(完整版)釜式反應(yīng)器-教案

1、二、釜式反應(yīng)器的攪拌裝置在化學(xué)工業(yè)中常用的攪拌裝置是機(jī)械攪拌裝置，典型的機(jī)械攪拌裝置包括攪拌器：包括 旋轉(zhuǎn)的軸和裝在軸上的葉輪；輔助部件和附件：包括密封裝置、減速箱、攪拌電機(jī)、支架、擋板和導(dǎo)流筒等。攪拌器 是實(shí)現(xiàn)攪拌操作的主要部件，其主要的組成部分是葉輪，它隨旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動將機(jī)械能施加給液 體，并促使液體運(yùn)動。(-)攪拌器的類型常用攪拌器有槳式、框式、錨式、旋槳式、渦輪式和螺帶式等。1、槳式攪拌器由槳葉、鍵、軸環(huán)、豎軸所組成。槳葉一般用扁鋼或不銹鋼或有色金屬制造。 槳式攪拌器的轉(zhuǎn)速較低，一般為2080r /min。槳式攪拌器直徑取反應(yīng)釜內(nèi)徑Di/32/3，槳葉不宜過長，當(dāng)反應(yīng)釜直徑很大時(shí)采用兩個(gè)或

2、多個(gè)槳葉。槳式攪拌器適用于流 動性大、粘度小的液體物料，也適用于纖維狀和結(jié)晶狀的溶解液，物料層很深時(shí)可在軸上裝置 數(shù)排槳葉。2、渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器分為圓盤渦輪攪拌器和開啟渦輪攪拌器；按照葉輪又可分為平直葉和彎曲葉o渦輪攪拌器速度較大，300600r/ min。渦輪攪拌器的主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)能量消 耗不大時(shí)，攪拌效率較高，攪拌產(chǎn)生很強(qiáng)的徑向流。因此它適用于乳濁液、懸浮液等。3、推進(jìn)式攪拌器推進(jìn)式攪拌器，攪拌時(shí)能使物料在反應(yīng)釜內(nèi)循環(huán)流動，所起作用以容積循環(huán) 為主，剪切作用較小，上下翻騰效果良好。當(dāng)需要有更大的流速時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流筒。推進(jìn)式攪拌器直徑約取反應(yīng)釜內(nèi)徑Di的1/41/3，300600

3、r/min，攪拌器 的材 料常用鑄鐵和鑄鋼。4、框式和錨式攪拌器框式攪拌器可視為槳式攪拌器的變形，其結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固，攪動物料量 大。如果這類攪拌器底部形狀和反應(yīng)釜下封頭形狀相似時(shí)，通常稱為錨式攪拌器。框式攪拌 器直徑較大，一般取反應(yīng)器內(nèi)徑的2/39/10，5070r/min。框式攪拌器與釜壁間隙較 小，有利于傳熱過程的進(jìn)行，快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，攪拌器葉片所帶動的液體把靜止層從反應(yīng)釜壁上帶 下來；慢速旋轉(zhuǎn)時(shí)，有刮板的攪拌器能產(chǎn)生良好的熱傳導(dǎo)。這類攪拌器常用于傳熱、晶析操作 和高粘度液體、高濃度淤漿和沉降性淤漿的攪拌。5、螺帶式攪拌器和螺桿式攪拌器這兩種攪拌器主要產(chǎn)生軸向流，加上導(dǎo)流簡后，可形成筒內(nèi)外的上下

4、循環(huán)流動。它們 的轉(zhuǎn)速都較低，通常不超過50r /min，主要用于高教度液體的攪拌。(二)擋板和導(dǎo)流筒攪拌附件通常指在攪拌罐內(nèi)為了改善流動狀態(tài)而增設(shè)的零件，如擋板、導(dǎo)流筒。1、擋 板：目的是為了消除切線流和“打漩”。一般為24塊，且對于低速攪拌高粘度液體的錨式 和框式攪拌器安裝擋板無意義。2、導(dǎo)流筒：目的是控制流型(加強(qiáng)軸向流)及提高混合效果。不同型式的攪拌器的導(dǎo)流筒安置 方位不同。攪拌器的選型主要根據(jù)物料性質(zhì)、攪拌目的及各種攪拌器的，性能特征來進(jìn)行。在工業(yè)上 可根據(jù)物料的性質(zhì)、要求的物料混合程度以及考慮能耗等因素選擇適宜的攪拌器。在一般情 況下，對低粘性均相液體混合，可選用任何形式的攪拌器；

5、對非均相液體分散 混合，選用旋槳 式、渦輪式攪拌器為好；在有固體懸浮物存在，固液密度差較大時(shí)，選用渦輪式攪拌器，固液 密度差較小時(shí)，選用槳式攪拌器；對于物料粘稠性很大的液體混合，可選用錨式攪拌器。對需 要更大攪拌強(qiáng)度或需使被攪拌液體作上、下翻騰運(yùn)動的情況，可根據(jù)需要在反應(yīng)器內(nèi)再裝設(shè)橫 向或豎向擋板及導(dǎo)向筒等。(1) 按物料粘度選型對于彳氐粘度液體，應(yīng)選用小直徑、高轉(zhuǎn)速攪拌器，如推進(jìn)式、渦輪式；對于高粘度液體，就選用大直徑、低轉(zhuǎn)速攪拌器，如錨式、框式和槳式。(2) 按攪拌目的選型對低粘度均相液體混合，主要考慮循環(huán)流量，各種攪拌器的循環(huán)流量按從 大到小順序排列：推進(jìn)式、渦輪式、槳式。對于非均相液-

6、液分散過程，首先考慮剪切作用，同時(shí)要求有較大的循環(huán)流量，各種攪 拌器的剪切作用按從大到小的順序排列：渦輪式、推進(jìn)式、槳式。三'釜式反應(yīng)器的換熱裝置換熱裝置是用來加熱或冷卻反應(yīng)物料，使之符合工藝要求的溫度條件的設(shè)備。其結(jié)構(gòu)型 式主要有夾套式、蛇管式、列管式、外部循環(huán)式等，也可用直接火焰或電 感加熱(-)夾套式換熱器是套在反應(yīng)器筒體外面能形成密封空間的容器，既簡單又方便。夾套 的高度取決于傳熱面積，而傳熱面積由工藝要求確定。夾套高度一般應(yīng)高于料液的高度，應(yīng) 比釜內(nèi)液面高出50-100mm左右，以保證傳熱。夾套內(nèi)通蒸汽時(shí)，其蒸汽壓力一般 不超過 0.6MPa。當(dāng)反應(yīng)器的直徑大或者加熱蒸汽壓力

7、較高時(shí)，夾套必須采取加強(qiáng)措施o分支撐短管 加強(qiáng)的“蜂窩夾套”，沖壓式蜂窩夾套，角鋼焊在釜的外壁上夾套。(-)蛇管式換熱器當(dāng)工藝需要的傳熱面積大，單靠夾套傳熱不能滿足要求時(shí)，或者是 反應(yīng)器內(nèi)壁襯有橡膠、瓷磚等非金屬材料時(shí)，可采用蛇管、插入套管、插入D形管等傳熱。蛇管浸沒在物料中，熱量損失少，且由于蛇管內(nèi)傳熱介質(zhì)流速高，它的給熱系數(shù)比夾套 大很多。對于含有固體顆粒的物料及粘稠的物料，容易引起物料堆積和掛料 影響傳熱效果?？?分為水平蛇管和直立式蛇管列管式對于大型反應(yīng)釜。需高速傳熱時(shí)，可在釜內(nèi)安裝列管式換熱器。適用于反應(yīng)物料容易在傳熱壁上結(jié)垢的場 合，檢修、除垢較容易進(jìn)行。可分為垂直管束、指型管和D

8、型管。當(dāng)反應(yīng)器的夾套和蛇管傳熱面積仍不能滿足工藝要求，或由于工藝的特殊要求無法在反應(yīng)器內(nèi)安裝蛇 管而夾套的傳熱面積又不能滿足工藝要求時(shí)，可以通過泵將反應(yīng)器內(nèi)的料液抽出，經(jīng)過外部換 熱器換熱后再循環(huán)回反應(yīng)器內(nèi)。反應(yīng)在沸騰下進(jìn)行或蒸發(fā)量大的場合，使反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的蒸 汽通過外部的冷凝器加以冷凝。冷凝液返回反應(yīng)中。四、釜式反應(yīng)器的傳動裝置及密封裝置（-）傳動裝置包括電機(jī)、減速器、聯(lián)軸節(jié)和攪拌軸。此裝置使攪拌器獲得動能以強(qiáng)化 液體流動。（-）密封裝置靜止的攪拌釜封頭和轉(zhuǎn)動的攪拌軸之間設(shè)有攪拌軸密封裝置，簡稱軸 封，以防止釜內(nèi)物料泄漏。用來防止釜的主體與攪拌軸之間的泄漏o軸封裝置主要有填料軸 封和機(jī)械密兩

9、種1，還可用新型密封膠密封。1、填料密封填料箱出箱體、填料、襯套（或油環(huán)）、壓蓋和壓緊螺栓等零件組成O 旋緊螺栓時(shí)，壓蓋壓縮填料（一般為石棉織物、并含有石墨或黃油作潤滑劑），填料變形緊 貼公軸的表面上，從而起到密封作用。填料箱密封結(jié)構(gòu)簡單，填料裝卸方便，但使用 壽命較短，難免微量泄漏2'機(jī)械密封機(jī)械密封（又稱端面密封）由動環(huán)、靜環(huán)彈簧加荷裝置（彈簧、蛹栓、螺母、彈簧 座、彈簧壓板）及輔助密封團(tuán)四個(gè)部分組成。由于彈簧力的作用使動環(huán)緊緊壓在靜環(huán)上，當(dāng) 軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，彈簧座、彈簧、彈簧壓板、動環(huán)等零件隨軸一起旋轉(zhuǎn)，而靜環(huán)則固定在座架上靜止 不動，動環(huán)與靜環(huán)相接觸的環(huán)形密封端面阻止了物料的泄漏。機(jī)

10、械密封結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但密封效 果甚佳。項(xiàng)目二 理想間歇操作釜式反應(yīng)器的計(jì)算Batch Reactor間歇釜式反應(yīng)器的特征特點(diǎn)：1、由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻,且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響；、具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題；、物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間。操作靈活，適優(yōu)點(diǎn)：用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)，精細(xì)化工產(chǎn)品、制藥、染料、涂料生產(chǎn)。缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、基本方程對整個(gè)反應(yīng)器中A組分物料進(jìn)行衡算單位時(shí)間進(jìn)入單位時(shí)間流出單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)在反應(yīng)器的

11、物料反應(yīng)器的物料反應(yīng)掉的反應(yīng)器內(nèi)物料A的量A的量物料A的A的累積量(-rA)VR dtdnArun ao1 xanAnAodxA 則 dtrudxA(rA)VR、反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算xA dxAAOO（A）VrnA0 在t=0時(shí)反應(yīng)器中物料A的摩爾數(shù)nA- 在t時(shí)反應(yīng)器中物料A的摩爾數(shù)-r A- 組分A在操作條件下的反應(yīng)速率（消失速率）乂八 在t時(shí)反應(yīng)器中物料A的轉(zhuǎn)化率 上式是間歇反應(yīng)器計(jì)算的基本方程式，表達(dá)了在一定操作條件下為達(dá)到所需求的轉(zhuǎn)化率XA所需要的反應(yīng)時(shí)間t，適用于任何間歇反應(yīng)過程，均相或多相，等 溫或非等溫的，可以直接積分求解，也可以用圖解法。如果是非等溫過程，反應(yīng)速度常 數(shù)隨溫度變化，

12、而溫度又隨轉(zhuǎn)化率變化，則需聯(lián)解方程1、恒溫、恒容不可逆時(shí)X A nA°A dxAAO A AcAXZdxAVroao om間歇操作釜式反應(yīng)器中物料達(dá)到一定出口轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間t取決于反應(yīng)速度，與處理量無尖，所以可用于直接放大。 零級反應(yīng)（皿）kt Cao dxrA k1 Cao Xao mk一級反應(yīng)（rA）kCAkCI XAtllnl 1lnk 1 Xa k Ca二級反應(yīng)（rA）kC2AkCA°21 xa211kCA1cA0數(shù)值積分時(shí)，可用圖解法4 ca xA dxAf cA020 kCAo2（1 Xa）當(dāng)動力學(xué)方程解析式相當(dāng)復(fù)雜或不能做例2-1在理想間歇操作釜式反應(yīng)器中用乙

13、酸和已二醇為原料，等摩爾進(jìn)料進(jìn)行比 縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂。反應(yīng)溫度70°C，催化劑為HzSCU。實(shí)驗(yàn)測得動力方程為rAkCA2kmol A/ Lgmin其中速率常數(shù)k=1.97L/（ kmolmin）,反應(yīng)物的初始 濃度Cao= 0.004kmol/L，若每天處理2400Kg己二酸，求轉(zhuǎn)化率分別為0.5、0.6、0.8、0.9時(shí)所需要的反應(yīng)時(shí) 間。解：計(jì)算反應(yīng)時(shí)間因?yàn)榉磻?yīng)是二級反應(yīng)，則tao 1 XaXa=0.5代入，得反應(yīng)時(shí)間為tXa=0.6代入，得反應(yīng)時(shí)間為tXa=0.8代入，得反應(yīng)時(shí)間為tXa=0.9代入，得反應(yīng)時(shí)間為t1.07 0.0041 0.52.10h0.6-3.17h

14、1.07 0.0041 0.60.8-8.5h1.07 0.0041 0.80.91.07 0.0041 0.919.0h0.52、非恒溫過程對反應(yīng)器內(nèi)物料進(jìn)行熱量衡算得dTKA TwT Vr taHrmtCptdTdt若反應(yīng)過程采用絕熱操作，即反應(yīng)過程中與外界無熱交換，熱量衡算式中與外界交換 的熱量這一項(xiàng)為0，則十十H r nA0 XA mt CptT ToxA0三、計(jì)算反應(yīng)器的體積計(jì)算1、計(jì)算反應(yīng)器體積VRVnVott式中：Vo由生產(chǎn)能力或生產(chǎn)任務(wù)，平均每小時(shí)加入的物料的體積n/ht反應(yīng)時(shí)間，hL 每批的非生產(chǎn)時(shí)間，h2、反應(yīng)器體積V反應(yīng)器的裝料系數(shù)一般取0.4-0.85則VvR3、反應(yīng)器

15、的結(jié)構(gòu)尺寸反應(yīng)器的實(shí)際體積包括圓筒部分和底封頭，計(jì)算時(shí)若忽略底封 頭體積，則2V 0.785D 2 HH為圓筒高度例2-2在例21中，若每批操作的輔助生產(chǎn)時(shí)間為1h，反應(yīng)器的裝填料系數(shù)為0.75，求檔轉(zhuǎn)化率0.8時(shí)，反應(yīng)器的體積。解：己二酸相對分子量為146，每小時(shí)己二酸的進(jìn)料量為：240024 1460.684 kmol /h處理物料的體積為：voCAO0.6840.004171 L/hXa=0.8時(shí)反應(yīng)時(shí)間為t 8.5h反應(yīng)器有效體積為VnVott 171 8.5 1 1.63 m3項(xiàng)目三 理想連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的計(jì)算化工生產(chǎn)中，攪拌良好的連續(xù)操作釜式反應(yīng)器可視為理想連續(xù)全混流反應(yīng) 器。它

16、既可以單釜操作，也可以多釜串聯(lián)操作，其特點(diǎn)為： 連續(xù)操作，屬于穩(wěn)定流動。物料的積累項(xiàng)為零。 定常態(tài)，T、CA、（rA）處處均一，不隨時(shí)間而變，且與出口處完全相同 物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間不同。一、基礎(chǔ)方程式進(jìn)入有效體積離開有效體積有效體積內(nèi)參加的反應(yīng)物量的反應(yīng)物量反應(yīng)的反應(yīng)物量進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)物量一離開反應(yīng)器反應(yīng)物量一反應(yīng)器內(nèi)轉(zhuǎn)化掉反應(yīng)物量=FA0FA0<1 xAf)FA0FAO("Af)(r a)Vrr a)VrOVr Fao a(a)生La)VoVocA0叫Ao (rA)二、單一連續(xù)操作釜式反應(yīng)器反應(yīng)器體積計(jì)算式：VRv0AcA0 <xr Al對于一級反應(yīng)：（A）k

17、cA kcAo (1 xa)VrVo VoCao -<a(m)XaVoCaokCAO (1 XAf)XaVo0 k(1 xa)對于等容二級反應(yīng)：（m）2kcA k cao(12Xa)VrVo VoCao xA(a)4VCVOCAO2 2kCAO (1 Xa)VoXakCAO (1 Xa)例2-3用一臺攪拌良好的反應(yīng)釜連續(xù)生產(chǎn)醇酸樹脂，其反應(yīng)條件及產(chǎn)量同例2-1，當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率80%時(shí)，計(jì)算該釜的有效體積。解：Vo 0.979m3 hxA 0.5Cao 1.8kmol m3 k 0.0174m3 kmol min0.8?42'3h（12.85 L / min1 Xa12kCA0（1

18、Xa）2 1.97 0.004v Fao2400v° Cao 24 60 146 0.004Vr Vo 2.85 2538 7.23m3將例2-1與例2-3比較可以看出，因連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)速度較慢，達(dá)到 相同轉(zhuǎn)達(dá)化率時(shí)，所需的空時(shí)比間歇釜的反應(yīng)時(shí)間要長些，相應(yīng)的有效體積需增大。主 要是因?yàn)檫B續(xù)操作釜式反應(yīng)的反應(yīng)在進(jìn)料口低濃度下進(jìn)行的。三、多個(gè)理想連續(xù)操作釜串 聯(lián)反應(yīng)器的串聯(lián)為克服全混流反應(yīng)器存在的上述缺點(diǎn)，可以采用全混流反應(yīng)器串聯(lián)使用，如果采 用幾個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器來進(jìn)行原來由一個(gè)全混流反應(yīng)器所進(jìn)行的反應(yīng)，則除了最后一 個(gè)反應(yīng)器外的所有反應(yīng)器都在比原來高的反應(yīng)物濃度下進(jìn)

19、行反應(yīng)。這樣在處理量相等時(shí)， 幾個(gè)串聯(lián)全混流反應(yīng)器的體積之和可以減少，而且串聯(lián)的臺數(shù)越多，總體積就越接近于 平推流反應(yīng)器。假設(shè)各釜內(nèi)均可視為理想混合流動，釜間不存在混合，忽略密度差異， 即：Vo Voi L L Voi L L Vonx Aix Ai 1v Ri f A 0A ivRix Ai x Ai 1 c Ai 1 c AiciCaov0r AirAi而連續(xù)生產(chǎn)所需的反應(yīng)器總體積為：VrVri利用上述公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，方法有解析法和圖解法。1、解析法前一反應(yīng)釜出口的濃度是下一個(gè)反應(yīng)釜的進(jìn)口濃度，逐釜一次計(jì)算，知道得到要求的轉(zhuǎn)化率。例2-5用兩臺串聯(lián)的釜式反應(yīng)器連續(xù)生產(chǎn)醇酸樹脂，要求第一臺反應(yīng)釜轉(zhuǎn)化率為50%，第二臺轉(zhuǎn)化率為80%，反應(yīng)條件和產(chǎn)量與例2-1相同，試計(jì)算各釜的有效體積。解：用解析法計(jì)算第一臺釜的有效體積VrVocalao第二臺華的有效體積：kCA0 1