在组向力以及搅拌轴和搅拌器（包括附件）在组 合重心处质量偏心引起的离心力的作用。合重心处

48、质量偏心引起的离心力的作用。图图8-28悬臂轴受力模型悬臂轴受力模型图图8-29单跨轴受力模型单跨轴受力模型二、按扭转变形计算搅拌轴的轴径二、按扭转变形计算搅拌轴的轴径搅拌轴受扭矩和弯矩的联合作用，扭转变形过大会搅拌轴受扭矩和弯矩的联合作用，扭转变形过大会造成轴的振动，使轴封失效。造成轴的振动，使轴封失效。应将轴单位长度最大扭转角应将轴单位长度最大扭转角限制在允许范围内。限制在允许范围内。轴扭矩的刚度条件为轴扭矩的刚度条件为)1 (6 .58344maxGdMn（8-3）式中式中 d 搅拌器直径，搅拌器直径，m； G 轴材料剪切弹性模量，轴材料剪切弹性模量，Pa； 轴传递的最大扭矩，轴传递的最

49、大扭矩，Nm； n 搅拌轴转速，搅拌轴转速，r/min； 电机功率，电机功率，kW； a 空心轴内径和外径的比值；空心轴内径和外径的比值； 传动装置的效率；传动装置的效率； 许用扭转角。对于悬臂梁许用扭转角。对于悬臂梁 对于单跨梁对于单跨梁maxnMnPMnn9553maxnP mo/35. 0 mo/7 . 0故搅拌轴的直径为故搅拌轴的直径为414max)1 (92. 4GMdn（8-4）三、按临界转速校核搅拌轴的直径三、按临界转速校核搅拌轴的直径临界转速临界转速 搅拌轴的转速达到轴自振频率，发生强搅拌轴的转速达到轴自振频率，发生强 烈振动，并出现很大弯曲时的转速。烈振动，并出现很大弯曲时的

50、转速。cn刚性轴刚性轴工作转速工作转速低于低于 第一临界转速的轴第一临界转速的轴柔性轴柔性轴工作转速工作转速大于大于 第一临界转速的轴第一临界转速的轴工程上要求工程上要求搅拌轴的工搅拌轴的工作转速避开作转速避开临界转速临界转速cnn7 . 0cnn3 . 1cn一般搅拌轴的工作转速较低，大都为一般搅拌轴的工作转速较低，大都为低于第一临界转速下工作的刚性轴。低于第一临界转速下工作的刚性轴。小轴小轴的计算方法的计算方法 把轴理想化为无质量的带有圆盘的转子系统把轴理想化为无质量的带有圆盘的转子系统来计算轴的临界转速。来计算轴的临界转速。轴径细，长度短，质量小轴径细，长度短，质量小大轴大轴的计算方法的