第二节 搅拌釜式反应器
搅拌反应器：釜体、搅拌装置、传热装置、密封装置和传动装置等组成。
通过搅拌可使互溶液体的各部分均相 混合成均质状态，以增大分散相的有效接触 面积，降低分散相周围浓膜阻力，提高传热 速度等。
（一）搅拌器型式 搅拌器的型式很多，按桨叶的构形可分为
桨式、锚式(或框式)、推进式、涡轮式及螺 杆式、螺带式搅拌器等。
1．以液体粘度和反应釜体积为依 据选型 图1—11为在较合理搅拌功率消耗下， 物料粘度与反应体积的关系图。图 中表示各种叶轮适用范围。
2．以流动状态、搅拌目的为依据选型 表1—I列出了根据流动状态和搅拌目的 来选择搅拌器。
(三)搅拌附件
为了消除釜内液体的打漩现象，可在 反应釜内设置挡板。挡板的作用是将 切向流动转变为轴向和径向流动，增 大被搅动液体的湍动程度，从而改善 搅拌效果。 当搅拌浆料时，挡板与釜壁之间应留 1/6板宽的空隙，以防止固体物料的 沉积。如有必要，挡板也可做成空心 状，内部能通入传热介质，既可改善 搅拌效果，又增加传热面积。
第一章 聚合反应器
一、聚合反应器在高分子合成工业中的作用
高聚物生产过程设备：
a. 传递过程设备(动量传递、热量传递、质量传递等物理过程的 设备)
b. 化学反应过程设备，完成聚合反应过程的设备称为聚合反应器。
聚合反应特点：反应机理复杂，聚合方法多样，且大多数反应体 系随着聚合反应的进行，体系中的粘度急剧上升，物料粘壁等现 象给聚合反应器的选型和设计带来一定的难度。
1．桨式搅拌器 平叶桨和折叶桨(斜桨)
平叶桨面与运动方向垂直，当桨叶低速运转时，液体主要为环向流动。当 桨叶转速增大时，液体径向流逐渐增大。转速愈高，径向流愈强。由于液体 仅以切线方向离开桨叶，主要是水平液流，造成的轴向流很弱，不利于轴向 混合。为增加轴间流，可将平叶桨倾斜一定角度(一般为45度)、即为折叶桨。 这样可以产生较大的轴向流动，有利于搅拌混合。
2．导流筒 无论采用何种型式的搅拌器，釜内液体总是从各个方向流向搅拌器，所 以不同的液体行程长短不一．在需要控制回流的速度和方向以确定某一特定流型时， 可在反应器内设置导流筒。导流筒一般是一个圆筒，安装在搅拌器的外面或上方。
设置导流筒提高了对筒内液体的搅动程度，同时又确立了充分循环的流型，使反 应器内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高混合效率，减少短路机会。 根据需要，导流筒也可做成空心状，其内可通入传热介质，以增加反应器的传热面 积。
2．管式(塔式)反应器 管式(塔式)聚合反应器的构造比较简单， 这种反应器一般用于处理粘度较高的均相反应物料。它属于连续 流动反应器，原料从管的一端连续送入，在管内完成升温、反应 等，而产物和未反应的单体从另一端连续排出。
3．特种反应器 对处理高粘度的聚合体系，如本体聚合或缩聚反 应后期，反应物料的粘度可达500一5000Pa·s，故需采用特殊型 式反应器。该反应器一般采用卧式，主要型式有螺杆型反应器 (如尼龙66的后缩聚反应采用双螺杆)和表面更新型反应器(如聚酯 生产中的后缩聚采用单轴或双轴的表面更新型圆盘式反应器)。
由于外螺带可以与釜内壁很好地 吻合，直接刮扫釜壁上的液体，有利于 夹套式搅拌釜的传热与去除釜壁处的 沉积物。
(二)搅拌器的选型 搅拌过程涉及流体的流动、传热
和传质，其影响因素极其复杂，在 选型设计时，既要考虑达到搅拌效 果，保证物料的混合，有利于传热、 传质，也应考虑动力消耗问题；另 外还要考虑搅拌器的结构要便于操 作和维修。
2．釜内传热件 当聚合釜壁采用导热性不良的材质或较大型的聚合釜、单靠夹
套传热不能满足工艺要求时，需在反应器内增设传热件，如加传 热挡板、蛇形管等。
3．釜外传热 釜外传热可分为两种情况，一种是把釜内产生的气体导出至釜
外回流冷凝器，然后使冷凝液返回反应釜。因为是蒸汽冷凝传热， 其传热系数高，且传热面积不受反应器容积的限制。
D点是动环与轴(或轴套)之间的密封，也属静密封， 在端面磨损时．可以作补偿磨损的轴向移动械密封的材质
动环和静环是机械密封的重要零件，它们组成一对摩擦副，而且在运 转时与被封的介质接触。因此，选择材料时，除考虑其耐磨性外，还需 考虑它们的耐腐蚀性，同时摩擦副配对的材质也应不同．一般采用动环 的硬度比静环大。
2．填料
填料应具有足够塑性和弹性，耐介质及润滑剂的腐蚀，耐磨性好， 与轴的摩擦系数小，具有耐温性能等。
在选用时应根据反应器内的介质、操作压力、操作温度、搅拌轴转 速等来选择。
对压力小于0.2MPa而介质又无毒、不易燃易爆的场合，可选用一般 石棉制品，安装时外涂一般工业用黄油即可。
在压力较高或高真空和介质有毒、易燃、易爆时，常用浸渍聚四氟 乙烯的填料等。
2．锚式(框式)搅拌器 对于粘度较大的液体搅拌，可把桨叶形状做成与反应釜底部的形状相似，
且桨叶与釜壁的隔隙小。
锚式搅拌器的转速比较低，故剪切作用较小，但搅动范围大，不易产生死 区。对高粘度流体的搅拌，可利用桨叶的刮扫作用来防止搅拌器与釜壁之间 产生滞流层，利于促进传热和去除釜壁沉积物。
当锚式搅拌器中间加设横梁或竖梁时，即称为框式搅拌器。
二、聚合反应器的型式及特点
1．釜式反应器 也称搅拌釜反应器。它的适应性强，操作 弹性大，适用的温度和压力范围广。既可用于间歇(分批)操 作，亦可用于连续操作。用于连续操作时，釜内的温度、浓 度均一，容易控制，所得产品质量均一，因而广泛应用于高 分子合成工业中。
此外在聚合物的生产过程中，除聚合反应器外，还有许多带 搅拌装置的容器(如原料配制槽、溶解槽、浆料配制槽、沉 析槽等)。
釜外传热的另一种方法是将反应釜内液相导出，进行釜外循环 传热，反应器中的部分反应物料由泵抽出，经外部冷却后再进入 反应器，如丙烯的溶液聚合就可以采用此种传热装置。
六、其他型式的搅拌反应器
1. 偏心式搅拌反应器 偏心式搅拌反应器是搅拌器中心偏
离容器中心。由于其搅拌轴偏离容器 的中心轴线，使流体在各点所受的压 力不同，因而液层间的相对运动加强， 增加液层的湍动，明显提高搅拌效果。 但容易引起振动，故一般多用于较小 型设备。
机械密封和填料密封比较具有泄漏量少，使用寿命长，摩擦消耗功率 小，轴不易磨损等优点；
但其结构复杂，加工困难，成本高，拆装不便，因而一般用于密封要 求高，被密封介质是易燃、易爆、强腐蚀以及高压、高真空的场合。
四、传动装置
根据工艺要求，聚合反应器的搅拌器在一 定的转速下运行，由于搅拌的转速通常小于 电动机的转速，因而需设置传动装置。
4．涡轮式搅拌器 又称透平搅拌器，是应用较广泛的一种搅拌器，能处 理粘度范围较宽的液体。桨叶有开式及闭式两大类。根据桨叶叶片的形 状和位置．又有平直叶片、弯曲叶片、倾斜叶片、圆盘平直叶片、圆盘 弯叶、圆盘斜叶等。
5．螺杆式搅拌器 当液体的粘度大于10Pa·s时，常采用螺杆式搅拌器，它是将螺 距一定的螺旋叶片固定在搅拌轴上，也称螺轴式搅拌器。
传动装置包括电动机、减速器、联轴器及 机座。
五、传热装置
化学反应过程伴有放热或吸热，对聚合反应而言，往往要求严格控制反应温 度，使其恒定或按一定的温度曲线进行。
同时由于聚合反应器内物料粘度高、易结垢，因而要求传热速率高、结构简 单、避免易挂料的粗糙面及导致结垢的死角并易于清洗。
聚合反应器常用的传热装置型式有夹套传热、釜内传热件及釜外传热等。
A点是静环座和设备之间的密封．属静密封，通常 设备凸缘做出凹面，静环做成凸面。中间用一般 垫片。
B点是静环与静环座之间的密封，也属于静密封， 采用具有弹性的密封圈。
C点是动环和静环有相对旋转运动的两个端面的密 封，是机械密封的关键部分，属于动密封，依靠 弹性元件及介质的压力使两个光洁而平直的端面 紧密接触，而且端面间形成一层极薄的液膜达到 密封作用。
三、密封装置
为了保证搅拌反应器内处于正常或真空状态，防止反应器内物料逸出或大气中杂质渗 入影响反应的正常进行，在旋转的搅拌轴与釜封头间需安装密封装置。其主要型式有填 料密封和机械密封两种。
(一) 填料密封 1．结构及工作原理 被装在搅拌轴和
填料箱体环隙中的填料在压盖压力的作 用下，对搅拌轴表面产生径向压紧力。 填料中含有润滑剂，其作用是使搅拌相 得到润滑和阻止设备内流体逸出或外部 流体渗入而达到密封作用。搅拌轴在旋 转过程中．润滑剂不断消耗，因此在填 料箱上常设置添加润滑油的装置：当设 备内温度高于100 度或搅拌轴的线速度 大于1m/s时，填抖密封需有冷却装置。
为提高釜内液体的搅拌强度，并造成一定的循环流型，通常可在釜内增设离壁 挡板或导流筒。
6．螺带式搅拌器 螺带式搅拌器适合于粘度较高的场合(如达103Pa·s以上)。具体 构形有单螺带、双螺带、凹螺带和螺杆／螺带式等。
通常螺带式搅拌器其螺距s与搅拌器直 径d之比为s/d＝1，螺带叶宽b与釜径D 之比为b/D-0.1，d/D-0.95。
3．推进式搅拌器 推进式(也称螺旋 桨式)
搅拌器的结构简单．其直径较小， d/D＝1/4-1/3。以整体铸造的叶轮 最为常见，适合于液体粘度较低、 液量较大的搅拌。其转速较高．一 般为300-600r/min，叶端线速度为 5-15m/s。利用较小的搅拌功率通 过高速旋转的桨叶获得较好的搅拌 效果。
2．底部传动搅拌反应器 该型式反应器的搅拌装置设在反应器的底
部。其优点是当设备较大时，搅拌轴可做成 短而细，稳定性好，且可降低安装高度。同 时由于把笨重的传动装置安装在地面基础上， 从而改善了釜体上封头的受力状态，也便于 维护与检修。
缺点是轴密封较困难，而且搅拌器下部至轴 封处常有固体物料粘积，影响产品的质量， 检修时需将釜内物料全部排净。该型式 较常用于大型搅拌设备。
(四)搅拌器的功率计算
计算搅拌器功率的目的是衡量聚合釜的搅拌强度，为选用搅拌电 动机和搅拌机械设计提供基本数据。
搅拌器所需要的功率由三部分组成，即搅拌叶克服流体阻力消耗 的能量(称搅拌轴功率)、搅拌轴封消耗的能量和机械传动消耗的能 量。轴封消耗的能量在使用填料密封时一般为轴功率的10％一15 ％，在使用端面密封时，约为轴功率的2％，机械传动的效率一般 为0.8一0.95。