搅拌釜式反应器
理想混合连续搅拌釜式反应器CSTR
VRi C Ai-1 - C Ai x Ai - x Ai-1 τ = = C A0 i ≡ V0 (-rAi ) (-rAi )
VR=ΣVRi 检验：i=1 n=1
i
C A0 C A1 C A0 xA (rA )1 (rA )
求解方法
解析法
按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的 转化率为止。 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。
步骤： 1、作出（-rA）-CA曲线
2、从起点CA = CA0出发，以-1/τ1为斜率作直线，交曲线于一点，即第
一釜的操作状态CA1 3、过点(CA1 0)以-1/τ2为斜率作直线,与曲线交点为第三釜操作点.… 4、过点(CAN-1,0)以-1/τN为斜率作直线,与曲线交点为第N釜操作点CAN. 则出口转化率XAN=1- CAN / CA0 若已知CA0 、CAN 、N，求VR需用试差法。 若各釜体积相同，则各直线斜率相同。
单个连续操作釜式反应器（1－CSTR）
基础设计式
[A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] 0 = FA0 Δτ - FA0 （1-xA’）Δτ-(- rA ) VR Δτ
VR x A FA 0 ( rA )
物料的平均停留时间：
VR x A C A0 V0 ( rA )
求解方法解析法由于反应器中的反应速率恒等于出口处值，因此结合反应动力学方程， 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 n=0 n=1
1 C A 0 x A k
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。
THANK YOU
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。
化学反应工程第2讲 釜式反应器资料
2018/10/20
《化学反应工程》
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• 搅拌器是实现搅拌操作的主要部件，其主 要的组成部分是叶轮，它随旋转轴运动将 机械能施加给液体，并促使液体运动。
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《化学反应工程》
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2018/10/20
《化学反应工程》
22
2018/10/20
《化学反应工程》
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2018/10/20
1、式搅拌器主要用于流体的循环， 不能用于气液分散操作。 2、折叶式比平直叶式功耗少，操 作费用低，故折叶桨使用较多。
桨式搅拌器常用参数（表8-5）
推进式搅拌器
推进式搅拌器常用参数（表8-6）
推进式搅拌器的特点
轴向流搅拌器
循环量大，搅拌功率小
常用于低粘流体的搅拌 结构简单、制造方便
搅拌器的常见种类及其应用
• 5、锚式搅拌器 • 锚式搅拌器顾名思义，叶片形状与船 舶的锚极为相似。锚式搅拌器的叶片尺寸 与搅拌槽尺寸相近，两者在组合后只留有 极小的间隙，这样锚式搅拌器的叶片在旋 转时能清除搅拌槽内壁上的反应物，维持 搅拌器的搅拌效果。 • 锚式搅拌器可用于搅拌粘度较高的物料。
6、螺带式搅拌器 • 螺带式搅拌器的叶片为螺带状，螺带的数 量为两到三根，被安装在搅拌器中央的螺 杆上，螺带式搅拌器的螺距决定了螺带的 外径。螺带式搅拌器通常是在层流状态下 操作。 • 适用于粘稠度高的液体和拟塑性的流体混 合。
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《化学反应工程》
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• 由于材料Q235A不耐酸性介质腐蚀，常用 的还有不锈钢材料制的反应釜，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。 • 铸铁反应釜在氯化、磺化、硝化、缩合、 硫酸增浓等反应过程中使用较多。
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。
机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器)课件
02 机械搅拌反应器的设计
设计原则
满足工艺要求
根据生产工艺要求，确定搅拌 反应器的规格、材质和结构形
式。
优化操作性能
提高搅拌效果，降低能耗，保 证物料混合均匀，提高生产效 率。
考虑安全因素
确保设备安全可靠，防止泄漏 、超压等事故发生。
便于维修保养
设计应便于设备的维修、清洗 和更换部件。
结构设计
工作原理
通过搅拌桨在反应釜内快速旋转，使 物料在釜内受到强烈的搅拌和混合作 用，从而加速化学反应的进行。
类型与特点
类型
根据搅拌桨的结构和形状，机械搅拌反应器可分为多种类型，如锚式、推进式 、涡轮式等。
特点
机械搅拌反应器具有结构简单、操作方便、适应性强等优点，适用于各种不同 的化学反应和工艺过程。
应用领域
密封装置的选择与设计
根据工艺要求选择合适的密封 形式（如填料密封、机械密封
等）。
根据密封形式选择合适的密封 材料，以确保密封可靠、耐腐
蚀和寿命长。
足工艺要 求和安全性能。
对密封装置进行强度和动力学 分析，以确保其能够满足工艺 要求和安全性能。
03 机械搅拌反应器的操作与 维护
案例二：某制药企业的搅拌釜式反应器
总结词
高安全性、高可靠性
详细描述
该制药企业采用机械搅拌反应器进行药物合成和生物发酵过程。由于制药行业的 特殊性，该反应器设计注重安全性和可靠性，采用先进的控制系统和材料，确保 生产过程的安全和稳定。
案例三：某科研机构的搅拌釜式反应器
总结词
高精度、高灵敏度
详细描述
维护与保养
01
定期检查
定期对机械搅拌反应器的电机、 减速机、搅拌桨等关键部件进行
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。
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。
实验二 连续搅拌釜式反应器液相反应的动力学参数测定
实验二 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 AvA 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 AAO A -=-)( （3）式中；AO F ——流入反应器的着眼反应物A 的摩尔流率， 1-⋅smol ；A F ——流出反应器的着眼反应物A 的摩尔流率， 1-⋅smol ；)(A r -——以着眼反应物A 的消耗速度来表达的反应速度，13--⋅⋅sm mol ；由全混流模型假设得知反应速度在反应器内一定为定值。
连续搅拌釜式反应器详解
3.参考下列表格记录测定反应速率和反应速率常数的实验数据
实 验 序 号 1 2 3 4 5
反应温度T/℃
反应体积V/L 总体积流率Vs,0/L· min-1 反应物A的 出口浓 度 U/mV
(U-Uf)/mV
CA/mol· L-1
4.参考下列表格整理实验数据
实 验 组 号
反应温度T/K 空间时间/min 反应速率（-rA）/ mol· L-1· min-1 反应速率常数k/L· mol-1· min-1 (1) (2) (3) (4)
式中：τ=V/Vs,0，即为空间时间。对于恒容过程，进出口又无 返混时，则空间
时间也就是平均停留时间。因此，当V和Vs,0一定时，只要实验测得CA,0和CA， 即可直接测得在一定温度下的反应速率(-rA)。
2. 反应速率常数
CH3COOC2H5（A）+NaOH（B）→CH3COONa（C）+C2H5OH（D） 因为该反应为双分子反应，则反应速率方程为： (-rA)=kCACB 本实验中，反应物A和B采用相同的浓度和相同的流率，则上式可简为： (-rA)=kCA2 将上式线性化后，可得：lg(-rA)=2lgCA+lgk 当反应温度T和反应器有效容积V一定时，可利用改变流率的方法，测得 不同CA下的反 应速率（-rA）。由lg（-rA）对lgCA进行标绘，可得到一条 直线。由直线的截距lgk 求取k值。或用最小二乘法进行线性回归求得k 值。
2.
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 （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 （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。
第四章釜式反应器的搅拌与传热
23
流体流型的作用：
搅拌流体的流型对传质传热有着显著的影响，也是 搅拌器的重要特性之一，搅拌器型式不同，其对应 的流体流型也显著不同。一般而言： 轴向流剪切作用小而循环速率高； 径向流剪切作用大而循环速率低； 切线流的优点是可以提高夹套的传热速率，但对其 它过程往往产生不利影响，而且，切线流的存在经 常使流体液面下陷，严重时导致桨叶露出液面。
27
e - 锚式
f - 螺杆式带导流筒
g - 螺带式
28
4.1.3搅拌附件
• 指搅拌釜内为了改善流体流动状况而增设的零件， 在化学反应器中通常为挡板和导流筒。 • (1)挡板： 一般是长条形竖向固定在搅拌釜内壁上的板。 作用:加剧流体的湍动程度，消除切线流，提高搅拌 器的剪切性能。 全挡板条件：挡板数目足够，再增加数目，搅拌效 率也不再增加，此时称为全挡板条件。 板宽W＝(1/20~1/10)D，视粘度高低而减增； 数目依釜径尺寸而异，小直径釜一般2~4个，大者一 般4~8个。通常以4~6个居多。
29
挡板安装方式
当搅拌高粘度流体(7000~10000cP)或固液多相操作 时，挡板一般要离壁安装，离壁距离通常为板宽 的1/5~1倍。 釜内有传热蛇管时，挡板一般安装在蛇管内侧。 挡板上缘一般与液面平齐，下缘可到釜底。如需 沉降固体物料，其下缘可在桨叶之上，使底部出 现切线流，以利固体沉降。
30
39
• 处于高速液流和静止或低速液流界面的液体，由于受 到强烈的剪切作用被卷起而形成漩涡。这些高速旋 转的漩涡又对它周围的液体造成强烈的剪切作用，从 而产生更多的漩涡。众多的漩涡一方面把更多的液体 挟带到作宏观流动的主体液流中去，同时形成局部 范围内液体快速而紊乱的对流运动，即局部的湍流 流 动 。 这种局 部范围 内的漩 涡运动 称为 “ 微 观 流 动”。
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
• 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
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机械搅拌
多采用
气流搅拌
仅用于一些特殊场合
射流搅拌、静态混合、管道混合
1.均相液体的混合
使两种或多种互溶的液体分散
2.液液分散
不互溶的液体之间的分散与混合
3.
搅
3.气液相分散
气体与液体的混合
拌
的
4.固液分散
使固体颗粒悬浮于液体之中
目
的
5.固体溶解
加速化学反应、传热、传质等过程
6.强化传热
搅拌
定性 定量 考虑 考虑
如：当W=0.1Di，挡板数为4已足够用。
➢ 挡板尺寸及设置
挡板宽W
( 1 10
1 ~ 12 ) Di
尺寸高粘度时W
1 20 Di
挡板数Z
2 ~中、低粘度不同， 设置位置不同。
上、下缘位置：
◆ 挡板上缘与静 止液面齐平或低于液 面100-150mm——有轻、 易污固料时。
搅拌叶轮消耗的功率 NHQ
Nn3d 5
功率一定时
Q / Hd / n
nd 5/3 d n3 / 5
Q / H d 8/3 Q / H n8/5
叶轮操作的基本原则：
在消耗同等功率的条件下，低转速n、大直径d的叶轮， 可以增大液体循环流量Q，减少剪切作用，有利于宏观 混合，采用高转速n、小直径d的叶轮，有利于小尺度的 混合。
① 筒内液体搅拌程度↑，使搅拌器对流体的直接剪 切作用↑ ② 确定了的流型保证充分循环，使物料均可通过筒 内，效率↑ ③ 循环路径确定，短路↓、死区↓
（3）尺寸
导流筒直径——d=0.7D，D—反应器直径 导流筒高——h2=0.5H2，H2—反应器圆筒部分高
（4）安装
叶轮 上方
套在叶轮 的外面
第二节 搅拌器的选型与放大
(1) 分子扩散：在分子尺度的空间内进行；
(2) 涡流对流扩散：涡流造成的局部范围的混合，由旋涡分裂
运动引起，在涡旋尺度空间内进行。
(3) 主体对流扩散：循环流造成的扩散混合作用, 包括一切不属
于分子运动或涡旋运动所引起的扩散过程。在大液团空间内 进行。
主体对 流扩散
涡流对 流扩散
分子扩散
把物料粉碎
搅拌器本质上是一个泵，任何叶轮提供的功率 都会产生泵送流量及压头，其功率可表示为： N QH
➢ N 相同时，既可产生大流量、低压头，也可产生高压头、 小流量；
➢ 叶轮提供给液体的全部功率用于产生流量和压头； ➢ 不同工艺过程对 Q 及 H 要求不一样，例：低粘度均相液
体的混合需要泵送流量大而气-液混合需要强剪切作用。 ➢ 要功率消耗小，搅拌效果好，就应根据工艺要求正确地配
搅拌 器的 选型
搅拌转 速及搅 拌功率
第一节 搅拌釜中的流动与混合
一、混合效果的度量
1.均匀度
将A、B两种液体，各取VA、VB置于一容
器中，则平均浓度 经过一定时间搅拌后，
C A0
VA VA VB
CB0
VB VA VB
各处取样CA、CB
均匀度 I=CA/CA0; CB/CB0
=1 混合均匀 <1 不均匀
循环流量大
径向流 (Radial-flow)
液体在槽内作切向和径向的涡旋运动， 总体流动较复杂。适用于搅拌中等和 低粘度的液体，特别适用于不互溶液 体的分散、气体和固体的溶解、液相 反应及传热等操作，对于易分层的物 系则不适用。
径向流
流动方向垂直与搅拌轴， 沿反应釜半径方向在搅 拌器和釜的内壁间流动
三、提高混合效果的措施
1.消除打漩现象
措 施 A.加设挡板
消除圆柱状回转区 消除打漩
增加液体湍动 程度，切向流 变成轴向流和 径向流
解决方法：在槽内安装档板。 过多的档板将减少总体流动， 并把混合局限在局部区域内， 导致不良的混合性能。
➢ 挡板数
“充分挡板化”（全挡板化）——加多挡板数也不会改善 搅拌效果的现象。 “充分挡板化”的条件——WD(（挡釜板内宽径度）) N（挡板数） 0.4
混合状态偏离 均匀状态的程 度
平均均匀度
m
I Ii / m
i 1
度量全部液体 的混合效果
2.宏观均匀与微观均匀
宏观均匀 微观均匀
设备尺度 分子尺度
不互溶液体、 悬浮液
互溶液体
均匀度是随取 样尺寸而变的！
二、混合的机理 搅拌器运转 机械能
静止或低速流体的 高速运动
邻近液 体运动
带动
剪切作用
所有液体的 循环流动
液体剪切作用大
切向流 (Radial-flow)
切向流
无挡板的容器内， 流体绕轴做旋转 运动，流速高时 流体表面形成漩 涡。
打旋现象：液体在离心力作用下 涌向器壁，中心部分液面下降， 形成一个大旋涡。转速越高，形 成的旋涡越深。
“打漩”导致的问 题
① 无轴向混合作用； ② 多相系统→分层、分离，固相沿壁沉底； ③ 漩深后，表面吸入气体，尤其漩深到叶轮时，吸入空 气量增大，物料表面密度↓→搅拌功率↓↓； ④ 叶轮部分在空气中旋转→振动阻尼↓、表面密度↓→振 动↑
成微团
宏
观
将微团尺寸
降低到旋涡
本身的大小
微
观
达到分子水
平的混合
实际 的混 低 合作 用
在搅拌设备中起 主要作用
循环流 涡流
搅拌设备内流体的流型 轴向流 (Axial-flow)
轴向流
流动方向平行与 搅拌轴，轴相流 入、轴向流出。
液体在搅拌槽内形成的总体流动为 轴向的大循环，湍动程度不高，适 用于低粘度的互溶液体的混合、固 体颗粒的悬浮以及强化槽内的传热 等。有利于宏观混合。
任务：了解有关工艺过程对搅拌器的液体流型、循环量、及压 头大小等方面的要求，从而定出叶轮尺寸和转速的合理配合。
循环量Q：叶轮的排液量和它所夹带的液体量之和 (m3/s或m3/h)。
Qnd 3
压头 H：叶轮对单位重量液体所作的功
H u12 / 2g
u nd
H u12 / 2gu2n2d 2
剪切力大小和湍 动程度的量度
◆ 挡板下缘可到 器底可在桨叶之上— —为使较重物料易沉 降、分离。
低粘度： 中等粘
<7Pa.s
度：7-
10Pa.s
高粘度： >10Pa.s
B.偏心安装
解决方法：对小容器，搅拌器偏 心或偏心倾斜安装可破坏循环回 路的对称性。
2.加设导流筒
（1）作用——控制流体流面速度、方向，以保证
特定流型。
（2）原理：
搅拌反应器 的总体结构
1.搅拌装置轴 传动装置电 减机 速器
搅拌轴
2.轴
3.反应罐加 罐热 体装置蛇 夹管 套
附件防 工爆 艺装 接置 管
叶轮
前言
1.搅拌 的作用
不良 搅拌
2.搅拌操 作方式
加速物料之间的混合 提高传质速率，促进反应的进行 提高传热速率，有利于反应热的及时移除
可能造成副反应的增加 可能会造成生产事故