เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนคืออะไร? หลักการ การออกแบบใบพัดกวน และการใช้งาน

เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนคืออะไร? หลักการ การออกแบบและการประยุกต์เครื่องกวน

ตอบคำถามหลัก:เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนคืออะไร และการออกแบบตัวกวนส่งผลต่อประสิทธิภาพการผสม การถ่ายเทความร้อน และผลผลิตของปฏิกิริยาในภาชนะรับความดันที่กำหนดรหัส ASME อย่างไรเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนคือภาชนะรับความดันแบบปั่นป่วนตามรหัส ASME Section VIII โดยที่เพลาใบพัดที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์จะสร้างการเคลื่อนที่ของของไหลสำหรับการผสม การกระจายตัว การเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน และการทำให้ปฏิกิริยาเป็นเนื้อเดียวกัน ประสิทธิภาพถูกควบคุมโดย *หมายเลขกำลัง Np* = P/(ρN³D⁵) ตั้งแต่ 0.3 (ใบพัดทางทะเล) ถึง 5.0-6.0 (กังหันรัชตัน) *หมายเลข Reynolds* Re = ρND²/μ (ระบอบการปกครองแบบปั่นป่วน Re > 10⁴) และ *ความเร็วส่วนปลาย* v_tip = πND (2-6 เมตร/วินาที) ซีลเชิงกล API 682 ประกอบด้วยของเหลวในกระบวนการที่ความดันการออกแบบ 0.1-10 MPa ในขณะที่กำลังต่อหน่วยปริมาตร 0.1-5 kW/m³ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าพลังงานที่เพียงพอสำหรับ *เวลาผสม* เป้าหมายที่ 5-60 วินาที

1. หลักการออกแบบเครื่องกวนหลัก

ประสิทธิภาพการผสมของเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนขึ้นอยู่กับรูปทรงของใบพัด ความเร็วในการหมุน รูปทรงของถัง (แผ่นกั้น อัตราส่วน D/T) และคุณสมบัติของของไหล หลักการทางวิศวกรรมสามประการควบคุมการออกแบบและการเลือกเครื่องกวน:

• ใบพัดอุทกพลศาสตร์และจำนวนกำลัง:*จำนวนกำลัง Np* = P/(ρN³D⁵) คือค่าสัมประสิทธิ์การลากไร้มิติของใบพัด ซึ่งพิจารณาจากการทดลองสำหรับแต่ละรูปทรง *กังหัน Rushton* (ใบพัดแบน 6 ใบ, D/T = 0.33-0.5) มี Np = 5.0-6.0 ซึ่งสร้างการไหลในแนวรัศมีที่แข็งแกร่งพร้อมแรงเฉือนสูง เหมาะสำหรับการกระจายตัวของก๊าซ-ของเหลวและอิมัลชันของเหลวที่ผสมไม่ได้ *ใบพัดแบบแหลม* (ใบพัด 4 ใบที่ 45° สูบลงหรือขึ้น) มี Np = 1.27-1.64 สร้างการไหลตามแนวแกนสำหรับสารแขวนลอยที่เป็นของแข็งและการถ่ายเทความร้อน *ใบพัดทางทะเล* (ใบพัด 3 ใบ ระยะพิทช์ = เส้นผ่านศูนย์กลาง) มี Np = 0.2-0.45 เหมาะสำหรับการปั่นที่มีความหนืดต่ำ ที่ Re > 10⁴ (ปั่นป่วนเต็มที่) Np จะคงที่โดยไม่คำนึงถึงความเร็ว ที่ Re < 10 (ลามิเนต), Np = K/Re (โดยที่ K คือค่าคงที่ทางเรขาคณิต) หมายความว่ากำลังจะเป็นสัดส่วนกับความหนืดมากกว่าความหนาแน่น
• รูปแบบการไหลและเวลาในการผสมผสาน:การไหลของใบพัดมีลักษณะเฉพาะคือ *หมายเลขการไหล Nq* = Q/(ND³) โดยที่ Q คืออัตราการระบายของใบพัด สำหรับใบพัดแบบแหลม Nq = 0.43-0.75 (หมายเลขการสูบ) *เวลาในการผสม* θ = V/(Nq·ND³·N) = K/N (ในการไหลเชี่ยวเต็มที่ เวลาในการผสมจะแปรผกผันกับความเร็ว) โดยที่ K ขึ้นอยู่กับรูปทรงของใบพัดและถัง (โดยทั่วไปคือ 4-10 สำหรับการกำหนดค่ามาตรฐาน) *ความสัมพันธ์แบบทวีคูณ* Njs = S·μ^0.1·(g·(ρs-ρl)/ρl)^0.45·d_p^0.2·D^(-0.85) ทำนายความเร็วต่ำสุดสำหรับของแข็งที่เพิ่งแขวนลอย (ไม่มีของแข็งที่ด้านล่างของภาชนะ) โดยที่ S เป็นค่าคงที่ที่ขึ้นกับรูปทรงเรขาคณิต *หมายเลขแคมป์* Ca = G·t (การไล่ระดับความเร็ว * เวลา) เป็นตัวกำหนดลักษณะเฉพาะของความเข้มข้นของการตกตะกอนในเครื่องปฏิกรณ์บำบัดน้ำ
• การออกแบบซีลและเพลาเครื่องกล:เพลากวนจะทะลุส่วนหัวของถังด้านบนหรือด้านล่าง โดยต้องมี *ซีลเชิงกล* เพื่อกักเก็บของเหลวในกระบวนการผลิต API 682 กำหนดแผนการปิดผนึก: แผน 53 (การปิดผนึกสองชั้นด้วยของเหลวกั้นแรงดันที่ 0.15-0.3 MPa เหนือความดันในภาชนะ เหมาะสำหรับของเหลวที่เป็นพิษหรือมีคุณค่า) ช่วยให้กระบวนการรั่วไหลเป็นศูนย์ แผน 52 (การปิดผนึกตามกันแบบไม่มีแรงดันพร้อมของเหลวบัฟเฟอร์) ใช้สำหรับการบริการที่มีอันตรายปานกลาง แผน 11 (ซีลเดี่ยวพร้อมฟลัชจากภาชนะ) ทำหน้าที่สำหรับของเหลวที่ไม่เป็นพิษเป็นภัย ความเร็ววิกฤตของเพลาต้องมีความเร็วการทำงานสูงสุดอย่างน้อย 1.4* เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นพ้อง สำหรับเครื่องกวนแบบเข้าด้านล่าง *แบริ่งคงที่* (PTFE หรือบุชชิ่งคาร์บอน) จะรองรับปลายเพลา ลดการโก่งตัว และช่วยให้อัตราส่วน L/D สูงขึ้น แต่ต้องใช้วัสดุที่เข้ากันได้กับกระบวนการและการเปลี่ยนตามระยะเวลา

2. ประเภทหลักของใบพัดเครื่องปฏิกรณ์แบบกวน

ใบพัดของเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนจะถูกเลือกตามวัตถุประสงค์ในการผสมที่สำคัญ (การผสม การกระจายตัวของก๊าซ สารแขวนลอยที่เป็นของแข็ง หรือการถ่ายเทความร้อน) และช่วงความหนืดของของไหลในกระบวนการ ตระกูลใบพัดหลักสามตระกูลครอบคลุมการใช้งานส่วนใหญ่:

• ใบพัดกังหัน Rushton (ไหลแนวรัศมี):กังหันจานแบบ 6 ใบพัด (Rushton) มี Np = 5.0-6.0 และสร้างการไหลในแนวรัศมีที่รุนแรง โดยของเหลวจะถูกดึงขึ้นไปตามแกนเพลา และเร่งความเร็วในแนวรัศมีออกไปด้านนอกด้วยปลายใบพัด และหมุนเวียนกลับไปยังใบพัดผ่านทางผนังถังและแผ่นกั้น รูปแบบการกระจายพลังงานสูงที่มีแรงเฉือนสูงและเหมาะสมที่สุดสำหรับการถ่ายโอนมวลก๊าซ-ของเหลว (kLa สูงถึง 0.2 s⁻¹ ที่การไหลของก๊าซ 2-4 vvm) และการกระจายตัวของของเหลว-ของเหลวที่ไม่สามารถผสมกันได้ (ขนาดหยด 50-500 µm) แผ่นกั้นของถัง (4 ที่ 90° ความกว้าง = T/12) ป้องกันการหมุนวนและแปลงการไหลในแนวสัมผัสเป็นการหมุนเวียนในแนวตั้ง เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัดมาตรฐาน D = T/3 ด้วยความเร็วปลาย 3-6 เมตร/วินาที สร้างใบพัด *ตัวเลข Reynolds* Re > 5*10⁴ สำหรับการผสมแบบปั่นป่วนในของเหลวที่มีความหนืดต่ำ (< 1,000 cP)
• ใบพัดแบบ Pitched-Blade (Axial-Flow):ใบพัด 4 ใบพัดที่มีมุมแหลม 45° (Np = 1.27-1.64) สร้างการไหลตามแนวแกน โดยสูบของเหลวลงด้านล่าง (หรือขึ้นด้านบนเมื่อกลับด้าน) รูปแบบการไหลนี้ให้: การหมุนเวียนจำนวนมากที่มีประสิทธิภาพสำหรับการผสม (เวลาผสมสั้นกว่า Rushton 50-80% ที่พลังงานเท่ากัน), ระบบกันสะเทือนแบบแข็ง (Njs ต่ำกว่า Rushton 30-50%) และการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อน (ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนภายในสูงกว่า 20-40%) ใบพัดตามแนวแกนเป็นที่ต้องการสำหรับ: การหมัก (แรงเฉือนต่ำ การกระจายก๊าซอย่างอ่อนโยน) การตกผลึก (การควบคุมความอิ่มตัวยิ่งยวด) และปฏิกิริยาของแข็ง-ของเหลว ใบพัดแหลมหลายใบบนเพลาทั่วไป (2-3 ยูนิต ระยะห่างที่เส้นผ่านศูนย์กลางใบพัด 1.5*) ขยายโซนผสมในภาชนะทรงสูง (H/D > 1.5) ทำให้ได้ความเข้มข้นที่สม่ำเสมอตลอดปริมาตรของภาชนะ
• Helical Ribbon และ Anchor Impellers (ความหนืดสูง):สำหรับของเหลวหนืด (1,000-50,000 cP) โดยที่ Re < 100 (เปลี่ยนผ่านเป็นแบบราบเรียบ) ใบพัดที่มีระยะห่างระยะใกล้—ริบบอนเกลียว (Np = 100-200 ในการไหลแบบราบเรียบ, ระยะห่าง = เส้นผ่านศูนย์กลาง, ความกว้างของริบบอน = 0.1*D) หรือพุก (Np = 50-150, D = 0.95*T)—กวาดผนังภาชนะทั้งหมด กำลังสเกลเป็น P = Kp·μ·N²·D³ (เชิงเส้นที่มีความหนืดในระบบการปกครองแบบลามิเนต) *ความสัมพันธ์ของ Nagata* P = Kp·Re^(-1)·ρ·N³·D⁵ ทำนายกำลังแบบลามิเนต ใบพัดเหล่านี้ให้: การกระจายอุณหภูมิที่สม่ำเสมอสำหรับปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชัน ไม่มีโซนนิ่ง (สำคัญสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อความร้อน) และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่ผนัง 200-400 W/m²K (เทียบกับ 50-100 W/m²K สำหรับภาชนะที่ไม่ทำให้สับสน) ความเร็วในการทำงานโดยทั่วไปคือ 10-50 RPM โดยมีกำลังต่อหน่วยปริมาตร 0.5-2 kW/m³

เมทริกซ์การเปรียบเทียบประเภทใบพัดของเครื่องปฏิกรณ์แบบกวน

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: เลขกำลัง Np คืออะไร และใช้ในการกำหนดขนาดเครื่องกวนอย่างไร

ตอบ: หมายเลขกำลัง Np = P/(ρN³D⁵) คือค่าสัมประสิทธิ์การลากไร้มิติของรูปทรงใบพัดเฉพาะ สำหรับใบพัดแต่ละประเภท (Rushton Np = 5-6, ใบพัดแหลม Np = 1.3-1.6, ใบพัด Np = 0.3-0.45), Np ถูกกำหนดโดยการทดลองและคงที่ในระบบการปกครองที่มีปั่นป่วนเต็มที่ (Re > 10⁴) กำลังมอเตอร์ของเครื่องผสมคำนวณเป็น P = Np * ρ * N³ * D⁵ จากนั้นคูณด้วยปัจจัยด้านความปลอดภัย (1.2-1.5) สำหรับขนาดของมอเตอร์ ตัวอย่างเช่น กังหันรัชตันที่มี D = 0.5 ม., N = 3 rps (180 RPM) ในน้ำ (ρ = 1,000 กก./ลบ.ม.) จะดึง P = 5.5 * 1,000 * 27 * 0.03125 = 4,640 W กลับไปยัง 4.6 kW มอเตอร์จะมีขนาดอยู่ที่ 5.5-6.0 กิโลวัตต์ (พร้อมปัจจัยด้านความปลอดภัย 1.2-1.3*)

ถาม: เหตุใดจึงต้องมีแผ่นกั้นในเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนที่มีใบพัดกังหันหรือใบพัดแหลม

ตอบ: หากไม่มีแผ่นกั้น ใบพัดที่กำลังหมุนจะสร้างกระแสน้ำวนที่ทำให้มวลของเหลวทั้งหมดหมุนเป็นวัตถุแข็ง (การไหลในแนวสัมผัส) โดยไม่มีการหมุนเวียนซ้ำในแนวตั้ง การผสมจะเป็นศูนย์อย่างมีประสิทธิภาพแม้ว่าจะมีกำลังไฟฟ้าเข้าก็ตาม แผ่นกั้น (4 ที่ 90°, ความกว้าง = T/12 ถึง T/10, ความสูง = ความลึกของของเหลวเต็ม) แปลงการไหลในแนวสัมผัสเป็นการหมุนเวียนซ้ำในแนวตั้ง ทำให้เกิดรูปแบบการไหลของวงแหวนที่ทำให้เกิดการผสม การระงับของแข็ง และการถ่ายเทความร้อน หากไม่มีแผ่นกั้น หมายเลขกำลังจะลดลงเหลือ 10-20% ของค่าแผ่นกั้น และ *หมายเลข Reynolds* จะต้องเกินเกณฑ์ที่สูงกว่ามากเพื่อให้การผสมมีประสิทธิภาพ แผ่นกั้นจำเป็นเสมอสำหรับใบพัดเทอร์ไบน์และใบพัดแหลมในของเหลวที่มีความหนืดต่ำ (Re > 300) ใบพัดที่มีระยะปิด (พุก, ริบบอนแบบเกลียว) ในของเหลวที่มีความหนืดไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นกั้น

ถาม: ความเร็วที่เพิ่งแขวนลอย Njs ถูกกำหนดสำหรับการผสมของแข็ง-ของเหลวอย่างไร

ตอบ: *ความสัมพันธ์แบบ Zwietering* Njs = S·μ^0.1·[g·(ρs-ρl)/ρl]^0.45·dp^0.2·D^(-0.85) ทำนายความเร็วต่ำสุดของเครื่องกวนซึ่งไม่มีของแข็งใดอยู่กับที่ที่ด้านล่างของถังเป็นเวลานานกว่า 1-2 วินาที S คือค่าคงที่ทางเรขาคณิต (2.0-4.5 สำหรับภาชนะ baffled มาตรฐานที่มี D/T = 0.33-0.5), μ คือความหนืดของของเหลว, ρs และ ρl คือความหนาแน่นของของแข็งและของเหลว, dp คือเส้นผ่านศูนย์กลางของมวล-ค่ามัธยฐานของอนุภาค และ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด การทำงานที่สูงกว่า Njs 10-20% ช่วยให้มั่นใจได้ถึงระบบกันสะเทือนที่แข็งแกร่ง การทำงานที่ต่ำกว่า Njs ส่งผลให้เกิดการสะสมของของแข็ง พื้นที่ปฏิกิริยาลดลง และความเป็นไปได้ที่จะเกิดจุดร้อนในปฏิกิริยาคายความร้อน

ถาม: การจัดเรียงซีลเชิงกลแบบใดที่แนะนำสำหรับของเหลวในกระบวนการที่เป็นพิษหรือเป็นอันตราย

ตอบ: แนะนำให้ใช้ API 682 Plan 53 (ซีลแรงดันคู่) สำหรับของเหลวที่เป็นพิษ เป็นอันตราย หรือควบคุมด้านสิ่งแวดล้อม ของเหลวกั้น (ของเหลวที่สะอาดและเข้ากันได้ เช่น กลีเซอรีน น้ำมันสีขาว หรือของเหลวถ่ายเทความร้อนสังเคราะห์) จะถูกคงไว้ที่ 0.15-0.3 MPa เหนือความดันของภาชนะ เพื่อให้แน่ใจว่าการรั่วไหลที่หน้าซีลจะเป็นของไหลกั้นเข้าสู่กระบวนการ (ไม่ใช่กระบวนการของไหลสู่ชั้นบรรยากาศ) ของเหลวกั้นจะถูกหมุนเวียนผ่านหม้อซีลที่มีการตรวจสอบระดับ (สัญญาณเตือนระดับต่ำ = การรั่วไหลของซีลด้านนอก) เครื่องส่งสัญญาณแรงดัน (สัญญาณเตือนแรงดันต่ำ = ซีลด้านในรั่ว) และวงแหวนปั๊มหรือปั๊มหมุนเวียนภายนอก ข้อตกลงนี้ทำให้มีการปล่อยของไหลในกระบวนการเป็นศูนย์สู่สิ่งแวดล้อม โดยมีการปิดผนึก MTBF ทั่วไป (เวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว) ที่ 2-5 ปี

แท็ก:เครื่องปฏิกรณ์สแตนเลส,ระบบปฏิกรณ์เคมี,เครื่องปฏิกรณ์เคมีอุตสาหกรรม