Was ist ein Stirrer-Reaktor?

Was ist ein Stirrer-Reaktor?

Die Antwort auf die Kernfrage:Was ist ein Rührreaktor, und wie beeinflusst der Aufbau des Rührers die Mischleistung, Wärmeübertragung und Reaktionsleistung in einem ASME-codierten Druckbehälter?Ein Rührreaktor ist ein ASME-Abschnitt VIII-codiertes, aufgerütteltes Druckgefäß, in dem eine motorgetriebene Ruderwelle eine Flüssigkeitsbewegung zur Mischung, Dispersion, Erhöhung der Wärmeübertragung erzeugt,und ReaktionshomogenisierungDie Leistung wird durch die * Leistungszahl Np* = P/(ρN3D5) bestimmt, die zwischen 0,3 (Marine-Propeller) und 5,0-6,0 (Rushton-Turbine) liegt, die *Reynolds-Zahl* Re = ρND2/μ (Turbulenzzustand Re > 104),und die *Tip-Geschwindigkeit* v_tip = πND (2-6 m/s). Mechanische Dichtungen nach API 682 enthalten Prozessflüssigkeit bei Konstruktionsdruck von 0,1 bis 10 MPa, während die Leistung pro Volumenstück 0 MPa beträgt.1-5 kW/m3 gewährleistet eine ausreichende Energiezufuhr für die Zielzeit von 5-60 Sekunden.

1Grundprinzipien für die Konstruktion des Kern-Rührers

Die Mischleistung eines Rührreaktors hängt von der Geometrie des Rädels, der Drehgeschwindigkeit, der Geometrie des Behälters (Baffler, D/T-Verhältnis) und den Flüssigkeitseigenschaften ab.Drei technische Prinzipien bestimmen das Design und die Auswahl der Rührmaschine:

• Impellerhydrodynamik und Leistungszahl:Die * Leistungszahl Np* = P/(ρN3D5) ist der dimensionlose Widerstandskoeffizient des Drehers, der experimentell für jede Geometrie bestimmt wird.0 bis 6.0Der "Spitzblatt-Rollgeber" (4 Blatt auf 45°, nach unten oder nach oben pumpen) hat Np = 1.27 bis 1.64Der *marine propeller* (3 Klingen, Schwung = Durchmesser) hat Np = 0,2-0.45Bei Re > 104 (voll turbulent) ist Np unabhängig von der Geschwindigkeit konstant; bei Re < 10 (laminar) ist Np = K/Re (wo K eine Geometriekonstante ist),Das heißt, die Leistung ist proportional zur Viskosität und nicht zur Dichte..
• Fließmuster und Mischzeit:Der Durchfluss des Drehers wird durch die *Durchflusszahl Nq* = Q/(ND3) gekennzeichnet, wobei Q die Drehers Entladungsrate ist.Die *Mischzeit* θ = V/(Nq·ND3·N) = K/N (in voller Turbulenz)Die *Zwietering-Korrelation* Njs = S·μ^0.1·(g·(ρs-ρl) /ρl) ^0.45·d_p^0.2·D^(-0.85) prognostiziert die Mindestgeschwindigkeit für gerade aufgehängte Feststoffe (keine Feststoffe auf dem Behälterboden), wobei S eine geometrisch abhängige Konstante ist.Die *Camp-Nummer* Ca = G·t (Geschwindigkeitsgradient * Zeit) charakterisiert die Flockulationsintensität in Wasserbehandlungsreaktoren.
• Mechanische Dichtungs- und Wellenkonstruktion:Die Rührwelle durchdringt den oberen oder unteren Behälterkopf und erfordert eine *mechanische Dichtung*, um Prozessflüssigkeit zu enthalten.Plan 53 (doppelte Dichtung mit Druckschutzflüssigkeit bei 0.15-0,3 MPa über dem Gefäßdruck, ideal für giftige oder wertvolle Flüssigkeiten) bietet kein Prozessleckage; Plan 52 (nicht druckdichte Tandemdichtung mit Pufferflüssigkeit) wird für einen mäßig gefährlichen Betrieb verwendet;Plan 11 (einfach versiegelt mit Spülung aus dem Behälter) dient für gutartige Flüssigkeiten- Die Schachtkritische Drehzahl muß mindestens 1,4* maximal betragen, um Resonanz zu vermeiden.Verringerung der Abbiegung und Ermöglichung höherer L/D-Verhältnisse, erfordert jedoch prozessverträgliches Material und regelmäßigen Austausch.

2. Haupttypen von Stirrer-Reaktor-Impelern

Die Reaktorräder mit Rührgerät werden auf der Grundlage des vorherrschenden Mischziels (Mischung, Gasdispersion, Feststoffsuspension oder Wärmeübertragung) und des Viskositätsbereichs der Prozessflüssigkeit ausgewählt.Die meisten Anwendungsgebiete werden von drei Haupt-Rollenfamilien abgedeckt.:

• mit einer Leistung von mehr als 1000 W und einer Leistung von mehr als 1000 W,Die 6-blättrige Scheiterturbine (Rushton) hat Np = 5,0-6,0 und erzeugt einen starken Radialstrom: Flüssigkeit wird entlang der Wellenachse gezogen, durch die Blattspitzen radial nach außen beschleunigt,und zirkuliert zurück zum Drehkreislauf über die Gefäßwand und BafflerDieses hohen Scher- und hochenergetische Abflussmuster ist optimal für die Gas-Flüssigkeitsmassenübertragung (kLa bis 0,2 s−1 bei einem Gasfluss von 2-4 Vvm) und die unmischbare Flüssigkeits-Flüssigkeitsdispersion (Tropfengröße 50-500 μm).Gefäss-Baffler (4 bei 90°), Breite = T/12) Wirbel verhindern und den tangentiellen Fluss in vertikale Rückzirkulation umwandeln.mit Spitzengeschwindigkeiten von 3-6 m/s Erzeugungspuls *Reynoldszahlen* Re > 5*104 für turbulentes Mischen in Flüssigkeiten mit geringer Viskosität (< 1, 000 cP).
• mit einer Leistung von mehr als 1000 W und einer Leistung von mehr als 1000 WDer 45° schräge 4-Klingenrad (Np = 1,27-1,64) erzeugt einen axialen Fluss und pumpt Flüssigkeit nach unten (oder nach oben, wenn sie umgekehrt ist).effiziente Massenzirkulation für das Mischen (Mischzeiten 50-80% kürzer als Rushton bei gleicher Leistung), Festsuspension (Njs 30-50% niedriger als Rushton) und Erhöhung der Wärmeübertragung (interner Wärmeübertragungskoeffizient 20-40% höher).leichte Gasdispersion)Die Anlagen sind in der Regel mit einer hohen Temperatur ausgestattet.5* Durchmesser der Räder) erweitern die gemischte Zone in hohen Gefäßen (H/D > 1.5), wodurch eine einheitliche Konzentration im gesamten Behältervolumen erreicht wird.
• mit einer Breite von mehr als 20 mm,Für Viskose Flüssigkeiten (1.000-50.000 cP), bei denen Re < 100 (Übergang zum Laminarmodus) ist, sind Schraubräder mit enger Frequenz-Helicalband (Np = 100-200 im Laminarfluss, Abstand = Durchmesser, Bandbreite = 0) zu verwenden.1*D) oder Anker (Np = 50-150, D = 0,95*T) ∆sweep die gesamte Gefäßwand. Leistungsschalen als P = Kp·μ·N2·D3 (linear mit der Viskosität im Laminarregime). Die *Nagata-Korrelation* P = Kp·Re^(-1) ∆r·N3·D5 prognostiziert die Laminarleistung.Diese Drehräder bieten: einheitliche Temperaturverteilung für Polymerisationsreaktionen, keine Stagnationszonen (kritisch für wärmeempfindliche Produkte) und Wandwärmeübertragungskoeffizienten von 200-400 W/m2K (gegenüber50-100 W/m2K für nicht abgeschaltete Behälter)Typische Betriebsgeschwindigkeiten liegen bei 10-50 Umdrehungen pro Minute mit einer Leistung pro Volumenstück von 0,5-2 kW/m3.

Stirrer-Reaktor Impeller Typen Vergleichsmatrix

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Wie lautet die Leistungszahl Np und wie wird sie für die Größe des Rührers verwendet?

A: Die Leistungszahl Np = P/(ρN3D5) ist der dimensionlose Widerstandskoeffizient einer bestimmten Rudergeometrie.6, Propeller Np = 0,3-0,45), wird Np experimentell bestimmt und im voll turbulenten Zustand konstant (Re > 104).dann multipliziert mit einem Sicherheitsfaktor (1.2-1.5) für die Motorgröße. Zum Beispiel zieht eine Rushton-Turbine mit D = 0,5 m, N = 3 RPS (180 RPM), in Wasser (ρ = 1.000 kg/m3) P = 5,5 * 1.000 * 27 * 0,03125 = 4640 W ≈ 4,6 kW.Der Motor würde 5 Größe haben.0,5-6,0 kW (mit einem Sicherheitsfaktor von 1,2-1,3*).

F: Warum sind in Rührreaktoren mit Turbinen- oder Schrägblattdrehrädern Verstärker erforderlich?

A: Ohne Deflektoren erzeugt der rotierende Rädling einen Wirbel, durch den sich die gesamte Flüssigkeitsmasse als fester Körper dreht (tangentieller Fluss).ohne vertikale Rückzirkulation ist die Mischung trotz Leistungsaufnahme praktisch null. Baffler (4 bei 90°, Breite = T/12 bis T/10, Höhe = volle Flüssigkeitstiefe) wandeln tangentiellen Fluss in vertikale Rekirkulation um und erzeugen das toroidale Strömungsmuster, das eine Mischung, feste Suspension,und WärmeübertragungOhne Verstärker sinkt die Leistungszahl auf 10-20% des Verstärkungswerts, und die *Reynolds-Zahl* muß einen viel höheren Schwellenwert für ein wirksames Mischen überschreiten.Bei Turbinen- und Schrägblattdrehrädern in Flüssigkeiten mit geringer Viskosität (Re > 300) sind immer Baffeln erforderlich.• Schlechte Frequenzräder (Anker, Helical Ribbon) in viskosen Flüssigkeiten benötigen keine Verstärker.

F: Wie wird die gerade aufgehängte Geschwindigkeit Njs bei Feststoff-Flüssigkeitsmischung bestimmt?

A: Die *Zwietering-Korrelation* Njs = S·μ^0.1·[g·(ρs-ρl) /ρl]^0.45·dp^0.2·D^(-0.85) prognostiziert die minimale Rührgeschwindigkeit, bei der keine Feststoffe länger als 1-2 Sekunden auf dem Behälterboden stehen bleiben.. S ist eine Geometriekonstante (2.0-4.5 für Standard-Verwirrungsgefäße mit D/T = 0.33-0.5), μ ist die Viskosität der Flüssigkeit, ρs und ρl sind die Dichte von Feststoff und Flüssigkeit, dp ist der Massenmedianpartikeldurchmesser,und D ist der Durchmesser des DrehersBei einem Betrieb von 10-20% über Njs wird eine robuste Feststoffsuspension gewährleistet; bei einem Betrieb unter Njs entsteht eine Anhäufung von Feststoffen, eine Verringerung der Reaktionsfläche und eine mögliche Bildung von Hotspots bei exothermen Reaktionen.

F: Welche mechanische Versiegelung wird für eine giftige oder gefährliche Prozessflüssigkeit empfohlen?

A: API 682 Plan 53 (Doppeldruckdichtung) wird für giftige, gefährliche oder umweltgerechte Flüssigkeiten empfohlen.oder synthetische Wärmeübertragungsflüssigkeit) bei 0 gehalten wird.15-0,3 MPa über dem Gefäßdruck, um sicherzustellen, dass ein Leck der Dichtungsfläche eine Barriereflüssigkeit in den Prozess (nicht eine Prozessflüssigkeit in die Atmosphäre) darstellt.Die Barriereflüssigkeit wird über einen Versiegelungspot mit Überwachung des Niveaus zirkulieren lassen (Low Level Alarm = Außenversiegelungsleckage), Druckübertrager (Niederdruckmelder = inneres Dichtungsleck) und einen Pumpring oder eine externe Zirkulationspumpe.mit einer typischen Dichtung MTBF (durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen) von 2-5 Jahren.

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