第二章釜式反应器ppt课件

1、运用化学教研室孟小华第二章2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 间歇操作釜式反响器计算间歇操作釜式反响器计算2.3 2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.4 2.4 搅拌器搅拌器2.5 2.5 传热安装传热安装2.1 概述概述2.1.1釜式反响器构型釜式反响器构型1.釜体2.搅拌安装3.轴封4.换热安装封头筒体釜底手人孔透视镜工艺接纳口2.1.2釜式反响器特点及其运用釜式反响器特点及其运用釜式反响器的特点：构造简单、加工方便，传质、传热效率高，温度浓度分布均匀，操作灵敏性大。釜式反响器可用于气液、液液和液固相反响。2.2 间歇操作釜式反响器计算间歇操作釜式反响器计算理想混合

2、反响器：釜内物料完全混合，浓度、温度处处相等。间歇操作：反响参数随时间变化。等容过程。先求得为到达一定转化率所需的反响时间，然后结合非消费时间和每小时要求处置的物料量，计算反响器体积。2.2.1 反响时间反响时间计算式根据反响器物料衡算推导。 由于反响器内浓度、温度均一不随位置而变，故可对整个反响器有效体积(反响体积)进展物料衡算。间歇操作进料项和出料项均为零。物的积累量元体积内反应微元时间、微掉的反应物量元体积内转化微元时间、微反应物量微元体积的微元时间离开的反应物量入微元体积微元时间内进-物的积累量应体积内反应微元时间、反掉的反应物量应体积内转化微元时间、反反应物量微元体积的微元时间离开的

3、反应物量入微元体积微元时间内进-2.2 间歇操作釜式反响器计算间歇操作釜式反响器计算ARAdndVr)1 (0AAAxnnAAAdxndn0RAAAVrdxnd0AfRAAAVrdxnx00等容过程等容过程VR不变不变找出反响速度与转化率之间的函数关系找出反响速度与转化率之间的函数关系AfxAARArdxVn00AfxAAArdxC002.2 间歇操作釜式反响器计算间歇操作釜式反响器计算对于一级反响AR，反响速度方程式为AAkCr )x(kCAA10AfxAAAA)x(kCdxC0001AfxAA)x(dxk011f11ln1Axk等温过程等温过程 k为常数为常数对于二级反响2AB+C或A+B

4、C+D,nA0=nB0。反响速度方程式为：2AAkCr 2201)x(kCAAAfxAAAA)x(kCdxC022001AfxAAA)x(dxkC02011)1 (0AfAAfxkCxAArkCArk2AArkCAnArkC0AACktlnC0AAktCC0AAktCx0ktAACC e1ktAxe 11Aktlnx011AAktCC011AAAxktCx0AACCkt0AAktxC001AAACCC kt001AAAktxCC kt1101()1nnAAktCCn11011 (1)nnAAxktnC ）（ 理想间歇反响器中整级数单反响的反响结果表达式理想间歇反响器中整级数单反响的反响结果表达

5、式AfxAAArdxC002.2 间歇操作釜式反响器计算间歇操作釜式反响器计算2.2.2 反响器有效体积反响器有效体积VR)(VVR0V0 ：平均每小时需耍处置的物料体积，m3h-1：非消费时间，h反响器总体积V包括有效体积、分别空间、辅助部件占有体积VVR装料系数对于不起泡、不沸腾的物料对于起泡、沸腾的物料85. 07 . 0取6 . 04 . 0取2.2 间歇操作釜式反响器计算间歇操作釜式反响器计算例2.1 在搅拌良好的间歇操作釜式反响器中，用乙酸和丁醇消费乙酸丁酯，反响式为反响在等温下进展，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。当运用过量丁醇时，

6、其动力学方程式为 。下标A表示乙酸。在上述条件下，反响速度常数k为1.04m3kmol-1h-1，反响物密度为750 kgm-3，并假设反响前后不变。每天消费2400kg乙酸丁酯(不思索分别过程损失)，如要求乙酸转化率为50，每批非消费时间为0.5h，试计算反响器的有效体积。2AAkCr )1 (0AfAAfxkCx30k75. 17497. 46017501mmolCAh55. 05 . 0-175. 104. 15 . 0）（解 (1)计算反响时间 (2)计算有效体积VR 每小时处置总原料量为每小时处置原料体积为故反响器有效体积为)(VVR01103605 . 01116242400hkg

7、17347497. 460103103hkg13098. 0750734hmV304. 1)5 . 055. 0(98. 0mVR每天消费2400 kg乙酸丁酯，那么每小时乙酸用量为2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算0ACfAC浓度位置0ACfAC0AC1AC2AC3AC位置浓度1AC2AC3AC0AC理想混合反响器：釜内物料完全混合，浓度、温度处处相等。延续操作：反响参数不随时间变化。2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.3.1 单段延续釜式反响器单段延续釜式反响器0ACfAC00VFA、0f0)1 (VxFAARVAC对全釜有效体积和恣意时间间隔作物料衡

8、算0r)x1 (00RAAfAAVFFRAAfAVFrx0AAfARrxFV0AAfARrxCVV00等容一级反响AAfARrxCVV00)xk(xAfAf1等容二级反响AAfARrxCVV00201)x(kCxAfAAf等温过程AfAAfAxCxC1k0022001kAfAAfAxCxC2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.3.1 单段延续釜式反响器单段延续釜式反响器例2-3 在搅拌良好的釜式反响器内延续操作消费乙酸丁酯，反响条件和产量与例21一样，试计算延续釜式反响器的有效体积。解 由例2.1已计算出V0=0.98m3h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmolm-3

9、,k=1.04m3kmol-1h-1AAfARrxCVV00201)x(kCxAfAAf等容二级反响2001)x(kCxVVAfAAfR32m08. 15 . 0-175. 104. 15 . 098. 0）（2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.3.2 多段延续釜式反响器多段延续釜式反响器计算目的：根据义务计算到达一定转化率所需釜段数，各计算目的：根据义务计算到达一定转化率所需釜段数，各段釜体积及相应转化率。段釜体积及相应转化率。V0=V01=V02=V0i=V0N如对第i段釜进展物料衡算RiAiAVrFFAi1 - iRiAiAiAAiAVr)x(F)x(F11010Ai

10、AiAiARir)x(xFV10AiAiAiARiir)x(xCVV1000AC1AC2ACiACNAC00VFA1RV2RVRiVnRV1101AAxVF2202AAxVFi0AiAixVFn0AnAnxVF1 2 i NAiAiAiRirCCVV-10i2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.3.2 多段延续釜式反响器多段延续釜式反响器解析法一级反响1iAiAiiAiCCkCiiAiAkCC11i11011kCCAA22110221211k11kCkCCAAA33221103323111111kkkCkCCAAANNANNANANkkkkCkCC11111111332211

11、01AiiAiAiRiCk-CCVV10i第一段第二段第三段第N段AiAiAiRirCCVV-10i2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.3.2 多段延续釜式反响器多段延续釜式反响器 如各段反响器体积一样： 温度一样：N21kkkkN21NAAN) k(CC1000AANANCCCx二级反响AiAiAiRirCCVV-10i21k-AiiAiAiCCC温度体积一样21-ANANANkCCCkC kCANAN24111kC kCAA241101kkC kCAA2)2k411(41102N) k( 111NNANNANANkkkkCkCC11111111332211012.3 延

12、续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.3.2 多段延续釜式反响器多段延续釜式反响器 例24 用二段延续釜式反响器消费乙酸丁酯，第一段乙酸的转化率xAl为32.3，第二段转化率xA2为50，反响条件和产量同例2.1。计算各段反响器的有效体积。解 由例2.1已计算出V0=0.98m3h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmolm-3,k=1.04m3kmol-1h-1第一段2110011AAARkC-CCVV2120101)-x(kC-CCAAAA21011)-x(kCxAAA321m38. 0)323. 01 (75. 104. 1323. 098. 0RV第二段222021021)

13、-x(kC-CCVVAAAAR21AiiAiAiiCk-CC220121)-x(kC-xxAAAA32m38. 0RV321m76. 0RRVVV2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.3.2 多段延续釜式反响器多段延续釜式反响器 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。作出一样温度下由某段反响器物料衡算式所表示的rACA操作线，CArA2AArkCAiAiAirCC-1i1i11AiAiiAiCCr1AiCiriAC斜率i1RiVV-0二级反响2.3 延续操作釜式反响器计算延续操作釜式反响器计算2.3.2 多段延续釜式反响器多段延续釜式反响器例

14、2.5 以三段延续釜式反响器消费乙酸丁配，反响条件和产量同例2.1，用图解法求反响釜有效体积。解 由例2.1已计算出V0=0.98m3h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmolm-3,k=1.04m3kmol-1h-12AArkC0AC)x(CCAfAAf10875. 05 . 075. 1-4.4545. 40RVV322. 0mVR366. 022. 03mVfAC2.4 搅拌器搅拌器搅拌的目的：搅拌的目的：使互溶的两种或两种以上液体混合均匀；使互溶的两种或两种以上液体混合均匀；构成乳浊液或悬浮液；构成乳浊液或悬浮液；促进化学反响和加速物理变化过程、如促进溶解、吸收、促进化学反响和加

15、速物理变化过程、如促进溶解、吸收、吸附、萃取、传热等过程。吸附、萃取、传热等过程。 搅拌的方法：机械搅拌搅拌的方法：机械搅拌( (或称叶轮搅拌或称叶轮搅拌) )、气流搅拌、射流搅、气流搅拌、射流搅拌和管道混合等。拌和管道混合等。 搅拌器类型、操作特性及搅拌功率搅拌器类型、操作特性及搅拌功率 2.4 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：0.30.5D 常用转速：100500r.min-1叶端圆周速度：38m.s-1适用：粘度小于5Pa.s液体，要求小尺度均匀搅拌以及固液悬浮、溶解和气体分散等过程。透平式叶轮反响釜内

16、径2.4 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：0.20.5D 常用转速：100500r.min-1叶端圆周速度：515m.s-1适用：低粘度液体的搅拌或固液比小的悬浮、溶解。2.4 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：0.50.8D 浆叶宽度：1/61/4D叶端圆周速度：1.53m/s 常用转速：1100r.min-1适用：简单的液体混合，固体的悬浮和溶解，当旋转直径达0.9D时，可设多层浆叶，可用较高粘度的液体搅拌。平直叶 折叶2.4 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 搅拌器旋转直径：

17、0.90.98D 浆叶宽度：1/61/4D叶端圆周速度：0.51.5m/s 常用转速：1100r.min-1框式叶轮锚式叶轮适用：中高粘度液体混合、传热反响等过程2.4 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：0.90.98D 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2.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌功率搅拌功率 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抑制流体摩擦阻力所需求

18、的功体在搅拌釜内发生循环流动及抑制流体摩擦阻力所需求的功率。率。搅拌功率搅拌功率=f(叶轮外形、大小、转速和位置及液体性质、反响叶轮外形、大小、转速和位置及液体性质、反响釜尺寸和内部构件釜尺寸和内部构件,gN,d,fP用因次分析法推导得到的液液系统功率关联式53dNPNPyxPFrKRNe功率准数 K:系统几何外形的总外形系数2.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌功率搅拌功率 Nd2Re gdNFr2弗劳德准数表征打旋层流：Re10过渡区：10Re104雷诺准数yxyPgdNdNPKFN)(Rer253功率函数对于不打旋的系统，可忽略重力的影响，53RedNPKNxP2.4 搅拌器搅拌器2.4.

19、2 搅拌功率搅拌功率 将 或 NP 与 Re 标绘在双对数坐标上，就可得到功率曲线。对一详细几何构型只需一条功率曲线，与搅拌槽大小无关。独一性独一性无挡板有挡板53dNP yPFNr2.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌功率搅拌功率 在层流搅拌条件下Re104)321dNKP 532dNKP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yPFNr2.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌功率搅拌功率 对无挡板而Re300的搅拌系统不能忽略重力影响时yRelgyPFNr2.4 搅拌器搅拌器 例2.6 有一六平片涡轮式搅拌器，直径0.5m，位于反响釜中心，转速100 rmin-1。釜径为1.5

20、m，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 19702 . 0945601005 . 0Re22Nd300yyPdNPFN)141. 0(r53yRelg40, 10574. 0-gdNFr2141. 0WP303查图：曲线5，2yPFNr2.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌功率搅拌功率 1.外形因子对搅拌功率的影响外形因子对搅拌功率的影响叶轮直径与器径比叶轮直径与器径比对径向流叶轮对径向流叶轮(平桨、涡轮平桨、涡轮)，湍流形状下，湍流形状下对轴向流叶轮，湍流形状下对轴向流叶轮，湍流形状下 叶片宽度叶片宽度w、叶片数目

21、、叶片数目nb和外形和外形对平桨和涡轮对平桨和涡轮对六叶片盘式涡轮对六叶片盘式涡轮 2 . 1dDNP9 . 0dDNP4030.PdwN670.PdwN5020.dw2.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌功率搅拌功率 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，功率耗费与液深无关495. 0nbPN 327. 0nbPN 8 . 0706n.bPN60.PDHN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(Hj=0.9D)时功率耗费低，反之高.多个叶轮2.4 搅拌器搅拌器2.4.2 搅拌功率搅拌功率 Pl六平片涡轮

22、的搅拌功率；P2多叶轮系统的功率；s叶轮间间隔1双平片涡轮2平与斜叶片涡轮3双斜叶片涡轮2.4 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)是反响器器径的14，反响器为圆简形，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0.002Pas，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522104 . 2002. 01000601504 . 0ReNd1 . 2811-2PN，曲线查图的挡板块宽度为角，个叶片，DdwDd1

23、 . 04458 ,41,31校正d/D比的影响(2)对各项不同条件进展校核2 . 11212dDdDNNPP2 . 1dDNP94. 233. 025. 01 . 22 . 112校正叶片宽度w与叶片数目nb的影响35. 01223wdwdNNPP4030.PdwN723. 225. 020. 094. 235. 012495. 0nbPN 495. 01234bbPPnnNN934. 184723. 2954 . 02.4 搅拌器搅拌器2.4 搅拌器搅拌器校正液深的影响60.PDHN6 . 01245HDHDNNPP467. 25 . 1943. 16 . 0校正叶轮数目的影响225. 0

24、5 . 0,5 . 13sDDdsDHH则、84. 012PPNN074. 2467. 284. 06PN(3)计算搅拌功率53dNNPPw68.3974 . 0601501200074. 2530.842.4 搅拌器搅拌器2.固体悬浮系统的搅拌功率固体悬浮系统的搅拌功率 临界悬浮形状临界悬浮形状在临界悬浮形状下，各种粒度的固体颗粒在垂直方向上刚好在临界悬浮形状下，各种粒度的固体颗粒在垂直方向上刚好全部分开反响器底部，有效相际外表不再添加，此形状下的全部分开反响器底部，有效相际外表不再添加，此形状下的搅拌速度称为临界悬浮速度。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到达临界悬浮形状

25、所得功率耗涡轮搅拌器和六叶片以下平桨到达临界悬浮形状所得功率耗费的计算式：费的计算式：13 . 5092. 0dDDHjlstCegVuP5 . 0,43. 036. 0 ,10Re3DHjHDd此公式适用范围1218s,mgdulspt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响器体积计算的液体体积分数按反响器体积计算的液体体积分数2.4 搅拌器搅拌器完全均匀悬浮形状使悬浮液在Hs深度内到达均匀悬浮形状，即每个取样点的悬浮百分数均为100时所需搅拌功率。1 . 035. 421321DHjHstmmedDuVgPs1218s,mgdulspt此公式适用范

26、围70. 3e2 . 0d5 . 0, 5 . 0, 5 . 0s,105 . 2Re4的指数中系数为时，当HDddHDHjH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 例2.8 反响釜直径为1.8m，内盛20的水4100kg和150目萤石粉0kg，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13 . 5092. 0dDDHjlstCegVuP3m528. 43180136010004100Vgd

27、ulspt182905. 0528. 410. 413-24-m01. 0101181000318081. 9101s）（WePC5051000318001. 0528. 481. 9092. 0905. 0905. 016 . 08 . 18 . 16 . 03 . 5在15m深处均匀悬浮所需搅拌功率：2.4 搅拌器搅拌器1 . 035. 421321DHjHstmmedDuVgPs3kg1244815. 333871360mm32815. 35 . 18 . 14mVm3m387. 331801360-815. 3水Vgdulspt182888. 0815. 3387. 3WePs1070

28、6 . 08 . 1888. 0101. 0815. 3124481. 91 . 08 . 16 . 05 . 135. 4213213-24-m01. 0101181000318081. 9101s）（(2)叶轮转速 假设在高度湍流下操作2.4 搅拌器搅拌器410Re 有挡板532dNKP11315min25.6102. 16 . 010001 . 6505rsrNc11315min4 .78308. 16 . 010001 . 61070srsrNNd2Re 验证雷诺数453-210106 . 3101100002. 16 . 02.4 搅拌器搅拌器3.气液悬浮系统的揽拌功率气液悬浮系统的

29、揽拌功率 通入气体呵斥的搅拌功率的变化；通入气体呵斥的搅拌功率的变化；到达一定气体分散程度所需的搅拌功率到达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。搅拌功率降低。31不通气的搅通气的通气后的搅气后的kDd2.4 搅拌器搅拌器此时搅拌功率的计算式：45. 056. 0320g9 .353QNdPP对于气液间的化学反响，此时到达指定的两相接触时间，所需搅拌功率的计算式为47. 0ggVPCQ通气量的上限最大通气量时的搅拌功率75. 03m194. 0FrNdQax53560max361dNFr.PL.g,2.4 搅拌器搅拌器4.电动机功率确实定电动机功率确实定搅拌功率搅拌器的轴功率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Pmax 。 湍流时层流时湍流时的功率耗费大321dNKP 532dNKP充分挡板化湍流条件下所需搅拌功率为最大搅拌功率2 . 1dDNP4030.PdwN2.5 传热安装传热安装2.5.1 传热安装构型夹套式、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任