Cos'è un reattore a agitazione? Principi, progettazione dell'agitatore e applicazioni

Principi, progettazione e applicazioni dell'agitatore

Rispondendo alla domanda fondamentale:Cos'è un reattore agitatore e come influisce la progettazione dell'agitatore sulle prestazioni di miscelazione, sul trasferimento di calore e sul rendimento di reazione in un recipiente a pressione con codice ASME?Un reattore agitatore è un recipiente a pressione agitata codificato nella sezione VIII dell'ASME in cui un albero della rotazione a motore crea un movimento del fluido per miscelare, disperdere, migliorare il trasferimento di calore,e omogeneizzazione della reazioneLe prestazioni sono determinate dal numero di potenza Np = P/ρN3D5, compreso tra 0,3 (elica marina) e 5,0-6,0 (turbina Rushton), il numero di Reynolds Re = ρND2/μ (regime turbolento Re > 104),e la *velocità di punta* v_tip = πND (2-6 m/s)Le guarnizioni meccaniche API 682 contengono fluidi di processo a pressioni di progettazione da 0,1 a 10 MPa, mentre la potenza per unità di volume è di 0.1-5 kW/m3 garantisce un apporto energetico adeguato per il tempo di miscelazione obiettivo di 5-60 secondi.

1Principi di progettazione dell' agitatore centrale

Le prestazioni di miscelazione di un reattore agitatore dipendono dalla geometria della girante, dalla velocità di rotazione, dalla geometria del recipiente (baffle, rapporto D/T) e dalle proprietà del fluido.Tre principi di ingegneria governano la progettazione e la selezione degli agitatori:

• Idrodinamica e numero di potenza dell'impeller:Il numero di potenza Np* = P/(ρN3D5) è il coefficiente di resistenza senza dimensioni della girante, determinato sperimentalmente per ogni geometria.0-6.0, generando un forte flusso radiale con elevato taglio, ideale per la dispersione gas-liquido ed emulsione liquida immiscibile.27-1.64, generando un flusso assiale per la sospensione solida e il trasferimento di calore.45A Re > 104 (completamente turbolento), Np è costante indipendentemente dalla velocità; a Re < 10 (laminar), Np = K/Re (dove K è una costante geometrica),il che significa che la potenza è proporzionale alla viscosità piuttosto che alla densità.
• Modello di flusso e tempo di miscelazione:Il flusso dell'impeller è caratterizzato dal numero di flusso Nq* = Q/(ND3), dove Q è la velocità di scarico dell'impeller.Il *tempo di miscelazione* θ = V/(Nq·ND3·N) = K/N (in flusso completamente turbolento), il tempo di miscelazione è inversamente proporzionale alla velocità), in cui K dipende dalla geometria impeller-vaso (in genere 4-10 per le configurazioni standard)..45·d_p^0.2·D^(-0.85) prevede la velocità minima per i solidi appena sospesi (nessun solido sul fondo del vaso), dove S è una costante dipendente dalla geometria.Il numero di campo Ca = Gt (gradiente di velocità * tempo) caratterizza l'intensità di flocculazione nei reattori di trattamento dell'acqua.
• Disegno meccanico della guarnizione e dell'albero:L'albero dell'agitatore penetra nella testa superiore o inferiore del recipiente, richiedendo un sigillo meccanico per contenere il fluido di processo.Piano 53 (doppia tenuta con fluido di barriera a pressione a 0.15-0.3 MPa sopra la pressione del recipiente, ideale per fluidi tossici o preziosi) fornisce zero perdite di processo; il piano 52 (sigillo in tandem non pressurizzato con fluido tampone) è utilizzato per il servizio moderatamente pericoloso;Il piano 11 (singolo sigillo con risciacquo dal recipiente) serve per i fluidi benigniPer evitare risonanza, la velocità critica dell'albero deve essere di almeno 1,4* velocità massima di funzionamento.riducendo la deformazione e consentendo rapporti L/D più elevati, ma richiede materiale compatibile con il processo e sostituzione periodica.

2. Principali tipi di impellatori del reattore stiratore

I motori del reattore a agitatore sono selezionati in base all'obiettivo di miscelazione dominante (miscelazione, dispersione dei gas, sospensione solida o trasferimento di calore) e all'intervallo di viscosità del fluido di processo.Tre famiglie principali di motori coprono la maggior parte delle applicazioni:

• Impellatori per turbine Rushton (a flusso radiale):La turbina a disco a 6 lame (Rushton) ha Np = 5,0-6,0 e genera un forte flusso radiale: il fluido viene tirato lungo l'asse dell'albero, accelerato radialmente verso l'esterno dalle punte delle lame,e ricircola di nuovo alla girante attraverso la parete del vaso e deflettoriQuesto modello di dissipazione ad elevato taglio e ad alta energia è ottimale per il trasferimento di massa gas-liquido (kLa fino a 0,2 s−1 a 2-4 vvm di flusso di gas) e la dispersione liquido-liquido immiscibile (dimensioni delle gocce 50-500 μm).Difficile di scatto (4 a 90°), larghezza = T/12) impediscono il vorticamento e convertono il flusso tangenziale in ricircolazione verticale.con velocità di punta da 3 a 6 m/s, motore generatore *numeri di Reynolds* Re > 5*104 per la miscelazione turbolenta in fluidi a bassa viscosità (< 1, 000 cP).
• Impellatori a lame inclinata (a flusso assiale):Il girante a 4 lame inclinato a 45° (Np = 1,27-1,64) genera un flusso assiale, pompando il fluido verso il basso (o verso l'alto quando è invertito).circolazione di massa efficiente per la miscelazione (temi di miscelazione 50-80% inferiori a quelli di Rushton a uguale potenza), sospensione solida (Njs 30-50% inferiore a Rushton) e miglioramento del trasferimento di calore (coefficiente interno di trasferimento di calore 20-40% superiore).dispersione di gas delicata), la cristallizzazione (sovrasaturazione controllata) e le reazioni solido-liquido.5* diametro della rotaia) estendere la zona mista nei vascelli alti (H/D > 1.5), raggiungendo una concentrazione uniforme in tutto il volume del recipiente.
• a. con un'intensità di potenza di potenza di potenza superiore a 1000 W;Per i fluidi viscosi (1.000-50.000 cP) in cui Re < 100 (transizione verso il regime laminare), motori a distanza ravvicinata ̇ nastro elicoidale (Np = 100-200 nel flusso laminare, passo = diametro, larghezza del nastro = 0).1*D) o ancoraggio (Np = 50-150, D = 0,95*T) √ spazza l'intera parete del vaso. Le scale di potenza come P = Kp·μ·N2·D3 (lineare con la viscosità nel regime laminare).Questi motori forniscono: distribuzione uniforme delle temperature per le reazioni di polimerizzazione, assenza di zone stagnanti (critico per i prodotti sensibili al calore) e coefficienti di trasferimento di calore a parete di 200-400 W/m2K (vs.50-100 W/m2K per i recipienti non bloccati)Le velocità di funzionamento tipiche sono da 10 a 50 giri al minuto con una potenza per unità di volume di 0,5 a 2 kW/m3.

Tipo di propulsore del reattore di agitazione Matrice di confronto

Domande frequenti (FAQ)

D: Qual è il numero di potenza Np e come viene utilizzato per la dimensione dell'agitatore?

R: Il numero di potenza Np = P/ ((ρN3D5) è il coefficiente di resistenza senza dimensioni di una geometria specifica della girante.6La potenza del motore dell'agitatore è calcolata come P = Np * ρ * N3 * D5,poi moltiplicato per un fattore di sicurezza (1Per esempio, una turbina Rushton con D = 0,5 m, N = 3 giri al minuto (180 giri al minuto), in acqua (ρ = 1.000 kg/m3) attira P = 5,5 * 1.000 * 27 * 0,03125 = 4.640 W ≈ 4,6 kW.Il motore sarebbe di dimensioni 50,5-6,0 kW (con fattore di sicurezza 1,2-1,3*).

D: Perché sono necessari dei deflettori nei reattori agitati con turbine o motori a lama inclinata?

R: Senza deflettori, la girante crea un vortice che fa ruotare l'intera massa del fluido come un corpo solido (flusso tangenziale),senza ricircolazione verticale, la miscelazione è effettivamente pari a zero nonostante l'alimentazione. i deflettori (4 a 90°, larghezza = T/12 a T/10, altezza = piena profondità del liquido) convertono il flusso tangenziale in ricircolazione verticale, creando il modello di flusso toroidale che raggiunge la miscelazione, sospensione solidae trasferimento di caloreSenza deflettori, il numero di potenza scende al 10-20% del valore di deflettore e il numero di Reynolds deve superare una soglia molto più elevata per una miscelazione efficace.Per le turbine e per le rotelle a lama inclinata sono sempre richiesti deflettori in fluidi a bassa viscosità (Re > 300)Gli impeller a chiusura stretta (ancora, nastro elicoidale) nei fluidi viscosi non richiedono deflettori.

D: Come viene determinata la velocità Njs appena sospesa per la miscelazione solido-liquido?

A: La correlazione di *Zwietering* Njs = S·μ^0.1·[g·(ρs-ρl) /ρl]^0.45·dp^0.2·D^(-0.85) prevede la velocità minima dell'agitatore alla quale nessun solido rimane fermo sul fondo del recipiente per più di 1-2 secondi. S è una costante di geometria (2.0-4.5 per i recipienti standard con D/T = 0.33-0.5), μ è la viscosità del liquido, ρs e ρl sono le densità di solido e liquido, dp è il diametro medio della particella,e D è il diametro della girante. Un funzionamento del 10-20% al di sopra di Njs garantisce una robusta sospensione solida; un funzionamento al di sotto di Njs si traduce in un accumulo di solidi, una riduzione dell'area di reazione e la potenziale formazione di punti caldi nelle reazioni esotermiche.

D: Quale sistema di tenuta meccanica è raccomandato per un fluido di processo tossico o pericoloso?

R: API 682 Piano 53 (diploma tenuta pressurizzata) è raccomandato per liquidi tossici, pericolosi o regolamentati dall'ambiente.o fluido di trasferimento termico sintetico) è mantenuto a 0.15-0.3 MPa al di sopra della pressione del recipiente, assicurando che ogni perdita di superficie di tenuta sia un fluido di barriera nel processo (non un fluido di processo nell'atmosfera).Il liquido di barriera circola attraverso un contenitore di tenuta con controllo del livello (allarme a basso livello = perdita di tenuta esterna), trasmettitore di pressione (allarme di bassa pressione = perdita di tenuta interna) e un anello di pompaggio o una pompa di circolazione esterna.con un sigillo tipico MTBF (tempo medio tra guasti) di 2-5 anni.

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