化学反应原理与设备(杨西萍)模块二.ppt

模块二、釜式反应器,目标要求：了解釜式反应器的基本结构、特点及工业应用掌握各类釜式反应器的计算了解釜式反应器的热稳定性问题掌握釜式反应器的操作技能,项目一、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,釜式反应器的基本结构,基本结构：壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置,釜式反应器的基本结构,壳体结构,反应器的筒体皆为圆筒形。底、盖常用的形状有平面形、碟形、椭圆形和球形，也有的釜底为锥形。,反应釜的顶盖也叫上封头，通过法兰将顶盖与筒体相连接。在顶盖上通常开有工艺接管、人孔、手孔、视镜等。此外，反应釜的传动装置也大多直接支承在顶盖上。,工艺接管口主要用于进、出物料及安装温度、压力的测定装置,手孔或人孔的安设是为了检查内部空间以及安装和拆卸设备内部构件,视镜主要是为了观察反应器内物料的混合情况及反应情况,釜式反应器的搅拌装置,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,釜式反应器的搅拌装置,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，以增加流体的湍动程度，减少短路机会，增加循环流量和控制流型,釜式反应器的传热装置,釜式反应器的传热装置,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50100mm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,釜式反应器的传动和密封装置,电动机减速器联轴器搅拌轴,传动装置,釜式反应器的传动和密封装置,密封装置,机械密封,填料密封,1、弹簧座2、弹簧3、动环4、静环座5、静环密封圈6、防转销7、静环8、动环密封圈9、紧定螺钉10、静环座密封圈,1、本体2、螺钉3、衬套4、螺塞5、油圈6、油杯7、O形密封圈8、水夹套9、油杯10、填料11、压盖12、螺母13、双头螺住,项目二、理想间歇操作釜式反应器的计算,理想间歇操作釜式反应器简称为BR，是指一次性加料、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,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2、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4、存在非生产时间,反应器内浓度处处相等、时时不相等,衡算范围：,方程:,BR基本方程,衡算对象：,进人离开转化掉=累积量,0,0,物料衡算,反应物A,单位时间t,整个反应器体积V,反应时间的计算,BR的生产时间包括两部分：反应时间和辅助时间。,辅助时间：是指反应物料的加料时间、出料时间、清洗时间等。一般情况下，辅助时间由经验确定,反应时间：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,解析法:一级反应:二级反应:,反应时间的计算,恒温过程,一般情况下，BR反应器内的反应都可看做是恒容反应。,反应时间的计算,恒温过程,图解法：动力学方程无法用函数表达,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/Lt=1h=0.75若每天处理2400kg己二酸求xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间求xA=0.8，0.9时，所需反应器体积解: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),反应时间的计算,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：0,反应时间的计算,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：,反应体积的计算,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：,项目三、理想连续操作釜式反应器的计算,理想间歇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,衡算范围：,方程:,CSTR基本方程,衡算对象：,进人离开转化掉=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V,解析法:一级反应:二级反应:,单一连续操作釜式反应器,恒温过程,图解法：动力学方程无法用函数表达,多个连续操作釜式反应器的串联,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,多个连续操作釜式反应器的串联,任一釜物料衡算,多个连续操作釜式反应器的串联,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,一级不可逆反应,各釜空时相同，且反应温度相同,多个连续操作釜式反应器的串联,解析法：前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次计算，直到达到要求的转化率,多个连续操作釜式反应器的串联,图解法：,单釜物衡:,注意:当各釜的温度不同时当各釜的体积不同时,多个连续操作釜式反应器的串联,N-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,多个连续操作釜式反应器的串联,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,连续操作釜式反应器的热稳定性,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；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,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：,连续操作釜式反应器的热稳定性,离开反应器的物料带出的热量：,连续操作釜式反应器的热稳定性,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：,连续操作釜式反应器的热稳定性,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。,项目四、釜式反应器的技能训练,一、釜式反应器的操作,二、釜式反应器的实训操作,三、釜式反应器的仿真操作,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,项目名称：乙酸乙酯的生产,要求：1、掌握乙酸乙酯的生产原理、工艺过程。2、能够确定乙酸乙酯生产的最佳工艺条件。3、掌握酯化反应过程控制。4、学会对事故的判断、处理及产品检测。5、掌握釜式反应器的校核计算及基本操作。,重点：釜式反应器的开停车及正常运行操作难点：釜式反应器的工艺过程的控制,釜式反应器的实际操作,乙酸乙酯项目运行卡,项目主要内容,釜式反应器结构及工艺流程,乙酸乙酯的生产过程,产品分析检测,1、釜式反应器的结构及工艺流程,1、传动装置2、轴封3、人孔4、支座5、压出管6、搅拌轴7、夹套8、釜体9、搅拌器,氮气钢瓶,原料罐,原料泵,回流冷凝器,搅拌器,釜,储罐,气液分离器,阻火器,氮气钢瓶,原料罐,原料泵,回流冷凝器,搅拌器,釜,储罐,气液分离器,阻火器,催化剂浓硫酸,压力：常压,温度70-80,反应原理,2、乙酸乙酯的生产,乙酸和乙醇等摩尔比生产乙酸乙酯的相关参数,操作条件：温度75压力：常压催化剂：浓硫酸动力学方程式：速度常数：K为0.253L/kmol.min,生产任务：用有效容积为0.5L的釜式反应器，当CA0=77mol/L时，完成每天处理10kg乙酸的生产任务，转化率分别达到0.8，0.9。每批操作辅助时间为0.5小时,校核计算：,物料衡算：对关键组分A,二级恒容反应：,1、已知生产任务，用完成该生产任务需要的体积和现有反应釜的体积比较,校核计算：,2、已知生产任务，用现有反应釜的体积计算所能达到的最大转化率,3、已知生产任务，用现有反应釜的体积计算能够处理的最大物料量,反应岗位操作规程,1、开车前的准备工作检查设备内无杂物，设备、管线、阀门、仪表、电器完好、转动设备运转正常、水系统完好、消防器材到位，关闭所有阀门.2、加料：向釜式反应器中加入240ml95乙醇，打开釜上冷凝回流装置，开启搅拌，缓慢加入10mL浓硫酸，最后加入180ml的冰醋酸。3、开车：打开反应器控温和测温，将控温设置为75，开始升温。反应开始后，监测反应条件，每5分钟记录一次；随时调节冷却水的流量，维持釜温恒定。,热量衡算方程：,间歇釜式反应器：（反应器有效容积单位时间）：,等温条件：,可得到：,反应放出的热量,冷却水的用量,冷却水流量调节方案,3、停车：反应达到要求后，关闭控温，加大冷却水用量，观测釜温待釜温降至室温后，停止搅拌，卸料，收集反应混合物。依次用乙醇，蒸馏水清洗反应釜。,4、产品分析检测,实训操作有安全，工位等条件的限制，所以只设计了一种形式的换热方案，大家下去每个人根据自己对理论知识和这次实践操作的认识和掌握程度，每个人都写出一份完整的实训报告，内容包括乙酸乙酯概述，乙醇和乙酸制备乙酸乙酯的原理，工艺流程，实验现象，结论等，并且制定一个新的换热方案，换热介质，温度，换热方式等都可自行设计，至于方案是否可行，我们下次在仿真操作时，再进行检验。,想一想,1、石油化工产品的生产需要经过那几个步骤？,原料预处理,化学反应,产品精制,2、反应器按操作方式可分为哪些类型？按结构型式呢？按操作方式可分为间歇式、连续式、半连续式。按结构型式可分为釜式、管式、固定床、流化床、鼓泡塔等。,釜式反应器的仿真操作,间歇釜工作过程,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：2C6H4NCLO2Na2SnC12H8N2S2O4+2NaCL+(n-2)SC12H8N2S2O4+2CS2+2H2O+3Na2Sn2C7H4NS2Na+2H2S+3Na2S2O3+(3n+4)S副反应：C6H4NCLO2Na2SnH2OC6H6NCL+Na2S2O3+S,练一练,知识目标：掌握化工总控工职业标准（中级工）以下内容熟悉本岗位操作规程、工艺技术规程；熟悉公用工程介质的物理、化学特征；掌握化工生产安全方面的基本知识；掌握仪表联锁、报警基本原理；掌握本岗位操作参数对产品质量的影响及调节方法；能处理温度、压力、液位、流量异常等故障。,小技巧,目的：节省训练时间,议一议,VX03贮罐液位