均相反應(yīng)重點(diǎn)技術(shù)

1、第一章均相反映技術(shù)Technology of homogeneous reaction第一節(jié)均相反映器的特點(diǎn)及構(gòu)造在化工生產(chǎn)中，應(yīng)用于均相反映過(guò)程日勺化學(xué)反映器重要有釜式反映器和管 式反映器。一、釜式反映器釜式反映器乂稱槽型反映器或鍋式反映器，它是各類(lèi)反映器中構(gòu)造較為簡(jiǎn) 樸且乂應(yīng)用較廣日勺一種。重要應(yīng)用于液-液均相反映過(guò)程，在氣-液、液-液非均 相反映過(guò)程也有應(yīng)用。在化工生產(chǎn)中，既可合用于間歇操作過(guò)程，乂可單釜或 多釜串聯(lián)合用于持續(xù)操作過(guò)程，而以在間歇生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最多。它具有合用 日勺溫度和壓力范疇寬、適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，持續(xù)操作時(shí)溫度、濃度容易控 制，產(chǎn)品質(zhì)量均一等特點(diǎn)。但若應(yīng)用在需要較

2、高轉(zhuǎn)化率的工藝規(guī)定期，卻有需 要較大容積的缺陷。一般在操作條件比較緩和的狀況下操作，如常壓、溫度較 低且低于物料沸點(diǎn)時(shí)，應(yīng)用此類(lèi)反映器最為普遍。釜式反映器日勺基本構(gòu)造見(jiàn)圖。重要涉及反映器殼體、攪拌器、密封裝置和 換熱裝置等。釜式反映器殼體及攪拌器所用材料，一般皆為碳鋼，根據(jù)特殊需要，可在 與反映物料接觸部分襯有不銹鋼、鉛、橡膠、玻璃鋼或搪瓷，個(gè)別狀況也有襯 貴重金屬如銀等。根據(jù)反映器規(guī)定，殼體也可直接用銅、不銹鋼制造日勺反映器。（一）釜式反映器的殼體構(gòu)造釜式反映器殼體部分日勺構(gòu)造見(jiàn)圖2-1。重要涉及筒體、底、蓋（或稱封頭）、 手孔或人孔、視鏡及多種工藝接管口等。釜式反映器日勺筒體皆制成圓筒形。

3、底、蓋常用日勺形狀有平面形、碟形、橢 圓形和球形，釜底也有錐形，見(jiàn)圖2-2。平面形構(gòu)造簡(jiǎn)樸，容易制造，一般在 釜體直徑小，常壓（或壓力不大）條件下操作時(shí)采用；碟形和橢圓形應(yīng)用較多; 球形多用于高壓反映器。當(dāng)反映后的物料需用分層法使其分離時(shí)可用錐形底。手孔或人孔日勺安設(shè)是為了檢查內(nèi)部空間以及安裝和拆卸設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件。手 孔的直徑一般為0.150.20m,它日勺構(gòu)造一般是在封頭上接一短管，并蓋以 盲板。當(dāng)釜體直徑比較大時(shí)，可以根據(jù)需要開(kāi)設(shè)人孔，人孔日勺形狀有圓形和橢 圓形兩種，圓形人孔直徑一般為0.4m,橢圓形人孔的I最小直徑為0.40X0.30m。釜式反映器日勺視鏡重要是為了觀測(cè)設(shè)備內(nèi)部日勺物料反

4、映狀況，有比較寬闊 日勺視察范疇為其構(gòu)造擬定原則。工藝接管口重要用于進(jìn)、出物料及安裝溫度、壓力的測(cè)定裝置。進(jìn)料管或 加料管應(yīng)做成不使料液日勺液沫濺到釜壁上日勺形狀，以避免由于料液沿反映釜內(nèi) 壁向下流動(dòng)而引起釜壁局部腐蝕。釜式反映器日勺所有人孔、手孔、視鏡和工藝接管口，除出料管口外，一律 都開(kāi)在頂蓋上。（二）攪拌器釜式反映器安設(shè)攪拌器的作用是加強(qiáng)物料的均勻混合，強(qiáng)化釜內(nèi)日勺傳熱和 傳質(zhì)過(guò)程。常用日勺攪拌器有槳式、框式、錨式、旋槳式、渦輪式和螺帶式等， 如圖2-3所示。槳式攪拌器：由鋼條制成，一端為平規(guī)形，是攪拌器中構(gòu)造最簡(jiǎn)樸日勺一種。 槳葉總長(zhǎng)可取為釜體內(nèi)徑日勺1/32/3,轉(zhuǎn)速可為1580i7

5、nuno因槳葉水平 裝設(shè)，故可導(dǎo)致水平液流，一般僅合用于不需要?jiǎng)×一旌先丈走^(guò)程?？蚴綌嚢杵鳎涸谒綐庠鲈O(shè)垂直槳葉，形成一種框，則可較好的攪拌 液體。框的寬度可取釜內(nèi)徑的2/3,轉(zhuǎn)速可為15一80i7nuno錨式攪拌器：轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兒乎觸及釜體日勺內(nèi)壁，可及時(shí)刮除壁而沉積物，有助 于傳熱。此種攪拌器合用于粘稠物料日勺攪拌，轉(zhuǎn)速可為15一一80i/nuno大多是 鑄鐵制成，可容許造出特定的錨形。以上三種攪拌器均屬于低速攪拌器，具有構(gòu)造簡(jiǎn)樸，制造以便日勺特點(diǎn)。旋槳式攪拌器：系用2-3片推動(dòng)式槳葉裝于轉(zhuǎn)軸上而成。由于轉(zhuǎn)軸的高速 旋轉(zhuǎn)，槳葉將液體攪動(dòng)使之沿器壁和中心流動(dòng)，在上下之間形成劇烈日勺循環(huán)運(yùn) 動(dòng)，

6、若將旋槳裝在圓形導(dǎo)流筒中，循環(huán)運(yùn)動(dòng)可更加強(qiáng)。這種攪拌器廣泛用于較 低粘度H勺液體攪拌，也可用來(lái)制備乳濁液和顆粒在10%如下日勺懸浮液。操作時(shí) 所用日勺轉(zhuǎn)速為400-1500轉(zhuǎn)/分，對(duì)于粘度N0.5pas液體，其轉(zhuǎn)速應(yīng)在400r/nuii 如下，當(dāng)攪拌粘性液體以及具有懸浮物或可形成泡沫日勺液體時(shí)，其轉(zhuǎn)速應(yīng)在150 一一4001/nmi之間。旋槳式攪拌器具有構(gòu)造簡(jiǎn)樸、制造以便、可在較小的功率 消耗下得到高速旋轉(zhuǎn)的長(zhǎng)處，但在攪拌粘度達(dá)0.4Pa-s以上的液體時(shí)，攪拌效率 不高。渦輪攪拌器：由一種或數(shù)個(gè)裝置在直軸上的渦輪所構(gòu)成。其操作形式類(lèi)似 于離心泵的翼輪，當(dāng)渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體經(jīng)由中心沿軸被吸入，在離

7、心力作用下， 沿葉輪間通道，由中心甩向渦輪邊沿，并沿切線方向以高速甩出，而導(dǎo)致劇烈 日勺攪拌。這種攪拌器最合用于大量液體日勺持續(xù)攪拌操作，除稠厚的槳糊狀物料 外，兒乎可應(yīng)用于任何狀況。隨著生產(chǎn)能力的提高和持續(xù)化操作的發(fā)展，其應(yīng) 用范疇必將日益廣泛。這種攪拌器的缺陷是生產(chǎn)成本較高。以上兒種攪拌器在有機(jī)化工和高聚物生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較廣，此外尚有螺帶 式、電磁式、超聲波式等。在工業(yè)上可根據(jù)物料日勺性質(zhì)、規(guī)定的物料混合限度 以及考慮能耗等因素選擇合適的攪拌器。在一般狀況下，對(duì)低粘性均相液體混 合，可選用任何形式的攪拌器；對(duì)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

8、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(duì)于物料粘稠性很大日勺液體混合，可選 用錨式攪拌器。對(duì)需要有更大攪拌強(qiáng)度或需使攪拌液體作上、下翻騰運(yùn)動(dòng)的狀 況，可根據(jù)需要在反映器內(nèi)再裝設(shè)橫向或豎向擋板及導(dǎo)向筒等。（三）密封裝置靜止的攪拌釜封頭和轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌軸之間設(shè)有攪拌軸密封裝置，簡(jiǎn)稱軸封， 以避免釜內(nèi)物料泄漏。軸封裝置重要有填料密封和機(jī)械密封兩種。還可用新型 密封膠密封。填料密封的構(gòu)造如圖2-4所示。填料箱系由箱體、填料、襯套（或 油環(huán)）、壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成。旋緊螺栓時(shí)，壓蓋壓縮填料（一般為石棉 織物，并具有石墨或黃油作潤(rùn)滑劑），以至填料變形緊貼在軸的表面上，阻塞了 物料泄

9、漏的通道，從而起到密封作用。填料箱密封構(gòu)造簡(jiǎn)樸，填料裝卸以便， 但使用壽命較短、難免微量泄漏。機(jī)械密封（乂稱為端面密封）的構(gòu)造如圖2-5 所示。機(jī)械密封由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧加荷裝置（彈黃、螺栓、螺母、彈簧座、 彈簧壓板）及輔助密封圈四個(gè)部分構(gòu)成。由于彈簧力的作用使動(dòng)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(dòng)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(dòng)，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)相接觸日勺環(huán)形密封端面制止了物料 日勺泄漏。機(jī)械密封構(gòu)造較復(fù)雜，但密封效果甚佳。（四）換熱裝置換熱裝置是用來(lái)加熱或冷卻反映物料，使之符合工藝規(guī)定的溫度條件的設(shè) 備。其構(gòu)造型式重要有夾套式、蛇管式、列管式、外部循環(huán)式

10、等，也可用直接 火焰或電感加熱。如圖2-6所示。多種換熱裝置的選擇重要決定傳熱表面與否易被污染而需要清洗所需傳熱 面積日勺大小、傳熱介質(zhì)日勺泄漏也許導(dǎo)致日勺后果以及傳熱介質(zhì)日勺溫度和壓力等因 素。一般在需要較大傳熱面積時(shí)，采用蛇管或列管式換熱器；反映在沸騰下進(jìn) 行時(shí)，采用釜外回流冷凝器取走熱量；在需要較小傳熱面積時(shí)，傳熱介質(zhì)壓力 乂較低日勺狀況下，采用簡(jiǎn)樸的夾套式換熱器是比較合適的。二、管式反映器管式反映器重要有于氣相或液相持續(xù)反映過(guò)程，由單和（直管或盤(pán)管）持 續(xù)或多根平行排列的管子構(gòu)成。一般設(shè)有套管或殼管式換熱裝置。操作時(shí)，物 料自一端持續(xù)加入，在管中持續(xù)反映，從另一端持續(xù)流出，便達(dá)到了規(guī)定

11、的轉(zhuǎn) 化率。由于管式反映器能承受較高的壓力，故用于加壓反映尤為合適，例如油 脂或脂肪酸加氫生產(chǎn)高碳醇、裂解反映日勺管式爐便是管式反映器。此種反映器 具有容積小，比表面大，返混少，反映混合物持續(xù)性變化，易于控制等長(zhǎng)處。 但對(duì)于慢速反映，則有需要管子長(zhǎng)，壓降較大等局限性。隨著化工生產(chǎn)越來(lái)越 趨于大型化、持續(xù)化、自動(dòng)化，持續(xù)操作的管式反映器在生產(chǎn)中使用越來(lái)越多, 就是某些老式上始終使用間歇攪拌釜的高分子聚合反映，目前也開(kāi)始改用持續(xù) 操作日勺管式反映器。管式反映器與釜式反映器相比在構(gòu)造上差別較大，重要有直管式、盤(pán)管式、 多管式等。如圖2-7所示。單管（直管或盤(pán)管）式是最簡(jiǎn)樸的一種反映器，因其傳熱面積較

12、小，則一般僅合用于熱效應(yīng)較小日勺反映過(guò)程，如環(huán)氧乙烷水解制乙二醇和乙烯等便使用 此型反映器，管式裂解爐中日勺爐管亦屬于盤(pán)管反映器，其熱源為燃燒日勺燃料氣, 爐管應(yīng)選用表面熱強(qiáng)度較大的材質(zhì)。多管式反映器日勺傳熱面積較大，可合用于 熱效應(yīng)較大的均相反映過(guò)程。多管式反映器的反映管內(nèi)還可充填固體顆粒，以 提高液體湍動(dòng)或增進(jìn)非均一流體相的良好接觸，并可用來(lái)貯存熱量使反映器溫 度可以更好的控制，亦可合用于氣-固、液-固非均相催化反映過(guò)程。第二節(jié)均相反映器的生產(chǎn)原理Kinetics of homogeneous reaction均相反映：在均一相中進(jìn)行日勺化學(xué)反映。特性：反映物系中不存在相界面。意義：均相反

13、映動(dòng)力學(xué)規(guī)律具有一定日勺通性，是選型、操作、計(jì)算（設(shè)計(jì)） 日勺重要理論基本。（也合用某些非均相過(guò)程）一、均相反映動(dòng)力學(xué)（等溫恒容過(guò)程）Kinetic equation of homogeneous simple reaction（一）均相簡(jiǎn)樸反映動(dòng)力學(xué)方程Kinetic equation定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、單位反映體積、反映混合物料中某一組分日勺反映量。例：CH4+H2O=CO+3H2aA 十 bB=pP+sS或 VaA+vbB=vpP+vsS TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1 dNA Lis 口 /dj（一成）=

14、一 -怛容過(guò)程：（一隊(duì)）=一 一 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document Vdtdt不可逆反映：（一1a）= ,1 = kC；o , C%oV dt若無(wú)付反映，反映物與產(chǎn)物日勺濃度變化符合化學(xué)反映計(jì)量系數(shù)關(guān)系： HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 1111一（一偵）=廠（一田）= Qp）= - （is） HYPERLINK l bookmark42 o Current Document abps或 Ji dG = J_ dCb = J_ dCp = 4 de、ci dt b dt p dt s dt核心

15、組分：重要反映物（A）,它H勺轉(zhuǎn)化率直接影響反映過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益。反映轉(zhuǎn)化率.XA=反應(yīng)轉(zhuǎn)化掉物料A的量=N4。- Na反應(yīng)開(kāi)始時(shí)物料A的量Nao恒容時(shí)： XA= C二-C = _乒基元反映和非基元反映 Elemental reaction and nonelemental reaction總反映：壓十B2=2HBi實(shí)驗(yàn)知：反映物分子通過(guò)若干個(gè)基本反映環(huán)節(jié)才轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。Br2-*2Br-Br + H2-*HBr+H-H十 Br2 HBr+BrH+HBr-*H2-*Bf2 f Br2由五個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成，每一種環(huán)節(jié)為一種基元反映。因此化學(xué)反映方程只表達(dá)化學(xué)反映進(jìn)行日勺方向，反映中各組分的計(jì)量關(guān)系與否

16、 為基元反映，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。基元反映動(dòng)力學(xué)方程：實(shí)驗(yàn)測(cè)定日勺數(shù)據(jù)歸納成矗數(shù)型經(jīng)驗(yàn)方程。P14式(2-32)非基元反映動(dòng)力學(xué)方程(H2+Br2=2HBi)：反映級(jí)數(shù) reaction order動(dòng)力學(xué)方程式中濃度項(xiàng)的慕數(shù)，由實(shí)驗(yàn)擬定。對(duì)基元反映：級(jí)數(shù)即為化學(xué)反映式日勺計(jì)量系數(shù)a、對(duì)非基元反映：通過(guò)實(shí)驗(yàn)擬定。級(jí)數(shù)t Ca對(duì)（一1a）H勺影響t ；級(jí)數(shù)=O-*Ca對(duì)（一以）無(wú)影響。反映速度常數(shù)Constant of actionn 級(jí)不可逆反映(Ia) =kCAn k= (rA)/CAn=mol17(m3)1n s或(一質(zhì))=kppAn kp= ( 1a)/pAtmol/m3-s-Pank=f(T

17、) k=koe-ERTk。頻率因子E活化能J/molR通用氣體常數(shù)，8.314J/mol - K=AT ；=燈務(wù))=(四機(jī) P；=人pP不可逆反映 non-reversible reactionA-*P ( ia) =dcA/dt=kCAa 設(shè) a =1 一級(jí)反映等溫k=常數(shù)恒容C=N/V分離變量積分，初始條件t = 0、Ca=CaoTn (CA/CAo)= In (CAo/CA)=ktxa=(NaoNa)/Na=(CaoCa)/ Cao=1 Ca/ Caoln(l/l XA)=kt二級(jí)反映A十B-P(-1A)= -dcA/dt=kCAaCB設(shè)反映物A和B日勺初始濃度相等CAo = Cbo Ca=CAo ( 1 -xA)(1a)= dcA/dt=kCA2= RCao2(1 Xa) 2可逆反映：A P正反映速度ii=kiCA逆反映速度l2=k2Cp若 Cpo=0 .則(1A)= -dcA/dt=kiCAk2Cp= kiCAk2(CAoCA)=(ki+ k2)CAk2CA0積分：(ki+ k2)t=ln (CaoCAe)/(CaCAe)CAe為反映達(dá)平衡時(shí)A的濃度。（二）復(fù)合反映動(dòng)力學(xué)及