釜式反应器
《釜式连续反应器》课件
04
原料经进料口进入反应釜，在 搅拌作用下与催化剂等反应物
质充分混合。
通过加热/冷却系统将温度控 制在适宜的反应温度范围内， 使原料在反应釜内进行连续反
应。
反应过程中，物料在釜内不断 循环流动，以保证反应的均匀
性。
经过一定时间后，完成反应的 产物经出料口排出，进入下一
道工序。
釜式连续反应器的操作条件
压力
根据不同反应的需要，釜式连续反应器需 要在一定的压力下工作，通常为常压或负 压。
安全措施
由于釜式连续反应器涉及易燃、易爆、有 毒等危险物质，因此需要采取严格的安全 措施，如防爆、防火、防泄漏等。
温度
反应温度是影响釜式连续反应器性能的重 要因素，需要根据具体的化学反应来确定 。
搅拌速度
搅拌速度影响物料的混合均匀度和反应速 度，需要根据实际情况进行调整。
节省空间
连续操作可以减少所需设备数 量，从而节省空间。
釜式连续反应器的局限性
01
高能耗
为了维持连续操作，需要大量的能 源。
对原料要求高
为了保持连续操作的稳定性，对原 料的质量和供应要求较高。
03
02
维护成本高
由于设备连续运转，维护和修理的 频率增加。
操作难度大
连续操作需要精确控制各种参数， 对操作人员的技术要求较高。
根据物料流量、反应速 度和停留时间等参数， 计算反应器的尺寸，包 括反应器的高度、直径 等。
对反应器进行强度和稳 定性分析，确保其能够 承受工艺条件下的压力 和温度波动。
釜式连续反应器的设计计算实例
实例1
某化工厂需要生产某种化工原料，采用釜式连续反应器进行生产。根据工艺要求和物料 性质，选择合适的材料和结构，进行设计计算，最终确定反应器的尺寸和操作参数。
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
釜式反应器的特点
釜式反应器的特点
单釜连续操作 物料不断加入，产物不断的流出。在搅 拌作用下，釜内各点浓度均匀一致，出口 浓度与釜中浓度相同，属定态过程。但物 料在釜内停留时间不一，因而会降低转化 率。其产品质量稳定，易于自动控制，宜 于大规模生产。
釜式反应器的特点
多釜串联操作 可分段控制反应，提
高每釜的推动力。克服单釜 连续操作中返混大，物料浓 度低的缺点；温差小，易于 稳定控制温度。生产中常采 用2-4釜串联。
釜式反应器的特点
半连续操作 一种物料一次性全部加入，另一种物料 连续加入。物料浓度随时间不断变化，属 非定态过程。适宜于小型生产，对放热剧 烈的反应，用改变进料速度的方法来调节 放热量的变化，达到控制温度的目的。
釜式反应器
一、釜式反应器的结构
釜式反应器
釜体：由壳体和上、下封头组成，其高与直
径之比一般1~3之间。必须提供足够的体积
以保证反应物有一定的停留时间来达到规
定的转化率；必须有足够的强度和耐腐蚀
能力以保证操作安全可靠。
釜式反应器
换热装置
釜式反应器
搅拌装置：由搅拌器和传动装置组成
二、釜式反应器的特点
反应时间（t）可参考动力学方程结合物料衡算 求得，或者由生产经验值与实验值获得。辅 助时间（t’）由实践经验确定。
2. 反应釜的总容积（VT）
VT VR /
装料系数 一般在0.4～0.85之间， 不起泡不沸腾的物料可取0.7～0.85，易起 泡或沸腾的物料可取0.4～0.6
釜式反应器的结构特点和应用
一、基本结构1、釜的主体：提供足够的容积，确保达到规定转化率所需的时间。
由高质量的钢材或其他耐压材料制成，能够承受高压和高温的反应环境。
由壳体和上下封头组成，其高于直径比一般在1-3之间。
在加压操作时，上下封头多为半球形或椭球型，在常压操作时，上下封头可做成平盖，有时为了下料方便，下底也可做成锥形。
2、搅拌装置：由搅拌轴和搅拌器组成，使反应物混合均匀，强化传质传热。
搅拌装置通常有多种形式，有框式、锚式，桨式、推进式、螺带式、螺杆式等，有时候为了适应高粘度的物料，可设计成螺带式。
3、传热装置：为了控制反应温度和压力，反应器通常会配有加热和冷却系统。
加热通常采用电热管、导热油或蒸汽等方式，冷却则通常采用冷却水或冷却油等方式。
4、传动装置：使搅拌器获得动能以强化液体流动。
5、轴封装置：用来防止釜体与搅拌器之间的泄漏。
6.工艺接管：为适应工艺需要，提供的各类管口，通常有物料进口、物料出口、仪表接口、公用工程接口等。
7、传感器和控制系统：为了实现反应条件的监测和控制，通常需要在反应器内部安装温度、压力等传感器，以便于实时监测反应条件。
此外，传感器信号会被反馈至反应器控制系统，从而实现对反应条件的控制和调节。
二、釜式反应器的作用1、混合：通过搅拌器的作用，釜式反应器能够混合反应物料，使其均匀分布在反应器内部。
2、传递热量：釜式反应器的加热和冷却系统可以传递热量，以控制反应温度和压力，从而保证反应的顺利进行。
3、控制反应条件：釜式反应器配备传感器和控制系统，可以实时监测反应条件，根据需要对反应条件进行调节和控制，从而保证反应过程的顺利进行。
4、提供反应环境：釜式反应器的优良材料和构造，能够提供一个稳定的反应环境，使反应物料得以在安全的条件下进行反应，并得到所需产品。
一些特殊反应因为介质特殊，需要耐酸碱等，需要使用特殊的材料，如316U哈氏合金等。
三.反应釜分类1、连续操作、间歇操作2、高压、常压、负压操作3、带换热与带非换热4、不锈钢、搪瓷类、玻璃类5、固定式、可倾倒式、可移动式四、装料系数若物料在反应过程产生泡沫或呈现沸腾状态,取装填系数0.6-0.7 , 一些有气体生成的反应，需要较大的脱挥空间，装填系数设置取得更低,比如0.5若物料反应比较平稳,则可取装料系数0.8-0.85。
第三章 釜式反应器
等温间歇反应器反应时间的解析计算
由于反应在等温条件下进行，则反应速率常数在反应 过程中保持不变。
对于n级不可逆反应 将反应速率方程变换为转化率的函数并积分得到：
对于一级不可逆反应积分结果为：
14
影响间歇反应器反应时间的因素分析
从间歇反应器反应时间的计算公式可以看出： 反应时间随反应组分的初始浓度(一级反应除外)的提
rAVr
nA0
dxA dt
分离变量积分：
t
t
0 dt nA0
dx x A f
A
0 rAVr
11
间歇反应器的反应时间计算 (单一反应）
恒容条件下（多数情况）
t
cA0
xAf 0
dxA rA
or
t cA dcA
r cA0 A
如果动力学方程形式为： rA kCAn
i
反应生成
物质量 物质量 i物质量
通式为
7
间歇釜式反应器的物料衡算式
由于间歇反应器在反应过程中无物料的进出，因此
Q0=Q=0，即：
单位时间 单位时间内积
反应掉的
＝累在反应器内
i物质量 的i物质量
由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论:反应物达 到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率， 也就是说取决于动力学因素，而与反应器的大小无关。
第三章 釜式反应器
釜式反应器是工业上应 用广泛的反应器之一。
可以用来进行均相反应 (主要是液相均相反应)， 又可用于多相反应，如 气液、液固、液液及气 液固等反应。
在操作方式上，既可以 是进行连续操作，也可 以进行间歇或半间歇操 作。
釜式反应器的结构课件
密封装置
总结词
密封装置的主要作用是防止反应物料泄漏，保证反应过程的密闭性。
详细描述
密封装置通常由密封垫、密封圈和紧固件组成。密封垫可以采用石棉垫、金属 垫等材料；密封圈可以采用橡胶、聚四氟乙烯等材料。密封装置的设计应考虑 耐腐蚀、耐高温和耐高压等性能要求。
进料/出料系统
总结词
进料/出料系统的主要作用是实现反应物料和生成物的进出料操作。
02
釜体
总结词
釜体的主要作用是提供反应所需的空 间，并承受反应物料的压力和温度。
详细描述
釜体通常由厚实的钢板焊接而成，能 够承受反应过程中产生的压力和温度。 根据不同的工艺需求，釜体有立式和 卧式两种常见结构。
搅拌装置
总结词
搅拌装置的主要作用是促进反应物料的混合，提高反应效率。
详细描述
搅拌装置通常由搅拌器、搅拌轴和搅拌桨组成。根据不同的 工艺需求，可以选择不同类型的搅拌桨，如推进式、涡轮式、 锚式等。搅拌装置的设计和安装应确保良好的混合效果和防 止死角。
材料选择
耐腐蚀性
选择具有良好耐腐蚀性能的材料，以适应反 应过程中可能产生的各种腐蚀性物质。
热稳定性
选择具有良好热稳定性的材料，以承受反应 过程中的高温和低温条件。
机械性能
确保材料具有足够的机械强度和稳定性，以 承受反应过程中的压力和温度变化。
经济性
在满足性能要求的前提下，考虑材料的经济 性，降低生产成本。
原料通过进料口进入反应釜，在搅拌作用 下与催化剂混合，加热至反应温度后进行 反应，产物通过出料口排出。
该釜式反应器具有较大的反应体积和高效 的搅拌能力，能够实现连续生产和提高产量。
某制药企业的釜式反应器案例
案例概述 某制药企业使用釜式反应器进行药物 中间体的合成。
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
第2章：均相反应器-釜式反应器
等温间歇釜式反应器 • 举例
如间歇反应器中进行一级不可逆连串反应：
k1 k2 A P Q;
等温间歇釜式反应器
初始状态， CA＝CAO，CP＝CQ＝ 0
CA,CP,CQ变化曲线
0.800 0.700 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0 5 10 15 20
QoCio QCi Vr ij rj
间歇操作 Qo Q＝0，
Vr ij rj
i 1
M
dni ＝0 dt
二、等温釜式反应器的计算
(一)等温间歇釜式反应器 (二)等温连续釜式反应器的计算
(三)半间歇釜式反应器的计算
(一)等温间歇釜式反应器 (单一反应) • • • • 内容： (1)反应时间 (2)反应体积 (3)最优反应时间
反应时间
CP
k1C AO k2t k t e e 1 k1 k 2
k t k 2 e k1t k1e 2 因为：C A CP CQ C AO ; CQ C AO 1 k1 k 2
等温间歇釜式反应器
• 若使P的收率最大，令dCP/dt=0
C AO C X Ap AO X Ap1 p p
C C 其斜率为： AO ；截据为： AO X Ap1。
p
p
XAO
XA1
XA2 XA3
若出现上述试差问题，可假设Vr或XA1，逐 釜作图，直到复合试算检验要求。 等体积釜的物料衡算式直线是一组平行线。
• 举例
等温连续釜式反应器的计算 多釜串联的最佳体积比：
• 第N釜：
(1 X AN 1 ) 1 k (1 X AN )
釜式及管式反应器
设有单一反应 A→R
动力学方程为
rA
kC
n A
t nA0
V
xAf 0
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CAf dCA
CA0
rA
积分上式，可计算A的残余浓度和转化率。
①.残余浓度式 计算经反应时间t后A的残余浓度。
②.转化率式 计算经反应时间t后A的转化率。 A的残余浓度和转化率可用公式计算。
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CAf dCA
CA0
rA
这说明，在充分混合的间歇反应器中， 反应是依照它的动力学特征进行的。流 动过程对反应没有影响。
如果间歇反应器中的物料由于搅拌而 处于均匀状态，则反应物系的组成、 温度、压力等参数在每一瞬间都是一 致的（理想），但随操作时间或反应 时间而变化，故独立变量为时间。
M A
n A0 X
n 惰性组分不变
nt
nt0
（ M A
L A
-B A
-1)n A0 X
由理想气体状态方程可以得到
n t n t（0 1 yA0X） n （t0 1 X)
V V（0 1 yA0X） V0 (1 X）
浓度和转化率的关系 C总不变，而每个组分的浓度变化了
（4）间歇反应器中的单反应
例1
以乙酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反 应器中生产乙酸丁酯，操作温度为100°C，每 批进料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反应速
率 rA 1.045 CA 2kmol/m 3.h
试求乙酸的转化率为0.5，0.9，0.99所需的反 应时间。
已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和 740kg/m3
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
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。
釜式反应器结构和工作原理
釜式反应器结构和工作原理嗨，亲爱的小伙伴们！今天咱们来聊一聊化工领域里超级有趣的釜式反应器。
釜式反应器呀，从外观上看，就像是一个大大的罐子。
它的结构其实还挺简单又很巧妙的呢。
一般来说，它有个圆圆的筒体，这个筒体就像是它的身体，能容纳各种反应物质。
筒体会有一定的厚度，毕竟有时候里面发生的反应可是很“激烈”的，得保证它足够结实，不会被撑破或者损坏。
在这个筒体的顶部，会有一个进料口。
这个进料口就像是小嘴巴一样，各种原料从这儿欢快地跑进去。
想象一下，就像是一群小伙伴要到这个大罐子里开派对呢。
进料口的设计也很有讲究哦，它得保证原料能顺利地进入，而且有时候还得控制进料的速度，就像控制小伙伴们入场的节奏一样。
筒体的底部呢，有出料口。
这就相当于派对结束后，大家从出口离开的通道。
反应结束后的产物就从这儿出去，去到下一个工序或者被收集起来。
釜式反应器里面还有搅拌器。
这个搅拌器可太重要啦，就像是一个超级活跃的小精灵在里面跳舞。
搅拌器不停地转动，把筒体内的原料搅得晕头转向的。
为啥要这么做呢？这是因为很多化学反应，要是原料们都各自待在一边，就没办法很好地接触，反应就会进行得很慢或者不完全。
搅拌器这么一转，就把原料们都混合均匀了，让它们可以亲密接触，这样反应就能快速又高效地进行啦。
那釜式反应器的工作原理是啥呢？这就像是一场神奇的魔法表演。
当原料们从进料口进入到釜式反应器这个大舞台后，在搅拌器这个魔法棒的作用下，它们开始了奇妙的变化。
比如说，我们要做一个简单的酸碱中和反应。
酸和碱这两种原料从进料口进去，搅拌器开始转动，酸分子和碱分子就被搅在一起。
它们就像两个小冤家，一见面就开始互相作用。
酸分子把自己的氢离子拿出来，碱分子把自己的氢氧根离子拿出来，然后结合成水，而剩下的部分就组成了新的盐。
这个反应就在釜式反应器里热热闹闹地进行着。
再比如说一些复杂的有机合成反应。
各种有机分子原料进去后，在特定的温度、压力条件下，在搅拌器的帮助下，它们的化学键开始断裂、重新组合。
釜式反应器的结构、分类以及选型
釜式反应器的结构、分类以及选型釜式反应器在有机化工生产和精细化工生产中应用十分广泛。
不但用于酯化反应、皂化反应这样的均相反应，而且也广泛用于除气相反应以外的几乎所有的反应，如液相、液液相、液固相、气液固相反应等。
01 釜式反应器结构釜式反应器也称反应釜，它主要由搅拌器、罐体、夹套、压出管、人孔、轴封、传动装置和支座等部分构成。
1—搅拌器、2—罐体、3—夹套、4—搅拌轴、5—压出管、6—支座、7—人孔、8—轴封、9—传动装置02 装填系数1）装填系数一般取0.6-0.85；2）如物料在反应过程中呈泡沫或沸腾状态，取0.6-0.7；3）如物料在反应过程中比较平稳，取0.8-0.85。
03 搅拌器的作用和分类1）混合：体系中的不同物质混合均匀。
2）搅动：物料强烈流动，提高传热、传质速率。
3）悬浮：细小颗粒在液体中均匀悬浮，防止沉降、加速溶解等。
4）分散：气体或液体充分分散成细小气泡或液滴，促进传质和反应，控制粒度。
反应釜搅拌类型根据不同的搅拌方式和搅拌结构可以分为多种类型。
以下是一些常见的反应釜搅拌类型：按搅拌方式分：1）锚式搅拌：通过在反应釜内壁上固定锚形或刮板形的搅拌器，使反应物料在反应釜内壁上形成循环流动，从而实现搅拌效果。
2）桨叶式搅拌：通过安装在反应釜顶部或底部的桨叶形搅拌器，使反应物料在釜内形成强烈的涡流和对流，从而实现搅拌混合效果。
3）框架式搅拌：通过安装在反应釜壁上的框架形搅拌器，使反应物料在框架内形成循环流动，从而实现搅拌效果。
4）螺带式搅拌：螺旋叶片通过旋转将物料向上提升，然后再自由落下，从而实现了充分混合和均匀分布。
5）螺旋式搅拌：通过在反应釜内部安装螺旋形搅拌器，使反应物料在螺旋叶片的推动下实现循环流动和搅拌混合。
按加热/冷却方式分类1）水加热反应釜当对温度要求不高时，可采用这种加热方式。
其加热系统有敞开式和密闭式两种。
敞开式较简单，它由循环泵、水槽、管道及控制阀门的调节器组成。
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。
釜式反应器
釜式反应器：反应原理与结构组成釜式反应器是一种常见的反应器类型，广泛应用于化工、石油、食品和材料等行业。
下面将介绍釜式反应器的反应原理和结构组成。
一、反应原理釜式反应器的主要作用是在一定的温度、压力和催化剂作用下，将原料和反应物混合在一起进行化学反应。
釜式反应器一般采用间歇式操作，即每次反应结束后，将反应产物从反应器中取出，再进行下一轮反应。
在釜式反应器中，反应物之间通过搅拌、混合和传递热量等过程，实现反应的均匀性和稳定性。
釜式反应器的操作方式可以根据不同的工艺要求进行调整，例如温度、压力、催化剂等参数都可以进行控制和优化。
二、结构组成釜式反应器主要由以下几个部分组成：1.釜体：釜式反应器的主体部分，一般由耐腐蚀、耐高温的材料制成，如不锈钢、钛等。
釜体内部一般分为上下两部分，上部为反应区，下部为加热区。
2.搅拌装置：搅拌装置是釜式反应器中的重要组成部分，它可以将反应物充分混合均匀，并促进反应的进行。
搅拌装置一般由电动机、减速器和搅拌桨组成。
3.传热装置：传热装置的作用是将外部的热量传递给釜体内的反应物，以控制反应温度。
传热装置一般由加热管、散热器等组成。
4.密封装置：密封装置的作用是防止反应物泄漏，保证反应的进行和安全性。
密封装置一般由填料密封、机械密封等组成。
5.控制系统：控制系统是整个釜式反应器的中枢神经，它可以通过调节温度、压力、搅拌速度等参数来控制反应的进行。
控制系统一般由仪表、阀门、传感器等组成。
总之，釜式反应器作为一种常见的反应器类型，具有操作简单、适应性强、可靠性高等优点。
了解釜式反应器的反应原理和结构组成有助于更好地理解其工作原理和应用场景。
釜式反应器
• 由于釜式反应器既可间歇操作又可连续操 作，它们的工作特点不同，反应时间和转 化率之间 的关系也不同，完成同样任务的 反应器的体积也不相同。下面分别进行讨 论。
• 操作方式 釜式反应器按操作方式可分为：
①间歇釜式反应器,或称间歇釜。 优点：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。 缺点：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连续釜式反应器,或称连续釜
一、釜式反应器的基本结构
釜式反应器的基本结 构主要包括:
反应器壳体 搅拌装置 密封装置 换热装置 传动装置
釜式反应器的壳体结构
壳体结构：一般为 碳钢材料，筒体皆为 圆筒型。釜式反应器 壳体部分的结构包括 筒体、底、盖（或称 封头）、手孔或人孔、 视镜、安全装置及各 种工艺接管口等。
• 封头；反应釜的顶盖，为了满足拆卸方便以及维护检 修。 平面形：适用于常压或压力不高时； 碟 形：应用较广。 球 形：适用于高压场合； 椭圆形：应用较广。 锥 形：适用于反应后物料需要分层处理的场合。 • 手孔、人孔：为了检查内部空间以及安装和拆卸设备 内部构件。 • 视镜:观察设备内部物料的反应情况，也作液面指示用。 • 工艺接管:用于进、出物料及安装温度、压力的测定装 置。
按物料粘度选型 对于低粘度液体，应选用小直径、高转速搅拌器， 如推进式、涡轮式； 对于高粘度液体，就选用大直径、低转速搅拌器， 如锚式、框式和桨式。
按搅拌目的选型 （1）对低粘度均相液体混合，主要考虑循环流量，各 种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列：推进式、涡 轮式、桨式。 （2）对于非均相液-液分散过程，首先考虑剪切作用， 同时要求有较大的循环流量，各种搅拌器的剪切作用按 从大到小的顺序排列：涡轮式、推进式、桨式。
釜式反应器
dc P =0 dt
对Q： k 2 c A + ：
dcQ dt
=0
系统中只进行两个独立反应，因此， 系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅 二式是独立的。 二式是独立的。
等温 BR 的计算
组分 A P Q 反应 时间 浓度
c A = c A0 e[ ( k1 + k 2 )t ]
k1c A 0 cp = 1 e [ ( k1 + k 2 ) t ] k1 + k 2
t = ∫
cA
c A0
dc A n kc A
二者相同。这说明，在充分混合的间歇 二者相同。这说明， 反应器中， 反应器中，反应是依照它的动力学特征 进行的。进动过程对反应没有影响。 进行的。进动过程对反应没有影响。
等温 BR 的Vr计算
1.反应体积
Vr = Q0 (t + t0 )
操 作 时 。 间
dn A ( rA )V 'R － 0 = dt dx A ( rA )V 'R = n A0 dn A = n A 0 dx A dt dx A ( rA )V ' R
∫
t
0
dt = n A 0 ∫
xA
0
恒容条件下（多数情况），上式可以简化成： 恒容条件下（多数情况），上式可以简化成： ），上式可以简化成
设 t = 0 时， c A = c A 0， c P = 0， c Q = 0
等温 BR 的计算
dc P =0 令： dt
得：
t opt
n ( k1 / k 2 ) = k1 k 2
连续釜式反应器的反应体积
全混进反应器－－连续搅拌槽式反应器(CSTR 全混进反应器－－连续搅拌槽式反应器(CSTR －－连续搅拌槽式反应器 －Continuous Stirred Tank Reactor) 特性：物料在反应器内充分返混，达到极大 特性：物料在反应器内充分返混， 程度，以至于反应器内各处物料参数均一； 程度，以至于反应器内各处物料参数均一； 反应器的出口组成与反应器内物料的组成相 连续、稳定进动，在定常态下操作。 同；连续、稳定进动，在定常态下操作。
釜式反应器
• 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I的摩尔数， αI为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩尔数。
模块一釜式反应器
3.转化率
转化率是指某一反应物转化的百分率
某一反应物的转化量 n A0 n A xA ＝ 该反应物的起始量 n A0
应用：
nA=nA0(1-xA)
CA=CA0(1-xA)
最后结合反应动力学数据来感觉反应结果。
模块一釜式反应器
二、均相反应动力学基础
均相反应： 参与反应的各化学组分处于同一相（气相或液 相）内进行化学反应。
气相均相反应
包括 液相均相反应
特点：反应物系中不存在相界面
模块一釜式反应器
均相反应动力学是研究均相反应过程的基础， 也为工业反应装置的选型、设计计算和反应器的 操作分析提供理论依据和基础数据。
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。
加料 产物
模块一釜式反应器
• 大量实验表明，均相反应的速率是反应物系组成、 温度和压力的函数。 • 反应压力通常可由反应物系的组成和温度通过状 态方程来确定，不是独立变量。所以主要考虑反 应物系组成和温度对反应速率的影响。 • 化学反应动力学方程有多种形式，对于均相反应， 方程多数可以写为（或可以近似写为，至少在一 定浓度范围之内可以写为）幂函数形式，反应速 率与反应物浓度的某一方次呈正比。
模块一釜式反应器
（二）非理想流动
第三章釜式反应器
加入反应器的热量（1） ＝
带走的热量（2） ＋反应热（3） ＋累积的热量 （4）
对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号
1）对于单一反应，只需建立一个方程
2）多相反应，需分别对每相建立方程， 多一相，多建立一个
3）反应热 放热 ΔHR “-” QP“+” 吸热 ΔHR “+” QP “-”
• 当气相流动反应器的压力降很大，以 致影响到反应组分的浓度时，就要考 虑动量衡算式。一般情况下，在反应 体积计算时可不考虑。这样反应体积 的计算是物料衡算、热量衡算联立求 解。对于一个单一反应就有二到三个 方程，如果遇到多个反应，计算就非 常麻烦，因此必须根据具体情况作必 要的简化。
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)
• 间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同 规格的产品生产，特别是用于多品种而批量 小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助 剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应 用。其操作时间是由两部分组成：反应时间 （t）和辅助时间（t0）
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
b、逆向混合（返混） 指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，
是指时间概念上的逆向。 理想置换模型：返混最小 理想流动反应
器 理想混合模型：返混最大 非理想流动：介于最大· 和最小之间
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 影响反应结果。研究反应器的流动模型是 反应器选型、设计和优化的基础。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
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理想置换流动模型的特点：
① 沿流动方向，温度、浓度、反应速率随位置逐渐改变 ② 稳定流动，各点温度、浓度、反应速率不随时间而变 ③ 各物料质点在反应器内的停留时间相同。 ④ 稳定状态下，单元时间、微元体积内，反应物积累量 为零。
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。
模块一釜式反应器
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
况，一般总是基于一个反应过程的初步认识，首先分析其 实际流动状况，从而选择一较为切合实际的合理简化的流 动模型，并用数学模型方法关联返混与停留时间分布的定 量关系，然后通过停留时间分布的实验测定来检验假设的 模型的正确程度，确定在假设模型时所引入的模型参数， 最后结合反应动力学数据来感觉反应结果。
浓度下降，反应产物的浓度上升。 ②返混的结果将产生停留时间分布，并改变反应器内浓度
分布。 ③返混不但对反应过程产生不同程度的影响，更重要的示
对反应器的工程放大所产生的问题。
（3）降低返混程度的主要措施
连续操作搅拌釜式反应器，其返混程度可能达到
降
横向分割
理想混合程度。为了减少返混，工业上采用多釜
低
串联操作，这是横向分割的典型例子。当串联釜
➢ 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。
可设置垂直管作为内部构件。
模块一釜式反应器
（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。
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 于设备在的固死定角床中反，应如器设、备填两料端塔、以挡及板滴与流设床备反壁应的器 中阻形交死设，力成接角计由通沟处。来于道流以若保催，。及要证化使设减。剂得备少颗部设滞粒分有留或流的区填体其的料快他存装速障在填从碍，不此物主匀通时要，道，通造流最过成过易合一从产理低而生的
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于均相反应， 方程多数可以写为（或可以近似写为，至少在一 定浓度范围之内可以写为）幂函数形式，反应速 率与反应物浓度的某一方次呈正比。
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
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
反
理想流动模型
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。
模块一釜式反应器
（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。
模块一釜式反应器
2. 反应级数
定义：动力学方程式中浓度项的指数，由实验确定。 对基元反应：级数即为化学反应式的计量系数
－aA、－aB 对非基元反应：通过实验确定。 而级数越高浓度对反应速率的影响越大；级数为零 的反应，浓度对反应速率无影响。
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3. 反应速度常数
不可逆反应
k=f(T)
模块一釜式反应器
二、均相反应动力学基础
均相反应：
参与反应的各化学组分处于同一相（气相或液 相）内进行化学反应。
包括
气相均相反应 液相均相反应
特点：反应物系中不存在相界面
模块一釜式反应器
均相反应动力学是研究均相反应过程的基础， 也为工业反应装置的选型、设计计算和反应器的 操作分析提供理论依据和基础数据。
返
数足够多时，这种连续多釜串联的操作性能就很
混 程
接近理想置换反应器的性能。
度
的
主
流化床反应器是气固相连续操作的一种工业反
要 措 施
纵向分割
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
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
影响是反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。 ①返混改变了反应器内的浓度分布，使反应器内反应物的
模块一釜式反应器
3.转化率
转化率是指某一反应物转化的百分率
xA 某 该一 反反 应应 物物 的的 起 ＝ 转 始 nA0n化 A量 0n量 A
应用： nA=nA0(1-xA)
CA=CA0(1-xA)
反应进行到一定时刻，各组分的物质的量与转化率的关系为：
nI nI0(IA)nA0xA
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。
4.化学反应速率
定义：单位时间内、单位反应体积、反应混合物料中某
一组分的反应量。
用反应程度随时间的变化率表示
r 1 d
V dt
用产物的生成速率表示
rS
1 V
dnS dt
用关键组分的消耗速率表示
rA
1 V
dnA dt
对于恒容过程：
rA
dcA dt
模块一釜式反应器
5. 几个时间概念
（1）反应持续时间 t r
（－rA）＝kppAmpBn
kc与kp的关系
kc=kP(RT)n+m
模块一釜式反应器
4.化学反应的分类
单一反应过程：系统中仅发生一个不可逆的化学反应，简称简 单反应过程
k=k0·e－E/RT（阿伦尼乌斯方程） 式中：ko——频率因子
E——活化能J/mol
R——通用气体常数，8.314J/mol·K
从阿伦尼乌斯方程看出：
（1）活化能越大，温度对反应速率影响越显著
（2）对一给定反应，反应速率常数与温度的关系在低温时 比高温更敏感。
模块一釜式反应器
气相反应以分压表示浓度时
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
模块一釜式反应器
每个基元反应有一个速率方程，总反应有一个总 速率方程。 所以化学反应方程只表示化学反应进行的方向， 基元反应动力学方程可以利用质量作用定律直接 写出；非基元反应动力学方程根据反应机理推断 或通过实验测定。
模块一釜式反应器
（5）空间速度SV： 指单位有效反应器容积所能处理的反应混合物料的标准体
积流率，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
SV
V 0n V 'R
h 1
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。
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
（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。
釜式反应器
（一）釜式反应器的壳体结构
几种反应釜底的形式
（二）搅拌器
➢ （a）浆式搅拌器； ➢ （b）框式搅拌器； ➢ （c）锚式搅拌器； ➢ （d）旋桨式搅拌器； ➢ （e）涡轮式搅拌器； ➢ （f）螺带式搅拌器
釜式搅拌混合器
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
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 化率，即以新鲜进料为基准的转化率。
全程转化率大于单程转化率。
转化率与反应程度的关系：
xA
aA nA0
模块一釜式反应器
模块一釜式反应器
注意：空间速度不是空间时间的倒数。