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1、化学反应工程项目一 釜式反应器 兰州石化职业技术大学 应用化学工程学院 李倩 基本结构01釜式反应器的结构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。釜式反应器从外型上来看是一高径比接近于一的圆筒型反应器。反应器结构主要包括反应器筒体、各种接管、搅拌装置、密封装置和换热装置等 基本结构01釜式反应器的结构釜式反应器的结构基本结构：壳体结构、搅
2、拌器、密封装置、换热装置 基本结构01釜式反应器的结构釜式反应器的结构搅拌装置01釜式反应器的结构釜式反应器的结构搅拌器的作用，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 搅拌器类型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 搅拌装置01釜式反应器的结构釜式反应器的结构挡板和导流筒挡板：一般是指固定在反应釜内壁上的长条形板挡板。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，从而改善了搅拌效果。导流筒：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。作用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下循环的流动，以增加
3、流体的湍动程度，减少短路机会，增加循环流量和控制流型。传热装置01釜式反应器的结构釜式反应器的结构传热装置01釜式反应器的结构釜式反应器的结构夹套式：套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器高度取决于传 热面积，一般应高于料液的高度，应比釜内液面高出50 100mm左右，以保证传热蛇管式：换热面积较大时采用。一般有水平式蛇管 和直立式蛇管 两种。蛇管结构复杂，检修 困难 传动与密封01釜式反应器的结构釜式反应器的结构理想混合流动模型02釜式反应器流体流动釜式反应器流体流动特点：认为进入反应器的新鲜流体粒子与存留在反应器内流体粒子能在瞬间混合均匀，使反应器内所有流体粒子具有同样的温度、同样的浓度且
4、等于反应器出口的温度和浓度，返混程度为无穷大。假设基础：高效搅拌 搅拌效果很好的釜式反应器内的流体流动可认为是理想混合流动模型。理想混合流动模型非理想流动02釜式反应器流体流动釜式反应器流体流动非理想形成的原因1、滞留区的存在2、沟流和短路3、循环流4、流体流速分布不均匀5、扩散非理想模型02釜式反应器流体流动釜式反应器流体流动多釜串联模型假设 它是由N个体积相等的全混流反应器组成；从一个全混流反应器到另一个全混流反应器之间的物料不 发生任何反应；认为每个全混流反应器内的反应均为等容过程。模型参数：模型中串联的釜数特征：N越大，返混程度越小；当N越小，返混程度越大。当N=1表示为全混流；当N=
5、表示为平推流；1N时，表示为实际流动反应器。BR基本特征03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器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，是指一次性加料、一次性出料、一次性加料、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。在反应进行过程中既不加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均相同、反应器内有效空间中各位置的物料温度浓度均相同 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
6、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CABRBR基本方程03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计算衡算范围：方程:衡算对象：进入离开 转化掉 =累积量 00物料衡算反应物A单位时间t,整个反应器体积VBR反应时间计算03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计算 BR的的生产时间生产时间包括两部分：包括两部分：反应时间反应时间和和辅助时间辅助时间。辅助时间：辅助时间：是指反应物料的加料时间、出料时间、清洗时间等。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
7、间：是指装料完毕后算起到达到反应所要求的转化率是指装料完毕后算起到达到反应所要求的转化率 时所需的时间时所需的时间BR反应时间计算03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计算解析法解析法:一级反应一级反应:二级反应二级反应:恒温过程一般情况下，一般情况下，BR反应器内的反应都可看做是恒容反应。反应器内的反应都可看做是恒容反应。BR反应时间计算03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计算已知：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，若每天处理2400k
8、g己二酸，求xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间。解:xA=0.5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)BR反应时间计算03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计算恒温过程图解法：动力学方程无法用函数表达BR反应时间计算03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计算非恒温过程热量衡算：单位时间、整个体积、基准0进入反应器的物料带入的热量：0反应器内的物料和外界交换的热量：反应器内累积的热量：发生反应的热效应热量：离开反应器的物料带出的热量：0BR反应时间计算03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计
9、算非恒温过程变温操作设计方程两方程联立求解，可得X和T随时间的变化绝热操作：简化：BR反应器体积计算03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计算反应器的有效体积VR 反应器的体积V 装填系数若用多釜并联操作时，反应釜数反应釜结构尺寸：BR反应器体积计算03理想间歇釜式反应器计算理想间歇釜式反应器计算【例1-2】在例1-1中，若每批操作的辅助生产时间为1h，反应器的装填系数为0.75，求当转化率为80时，反应器的体积。CSTR基本特征04理想连续操作釜式反应器计算理想连续操作釜式反应器计算理想连续操作釜式反应器简称为理想连续操作釜式反应器简称为CSTR，是指反应进行过程中连续加料、连，是指反
10、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匀。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匀。特征：1、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 3、出料组成与反应器内物料的组成相同 4、连续、稳定流动，是一定态过程反应器内浓度处处相等、时时相等CACSTRBRCSTR基本方程04理想连续操作釜式反应器计算理想连续操作釜式反应器计算衡算范围：方程:衡算对象：进入离开 转化掉 =累积量 0反应过程的空时：物料衡算反应物A单位时间t、整个反应器体积VCSTR基本方程04理想连续操作釜式反应器计算理想连
11、续操作釜式反应器计算一级反应：二级反应：基本方程 CSTR例题04理想连续操作釜式反应器计算理想连续操作釜式反应器计算已知：在CSTR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，求xA=0.8时，反应器体积和空时。空时：体积流量有效体积：CSTR例题04理想连续操作釜式反应器计算理想连续操作釜式反应器计算CSTR时间图解法04理想连续操作釜式反应器计算理想连续操作釜式反应器计算动力学方程式太复杂动力学方程式未知 0 0t n-CSTR基本特征04理想连续操作釜式反应器计算理想连续
12、操作釜式反应器计算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单釜操作时的浓度高。提高了反应速率n-CSTR物料衡算04理想连续操作釜式反应器计算理想连续操作釜式反应器计算FA0CA0XA0FA1CA1XA1FAi-1CAi-1XAi-1FAiCAiXAi任一釜物料衡算任一釜物料衡算:恒容FAN-1CAN-1XAN-1FANCANXAN恒容恒容恒容n-CSTR计算方程理想连续操作釜式反应器计算理想连续操作釜式反应器计算04n-CSTR计算解析式04解析法：解析法：前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次计算，直前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次计算
13、，直 到达到要求的转化率到达到要求的转化率 一级不可逆反应：第一釜的体积：第二釜的体积：第N釜的体积n-CSTR计算解析式04 一级不可逆反应各釜空时相同，且反应温度相同图解法图解法任意任意i i釜物衡釜物衡:n-CSTR计算已知：VR、V0、恒温、恒容、xAF。求：N釜釜1:0 xA-rA釜釜2:xA0 xA1xA2釜釜3:xA3if:xAN xAF04图解法图解法 n-CSTR计算若各釜VR不同（体积逐渐增大），求：N釜釜1:0 xA-rA釜釜2:xA0 xA1xA2釜釜3:xA3if:xAN xAF04斜率越来越小用不同体积（由小到大）的反应釜串联，同样釜数达到转化率更高。图解法图解法
14、n-CSTR计算若各釜T不同（温度逐渐增大），求：N釜釜1:0 xA-rA釜釜2:xA0 xA1xA2釜釜3:xA3if:xAN xAF04用不同温度（由小到大）的反应釜串联，同样釜数达到转化率更高。n-CSTR优化条件04N-CSTR的最优化：釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一最佳比例n-CSTR优化条件04总反应体积最小的必要条件对于一级不可逆反应：对于一级不可逆反应而言，当串联各釜的体积相同时，总反应体积最小釜式反应器热稳定性04热稳定性：是指反应器本身对热的扰动有无自行恢复平衡的能力。在干扰因素消除后，如果反应过程能恢复到原来的平衡状态，称为热稳定性
15、；否则称为热不稳定性。参数敏感性：是指反应过程中各有关参数（流量、进口温度、冷却温度等）发生微小变化时，反应器内的温度将会有多大的变化。如果反应器参数的敏感性过高，那么使反应器的操作变得十分困难 釜式反应器热稳定性04热量衡算：单位时间、整个体积、基准0进入反应器的物料带入的热量：外界交换的热量：反应器内累积的热量：0发生反应的热效应热量：离开反应器的物料带出的热量：釜式反应器热稳定性04热稳定性判断：放热速率：恒容一级不可逆反应：移热速率：热稳定条件：釜式反应器热稳定性04操作参数的影响：着火点和熄火点定态温度会随着操作条件的改变而改变。放热反应可能有多定态；吸热反应：定态唯一。釜式反应器仿
16、真训练05釜式反应器的操作釜式反应器的日常运行比较简单。在操作过程中，最难控制同时也是最重要的控制主要是温度。控制方案通过夹套冷却水换热组成反应釜气相外循环系统通过釜外料液循环系统要维持等温操作，换热介质的温度要随时发生变化用来适应放热或吸热速率的变化 釜式反应器仿真训练05 工艺流程原料：多硫化钠（Na2Sn）、邻硝基氯苯（C6H4CLNO2）及二硫化碳（CS2）产品：2巯基苯并噻唑，是一种橡胶制品硫化促进剂。主反应：2C6H4NCLO2Na2Sn C12H8N2S2O4+2NaCL+(n-2)SC12H8N2S2O4+2CS2+2H2O+3Na2Sn2C7H4NS2Na+2H2S+3Na2
17、S2O3+(3n+4)S副反应：C6H4NCLO2Na2SnH2OC6H6NCL+Na2S2O3+S 釜式反应器仿真训练05釜式反应器仿真训练05釜式反应器仿真训练05釜式反应器仿真训练05议一议 VX03贮罐液位合适系统怎么还扣分？答：Na2Sn需在VX03贮罐静置分钟，时间未到就向反应器进料系统会扣分。RX01无法出料，我把卸料阀开度都打到100了？答：该间歇釜卸料是上出料，靠压差实现，釜内压力和环境一致就无法卸料，引起原因是间歇釜防爆膜破裂，操作时要控制好温度，反应温度不能超过160。间歇釜已投料开车，但是邻硝基氯苯的组成怎么不变？答：反应温度大于128 时，已处于事故状态，联锁启动（开高压水冷却阀，关搅拌器，关加热蒸汽阀），反应停止。