《化工反应原理与设备》课件—02釜式反应器.ppt

模块二模块二 釜式反应器釜式反应器目目标标要求：要求：了解釜式反应器的基本结构、特点及工业应用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掌握釜式反应器的操作技能项目一、釜式反应器的结构项目一、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釜式反应器从外型上来看是一高径比接近于一一高径比接近于一的圆的圆筒型反应器反应器结构主要包括筒型反应器。

反应器结构主要包括反应器筒体、各反应器筒体、各种接管、搅拌装置、密封装置和换热装置种接管、搅拌装置、密封装置和换热装置等等 釜式反应器的基本结构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釜式反应器的基本结构壳壳体体结结构构反反应应器的筒体皆器的筒体皆为圆为圆筒形底、盖常用的筒形底、盖常用的 形状有平面形、碟形、形状有平面形、碟形、椭圆椭圆形和球形，也形和球形，也有的釜底有的釜底为锥为锥形 反应釜的顶盖也叫上封头，通过法兰将顶盖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、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装置也大多直接支承在顶盖上工工艺艺接管口主要用于接管口主要用于进进、出物料及安装温度、出物料及安装温度、压压力的力的测测定装置定装置 手孔或人孔的安手孔或人孔的安设设是是为为了了检查检查内部空内部空间间以及安装和拆卸以及安装和拆卸设备设备内部构件内部构件 视镜视镜主要是主要是为为了了观观察反察反应应器内物料的器内物料的混合情况及反混合情况及反应应情况情况 釜式反应器的搅拌装置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物料分子碰撞，强化反应器内物料的传质传热 搅搅拌拌器器类类型型搅拌器的选型搅拌器的选型主要根据主要根据物料性质物料性质、搅拌目的搅拌目的及各种及各种搅拌器的性能搅拌器的性能特征来进行特征来进行 釜式反应器的搅拌装置釜式反应器的搅拌装置挡挡板板和和导导流流筒筒挡板：挡板：一般是指固定在反应釜内壁上的长条一般是指固定在反应釜内壁上的长条形板形板挡板。

它可把切线流转变为轴向流和径挡板它可把切线流转变为轴向流和径向流，增大了液体的湍动程度，从而改善了向流，增大了液体的湍动程度，从而改善了搅拌效果搅拌效果 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，就要用导流筒流体的流型，就要用导流筒作用作用主要是使从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釜式反应器的传热装置釜式反应器的传热装置夹套式：夹套式：套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器 高度高度取决于传热面积，一般应高于料液的高取决于传热面积，一般应高于料液的高 度，应比釜内液面高出度，应比釜内液面高出50100mm左右，以左右，以 保证传热保证传热蛇管式：蛇管式：换热换热面面积较积较大大时时采用一般有水平式蛇管采用一般有水平式蛇管 和直立式蛇管和直立式蛇管 两种蛇管结构复杂，检修两种。

蛇管结构复杂，检修 困难困难 釜式反应器的传动和密封装置釜式反应器的传动和密封装置 电动电动机机 减速器减速器 联轴联轴器器 搅搅拌拌轴轴 传传动动装装置置釜式反应器的传动和密封装置釜式反应器的传动和密封装置密密封封装装置置机械密封机械密封填料密封填料密封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理想间歇操作釜式反应器简称为BR，是指一次，是指一次性加料、一次性出料、在反应进行过程中既不加性加料、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料也不出料的釜式反应器 特征：特征：1、反应器内有效空间中各位置的物料温度浓度、反应器内有效空间中各位置的物料温度浓度 均相同均相同 2、所有物料在反应器中停留时间相同即无返混、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、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、存在非生产时间反应器内浓度处处相等、时时不相等反应器内浓度处处相等、时时不相等衡算范围：衡算范围：方程方程:BRBR基本方程基本方程衡算对象：衡算对象：进进人离开人离开 转转化掉化掉 = 累累积积量量00物物料料衡衡算算反应物反应物A单位时间单位时间t,整个反应器体积整个反应器体积V反应时间的计算反应时间的计算BR的的生生产时间产时间包括两部分：包括两部分：反反应时间应时间和和辅辅助助时间时间。

辅助时间：辅助时间：是指反应物料的加料时间、出料时间、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，辅助时间由清洗时间等一般情况下，辅助时间由 经验确定经验确定 反应时间：反应时间：是指装料完毕后算起到达到反应所要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求的转化率时所需的时间解析法解析法:一级反应一级反应:二级反应二级反应:反应时间的计算反应时间的计算恒恒温温过过程程一般情况下，一般情况下，BR反反应应器内的反器内的反应应都可看做是恒容反都可看做是恒容反应应反应时间的计算反应时间的计算恒恒温温过过程程图解法：动力学方程无法用函数表达图解法：动力学方程无法用函数表达已知：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若每天处理若每天处理2400kg己二酸己二酸求求xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间时，所需反应时间求求xA=0.8，0.9时，所需反应器体积时，所需反应器体积解解:xA=0.5时时xA=0.6时tr=3.18(h)xA=0.8时tr=8.5(h)xA=0.9时tr=19.0(h)反应时间的计算反应时间的计算非非恒恒温温过过程程热量衡算：单位时间、整个体积、基准热量衡算：单位时间、整个体积、基准0进进入反入反应应器的物料器的物料带带入的入的热热量：量：0 0反反应应器内的物料和外界交器内的物料和外界交换换的的热热量：量：反反应应器内累器内累积积的的热热量：量：发生反应的热效应热量：发生反应的热效应热量：离开反应器的物料带出的热量：离开反应器的物料带出的热量：0反应时间的计算反应时间的计算非非恒恒温温过过程程变温操作变温操作设计方程设计方程两方程联立求解，可得两方程联立求解，可得X和和T随时间的变化随时间的变化绝热操作：绝热操作：简化：简化：反应体积的计算反应体积的计算反反应应器的有效体器的有效体积积VR 反反应应器的体器的体积积V 装填系数装填系数若用多釜并联操作时，反应釜数若用多釜并联操作时，反应釜数反应釜结构尺寸：反应釜结构尺寸：项目三、理想连续操作釜式反应器的计算项目三、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理想间歇操作釜式反应器简称为CSTR，是指反，是指反应进行过程中连续加料、连续出料釜式反应器流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入反应器的物料在瞬间与反应器内的物料混合均匀匀特征：特征：1、反应器内各处的物料温度浓度均相同、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、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、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、时时相等反应器内浓度处处相等、时时相等衡算范围：衡算范围：方程方程:CSTRCSTR基本方程基本方程衡算对象：衡算对象：进进人离开人离开 转转化掉化掉 = 累累积积量量0反反应过应过程的空程的空时时：物物料料衡衡算算反应物反应物A单位时间单位时间t、整个反应器体积、整个反应器体积V解析法解析法:一级反应一级反应:二级反应二级反应:单一连续操作釜式反应器单一连续操作釜式反应器恒恒温温过过程程图解法：动力学方程无法用函数表达图解法：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单釜操作时的浓度高 提高了反应速率提高了反应速率多个连续操作釜式反应器的串联多个连续操作釜式反应器的串联任一釜物料衡算任一釜物料衡算多个连续操作釜式反应器的串联多个连续操作釜式反应器的串联解析法：解析法：前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次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计算，直到达到要求的转化率 一一级级不可逆反不可逆反应应： 第一釜的体第一釜的体积积：第二釜的体第二釜的体积积：第第N釜的体釜的体积积 一级不可逆反应一级不可逆反应各釜空时相同，且反应温度相同各釜空时相同，且反应温度相同多个连续操作釜式反应器的串联多个连续操作釜式反应器的串联解析法：解析法：前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次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计算，直到达到要求的转化率 多个连续操作釜式反应器的串联多个连续操作釜式反应器的串联图解法：图解法：单釜物衡单釜物衡:注意注意:当各釜的温度不同时当各釜的温度不同时当各釜的体积不同时当各釜的体积不同时多个连续操作釜式反应器的串联多个连续操作釜式反应器的串联N-CSTR的最的最优优化化：釜数及最终转化率已规定情况下釜数及最终转化率已规定情况下,为为使总的反应体积最小使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一最佳比例各釜反应体积存在一最佳比例多个连续操作釜式反应器的串联多个连续操作釜式反应器的串联总反应体总反应体积最小的积最小的必要条件必要条件对于一级不可逆反应：对于一级不可逆反应：对于一级不可逆反应对于一级不可逆反应而言，当串联各釜的而言，当串联各釜的体积相同时，总反应体积相同时，总反应体积最小体积最小连续操作釜式反应器的热稳定性连续操作釜式反应器的热稳定性热稳定性：热稳定性：是指反应器本身对热的扰动有无是指反应器本身对热的扰动有无自行恢自行恢 。