第二章__搅拌釜式反应器

第二章搅拌釜式反应器 连续搅拌釜式反应器的特点和适用性 1 温度易于控制 特别对高活化能的反应或强放热反应 由于连续搅拌釜式反应器的返混特征 便于控制在较低的反应速率下进行 从而消除过热点 达到等温操作 2 对主反应级数比副反应级数低的平行反应系统 有利于提高反应选择性 3 适用于低反应速率 长停留时间的反应系统或某一反应组分在高浓度时易引起的爆炸的场合 4 对某些自由基聚合反应 聚合物生长期比它在反应器内停留时间短 链的终止速率受自由基浓度控制 而它又与单体浓度成正比 此时采用连续搅拌釜使反应器能均匀地保持低的单体浓度 使其具有相对恒定的链终止速率 从而获得较窄的分子量分布 第一节搅拌釜的构型 2 1 1搅拌与混合 搅拌与混合是两个不同的概念 搅拌是指使釜内物料形成某种特定形式的运动 如在釜内作循环流动 搅拌的着眼点在于釜内物料的运动方式和激烈程度 以及这种运动状态对给定过程的适应性 某种单一相的物料只能是被搅拌而不是被混合 混合是使物性不同的两种或两种以上物料产生均匀的分布 混合的着眼点在于被混合物料所达到的均匀程度 两种温度不同的流体在釜内搅拌过程中就伴有不同物料的混合 搅拌作用的强弱和效率常常用混合均匀程度及达到指定均匀程度所需时间来衡量 应用搅拌的化工过程有 1 互溶液体的混匀 2 固体在液体中的悬浮 3 气 液接触 4 不互溶液体的液 液接触 5 传热 6 化学反应 在这些操作中进行搅拌的目的是1 产生均匀的组成 2 促进化学反应或物理过程的进行 除各类化学反应之外 拌可促进溶解 气体吸收 吸附 萃取和絮凝等操作 3 改变物相关系 其中包括在液体中使气体分散 在萃取操作中使不互溶的液体分散 在结晶过程中控制晶粒的成长等 2 1 2搅拌槽 一般是直立的圆形槽 应避免采用锥形底 以防止形成液体停滞区或使悬浮着的固体积聚 槽中液体深度与槽径比以1 1为宜 2 1 3搅拌装置 搅拌装置通常由搅拌器和搅拌轴组成 搅拌器的型式很多 如桨式 框式 锚式 推进器式和涡轮式搅拌器 使用搅拌器时 首要的工作是要确定搅拌器的型式 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 1 按物料粘度选型2 按搅拌目的选型 1 对于低粘度均相液体混合 要求达到微观混合程度 已知均相液体的分子扩散速率很快 控制因素是宏观混合速率 亦即循环流量 2 对于非均相液 液分散过程 要求被分散的微团愈小愈好 以增大接触面积 还要求液体涡流湍动剧烈 以降低两相传质阻力 3 对于气 液分散过程 要求得到高分散度的 气泡 控制因素为剪切作用 其次是循环量 所以可优先选择涡轮式搅拌器 4 对于固体悬浮操作 必须让固体悬浮于液体之中 主要控制因素是总体循环流量 5 对于固体溶解 除要有较大的循环流量外 还要有较强的剪切作用 以促使固体溶解 因此 开启式涡轮搅拌最适宜 6 对于结晶过程 往往需要控制晶体的形状和大小 对于微粒结晶 要求有较强的剪切作用和较大的循环量 所以应选择涡轮式搅拌器 对于粒度较大的结晶 可选择浆式搅拌器 7 对于以传热为主的搅拌操作 控制因素为总体循环流量和换热面的高速流动 因此 可选用涡轮式搅拌器 2 1 4叶轮 1 轴向流叶轮 使液体在与叶轮轴平行方向上流动的叶轮称为轴向流叶轮 凡叶轮叶片与叶轮的旋转平面之间的夹角小于90 者 都是轴向流叶轮 其中最常用的是标准的船用螺旋桨 图2 2a 螺旋桨搅拌器有一种独特的使用方式 即从槽的侧壁插进槽内 2 2b 使体积相当大的槽内的液体产生良好的循环流动 这种方式常用于使沉降速度低而且没有腐蚀性的纤维状固体物料保持悬浮 对于大到15000米3的汽油槽搅拌就是这类典型搅拌操作之一 在轴流式叶轮中 还有风扇形涡轮或有两个倾斜叶片的平桨 图2 2c和d 图2 2几种轴向流搅拌轮 2 径向流叶轮 使液体在叶轮半径和切线方向上流动的叶轮则称为径向流叶轮 径向流叶轮的叶片对液体施以径向离心力 液体在离心力作用下沿叶轮的半径方向流出并在槽内循环 图2 4几种常用的径向流叶轮 图2 1轴向流叶轮与径向流叶轮 3 平桨 平桨 图2 6 也属于径向流叶轮 其结构简单 叶片数目少 一般是二片或四片 由于叶片数目少 故排送液体的能力低 为了产生更大的排液量就必须加大叶片的长度和宽度 图2 6平桨式搅拌轮 2 1 5搅拌槽中的打漩现象与挡板 1 打漩无论是轴向流叶轮还是径向流叶轮 当置于槽的中心位置上搅拌粘度不太高的液体时 只要叶轮的旋转速度足够高 都会产生切向流动 严重时可使全部液体沿着围绕搅拌器轴的圆形轨道团团转 槽内液体在离心力作用下涌向器壁 使周边部分的液面沿槽壁上升 中心部分的液面自然下降 于是形成一个大漩涡 图2 7 叶轮的旋转速度愈大 漩涡的深度愈深 这种流动形态叫做 打漩 图2 7打漩现象 对于大多数搅拌操作 只有消除打漩现象才能得到满意的操作结果 最常用的消除打漩的办法是在搅拌槽内装设挡板 挡板的作用有二 第一 将切向流动转变为轴向和径向流动 图2 8 对于槽内液体的主体对流扩散 轴向流动和径向流动都是有效的 第二 增大被搅拌液体的湍动程度 从而改善搅拌效果 永田进治提出了下面的方程式 以决定充分挡板化条件 Wb D nB 0 4更为准确的方程式为 Wb D 1 2nB 0 35式中Wb 挡板宽度 nB 挡板数目 2 挡板 图2 8挡板对流型的影响 2 1 6搅拌釜的几何特征 搅拌釜 叶轮 挡板及其他附件 如需要换热时的换热管等 的相对位置及其尺寸比 构成搅拌釜装置的几何特征 主要的几何特性是叶轮直径 D 与搅拌釜直径 DT 的比值 D DT 所需叶轮的个数和叶轮在釜内的位置 1 叶轮直径与搅拌釜直径的比值 D DT 2 叶轮在釜中的位置3 叶轮的选择4 叶轮的个数 叶轮之间的距离应为1 0 1 5倍叶轮直径 叶轮的有效作用半径可按下式估算 式中 P 搅拌功率 kW 液体粘度 cP 1cP 10 3Pa s R 有效作用半径 m 标准 搅拌釜的几何尺寸如下 图2 12 1 叶轮是具有六个平片的涡轮式 叶片安装在一个直径为S的中心圆盘上 2 叶轮直径D等于搅拌釜直径DT的1 3 3 叶轮离釜底的高度Hi 1 0D 4 叶轮的叶片宽度W 1 5D 5 叶轮的叶片长度l 1 4D 6 液体深度HL 1 0DT 7 挡板数目 4 垂直安装在釜壁上并从釜底延伸到液面上 8 挡板宽度Wb 1 10DT 5 标准搅拌釜 图2 12标准搅拌釜构型 第二节搅拌釜内的液体流动特性 2 2 1叶轮的排液量Q1 流体循环量QR和压头H 旋转叶轮挤压流体流动 其直接排出的体积流量称为叶轮的排液量Q1 这股排出液流如同射流作用 卷吸周围流体一起运动 使釜内流体作循环流动 参与循环流动的所有液体的体积流量称为循环量QR 叶轮的排液量为 2 3 式中K1 流量数 大致数值为0 4 0 5 循环量为 2 4 式中K2 循环流量数 K2 K1数值 一般为1 70 1 95 循环量决定了单位时间釜内液体的翻转次数I 称为翻转率 其定义为I QR VR VR为釜内液体体积 克服釜内流体循环流动的摩擦阻力是借助于叶轮排出流所具有的速度头 即搅拌叶轮的压头H 而叶轮的速度V ND 所以 2 5 搅拌叶轮的压头类似于离心泵的扬程 压头 搅拌排液量与离心泵的流量相当 于是搅拌叶轮的功率消耗应为 2 6 结合式 2 4 2 6 可知 2 7 从式 2 6 可以看到 搅拌叶轮的功率消耗 一部分用于产生釜内流体的循环流动 另一部分用于产生流体的剪切流动 对流体混匀或传热 循环流量起重要作用 对液 液分散则要求较高的流体剪切作用 压头H起着重要作用 换句话说 不同工艺过程要求的QR H的比值是各不相同的 从式 2 4 和式 2 5 可知 2 8 由式 2 7 得 2 9 所以 2 10 式2 10说明 在一定的叶轮直径下 增加输入功率 QR H下降 意味着增加的输入功率更多地贡献于流体的剪切作用 产生速度脉动 当输入功率一定时 增大叶轮直径 在釜径一定时 即增大D DT 可以增大流体循环量和循环速度 同时减少了流体的剪切速度 减小叶轮直径的作用结果与此相反 一些常用搅拌叶轮的QR H比依下列次序减小 即对流体的剪切作用依次增大 平桨 涡轮桨 螺旋桨 锯齿状叶轮 有缺口无叶片的圆盘 应用搅拌的某些工艺过程 对QR H比的要求次序减小 即对流体的剪切作用要求依次增大 的顺序是 混匀 传热 固体悬浮 固体溶解 气体分散 液 液 不互溶液体 分散 固体在高粘度液体中的分散 2 2 2流体剪切速率及其分布 任何叶轮转动时都会产生流体剪切作用 如果在径向流涡轮中心线的上下两侧不同位置处测量离开叶片的流体平均速度 则典型的径向流速分析如图2 13 图2 13径向流叶轮典型的速度分布剪切速率 将某点处 或在选定的距离内的速度梯度 定义为该点处或在选定的距离增量内的 流体剪切速率 在特定过程中有关的液滴 气泡或固体颗粒的尺寸 决定了进行流体剪切分析中所用的距离增量的大小 所谓流体剪切应力就是流体的粘度与流体剪切速率之积 流体剪切应力 流体剪切速率 在研究搅拌操作时 必须区分下述四种流体的剪切速率 1 在叶轮区域 即限于叶轮附近的区域 内测量的平均速度梯度 2 在叶轮区内测量的最大速度梯度 3 在全釜范围内测量的平均速度梯度 4 在全釜范围内测量的最小速度梯度 已经证明 叶轮区内的平均剪切速率只是叶轮转速的函数 而叶轮区最大的剪切速率主要是叶轮叶端速度的函数 同时 釜内平均剪切速率的数量级比叶轮区的剪切速率小 釜内最小的速度梯度估计为全釜平均速度梯度的1 4 1 3 2 2 3叶端速度 叶端速度是叶轮的叶片边缘的转动线速度 叶端速度决定了叶轮区的最大剪切速率 离开叶轮边缘排出流的线速度同叶端速度 DN 成正比 当排出流在周围处于停滞状态的液体中穿过时 正是其初始速度值决定了最大剪切速率 因此叶端速度 常以TS表示 是衡量搅拌釜中流体动力学状态的一个重要指标 也是搅拌器的一个重要操作参数 若按叶端速度的大小区分搅拌的强弱程度 则低度搅拌TS 3 3m s 中度搅拌TS 4 1m s 高度搅拌TS 5 6m s 常用搅拌器一般的叶端速度范围如下 平桨1 7 5m s 涡轮3 8m s 螺旋桨4 5 17m s 盘式搅拌器6 30m s 叶端速度具有随着釜体直径的增大而减小的趋势 大多数工业搅拌釜中 叶端速度为2m s左右 超过10m s的不多 2 2 4叶轮雷诺数 2 13 因为 是常数 所以可略去 则可写作 2 14 在雷诺数增大的过程中 搅拌釜内的循环流动形态也相继表现为层流 过渡流和湍流 在层流状态下 所产生的是主体对流扩散和分子扩散 但在湍流状态下 分子扩散可以忽略不计 强烈的湍动则意味着大量的 迅速的涡流扩散过程 第三节搅拌釜中的湍流特性 2 3 1湍流强度 湍流是一种不规则的随机的流体运动状态 各种物理量都随时间和空间坐标紊乱地变化 但却可从统计学识别其明确的平均值 2 15 该点处在x方向上的瞬时分速度 该点处在x方向上的分速度在某一周期内的平均值 称时均速度 脉动速度 图2 14湍流的瞬时速度 脉动速度和平均速度 时均速度的大小和方向 通常表示了主体运动的特点 在定常运动时 它不随时间而变 非定常运动时 时均速度值随时间变化较脉动值的变化慢得多 而脉动速度的大小和方向 则反映了与时均速度的偏离 即使在定常运动时 它们也是瞬息变化的 脉动速度对时间的平均值为零 但脉动速度的平方平均值并不为零 为表示偏离平均速度的湍流脉动数量的大小 将脉动速度的均方根值定义为湍流强度I i x y z 2 16 脉动强度由脉动速度的均方根值与平均速度的百分率表示 称为相对脉动强度 2 3 2湍流尺度 湍动的尺度是指湍动场中的漩涡的尺寸 漩涡尺寸是指 存在明显速度变化的一段距离 湍流场中存在一个不同漩涡尺寸的分布 因此 估算湍流漩涡尺寸 具有重要意义 如果将漩涡雷诺数定义为 2 17 Kolmogorov对于各相同性湍动 提出漩涡速度为 2 18 最小漩涡尺寸的数量级为 2 19 对于搅拌釜 单位体积能耗 可用 代入 则 2 20 因搅拌雷诺数 所以 2 21 2 3 3搅拌釜中速度 脉动强度和剪切速率分布 搅拌釜空间各点的速度和脉动强度是极不均匀的 即使在桨叶附近其分布也是颇宽的 对六叶平片涡轮桨挡板釜 中的实验结果表明 时均速度 的三个速度分量 ur 径向 uQ 切向 和uz 轴向 中 uz为零 其余两个分量用无因次速度ur ND和uQ ND表示 而径向和切向 的无因次速度与搅拌转速无关 它们仅随轴向位置而变化 径向速度ur在桨叶半高 度处有最大值 切向速度大体上类似于径向速度分布 显然不同的桨叶和釜的构型会有不同的速度分布 旋转叶轮使釜内产生无数大小不匀的具有一定旋转速度的漩涡 它们包含着搅拌输入的能量 正是由于漩涡的紊乱波动 湍流脉动 造成小漩涡的变形 使输入机械能变成热能而耗散掉 称粘性耗散 所谓能量耗散速率是指单位体积内湍流脉动能量耗散速率 其本质是湍流脉动引起的 既然湍流脉动强度在釜内存在空间分布 所以与此相应的能量耗散也存在空间分布 能量耗散平均值 应是单位体积釜内液体的输入功率 在搅拌釜内 局部能量耗散速率差别很大 对于牛顿流体 在充分挡板化的搅拌釜内 约总输入能量的20 耗散在叶轮区内 50 耗散在叶轮的排出流中 其余30 耗散在主体流动区域 而主体流动区域约占全釜体积的90 表明输入机械能是不均匀分配的 导致釜内漩涡尺寸 局部混合速率不均匀的空间分布 总体上看 大致可以区分为两个区域 作惯性流动的主体流动区 叶轮远区 和发生高速能量耗散的叶轮区 叶轮近区 搅拌釜内速度的空间分布必然产生不均匀的速度梯度分布 或者从能量分配讲 剪切速率正比于 釜内的剪切速率也有空间分布 应该指出 至今对搅拌釜中湍流特征已有较多研究 对于深入了解搅拌釜中的运动状况很有意义 由于搅拌釜中流体运动的复杂性 目前的认识深度尚不足以作出严格的定量描述 所以 深入研究搅拌釜中湍流微结构特征是抓住本质 颇具前景的 第四节搅拌功率 2 4 1功率关联式 叶轮的搅拌功率消耗取决于以下变量 叶轮直径D 叶轮转速N 液体密度 和粘度 重力加速度g 釜直径DT 釜中液体深度HL和挡板条件 数目nb 宽 度Wb和位置 假定釜中各项尺寸都和叶轮直径有一定比例关系 例如液体深度 与叶轮直径之比HL D 挡板宽度与叶轮直径之比Wb D等等 并把这些比值叫 做形状因子 功率消耗P可表述为上述诸变量的函数 2 23 假定此函数关系为最简单的指数函数 令 2 24 无因次化的功率为 2 27 或 2 28 令 则式 2 28 可写成 2 29 或 2 30 式中 称为功率准数 为搅拌雷诺数 为弗鲁特准数 2 4 2功率曲线 图2 15标准搅拌器构型的功率曲线 上线 和无挡板釜的功率曲线 下线 从图2 15可见 在滞流区 功率曲线是直线 在此区域内 粘性力控制着系统内的流动 重力影响可以忽略 因x 1 故 2 32 2 33 在无挡板搅拌釜中 功率函数可写作 2 35 一些搅拌釜的 和 值见表2 2 表2 2Re 300时一些搅拌釜的 和 值 对于一些搅拌系统的K和K2值列于表2 3 表2 3一些搅拌系统的K 式2 33 和K2 式2 34 之值 图2 16一些不同构型搅拌釜的功率曲线 雷诺准数Re 图2 16是一些不同构型搅拌釜的功率曲线 并可得出如下有意义的几点结论 1 在低雷诺数时 所有功率曲线彼此平行 线的斜率是 1 0 同一形式的叶轮 有无挡板的功率曲线相同 如曲线1和2 3和4 5和6所示 从功率消耗角度看 在滞流搅拌条件下 所有叶轮的行为都一样 2 在湍流搅拌条件下 Re 104 下 有挡板总是比无挡板时消耗的功率多 这一点 从曲线5和6的对比可以明显地看出 3 在Re 103以后 涡轮桨式搅拌釜比螺旋桨式搅拌釜功率消耗要大几倍 这是由于这两种叶轮在液体中的运动方式和产生的流型不同所致 此外带有斜叶片的涡轮式叶轮 扇形 叶片大约倾斜45 曲线8 的功率消耗居中 因为它兼有涡轮式和螺旋桨式两种叶轮的特点 5 具有六个叶片的涡轮式搅拌器在Re 200处有一个最低的功率消耗 曲线6 7和9也差不多是这样 若使这种叶轮在Re 200下操作 则当所处理液体的粘度减小或增大时都将增加功率消耗 因而无论Re值是减小还是增大都将使功率函数值增大 若传动电机在Re 200时已是在满负荷下运转 则一旦液体粘度改变 它将超负荷而烧坏 因此 如果不可避免地要使叶轮在Re 200下操作 通常要按Re 104时的功率消耗来选定电动机 4 对具有六个叶片的涡轮式搅拌器 曲线6 7 具有平坦的功率曲线 它表明滞流区和湍流区的功率消耗相差不大 这个特点具有重要意义 当这种叶轮在固定转速和有挡板情况下操作时 可以用来处理粘度范围很广的不同液体 而不明显增大功率消耗 因而亦无驱动电机超载之虞 这也是六叶涡轮常被广泛采用的原因之一 但若使这类叶轮在无挡板的搅拌釜中操作 例如曲线5 则在处理粘度较大的液体时 在固定叶轮转速下功率消耗要升高而有可能使电机过载 2 4 3功率曲线的应用 自修 第五节搅拌效果与均相反应过程 2 5 1互溶液体的均匀指数 均方根偏差 2 39 用均方根偏差分率表示混合物均匀性指数较为常用 搅拌之初 未混合状态 的均方根偏差为 2 40 则均匀性指数 均方根偏分差率Iv为 2 41 若将搅拌釜内划分为几个等体积区域 分别测得该区域的浓度为ciA则式 2 41 变为 2 42 Iv称为 均匀性指数 对于未混合状态 无论 的数值为多少 Iv总是1 对于充分混合状态 Iv 0 2 5 2混合时间与连续搅拌釜理想混和状况的判别1 混合时间是指全混釜范围内物料完全达到均匀分布所需要的时间 混合时间是评价搅拌效率的指标 2 最终混合时间指混合组分达到组分均一性不发生变化 仪器精确测量 的最终混合状态 相应的搅拌时间为最终混合时间 最终混合时间 可以通过因次分析获得 因次分析表明混合准数 N是Re Fr及几何构型的函数 在湍流范围内混合时间与Re无关 再有挡板的情况下 混合时间也与Fr无关 于是混合准数是一个常数 满足流动接近理想混合状态的判据为 2 47 即混合时间不超过物料平均停留时间的1 10 显然 是由反应的工艺条件决定的 若反应要求理想混和流型 则可从式 2 47 计算满足流型要求的混合时间 3 达到完全混合的准则 实验表明 对中速反应 慢反应 不粘稠易于相溶的物料 当叶轮循环流量QR是进料Q0的5 10倍时 即QR Q0 5 10 则器内物料接近全混 流 对于快速反应必须考虑反应动力学对于混合扩散速率提出的要求 对一级反应的计算表明QR Q0 5K可以达到完全混合 对于长停留时间或快速反应 QR Q0很大 所以必须采用其他混合方法 如采用泵外循环的方法 4 混合度 混合过程个选用物料中一个重要或易于检测的组分作为标志物 在设备的不同位设取样口 分别检测所取样品中标志物的含量 混合度为 M Na Nb 5 均匀度均匀度为U A W式中 A 取样重量 g W 混合物总重量 t 均匀度定为四级 一级U 1ppm 二级1 U 10ppm 三级10 U 100ppm 四级100 U 1000ppm 混合度M 均匀度U和混合时间这三个参数相结合 方能表达混合操作的效果和混合机械的效率 举例 某混合操作将400Kg物料A和600Kg物料B进行混合 混合3分钟后 从不同的部位分别取样20g 经检验 A物质含量分别为7 80g 8 05g 8 32g则其 均匀度为 混合度为 2 5 3连续搅拌釜中混合状态与化学反应 1 微观完全混合 流体以分子状态均匀分散于反应器中 如常见的均相流体 2 宏观混合 流体以成块或成束地存在于系统之中 如流 液两相体系 或两种粘度差很大的液体搅拌在一起 它们以成团块的离散的互不作用的独立单元流经反应器 微观流体 microfluid 其流体称 这种流体往往称作为宏观流体 macrofluid 对于微观混合状态充分的微观流体 在达到全混程度的反应釜内物料的性质如浓度和温度是均一的 反应釜中各处具有相同的反应速度 而且等于反应器出口状态的反应速率 其反应器出口浓度可按定态物料衡算求得 第六节搅拌釜的传热 搅拌釜的传热包括夹套和内部盘管 螺旋管和纵向盘管 的传热两类 按照因次分析方法 在系统几何特性一定的情况下 可以把对传热系数有影响的变量归结为努塞尔准数 Nu 雷诺数 Re 和普兰特准数 Pr 间的函数关系 2 48 式中 一般的传热关联式为 2 49 2 6 1牛顿型流体 1 从夹套壁向湍流液体的给热系数hj 1 平桨叶轮 有冷却盘管 无挡板的情况 Krausold等略去了设备几何形状差异 推荐式 2 50 2 螺旋桨叶轮 无挡板 Re 400 文献还介绍了如下的关联式 2 51 3 透平式叶轮 无挡板 Re 400 2 52 4 透平式叶轮 有挡板 平底搅拌釜 标准构型 2 53 对非标准构型 则 2 54 对无冷却盘管 无挡板的六叶涡轮搅拌釜 水系统的传热关联式为 2 55 5 标准搅拌釜 在Re 5000 850000范围内 传热关联式为 2 56 当叶轮离釜底高度和直径均不标准的情况下 传热关联式为 2 57 2 内置螺旋盘管向湍流液体的给热系数 2 58 2 59 3 以纵向盘管兼作挡板的给热系数 2 61 在只计算加热 或冷却 时的对流传热系数时 推荐以下方程式 2 62 2 63 对搅拌釜中的传热 有以下几点定性的一般评述 1 涡轮搅拌器产生的给热系数比其他类型搅拌器约高30 2 带夹套无挡板容器中的给热系数约为螺旋盘管的65 3 纵向盘管比螺旋盘管的给热系数约高13 不过由于前者不易排出不凝性气体而降低了管内侧的给热系数 可能导致总的给热系数收益不多 4 涡轮的叶轮位置靠近容器中心比紧靠底部的传热效果好 5 雷诺数在1000以上时 挡板改善涡轮搅拌釜的传热系数 2 6 2非牛顿型流体 该式表明 除粘度项外 无因次式中已消除了粘度的影响 它可这样解释 传热表面的边界层厚度比器壁和螺带叶轮之间的空隙大 并且有恒定的传热厚度 所以与粘度无关 在高粘度液体中 均匀混合对反应的均匀性和反应热的控制都很重要 推进式桨叶和涡轮式叶轮皆不适宜 用锚式桨则会产生不均匀性 因此 高粘度液体的混合推荐使用螺带式叶轮 螺带式叶轮搅拌高粘度液体时是夹套传热 器壁传热时给热系数关联式如同牛顿型流体 例如 对拟塑性流体 剪切应力 随剪切速率 的增加而增加 层流区 1 Re 1000 2 64 湍流区 Re 1000 2 66 2 6 3传热过程计算 1 内旋管或外夹套 恒温加热介质 任一时刻的传热速率为 2 67 将方程式 2 67 重排得 2 68 若将W质量的液体从Tb1加热到Tb2所需的时间为 则 由此得到 2 69 从方程式 2 69 可以计算所求的加热时间 2 盘管或夹套 恒温冷却介质 2 70 因为釜内被冷却 所以式中的 为负值 将方程 2 70 积分 得到 2 71 3 盘管或夹套 非恒温加热介质 加热介质的流量和入口温度Tb1一定 但出口温度不定 传热速率方程为 2 72 由此解出 2 73 令 即 2 74 则由式 2 72 得到 2 75 分离变量后积分得 2 76 4 盘管或夹套 非恒温冷却介质 与式 2 76 的推导类似 可以得到下面的方程以计算将W质量的被搅拌液体从从Tb1冷却到Tb2所需的时间 2 77 式中 Tc 冷却介质的入口温度 m 冷却介质的质量流速 冷却介质的平均比热 第七节连续搅拌槽反应器的设计 一 理想混合搅拌槽 理想混合搅拌槽 全混流反应器 CSTR ContinuousStirredTankReactor CSTR 在充分搅拌的情况下 物料达到理想混合 特点是 1 器内物料混合均匀 各处温度 浓度 反应速度相等 且等于出口处的温度 浓度和反应速度 2 物料在反应器内达到最大程度的返混 连续 稳定流动 是一个定态的过程 返混 指不同年龄的粒子混合 或者说物料在反应器内不但有空间上的混合 而且有时间上的混合 返混结果产生主浓度反应物的稀释作用 3 物料停留时间有特定的分布 其分布函数F 1 e 分布密度函数E e 停留时间对于分布中心 即平均停留时间 的方差 2 1 与之相应的其操特性如下 1 温度易于控制 良好的混合可产生较低的 更易于控制的反应速率 消除过热点 2 对于平行反应 有利于反应级数较低的反应 对于可逆放热体系 便于使整个过程沿最佳温度序列进行 3 有利于聚合反应中分子量分布及有细小催化剂颗粒反应中 有利于催化剂充分悬浮于反应系统中 二 全混流反应器的物料衡算和能量衡算方程 定态操作的全混流反应器中 物料的组成和温度 既不随空间位置变化 也不随时间变化 是一定态的集中参数系统 其物料衡算和能量衡算方程为一组代数方程 若设进料体积流率为qv 进料温度为T0 进料浓度为CA0 出料浓度和温度分别为CA和T 反应体积为VR 反应器传热面积为AR 冷却 或加热 介质温度为TC 在定态下 对整个反应VR进行物料衡算和能量衡算 1 物料衡算 按照质量守恒定律 1 组分A进入微元流率 qvCA0 2 组分A流出微元体积流率 qvCA 3 微元内组分A的消耗速率 4 微元体内组分的积累流率 0 则 经整理 2 停留时间 当用空间时间表示模型时 按照物料衡算式 结合 CA CAO 1 XAf 代入整理得 的表达式 3 动力学方程式 RA kf CA 幂级数型 4 热量衡算式 在定态下 不考虑时间自变量 且假定密度不变 1 物料带入微元体热量 2 物料带出微元体热量 3 微元体内反应放出的热量 4 通过间壁传入微元体热量 5 微元体内累积热量0 按照热量守恒定律 Q入 Q反应热 Q传入 Q出 Q累积 则 三 全混流反应器的设计计算 1 全混流反应器设计型计算 设计型计算是为了设计一能完成规定的生产任务的反应器 即在已知进料流速 浓度 温度的前提下 计算在一定反应温度T 为达到一定的出口浓度 或转化率 所需的反应器体积 传热面积和冷却介质温度 在这类计算中 因为反应温度和出口浓度均已规定 或选定 所以基本方程式均为线性方程 且可根据物料衡算或直接求得VR 将VR值代入热量衡算式 再规定AR和TC两参数中的一个值 即可求得另一个 但在求解设计型问题时 往往会涉及某些参数的选择 如反应温度 冷却介质温度 或传热面积 的选择 不同的选择代表了不同的设计方案 这属于参数优化问题 2 全混流的反应器的操作型计算 这类问题系对一已有的反应器 即反应器体积 传热面积已定 计算在一定进料流率 浓度 温度和冷却 或加热 介质温度T 反应器出口浓度和温度 可以通过这类计算分析进料流率 组成 温度和冷却介质温度等参数的变化对出口转化率和出口温度的影响 这也是一类优化问题 通常称为反应的操作模拟分析 在这类计算中 反应器出口温度和出口浓度为未知 由于反应速率与温度间的非线性关系 即使对一级反应体系 基本方程也是一组非线性代数方程 必须通过迭代计算联立求解 通过求解的过程是 先假设一反应温度T 计算该温度下的反应速率常数 然后由物料衡算式求得反应器出口浓度CA 再把CA代入热量衡算方程 求得反应温度的新值T 若T 与T足够接近 则计算结束 否则以T 作为反应温度新的假设值 重复上述计算过程 四 理想混合搅拌釜式反应器的设计内容与步骤 1 根据生产任务 确定反应器的实际容积与直径 1 根据生产能力要求确定进料速率q 2 选取进料温度 加热或冷却介质温度以及反应转化率 通过物料衡算和动力学方程联立求解 确定有效体积VR 3 按照热量衡算式 求所需要的换热面积Ar 4 选择合适的装料系数 求取所需反应器的实际体积Va 装料系数的选取 不带搅拌或搅拌缓慢的反应过程 0 8 0 85 带搅拌的反应器 0 7 0 80 易引起泡和在沸腾下操作 0 4 0 60 储槽和计量槽 0