完整版釜式反应器教案.docx
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完整版釜式反应器教案
釜式反应器
TankReactor
釜式反应器的学习任务
1、了解釜式反应器的基本结构、特点及工业应用。
2、掌握各类釜式反应器的计算。
3、了解釜式反应器的热稳定性。
4、掌握釜式反应器的操作技能。
项目一釜式反应器的结构
釜式反应器又称:
槽型反应器或锅式反应器一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。
反应器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。
在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。
在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。
操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一。
在化工生产中，既可适用于间歇操作过程，又可用于连续操作过程；可单釜操作，也可多釜串联使用；但若应用在需要较高转化率的工艺要求时，有需要较大容积的缺点。
通常在操作条件比较缓和的情况下，如常压、温度较低且低于物料沸点时，釜式反应器的应用最为普遍。
一、釜式反应器基本结构
釜式反应器的基本结构主要包括:
反应器壳体、搅拌装置、密封装置、换热装置、传动装置。
壳体结构：
一般为碳钢材料，筒体皆为圆筒型。
釜式反应器壳体部分的结构包括筒
体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜、安全装置及各种工艺接管口等。
封头；反应釜的顶盖，为了满足拆卸方便以及维护检修。
平面形：
适用于常压或压力不高时；
碟形：
应用较广。
球形：
适用于高压场合；
椭圆形：
应用较广。
锥形：
适用于反应后物料需要分层处理的场合。
手孔、人孔：
为了检查内部空间以及安装和拆卸设备内部构件。
视镜:
观察设备内部物料的反应情况，也作液面指示用。
工艺接管:
用于进、出物料及安装温度、压力的测定装置。
二、釜式反应器的搅拌装置
在化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置，典型的机械搅拌装置包括搅拌器：
包括旋转的轴和装在轴上的叶轮；
辅助部件和附件：
包括密封装置、减速箱、搅拌电机、支架、挡板和导流筒等。
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。
（一）搅拌器的类型常用搅拌器有桨式、框式、锚式、旋桨式、涡轮式和螺带式等。
1、桨式搅拌器由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。
桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。
桨式搅拌器的转速较低，一般为20～80r／min。
桨式搅拌器直径取反应釜内径
Di/3～2/3，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。
桨式搅拌器适用于流动性大、粘度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。
2、涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又可分为平直
叶和弯曲叶。
涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min。
涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌产生很强的径向流。
因此它适用于乳浊液、悬浮液等。
3、推进式搅拌器推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。
当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。
推进式搅拌器直径约取反应釜内径Di的1/4～1/3，300～600r／min，搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。
4、框式和锚式搅拌器框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅动物料量大。
如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。
框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/3～9/10，50～70r／min。
框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的搅拌器能产生良好的热传导。
这类搅拌器常用于传热、晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌。
5、螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器
这两种搅拌器主要产生轴向流，加上导流简后，可形成筒内外的上下循环流动。
它们的转速都较低，通常不超过50r／min，主要用于高教度液体的搅拌。
（二）挡板和导流筒
搅拌附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件，如挡板、导流筒。
1、挡板：
目的是为了消除切线流和“打漩”。
一般为2-4块，且对于低速搅拌高粘度液体的锚式和框式搅拌器安装挡板无意义。
2、导流筒：
目的是控制流型（加强轴向流）及提高混合效果。
不同型式的搅拌器的导流筒安置方位不同。
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。
在工业上可根据物料的性质、要求的物料混合程度以及考虑能耗等因素选择适宜的搅拌器。
在一般情况下，对低粘性均相液体混合，可选用任何形式的搅拌器；对非均相液体分散混合，选用旋桨式、涡轮式搅拌器为好；在有固体悬浮物存在，固液密度差较大时，选用涡轮式搅拌器，固液密度差较小时，选用桨式搅拌器；对于物料粘稠性很大的液体混合，可选用锚式搅拌器。
对需要更大搅拌强度或需使被搅拌液体作上、下翻腾运动的情况，可根据需要在反应器内再装设横向或竖向挡板及导向筒等。
（1）按物料粘度选型
对于低粘度液体，应选用小直径、高转速搅拌器，如推进式、涡轮式；对于高粘度液体，就选用大直径、低转速搅拌器，如锚式、框式和桨式。
（2）按搅拌目的选型对低粘度均相液体混合，主要考虑循环流量，各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列：
推进式、涡轮式、桨式。
对于非均相液-液分散过程，首先考虑剪切作用，同时要求有较大的循环流量，各种搅拌器的剪切作用按从大到小的顺序排列：
涡轮式、推进式、桨式。
三、釜式反应器的换热装置
换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之符合工艺要求的温度条件的设备。
其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式等，也可用直接火焰或电
感加热
（一）夹套式换热器是套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器，既简单又方便。
夹套的高度取决于传热面积，而传热面积由工艺要求确定。
夹套高度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。
夹套内通蒸汽时，其蒸汽压力一般不超过0.6MPa。
当反应器的直径大或者加热蒸汽压力较高时，夹套必须采取加强措施。
分支撑短管加强的“蜂窝夹套”，冲压式蜂窝夹套，角钢焊在釜的外壁上夹套。
（二）蛇管式换热器当工艺需要的传热面积大，单靠夹套传热不能满足要求时，或者是反应器内壁衬有橡胶、瓷砖等非金属材料时，可采用蛇管、插入套管、插入D形管等传热。
蛇管浸没在物料中，热量损失少，且由于蛇管内传热介质流速高，它的给热系数比夹套大很多。
对于含有固体颗粒的物料及粘稠的物料,容易引起物料堆积和挂料影响传热效果。
可分为水平蛇管和直立式蛇管列管式对于大型反应釜。
需高速传热时，可在釜内安装列管式换热器。
适用于反应物料容易在传热壁上结垢的场合，检修、除垢较容易进行。
可分为垂直管束、指型管和D型管。
当反应
器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足工艺要求，或由于工艺的特殊要求无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺要求时，可以通过泵将反应器内的料液抽出，经过外部换热器换热后再循环回反应器内。
反应在沸腾下进行或蒸发量大的场合，使反应器内产生的蒸汽通过外部的冷凝器加以冷凝。
冷凝液返回反应中。
四、釜式反应器的传动装置及密封装置
（一）传动装置包括电机、减速器、联轴节和搅拌轴。
此装置使搅拌器获得动能以强化液体流动。
（二）密封装置静止的搅拌釜封头和转动的搅拌轴之间设有搅拌轴密封装置，简称轴封，以防止釜内物料泄漏。
用来防止釜的主体与搅拌轴之间的泄漏。
轴封装置主要有填料轴封和机械密两种，还可用新型密封胶密封。
1、填料密封填料箱出箱体、填料、衬套（或油环）、压盖和压紧螺栓等零件组成。
旋紧螺栓时，压盖压缩填料（一般为石棉织物、并含有石墨或黄油作润滑剂），填料变形紧贴公轴的表面上，从而起到密封作用。
填料箱密封结构简单，填料装卸方便，但使用
寿命较短，难免微量泄漏
2、机械密封
机械密封（又称端面密封）由动环、静环、弹簧加荷装置（弹簧、蛹栓、螺母、弹簧座、弹簧压板）及辅助密封团四个部分组成。
由于弹簧力的作用使动环紧紧压在静环上，当轴旋转时，弹簧座、弹簧、弹簧压板、动环等零件随轴一起旋转，而静环则固定在座架上静止不动，动环与静环相接触的环形密封端面阻止了物料的泄漏。
机械密封结构较复杂，但密封效果甚佳。
项目二理想间歇操作釜式反应器的计算
BatchReactor
间歇釜式反应器的特征
特点:
1、由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀,且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；
、具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；
优点：
、物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。
操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产,精细化工
产品、制药、染料、涂料生产。
对整个反应器中A组分物料进行衡算
xA---
上式是间歇反应器计算的基本方程式，表达了在一定操作条件下为达到所需
求的转化率xA所需要的反应时间t，适用于任何间歇反应过程，均相或多相，等
温或非等温的，可以直接积分求解，也可以用图解法。
如果是非等温过程，反应速度常数随温度变化，而温度又随转化率变化，则需联解方程
1、恒温、恒容不可逆时
xAxA
nA0AdxAAdxA
tA0ACAA
VR0rAA00rA间歇操作釜式反应器中物料达到一定出口转化率所需时间t取决于反应速度，与处理量无关，所以可用于直接放大。
零级反应（rA）k
一级反应
（rA）kCAkCA01xAt1ln11lnCA0
k1xAkCA
二级反应
（rA）kC2AkCA021xA2
tCA0dxrAk1CA0xA
0rAk
t
CA0
xAdxA
2
0kCA02（1xA）
当动力学方程解析式相当复杂或不能做数值积分时，可用图解法
例2-1在理想间歇操作釜式反应器中用乙酸和已二醇为原料，等摩尔进料进行比缩聚反应生产醇酸树脂。
反应温度700C，催化剂为H2SO4。
实验测得动力方程为rAkCA2kmolA/Lgmin其中速率常数k=1.97L/（kmol·min）,反应物的初始浓度CA0=0.004kmol/L，若每天处理2400Kg己二酸，求转化率分别为0.5、0.6、0.8、0.9时所需要的反应时间。
解：
计算反应时间
2、非恒温过程对反应器内物料进行热量衡算得dT
KATWTVRrAHrmtcptdT
dt
若反应过程采用绝热操作，即反应过程中与外界无热交换，热量衡算式中与外界交换的热量这一项为0，则
三、计算反应器的体积计算
1、计算反应器体积VR
VRV0tt
式中：
V0－－由生产能力或生产任务，平均每小时加入的物料的体积m3/h
t－－反应时间，h
tˊ－－每批的非生产时间，h
2、反应器体积V
反应器的装料系数一般取0.4~0.85则VVR
3、反应器的结构尺寸反应器的实际体积包括圆筒部分和底封头，计算时若忽略底封头体积，则
2
V0.785D2H
D为圆筒直径，H为圆筒高度
例2-2在[例2-1]中，若每批操作的辅助生产时间为1h，反应器的装填料系数为0.75，求档转化率0.8时，反应器的体积。
解：
己二酸相对分子量为146，每小时己二酸的进料量为：
xA=0.8时反应时间为t8.5h
反应器有效体积为VRV0tt1718.511.63m3
项目三理想连续操作釜式反应器的计算
化工生产中，搅拌良好的连续操作釜式反应器可视为理想连续全混流反应器。
它既可以单釜操作，也可以多釜串联操作，其特点为：
1连续操作，属于稳定流动。
物料的积累项为零。
2定常态，T、CA、（-rA）处处均一，不随时间而变，且与出口处完全相同
3物料粒子在反应器内的停留时间不同。
一、基础方程式
进入有效体积
的反应物量
离开有效体积
的反应物量
有效体积内参加
反应的反应物量
进入反应器反应物量—离开反应器反应物量—反应器内转化掉反应物量＝
cA0（xrAA）
[例
例2-3用一台搅拌良好的反应釜连续生产醇酸树脂，其反应条件及产量同
2-1]，当反应转化率80%时，计算该釜的有效体积。
解：
V00.979m3hxA0.5
CA01.8kmolm3k0.0174m3kmolmin
0.8242.3h（10.8）2
1xA1
2
kCA0（1xA）21.970.004
2.85L/min
VFA02400
V0CA024601460.004
VRV02.8525387.23m3
将[例2-1]与[例2-3]比较可以看出，因连续操作的釜式反应器内的反应速度较慢，达到相同转达化率时，所需的空时比间歇釜的反应时间要长些，相应的有效体积需增大。
主要是因为连续操作釜式反应的反应在进料口低浓度下进行的。
三、多个理想连续操作釜串联反应器的串联
为克服全混流反应器存在的上述缺点，可以采用全混流反应器串联使用，如果采用几个串联的全混流反应器来进行原来由一个全混流反应器所进行的反应，则除了最后一个反应器外的所有反应器都在比原来高的反应物浓度下进行反应。
这样在处理量相等时，几个串联全混流反应器的体积之和可以减少，而且串联的台数越多，总体积就越接近于平推流反应器。
假设各釜内均可视为理想混合流动，釜间不存在混合，忽略密度差异，即：
V0V01LLV0iLLV0N
xAixAi1
VRiFA0rAi
VRixAixAi1CAi1CAi
ciCA0
V0rAirAi
而连续生产所需的反应器总体积为：
VRVRi
利用上述公式进行计算时，方法有解析法和图解法。
1、解析法
前一反应釜出口的浓度是下一个反应釜的进口浓度，逐釜一次计算，知道得到要
求的转化率。
例2-5用两台串联的釜式反应器连续生产醇酸树脂，要求第一台反应釜转化率为50%，第二台转化率为80%，反应条件和产量与[例2-1]相同，试计算各釜的有
效体积。
解：
用解析法计算第一台釜的有效体积
总体积：
VRVR1VR2723.352712.63.436m3
比较[例2-3]和P例2-5]的计算结果可以看出，全混釜串联的釜数愈多，所需要的反应器有效体积愈小。
主要是因为多釜串联后改变了反应釜中反应物的浓度，反应釜数越多，浓度变化越大，有效体积越小。
2、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（CA10）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。
若各釜温度不同，则应分别作动力学曲线，各釜直线分别与各自曲线相交。
四、连续操作反应器的热稳定性当反应过程的放热因素或移热因素发生某些变化时，过程的温度等操作参数将产生一系列的波动，在干扰消除后，如果反应过程能恢复到原有的平衡状态，称为是热稳定性的，否则称为热不稳定性的。
1、连续操作釜式反应器的热量衡算衡算范围为单位时间、整个反应器的体积。
基准温度为00C，反应过程为恒温恒容，则单位时间反应器内物料衡算基本方程是为：
V0cpTT0KATWTVRrAHr
2、连续操作釜式反应器的热稳定性判剧
在反应器中进行一放热反应时，反应器要保持定常态，就必须不断移走反应放出的热量，满足移热速率（Qc）等于放热速率（QR）,如图所示。
Qc线与QR线的交点为定态点。
对于简单反应，定态点数最多为3，最小为1。
当定态点数大于1时，表示在相同的操作条件下，反应器可能处于不同的操作状态。
这些点虽然均为定态点，但有些点是稳定的，有些点是不稳定的，因此作为操作点的定态点同时还要满足稳定条件，即放热速率随温度的变化率（dQR/dT）小于移热速率随温度的变化率（dQc/dT）。
即QcQR和dQcfdQR
cRdTdT
3、操作参数对热稳定性的影响
（1）进料温度的影响图中，D线时的进料温度一般称为着火温度或起燃温度，相应地称点4为着火点
或起燃点。
一般称B线的进料温度为熄火温度，点6称熄火点。
点4和点6分别是低温操作和高温操作的两个界限。
（2）进料流量的影响
流量从小到大变化时，操作状态依次变为点9、8、7、6。
当流量稍微超过D线所示的量时，定态点立即下跌到点2，反应被吹“熄”。
流量由高到低变化时，依次得到1、2、3⋯⋯各定态点，而在点4出现着火现象。
操作中，如果由于物料流量过大，而发生熄火现象，可以一面提高进料的温度，同时减小流量，使系统重新点燃。
项目四釜式反应器的技能训练
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