连续搅拌釜式反应器设计
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。
实验三 连续搅拌釜式反应器液相反应的动力学参数测定
实验三 连续搅拌釜式反应器液相反应的动力学参数测定一、实验目的连续流动搅拌釜式反应器与管式反应器相比较，就生产强度或溶剂效率而论，搅拌釜式反应器不如管式反应器，但搅拌釜式反应器具有其独特性能，在某些场合下，比如对于反应速度较慢的液相反应，选用连续流动的搅拌釜式反应器就更为有利，因此，在工业上，这类反应器有着特殊的效用。
对于液相反应动力学研究来说，间歇操作的搅拌釜式反应器和连续流动的管式反应器都不能直接测得反应速度，而连续操作的搅拌釜式反应器却能直接测得反应速度。
但连续流动搅拌釜式反应器的性能显著地受液体的流动特性的影响。
当连续流动搅拌釜式反应器的流动状况达到全混流时，即为理想流动反应器——全混流反应器，否则为非理想流动反应器。
在全混流反应器中，物料的组成和反应温度不随时间和空间而变化，即浓度和温度达到无梯度，流出液的组成等于釜内液的组成。
对于偏离全混流的非理想流动搅拌釜式反应器，则上述状况不复存在。
因此，用理想的连续搅拌釜式反应器（全混流反应器）可以直接测得本征的反应速度，否则，测得的为表观反应速度。
用连续流动搅拌釜式反应器进行液相反应动力学，通常有三种实验方法：连续输入法、脉冲输入法和阶跃输入法。
本实验采用连续输入的方法，在定常流动下，实验测定乙酸乙酯皂化反应的反应速度和反应常数。
同时，根据实验测得不同温度下的反应速度常数，求取乙酸乙酯皂化反应的活化能，进而建立反应速度常数与温度关系式（Arrhenius formula ）的具体表达式。
通过实验练习初步掌握一种液相反应动力学的实验研究方法。
并进而加深对连续流动反应器的流动特性和模型的了解；加深对液相反应动力学和反应器原理的理解。
二、实验原理1．反应速度 连续流动搅拌釜式反应器的摩尔衡算基本方程： dtdn dV r F F A vA A AO =---⎰)(0 （1） 对于定常流动下的全混流反应器，上式可简化为0)(=---V r F F A A AO （2） 或可表达为VF F r A AO A -=-)( （3） 式中；AO F ——流入反应器的着眼反应物A 的摩尔流率， 1-⋅s mol ；A F ——流出反应器的着眼反应物A 的摩尔流率， 1-⋅s mol ；)(A r -——以着眼反应物A 的消耗速度来表达的反应速度，13--⋅⋅s mmol ；由全混流模型假设得知反应速度在反应器内一定为定值。
理想混合连续搅拌釜式反应器(CSTR)
理想混合状态
物料在反应器内达到完全混合，不存在浓度和温度 的梯度分布。
反应器内各点的物料性质（如浓度、温度等）完全 相同，且随时间保持不变。
在理想混合状态下，反应器的性能达到最优，反应 效率和产物质量得到保证。
03
CSTR反应器的数学模型
物料平衡方程
进入反应器的物料流量与离开 反应器的物料流量相等，即输 入等于输出。
用于连续加入反应物和排出产物，实现连续化生产 。
工作流程
01
02
03
04
物料进入
反应物通过进料口连续加入反 应器内。
充分混合
在搅拌装置的作用下，物料在 反应器内充分混合，达到浓度 和温度的均匀分布。
反应进行
在适宜的反应条件下，物料在 反应器内进行化学反应。
产物排出
反应完成后，产物通过出料口 连续排出反应器。
100%
平均停留时间
表示物料在反应器内的平均停留 时间，影响反应器的生产能力和 产品质量。
80%
停留时间分布曲线
通过实验测定，可直观反映反应 器内物料的停留时间分布情况。
转化率与选择性
转化率
表示原料在反应器内转化为产 品的程度，是衡量反应器性能 的重要指标。
选择性
表示在给定转化率下，生成目 标产物的能力，反映反应器的 选择性能。
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感谢聆听
缺点与挑战
能耗较高
连续搅拌过程需要消耗大量能量，导致CSTR反应器的能耗相对较 高。
设备复杂度高
CSTR反应器结构复杂，涉及搅拌、传热、传质等多个过程，设备 设计、制造和维护难度较大。
放大效应
在将实验室规模的CSTR反应器放大至工业生产规模时，可能会遇到 放大效应问题，影响反应器的性能和产物质量。
釜式反应器操作与控制—理想连续操作釜式反应器
理想连续操作釜式反应器的计算
理想连续操作釜式反应器的计算
理想连续操作釜式反应器的计算
通过[例2-1]和[例2-2]的反应结果可以看出：完成相 同的生产任务，连续操作釜式反应器的生产时间比间歇操 作釜式反应器的生产时间要长。主要原因是连续操作釜式 反应器内的化学反应是在出口处的低浓度下进行的。
反应时间不是判别反应器生产效率高低的唯一标准，还需综合考虑
同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求。
理想连续操作釜式反应器
管式反应器
理想连续操作釜式反应器
投资大 职工工作量大
维护成本高 操作难度高
串联釜数一般不超过4
《化学反应器操作与控制》
多釜串联的计算
多釜串联的计算
多釜串联
理想连续操作釜式反应器
n-CSTR的基础设计式
理想连续操作釜式反应器
《化学反应器操作与控制》
理想连续操作釜式反应器的特点
理想连续操作釜式反应器的特点
理想连续操作釜式反应器操作现场
理想连续操作釜式反应器的特点
流体流动符合全混流理想流动模型 连续进料和出料； 过程参数与空间位置、时间无关； 容易自动控制，节省人力。
理想连续操作釜式反应器的特点
反应物浓度、转化率、反应速率处处相等
QkJc/与hT的函数关系式在Q-T坐标图 上为一直线。
▪2. 放热速率Qr和移热速率Qc
结论： 热稳定状态点一定是定态
点，而定态点不一定都具有热 稳定性。
▪ 3.热稳定条件
定常条件：Qr=QC
▪ 稳定条件
dQr dQc dT dT
注意：：CSTR中进行吸热反应时 ，
没有热稳定性问题。
▪ 3.热稳定条件
《化学反应器操作与控制》
连续搅拌釜式反应器(CSTR)控制系统设计 连续
连续连续搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器（（CSTR ）控制系统设计1. 前言连续搅拌釜式反应器（continuous stirred tank reactor ，简称为CSTR ）是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，该对象是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。
在早期反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。
随着计算机技术和PLC 控制器的发展，越来越多的化学反应采用计算机控制系统，控制方法主要为数字PID 控制。
但PID 控制是一种基于对象有精确数学模型的线性过程，而CSTR 模型最主要的一个特征就是非线性，因此PID 控制在这一过程中的应用受到限制。
随着现代控制理论和智能控制的发展，更加先进有效的控制方法应用于CSTR 的控制，如广义预测控制，神经模糊逆模PID 复合控制，自抗扰控制，非线性最优控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，CSTR 的非线性H ∞控制等。
但任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想的控制效果。
目前先进的反应釜智能控制技术就是将智能控制理论和传统的控制方法相结合，如钟国情、何应坚等于1998年对基于专家系统的CSTR 控制系统进行了研究[1]，宫会丽、杨树勋等于2003年发表了关于PID 参数自适应控制的新方法[2]，冯斌、须文波等于1999年阐述了利用遗传算法的寻优PID 参数的模型参考自适应控制方法等[3]。
但由于这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现、现场调试及通用型方面存在着局限性，因此研究一种相对简单实用的CSTR 控制方法，更易为工程技术人员所接受。
本文在对CSTR 过程及其数学模型进行详细分析的基础上，针对过程的滞后性，采用Smith 预估算法与PID 控制相结合的方法实现CSTR 过程的控制，该方法具有实用性强及控制方法简单等特点，基于西门子PCS7系统完成了CSTR 过程控制系统设计。
连续釜式反应流程设计
连续釜式反应流程设计英文回答：Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) Design.A continuous stirred-tank reactor (CSTR) is a type of chemical reactor in which the reactants are continuously added to the reactor and the products are continuously removed. The reactor is stirred to ensure that thereactants are well mixed and that the temperature and concentration of the reactants and products are uniform throughout the reactor.The design of a CSTR involves several steps:1. Determine the reaction rate. The reaction rate isthe rate at which the reactants are converted into products. The reaction rate can be determined experimentally or from literature data.2. Determine the reactor volume. The reactor volume is the volume of the reactor that is required to achieve the desired conversion of reactants into products. The reactor volume can be calculated using the following equation:V = F / (-rA)。
第五章釜式连续反应器
n为搅拌器转数；d为搅拌器叶轮直径；NQR为无因次准 数。在有挡板的条件下，对于推进式叶轮NQR=0.5；
对 于 涡 轮 式 叶 轮 ( 六 叶 ， 宽 径 比 为 1:5) ，
NQR=0.93D/d(用于Re104，D为反应器内径； d为搅
拌器桨径)。
连续釜式反应器在结构上通常与间歇釜式反应 器相同。其常见的进出料方式如下
①已知反应釜串联的个数n以及反应体积VR(也就 是停留时间τ)，求终点转化率xAf ②已知终点转化率xAf，求串联的个数n(已知反应 体积，即停留时间τ) ③已知终点转化率xAf，求反应体积VR(已知串联 的个数n)
第五章 连续釜式反应器
5.1 连续釜式反应器的特点及应用 5.2 连续釜式反应器的设计 5.3连续釜式反应器的并联与串联 5.4釜式反应器的热量衡算与定态操作 5.5返混对复杂反应产品分配的影响
连续釜式反应器的特点
• 定义：连续釜式反应器是一种以釜式反应器实现连续生产的 操作方式。
• 与间歇釜式相比，具有生产效率高，劳动强度低，操作费用 小，产品质量稳定，易实现自控等优点。
FV0CA0=FVfCAf+ rAVR
液相反应时，可视为恒容，FV0=FVf；而且稳态 操作时，xA=xAf，CA=CAf，于是
VR
FV 0 (CA0 rA
-CA)
由于
xA
CA0 - CA CA0
所以
VR
=
FV 0CA0 xA rA
这就是等温恒容液相连续釜式反应器的设计方程。
在给定操作条件以及反应的动力学方程后，可由 简单的代数计算求得反应体积。
CA2 1+ k3 3
CAn-1 1 kn n
(三)釜式反应器的设计1、釜式反应器设计的系列化国家已有K型和F型
（三）釜式反应器的设计1、釜式反应器设计的系列化国家已有Ｋ型和Ｆ型反应釜系列Ｋ型釜：形状上呈“矮胖型”，长径比较小Ｆ型釜：长径比较大，较瘦长材质：碳钢、不锈钢和搪瓷等规格：高压、真空反应釜常减压和低压常压反应釜传热面积和搅拌形式都有规定，在选型时，不符，可与厂家协商进行修改。
若没有合用的型号，可自行设计。
２、釜式反应器设计的工作内容（１）确定釜的操作方式（间歇与连续）（２）汇总设计基础数据：包括物料流量，反应时间，操作压力，操作温度，投料比，转化率，收率，物料的物性数据等（３）计算釜的体积（计算方法见下）（４）确定台数和连接方式（串联与并联）（５）确定釜的直径与筒体高度（长径比取1～3)（６）确定釜的传热装置的型式与换热面积（７）选择釜的搅拌器（如浆式、框式、锚式等）3、釜式反应器体积的计算(1)连续釜 V r= Q0τ（四）固定床催化反应器的设计１、固定床催化反应器的类型 AfAf A Af Af A R C C R x C -==00ττ或２、固定床催化反应器催化剂用量的确定(1)空速法乙烯直接氧化制环氧乙烷所用的反应器是外部换热式固定床催话反应器 测得空速为5000m3(STP)/(m3cat.h)，要求所设计的反应器进口气体流量为8900m3(STP)/h ，求反应器的催化剂堆体积。
解：由空速计算式得(2)模型法绝热式固定床反应器的催化剂用量用下列联立模型方程可求解催化剂堆体积固定床自热式多段绝热式非原料气泠激式原料气泠激式中间间接换热式外热式 单段绝热式 催化剂床层体积原料气体的体积流量空速=378.150008900m ===空速原料气体的体积流量催化剂堆体积)(),(10000A A A A A x x A A r x x T T T x f R dx R F V A f A -+===⎰λ（五）流化床反应器的设计1、流化床反应器的构造（1）流化床直径D（2）扩大段直径D ′（3）浓相段高度H 1（4）稀相段高度H 2（5）扩大段高度H 32、流化床反应器主要尺寸的确定1）流化床直径D式中D —流化床直径，m H 1H 3H 2ptr A pt t r A C H y C F H F )()(00∆-≈∆-=λuVD π4=V —气体的体积流量，m 3/su —空床气速，即流化床的操作气速,m /s流化床的操作气速可根据生产或试验数据选取,常用的操作气速为0.2～1.0m/s ，也可用流化数来计算操作气速, 即 u = n u mf 。
连续搅拌釜式反应器
3. 质量检测
本实验中采用电导方法测量反应物A的浓度变化。 对于乙酸乙酯皂化反应，参与导电的离子 有Na+、OH-和CH3COO-。Na+在反应前后浓 度不变，OH-的迁移率远大于CH3COO-的迁移率。随 着反应的进行，OH-不断减少，物 系的电导值随之不断下降。因此，物系的电导值的变化与CH3COOH的浓度变化成正 比，而由电导电极测得的电导率L与其检测仪输出的电压信号U也呈线性关系，则如 下关系式成立：
续搅拌釜式反应器液相反应的速 率常数测定 一、实验目的
本实验采用连续流动搅拌釜式反应器进 行液相反应动力学研究。实验用连续输入 的方法，在定常流动下，测定乙酸乙酯皂 化反应的反应速率和反应速率常数。
二、实验原理
1. 2.
3.
反应速率 反应速率常数 质量检测
1. 反应速率 连续流动搅拌釜式反应器的摩尔衡算基本方程：
FAO-FA-∫0V(-rA)dV=dnA/dt
对于定常流动下的全混流反应器，上式可简化为：
FAO-FA-(-rA)V=0→ (-rA)= FAO-FA /V
对于恒容过程而言，流入反应器的体积流率Vs,0等于流出反应器的体积流率Vs。 若反应物A的起始浓度为CA,0，反应器出口亦即反应器内的反应物A的浓度为 CA，则上式可改写为：(-rA)= （CA,0-CA）/（V/Vs,0）=（CA,0-CA）/τ
2. 标定浓度曲线的实验步骤
3.测定反应速率和反应速率常数的实验步骤
（1）停止加热和搅拌后，将反应器内的纯水放尽。启 动并调定计量泵，同时以等流率向器 内加入料液A和 B。待液面稳定后，启动搅拌器和加热器并控制转速和 温度恒定。当搅拌转速 在600r· min-1时，总体积流率 在2.7~16L· h-1（相当于计量泵显示10~60 r·min-1）范围 内，均可接近全混流。 （2）当操作状态达到稳定之后，按数据采集键，采集 与浓度CA相应的电压信号U。待屏幕 上 显示的曲线平直 之后，按终止采集键，取其平直段的平均值，即为与釜 内最终浓度CA相应 的U值。 （3）改变流量重复上述实验步骤，测得一组在一定温 度下，不同流量时的U值数据。
连续操作釜式反应器(CSTR)的计算
VR CA0 CA CA0 xAf
V0 (rA ) f (rA ) f
第六章 离婚制度
二、离婚制度的历史沿革
(一)外国离婚制度的历史沿革
1.禁止离婚主义 2.许可离婚主义
(1)专权离婚主义 (2)限制离婚主义 (3)自由离婚主义
பைடு நூலகம்
第一,有责离婚主义 第二,无责离婚主义
二、离婚制度的历史沿革
(二)我国离婚制度的历史沿革
1.我国古代的离婚制度
(1)七出 (2)和离 (3)义绝 (4)诉离
2.我国近代的离婚制度
(1)两愿离婚 (2)判决离婚
3.我国现代的离婚制度
第二节
协议离婚
一、协议离婚的概述
(一)协议离婚又称为登记离婚或自愿离婚,是指夫妻双 方在协商一致的基础上,按照行政程序解除婚姻关系的 离婚方式。
反应器内，物 料的浓度和温度处 处相等，且等于反 应器流出物料的浓 度和温度。
CA CA,in
time
CA, out
0
CA CA,O
t tresidence time
position
CA, out
0
t
x
一、单个连续操作釜式反应器的计算（1－ CSTR）
基础设计式
取整个反应器为衡算对象
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
CA0 xA kCA0 (1 xA)
xA k(1 xA)
CA0 xA kCA02 (1 xA)2
xA kCA0 (1
xA ) 2
二、多个串联连续操作釜式反应器 （N－CSTR）
为什么要采用N－CSTR代替1－CSTR？ 由于1－CSTR存在严重的返混，降低了反应
连续搅拌釜式反应器(CSTR)控制系统设计 连续
连续连续搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器（（CSTR ）控制系统设计1. 前言连续搅拌釜式反应器（continuous stirred tank reactor ，简称为CSTR ）是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，该对象是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。
在早期反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。
随着计算机技术和PLC 控制器的发展，越来越多的化学反应采用计算机控制系统，控制方法主要为数字PID 控制。
但PID 控制是一种基于对象有精确数学模型的线性过程，而CSTR 模型最主要的一个特征就是非线性，因此PID 控制在这一过程中的应用受到限制。
随着现代控制理论和智能控制的发展，更加先进有效的控制方法应用于CSTR 的控制，如广义预测控制，神经模糊逆模PID 复合控制，自抗扰控制，非线性最优控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，CSTR 的非线性H ∞控制等。
但任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想的控制效果。
目前先进的反应釜智能控制技术就是将智能控制理论和传统的控制方法相结合，如钟国情、何应坚等于1998年对基于专家系统的CSTR 控制系统进行了研究[1]，宫会丽、杨树勋等于2003年发表了关于PID 参数自适应控制的新方法[2]，冯斌、须文波等于1999年阐述了利用遗传算法的寻优PID 参数的模型参考自适应控制方法等[3]。
但由于这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现、现场调试及通用型方面存在着局限性，因此研究一种相对简单实用的CSTR 控制方法，更易为工程技术人员所接受。
本文在对CSTR 过程及其数学模型进行详细分析的基础上，针对过程的滞后性，采用Smith 预估算法与PID 控制相结合的方法实现CSTR 过程的控制，该方法具有实用性强及控制方法简单等特点，基于西门子PCS7系统完成了CSTR 过程控制系统设计。
2.5 理想混合连续搅拌釜式反应器(CSTR)
将出口处的浓度、温度等参数代入得到出口处反应速率，将其代入基础
设计式即得。
如：恒温恒容不可逆反应
1 k
CA0 xA
n=0 n=1
CA0 xA kCA0 (1 xA)
xA k(1 xA)
n=2
CA0 xA
kC
2 A0
(1
xA )2
kCA0
x
A
(1
x
A
)2
图解法
在连续操作釜式反应器内，过程参数与空间位置、时间无关， 各处的物料组成和温度都是相同的，且等于出口处的组成和温度。
连续操作釜式反应器适用于产量大的产品生产，特别适宜对温 度敏感的化学反应。容易自动控制，操作简单，节省人力。稳定性 好，操作安全。
单个连续操作釜式反应器（1－CSTR）
基础设计式
连续操作釜式反应器 单个连续釜 多个串联连续釜
理想混合连续搅拌釜式反应器（CSTR）
连续操作釜式反应器的结构和间歇操作釜式反应器相同，但进 出物料的操作是连续的，即一边连续恒定地向反应器内加入反应物， 同时连续不断地把反应产物引出反应器。这样的流动状况很接近理 想混合流动模型或全混流模型。
例3-5、例3-6讲解
多个串联连续操作釜式反应器（N－CSTR）
为什么要采用N－CSTR代替1－CSTR？
由于1－CSTR存在严重的返混，降低了反应速率，同时容易在某些反应中导 致副反应的增加。
为了降低逆向混合的程度，又发挥其优点，可采用N－CSTR，这样可以使 物料浓度呈阶梯状下降，有效提高反应速率；
例题讲解。
图解法
适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，但只适于（rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。
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
反应器控制系统设计
1
1.1
1.1.1
反应器，是任何化学品生产过程中的关键设备，主要给化学反应的介质提供场所，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。不同的生产过程和生产工艺所使用的反应器类型也不同，因此反应器种类很多。就结构形式看，有釜式、管式、塔式、固定床、流化床反应器等；按传热情况看，分为绝热式和非绝热式反应器。釜式反应器有两种操作方式：连续生产和间歇生产。
1.2
连续搅拌釜式反应器是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，该对象是过程工业中典型的高度非线性的化学反应系统。釜式反应器系统的自动化控制发展随着科学技术的发展而快速发展。
在国内，早期反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，水平一直比较落后，其化学反应过程一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。随着计算机技术与PLC控制器的发展和各类先进控制技术的引进，反应器控制水平也得到了很大提高，越来越多的化学反应采用计算机控制系统，其控制方法主要为数字PID控制。
但是PID控制是一种基于对象有精确数学模型的线性过程，而连续搅拌釜式反应器系统最主要的一个特征就是非线性，因此PID控制在这一过程中的应用受到限制。随着现代控制理论和智能控制的发展，更加先进有效的控制方法应用于连续搅拌釜式反应器系统的控制，如广义预测控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，连续搅拌釜式反应器的非线性 控制等。但任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想的控制效果。目前先进的反应釜智能控制技术就是将智能控制理论和传统的控制方法相结合，如钟国情、何应坚等于1998年对于专家系统的CSTR控制系统进行了研究[1]，冯斌、须文波等于1999年阐述了利用遗传算法的寻优PID参数的模型参考自适应控制方法[2]等。这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现、现场调试及通用型方面也同样存在着局限性。
连续操作釜式反应器课件
对于可能发生的突发情况，应制定相应的应急处理措施，并进行定期 演练，以确保操作人员在关键时刻能够迅速、准确地应对。
危险化学品管理
化学品分类
对连续操作釜式反应器涉及的化学品进行分类，明确各类化学品 的危险性，为后续的管理提供依据。
化学品储存
化学品应存放在专门的储存区域，确保储存环境符合化学品的要求， 防止因储存不当导致的安全事故。
反应器内温度异常会影响反应效 果和产品质量，通过温度传感器 实时监测，并结合反应过程数据
进行诊断。
搅拌不均匀
搅拌系统故障会导致反应物混合 不均匀，通过观察搅拌电流、搅 拌桨转速等参数，以及反应物取
样分析进行诊断。
故障预防措施
01
02
03
定期检查
定期对连续操作釜式反应 器及其附属设备进行检查， 确保设备处于良好状态。
易于控制
通过调节进料速率、温度、压 力等操作参数，实现对连续操 作釜式反应器的灵活控制。
适合于大规模生产
连续操作釜式反应器适用于工 业化生产，满足大批量生产需求。
连续操作釜式反应器的应用领域
化工领域
连续操作釜式反应器广泛应用于合成 气、合成氨、合成甲醇等化工生产过 程中。
医药领域
在医药领域，连续操作釜式反应器可 用于合成抗生素、维生素等药物的生 产。
02 03
技术创新
为适应新能源材料制备的需求，连续操作釜式反应器在结 构、材质和控制系统等方面进行了多项创新。例如，采用 新型陶瓷材料增强设备的耐腐蚀性，设计特殊结构的电极 以提高电化学反应效率等。
应用前景
随着新能源产业的快速发展，连续操作釜式反应器在新能 源材料制备领域的应用前景日益广阔。例如，可用于锂离 子电池正极材料的合成、燃料电池催化剂的制备以及太阳 能电池材料的生产等。
带搅拌釜式反应器CSTR系统控制方案
带搅拌釜式反应器CSTR系统控制方案带搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，简称CSTR）是一种常见的化学反应器，其具有连续投料、连续排出产物和持续搅拌混合等特点，广泛应用于化学工业中的各种反应过程。
CSTR系统的控制方案主要包括反应温度控制、反应物进料控制和产物排放控制等。
本文将从这三个方面对CSTR系统的控制方案进行详细阐述。
1.反应温度控制：反应温度是CSTR系统中一个重要的控制参数，过高或过低的反应温度都会对反应过程产生负面影响。
因此，反应温度的控制对于保证反应过程的高效进行至关重要。
一种常见的反应温度控制方案是PID控制器控制。
PID控制器通过调节加热或冷却系统来维持反应器的温度在设定值附近。
具体控制过程如下：(1)从反应器中测量反应温度；(2)将测量值与设定值进行比较，得到误差；(3)根据误差计算出控制增益，控制增益由PID控制器自动调整；(4)控制增益根据设定算法调节加热或冷却系统，使反应器的温度趋向于设定值。
2.反应物进料控制：反应物进料对于反应过程的速率和效率具有重要影响。
控制反应物的进料量可以保证反应过程以合适的速率进行。
一种常见的反应物进料控制方案是基于反馈控制的PID控制器。
具体控制过程如下：(1)从反应器中测量反应物的浓度；(2)将测量值与设定值进行比较，得到误差；(3)根据误差计算出控制增益，控制增益由PID控制器自动调整；(4)控制增益根据设定算法调节反应物进料系统，使反应物的浓度趋向于设定值。
3.产物排放控制：产物排放是CSTR系统中的另一个重要环节。
合理控制产物的排放可以保证反应过程的稳定性和安全性。
一种常见的产物排放控制方案是基于反馈控制的PID控制器。
(1)从反应器中测量产物的浓度；(2)将测量值与设定值进行比较，得到误差；(3)根据误差计算出控制增益，控制增益由PID控制器自动调整；(4)控制增益根据设定算法调节产物排放系统，使产物的浓度趋向于设定值。
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。
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专业：化学工程与工艺目录一、设计任务.............................................................................................................................. - 1 -二、确定反应器及各种条件...................................................................................................... - 1 -三、反应釜相关数据的计算...................................................................................................... - 1 -1.体积................................................................................................................................... - 1 -2.内筒的高度和内径........................................................................................................... - 2 -3.内筒的壁厚....................................................................................................................... - 2 -四、夹套的计算.......................................................................................................................... - 3 -1.夹套的内径和高度........................................................................................................... - 3 -2.夹套壁厚........................................................................................................................... - 3 -五、换热计算.............................................................................................................................. - 3 -1.所需的换热面积............................................................................................................... - 3 -2.实际换热面积................................................................................................................... - 4 -3.冷却水流量....................................................................................................................... - 4 -六、搅拌器的选择...................................................................................................................... - 4 -七、设计结果一览表................................................................................................................ - 5 -八、参考文献.................................................................................................... 错误!未定义书签。
一、设计任务某工段需要每天生产8吨乙酸丁酯。
以乙酸和丁醇为原料，要求乙酸的转化率大于等于50%.其中原料中乙酸的浓度l/L 0.00175km o A0=C 。
设计一反应器以达到要求。
二、确定反应器及各种条件选用连续釜式反应器（CSTR ），选用螺旋导流板夹套，取5.0Af =X ，查文献资料得：可取反应温度为100℃，反应动力学方程为)min)7.4L/(kmol 1( C 2A ⋅==k k r A （A 为乙酸）搅拌釜内的操作压力为MPa 1.0p cr =；夹套内为冷却水，入口温度为30℃，出口温度为40℃，工作压力MPa 2.0'p cr =; 反应方程为：O H OOCCH CH CH CH CH OH CH CH CH CH COOH CH 23222322233+→+三、反应釜相关数据的计算1.体积由于该反应为液相反应，物料的密度变化很小，故可近似认为是恒容过程。
原料处理量：54.73L/m in 3284.07L/h 0.001750.5111624109Q 30==⨯⨯⨯⨯=反应器出料口物料浓度：km ol/L 000875.0)5.01(00175.0-1Af A0A =-⨯==）（X C C 反应釜内的反应速率：kmol/L 10332.1000875.04.17522A A -⨯=⨯==kC r空时：min 69.6510332.15.000175.0/Q V 5A Af A0A A A00r =⨯⨯==-==-r X C r C C τ 理论体积：L 21.359569.6573.54Q V 0r =⨯==τ 取装填系数为0.75，则反应釜的实际体积为：3r m 794.4L 6.479375.021.35950.75V V ====2.内筒的高度和内径由于此反应为液—液反应，故而取2.1H/D =i 筒体内径m 72.1πH/D 4VD 3==ii圆整并查《化工机械基础》附录12，选取筒体直径mm 1600D =i查得此时1m 高的容积为31 2.017m V = ，1m 高的表面积为21m 03.5F =查得当1600mm DN =时，椭圆形封头曲面高度400m m h 1=，直边高度40m m h 2=，内表面积2h m 97.2A =，容积3h 0.617m V = 筒体高度 m 06.2VV V H =-=r圆整为2.1m 因此3.16.1/1.2H/D ≈=i 在1~1.3的范围内，故而设计合理3.内筒的壁厚由于反应液有腐蚀性，故而选用Q235-A 为筒体材料； 内筒受外压大于内压，故为外压容器；查得100℃时Q235-A 材料的弹性模量MPa 1003.2E 5t⨯=取有效壁厚6mm δe =，负偏差0.8m m C 1=，腐蚀浴度2m m C 2=故名义厚度 8.8m m 28.06δn =++= 外径m m 6.16178.821600D 0=⨯+= 临界长度m 1.2m 66.258.86.16176.161717.1δD D 17.1L e 00cr >>=⨯⨯== 为短圆筒 临界压力MPa 34.062100/1617.)(6/1617.61003.259.2H/D )/D (δE 59.2p 5.2505.20e tcr =⨯⨯⨯==由于cr c p MPa 22.02.01.1p <=⨯= 故设计合理 m m 8.7δn =四、夹套的计算1.夹套的内径和高度由于 mm 1600D =i ，所以mm 1700100D D =+=i j 由于查《化工机械基础》附录中无1700mm 公称直径，故而取mm 1800D =j 夹套高度m 48.16.14617.0595.3D 4V V )H (H 22hr =⨯-=-==ππii j 有效 圆整为m 6.1H =j2.夹套壁厚夹套为内压容器；同内筒一样，选用Q235-A 为夹套材料； 查得在30℃~70℃范围内许用应力[]MPa 113=tσ设计压力 MPa 22.01.12.0p c =⨯= 取8.0=φ 所以： 计算壁厚[]mm 19.222.08.01132180022.0p 2D p cc =-⨯⨯⨯=-=φσδtj 圆整为mm 2.2=δ设计壁厚m m 2.312.2C 2d =+=+=δδ名义壁厚m m 45.325.02.3C 1d n =+=+=δδ 即：夹套壁厚为3.45mm五、换热计算1.所需的换热面积查得此反应的反应热KJ/Km ol 103H 3r ⨯=∆ 所以热负荷W 108.410300175.06073.54H Q 33r A00⨯=⨯⨯⨯=∆=C Q 由于本次反应传热为一边为恒温的传热，故：C 60C 40C 100t C 70C 30C 100t 21︒=︒-︒=∆︒=︒-︒=∆C 64.9 67In 10t t In t t t 2121m ︒==∆∆∆-∆=∆ 依经验取) C 50W/(m K 2︒⋅≈所以理论所需换热面积2m3m 'm 48.1t 50108.4t K S =∆⨯⨯=∆=Q考虑15%的面积浴度，2'm 71.1S 1.15S =⨯=2.实际换热面积S 018.1197.26.15.03A H F S h j 1>>=+⨯=+=实由此可见此反应釜的换热面积足够。
3.冷却水流量冷却水的定性温度C 3540)/2(30t ︒=+= 查得此时比热容为C)g 4.174KJ/(K C p ︒⋅= 因此冷却水的流量为0.15L/s Kg/s 15.0)3040(C W p c ==-=Q由此可见：反应放热较少，所需的冷却水的量也比较少。