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
一、釜式反应器的操作 二、釜式反应器的实训操作
三、釜式反应器的仿真操作
釜式反应器的操作
算
nA nA0 (1 xA )
dnA nA0dxA
dt nA0dxA (rA )VR
反应时间的计算
BR的生产时间包括两部分：反应时间和辅助时间。
反应时间：是指装料完毕后算起到达到反应所要 求的转化率时所需的时间
t
nA0
xA 0
dxA (rA )VR
辅助时间：是指反应物料的加料时间、出料时间、 清洗时间等。一般情况下，辅助时间由 经验确定
i
VRi V0
cA0
(x Ai x A(i1) ) (rA )i
cA(i1) cAi (rA )i
多个连续操作釜式反应器的串联
解析法：前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次 计算，直到达到要求的转化率
一级不可逆反应：
第一釜的体积：
VR1
V0 k1
x A1 x A0 1 x A1
第二釜的体积：
反应器内累积的热量： mt c pt dT
KA(TW
T)
VR (rA )(H r )
mt c pt
dT dt
反应时间的计算
变温操作 设计方程
非
dt nA0dxA
(rA )VR
KA(TW
T)
VR (rA )(Hr )
mt c pt
dT dt
恒 温
两方程联立求解，可得X和T随时间的变化
过t
程 0 KA(TW T )dt (H r )nA0 (xA xA0 ) mt c pt (T T0 )
参数敏感性：是指反应过程中各有关参数（流量、进 口温度、冷却温度等）发生微小变化时，反应器内 的温度将会有多大的变化。如果反应器参数的敏感 性过高，那么使反应器的操作变得十分困难
连续操作釜式反应器的热稳定性
热量衡算：单位时间、整个体积、基准0℃ 进入反应器的物料带入的热量： V0 c pT0
离开反应器的物料带出的热量： V0 c pT 发生反应的热效应热量： (Hr )(rA )VRdt 外界交换的热量： KA(Tw T ) 反应器内累积的热量：0
i
x Ai 1
注意:
当各釜的温度不同时
0
当各釜的体积不同时
M
N P Q
XA1
XA2 XA3 XA4 XA
多个连续操作釜式反应器的串联
N-CSTR的最优化：釜数及最终转化率已规定情况下,为 使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一最佳比例
Vr Vr1 Vr2 VrN
V0cA0
X A1 X
r A1
釜式反应器从外型上来看是一高径比接近于一的圆筒型反 应器。反应器结构主要包括反应器筒体、各种接管、搅拌 装置、密封装置和换热装置等
釜式反应器的基本结构
基本结构：壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置
釜式反应器的基本结构
反应器的筒体皆为圆筒形。底、盖常用的 形状有平面形、碟形、椭圆形和球形，也 有的釜底为锥形。
X Ai1 X Ai X Ai X Ai1
1 X Ai1
1 X Ai
i 1,2, , N 1
对于一级不可逆反应
而言，当串联各釜的
Vri1 Vri , i 1,2, , N 1
体积相同时，总反应 体积最小
连续操作釜式反应器的热稳定性
热稳定性：是指反应器本身对热的扰动有无自行恢 复平衡的能力。在干扰因素消除后，如 果反应过程能恢复到原来的平衡状态， 称为热稳定性；否则称为热不稳定性。
2、所有物料在反应器中停留时间相同即无返混. 3、出料组成与反应器内物料的最终组成相同 4、存在非生产时间
反应器内浓度处处相等、时时不相等
BR基本方程
衡算对象： 反应物A
衡算范围：单位时间t,整个反应器体积V
方程: 进人－离开 － 转化掉 = 累积量
dnA
物
0
0
(rA )VR dt
料
衡
0 0 (rA)dtVR dnA
反应器内浓度处处相等、时时相等
CSTR基本方程
衡算对象： 反应物A
衡算范围：单位时间t、整个反应器体积V
方程: 进人－离开 － 转化掉 = 累积量
物 料
FA0dt FAdt
(rA )VR dt
0
衡
FA0dt FAdt (rA )VRdt 0
算
VR
FA0
xA (rA )
V0
cA0 cA (rA )
cA0
1 k1
cA2
c A1
1 k 2
cAN
cA1
1 k 2
cA0
(1 k1)(1 k 2 )
(1 k N )
各釜空时相同，且反应温度相同
xAN
1 cAN cA0
1
(1
1
k
i
)n
cAN
cA0
(1 k i )n
多个连续操作釜式反应器的串联
图解法： 单釜物衡:
(-RA）
(rA )i
CA0
i
xAi
CA0
化工反应过程
釜式反应器
项目一、釜式反应器的结构
釜式反应器又称为槽式反应器，是各类反应器中应用范围 比较广泛的一类反应器，主要用于液－液均相反应，同时 也可用于气－液、液－液非均相反应。操作方式非常灵活， 可根据生产的不同要求采用间歇操作、连续操作及半间歇 半连续的操作方式。釜式反应器的主要特点是：适用的温 度和压力范围宽；操作弹性大；适应性强。
蛇管式：换热面积较大时采用。一般有水平式蛇管 和直立式蛇管 两种。蛇管结构复杂，检修 困难
釜式反应器的传动和密封装置
电动机
传 动
减速器
装
置 联轴器
搅拌轴
釜式反应器的传动和密封装置
机械密封
密 封 装 置
填料密封
1、弹簧座 2、弹簧 3、动环 4、静环座 5、静环密封圈 6、防转 销 7、静环 8、动环密 封圈 9、紧定螺钉 10、 静环座密封圈
1、本体2、螺钉3、衬 套4、螺塞5、油圈 6、油杯7、O形密封圈 8、水夹套9、油杯10、 填料11、压盖12、螺母 13、双头螺住
项目二、理想间歇操作釜式反应器的计算
理想间歇操作釜式反应器简称为BR，是指一次 性加料、一次性出料、在反应进行过程中既不加 料也不出料的釜式反应器
特征：1、反应器内有效空间中各位置的物料温度浓度 均相同
tr=3.18(h) tr=8.5(h) tr=19.0(h)

反应时间的计算
热量衡算：单位时间、整个体积、基准0℃
进入反应器的物料带入的热量：0
非 离开反应器的物料带出的热量：0 恒 温 发生反应的热效应热量： (Hr )(rA )VRdt
过 程
反应器内的物料和外界交换的热量： KA(Tw T )
反应釜的顶盖也叫上封头，通过法兰将顶盖
与筒体相连接。在顶盖上通常开有工艺接管、
壳
人孔、手孔、视镜等。此外，反应釜的传动
体
装置也大多直接支承在顶盖上。
结
构
工艺接管口主要用于进、出物料及安装温度、 压力的测定装置
手孔或人孔的安设是为了检查内部空间 以及安装和拆卸设备内部构件
视镜主要是为了观察反应器内物料 的混合情况及反应情况
VR 2
V0 k2
xA2 xA1 1 xA2
第N釜的体积
VRN
V0 kN
xAN xA(N 1) 1 xAN
多个连续操作釜式反应器的串联
解析法：前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次
计算，直到达到要求的转化率
一级不可逆反应
r kcA0 (1 X A )
1
cA0 cA1 k cA1
c A1
绝热操作：
(T
T0 )
(H r )nA0 mt c pt
(xA
xA0 )
简化： (T T0 ) (xA xA0 )
反应体积的计算
反应器的有效体积VR VR V0 (t t)
反应器的体积V
V VR
装填系数
若用多釜并联操作时，反应釜数
m V
V
反应釜结构尺寸： V 0.785D2H
项目三、理想连续操作釜式反应器的计算
和 搅拌效果。
导
流 筒
导流筒：是一个圆筒，搅拌操作中若需要控制 流体的流型，就要用导流筒。作用主要是使从 搅拌器排出的液体在导流筒内部和外部形成上
下循环的流动，以增加流体的湍动程度，减少
短路机会，增加循环流量和控制流型
釜式反应器的传热装置
釜式反应器的传热装置
夹套式：套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器 高度取决于传热面积，一般应高于料液的高 度，应比釜内液面高出50－100mm左右，以 保证传热
反应过程的空时：
VR V0
CA0
xA (rA )
CA0 CA (rA )
单一连续操作釜式反应器
解析法:
一级反应:
VR 1 xA
V0 k 1 xA
恒 温 二级反应: 过
VR 1
xA
V0 kcA0 (1 xA )2
程 图解法：动力学方程无法用函数表达
多个连续操作釜式反应器的串联
只有在最后一个釜的反应物浓度与单釜操作时相 同，处于最低的出口浓度，其它各釜的浓度均比 单釜操作时的浓度高 。提高了反应速率
反应时间的计算
一般情况下，BR反应器内的反应都可看做是恒容反应。
恒
温 过
程
t
cA0
xA 0
dxA (rA )
cA
cA0
dcA (rA )
解析法: 一级反应:
t
cA0
xA 0
dxA kcA0 (1
xA)
1 k
ln
1 1 xA
二级反应: t 1 xA kcA0 1 xA
反应时间的计算
图解法：动力学方程无法用函数表达
X Ai X
r Ai
A0
X A2 X
r A2
A1
Ai1
X Ai1 X
r Ai1
Ai
X
AN X AN1
r AN
Vr X Ai 0
多个连续操作釜式反应器的串联
总反应体 积最小的 必要条件
1 r
Ai1
1
r Ai
X
Ai
X
Ai1
1
r Ai
X Ai
i 1,2, , N 1
对于一级不可逆反应： r kcA0 (1 X A )
釜式反应器的日常运行比较简单。在操作过程中， 最难控制同时也是最重要的控制主要是温度。
控制方案
通过夹套冷却水换热 组成反应釜气相外循环系统 通过釜外料液循环系统
要维持等温操作，换热介质的温度要随时 发生变化用来适应放热或吸热速率的变化
1、釜式反应器的结构及工艺流程
1、传动装置 2、轴封 3、人孔 4、支座 5、压出管 6、搅拌轴 7、夹套 8、釜体 9、搅拌器
项目三、理想连续操作釜式反应器的计算
理想间歇操作釜式反应器简称为CSTR，是指反 应进行过程中连续加料、连续出料釜式反应器流 入反应器的物料在瞬间与反应器内的物料混合均 匀 特征：1、反应器内各处的物料温度浓度均相同
2、物料在反应器内充分返混。即返混为无穷大 3、出料组成与反应器内物料的组成相同 4、连续、稳定流动，是一定态过程
恒 温
t
xA
cA0
0
dxA (rA )
cA
cA0
dcA (rA )
过
程
B
1/(-RA）
面积 t
A
cA0
0
XA1
XA2
XA
已知：在间歇釜中己二酸和己二醇以等摩尔比反应生产醇酸
树脂。（-rA)＝kcA2kmol(A)/L.min) k=1.97L/(kmol.min)
CA0=0.004kmol/L t´=1h =0.75若每天处理2400kg己二酸
求xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间．
求xA=0.8，0.9时，所需反应器体积
解:
t cA0
xA=0.5时
xA 0
k
cA2 0
dxA (1
xA
)2
1 k cA0
xAf 1 xAf
t
1
0.5 126 .9(min) 2.10(h)
1.97 0.004 (1 0.5)
xA=0. 6时 xA=0. 8时 xA=0. 9时