化学反应原理与设备(杨西萍)模块二
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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 反应器内浓度处处相等、时时相等
石油化学工程系
CSTR基本方程
衡算对象： 反应物A
《专业技能取证实训》
衡算范围：单位时间t、整个反应器体积V 进人－离开 － 转化掉 = 累积量 方程:
《专业技能取证实训》
VR V0 (t t )
反应器的体积V
V
VR
装填系数
m V V
若用多釜并联操作时，反应釜数 反应釜结构尺寸： V 0.785D 2 H
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
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
cA
二级反应:
1 xA t kcA0 1 x A
石油化学工程系
反应时间的计算
《专业技能取证实训》
图解法：动力学方程无法用函数表达
恒 温 过 程
dx A dc A t c A0 ( rA ) ( rA ) 0 cA0
B
xA
cA
1/(-RA）
A
面积
XA1 XA
t c A0
反应器内累积的热量： mt c pt dT
dT KA(TW T ) VR (rA )( H r ) mt c pt dt
石油化学工程系
反应时间的计算
变温操作 设计方程
n A0 dxA dt (rA )VR
《专业技能取证实训》
非 恒 两方程联立求解，可得X和T随时间的变化 温 过 t 程 0 KA(TW T )dt (H r )n A0 ( x A x A0 ) mt c pt (T T0 )
物 料 衡 算
FA0 dt
FA dt
(rA )VR dt
0
FA0 dt FA dt (rA )VR dt 0
VR FA0 c c xA V0 A0 A (rA ) (rA )
C A0 C A VR xA 反应过程的空时： C A0 V0 (rA ) (rA )
石油化学工程系
釜式反应器的基本结构
《专业技能取证实训》
基本结构：壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置
石油化学工程系
釜式反应器的基本结构
《专业技能取证实训》
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。 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、 人孔、手孔、视镜等。此外，反应釜的传动 装置也大多直接支承在顶盖上。 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
XA2
0
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
• 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: xA • xA=0.5时
石油化学工程系
釜式反应器的搅拌装置
《专业技能取证实训》
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 和 搅拌效果。
导 导流筒：是一个圆筒，搅拌操作中若需要控制 流 流体的流型，就要用导流筒。作用主要是使从 筒 搅拌器排出的液体在导流筒内部和外部形成上
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
《专业技能取证实训》
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：
V0 x A1 x A0 VR1 k1 1 x A1
V0 x A2 x A1 VR 2 k2 1 x A2
石油化学工程系
xA
反应时间的计算
xA
《专业技能取证实训》
一般情况下，BR反应器内的反应都可看做是恒容反应。
恒 温 解析法: x 过 dxA 1 1 程 一级反应: t c A0 kc (1 x ) k ln 1 x A0 A A 0
A
dx A dc A t c A0 ( rA ) ( rA ) 0 cA0
1
c A0 c A1 kcA1 c AN
c A0 c A1 1 k 2 (1 k 1 )(1 k 2 ) (1 k N )
各釜空时相同，且反应温度相同 c 1 c A0 x AN 1 AN 1 c AN c A0 (1 k i ) n (1 k i ) n
绝热操作：
(H r )n A0 (T T0 ) ( x A x A0 ) mt c pt
dT KA(TW T ) VR (rA )( H r ) mt c pt dt
简化：
石油化学工程系
(T T0 ) ( x A x A0 )
反应体积的计算
反应器的有效体积VR
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
图解法： 单釜物衡:
(rA )i
《专业技能取证实训》
i
x Ai
i
x Ai1
(-RA）
C A0
C A0
M N
注意: 当各釜的温度不同时 当各釜的体积不同时
P
Q
0
XA1
XA2 XA3 XA4 XA
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
《专业技能取证实训》
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
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
FA0
C A0
《专业技能取证实训》
FA1
C A1
FA 2
C A2
2
FAi1
C Ai1
FAi
C Ai
FAN 1
FAN
N
1
i
CiN 1
VRN V0 x AN x A( N 1) kN 1 x AN
第二釜的体积：
第N釜的体积
石油化学工程系
《专业技能取证实训》 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 )
c A1 c A0 1 k 1 c A2 c A1 1 k 2
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
石油化学工程系
釜式反应器的传动和密封装置
电动机 传 动 装 置
《专业技能取证实训》
减速器
联轴器 搅拌轴
石油化学工程系
釜式反应器的传动和密封装置
《专业技能取证实训》
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
石百度文库化学工程系
《专业技能取证实训》 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 过 程
二级反应:
VR 1 xA V0 kcA0 (1 x A ) 2
图解法：动力学方程无法用函数表达
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
《专业技能取证实训》
tr=3.18(h) tr=8.5(h) tr=19.0(h)
反应时间的计算
《专业技能取证实训》
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 (H r )(rA )VR dt 发生反应的热效应热量： 温 过 反应器内的物料和外界交换的热量： KA(Tw T ) 程
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
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
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 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
《专业技能取证实训》
模块二、釜式反应器
目标要求： 了解釜式反应器的基本结构、特点及工业应用 掌握各类釜式反应器的计算 了解釜式反应器的热稳定性问题 掌握釜式反应器的操作技能
石油化学工程系
项目一、釜式反应器的结构
《专业技能取证实训》
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。 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
壳 体 结 构
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
石油化学工程系
釜式反应器的搅拌装置
《专业技能取证实训》
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
dnA nA0dxA
n A0 dxA dt (rA )VR
石油化学工程系
反应时间的计算
《专业技能取证实训》
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
dxA t n A0 (rA )VR 0
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
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
石油化学工程系
釜式反应器的传热装置
《专业技能取证实训》
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
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
CiN
任一釜物料衡算 FA(i1) dt FAi dt (rA )i VRi dt 0
VR i FA 0 (x Ai x A (i 1) ) (rA ) i c A 0 V0 (x Ai x A (i 1) ) (rA ) i
(x Ai x A(i 1) ) c A(i 1) c Ai VRi i c A0 V0 (rA ) i (rA ) i
t
x Af dxA 1 t c A0 2 2 kcA0 (1 x A ) kcA0 1 x Af 0
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
石油化学工程系
反应器内浓度处处相等、时时不相等
石油化学工程系
BR基本方程
衡算对象： 反应物A
《专业技能取证实训》
衡算范围： 单位时间t,整个反应器体积V 进人－离开 － 转化掉 = 累积量 方程: 0 0 (rA )VR dt dnA 物
料 衡 算
0 0 (rA )dtVR dnA
nA nA0 (1 xA )
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 Vr 2 VrN X A1 X A0 X A 2 X A1 r rA 2 A1 V0 c A0 X AN X AN 1 X Ai X Ai1 X Ai1 X Ai r r r Ai Ai 1 AN
石油化学工程系
CSTR基本方程
衡算对象： 反应物A
《专业技能取证实训》
衡算范围：单位时间t、整个反应器体积V 进人－离开 － 转化掉 = 累积量 方程:
《专业技能取证实训》
VR V0 (t t )
反应器的体积V
V
VR
装填系数
m V V
若用多釜并联操作时，反应釜数 反应釜结构尺寸： V 0.785D 2 H
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
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
cA
二级反应:
1 xA t kcA0 1 x A
石油化学工程系
反应时间的计算
《专业技能取证实训》
图解法：动力学方程无法用函数表达
恒 温 过 程
dx A dc A t c A0 ( rA ) ( rA ) 0 cA0
B
xA
cA
1/(-RA）
A
面积
XA1 XA
t c A0
反应器内累积的热量： mt c pt dT
dT KA(TW T ) VR (rA )( H r ) mt c pt dt
石油化学工程系
反应时间的计算
变温操作 设计方程
n A0 dxA dt (rA )VR
《专业技能取证实训》
非 恒 两方程联立求解，可得X和T随时间的变化 温 过 t 程 0 KA(TW T )dt (H r )n A0 ( x A x A0 ) mt c pt (T T0 )
物 料 衡 算
FA0 dt
FA dt
(rA )VR dt
0
FA0 dt FA dt (rA )VR dt 0
VR FA0 c c xA V0 A0 A (rA ) (rA )
C A0 C A VR xA 反应过程的空时： C A0 V0 (rA ) (rA )
石油化学工程系
釜式反应器的基本结构
《专业技能取证实训》
基本结构：壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置
石油化学工程系
釜式反应器的基本结构
《专业技能取证实训》
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。 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、 人孔、手孔、视镜等。此外，反应釜的传动 装置也大多直接支承在顶盖上。 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
XA2
0
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
• 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: xA • xA=0.5时
石油化学工程系
釜式反应器的搅拌装置
《专业技能取证实训》
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 和 搅拌效果。
导 导流筒：是一个圆筒，搅拌操作中若需要控制 流 流体的流型，就要用导流筒。作用主要是使从 筒 搅拌器排出的液体在导流筒内部和外部形成上
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
《专业技能取证实训》
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：
V0 x A1 x A0 VR1 k1 1 x A1
V0 x A2 x A1 VR 2 k2 1 x A2
石油化学工程系
xA
反应时间的计算
xA
《专业技能取证实训》
一般情况下，BR反应器内的反应都可看做是恒容反应。
恒 温 解析法: x 过 dxA 1 1 程 一级反应: t c A0 kc (1 x ) k ln 1 x A0 A A 0
A
dx A dc A t c A0 ( rA ) ( rA ) 0 cA0
1
c A0 c A1 kcA1 c AN
c A0 c A1 1 k 2 (1 k 1 )(1 k 2 ) (1 k N )
各釜空时相同，且反应温度相同 c 1 c A0 x AN 1 AN 1 c AN c A0 (1 k i ) n (1 k i ) n
绝热操作：
(H r )n A0 (T T0 ) ( x A x A0 ) mt c pt
dT KA(TW T ) VR (rA )( H r ) mt c pt dt
简化：
石油化学工程系
(T T0 ) ( x A x A0 )
反应体积的计算
反应器的有效体积VR
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
图解法： 单釜物衡:
(rA )i
《专业技能取证实训》
i
x Ai
i
x Ai1
(-RA）
C A0
C A0
M N
注意: 当各釜的温度不同时 当各釜的体积不同时
P
Q
0
XA1
XA2 XA3 XA4 XA
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
《专业技能取证实训》
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
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
FA0
C A0
《专业技能取证实训》
FA1
C A1
FA 2
C A2
2
FAi1
C Ai1
FAi
C Ai
FAN 1
FAN
N
1
i
CiN 1
VRN V0 x AN x A( N 1) kN 1 x AN
第二釜的体积：
第N釜的体积
石油化学工程系
《专业技能取证实训》 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 )
c A1 c A0 1 k 1 c A2 c A1 1 k 2
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
石油化学工程系
釜式反应器的传动和密封装置
电动机 传 动 装 置
《专业技能取证实训》
减速器
联轴器 搅拌轴
石油化学工程系
釜式反应器的传动和密封装置
《专业技能取证实训》
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
石百度文库化学工程系
《专业技能取证实训》 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 过 程
二级反应:
VR 1 xA V0 kcA0 (1 x A ) 2
图解法：动力学方程无法用函数表达
石油化学工程系
多个连续操作釜式反应器的串联
《专业技能取证实训》
tr=3.18(h) tr=8.5(h) tr=19.0(h)
反应时间的计算
《专业技能取证实训》
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 (H r )(rA )VR dt 发生反应的热效应热量： 温 过 反应器内的物料和外界交换的热量： KA(Tw T ) 程
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
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
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 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
《专业技能取证实训》
模块二、釜式反应器
目标要求： 了解釜式反应器的基本结构、特点及工业应用 掌握各类釜式反应器的计算 了解釜式反应器的热稳定性问题 掌握釜式反应器的操作技能
石油化学工程系
项目一、釜式反应器的结构
《专业技能取证实训》
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。 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
壳 体 结 构
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
石油化学工程系
釜式反应器的搅拌装置
《专业技能取证实训》
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
dnA nA0dxA
n A0 dxA dt (rA )VR
石油化学工程系
反应时间的计算
《专业技能取证实训》
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
dxA t n A0 (rA )VR 0
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
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
石油化学工程系
釜式反应器的传热装置
《专业技能取证实训》
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
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
CiN
任一釜物料衡算 FA(i1) dt FAi dt (rA )i VRi dt 0
VR i FA 0 (x Ai x A (i 1) ) (rA ) i c A 0 V0 (x Ai x A (i 1) ) (rA ) i
(x Ai x A(i 1) ) c A(i 1) c Ai VRi i c A0 V0 (rA ) i (rA ) i
t
x Af dxA 1 t c A0 2 2 kcA0 (1 x A ) kcA0 1 x Af 0
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
石油化学工程系
反应器内浓度处处相等、时时不相等
石油化学工程系
BR基本方程
衡算对象： 反应物A
《专业技能取证实训》
衡算范围： 单位时间t,整个反应器体积V 进人－离开 － 转化掉 = 累积量 方程: 0 0 (rA )VR dt dnA 物
料 衡 算
0 0 (rA )dtVR dnA
nA nA0 (1 xA )
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 Vr 2 VrN X A1 X A0 X A 2 X A1 r rA 2 A1 V0 c A0 X AN X AN 1 X Ai X Ai1 X Ai1 X Ai r r r Ai Ai 1 AN