1、 第九章 反应设备反应设备第一节、概述 目录第二节、机械搅拌反应器第三节、机械搅拌设备技术进展概况反应设备反应设备化学反应器：化学反应器：生物反应器：生物反应器：在其中实现一个或几个在其中实现一个或几个化化学反应学反应，并使反应物通过，并使反应物通过化学反应转变为反应产物化学反应转变为反应产物的设备。的设备。为为细胞或酶细胞或酶提供适宜的提供适宜的反应环境反应环境以达到细胞生长以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。代谢和进行反应的设备。前处理前处理：进入反应设备前，原料需要经过一系列的预：进入反应设备前，原料需要经过一系列的预处理，如混合、加热、灭菌等，以达到进入反应器的处理，如混合、加热、灭菌
2、等，以达到进入反应器的要求，该过程统称为前处理。要求，该过程统称为前处理。后处理后处理：反应产物同样需要经过分离、提纯等过程统：反应产物同样需要经过分离、提纯等过程统称为后处理称为后处理 原料原料前处理前处理化学反应化学反应后处理后处理产品产品循环循环排污排污排气排气图图8-1 化工生产的典型流程化工生产的典型流程反应设备是过程工业的核心设备。反应设备是过程工业的核心设备。二、常见反应器的特点一、反应器分类第一节 概述2.2.按操作方式：按操作方式：一、反应器分类一、反应器分类（一）化学反应器分类（一）化学反应器分类 均相反应器：均相反应器：非均相反应器：非均相反应器：1.按物料相态：按物料相
3、态：间歇式间歇式连续式连续式半连续式半连续式反应物与生成物为同一相反应物与生成物多于一相4.4.按设备结构特征：按设备结构特征：搅拌釜式、管式、固定床搅拌釜式、管式、固定床 、流化床式、流化床式连续稳定流入反应器的物料在连续稳定流入反应器的物料在强强烈的搅拌烈的搅拌下与反应器中的物料下与反应器中的物料瞬瞬间达到完全混合间达到完全混合。3.按物料流动状态：按物料流动状态：活塞流型：活塞流型：全混流型：全混流型：连续稳定流入反应器的流体，在连续稳定流入反应器的流体，在垂直于流动方向垂直于流动方向的任一截面上，的任一截面上，各质点的各质点的流速完全相同流速完全相同，平行向，平行向前流动，恰似汽缸中活
4、塞的移动，前流动，恰似汽缸中活塞的移动，故称为活塞流。故称为活塞流。（二）生物反应器分类 1.按反应器的操作方式：间歇操作、连续 操作、半连续操作式 2.按输入搅拌器的能量方式：机械方式输入、气体喷射输入式3.根据反应物系在反应器内的流动状态：活塞流反应器、全混流式 4.按反应器结构特征：机械搅拌式、气升式、流化床、固定床式。1.1.机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器 这种反应器可用于均相反应，也这种反应器可用于均相反应，也可用于多相反应，可以间歇操作，可用于多相反应，可以间歇操作，也可以连续操作。也可以连续操作。2.2.管式反应器管式反应器 结构简单，制造方便。用于连续结构简单，制造方便。用于
5、连续生产，也可用于间歇操作，反应物生产，也可用于间歇操作，反应物不返混，可在高温高压下操作。不返混，可在高温高压下操作。二、常见反应器的特点3.3.固定床反应器：固定床反应器：（1 1）定义：）定义：气体流经气体流经固定不动的催化剂床层固定不动的催化剂床层进行催化进行催化反应的装置反应的装置（2 2）基本形式）基本形式:轴向绝热式、径向绝热式、列管式轴向绝热式、径向绝热式、列管式。缺点是：床层的温度分布缺点是：床层的温度分布不均匀。由于固相粒子不不均匀。由于固相粒子不动，床层导热性较差。动，床层导热性较差。4.4.移动床反应器：移动床反应器：（1 1）定义：固体）定义：固体催化剂催化剂连续加入
6、连续加入，反应物反应物反应后反应后连续连续排出排出。（2 2）优点：固体和流体的）优点：固体和流体的停留时间停留时间可以在较大范围内可以在较大范围内改变，固体和流体的运动接近活塞流，改变，固体和流体的运动接近活塞流，返混较少返混较少。5.5.流化床反应器流化床反应器（1 1）定义：）定义：流体以较高的流速通过床层，带动床内的流体以较高的流速通过床层，带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主流体中进行反应。固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主流体中进行反应。（2 2）优点）优点：传热面积大、传热系数高和传热效果好。：传热面积大、传热系数高和传热效果好。（3 3）缺点）缺点：反应器内物料返混大，离子
7、磨损严重；要：反应器内物料返混大，离子磨损严重；要有回收和集尘装置；内构件比较复杂；操作要求高等。有回收和集尘装置；内构件比较复杂；操作要求高等。二、搅拌容器 一、基本结构第二节机械搅拌反应器六、传动装置 五、密封装置 三、搅拌器 四、搅拌轴设计 一、基本结构一、基本结构筒体筒体换热元件换热元件内构件内构件搅拌反应器搅拌反应器搅拌容器搅拌容器搅拌机搅拌机搅拌轴搅拌轴密封装置密封装置搅拌器搅拌器传动装置传动装置1电动机；电动机；2减速机；减速机；3机架；机架；4人孔；人孔；5密封装置；密封装置；6进料口；进料口；7上封头；上封头；8筒体：筒体：9联轴器；联轴器；10搅拌轴；搅拌轴；11夹套；夹套
8、；12载热介质出口；载热介质出口；13挡板；挡板；14螺旋导流板；螺旋导流板；15轴向流搅拌器；轴向流搅拌器；16径向流搅拌器；径向流搅拌器；17气体分布器；气体分布器；18下封头；下封头；19出料口；出料口；20载热介质进口；载热介质进口；21气体进口气体进口图图17-1 通气式搅拌反应器通气式搅拌反应器典型结构典型结构工作原理工作原理(1)(1)作用作用：为物料提供合适：为物料提供合适的空间的空间(2)(2)筒体筒体：基本上是圆筒：基本上是圆筒 （3 3）封头封头：常用：常用椭圆形椭圆形封头封头、锥形封头锥形封头和和平盖平盖，以椭圆，以椭圆形封头应用最广。形封头应用最广。（4 4）容器上装
9、有各种）容器上装有各种接接管管，以满足进出料、排气等要求。，以满足进出料、排气等要求。（5 5）外加套和内盘管外加套和内盘管：制作选用应考虑容器的大小和安制作选用应考虑容器的大小和安装位置。装位置。二、搅拌容器 （6 6）容积的确定）容积的确定 确定容积时，应考虑确定容积时，应考虑物料的物料的装料系数装料系数，其值，其值常取常取0.6-0.850.6-0.85 当反应过程中产生泡当反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态时，取沫或呈沸腾状态时，取0.6-0.70.6-0.7；反应过程比较平稳时，反应过程比较平稳时，取取0.8-0.850.8-0.85。（7 7）工艺设计的给定容积：）工艺设计的给定容积：
10、直立式搅拌容器直立式搅拌容器：指：指筒体筒体和和下封下封头头两部分容积之和；两部分容积之和；卧式搅拌容器卧式搅拌容器：指：指筒体筒体和和左右左右两封头两封头容积之和容积之和 .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种类种类罐内物料类型罐内物料类型高径比高径比一般搅拌罐一般搅拌罐液液-固相、液液相固相、液液相11.3气液相气液相12聚合釜聚合釜悬浮液、乳化液悬浮液、乳化液2.083.85发酵罐类发酵罐类发酵液发酵液1.72.5 设计时，根据搅拌容器的设计时，根据搅拌容器的容积容积、所选用筒体、所选用筒体的的高径比高径比，就可，就可确定确定出筒体出筒体直径直径和和高度高度。三
11、、三、换热元件换热元件1.作用：维持反应的最佳温度。作用：维持反应的最佳温度。2.类型：类型：夹套夹套和和内盘管内盘管。优先采用夹套。优先采用夹套原因原因：可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效面积。：可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效面积。（一）夹套结构（一）夹套结构 所谓夹套就是在容器的外侧，装设的各种形式的钢结所谓夹套就是在容器的外侧，装设的各种形式的钢结构。构。夹套的主要结构有：夹套的主要结构有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套套和和蜂窝夹套蜂窝夹套。圆筒和下封头都包有夹套，传圆筒和下封头都包有夹套，传热面积大，最常用结构热面积大，最常用结构1.整体夹套整
12、体夹套 圆筒型圆筒型U型型仅圆筒部分有，传热面积较仅圆筒部分有，传热面积较小，适用于换热量要求不大小，适用于换热量要求不大的场合的场合ttjDDDjDjttjDDDjDj图图17-2 整体夹套整体夹套(a)圆筒型圆筒型(b)U型型思考：夹套思考：夹套中加挡板的中加挡板的作用？作用？连接方式连接方式可拆卸式可拆卸式不可拆卸式不可拆卸式用于夹套内载热介质易结用于夹套内载热介质易结垢、需经常清洗的场合。垢、需经常清洗的场合。夹套肩与筒体的夹套肩与筒体的联接处联接处，做成锥形的称为做成锥形的称为封口锥封口锥，做成环形的称为做成环形的称为封口环封口环，见图见图8-9。d1t1t2t1t2d1t3t1t1
13、t2t2t1d1d1封口环封口环图图17-4 夹套底夹套底与封头连接结构与封头连接结构封口锥封口锥1.1.在筒体上焊接在筒体上焊接螺旋导流板螺旋导流板，以减小流道截面积，增加，以减小流道截面积，增加冷却水流速。冷却水流速。2.2.进出口安装进出口安装扰流喷嘴扰流喷嘴，提高传热系数。，提高传热系数。3.3.夹套的不同高度处安装夹套的不同高度处安装切向进口切向进口，提高冷却水的流速，提高冷却水的流速，增加传热系数。增加传热系数。载热介质流通特点载热介质流通特点 载热介质流经夹套与筒体的环形面积，流道面积大、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。流速低、传热性能差。提高传
14、热效率的措施：提高传热效率的措施：2型钢夹套型钢夹套 构成构成角钢与筒体焊接组成。角钢与筒体焊接组成。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，弯曲成螺旋形弯曲成螺旋形时加工难度大时加工难度大图图8-11 型钢夹套结构型钢夹套结构(a)螺旋形角钢互搭式螺旋形角钢互搭式(b)角钢螺旋形缠绕角钢螺旋形缠绕3半圆管夹套半圆管夹套 特性特性 由由半圆管或弓形管半圆管或弓形管布置在筒外侧。布置在筒外侧。缺点：焊缝多，焊接工作量大，缺点：焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时易造成焊接筒体较薄时易造成焊接 变形。变形。结构结构螺旋形缠绕在筒体外侧
15、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图图8-12 半圆管夹套二种结构半圆管夹套二种结构(a)半圆管半圆管图图8-12 弓形管夹套二种结构弓形管夹套二种结构bL3L2Lt1L3(a)螺旋形缠绕螺旋形缠绕图图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(b)平行排管平行排管Dt14蜂窝夹套蜂窝夹套 特点特点以整体夹套为基础，采取以整体夹套为基础，采取折边或短管折边或短管等加强措施；等加强措施；提高筒体的提高筒体的刚度刚度和夹套的和夹套的承压能力承压能力，减少
16、流道面积；，减少流道面积；减薄筒体壁厚，减薄筒体壁厚，强化传热强化传热效果。效果。结构结构折边式折边式拉撑式拉撑式图图17-8 折边式蜂窝夹套折边式蜂窝夹套夹套向内折边与筒夹套向内折边与筒体贴合好体贴合好,再进行再进行焊接的结构焊接的结构 D1t1D2t2bAA向向D1t1D2edminb用冲压的小锥体用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。或钢管做拉撑体。蜂窝孔在筒体上蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角呈正方形或三角形布置形布置 图图17-9 短管支撑式蜂窝夹套短管支撑式蜂窝夹套 （二）内盘管（二）内盘管可分为可分为螺旋形盘管螺旋形盘管和和竖式蛇管竖式蛇管。如图如图优点：热损失小，传热效果好优点：热损失小，
17、传热效果好缺点：检修较困难。缺点：检修较困难。三、搅拌器三、搅拌器（一）（一）搅拌器搅拌器与流动特征与流动特征 定义定义作用作用搅拌器又称搅拌桨或搅拌搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的叶轮，是搅拌反应器的关关键部件。键部件。提供过程所需要的提供过程所需要的能量能量和适宜和适宜的的流动状态流动状态。搅拌器与流动特征搅拌器与流动特征 原理原理搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形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，并产生一股高速射流推动液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体在搅拌容器内循环流动循环流动。流型流型流体循环流动的
18、途径。流体循环流动的途径。1.流型流型流型决定因素流型决定因素 取决于取决于搅拌器的形式搅拌器的形式、搅拌搅拌容器容器和和内构件几何特征内构件几何特征，以，以及及流体性质流体性质、搅拌器转搅拌器转速等速等因素。因素。搅拌机搅拌机顶插式中心安装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径向流径向流轴向流轴向流切向流切向流流型流型流体流动方向垂直于流体流动方向垂直于搅拌轴，搅拌轴，沿径向流动沿径向流动，碰到容器壁面分成二碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，下流动，再回到叶端，不穿过叶片不穿过叶片，形成上、，形成上、下二个循环流动。下二个循环流动
19、。(a)径向流径向流图图8-18搅拌器与流型搅拌器与流型(a)径向流径向流流体流动方向流体流动方向平行于平行于搅拌轴搅拌轴，流体由桨叶，流体由桨叶推动，使流体向下流推动，使流体向下流动，遇到容器底面再动，遇到容器底面再向上翻，形成上下循向上翻，形成上下循环流。环流。(b)轴向流轴向流图图8-18 搅拌器与流型搅拌器与流型(b)轴向流轴向流无挡板的容器内，流无挡板的容器内，流体体绕轴作旋转运动绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会流速高时液体表面会形成形成漩涡漩涡，流体从桨，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小叶区的流量很小，混，混合效果很差合效果很差。(c)切向流切向流图图8
20、-18 搅拌器与流型搅拌器与流型(c)切向流切向流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采用挡板挡板可削弱切向流，可削弱切向流，增强轴向流和径向流增强轴向流和径向流除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧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，见图插式、斜插式、卧式等安装方式，见图8-19。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。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
21、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2.挡板与导流筒挡板与导流筒(1)挡板挡板 目的目的消除打漩消除打漩和和提高混合效果提高混合效果。当物料粘度小，搅拌转速当物料粘度小，搅拌转速高时，液体随桨叶旋转，高时，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁在离心力作用下涌向内壁面并上升，面并上升，中心部分液面中心部分液面下降下降，形成漩涡，称为打，形成漩涡，称为打漩区。漩区。打漩打漩后果后果随转速增加，漩涡中心下凹到与桨叶接触，外面空气进随转速增加，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，混合效果降低。入桨叶被吸到液体中，使其密度减小，
22、混合效果降低。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块挡板块挡板宽度为容器直径的宽度为容器直径的1/121/10。防止措施防止措施(2)导流筒导流筒特点特点上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流导流作用。作用。(a)涡轮式或涡轮式或桨式搅拌桨式搅拌器器 导流筒置导流筒置于桨叶的于桨叶的上方上方(b)推进式搅拌器推进式搅拌器 导流筒套在桨导流筒套在桨 叶外面，或略叶外面，或略 高于桨叶高于桨叶（二）流动特性（二）流动特性搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。搅拌器对流体产生二种
23、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。剪切作用剪切作用与液与液液搅拌体系中液滴的细化、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，则称为作用时，则称为剪切型叶轮剪切型叶轮，如径向涡轮式、，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（流体）运动。搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。搅拌器对流体产生二种作用，搅拌器对流
24、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。当搅拌器输入流体的能量主要用于流体当搅拌器输入流体的能量主要用于流体的循环作用时，称为的循环作用时，称为循环型叶轮循环型叶轮，如框式、，如框式、螺带式、锚式、桨式、推进式等为循环型叶螺带式、锚式、桨式、推进式等为循环型叶轮。轮。四、四、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径向流搅拌器径向流搅拌器按结构分为按结构分为平叶平叶 折叶折叶 螺旋面叶螺旋面叶桨式、涡轮式、框式和桨式、涡轮式、框式和锚式的桨叶都有平叶和锚式的桨叶都有平叶和折叶两种结构折叶两种结构
25、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混合流搅拌器混合流搅拌器轴向流搅拌器轴向流搅拌器 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器用搅拌器高高粘流体粘流体用搅拌器用搅拌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（单螺带、螺旋桨式、螺带式（单螺带、双螺带
26、）、螺旋双螺带）、螺旋螺带式等。螺带式等。搅拌器的径向、轴向和混合流型的图谱见图。二、几种常用搅拌器：二、几种常用搅拌器：1.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，焊叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是毂上，叶片数是2、3或或4 片，叶片形式可片，叶片形式可分为平直叶式和折叶分为平直叶式和折叶式两种。式两种。图图8-23 桨式搅拌器桨式搅拌器 主要应用主要应用也可用于也可用于高粘流体搅拌高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替，促进流体的上下交换，代替价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。价格高的螺带式叶轮，能获得良好的效果。液液液系中用于液系
27、中用于防止分离、使罐的温度均一防止分离、使罐的温度均一；固；固液系中多用于液系中多用于防止固体沉降防止固体沉降。主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式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，故比平直叶式的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使轴流桨叶使用较多用较多。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17-5。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的气液分散操作中。液分散操作中。表表17-5 桨式搅拌器常用参数桨式搅拌器常用参
28、数常用尺寸常用尺寸常用运转常用运转条件条件常用介质常用介质粘度范围粘度范围流动状态流动状态备注备注d/D=0.350.8b/d=0.10.25Bn=2n=1100r/minv=1.05.0m/s小于小于2Pas低转速时水平环低转速时水平环向流为主；转速向流为主；转速高时为径向流；高时为径向流；有挡板时为上下有挡板时为上下循环流循环流当当d/D=0.9以上，以上，并设置多层桨叶并设置多层桨叶时，可用于高粘时，可用于高粘度液体的低速搅度液体的低速搅拌。在层流区操拌。在层流区操作，适用的介质作，适用的介质粘度可达粘度可达100Pas,v=1.03.0m/s折叶式折叶式=45，60折叶式有轴向、折叶式
29、有轴向、径向和环向分流径向和环向分流作用作用 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）常用于常用于低粘流体中低粘流体中。结构结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 710 m/s，最高达最高达15 m/s。图图8-24推进式搅拌器推进式搅拌器 思考：此思考：此为何种流为何种流型？
30、型？搅拌时搅拌时流体由桨叶流体由桨叶上方吸入上方吸入，下方，下方以圆筒状螺旋形排出，流体至容器底再以圆筒状螺旋形排出，流体至容器底再沿壁面返至桨叶上方，形成沿壁面返至桨叶上方，形成轴向流动轴向流动。特点特点 搅拌时流体的湍流程度不高，搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单，制造方便。循环量大，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用应用粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好粘度低、流量大的场合，用较小的搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。的搅拌效果。主要用于液液系混合、使温度均匀，在低浓度固液系主要用于液液系混合
31、、使温度均匀，在低浓度固液系中防止淤泥沉降等中防止淤泥沉降等改进改进容器内容器内装挡板装挡板、搅拌轴偏心安装搅拌轴偏心安装、搅拌器倾斜搅拌器倾斜，可防止漩涡形成。，可防止漩涡形成。表表8-6 推进式搅拌器常用参数推进式搅拌器常用参数常用尺寸常用尺寸常用运常用运转条件转条件常用介质常用介质粘度范围粘度范围流动状态流动状态备注备注d/D=0.20.5(以以0.33居多居多)p/d=1,2Bn=2,3,4(以以3居多居多)p螺距螺距n=100500r/minv=315m/s小于小于2Pas轴流型，循环轴流型，循环速率高，剪切速率高，剪切力小。采用挡力小。采用挡板或导流筒则板或导流筒则轴向循环更强轴向
32、循环更强最高转速可达最高转速可达1750r/min:最高最高叶端线速度可达叶端线速度可达25m/s。转速在。转速在500r/min以下，以下，适用介质粘度可适用介质粘度可达达50Pa.s 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，能有效地完成效地完成几乎所有几乎所有的搅的搅拌操作，并能处理拌操作，并能处理粘度粘度范围很广范围很广的流体。的流体。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 涡轮式搅拌器分为涡轮式搅拌器分为开式开式盘式盘式开式有：开式有：平直叶、斜叶、弯叶等。平直叶、斜叶、弯叶等。叶片
33、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、圆盘斜叶、圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。叶片数常圆盘弯叶等。叶片数常为为6叶。叶。应用应用 涡轮式搅拌器有涡轮式搅拌器有较大的剪切力较大的剪切力，可使流体微团分散得，可使流体微团分散得很细，适用于很细，适用于低粘度到中等粘度流体低粘度到中等粘度流体的混合、液的混合、液液分散、液分散、液液固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。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。弯叶弯叶 指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率 消耗，适用于
34、含有易碎固体颗粒的流体搅拌。消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。表表8-7 涡轮式搅拌器常用参数涡轮式搅拌器常用参数型式型式常用尺寸常用尺寸常用运转常用运转条件条件常用介质粘常用介质粘度范围度范围流动状态流动状态备注备注开式开式涡轮涡轮d/D=0.20.5(以以0.33居多居多)b/d=0.2Bn=,3,4,6,8(以以6居多居多)折叶式折叶式=30,45,60后弯式后弯式=30,50,60后弯角后弯角n=10300r/minv=410m/s折叶式折叶式v=26m/s小于小于50Pas，折叶和后弯折叶和后弯叶小于叶小于10Pas平直叶、平直叶、后弯叶为后弯叶为径向流型。径向流型。在有挡板在
35、有挡板时以桨叶时以桨叶为界形成为界形成上下两个上下两个循环流。循环流。折叶的还折叶的还有轴向分有轴向分流，近于流，近于轴流型轴流型最高转速最高转速可达可达600r/min圆盘上下圆盘上下液体的混液体的混合不如开合不如开式涡轮式涡轮盘式盘式涡轮涡轮d:l:b=20:5:4d/D=0.20.5(以以0.33居多居多)Bn=4,6,8=45,60=45n=10300r/minv=410m/s折叶式折叶式v=26m/s小于小于50Pas，折叶和折叶和后弯叶后弯叶小于小于10Pas4锚式搅拌器锚式搅拌器 结构简单。结构简单。适用于适用于粘度在粘度在100Pas以下以下的流体搅拌，当流的流体搅拌，当流体粘
36、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，即为一横桨叶，即为框式搅框式搅拌器，拌器，以增加容器中部以增加容器中部的混合。的混合。图图8-26 锚式搅拌器锚式搅拌器 应用应用锚式或框式桨叶的混合效果并不理想，只适用于对混合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。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拌器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，故常用于传热、大，能得到大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。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
37、拌粘度大于当搅拌粘度大于100Pas 的流体时，应采用螺带的流体时，应采用螺带式或螺杆式。式或螺杆式。常用尺寸常用尺寸常用运转条常用运转条件件常用介质粘常用介质粘度范围度范围流动状态流动状态备注备注d/D=0.90.98b/D=0.1h/D=0.48 1.0n=1100r/minv=15m/s小于小于100Pas不同高度上不同高度上的水平环向的水平环向流流为了增大搅拌为了增大搅拌范围，可根据范围，可根据需要在桨叶上需要在桨叶上增加增加立叶立叶和和横横梁梁表表17-8 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的选用选用时除满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作选用时除
38、满足工艺要求外，还应考虑功耗低、操作费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。费用省，以及制造、维护和检修方便等因素。搅拌器选型一般从三个方面考虑搅拌器选型一般从三个方面考虑搅拌目的搅拌目的 物料粘度物料粘度 搅拌容器容积的大小搅拌容器容积的大小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。一、按搅拌目的选型一、按搅拌目的选型常用的搅拌器选用方法：常用的搅拌器选用方法：搅拌目的搅拌目的挡板条件挡板条件推荐形式推荐形式流动状态流动状态互溶液体的混合及互溶液体的混合及在其中进行化学反在其中进行化学反应应无挡板无挡板三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡
39、轮、桨式、圆盘涡轮桨式、圆盘涡轮 湍流湍流(低粘流体低粘流体)有导流筒有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式推进式有或无导流筒有或无导流筒桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式层流层流(高粘流体高粘流体)固固液相分散及在液相分散及在其中溶解和进行化其中溶解和进行化学反应学反应有或无挡板有或无挡板桨式、六叶折叶开启式涡轮桨式、六叶折叶开启式涡轮湍流湍流(低粘流体低粘流体)有导流筒有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式推进式有或无导流筒有或无导流筒螺带式、螺杆式、锚式螺带式、螺杆式、锚式层流层
40、流(高粘流体高粘流体)液液液相分散（互液相分散（互溶的液体）及在其溶的液体）及在其中强化传质和进行中强化传质和进行化学反应化学反应有挡板有挡板三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮式、推进式桨式、圆盘涡轮式、推进式湍流湍流(低粘流体低粘流体)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液液液相分散（不液相分散（不互溶的液体）及在互溶的液体）及在其中强化传质和进其中强化传质和进行化学反应行化学反应有挡板有挡板圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮湍流湍流(低粘流体低粘流体)有反射物有反射物三叶折叶涡轮三叶折叶涡轮有导流筒有
41、导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式推进式有或无导流筒有或无导流筒螺带式、螺杆式、锚式螺带式、螺杆式、锚式层流层流(高粘流体高粘流体)气气液相分散及在液相分散及在其中强化传质和进其中强化传质和进行化学反应行化学反应有挡板有挡板圆盘涡轮、闭式涡轮圆盘涡轮、闭式涡轮湍流湍流(低粘流体低粘流体)有反射物有反射物三叶折叶涡轮三叶折叶涡轮有导流筒有导流筒三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式推进式有导流筒有导流筒螺杆式螺杆式层流层流(高粘流体高粘流体)无导流筒无导流筒锚式、螺带式锚式、螺带式表表8-9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续
42、）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、按搅拌器型式和适用条件选型推进式搅拌器推进式搅拌器用于低粘度流体的混合，循环能力强，用于低粘度流体的混合，循环能力强，动力消耗小，可应用到很大容积的搅动力消耗小，可应用到很大容积的搅 拌容器中。拌容器中。桨式搅拌器桨式搅拌器 结构简单，在小容积的流体混合中应结构简单，在小容积的流体混合中应 用较广，对大容积的流体混合，循环用较广，对大容积的流体混合，循环 能力不足。能力不足。涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器应用范围较广，各种搅拌操作都适用，应用范围较广，各种搅拌操作都适用，但流体粘度不宜超过但流体粘度不宜超过50Pas。锚式、螺杆式、
43、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 搅拌器型式和适用条件搅拌器型式和适用条件注：有注：有者为可用，空白者不详或不合用者为可用，空白者不详或不合用 思考n1.搅拌器在容器内的安装方式有哪几种?对顶插式中心安装的搅拌器，其主流型有何特点?n2.比较几种典型结构搅拌器(浆式、推进式、涡轮式等)的操作性能和适用场合。n3.机械搅拌反应器主要由哪些零部件组成？说明各部件的作用 8.2.3.48.2.3.4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。生物反应器的特点：生物反应器的
44、特点：（1 1）生物反应都是在）生物反应都是在多相体系中多相体系中进行的进行的 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、培养基和生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。（2 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 剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例，剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在一定的范围内。因此对搅拌产生的剪切力要控制在一定的范围内。（3 3）大多数微生物发酵）大多数微生物发酵需要氧气需要氧气
45、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。就会导致菌体的失活或死亡。生物反应搅拌过程要求：生物反应搅拌过程要求：打碎空气气泡打碎空气气泡，使气泡细化以增加气液接触界面，使气泡细化以增加气液接触界面，提高气液面的传质速率；提高气液面的传质速率；发酵液要有较大的发酵液要有较大的流动循环量流动循环量，使液体中的固形，使液体中的固形 物保持悬浮状态。物保持悬浮状态。结论结论搅拌器既要有搅拌器既要有较强剪切力较强剪切力，又要有，又要有较大的流体循较大的流体循环特性环特性。往往采用径向流和轴向流相结合的往往采用径向流和轴向流相结合的多层搅
46、拌器多层搅拌器组组合式搅拌系统。合式搅拌系统。8.2.3.58.2.3.5搅拌功率计算搅拌功率计算 计算目的：计算目的：1.1.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 2.2.用于选用电机和减速机等传动装置。用于选用电机和减速机等传动装置。影响搅拌器的因素：影响搅拌器的因素：搅拌器的几何尺寸与转速搅拌器的几何尺寸与转速 搅拌器的结构搅拌器的结构 搅拌介质的特性搅拌介质的特性 重力加速度重力加速度式中：式中：搅拌功率，搅拌功率，W；密度，密度，kg/m3 n转速，转速，s-1d d搅拌器直径搅拌器直径，m mNp功率准数功率准数,Re53DhDBDdfF
47、rKdnPNqrP53dnNPP图图8 827 27 六种搅拌器的功率曲线六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件全挡板条件)1 5 10 5 102 5 103 5 104 5 1051005010510.5Re=d2n/图图8 827 27 六种搅拌器的功率曲线六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件全挡板条件)S/d=2D/d=2.5-6h/d=2-4h1/d=1B/d=1/5D/d=3h/d=3h1/d=1B/d=1/8D/d=3h/d=3h1/d=1B/d=1/8 D/d=3 h/d=3 h1/d=1 =45o曲线曲线3-3-推进式推进式曲线曲线4-4-二叶平浆二叶平浆曲线曲线5-5-六弯叶六弯叶
48、开式涡轮开式涡轮 曲线曲线6-6-六斜叶六斜叶 开式涡轮开式涡轮 曲线曲线1-1-六直叶圆盘涡轮六直叶圆盘涡轮曲线曲线2-2-六直叶开式涡轮六直叶开式涡轮d:l:B=20:5:4 D/d=2-7 h/d=2-4 h1/d=0.7-1.6B/d=1/5D/d=3h/d=3h1/d=1 设计搅拌轴时，应考虑四个因素：设计搅拌轴时，应考虑四个因素：1.1.扭转变形；扭转变形；2.2.临界转速临界转速 3.3.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；4.4.轴封处允许的径向位移。轴封处允许的径向位移。四、搅拌轴设计按扭转变形计算搅拌轴的轴径按按临界转速临界转速校核搅拌轴的直径校核搅拌轴
49、的直径一阶临界转速一阶临界转速n nc c为为：式中式中 悬臂轴两支点间距悬臂轴两支点间距，m mE E轴材料的弹性模量轴材料的弹性模量，PaPaI I轴的惯性距轴的惯性距，m m4 4L L1 1第一个搅拌器悬臂梁长度第一个搅拌器悬臂梁长度，m mN Ns s临界转速临界转速，r/minr/minM Ms s轴及搅拌器有效质量在轴及搅拌器有效质量在s s点的等效质量之点的等效质量之和和,kg,kgscmaLLEIn)()1(3301214 按按强度计算强度计算搅拌轴的直径搅拌轴的直径 搅拌轴的强度条件为搅拌轴的强度条件为 式中式中 M Mtete 扭转和弯矩联合作用时的当量扭扭转和弯矩联合作
50、用时的当量扭 矩矩，N.mN.m WP 抗弯截面模量，抗弯截面模量，m3 轴材料的许用切应力，轴材料的许用切应力，Pa max 截面上最大切应力，截面上最大切应力，PamaxPteWM则搅拌轴的直径则搅拌轴的直径 314)1(72.1teMd 按按轴封处允许径向位移轴封处允许径向位移验算轴径验算轴径 要分别计算径向位移，然后叠加，使总径向位移满足以要分别计算径向位移，然后叠加，使总径向位移满足以下条件下条件：式中式中 L0L0轴封处允许的径向位移轴封处允许的径向位移，mmmm 00LL减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的措施减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的措施 （1 1）缩短悬臂段搅拌轴的长度
