理想间歇操作釜式反应器 釜式反应器的计算 项目二 理想间歇操作釜式反应器的计算 Batch Reactor

  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； 2、 有充足强的传热条件， 温度始终相等， 无需考虑器内的热量传递问题； 3、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。 优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间比较久的产品生产,精细化工 产品、制药、染料、涂料生产。 缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定 一、基本方程 对整个反应器中 A 组分物料进行衡算

  nA0 ----在 t=0 时反应器中物料 A 的摩尔数 nA ----在 t 时反应器中物料 A 的摩尔数 -rA----组分 A 在操作条件下的反应速率（消失速率） xA ----在 t 时反应器中物料 A 的转化率 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 速度常数随气温变化，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

  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

  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所组成。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。

  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，而传热面积由工艺技术要求确定。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，夹套一定要采取加强措 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，单靠夹套传热不能够满足要求时，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,会造成物料堆积和挂料, 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够满足工艺技术要求，或由于工艺的特别的条件无法在反应 器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能够满足工艺技术要求时，能够最终靠泵将反应器内的 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

  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。

  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 球 形：应用较广。 形：适用于高压场合；

  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 因为反应是二级反应，则 t =

  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

  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

  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含搅拌 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