第四章釜式反应器的搅拌与传热.ppt
《第四章釜式反应器的搅拌与传热.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第四章釜式反应器的搅拌与传热.ppt(105页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第四章 釜式反应器的搅拌与传热,精细化工反应过程的化学变化,是以反应物的充分混合以及维持适宜的反应温度为前提的,就釜式反应器而言,达到充分混合的根本条件是对反应混合物进行充分的搅拌;满足适宜的反应温度的根本途径是良好的传热。所以,搅拌装置、传热构件就成为釜式反应器不可缺少的组成部分,本章包括以下内容:,2,第四章釜式反应器的搅拌与传热,4.1搅拌器型式及其液体流型 4.2搅拌过程的种类及搅拌器的选型 4.3搅拌器功率的计算 4.4釜式反应器的传热 4.5搅拌系统传热时间,4.1.1 搅拌器的一般型式,搅拌器主要有*推进式、涡轮式、桨式、框式、锚式等。,(1) 桨式,各种不同搅拌器的特性及应用如
2、下:,5,Paddle with 2 blades,(2-1) 开启涡轮式,7,Paddle with 4 blades,8,Paddle with 6 blades,9,(2-2) 圆盘涡轮式,11,Rushton Turbine with 5 blades,Rushton Turbine with 6 blades,Rushton Turbine with 3 blades,Rushton Turbine with 4 blades,12,Rushton Turbine with 8 blades,Rushton Turbine with 12 blades,13,Holmes & Nar
3、ver pumper mixer,Curved bladed pumper mixer,Sawtooth Disperser,14,(3) 推进式,16,(4) 锚式及框式,18,(5) 螺带式,20,(6) 螺杆式,4.1.2 搅拌流体的流型*,概括地讲,搅拌器的作用是赋予流体以机械能,并使之以适宜的状况流动。 而流体的流动状态也因搅拌器的型式、搅拌附件的有无及其种类而异。 一般而言,搅拌流体的流型可归纳为以下几类:,(1)轴向流:流体沿搅拌轴的方向流动,分为轴向 流和分区轴向流,(2)径向流:流体沿反应器的半径方向在搅拌器与 釜壁间流动,(3)切线流(环向流):流体沿搅拌轴作圆周运动,23
4、,流体流型的作用: 搅拌流体的流型对传质传热有着显著的影响,也是搅拌器的重要特性之一,搅拌器型式不同,其对应的流体流型也显著不同。一般而言: 轴向流剪切作用小而循环速率高; 径向流剪切作用大而循环速率低; 切线流的优点是可以提高夹套的传热速率,但对其它过程往往产生不利影响,而且,切线流的存在经常使流体液面下陷,严重时导致桨叶露出液面。 加挡板可抑制切线流,减小液面下陷深度。,切线流 、液面下陷及加挡板的流动状况,改变搅拌器的安装方式,如将搅拌器偏心安装,可以改变被搅拌流体的流动状况,从而在一定程度上达到消除切线流,抑制液面下陷,减小流动死角,强化传质、传热的目的,27,不同类型搅拌器的流体流型
5、,a-桨式有档板 b-涡轮式无档板 c-涡轮式有档板 d-推进式有档板,28,e - 锚式 f - 螺杆式带导流筒 g - 螺带式,29,4.1.3搅拌附件,指搅拌釜内为了改善流体流动状况而增设的零件,在化学反应器中通常为挡板和导流筒。 (1)挡板: 一般是长条形竖向固定在搅拌釜内壁上的板。 作用:加剧流体的湍动程度,消除切线流,提高搅拌器的剪切性能。 全挡板条件:挡板数目足够,再增加数目,搅拌效率也不再增加,此时称为全挡板条件。 板宽W(1/201/10)D,视粘度高低而减增; 数目依釜径尺寸而异,小直径釜一般24个,大者一般48个。通常以46个居多。,30,当搅拌高粘度流体(7000100
6、00cP)或固液多相操作时,挡板一般要离壁安装,离壁距离通常为板宽的1/51倍。,釜内有传热蛇管时,挡板一般安装在蛇管内侧。,挡板上缘一般与液面平齐,下缘可到釜底。如需沉降固体物料,其下缘可在桨叶之上,使底部出现切线流,以利固体沉降。,挡板安装方式,31,挡板安装方式,32,33,34,D形折流档板 指形 套管式,传热档板示意图,35,(2)导流筒 导流筒为圆筒型,紧包着桨叶,可使桨叶排出的流体在导流筒内外形成上下循环流,从而更严格地控制流体流型,并可得到高速涡流和高倍循环量,从而达到防止短路,强化传质传热的目的。 此外,某些情况下,这些附件的功能可由其它非附件工艺接管实现,如传热蛇管可起导流
7、筒的作用;传热挡板、小容积反应器的压料管和热电偶可起挡板作用等,36,推进式搅拌器的导流筒示意图,37,Sewage Treatment Systems,38,4.2.1搅拌过程的种类,(1)均相液体混合 (2)液一液分散 (3)气一液分散 (4)固一液分散 (5)结晶 (6)固体溶解 ( 7)强化传热,39,4.2.2搅拌的混合机理,搅拌器运转时,叶轮把能量传给它周围的液体,使这些液体以很高的速度运动起来。当这些高速运动的液体掠过静止或运动速度较低的液体时,产生强烈的剪切作用。 在这种剪应力的作用下,静止或低速运动的液体也跟着以很高的速度运动起来,从而带动所有液体在设备范围内流动。这种设备范
8、围内的循环流动称为“宏观流动”。 由此造成的设备范围内的扩散混合作用称作“主体对流扩散”。,40,处于高速液流和静止或低速液流界面的液体,由于受到强烈的剪切作用被卷起而形成漩涡。这些高速旋转的漩涡又对它周围的液体造成强烈的剪切作用,从而产生更多的漩涡。众多的漩涡一方面把更多的液体挟带到作宏观流动的主体液流中去,同时形成局部范围内液体快速而紊乱的对流运动,即局部的湍流流动。这种局部范围内的漩涡运动称为“微观流动”。 由此造成的局部范围内的扩散混合作用称作“涡流对流扩散”。 搅拌设备里不仅存在涡流对流扩散和主体对流扩散,还存在分子扩散,其强弱程度依次减小。实际的混合作用是上述三种扩散作用的综合。,
9、41,4.2.3循环流量,搅拌器应具有两方面的性能 (1)能产生强大的液体循环流量 所谓液体循环流量是指单位时间内在设备范围内进行循环流动的液体体积,用Q表示。 显然,液体循环流量Q是宏观混合的表征。Q越大,宏观混合效果越好,所需的混合时间就越短。 (2)能产生强烈的剪切作用 剪切作用越强烈,漩涡运动及其所造成的湍流流动就越剧烈,分散的微团尺寸就越小。 要求得到高分散度的搅拌过程,如气一液分散、液一液分散、固体溶解就应该选用能产生强烈剪切作用的搅拌器。,42,液体循环流量是叶轮的排液量与由它所吸引挟带的液体量之和。 按离心泵原理,叶轮的排液量与叶轮转速的一次方及叶轮直径的三次方成正比。 Q=N
10、Qnd3 式中液体循环流量m3/s; 搅拌叶轮转速1/s; 搅拌叶轮直径。 NQ 循环流量数,43,循环流量数与搅拌雷诺数Res、叶轮型式、叶轮直径、叶片数目等许多因素有关。 当Res104、有挡板时 推进式搅拌器:NQ=0.68.975 涡轮式搅拌器:NQ=1.195.655,44,4.2.4叶轮的剪切性能,搅拌器运转时,叶轮把能量传给液体,叶轮传给单位重量液体的能量称作叶轮的压头,用H表示。 式中 1液体离开叶轮的速度,m/s; 重力加速度m/s2; u搅拌叶轮的叶端速度m/s 压头H是叶轮所产生的剪切作用大小程度的度量。,45,4.2.5搅拌功率的分配,搅拌功率Ps与液体循环流量Q、压头
11、H的关系 Ps=gQH 上式表明,搅拌功率与叶轮转速的三次方、叶轮直径的五次方成正比。 搅拌功率Ps分为两部分,一部分用于产生液体的循环流动,造成宏观混合;一部分用于产生液体的剪切流动,减少微团的尺寸。,4.2.6搅拌器的选型,一般原则*: 考虑搅拌目的,工艺过程对搅拌的要求以及被搅拌流体的流体力学性质,同时还要考虑动力消耗问题 所以,一个好的选型方案应是经济合理,安全可靠,符合工艺要求的方案. 判据:选型结果合理,选型方法简单。,47,(1) 根据搅拌目的选型 低粘度均相液体混合-推进式搅拌器 非均相液液分散过程 -涡轮式搅拌器。特别是平直叶涡轮搅拌器 气液分散过程 -涡轮式搅拌器 固体悬浮
12、操作-固液比重差小优先选择推进式搅拌器 固液比重差大 -选用开启式涡轮搅拌器 固体颗粒对叶轮的腐蚀性较大时,选用开启弯叶涡轮搅拌器 固体溶解 -开启式涡轮搅拌器 结晶过程 -微粒结晶选择涡轮式搅拌器 粒度较大的结晶 -可选择桨式搅拌器 以传热为主的搅拌操作 -选用涡轮式搅拌器,搅拌器选型表(O表示合适,空白表示不合适或不详),48,(2) 根据粘度选型,49,4.3.1搅拌器功率的计算,搅拌器赋予反应釜内的流体以机械能需要外界能量输入。,使搅拌器连续运转所需要的功率称为搅拌器功率,亦称搅拌功率或轴功率(不包括消耗于机械传动和轴密封部分的功率),搅拌功率目前尚不能由理论算出 目前通常采用相似论和
13、因次分析的方法,将与搅拌功率有关的几何变量、操作变量和物理变量转换成少数有物理意义的可作为设计基础的无因次数群,通过准数关联求得搅拌功率。,50,51,影响搅拌功率的物理因素有*: (1)搅拌器的转速n; (2)液体密度、液体粘度; ()重力加速度。因为当出现“打漩”时,必有部分液体被推到高于平均液面的位置,该部液体需克服重力作功。 影响搅拌功率的几何因素有*: (1)搅拌器的直径d; (2)搅拌器叶片数Z、搅拌器形状、叶片宽度、搅拌器叶轮离釜底距离C; (3)搅拌釜内径、釜内所装液体深度,挡板数目、挡板宽度W。,52,显然,搅拌功率是搅拌器叶轮形状、尺寸和转速,被搅拌流体的密度和粘度,搅拌釜
14、的大小和内部构件(挡板或其它障碍物)情况以及搅拌器在反应釜内的位置的函数。 对于特定的搅拌装置,通常用搅拌器直径d作为特征尺寸,而把其他的几何尺寸用无因次的比变量来表示。 所以,搅拌功率Ps可表示为上述诸因素的函数: 如果在不同规模的一系列搅拌装置中保持几何相似,则对比量1、2、3都为常数,上式可化简为:,53,假定此函数关系是最简单的指数函数,令 式中K为常数,是搅拌器几何构型的总形状系数。 用长度-质量-时间(L-M-)单位制进行因次分析得出如下关系式: NP功率准数, Res搅拌雷诺准数,,Fr佛鲁德准数,,54,这些无因次准数的物理意义是: 功率准数Np含有搅拌功率PS,代表输入功率;
15、 雷诺准数Res表示流体的惯性力与粘滞力之比; 佛鲁德准数Fr表示流体的惯性力与重力之比。 上式可以写成 上述关联式只与搅拌器的各项尺寸比例有关,而与反应釜的大小无关,因此对于一定的搅拌系统,通过实验求得Np和Res的关系,可获得功率曲线图。 以图4-12(标准尺寸涡轮搅拌器的功率曲线和同一搅拌器无档板时的功率曲线)来说明搅拌功率的一般规律。,55,图一11标准尺寸涡轮搅拌器,(1)六平直叶圆盘涡轮搅拌器, 圆盘直径为S; (2)叶轮直径d与搅拌槽内径 之比,(3)叶轮离槽底距离C= d; (4)叶片宽度,(5)叶片长度,(6)液体深度h=D (7)挡板数目=4 (8)挡板宽度,56,曲线1:
16、标准尺寸涡轮搅拌器的功率曲线 曲线2:无挡板时的功率曲线 图4一12功率曲线,1 2 3 4 5,57,()当10时 由图4一12可见,该层流区域内的功率曲线是一段直线,液体的粘滞力控制着系统内的流动,重力影响可以忽略,因而可以不考虑佛鲁德准数,此时y=0 把上式写成对数形式得:logNP=logK+xlogRes 实验表明,该区域内直线的斜率x=-1.0,则 所以,,58,(2)Res=1010000,有档板 搅拌雷诺准数逐渐增大时,流动进入过渡流。当Res达到300以后,有足够的能量传给液体并引起打漩。但对于装有档板的系统,档板能有效地抑制打漩,因此可以忽略佛鲁德准数,功率准数仅随Res变
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第四 章釜式 反应器 搅拌 传热
链接地址:https://www.31doc.com/p-2970766.html