第八章 反应设备 第一节 概 述 第二节 机械搅拌反应器 第三节 机械搅拌设备技术进展概述
实现一个或几个化学反应，并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备；见图8-1 化学反应器 分类 为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备；见图8-2 生物反应器
图8-1 化工生产的典型流程
图8-2 典型的生物过程
前处理——原料经过一系列的预处理，如混合、加热、灭菌等， 以达到进入反应器反应的要求。 后处理——反应产物经过分离、提纯等后处理，以获得符合 质量要求的产品。 关键问题 反应设备是过程工业的核心设备。综合运用反应动力学、传递、 机械设计、控制等方面的知识，正确选用反应设备的型式、确定 其最佳操作条件、设计高效节能的反应设备，是过程工业中一个 十分关键的问题。
8.1.1 反应器分类 一、化学反应器分类 表8—1 化学反应器的分类 物料相态 操作方式 流动状态 传热情况 结构特征 均相 气相 液相 均相 气相 液相 非均相 气—液相 液—液相 气—固相 液—固相 气—液—固相 间歇操作 连续操作 半连续操作 活塞流型 全混流型 绝热式 等温式 非等温非绝热式 搅拌釜式 管式 固定床 流化床 移动床 塔式 滴流床
二、生物反应器分类 表8—2 生物反应器的分类 生物催化剂 操作方式 输入能量 流动状态 结构特征 酶催化反应器 细胞催化反应器（发酵罐） 表8—2 生物反应器的分类 生物催化剂 操作方式 输入能量 流动状态 结构特征 酶催化反应器 细胞催化反应器（发酵罐） 间隙操作 连续操作 半连续操作 搅拌浆叶式 气体喷射式 （气升式） 活塞流 全混流 机械搅拌式 气升式 流化床 固定床
酶催化反应器 ——与化学催化剂一样，酶在反应过程中本身无变化。 细胞生物反应器 ——生化反应十分复杂，在生化反应的同时，细胞本身也得 到增殖，为维持细胞的催化活性，应避免受外界杂菌的污染。
8.1 常见反应器的分类 一、机械搅拌式反应器 二、管式反应器 三、固定床反应器 四、流化床反应器（沸腾床反应器） 五、其它反应器
一、机械搅拌式反应器 可用于均相和多相（如液—液、气—液、液—固） 反应，可间歇或连续操作。 2. 连续操作时，几个釜串联起来，通用性很大，停留 时间可以得到有效地控制。 3. 灵活性大, 根据生产需要，可生产不同规格、不同 品种产品，生产时间可长可短。 4. 可在常压、加压、真空下生产操作，可控范围大。 5. 反应结束后出料容易，反应器的清洗方便，机械设 计十分成熟。
二、管式反应器 1—进气管 2—上法兰 3—下法兰 4—温度计 5—管子 6—触媒支承 7—下猪尾巴管 石脑油分解转化管式反应器 图8-3 侧烧式转化反应器
为石脑油分解转化管式反应器 内径Φ102mm，外径Φ143mm，长1109mm； 管下部触媒支承架内装有触媒，气体由进气总管进入管式转化器，在触媒存在条件下，石脑油转化为H2和CO，供合成氨使用； 反应温度为750～850℃； 压力为2.1～3.5 MPa。
管式反应器结构特点: 结构简单，制造方便。 混合好的气相或液相反应物从管道一端进入，连续流 动，连续反应，从管道另一端排出。不同的反应，管 径和管长可根据需要设计。 3. 管外壁可以进行换热，传热面积大。 4. 反应物在管内流动快，停留时间短，经一定的控制手 段，可使管式反应器有一定的温度梯度和浓度梯度。 5. 管式反应器可连续或间歇操作，反应物不返混，可在 高温、高压下操作。
三、固定床反应器 定义:气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置。 特点:主要用于气固相催化反应，结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和反应中应用很广泛的反应器。 例如——氨合成塔、甲醇合成塔、 硫酸及硝酸生产的一氧化碳变换塔、 三氧化硫转化器等。 轴向绝热式 基本形式 径向绝热式 列管式
轴向绝热式 径向绝热式 列管式 图8-4 固定床反应器
催化剂均匀地放置在一个多孔筛板上，预热到一定温度的反应物料自上而下沿轴向通过床层进行反应，在反应过程中反应物系与外界无热量交换。 a. 轴向绝热式 图8-4 固定床反应器
催化剂装载于两个同心圆筒的环隙中，流体沿径向通过催化剂床层进行反应。 特点——在相同筒体直径下增大流道截面积。 b. 径向绝热式 图8-4 固定床反应器
反应器由很多并联管子构成，管内(或管外)装催化剂，反应物料通过催化剂进行反应，载热体流经管外(或管内)，在化学反应的同时进行换热。 c. 列管式 图8-4 固定床反应器
1—平顶盖 2—筒体端部 3—筒体 4—上触媒框 5—下触媒框 6—中心网筒 7—升气管 8—换热器 9—半球形封头 图8—5 氨合成塔
氨合成塔——图8-5 典型固定床反应器。 N2、H2合成气由主进气口进入反应塔，塔内压力约30MPa， 温度550℃，在触媒作用下合成为氨。 氨的合成反应为放热反应，高温的合成气及未合成的N2、H2混 合气经塔下部换热器降温后从底部排出。
固定床反应器缺点: 床层温度分布不均匀; 床层导热性较差; 对放热量大的反应，应增大换热面积，及时移走 反应热，但这会减少有效空间。
移动床反应器—— 将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。 固体颗粒之间基本没有相对运动，而是整个颗粒层的移动，可看成是移动的固定床反应器。 特点—— 固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，固体和流体的运动接近活塞流，返混较少。 控制固体粒子运动的机械装置较复杂，床层的传热性能与固定床接近。
四、流化床反应器（沸腾床反应器） 流体（气体或液体）以较高流速通过床层， 带动床内固体颗粒运动，使之悬浮在流动 的主体流中进行反应，具有类似流体流动 的一些特性的装置。 定义: 应用广泛，催化或非催化的气—固、 液—固和气—液—固反应。 应用:
固体颗粒被流体吹起呈悬浮状态，可作 上下左右剧烈运动和翻动，好象是液体 沸腾一样，故流化床反应器又称沸腾床 反应器。 原理: 壳体、气体分布装置、换热装置、气—固 分离装置、内构件以及催化剂加入和卸出 装置等组成。 结构:
图8-6 流化床反应器 1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 1—旋风分离器 2—筒体扩大段 3—催化剂入口 4—筒体 5—冷却介质出口 6—换热器 7—冷却介质进口 8—气体分布板 9—催化剂出口 10—反应气入口 图8-6 流化床反应器
图8-6 流化床反应器 反应气体从进气管进入反应器，经气体分布板进入床层。 反应器内设置有换热器，气体离开床层时总要带走部分细小 的催化剂颗粒，为此将反应器上部直径增大，使气体速度降 低，大颗粒沉降，回落床层，小颗粒经上部旋风分离器分离 后返回床层，反应气体由顶部排出。
优点: 传热面积大、传热系数高、传热效果好。进料、出 料、废渣排放用气流输送，易于实现自动化生产。 缺点: 物料返混大，粒子磨损严重；要有回收和集尘装 置；内构件复杂；操作要求高等。
回转筒式反应器 五、 其它反应器 喷嘴式反应器 鼓泡塔式反应器等
8.2 机械搅拌反应器 8.2.1 基本结构 机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器) 应用 8.2 机械搅拌反应器 8.2.1 基本结构 机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器) 应用 化学反应、生物反应、混合、分散、溶解、结晶、萃取、吸收或解吸、传热等操作。
图8-7 通气式搅拌反应器 典型结构 11—夹套； 12—载热介质出口； 1—电动机； 13—挡板； 2—减速机； 14—螺旋导流板； 15—轴向流搅拌器； 16—径向流搅拌器； 17—气体分布器； 18—下封头； 19—出料口； 20—载热介质进口； 21—气体进口 1—电动机； 2—减速机； 3—机架； 4—人孔； 5—密封装置； 6—进料口； 7—上封头； 8—筒体： 9—联轴器； 10—搅拌轴； 图8-7 通气式搅拌反应器 典型结构
8.2.2 搅拌容器 8.2.2.1 搅拌容器 结构: 1.圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆形封头应用最广） 2.各种接管，满足进料、出料、排气等要求。 3.加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。 4.上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。
5.传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其他参数。 6.支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。 7. 装料系数（对容积而言），通常取0.6～0.85。有泡沫或呈 沸腾状态取0.6～0.7；平稳时取0.8～0.85。 直立式搅拌容器 筒体和下封头两部分容积之和 容积 卧式搅拌容器 筒体和左右两封头容积之和
8.2.2.2 换热元件 优先采用夹套，减少 容器内构件，便于清 洗，不占有效容积。 整体夹套 型钢夹套 夹套 半圆管夹套 蜂窝夹套 内盘管
整体夹套 型钢夹套 夹套 半圆管夹套 蜂窝夹套 一、夹套结构 夹套 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， 使其与容器外壁形成密闭的空间。 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。 整体夹套 型钢夹套 夹套 半圆管夹套 蜂窝夹套
圆筒和下封头都包有夹套，传热面积大，最常用结构 U型 1. 整体夹套 圆筒型 传热面积较小，适用于换热量要求不大的场合
t tj D Dj (a) 圆筒型 (b) U型 图8—8 整体夹套
用于夹套内载热介质易结垢、需经常清洗的场合。 可拆卸式 连接方式 不可拆卸式 夹套肩与筒体的联接处，做成锥形的称为封口锥，做成环形的称为封口环，见图8-9。
D Dj (b)封口环 (a)封口锥 图8—9 夹套肩与筒体的连接结构
t1 t2 d1 封口锥 封口环 图8—10 夹套底与封头连接结构
2．型钢夹套 构成——角钢与筒体焊接组成，见图8—11。 沿筒体外壁轴向布置 结构 沿筒体外壁螺旋布置 型钢的刚度大，弯曲成螺旋形时加工难度大
(a)螺旋形角钢互搭式 (b)角钢螺旋形缠绕 图8—11 型钢夹套结构
3．半圆管夹套 特性——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。 缺点：焊缝多，焊接工作量大，筒体较薄时易造成焊接变形。 见图8—12。 螺旋形缠绕在筒体外侧 结构 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
(a) 半圆管 半圆管横截面重心 r2 t1 D b2 b1 t2 e2 图8－12 半圆管夹套结构
(b)弓形管 弓形管横截面重心 t2 e2 r2 b2 b1 D t1 图8—12 半圆管夹套结构
b L3 L2 L t1 (a)螺旋形缠绕 图8—13 半圆管夹套的安装
(b)平行排管 图8—13 半圆管夹套的安装
4．蜂窝夹套 特点 以整体夹套为基础，采取折边或短管等加强措施； 提高筒体的刚度和夹套的承压能力，减少流道面积； 减薄筒体壁厚，强化传热效果。 折边式 结构 拉撑式
夹套向内折边与筒 体贴合好, 再进行 焊接的结构 D1 t1 D2 t2 b A A向 图8—14 折边式蜂窝夹套
D1 t1 D2 e dmin b 用冲压的小锥体或钢管做拉撑体。蜂窝孔在筒体上呈正方形或三角形布置 图8—15 短管支撑式蜂窝夹套
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， 常采用内盘管 结构特点： 浸没在物料中，热量损失小，传热效果好；检修较困难。 螺旋形盘管 分类 竖式蛇管
d D 图8—16 螺旋形盘管
d D 对称布置的几组 竖式蛇管： 传热 挡板作用 图8－17 竖式蛇管
8.2.3 搅拌器 8.2.3.1 搅拌器与流动特征 定义：搅拌器又称搅拌桨或搅拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。 功能：提供过程所需要的能量和适宜的流动状态。 原理： 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 体在搅拌容器内循环流动。 流型：流体循环流动的途径定义为流型。
一、流型 流型与搅拌的关系 流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切。搅拌器的改进 和新型搅拌器的开发往往从流型着手。 流型决定因素 搅拌器形式、搅拌容器、内构件几何特征，以及流体性质、 搅拌器转速等因素。 搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型 径向流 轴向流 切向流 流型
(a)径向流 图8—18 搅拌器与流型(a) 径向流 流体流动方向垂直于 搅拌轴，沿径向流动， 碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向 下流动，再回到叶端， 不穿过叶片，形成上、 下二个循环流动。
(b)轴向流 图8—18 搅拌器与流型 (b) 轴向流 流体流动方向平行于 搅拌轴，流体由桨叶 推动，使流体向下流 动，遇到容器底面再 向上翻，形成上下循环流。
(c)切向流 图8—18 搅拌器与流型 (c) 切向流 无挡板的容器内，流 体绕轴作旋转运动， 流速高时液体表面会 形成漩涡，流体从桨 叶周围周向卷吸至桨 叶区的流量很小，混 合效果很差。
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 切向流应加以抑制 采用挡板可削弱 切向流，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。
避免完全的对称性 (a) 垂直偏心式 (b) 底插式 (c) 侧插式 (d) 斜插式 (e) 卧式 图8—19 搅拌器在容器内的安装方式
搅拌附件 挡板与导流筒 (1) 挡板 目的——消除打漩和提高混合效果。 打漩—— 物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。
打漩后果—a.打漩时几乎不产生轴向混合，而是使多相系统 分层或分离 b.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。 c.一部分叶轮在空气中运转→使流体对搅拌器振动 阻尼作用↓→搅拌器振动↑ 一般在容器内壁面均匀安装4块挡板 宽度为容器直径的1/12～1/10。
全挡板条件 当再增加挡板数量和挡板宽度，而功率消耗不再增加时， 称为全挡板条件。 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全部代替挡板，装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。
图8-20 挡板
(2) 导流筒 作用—— 上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。 图8-21 导流筒
结构 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相等的两部分，导流筒直径 约为容器直径的70%。 当搅拌器置于导流筒之下，且容器直径又较大时，导流筒的 下端直径应缩小，使下部开口小于搅拌器的直径。
流动特性 搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。 搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用。 剪切作用与液—液搅拌体系中液滴的细化、固—液搅拌体系中固体粒子的破碎以及气—液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作用时，则称为剪切型叶轮，如径向涡轮式、锯齿圆盘式等。
流动特性 搅拌器从电动机获得机械能，推动物料（流体）运动。 搅拌器对流体产生二种作用，剪切作用和循环作用。 循环作用与混合时间、传热、固体的悬浮等相关。 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、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 一、搅拌器分类 轴向流搅拌器 按流体流动形态 径向流搅拌器 混合流搅拌器 桨式、涡轮式、框式和 锚式的桨叶都有平叶和 折叶二种结构 平 叶 按结构分为 折 叶 推进式、螺杆式和螺带 式的桨叶为螺旋面叶 螺旋面叶
低粘流体搅拌器有： 推进式、长薄叶螺旋桨、 桨式、开启涡轮式、圆盘 涡轮式、布鲁马金式、板 框桨式、三叶后弯式、MIG 和改进MIG等。 低粘流体 用搅拌器 按搅拌 用途分为 高粘流体 用搅拌器 高粘流体搅拌器有： 锚式、框式、锯齿圆盘式、 螺旋桨式、螺带式（单螺带、 双螺带）、螺旋—螺带式等。
图8—22 搅拌器流型分类图谱
桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在 搅拌反应设备中应用最为广泛，据统计约占 搅拌器总数的75～80％。
二、几种常用搅拌器： 1. 桨式搅拌器 结构最简单 叶片用扁钢制成，焊 接或用螺栓固定在轮 毂上，叶片数是2、3 或4 片，叶片形式可 分为平直叶式和折叶 式两种。 图8—23桨式搅拌器
主要应用 液—液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固—液系中 多用于防止固体沉降。 主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式 的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。 也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的 螺带式叶轮，能获得良好的效果。
桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min ，最高粘度为20Pa·s 。 其常用参数见表8-5。 缺点 不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。
注：n－转速； v－叶端线速度； Bn－叶片数； d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。 表8－5 桨式搅拌器常用参数 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 d/D=0.35～0.8 b/d=0.1～0.25 Bn=2 折叶式有轴向、径向和环向分流作用 小于2Pa·s 低转速时水平环向流为主；转速高时为径向流；有挡板时为上下循环流 当d/D=0.9以上，并设置多层桨叶时，可用于高粘度液体的低速搅拌。在层流区操作，适用的介质粘度可达100Pa·s, v=1.0～3.0m/s 折叶式 θ=45°，60° 注：n－转速； v－叶端线速度； Bn－叶片数； d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。
2.推进式搅拌器（又称船用推进器） 常用于低粘流体中。 结构 标准推进式搅拌器有三瓣叶 片，其螺距与桨直径d相等。 它直径较小，d/D=1/4～1/3， 叶端速度一般为 7～10 m/s， 最高达15 m/s。 图8—24推进式搅拌器
搅拌时——流体由桨叶上方吸入，下方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，形成轴向流动。 特点——搅拌时流体的湍流程度不高，循环量大，结构简单， 制造方便。 循环性能好，剪切作用不大，属于循环型搅拌器
主要应用 液—液系中用于防止分离、使罐的温度均一，固—液系中 多用于防止固体沉降。 主要用于流体的循环，由于在同样排量下，折叶式比平直叶式 的功耗少，操作费用低，故轴流桨叶使用较多。 也用于高粘流体搅拌，促进流体的上下交换，代替价格高的 螺带式叶轮，能获得良好的效果。
桨式搅拌器的转速一般为20～100r/min ，最高粘度为20Pa·s 。 其常用参数见表8-5。 缺点 不能用于以保持气体和以细微化为目的的气—液分散操作中。
注：n－转速； v－叶端线速度； Bn－叶片数； d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。 表8－5 桨式搅拌器常用参数 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 d/D=0.35～0.8 b/d=0.1～0.25 Bn=2 折叶式有轴向、径向和环向分流作用 小于2Pa·s 低转速时水平环向流为主；转速高时为径向流；有挡板时为上下循环流 当d/D=0.9以上，并设置多层桨叶时，可用于高粘度液体的低速搅拌。在层流区操作，适用的介质粘度可达100Pa·s, v=1.0～3.0m/s 折叶式 θ=45°，60° 注：n－转速； v－叶端线速度； Bn－叶片数； d－搅拌器直径；D－容器内径：θ－折叶角。
3．涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器（又称透 平式叶轮），是应用较 广的一种搅拌器，能有 效地完成几乎所有的搅 拌操作，并能处理粘度 范围很广的流体。 图8—25 涡轮式搅拌器
开式有：平直叶、斜叶、弯叶等。叶片数为2叶和4叶 涡轮式搅拌器分为 盘式 盘式有：圆盘平直叶、圆盘斜叶、圆盘弯叶等。叶片数常为6叶。 为改善流动状况，有时把桨叶制成凹形或箭形
应用 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体的混合、液—液分散、液—固 悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。 平直叶——剪切作用较大，属剪切型搅拌器。 弯叶——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粒的流体搅 拌。
表8－7 涡轮式搅拌器常用参数 型式 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 开式涡轮 d/D=0.2～0.5 表8－7 涡轮式搅拌器常用参数 型式 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 开式涡轮 d/D=0.2～0.5 (以0.33居多) b/d=0.2 Bn=,3,4,6,8 (以6居多) 折叶式 θ=30°,45°,60° 后弯式 ß=30°,50°,60° ß后弯角 n=10～300r/min v=4～10m/s v=2～6m/s 小于50Pa·s， 折叶和后弯叶小于10Pa·s 平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。 折叶的还有轴向分流，近于轴流型 最高转速可达600r/min 圆盘上下液体的混合不如开式涡轮 盘式涡轮 d:l:b=20:5:4 Bn=4,6,8 θ=45°,60° ß=45° 折叶和 后弯叶 小于10Pa·s
4．锚式搅拌器 结构简单。 适用于粘度在100Pa·s 以下的流体搅拌，当流 体粘度在10～100Pa·s 时，可在锚式桨中间加 一横桨叶，即为框式搅 拌器，以增加容器中部 的混合。 图8—26 锚式搅拌器
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大，能得到 大的表面传热系数，故常用于传热、晶析操作。 常用于搅拌高浓度淤浆和沉降性淤浆。 当搅拌粘度大于100Pa·s 的流体时，应采用螺带式或螺杆式。
表8－8 锚式搅拌器常用参数 常用尺寸 常用运转条件 常用介质粘度范围 流动状态 备注 d/D= 0.9～0.98 b/D=0.1 h/D= 0.48-1.0 n= 1～100r/min v=1～5m/s 小于100Pa·s 不同高度上的水平环向流 为了增大搅拌范围，可根据需要在桨叶上增加立叶和横梁
8.2.3.3 搅拌器的选用 搅拌目的 搅拌器选型一般从三个方面考虑 物料粘度 搅拌容器容积的大小 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、维护和检修方便等因素。
常用的搅拌器选用方法： ⒈按搅拌目的选型: 仅考虑搅拌目的时搅拌器的选型见表8－9。
表8－9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式 搅拌目的 挡板条件 推荐形式 流动状态 互溶液体的混合及在其中进行化学反应 无挡板 表8－9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式 搅拌目的 挡板条件 推荐形式 流动状态 互溶液体的混合及在其中进行化学反应 无挡板 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮 湍流 (低粘流体) 有导流筒 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式 有或无导流筒 桨式、螺杆式、框式、螺带式、锚式 层流 (高粘流体) 固—液相分散及在其中溶解和进行化学反应 有或无挡板 桨式、六叶折叶开启式涡轮 螺带式、螺杆式、锚式 液—液相分散（互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应 有挡板 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、桨式、圆盘涡轮式、推进式
表8－9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续） 液—液相分散（不互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应 有挡板 圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮 表8－9 搅拌目的与推荐的搅拌器形式（续） 液—液相分散（不互溶的液体）及在其中强化传质和进行化学反应 有挡板 圆盘涡轮、六叶折叶开启涡轮 湍流 (低粘流体) 有反射物 三叶折叶涡轮 有导流筒 三叶折叶涡轮、六叶折叶开启涡轮、推进式 有或无导流筒 螺带式、螺杆式、锚式 层流 (高粘流体) 气—液相分散及在其中强化传质和进行化学反应 圆盘涡轮、闭式涡轮 螺杆式 无导流筒 锚式、螺带式
2.按搅拌器型式和适用条件选型: 表8-10 推进式搅拌器——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 拌容器中。 涡轮式搅拌器——应用范围较广，各种搅拌操作都适用， 但流体粘度不宜超过50Pa·s。 桨式搅拌器 ——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 能力不足。 锚式、螺杆式、螺带式——适用于高粘流体的混合。 表8-10 是以操作目的和搅拌器流动状态选用搅拌器的
表8－10 搅拌器型式和适用条件 注：有◆者为可用，空白者不详或不合用
8.2.3.4 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 如：青霉素生产过程中用到的种子罐和主发酵罐常采用机械搅拌。 生物反应与化学反应的不同——处理对象不同 如：反应器（俗称发酵罐）处理对象是微生物，它的繁殖、生长，与化学反应过程有很大的区别。
⒈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气—液—固三相, 即空气或CO2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、头孢菌素等医药产品。
发酵液的特点是： a）粘度是变化的。发酵开始时，发酵液的粘度一般不大，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; b）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。
⑵大多数生物颗粒对剪切力非常敏感。剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成 比例，因此对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 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： ⑴ 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； ⑵ 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。 结论—搅拌器既要有较强剪切力，又要有 较大的流体循环特性。 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。
前景 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。 作为生物反应过程的核心设备生物反应器，更是生物反应工程 研究的中心内容。 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，可以预见生物反应器将得到更快的发展。
8.2.3.5 搅拌功率计算 定义: 指搅拌器以一定转速进行搅拌时，对液体做功 并使 之发生流动所需的功率。 目的: a.设计或校核搅拌器和搅拌轴的强度和刚度 b.选择电机和减速机等传动装置。 搅拌器功率: 即搅拌功率 搅拌作业功率: 搅拌器使搅拌槽内的液体以最佳方式 完成搅拌过程所需的功率 区分:
影响搅拌功率的因素很多，主要有以下四个方面： a.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、单个搅拌器叶片 数、搅拌器距离容器底部的距离等 b.搅拌容器的结构:容器内径、液面高度、挡板数、挡板宽度、 导流筒的尺寸等。 c.搅拌介质的特性:液体的密度、粘度。 d.重力加速度
上述影响因素可用下式关联: （8—1） 式中 B－桨叶宽度，m； d－搅拌器直径，m； D－搅拌容器内直径，m； P－搅拌功率，W； r , q－指数； Re－雷诺数， ； Fr－弗鲁德准数， ρ－密度，kg/m3； μ－粘度，Pa·s。 h－液面高度，m； K－系数； n－转速，1/s； Np－功率准数；
一般情况下:弗鲁德准数Fr的影响较小。容器内径D、 挡板宽度b等几何参数可归结到系数K。 由式（8－1）得搅拌功率P为： （8—2） 关键求 (查图8-27) 上式中ρ、n、d为已知数，故计算搅拌功率的关键是求得功率准数Np。在特定的搅拌装置上，可以测得功率准数Np与雷诺数Re的关系。 将此关系绘于双对数坐标图上即得功率曲线。
图8－27 六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件)
图8－27 六种搅拌器的功率曲线(全挡板条件)
图（8-27）为六种搅拌器的功率曲线。功率准数Np随雷诺数Re变化。 由图8－27可知: 低雷诺数(Re≤10)→层流区: 流体不会打漩，重力影响可忽略， 功率曲线为斜率-1的直线； 10≤Re≤10000→过渡流区: 功率曲线为一下凹曲线； Re＞10000→充分湍流区: 功率曲线呈一水平直线， 即Np与Re无关，保持不变。
用式（8-2）计算搅拌功率时，功率准数Np可直接从图8-27查得。 注意: a.图8－27所示功率曲线只适用于图示六种搅拌器的几何 比例关系。 如果比例关系不同，功率准数Np也不同 b.上述功率曲线是在单一液体下测得的。 对于非均相物系: 液－液或液－固系统，用上述功率曲线计算时，需用混合物的平均密度 和修正粘度 代替式（8-2）中的ρ、 μ。 r m
计算气－液两相系统搅拌功率时，搅拌功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效密度，与不通气 相比，搅拌功率要低得多。
例8-1 搅拌反应器的筒体内直径为1800mm，采用六直叶圆盘涡轮式搅拌器，搅拌器直径600mm，搅拌轴转速160r/min。容器内液体的密度为1300kg/m3，粘度为0.12Pa·s。试求： 1)搅拌功率； 2)改用推进式搅拌器后的搅拌功率。 课本363页 解：已知ρ＝1300kg/m3，μ＝0.12Pa·s，d=600mm， n=160r/min=2.667 s-1 (1) 计算雷诺数Re
由图8-27功率曲线1查得，Np=6.3。 按式8-2 计算搅拌功率 P=Npρn3d5=6.3×1300×2.6673×0.65= 12.08 kW (2) 改用推进式搅拌器，雷诺数不变，由图8－27功率曲线3 查得，Np=1.0。搅拌功率为 P=Npρn3d5=1.0×1300×2.6673×0.65=1.92 kW
8.2.4 搅拌轴设计 设计搅拌轴应考虑的四个因素： ①扭转变形； ②临界转速； ③扭矩和弯矩联合作用下的强度； 确定轴的实际直径时，还得考虑腐蚀裕量，最后把直径圆整为标准轴径。 ④轴封处允许的径向位移。 上述因素计算所得的轴径是指危险截面处的直径
一、搅拌轴的力学模型 对搅拌轴设定： （1）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、惯性 力、流体作用力均作用在零件轴套的中部； （3）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)在组合重心 处质量偏心引起的离心力的作用。
Le S FA m1 Fhi Fh1 Fe mi Li L1 α d 图8—28 悬臂轴受力模型
Le Fhi Fh1 FA S m1 mi Fe d Li L1 L 图8-29 单跨轴受力模型
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，扭转变形过大会造成轴的 振动，使轴封失效。 应将轴单位长度最大扭转角γ限制在允许范围内。 轴扭矩的刚度条件为 （8—3）
α—空心轴内径和外径的比值； 式中 d—搅拌轴直径，m； G—轴材料剪切弹性模量，Pa； Mn max —轴传递的最大扭矩， N·m； n—搅拌轴转速，r/min； Pn—电机功率，kW； α—空心轴内径和外径的比值； η—传动装置效率； [γ]—许用扭转角，对于悬臂梁[γ]= 0.350/m， 对于单跨梁[γ]= 0.70/m。
故搅拌轴的直径为 （8—4）
三、按临界转速校核搅拌轴的直径 临界转速nc—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。 刚性轴—工作转速低于第一临界转速的轴, 要求n≤0.7nc 柔性轴—工作转速大于第一临界转速的轴, 要求n≥1.3nc 工程上要求搅拌轴的工作转速避开临界转速
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。 轴径细，长度短，质量小 小轴的计算方法—— 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。
直径粗，长度长，质量大 大轴的计算方法—— 忽略轴质量会引起较大误差。采用等效质量方法，把轴本身的分布质量和轴上各个搅拌器的质量按等效原理，分别转化到一个特定点上（如对悬臂轴为轴末端S ），累加组成一个集中的等效质量。 把原来复杂多自由度转轴系统简化为无质量轴上只有一个集中等效质量的单自由度问题。 临界转速与支承方式、支承点距离及轴径有关，不同型式支承轴的临界转速的计算方法不同。
α—悬臂轴两支点间距离，m； nc—临界转速，r/min； ms—轴及搅拌器有效质量在s点的 （8—5） 式中 α—悬臂轴两支点间距离，m； E—轴材料的弹性模量，Pa； I—轴的惯性矩，m4 L1—第1个搅拌器悬臂长度，m； nc—临界转速，r/min； ms—轴及搅拌器有效质量在s点的 等效质量之和， z—搅拌器的数量。
等直径悬臂轴、单跨轴的临界转速详细计算见文献[64] 第91～99页。 不同型式的搅拌器、搅拌介质，刚性轴和柔性轴的 工作转速n与临界转速nc的比值可参考表8-11。
表8—11 搅拌轴临界转速的选取 搅拌介质 刚性轴 柔性轴 搅拌器(叶片式搅拌器除外) 叶片式搅拌器 高速搅拌器 气体 n/nc≤0.7 不推荐 液体—液体 液体—固体 n/nc≤0.7和 n/nc(0.45～0.55) n/nc= 1.3～1.6 液体—气体 n/nc≤0.6 n/nc≤0.4 注：叶片式搅拌器包括：桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、 三叶后掠式、推进式； 不包括：锚式、框式、螺带式。
四、按强度计算搅拌轴的直径 搅拌轴的强度条件是： （8—6） M—弯矩， M= MR+ MA MA—由轴向力引起的轴的弯矩， N·m； Mn—扭矩，N·m； MR—水平推力引起的轴的弯矩，N·m； Mte—轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩， ，N·m； 式中
Wp—抗扭截面模量，对空心圆轴 ，m3 [τ]—轴材料的许用剪应力， Pa τmax —截面上最大剪应力，Pa； —轴材料的抗拉强度，Pa。 则搅拌轴的直径： （8—7）
五、按轴封处允许径向位移验算轴径: 轴封处径向位移的大小直接影响密封的性能， 径向位移大，易造成泄漏或密封的失效。 轴封处的径向位移主要由三个因素引起： （1）轴承的径向游隙； （2）流体形成的水平推力； （3）搅拌器及附件组合质量不均匀产生的离心力。 力学模型: 图8-30
图8—30 径向位移 计算模型
计算: 分别计算其径向位移，然后叠加，使总径向位移 小于允许的径向位移 ，即 （8—8） 式中 —轴封处的允许径向位移， 通常 mm K3—径向位移系数， 当设计压力p＝0.1～0.6MPa， n＞100r/min时,一般物料K3＝0.3。
结论： 搅拌轴轴径必须满足强度和临界转速的要求。 当有要求时，还应满足扭转变形、径向总位移的要求。 有关搅拌轴的详细计算及参数的选取见文献[64] 第82 页至第103页。
六、减小轴端挠度、提高搅拌轴临界转速的措施: (1) 缩短悬臂段搅拌轴的长度 受到端部集中力作用的悬臂梁，其端点挠度与悬臂长度的三次方成正比。 缩短搅拌轴悬臂长度，可以降低梁端的挠度，这是减小挠度最简单的方法，但会改变设备的高径比，影响搅拌效果。
(2) 增加轴径 轴径越大，轴端挠度越小。 但轴径增加，与轴连接的零部件均需加大规格，如轴 承、轴封、联轴器等，导致造价增加。 (3) 设置底轴承或中间轴承 设置底轴承或中间轴承改变了轴的支承方式，可减小 搅拌轴的挠度。 但底轴承和中间轴承浸没在物料中，润滑不好，如物 料中有固体颗粒，更易磨损，需经常维修，影响生产。 发展趋势是尽量避免采用底轴承和中间轴承。
(4) 设置稳定器 工作原理：稳定器受到介质阻尼作用力的方向与搅拌器 对搅拌轴施加的水平作用力的方向相反，减 少轴的摆动量。 稳定器摆动时，阻尼力与承受阻尼作用的面 积有关，迎液面积越大，阻尼作用越明显， 稳定效果越好。 采用稳定器可改善搅拌设备的 运行性能，延长轴承的寿命
为空心圆筒，安装在搅拌器下面，见图8-31。圆筒型稳定器的应用效果较好，因为稳定筒的迎液面积较大，产生的阻尼力也较大，且位于轴下端。 稳定器分类 叶片型
空心圆筒，安装在搅拌器下面 图8—31 稳定筒
圆筒型 有多种安装方式，叶片切向布置在搅拌器下面，见图8-32(a)，叶片安装在轴上，并与轴垂直，见图8-32(b)、(c)、(d)。 安装在轴上的叶片，距离上部轴承较近，阻尼产生的反力矩较小，稳定效果较差。稳定叶片的尺寸一般取为：w/d=0.25，h/d=0.25。 稳定器分类 叶片型
（a）叶片切向布置 在搅拌器下面 图8—32 叶片型稳定器
(b)叶片安装在轴 上，并与轴垂直 图8—32 叶片型稳定器
(c) (d) 叶片安装在轴 上，并与轴垂直 图8—32 叶片型稳定器
8.2.5 密封装置 填料密封 机械密封 机械搅拌反应器轴封主要有两种 目的 a. 保证搅拌设备内处于一定正压或真空 b.避免介质通过转轴从搅拌容器内泄漏或外部杂质渗入 搅拌容器内。
一、填料密封 特点: 结构简单，制造容易， 适用: 低压、低转速，非腐蚀性和弱腐蚀性介质， 密封要求不高，并允许定期维护的搅拌设备。 ⒈结构及工作原理 组成：底环、本体、油环、填料、螺柱、压盖及油杯等。
1—压盖 2—双头螺柱 3—螺母 4—垫圈 5—油杯 6—油环 7—填料 8—本体 9—底环 8—33 填料密封的结构
工作原理： 靠拧紧压盖螺栓的轴向力使填料产生径向变形而起 密封作用。 填料中含有润滑剂，在对搅拌轴产生径向压紧力的 同时，形成一层极薄的液膜，一方面使搅拌轴得到 润滑，另一方面阻止设备内流体的逸出或外部流体 的渗入，达到密封的目的。
存在问题： 填料中的润滑剂会在运转中不断消耗，通过设置在填料中间的油环向填料内加油，保持润滑。 填料密封不可能绝对不漏。增加压紧力，填料紧压在转动轴上，会加速轴与填料间的磨损，使密封更快失效。 在操作过程中应适当调整压盖的压紧力，并需定期更换填料。
⒉ 填料 ⑴对材料要求： ①有足够的弹性→能吸收实际不可避免的振动 ②有足够的塑性→压盖压紧下能产生塑性变形 ③耐磨性↑→使用寿命↑ ④耐蚀性↑→耐介质及润滑剂浸泡和腐蚀 ⑤在填料函压盖压得过紧情况下具有运转自如，不产生破坏性 摩擦和热的性能。 非金属: 多用。石棉、聚四氟乙稀、石墨等 金属: 用于高温、高压。铝、紫铜、不锈钢等 ⑵常用材料
2．填料密封箱的特点 a.在填料箱的压盖上设置衬套，可提高装配精度，使轴有良好对中，填料压紧时受力均匀，保证填料密封在良好条件下进行工作。 b. 成型环状填料 盘状填料装配时尺寸公差很难保证，填料压紧后不能完全保证每圈都与轴均匀良好接触，受力状态不好，易造成填料密封失效而泄漏。采用具有一定公差的成型环状填料，密封效果可大为改善。填料一般在裁剪、压制成填料环后使用。 成型环状填料的形状见图8—34。
图8—34 压制成型填料
当旋转轴线速度大于1m/s时，摩擦热大，填料寿命会降低， 轴也易烧坏。 措施： 提高轴表面硬度和加工精度，提高填料自润滑性能。 如：在轴表面堆焊硬质合金或喷涂陶瓷或采用水夹套等。 轴表面的粗糙度应控制在0.8-0.2μm。
3．填料密封的选用 a.根据设计压力、设计温度及介质腐蚀性选用。 当介质为非易燃、易爆、有毒的一般物料且压力不高时， 按表8－12选用填料密封。 b. 根据填料的性能选用。 当密封要求不高时，选用一般石棉或油浸石棉填料，当密封 要求较高时，选用膨体聚四氟乙烯、柔性石墨等填料。各种 填料材料的性能不同，按表8-13选用。
表8—12 标准填料箱的允许压力、温度 材料 公称压力/MPa 允许压力范围/MPa (负值指真空) 允许温度范围/℃ 转轴线速度/ 表8—12 标准填料箱的允许压力、温度 材料 公称压力/MPa 允许压力范围/MPa (负值指真空) 允许温度范围/℃ 转轴线速度/ (m/s) 碳钢填料箱 常压 ＜0.1 ＜200 ＜1 0.6 －0.03～0.6 ≤200 1.6 －0.03～1.6 －20～300 不锈钢填料箱
8—13 填料材料的性能 填料名称 介质极限温度/0C 介质极限压力/MPa 线速度/(m/s) 适用条件（接触介质） 油浸石棉填料 450 8—13 填料材料的性能 填料名称 介质极限温度/0C 介质极限压力/MPa 线速度/(m/s) 适用条件（接触介质） 油浸石棉填料 450 6 蒸汽、空气、工业用水、重质石油产品、弱酸液等 聚四氟乙烯纤维编结填料 250 30 2 强酸、强碱、有机溶剂 聚四氟乙烯石棉盘根 260 25 1 酸碱、强腐蚀性溶液、化学试剂等 石棉线或石棉线与尼龙线浸渍聚四氟乙烯填料 300 弱酸、强碱、各种有机溶剂、液氨、海水、纸浆废液等 柔性石墨填料 250～300 20 醋酸、硼酸、柠檬酸、盐酸、硫化氢、乳酸、硝酸、硫酸、硬脂酸、 水钠、溴、矿物油料、汽油、二甲苯、四氯化碳等 膨体聚四氟乙烯石墨盘根 4 强酸、强碱、有机溶液
⑷ 润滑剂: ①作用: a.润滑搅拌轴 b.阻止设备内流体的逸出或外部流体的渗入而达到密封 ②要求: a.含油足以提供恰当的润滑 b.不溶解于所接触的介质 c.不会污染设备内物料 d.对所接触的金属不腐蚀 e.在高温下使用时不易熔出 ③常用润滑剂: 油脂、蓖麻油、甘油、石蜡、石墨等
二、 机械密封 通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称端面密封。 定义： 把转轴的密封面从轴向改为径向。 泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长， 在搅拌反应器中得到广泛地应用。 特点：
⒈机械密封的结构及工作原理: ⑴结构:图8-35,由固定在轴上的动环及弹簧压紧装置、固定在设备上的静环以及辅助密封圈组成。 1—弹簧； 2—动环； 3—静环 图8—35 机械密封结构
⑵工作原理:当转轴旋转时，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，阻止容器内介质从 接触面上泄漏。 图中有四个密封点 A点: 动环与轴之间的密封，属静密封，密封件常用“O”形环。
B点 动环和静环作相对旋转运动时的端面密封，属动密封， 是机械密封的关键 两个密封端面的平面度和粗糙度 要求较高，依靠介质的压力和弹 簧力使两端面保持紧密接触，并 形成一层极薄的液膜起密封作用。
C点 静环与静环座之间的密封，属静密封 D点 静环座与设备之间的密封，属静密封 通常设备凸缘做成凹面，静环座做成凸面，中间用垫片密封。
釜用机械密封基本结构 双端面密封
机械密封的基本结构及组成
密封面: 动环和静环之间的摩擦面 端面比压: 密封面上单位面积所受的力称为端面比压。 它是动环受介质压力和弹簧力的共同作用下，紧压在静环上 引起的，是操作时保持密封所必需的净压力。 端面比压过大： 造成摩擦面发热，摩擦加剧，功率消耗增加，使用寿命缩短 端面比压过小： 密封面因压不紧而泄漏，密封失效
⒉机械密封分类 一对密封面,图8-35 单端面 按密封面 数目分为 二对密封面 双端面 机械密封 分类 平衡型: K＜1, 图8-36 (a) 按密封面负荷 平衡情况分为 非平衡型: K≥1, 图8-36 (b) (c)
a. 单端面与双端面 图8—35所示的单端面密封结构简单、制造容易、维修方便、 应用广泛。 双端面密封有二个密封面，且可在二密封面之间的空腔中注 入中性液体，使其压力略大于介质的操作压力，起到堵封及 润滑的双重作用，故密封效果好。但结构复杂，制造、拆装 比较困难，需一套封液输送装置，且不便于维修。
b. 平衡型与非平衡型 根据密封面负荷平衡情况分为平衡型和非平衡型，见图8－36。 平衡型与非平衡型是以液体压力负荷面积对端面密封面积 的比值大小判别的。
液压负荷面积 （8-9） 密封面接触面积 由图8-36可知 经过适当的尺寸选择，可使机械密封设计成K＜1，K=1或K＞1。
K＜1 时： D2 平衡型机械密封 平衡型密封由于液压负荷面积减小，使接触面上的净负荷也越小。K=0.6～0.9 D1 K＜1 d 图8—36（a）机械密封的K值 p
D2 D1 d p D2 D1 d p K>1 K=1 K≥1时： 非平衡型。K=1.1 ～ 1.2 图8—36 (b) 、(c) 机械密封的K值
机械密封已标准化，其使用的压力和温度范围见表8—14。 ⒊ 机械密封的选用: 当介质为易燃、易爆、有毒物料时，宜选用机械密封。 机械密封已标准化，其使用的压力和温度范围见表8—14。 表8—14 机械密封许用的压力和温度范围 密封面 对数 压力等级/MPa 使用温度/℃ 最大线速度 /(m/s) 介质端材料 单端面 0.6 -20～150 3 碳钢 不锈钢 双端面 1.6 -20～300 2～3
应用场合： 单端面非平衡型机械密封： 设计压力小于0.6MPa且密封要求一般的场合。 内置轴承的机械密封： 密封要求较高，搅拌轴承受较大径向力时。 但内置轴承不能作为轴的支点。 平衡型机械密封： 设计压力大于0.6MPa。 应配循环保护系统的机械密封： 当介质温度高于80ºC，搅拌轴的线速度超过1.5m/s。
4．动环、静环的材料组合 动环、静环: 它们是一对摩擦副, 且在运转时与被密封介质接触 ∴考虑耐磨性及耐腐蚀性。 硬度不同： 动环高,静环低。因为动环的形状比较复杂，在改变操作压力时 容易产生变形，故动环选用弹性模量大、硬度高的材料，但不 宜用脆性材料。 动环、静环及密封圈材料的组合推荐见表8-15。
表8—15 机械密封常用动环和静环材料组合 介质性质 介质温度/℃ 介质侧 弹簧 结构件 大气侧 动环 静环 辅助密封圈 一般 ＜80 表8—15 机械密封常用动环和静环材料组合 介质性质 介质温度/℃ 介质侧 弹簧 结构件 大气侧 动环 静环 辅助密封圈 一般 ＜80 石墨浸渍树脂 碳化钨 丁睛橡胶 铬镍钢 铬钢 ＞80 氟橡胶 腐蚀性强 橡胶包复聚四氟乙烯 铬镍钼钢
三、全封闭密封 全封闭磁力密封应用场合： 介质为剧毒、易然、易爆、昂贵的物料，高纯度物 资以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料 密封和机械密封均无法满足时的场合。
全封闭密封工作原理: 套装在输入机械能转子上的外磁转子，和套装在搅拌轴上 的内磁转子，用隔离套使内外转子隔离，靠内外磁场进行 传动，隔离套起到全封闭密封作用。 套在内外轴上的涡磁转子称为磁力联轴器。 平面式联轴器 磁力联轴器的结构 套筒式联轴器
1－外轴 2－外磁转子 3－隔离套 4－内磁转子 5－内轴 由装在搅拌轴上的内磁转子和装在电机轴上的外磁转子组成 磁力联轴器 平面隔离套 磁力联轴器 图8—37 平面式联轴器
1－外磁转子 2－内磁转子 3－隔离套 4－反应器筒体 5－轴承 套筒隔离套 图8—38 套筒式联轴器
套筒式联轴器： 由内磁转子、外磁转子、隔离套、轴、轴承等组成。 外磁转子与电机轴相连，安装在隔离套和内磁转子上。 隔离套为一薄壁圆筒，将内磁转子和外磁转子隔开，对搅拌 容器内介质起全封闭作用。 内外磁转子传递的力矩与内外磁转子的间隙有关，间隙的大小 决定了隔离套厚度。
如隔离套厚度薄了，受强度、刚度的限制，用于压力低的场合。 一般隔离套是由非磁性金属材料组成。 隔离套在高速下切割磁力线将造成较大的涡流和磁滞等损耗， 必须考虑用电阻率高的抗拉强度大的材料制造。 目前，较多采用合金钢或钛合金等。
全封闭型密封的磁力传动的优、缺点： 优点 缺点 a .无接触和摩擦，功耗 小，效率高； b. 超载时内外磁转子相对 滑脱，可保护电机过 载； c .可承受较高压力，且维 护工作量小。 a. 筒体内轴承与介质直接接 触影响了轴承的寿命； b. 隔离套的厚度影响传递力 矩，且转速高时造成较大 的涡流和磁滞等损耗； c. 温度较高时会造成磁性材 料严重退磁而失效，使用 温度受到限制。
四、气体润滑机械密封 基本原理： 在动环或静环的密封面上开有螺旋形的槽及孔。 当旋转时利用缓冲气，密封面之间引入气体，使动环和静环之间产生气体动压及静压，密封面不接触，分离微米级距离，起到密封作用。
应用： 适合于反应设备内无菌、无油的工艺要求，特别适用于 高温、有毒气体等特殊要求的场合。 气体润滑机械密封与常规机械密封相比，使用寿命长，可达4年以上，不需要润滑油系统及冷却系统，维护方便，避免了产品的污染 与全封闭密封相比，运行费用少，传递功率不受限制，投资成本低，维护方便。
机械密封与填料密封比较: 密封面性质 密封力 轴和填料是圆柱形 表面接触 填料密封 靠拧紧压盖螺栓, 使填料发生径向 膨胀而产生。轴运转时, 轴和填料摩擦发生磨损→密封力↓,引起泄漏 动环和静环是环形 平面接触 机械密封 靠弹簧压盖动环和静环产生。两环有微小磨损→密封力基本不变,介质不易泄漏 ∴机械密封比填料密封优越
比较项目 填料密封 机械密封 泄漏量 180 ~ 450ml/h 一般平均为填料密封的1% 摩擦功损失 为填料密封的10~15% 轴磨损 有磨损, 用久后需换轴 几乎无磨损 维护及寿命 需经常更换填料 很少需要维护 高参数 高压.高温.高真空.高转速.大直径轴封很难解决 可以 加工及安装 加工要求一般 填料更换方便 动、静环表面光洁度及平直度要求高, 不易加工, 成本高, 装拆不便 对材料要求 一般 动、静环要求较高减磨性能
8.2.6 传动装置 电动机 减速机 包括 联轴器 机架
1—电动机； 2—减速机； 3—联轴器； 4—支架； 5—搅拌轴； 6—轴封装置； 7—凸缘； 8—上封头 轴承 图8—39 传动装置
一、电动机的选型 由搅拌功率计算电动机的功率Pe ： （8—10） 式中 Ps—轴封消耗功率，kW； η—传动系统的机械效率。 P —搅拌功率 电动机的型号应根据功率、工作环境等因素选择。 工作环境包括防爆、防护等级、腐蚀环境等。
㈡ 减速机选型 考虑： 载荷变化、有振动、连续生产。 摆线针轮行星减速机、齿轮减速机、三角皮带减速机以及圆柱蜗杆减速机。表8-16 常用： 根据功率、转速。 选用时应优先考虑传动效率高的齿轮减速机和 摆线针轮行星减速机。 选用原则：
表8—16 四种常用减速机的基本特性 特性参数 减速机类型 摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 传动比i 表8—16 四种常用减速机的基本特性 特性参数 减速机类型 摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 传动比i 87～9 12～6 4.53～2.96 80～15 输出轴转速/(r/min) 17～160 65～250 200～500 12～100 输入功率/kW 0.04～55 0.55～315 0.55～200 0.55～55 传动效率 0.9～0.95 0.95～0.96 0.80～0.93 传动原理 利用少齿差内啮合行星传动 两级同中距并流式斜齿轮传动 单级三角皮带传动 圆弧齿圆柱蜗杆传动
表8—16 四种常用减速机的基本特性（续） 特性参数 减速机类型 摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 主要特点 表8—16 四种常用减速机的基本特性（续） 特性参数 减速机类型 摆线针轮行星减速机 齿轮减速机 三角皮带减速机 圆柱蜗杆减速机 主要特点 传动效率高，传动比大，结构紧凑，拆装方便，寿命长，重量轻，体积小，承载能力高，工作平稳。对过载和冲击载荷有较强的承受能力，允许正反转，可用于防爆要求。 在相同传动比范围内具有体积小，传动效率高，制造成本低，结构简单，装配检修方便，可以正反转，不允许承受外加轴向载荷，可用于防爆要求。 结构简单，过载时能打滑，可起安全保护作用，但传动比不能保持精确，不能用于防爆要求。 凹凸圆弧齿廓啮合，磨损小，发热低，效率高，承载能力高，体积小，重量轻，结构紧凑，广泛用于搪玻璃反应罐，可用于防爆要求。
适用于电动机或减速机可作为一个支点，或容器内可设置中间轴承和底轴承的情况 ㈢ 机架 一般仅适用于传递小功率和小的轴向载荷的条件 无支点机架 适用于电动机或减速机可作为一个支点，或容器内可设置中间轴承和底轴承的情况 ⒈ 类型 单支点机架（图8—40） 双支点机架（图8—41） 适用于悬臂轴
适用于电动机或减速机可作为一个支点，或容器内可设置中间轴承和底轴承的情况 图8—40 单支点机架
适用于悬臂轴 图8—41 双支点机架
悬臂式 单跨式 搅拌轴支承方式： 优先采用悬臂轴—— 由于筒体内不设置中间轴承或底轴承，维护检修方便，特别对卫生要求高的生物反应器，减少了筒体内的构件，应优先采用悬臂轴。
悬臂轴选用机架时应考虑： 借用减速机中的轴承 （1）无支点机架： 当减速机中的轴承完全能够承受液体搅拌所产生的轴向力， 可在轴封下面设置一个滑动轴承来控制轴的横向摆动，可 选无支点机架。 计算： 将它看作一个支点在减速机出轴上的滚动轴承，另一个支点 为滑动轴承的双支点支承悬臂式轴。 减速机与搅拌轴的联接用刚性联轴器。
借用减速机中的轴承 （2）单支点机架： 当减速机中的轴承能承受部分轴向力，可采用单支点机架， 机架上的滚动轴承承担大部分轴向力。 计算： 将它看作一个支点在减速机上的滚动轴承，另一个支点在机架 上的滚动轴承组成的双支点支承悬臂式结构。 搅拌轴与减速机出轴的联接采用刚性联轴器。
借用减速机中的轴承 （3）双支点机架： 当减速机中的轴承不能承受液体搅拌所产生的轴向力，应选用 双支点机架，由机架上二个支点的滚动轴承承受全部轴向力。 搅拌轴与减速机出轴的联接采用弹性联轴器，有利于搅拌轴 的安装对中要求，确保减速机只承受扭矩作用。 对于大型设备，对搅拌密封要求较高的场合以及搅拌轴载荷 较大的情况，一般都推荐采用双支点机架。
第八章 反应设备 第三节 机械搅拌设备技术进展概述
8.3.1 搅拌器结构优化与组合 一、新型搅拌器的开发 每一种搅拌器都不是万能的，只有在某一特定的应用范围 内才是高效的。 1．变倾角变叶宽搅拌器 是新开发的几种适用于低、中粘度流体的高效轴流型搅拌器， 叶片的宽度和倾角随径向位置而变。 非常适合于均相混合、固液悬浮操作，典型的见图8—42的轴向 流搅拌器。
(a) A310 (b) A315 (c) HPM 图8—42 新型轴向流搅拌器 变倾角变叶宽搅拌器
2．Scaba搅拌器 高效径向流型 特点： 弧形叶片形状可消除叶片后面的气穴，使通气功率下降较小，常用于发酵罐的底层搅拌，提高气体分散能力。 图8—43 Scaba搅拌器
3．三种新型搅拌器 图8-44 所示的最大叶片式、泛能式、叶片组合式搅拌器， 适用的粘度范围宽，对于混合、传热、固液悬浮以及液液 分散等操作都比常用的搅拌器效率高。 这些搅拌器具有高效节能、造价低廉而且易于大型化的优点， 正在传统的搅拌设备改造中发挥着重要作用。
(a)最大叶片式 (b)泛能式 (c)叶片组合式 图8—44 三种新型搅拌器
二 组合式搅拌器的应用 在一个搅拌容器内设置不同构形、不同转速的搅拌器 以达到全罐搅拌与混合的目的。 组合式搅拌器可减少混合时间，大量节省能耗， 提高产品质量。
例如用于化妆品、牙膏等生产的搅拌设备，其介质为高粘物料，含有大量固体粉末，混合要求较高，常在一个容器内设有齿片式、锚式和螺杆式三个不同转速搅拌轴。 齿片式搅拌器：高速回转、高剪切打碎和分散固体粒子 锚式搅拌器：慢速旋转，不断把流体输送到齿片搅拌器 产生的高剪切区 螺杆式搅拌器：使流体上下循环 三个搅拌器的配合使用，使全罐物料更快达到均匀混合
三、改变搅拌器传动方式,实现高效节能 1.回转兼上下往复运动的搅拌器 运动机构见图8—45，上下往复运动由曲轴带动连杆来完成，通过在曲轴上挂一副伞齿轮并辅以万向节产生回转运动，合理地设计伞齿轮副，使转动和上下往复运动之间有一个小的相位差，桨叶每次不走重复路线(图8—46 所示)，提高混合效果。由于使用了曲轴连杆机构，转速太高会产生振动，一般适合于转速低于100r/min、中粘流体的混合，以及固体粉末在中粘流体中的溶解。
1—搅拌轴 2—万向节 3—小伞齿轮 4—大伞齿轮 5—电机 6—曲轴 7—连杆 8—搅拌器 图8—45 回转兼上下往复
每转一圈的相位滞后 转一圈后的位置 浆叶高度 冲程 第 三 二 一 圈 0 90o 180o 270o 360o 浆叶方向 合理地设计伞齿轮副，使转动和上下往复运动之间有一个小的相位差，桨叶每次不走重复路线 图8—46 桨叶端部的运动路线
2.双轴异桨复动式搅拌设备 传统搅拌设备中，搅拌器的旋转是固定在一根轴 上，只能是一种转速。 研究开发的双轴异桨复动式搅拌设备，由低速的 大循环量搅拌器和高速高剪切的齿盘式搅拌器组成， 双搅拌器绕各自的轴相反方向旋转的同时，由液压活 塞带动下作上下往复运动，该搅拌设备处理的物料粘 度可达50Pa·S，含固量达70%，混合效果好节省能耗 20%以上，已应用在涂料、壁纸、油墨、橡胶等行业。
8.3.2 搅拌设备的多功能化与智能化 搅拌设备操作灵活方便，特别适合于批量小、 更新快、工艺流程用计算机控制的间歇操作的精细 化工生产。 对于干扰因素多的搅拌反应器，应用传感器测 控，对反应过程进行预测图控制和模糊控制，使设 备运行更加稳定可靠，产品质量更好。
一、多功能一体化 搅拌操作往往与反应、蒸发、真空等过程相联系。 对特定的工艺，可以把几个功能集中在一起，在同 一个搅拌设备内完成，实现多功能一体化。 这种设备具有结构紧凑，无连接管道，损耗少，效 率高，易于满足卫生要求等优点。这类集多功能于一体的搅拌装置已在制药行业中获得应用。 实例:图8—47用于聚合反应上的组合式搅拌设备， 已实现计算机控制
搅拌设备是由两个搅拌器装在同一中心轴线的内外套筒上，外轴带动框式搅拌器慢速旋转，框式搅拌器的外缘装有刮板，可对容器内壁面进行清污，内轴带动二层斜叶涡轮搅拌器高速旋转。
1—框式搅拌器 2—涡轮式搅拌器 3—刮板 图8—47 多功能化搅拌设备
这种搅拌设备特别适合于操作过程粘度变化的场合。当粘度低时，仅开动内轴涡轮搅拌器；粘度高了，则起动框式搅拌器，刮板可清除壁面粘结物，大幅度提高高粘度流体对槽壁的传热膜系数，使整个搅拌操作达到高效节能。
三、现状 搅拌反应器是化学工程和生物工程中最常见也 是最重要的单元设备之一。 目前，反应器的选型和内构件的设计还强烈地依 赖于实验和经验，对放大规律还缺乏深入的认识， 对于能耗和生产成本只能在一定规模的生产装置 上对比后才能得出结论。
由于对产品的回收率和质量要求越来越高，对搅拌 反应器的研究日趋深入。 早期：对搅拌功率和混合时间的研究； 八十年代：对反应釜内的流体速度场分布的研究； 九十年代：搅拌釜内三维流场的数值模拟研究。 流场数值模拟必须在深入进行流体力学研究的基础 上，综合考虑其流动的三维性、随机性、非线性和 边界条件不确定性。通过数值模拟不但可以解决反 应器的放大机理，而且可以优化设计开发新型高效 搅拌器，使机械搅拌反应器的设计理论更加完善。
思考题 反应设备有哪几种分类方法？简述几种常见反 应设备的特点。 2. 机械搅拌反应器由哪些主要部件组成的？ 3. 搅拌容器的传热元件有哪几种？各有什么特点？ 搅拌器在容器内的安装方法有哪几种？ 对于搅拌机顶插式中心安装的情况，其流型有 什么特点？ 5. 涡轮式搅拌器在容器中的流型及其应用范围？ 6. 生物反应器中选用搅拌器时应考虑的因素? 7. 搅拌轴的设计需要考虑哪些因素？ 8. 搅拌轴的密封装置有几种？各有什么特点？