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1、精细化工过程与设备精细化工过程与设备应用化学教研室孟小华2022/10/26第二章釜式反应器2022/10/262 2.1.1 概述概述2 2.2.2 间歇操作釜式反应器计算间歇操作釜式反应器计算2 2.3.3 连续连续操作釜式反应器计算操作釜式反应器计算2 2.4.4 搅拌器搅拌器2 2.5.5 传热装置传热装置主要内容主要内容2022/10/262.1 概述概述封头筒体釜底手（人）孔透视镜工艺接管口釜式反应器特点及其应用釜式反应器特点及其应用釜式反应器的特点：结构简单、加工方便，传质、传热效率高，温度浓度分布均匀，操作灵活性大。釜式反应器可用于气液、液液和液固相反应气液、液液和液固相反应。
2、2022/10/262022/10/262022/10/262.2 间歇操作釜式反应器计算间歇操作釜式反应器计算理想混合反应器：釜内物料完全混合，浓度、温度处处相等。间歇操作：反应参数随时间变化。等容过程。先求得为达到一定转化率所需的反应时间，然后结合非生产时间和每小时要求处理的物料量，计算反应器体积。2.2.1 反应时间反应时间反应时间计算式根据反应器物料衡算推导。由于反应器内浓度、温度均一不随位置而变，故可对整个反应器有效体积(反应体积)进行物料衡算。间歇操作进料项和出料项均为零。2022/10/262.2 间歇操作釜式反应器计算间歇操作釜式反应器计算 等容过程等容过程VR不变找出反应速度
3、与转化率之间的函数关系2022/10/262.2 间歇操作釜式反应器计算间歇操作釜式反应器计算对于一级反应AR，反应速度方程式为等温过程等温过程 k为常数对于二级反应2AB+C或A+BC+D,nA0=nB0。反应速度方程式为：2022/10/26 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式2022/10/262.2 间歇操作釜式反应器计算间歇操作釜式反应器计算2.2.2 反应器有效体积反应器有效体积V VR RV0：平均每小时需耍处理的物料体积，m3h-1：非生产时间，h反应器总体积V包括有效体积、分离空间、辅助部件占有体积装料系数对于不起泡、不沸
4、腾的物料对于起泡、沸腾的物料2022/10/262.2 间歇操作釜式反应器计算间歇操作釜式反应器计算例2.1 在搅拌良好的间歇操作釜式反应器中，用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，反应式为反应在等温下进行，温度为100，进料配比为乙酸丁醇1：4.97(物质的量比)、以少量硫酸为催化剂。当使用过量丁醇时，其动力学方程式为 。下标A表示乙酸。在上述条件下，反应速度常数k为1.04m3kmol-1h-1，反应物密度为750 kgm-3，并假设反应前后不变。每天生产2400kg乙酸丁酯(不考虑分离过程损失)，如要求乙酸转化率为50，每批非生产时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。2022/10/26解 (1)
5、计算反应时间 (2)计算有效体积VR 每小时处理总原料量为每小时处理原料体积为故反应器有效体积为每天生产2400 kg乙酸丁酯，则每小时乙酸用量为2022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算浓度位置位置浓度理想混合反应器：釜内物料完全混合，浓度、温度处处相等。连续操作：反应参数不随时间变化。2022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算2.3.1 单段连续釜式反应器单段连续釜式反应器对全釜有效体积和任意时间间隔作物料衡算等容一级反应等容二级反应（等温过程）2022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算2.3.1 单
6、段连续釜式反应器单段连续釜式反应器例2-3 在搅拌良好的釜式反应器内连续操作生产乙酸丁酯，反应条件和产量与例21相同，试计算连续釜式反应器的有效体积。V03h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmolm-33kmol-1h-1等容二级反应2022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算2.3.2 多多段连续釜式反应器段连续釜式反应器计算目的：根据任务计算达到一定转化率所需釜段数，各段釜体积及相应转化率。V0=V01=V02=V0i=V0N如对第i段釜进行物料衡算1 2 i N2022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算2.3.2 多多段连
7、续釜式反应器段连续釜式反应器解析法一级反应第一段第二段第三段第N段2022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算2.3.2 多多段连续釜式反应器段连续釜式反应器 如各段反应器体积相同：温度相同：二级反应温度体积相同2022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算2.3.2 多多段连续釜式反应器段连续釜式反应器 例24 用二段连续釜式反应器生产乙酸丁酯，第一段乙酸的转化率xAl为32.3，第二段转化率xA2为50，反应条件和产量同例2.1。计算各段反应器的有效体积。V03h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmolm-33kmol-1h-1第
8、一段第二段2022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算2.3.2 多多段连续釜式反应器段连续釜式反应器 （2）图解法 根据动力学方程式或实验数据作出操作温度下的rACA的关系曲线。作出相同温度下由某段反应器物料衡算式所表示的rACA操作线，CArA斜率二级反应C CAi+1Ai+12022/10/262.3 连续操作釜式反应器计算连续操作釜式反应器计算2.3.2 多多段连续釜式反应器段连续釜式反应器例2.5 以三段连续釜式反应器生产乙酸丁配，反应条件和产量同例2.1，用图解法求反应釜有效体积。V03h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmolm-33kmol-1
9、h-12022/10/262.4 搅拌器搅拌器搅搅拌拌的目的：的目的：使互溶的两种或两种以上液体混合均匀；形成乳浊液或悬浮液；促进化学反应和加速物理变化过程、如促进溶解、吸收、吸附、萃取、传热等过程。搅搅拌拌的的方方法法：机械搅拌(或称叶轮搅拌)、气流搅拌、射流搅拌和管道混合等。搅拌器类型搅拌器类型、操作特性及搅拌功率、操作特性及搅拌功率 2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.1 搅拌器类型搅拌器类型 圆盘平直叶 圆盘弯叶 开启平直叶开启弯叶 1.涡轮式搅拌器 叶轮直径：0.5D 常用转速：100-1叶端圆周速度：3-1适用：粘度小于液体，要求小尺度均匀搅拌以及固液悬浮、溶解和气体分
10、散等过程。透平式叶轮反应釜内径2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.1 搅拌器类型搅拌器类型 2.螺旋桨式搅拌器 叶轮直径：0.5D 常用转速：100-1叶端圆周速度：5-1适用：低粘度液体的搅拌或固液比小的悬浮、溶解。2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.1 搅拌器类型搅拌器类型 3.浆式搅拌器 旋转直径：0.8D 浆叶宽度：1/61/4D叶端圆周速度：3m/s 常用转速：1-1适用：简单的液体混合，固体的悬浮和溶解，当旋转直径达时，可设多层浆叶，可用较高粘度的液体搅拌。平直叶 折叶2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.1 搅拌器类型搅拌器类型 4.锚式和框式
11、搅拌器旋转直径：0.98D 浆叶宽度：1/61/4D叶端圆周速度：常用转速：1-1框式叶轮锚式叶轮适用：中高粘度液体混合、传热反应等过程2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.1 搅拌器类型搅拌器类型 5.螺带式搅拌器 旋转直径：0.98D 浆叶宽度：1/61/4D叶端圆周速度：12Pas ,不需安装挡板按流体流入、流出叶轮的方式平直叶涡轮平直叶片桨式锚式、框式螺旋桨式螺带式2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌搅拌功率功率 搅拌功率：搅拌功率：搅拌时叶轮对流体做功并使之发生流动，为使流体在搅拌釜内发生循环流动及克服流体摩擦阻力所需要的功率。搅拌功率=f(叶轮形状、大
12、小、转速和位置及液体性质、反应釜尺寸和内部构件）用因次分析法推导得到的液液系统功率关联式功率准数 K:系统几何形状的总形状系数2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌搅拌功率功率 弗劳德准数表征打旋层流：Re10过渡区：10Re104雷诺准数功率函数对于不打旋的系统，可忽略重力的影响，2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌搅拌功率功率 将 或 NP 与 Re 标绘在双对数坐标上，就可得到功率曲线功率曲线。对一具体几何构型只有一条功率曲线，与搅拌槽大小无关。唯一性唯一性层流层流湍流湍流过度流过度流无挡板有挡板2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅
13、拌搅拌功率功率 在层流搅拌条件下（Re104)对于无挡板的系统对于有挡板的系统查图法功率曲线求功率曲线求2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌搅拌功率功率 对无挡板而Re300的搅拌系统不能忽略重力影响时2022/10/262.4 搅拌器搅拌器 例2.6 有一六平片涡轮式搅拌器，直径0.5m，位于反应釜中心，转速100 rmin-1。釜径为1.5m，平底无挡板。釜内液深1.5m，叶轮距釜底0.5m，液体粘度0.2Pas，密度945kgm-3。试计算搅拌功率。解 查图：曲线5，2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌搅拌功率功率 1.形状因子对搅拌功率的影响形状
14、因子对搅拌功率的影响叶轮直径与器径比对径向流叶轮(平桨、涡轮)，湍流状态下对轴向流叶轮，湍流状态下 叶片宽度w、叶片数目nb和形状对平桨和涡轮对六叶片盘式涡轮 2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌搅拌功率功率 涡轮nb的影响 湍流搅拌 层流搅拌以六叶片涡轮为基准液层深度H 对高粘度液体，功率消耗与液深无关2022/10/26叶轮距釜底高度Hj对低、中粘度液体:叶轮安装高度Hj对功率无影响；对高粘度液体:叶轮近液面(HjD)时功率消耗低，反之高.多个叶轮2.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌搅拌功率功率 Pl六平片涡轮的搅拌功率；P2多叶轮系统的功率；s叶轮间距离1双平片涡轮2
15、平与斜叶片涡轮3双斜叶片涡轮2022/10/262.4 搅拌器搅拌器例2.7 双叶轮搅拌器各有四个与旋转平面成45倾角的平直叶片，叶片宽度是轮径的15叶轮直径(0.4m)是反应器器径的14，反应器为圆简形，液深是器径的1.5倍，两叶轮分别位于13和23液深处。器内分布四块挡板，宽为器径的l10。液体密度为l000kgm3，粘度为Pas，叶轮转速为150rmin，试求所需搅拌功率。解：（1）计算操作条件下的雷诺数2022/10/26校正d/D比的影响(2)对各项不同条件进行校核校正叶片宽度w与叶片数目nb的影响2.4 搅拌器搅拌器2022/10/262.4 搅拌器搅拌器校正液深的影响校正叶轮数目
16、的影响(3)计算搅拌功率2022/10/262.4 搅拌器搅拌器2.固体悬浮系统的固体悬浮系统的搅搅拌功率拌功率 临界悬浮状态在临界悬浮状态下，各种粒度的固体颗粒在垂直方向上刚好全部离开反应器底部，有效相际表面不再增加，此状态下的搅拌速度称为临界悬浮速度。涡轮搅拌器和六叶片以下平桨达到临界悬浮状态所得功率消耗的计算式：此公式适用范围悬浮液体的总体积悬浮液体的总体积固体颗粒的最大沉降速度固体颗粒的最大沉降速度按反应器体积计算的液体体积分数按反应器体积计算的液体体积分数2022/10/262.4 搅拌器搅拌器完全均匀悬浮状态使悬浮液在Hs深度内达到均匀悬浮状态，即每个取样点的悬浮百分数均为100时
17、所需搅拌功率。此公式适用范围悬浮界面以下悬浮液体积悬浮界面以下悬浮液体积悬浮液的密度悬浮液的密度2022/10/26 例2.8 反应釜直径为1.8m，内盛20的水4100kg和150目萤石粉1360kg，茧石粉相对密度3.18，采用六平叶片涡轮搅拌器，叶轮直径0.6m，距釜底0.6m。求：(1)临界悬浮功率和均匀悬浮到1.5m深的功率；(2)在上述两种条件下的叶轮转速。解 (1)计算临界悬浮功率 2.4 搅拌器搅拌器2022/10/26在15m深处均匀悬浮所需搅拌功率：2.4 搅拌器搅拌器2022/10/26(2)叶轮转速 假设在高度湍流下操作2.4 搅拌器搅拌器有挡板验证雷诺数2022/10
18、/262.4 搅拌器搅拌器悬浮系统的揽拌功率悬浮系统的揽拌功率 通入气体造成的搅拌功率的变化；达到一定气体分散程度所需的搅拌功率通入气体搅拌时，由于气体的鼓泡降低了液体的密度，使搅拌功率降低。2022/10/262.4 搅拌器搅拌器此时搅拌功率的计算式：对于气液间的化学反应，此时达到指定的两相接触时间，所需搅拌功率的计算式为通气量的上限最大通气量时的搅拌功率2022/10/262.4 搅拌器搅拌器搅拌功率（搅拌器的轴功率）电动机的输出功率确定电动机的额度功率电动机额定功率是根据预定操作条件下所需最大搅拌功率确定。叶轮距釜底的高度Hj对最大搅拌功率Pmax的影响不大，叶片宽度W和dD值影响Pma
19、x。湍流时层流时湍流时的功率消耗大充分挡板化湍流条件下所需搅拌功率为最大搅拌功率2022/10/262.5 传热装置传热装置2.5.1 传热装置构型夹套式、插入式、列管式、外部循环式、回流冷凝式、电感加热式夹套式当传热速率要求不高和载热体工作压力低于600kPa（158饱和水蒸汽压力）时，常用夹套传热结构蜂窝夹套蜂窝夹套角钢夹套角钢夹套2022/10/262.5 传热装置传热装置2.5.1 传热装置构型插入式需要强化传热速率或釜内壁衬有非金属材料时，可在釜内设置插入式构件。2022/10/262.5 传热装置传热装置2.5.1 传热装置构型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
20、换热器。2022/10/262.5 传热装置传热装置2.5.2 常用热源（1）压力高的饱和水蒸汽大于600kPa表压的饱和水蒸汽（2）高压汽水混合物温度为200250（3）有机载热体联苯混合物（道生油）26.5联苯、73.5二苯醚的低共熔和低共沸混合物，熔点12.3，沸点258。温度低于160的加热热水或低压水蒸汽温度高于160的加热需用高温热源温度大于1652022/10/262.5 传热装置传热装置2.5.2 常用热源（4）电加热有电阻加热、感应电流加热、短路电流加热三种类型电加热操作方便、热效率高、便于实现自控和遥控（5）烟道气加热用煤气、天然气、石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟
21、道气作热源可用于300以上的高温加热2022/10/26练习题一、填空题1釜式反应器由-、-、-、-构成。2搅拌的根本目的是-。3搅拌器叶轮的作用是-。4按流体进入及离开叶轮的方式，叶轮可分为-和-。5釜式反应器设置挡板的主要作用是-。当处理-时，不需安装挡板。6-条件下的搅拌功率为最大搅拌功率。7釜式反应器的加热装置构型有-、-、-、-、-、-。2022/10/26二、是非题1釜式反应器可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。2釜式反应器的所有人孔、手孔、视镜和工艺接管口，除出料口外，一律都开在顶盖上。3对于低粘度液体，应选用大直径、低转速搅拌器，如锚式、框式和桨式。4釜式反应器
22、的夹套高度一般应高于料液的高度，以保证充分传热。5当反应在沸腾温度下进行且反应热效应很大时，可采用回流冷凝法进行换热。2022/10/26三、选择题1以下-属于高速搅拌器。A 锚式 B 涡轮式 C 桨式 D 螺带式2对低粘度均相液体混合，应优先选择_ 搅拌器。A 螺带式 B 涡轮式 C 桨式 D 框式3对于以传热为主的搅拌操作，可选用_ 搅拌器。A 锚式 B 涡轮式 C 桨式 D 螺旋桨式4反应釜内壁有非金属衬里且物料易结垢时，应选用_ 传热。A 夹套 B列管式换热器 C 蛇管换热器 D 插入式传热构件 5为维持200的反应温度，工业生产上常用_作载热体。A 水 B导生油 C 熔盐 D 烟道气2022/10/26