釜式反应器(一)
釜式反应器
重点掌握内容
等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连 串反应）。
连续釜式反应器的计算 。 空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。 连续釜式反应器的串联和并联。 釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接
和加料方式的选择。 连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。
其它要求
dn A dt 0
0
0
对于均相，恒容过程方 程进一步变为：
(k1 k 2 )C A
dCA dt
0
k1C A
dCp dt
0
k 2C A
dCQ dt
0
设初值条件为：t=0 时，CA=CA0，CP=0，CQ=0，则方
程的解为
t 1 ln CA0 或 t 1 ln 1
k1 k2 CA
问题之二：并联操作各釜流量如何分配
图3-6 并联的釜式反应器
并联情况
通常可以采取τ1=τ2，这时整个反应系统最优。
即要
Vr1 Vr2
Q Q O1
O2
这时有 ： X Af 1 X Af 2 X Af
二、 串联釜式反应器的计算
假设N个串联的釜式反应器如图 所示。可以通过对每个釜进行 物料衡算，得到系统的计算方程。
空时的倒数，即
s
1
s↑时，生产能力↑。
其他几种术语
为了便于比较，通常采用“标准情况下的体积流 量”。
对于有固体催化剂参与的反应， 用催化剂空速（往 往以催化剂质量或体积衡量）。
几种不同的空速： 质量空速（m3/g-cat）、体积空速（m3/ m3 cat） 液空速（m3液体原料/g-cat、 m3液体原料/ m3 cat ） 碳空速、烃空速等
研究内容
釜式反应器选择与操作
• 图1一1是一种典型的釜式反应器，它由钢板卷焊制成圆筒体，再焊接 上由钢板压制的标准釜底，并配上釜盖、夹套、搅拌器等部件。由图 可见其结构主要由以下几部分组成:壳体结构、搅拌装置、密封装置 和换热装置。
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任务1 釜式反应器的选择
• 1.釜式反应器壳体结构 • (1)罐体。 • 釜式反应器的壳体结构包括筒体、底、盖(或称封头)、手孔或入孔、
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任务1 釜式反应器的选择
• (7)反应釜支架。 • 反应釜支架有两种:悬吊式支架和支承式支架。悬吊式支架是可以将
反应釜固定在操作平台上，而支承式支架则是安放在地面上，如图1 一10所示。 • 2.釜式反应器的搅拌装置 • (1)搅拌器的形式及结构。 • 精细化学工艺的许多过程都是在有搅拌装置的釜式反应器中实现的。 搅拌的目的是: • ①使互溶的两种或两种以上液体混合均匀。 • ②形成乳浊液或悬浮液。 • ③促进化学反应和加速物理变化过程，如促进溶解、吸收、吸附、萃 取、传热等过程。一也能刮除沉积在器壁上的附着物，提高传热效率。
• ②活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度 的敏感程度。E越大，温度对反应速率的影响越大。除了个别的反应 外，一般反应速率均随温度的上升而加快。E越大，反应速率随温度 的上升而增加得越快。
• ③对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度 随着温度的升高而降低。
• 在均相反应系统中如只进行如下不可逆化学反应:
• 1.均相反应速率 • 化学反应速率是指单位时间、单位体积的物料数量的变化量。物料指
反应物或产物。因此，均相反应速率定义式为:
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任务1 釜式反应器的选择
实验1连续搅拌釜式反应器停留时间分布的测定
实验1连续搅拌釜式反应器停留时间分布的测定实验⼀连续搅拌釜式反应器停留时间分布的测定⼀、实验⽬的(1) 加深对停留时间分布概念的理解； (2) 掌握测定液相停留时间分布的⽅法； (3) 了解停留时间分布曲线的应⽤。
(4)了解停留时间分布于多釜串联模型的关系，了解模型参数N 的物理意义及计算⽅法。
(5) 了解物料流速及搅拌转速对停留时间分布的影响。
⼆、实验原理（1）停留时间分布当物料连续流经反应器时，停留时间及停留时间分布是重要概念。
停留时间分布和流动模型密切相关。
流动模型分平推流，全混流与⾮理想流动三种类型。
对于平推流，流体各质点在反应器内的停留时间均相等，对于全混流，流体各质点在反应器内的停留时间是不⼀的，在0～∞范围内变化。
对于⾮理想流动，流体各质点在反应器内的停留时间分布情况介乎于以上两种理想状态之间，总之，⽆论流动类型如何，都存在停留时间分布与停留时间分布的定量描述问题。
（2）停留时间分布密度函数E (t )停留时间分布密度函数E (t )的定义：当物料以稳定流速流⼊设备（但不发⽣化学变化）时，在时间t =0时，于瞬时间dt 进⼊设备的N 个流体微元中，具有停留时间为t 到(t +dt )之间的流体微元量dN 占当初流⼊量N 的分率为E (t )dt ，即()=dNE t dt N(1) E (t )定义为停留时间分布密度函数。
由于讨论的前提是稳定流动系统，因此，在不同瞬间同时进⼊系统的各批N 个流体微元均具有相同的停留时间分布密度，显然，流过系统的全部流体，物料停留时间分布密度为同⼀个E (t )所确定。
根据E (t )定义，它必然具有归⼀化性质：()1∞=?E t dt （2）不同流动类型的E (t )曲线形状如图1所⽰。
根据E (t )曲线形状，可以定性分析物料在反应器（设备）内停留时间分布。
平推流全混流⾮理想流动图1 各种流动的E (t )～t 关系曲线图（3）停留时间分布密度函数E (t )的测定停留时间分布密度函数E (t )的测定，常⽤的⽅法是脉冲法。
2.1釜式反应器的结构与特点
1.
2.
3.
4.
5.
6.
釜式反应器
化工
①夹套式
夹套是套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器， 既简单又方便。当反应釜容积不大、需传热面积较小、 载热体压力不高时宜使用。
釜式反应器
釜式反应器
化工
⑤ 回流冷凝式
当物料在沸腾的状态下进行反应，可利用部分物料 气化撤热，气化后的物料经釜外冷凝器冷凝后回流入釜。
釜式反应器
化工
⑥直接火热式
当反应温度高达873K以上时，应采用直接火 热式或者电感加热式换热器。
总结：你学到了什么？
化工
釜式反应器基础知识 釜式反应器的特点 釜式反应器的安保和维护 釜式反应器的操作方法
化工
2.1 釜式反应器的 结构与特点
釜式反应器
化工
1、带有搅拌装置且高径比不大的反应设备。
2、特点 ➢有液相参与的反应 ➢适用于常压、低压操作，适 应性强，易于清理 ➢体积偏大，生产能力低，不 适合转化率高的反应
釜式反应器
化工
3.釜式反应器由哪些部分构成？
壳体
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ换热装置
反
应
搅拌装置
釜
传动装置
轴封装置
壳体和搅拌器可选用碳钢材料，为了防腐效果，可有内衬。
釜式反应器
化工
（1）壳体
主要包括筒体、底、盖、手孔或人孔、视镜及各种工 艺接管口。常用的形状如下：
釜式反应器
化工
（2）搅拌器
其作用是强化反应物料的均匀混合，从而强化传质、 传热，常见的搅拌器形式有：
第三章 釜式反应器
������������
1
= − ln 1 − ������
1 − ������
������
化学反应工程——釜式反应器
7
t与CA0有关 t与CA0无关
2. 间歇反应器的反应体积：
������ = ������ ������ + ������
式中： Q0— 单位时间内处理的反应物料的体积（由生产任务决定） t— 反应时间 t0— 辅助时间
1 − ������
������������
������������
1 反应时间：������ =
������������
������������ 1 − ������
若 ������ ≠ 1
t = 1 − ������
−1
������ − 1 ������������
若 ������ = 1
1 ������ = ������
������ = = ������ ������
(5)
������������
初 始 条 件 ： t=0时，CA=CA0 ; CP=0; CQ=0
对 ( 4 ) 积 分 得 ： ∴ ������ =
ln =
ln
(6)
由此式可求得为达到一定的XA所需要的反应时间,式（6）也可写成：
������ = ������ exp − ������ + ������ ������
1 − exp − ������ + ������ ������
������ + ������
两种产物的浓度之比，在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。
化学反应工程——釜式反应器
16
反应器一(绪论+釜式)
7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管
二、釜式反应器的搅拌装置
1、搅拌的目的
使物料混和均匀,强化传热和传质。
包括：（1）加快互溶液体的混合；
（2）使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中；
（3）使气体以气泡的形式分散于液体中；
（4）使固体颗粒在液体中悬浮；
（5）加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。
②压力试验有两种，液压试验和气压试验。
致密性试验：
①符合下列情况时，容器应考虑进行致密性试验：
a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时；
b.对真空有较严格要求时；
如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。
②致密性试验方法有：气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等
2、壳体的材质
壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。
C搪玻璃反应釜性能如下：
①耐腐蚀性：能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；PH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。
②耐热性：允许在- 30～+240℃范围内使用
釜式反应器的壳体结构包括：
筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。
1、釜式反应器的筒体
作用：主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。
A筒体一般按外压容器考虑。
原因（1）、搅拌釜通常适用于低压或常压反应
（2）、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源
二、化学反应器的分类
化工反应过程之釜式反应器
釜式反应器的搅拌装置
搅拌器的作用，通过搅拌达到物料的充分混合，增强 物料分子碰撞，强化反应器内物料的传质传热
搅 拌 器 类 型
搅拌器的选型主要根据物料性质、搅拌目的 及各种搅拌器的性能特征来进行
釜式反应器的搅拌装置
挡板：一般是指固定在反应釜内壁上的长条
挡 形板挡板。它可把切线流转变为轴向流和径 板 向流，增大了液体的湍动程度，从而改善了
多个连续操作釜式反应器的串联
FA0
FA1
C A0
CA1
1
FA2
CA2
2
FAi1
C Ai 1
FAi
CAi
i
FAN 1 CiN 1
FAN
CiN N
任一釜物料衡算 FA(i1)dt FAidt (rA )iVRidt 0
VR i
FA0
(x Ai x A(i1) ) (rA )i
c A0 V0
(x Ai x A(i1) ) (rA )i
V0 c p (T T0 ) KA(T TW ) VR (rA )(H r )
连续操作釜式反应器的热稳定性
热稳定性判断：
放热速率： QR VR (rA )(H r ) 恒容一级不可逆反应：
QR
V0cA0 (H r )k0 exp( E RT) 1 k0 exp( E RT)
移热速率： QC V0 c p (T T0 ) KA(T TW )
热稳定条件： Qc QR
dqr dqg dT dT
连续操作釜式反应器的热稳定性
操作参数的影响：
着火点和熄火点
定态温度会随着操作条件的改变而改变。 放热反应可能有多定态；吸热反应：定态唯一。
项目四、釜式反应器的技能训练
03 第三章 釜式反应器1
（3-6）
nA0 dX A Vr R A
（3-7）
（3-7）适用于多相，均相及等温，非等温的间歇 反应过程
义：
nA0 c A0 Vr
X Af 0
∴
t c A0
1 dX A R A
（3-8）
若进行a级单一不可逆反应
R A rA k c A
LOGO
化学反应工程
第三章 釜式反应器
1
LOGO
第三章—釜式反应器
连续搅拌釜式反应器
重点掌握: 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。 连续釜式反应器的计算 。 空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。 连续釜式反应器的串联和并联。 釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式 的选择。 连续釜式反应器的质量、热量衡算式的建立与应用。 深入理解： 变温间歇釜式反应器的计算。 广泛了解： 串联釜式反应器最佳体积的求取方法。 连续釜式反应器的多定态分析与计算。 产生多定态点的原因，着火点与熄火点的概念。
j 1
M
（3-2）
ij
关键组分i 在第j个独立均 相反应中的化学计量数
反应物: 产物:
Ri 0
Ri 0
I. 定态操作，累积速率dni/dt，则式（3-1）化为
连续釜式反应器的物料衡算式
Q0 ci 0 Qci Vr i j rj
j 1
M
i 1, 2,, K
（3.4）
dFR 令： dt 0
（3-15）
根据函数求极值方法，目标函数对t求导， （3-16）
dcR cR 得： dt t t0
（3-17）
（3-17）即为FR最大时必须满足的条件，此 时的t即为最优反应时间tm。
釜式反应器
11.2 化工CSTR系统动态特点分析釜式反应器是一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。
器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。
在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。
在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。
釜式反应器按操作方式可分为：间歇釜式反应器（或称间歇釜）、连续釜式反应器（或称连续釜）、半连续釜式反应器。
本项目所研究的预报对象是连续釜式反应器。
连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR），操作方式为连续进料、连续反应、连续出料，为带有搅拌桨叶的槽式反应设备。
在稳态操作时，反应器同一部位的操作参数不随时间而变，有利于产品质量控制和过程自动控制。
与间歇反应器操作方式不同，没有装料、卸料、升温等不发生化学反应的辅助时间，因而生产能力较大，辅助劳动少。
适用于反应速度慢的液相反应，使用时可用单个反应槽(釜)，也可把几个反应槽(釜)串联成一组。
CSTR是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。
在化工生产的核心设备中占有相当重要的地位，在染料、医药试剂、食品及合成材料工业中，CSTR 得到了广泛的应用。
在CSTR中，反应原料以稳定的流速进入反应器，反应器的反应物料以同样稳定流速流出反应器。
由于强烈搅拌的作用，刚进入反应器的新鲜物料与已存留在反应器的物料在瞬间达到完全混合，使釜内物料的浓度和温度处处相等。
同样，在反应器出口处即将流出反应器的物料浓度也应该与釜内物料浓度一致，因此流出反应器的物料浓度与反应器内的的物料浓度相等。
连续搅拌釜式反应器中的反应速率即由釜内物料的温度和浓度决定。
CSTR系统模型如下图所示：图11-2 CSTR系统工作原理图由于CSTR系统大多进行的是高温、高压反应，原料、中间体和产品大多具有易燃、易爆等特性，稍有疏忽就很容易出现故障，发生事故。
釜式反应器课程设计样例1
夹套搅拌反应器设计任务书一、设计内容设计一台夹套搅拌反应器。
二、设计参数和技术特性指标见附表1。
三、设计要求1.进行罐体和夹套设计计算；2.选择支座形式；3.手孔校核计算；4.选择接管、管法兰、设备法兰；5.进行搅拌传动系统设计；（1）进行传动系统方案设计；（2）作带传动设计计算：定出带型，带轮相关尺寸；（3）选择轴承；（4）选择联轴器；（5）进行罐内搅拌轴的结构设计、搅拌器与搅拌轴的连接结构设计；6.选择轴封形式；7.绘制装配图（1#）；8.大V带轮零件图（3#）；9.编制技术要求；10.编写设计说明书。
（1）封面；（2）目录；（3）任务书；（4）设计计算：要有详细的设计步骤及演算过程；（5）对本设计的评价及心得体会；（6）用B5大小纸书写。
表 1夹套反应釜设计任务书简图 设计参数及要求容器内 夹套内工作压力， Mpa<2.2 <2.3 设计压力， MPa2.2 2.3 工作温度， ℃<150 <200 设计温度， ℃150 200 介质 有机溶剂 蒸汽或水全容积，m 操作容积， 3 3.83.04 m传热面积， 3 ≥6 m2 腐蚀情况 推荐材料 微弱Q235-A推进式搅拌器型式 搅拌轴转 210 3.4 速，r/min轴功率，kW接管表公称尺寸 符号 连接面形式 用途 DN25 2580 65 25 40 25 ab cdef突面 突面 蒸汽入口 加料口 视镜 凹凸面 突面 温度计口 空气口 放料口 水出口 突面 突面 g突面 h 100 突面 手孔目录1.夹套反应釜的结构 (5)1.1夹套反应釜的功能和用途...................................1.2夹套反应釜的反应条件.....................................2.设计标准 (6)3.设计方案的分析和拟定 (6)4.各部分结构尺寸的确定和设计计算.............................. - 8 -4.1罐体和夹套的结构设计.....................................4.1.1罐体几何尺寸计算.................................. - 9 -4.1.2夹套几何尺寸计算................................. - 10 -4.2夹套反应釜的强度计算.....................................4.2.1强度计算(按内压计算强度) (12)4.2.2稳定性校核(按外压校核厚度) (14)4.2.3水压试验校核 (17)4.3反应釜的搅拌器...........................................4.3.1搅拌装置的搅拌器 (18)4.3.2搅拌器的安装方式及其与轴连接的结构设计 (19)4.3.3搅拌装置的搅拌轴设计 (19)4．4反应釜的传动装置设计....................................4.4.1常用电机及其连接尺寸 (21)4.4.2釜用减速机类型、标准及其选用 (22)4.4.3 V带减速机 (22)4.4.4凸缘法兰 (24)4.4.5安装底盖 (25)4.4.6机架 (25)4.4.7联轴器 (27)4.5反应釜的轴封装置设计.....................................4.5.1填料密封 (27)4.5.2机械密封 (28)4.6反应釜的其他附件设计 (29)4.6.1支座 (29)4.6.2手孔和人孔 (30)4.6.3设备接口 (30)5.设计小结................................................... - 31 -6.参考文献 (36)设计说明书1.夹套反应釜的结构夹套反应釜主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。
釜式反应器结构及原理
釜式反应器结构及原理
釜式反应器也称槽式、锅式反应器，它是各类反应器中结构较为简单且应用较广的一种反应器。
它可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。
如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等等。
釜式反应器的结构，主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分组成。
1、间歇釜
间歇釜式反应器，或称间歇釜。
操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。
间歇釜的缺点是:需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。
但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。
2、连续釜
连续釜式反应器，或称连续釜
3、釜式搅拌反应器
釜式搅拌反应器有立式容器中心搅拌、偏心搅拌、倾斜搅拌，卧式容器搅拌等类型。
其中以立式容器中心搅拌反应器是最典型的一种。
性能特点:
釜式反应器具有适用的温度和压力范围宽、适应性强、操作弹性大、连续操作时温度浓度容易控制、产品质量均一等特点。
但用在较高转化率工艺要求时，需要较大容积。
通常在操作条件比较缓和的情况下操作，如常压、温度较低且低于物料沸点时，应用此类反应器最为普遍。
4、多级串联反应釜。
各种釜式反应器
各种釜式反应器釜式反应器（也称批式反应器）是一种化学反应设备，广泛应用于化工、制药、食品等领域。
它的工作原理是将待反应物料装入反应釜中，加入适量的催化剂或反应剂，通过加热或冷却等工艺条件，实现反应过程。
釜式反应器具有反应容量大、适用范围广、反应精度高等优点，因此在化工行业中占有很重要的地位。
下面介绍几种常见的釜式反应器。
一、框式反应器框式反应器是指由四个竖直的钢板构成的方盒形反应器。
框式反应器适用于批量生产，其操作简便、易于维护。
由于采用了独特的设计，反应釜的密封性很好，可以有效地避免反应过程中的泄漏。
此外，框式反应器具有操作温度范围广、高温下稳定、反应速率快等特点。
二、移动顶式反应器移动顶式反应器是一种先进的反应器，其叶轮式混合装置可以消除内部流体的不均匀性。
该设备可以完成高粘度、高浓度、高密度物料的混合反应，适用于制备高品质的化工产品，如粘度大的聚合物和树脂等。
由于移动顶式反应器采用了先进的自动化控制系统，因此具有高效、精准的操作特点。
三、压力反应釜压力反应釜是指可以在高压下进行反应的釜式反应器，通常用于反应温度较高的化学反应，如制备合成纤维、可塑剂、橡胶等产品。
由于压力反应釜的密闭性很好，可以有效地避免反应气体泄漏，多数情况下不需要进行等压冷却，因此可以大大提高反应效率和产品质量。
四、搅拌式反应釜搅拌式反应釜是一种较为常见的釜式反应器，具有操作简单、易于维护等特点。
该设备采用了多种搅拌方式，可以根据不同的反应物进行选择。
搅拌式反应釜适用于溶解、混合、水解、合成等多种反应过程，具有广泛的适用范围和高性价比。
此外，搅拌式反应釜还可以进行单层或多层冷却/加热处理，满足不同反应条件的需求。
综上所述，釜式反应器是化学反应领域中的重要设备，涉及到化工、制药、食品等多个领域。
不同类型的釜式反应器适用于不同的反应过程，需要根据具体的反应物质和反应条件进行选择。
在使用釜式反应器时，需要特别注意安全问题，避免意外事故的发生。
化学反应工程-连续流动釜式反应器
表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应
结果比较，其中 VR ，这是对等容过程而言。
V0
平推流反应器与全混流反应器的比较
补充知识点：空时与空速的概念：
空时：
Vr V0
反应体积 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Vo , 处理能力
空速：
1 V0 FA0
Vr cA0Vr
因次 :时间-1
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
全混流反应器在出口条件下操作，当 出口浓度较低时，整个反应器处于低 反应速率状态。
若 xA0 0 ,则由物料衡算方程
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
NA '
NA
(rA ) f VR
物料出口处的物料参数； 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞
二、全混流反应器计算的基本公式
1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态：
如何确定反应器级数m和各级的体积，使总体积最小。 反应器级数越多,反应推动力增大,但设备投资、工艺流 程和操作控制变得复杂，因此需要综合考虑。 以下讨论，当物料处理量V0、进料组成及最终转化率 XAm和反应器级数m确定后，如何最佳分配各级转化率xA1、 xA2、……、xAm－1，使VR最小。
对于等温等容过程，各级反应器体积为
上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等 温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。
任务一间歇操作釜式反应器设计
任务一间歇操作釜式反应器设计引言：间歇操作釜式反应器是一种常见的化工反应装置，广泛应用于化学、医药、食品等行业中。
它适用于反应时间短、反应物浓度高、批量生产等情况。
本文将介绍间歇操作釜式反应器的设计原则、操作要点以及安全措施。
一、设计原则：1.反应器材料选择：间歇操作釜式反应器需要考虑反应物与反应器材料的相容性。
常见的反应器材料包括不锈钢、玻璃钢、陶瓷等。
在选择材料时，需根据反应条件（如温度、压力、反应物性质）来确定最合适的材料。
2.热交换设计：间歇操作釜式反应器通常涉及到加热或冷却过程，为确保反应物的温度控制在适宜范围内，需设计良好的热交换装置。
常见的热交换装置包括卧式或立式蒸发器、管壳式换热器等。
3.搅拌设计：搅拌是保证反应物均匀混合的关键步骤，也有助于加速反应速率。
搅拌速度、形式（如桨叶搅拌、齿轮搅拌等）、搅拌器的材料选择（如不锈钢、陶瓷等）都需要考虑。
二、操作要点：1.反应物的加入：在操作过程中，需要谨慎添加反应物。
为避免危险反应（如爆炸、喷溅等），应根据反应物的性质、浓度和反应条件来控制反应物的加入速度和温度。
2.反应温度的控制：间歇操作釜式反应器在反应过程中需要进行加热或冷却操作。
为确保反应物的温度控制在目标范围内，可通过控制加热或冷却介质的温度、流速等来实现。
3.离心分离：在反应结束后，部分反应物可能需要进行固液分离或液液分离。
离心机是常用的分离装置，通过调整离心机的转速和时间来实现分离目的。
三、安全措施：1.安全阀的设置：由于反应中可能产生高压，为防止反应器的破裂或爆炸，应设置安全阀或安全泄压装置。
安全阀的选择需根据反应物的性质、压力和反应器的容量来确定。
2.紧急停车装置：当发生突发情况时，需要迅速停止反应器的运行。
为确保操作人员的安全，应配备可靠的紧急停车装置，如急停按钮、紧急刹车等。
3.防护装置：为避免操作人员对反应物的接触，应设置防护装置，如护栏、防护罩等。
同时，应戴好相应的防护装备，如防护眼镜、手套等。
第一组-釜式反应器结构
硫酸具有酸性和腐蚀性。
应选用铸铁的反应釜：因为此反应釜耐酸具有良好的抗腐 蚀性，此生产过程无较大的冲击，且温度条件适合。
选用k型低压反应釜采用机械密封的方法。，以法兰连接的方法连接。
选用反应釜：
1、钢制反应釜: 特点是 制造工艺简单，造价费用较低，维护检修方 便，使用范围广泛，化工生产普遍采用。最常见的钢板反应釜的材料 为Q235A（或容器刚）。用Q235A材料制作的反应釜不耐酸性介质腐蚀， 不锈钢材料的反应釜可以耐一般酸性介质，经过镜面抛光的不锈钢制 反应釜还特别适用于高粘度体系聚合反应。
搪玻璃反应釜具有如下特性： 耐腐蚀性： 它能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等 介质，尤其在盐酸、硝酸、王水等介质中具有良好的耐腐 蚀性能。 耐热性 ： 允许在 -30 — +240 ℃范围内的使用，耐热温差 小于120℃，耐冷温差小于110℃。 耐冲击性 ： 耐冲击性较小，因而使用时应避免硬物冲 击碰撞。搪玻璃反应釜在运输和安装是要防止碰撞。加料 时严防重物掉入容器内。使用时要缓冲加压升温，防止剧 变。
搅拌装置由搅拌轴和搅拌电机组成，其目的是加强反应 釜内物料的均匀混合，以强化反应的传质和传热。 1.浆式搅拌器； 2.框式搅拌器；
3.锚式搅拌器；
4.旋桨式搅拌器； 5.涡轮式搅拌器； 6.螺带式搅拌器。
浆式搅拌器
框式搅拌器
锚式搅拌器
旋桨式搅拌器
涡轮式搅拌器
螺带式搅拌器
（三）换热装置
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。底、盖常用的形状有平 面形、碟形、椭圆形和球形，釜底也有锥形，见图。
平面形结构简单，容易制造，一般在釜体直径小，
釜式反应器的基本结构
釜式反应器的基本结构一、引言釜式反应器作为化工领域常见的反应设备之一，广泛应用于化学工艺中。
它的基本结构由多个部分组成，包括反应容器、加热方式、搅拌装置、控制系统等。
本文将对釜式反应器的基本结构进行全面、详细、完整且深入的探讨。
二、反应容器2.1 反应容器类型根据不同的反应需求，釜式反应器的反应容器可以分为不同的类型，常见的有：1.玻璃反应容器：适用于低温、低压或对材料要求较高的反应。
2.不锈钢反应容器：适用于高温、高压或对耐腐蚀性要求较高的反应。
3.塑料反应容器：适用于一些对材料要求较低的反应。
2.2 反应容器结构反应容器通常由圆筒形的主体和两端的盖子组成。
盖子上通常设有进料口、放料口、观察窗口、温度传感器接口等。
在某些情况下，反应容器还可能配备有冷却管道、加热带等附件，以满足不同的反应需求。
三、加热方式釜式反应器的加热方式多种多样，常见的有以下几种。
3.1 电加热采用电加热方式的反应器，主要通过在反应容器内部安装电加热器，通过通电产生热量来加热反应物。
电加热具有温度控制精度高、加热速度快等优点，但对电源要求较高。
3.2 蒸汽加热蒸汽加热是利用外部蒸汽通过换热器传热到反应容器内部，以实现加热的方式。
蒸汽加热具有加热均匀、温度控制稳定等优点，但需要蒸汽供应系统的支持。
3.3 油加热油加热是将加热介质油通过外部换热器传热到反应容器内部的方式。
油加热的优点是热传导效果好、温度控制方便，但对换热设备要求较高。
四、搅拌装置搅拌装置在釜式反应器中起到搅拌反应物、增加反应效率、保持温度均匀等作用。
常见的搅拌装置有以下几种。
4.1 锚式搅拌器锚式搅拌器由一个固定在反应容器内壁上的锚形叶片构成，可以将反应物搅拌均匀。
锚式搅拌器适用于黏稠度较高的反应物。
4.2 湿式搅拌器湿式搅拌器由一个旋转的轴上装有多个叶片构成，可以将反应物搅拌均匀。
湿式搅拌器适用于黏稠度较低的反应物。
4.3 桨式搅拌器桨式搅拌器由一个旋转的轴上装有多个桨叶构成，可以将反应物搅拌均匀。
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反 应 器 流 动 模 型
理想流动模型 理想混合流动模型
非理想流动
模块一釜式反应器
（一）理想流动模型 1.理想置换流动模型
理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。 任一截面的物料如同气缸活塞一样在反应器中移动，垂 直于流体流动方向的任一横截面上所有物料质点的年龄 相同，是一种返混量为零的极限流动模型。
1.非理想流动形成的原因
1.滞留区的存在 2.沟流和短路 3.循 环 流 4.流体流速分布 不均匀 5.扩 散
滞留区是指反应器内流体流动极慢以至几乎不流 动的区域，也称死角、死区。由于滞留区的存在， 使得部分流体的停留时间极长。滞留区主要产生 于设备的死角中，如设备两端、挡板与设备壁的 在固定床反应器、填料塔以及滴流床反应器 交接处以及设备设有的其他障碍物时，最易产生 中，由于催化剂颗粒或填料装填不匀，造成一低 死角。若要减少滞留区的存在，主要通过合理的 阻力通道，使得部分流体快速从此通道流过从而 设计来保证。 形成沟流。 短路则是在设备设计不良时产生的现象，流 实际的釜式反应器、鼓泡塔和流化床中都存 体在设备内的停留时间极短，例如当设备的进出 由于流体在反应器内的径向流速分布不均匀， 在着流体的循环流动。 口离得太近时就会出现短路。 由于分子扩散及涡流扩散的存在而造成了物料质 从而造成流体在反应器内的停留时间不同。当 点之间的混合，使停留时间的分布偏离理想流动 反应器内流体的流速较小时，形成滞流，此时 状况。 流体在径向方向上的流速呈抛物线分布；当反 应器内流体的流速较大时，形成湍流，此时流 体在径向方向上的流速分布比较平坦。
一、反应器流动模型 二、均相反应动力学基础 三、釜式反应器的生产原理 四、多个理想连续釜式反应器的串联操作 五、连续操作釜式反应器的热稳定性
一、反应器流动模型
化工操作过程可分为间歇过程、连续过程和半连续过程。 反应器中流体的流动模型是针对连续过程而言。由于真实反 应器几何尺寸、操作条件、搅拌等的复杂性，使得反应器内 流动十分复杂，而反应器中流体的流动直接影响反应器的性 能，为此有必要讨论反应器内的流体流动。 理想置换流动模型
项目一 釜式反应器
项目一釜式反应器
任务一 认识釜式反应器
一、釜式反应器的基本结构 二、釜式反应器的工艺流程
一、釜式反应器的基本结构
（一）壳体 （二）搅拌装置
（三）换热装置
（四）传动装置及密封
项目一釜式反应器
（一）釜式反应器的壳体结构
项目一釜式反应器
几种反应釜底的形式
项目一釜式反应器
（二）搅拌器
模块一釜式反应器
（3）降低返混程度的主要措施
降 低 返 混 程 度 的 主 要 措 施
横向分割
连续操作搅拌釜式反应器，其返混程度可能达到 理想混合程度。为了减少返混，工业上采用多釜 串联操作，这是横向分割的典型例子。当串联釜 数足够多时，这种连续多釜串联的操作性能就很 接近理想置换反应器的性能。
纵向分割
模块一釜式反应器
2.理想混合流动模型
理想混合流动模型也为全混流模型。
由于强烈搅拌，反应器内物料质点返混程度为无穷大， 所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致。
加料 均匀混合
产物
搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流 动均可视为理想混合流动。
模块一釜式反应器
理想混合流动模型的特点： ①物料在反应器内充分返混； ②反应器内温度、浓度、反应速率处处均一， 不随时间而变，且与出口相同。 ③物料粒子在反应器内的停留时间不同。 ④连续，稳定流动，物料的积累项为零。
加料 产物
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流 体流动均可视为理想置换流动。
模块一釜式反应器
理想置换流动模型的特点：
① ②
沿流动方向，温度、浓度、反应速率随位置逐渐改变 稳定流动，各点温度、浓度、反应速率不随时间而变
③
④
各物料质点在反应器内的停留时间相同。
稳定状态下，单元时间、微元体积内，反应物积累量 为零。
旋桨式搅拌器
项目一釜式反应器
螺带式搅拌器
项目一釜式反应器
搅拌状态
项目一釜式反应器
（三）换热装置
项目一釜式反应器
（三）换热装置
项目一釜式反应器
（四）传动装置及密封
项目一釜式反应器
项目一釜式反应器
二、釜式反应器的工艺流程
间歇釜式反应器现场操作图
项目一釜式反应器
任务二 釜式反应器的设计、选型
模块一釜式反应器
3.返混及其对反应的影响
（1）返混 返混专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向 的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。 返混是连续化后才出现的一种混合现象。
（2）返混对反应的影响 非理想流动反应器存在不同程度的返混，返混带来的最大 间歇操作釜式反应器中同样存在剧烈的搅拌与混合， 但不会导致高浓度的消失，这是因为混合对象不同。 影响是反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。 间歇操作釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻 ①返混改变了反应器内的浓度分布，使反应器内反应物的 进入反应器的，又在反应器中同样条件下经历了相同的反应 浓度下降，反应产物的浓度上升。 时间，因而具有相同的性质、相同的浓度，这种浓度相同的 物料之间的混合不会使原有的高浓度消失。 ②返混的结果将产生停留时间分布，并改变反应器内浓度 连续操作釜式反应器中存在的都是早先进入反应器并 分布。 经历了不同反应时间的物料，其浓度已经下降，进入反应器 ③返混不但对反应过程产生不同程度的影响，更重要的示 的新鲜高浓度物料一旦与这种已经反应过的物料相混合，高 浓度会随之消失。 对反应器的工程放大所产生的问题。
（2）停留时间t
又称接触时间，指连续流动反应器流体微元从进入反应器 到离开反应器所经历的时间。
（3）平均停留时间 t
各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间称为平 均停留时间。
t
VR
0
VR V0
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（4）空间时间 ： 反应器有效容积V’R与流体特征体积流率V0之比值。
V 'R V0
对于恒容过程：
1 dnS rS V dt 1 dn A rA V dt dc A rA dt
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5. 几个时间概念
（1）反应持续时间 t r
也叫反应时间，指间歇反应器反应物料进行反应达到所要 求的转化率所需要的时间。其中不包括装料、卸料、升温 等非生产时间。
模块一釜式反应器
1.基元反应和非基元反应
基元反应：化学反应的反应式能代表反应的真正过程的反 应。 非基元反应：有若干个基元反应综合而成的反应。 例如反应：H2+Br2=2HBr 由实验可知该反应是由5个基元反应组成。 Br2→2 Br· Br· H2→HBr+H· + H· Br2→HBr+ Br· + H· HBr→H2→Br· + 2 Br·→Br2
I nI nI 0 n A0 x A ( A )
关键组分：主要反应物（A），它的转化率直接影响反应过程 的经济效益。
模块一釜式反应器
（1）单程转化率：
指原料一次通过反应器一次达到的转化率，即是以反 应器入口物料为基准的转化率； （2）全程转化率： 指新鲜物料进入反应系统到离开反应系统所达到的转
SV
V 'R
h
式中
V 0 n ——为进口流体在标准状态下的体积流率
空间速度通常用于比较设备生产能力的大小。
对于气固相催化反应，空间速度定义为在单位时间内 通过单位催化剂体积（或质量）的物料标准体积流率。
模块一釜式反应器
注意：空间速度不是空间时间的倒数。
空速中的 V 0 n 是指反应器入口物料在标准状况下的体积流率 空时中的 V0 是指反应器入口操作条件下的体积流率
注意：化学反应式不是方程式，不允许按方程式的运算规 则加以运算。
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（2）化学计量方程
化学计量方程只表示反应物、生成物在化学反应过 程中量的变化关系。 aA+bB+ … ＝ rR+sS +… (－a)A+ (－b) B+ … +rR+sS +… ＝0 aAA+aBB+ …+aRR+aSS +… ＝∑aII＝0
式中： aA、aB、aR、aS … ——化学计量系数。
注意：化学计量方程允许按方程式的运算规则加以运算。
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2.反应程度ξ
• 引入“反应程度”来描述反应进行的深度。 • 对于任一化学反应
aA bB rR sS 0
• 定义反应程度
nI nI 0
I
流化床反应器是气固相连续操作的一种工业反 应器。流化床中由于气泡运动造成气相和固相 存在严重的返混。为了限制返混，对高径比较 大的流化床反应器常在其内部装置横向挡板以 减少返混，而对高径比较小的流化床反应器则 可设置垂直管作为内部构件。
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（二）非理想流动
实际工业反应器中的反应物料流动与理想流动有所偏 离，过程介于两者之间。所有偏离理想流动模型的流动模 式均称为非理想流动。
均相反应动力学研究均相反应进行的速率以 及温度、浓度、催化剂等因素对反应速率的影响。
模块一釜式反应器
ห้องสมุดไป่ตู้
（一）基本概念及术语 1.化学计量方程 （1）化学反应式 反应物经过化学反应生成产物的过程用定量关 系式予以描述时，该定量关系式称为化学反应式。 aA+bB+ … → rR+sS +… 式中： a、b、 r、s … ——计量系数。
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2.非理想流动模型
在实际工业反应器计算中，为了考虑非理想流动的情