第二章 釜式反应器

第二章釜式反应器2023/9/13第1页，课件共57页，创作于2023年2月第二章釜式反应器2023/9/13第2页，课件共57页，创作于2023年2月2.1概述2.2间歇操作釜式反应器计算2.3连续操作釜式反应器计算2.4搅拌器2.5传热装置主要内容2023/9/13第3页，课件共57页，创作于2023年2月2.1

概述2.1.1釜式反应器构型1.釜体2.搅拌装置3.轴封4.换热装置封头筒体釜底手（人）孔透视镜工艺接管口2.1.2釜式反应器特点及其应用釜式反应器的特点：结构简单、加工方便，传质、传热效率高，温度浓度分布均匀，操作灵活性大。釜式反应器可用于气－液、液－液和液－固相反应。2023/9/13第4页，课件共57页，创作于2023年2月2023/9/13第5页，课件共57页，创作于2023年2月2023/9/13第6页，课件共57页，创作于2023年2月2.2

间歇操作釜式反应器计算理想混合反应器：釜内物料完全混合，浓度、温度处处相等。间歇操作：反应参数随时间变化。等容过程。先求得为达到一定转化率所需的反应时间，然后结合非生产时间和每小时要求处理的物料量，计算反应器体积。2.2.1反应时间反应时间计算式根据反应器物料衡算推导。①由于反应器内浓度、温度均一．不随位置而变，故可对整个反应器有效体积(反应体积)进行物料衡算。②间歇操作．进料项和出料项均为零。

2023/9/13第7页，课件共57页，创作于2023年2月2.2

间歇操作釜式反应器计算

等容过程VR不变找出反应速度与转化率之间的函数关系2023/9/13第8页，课件共57页，创作于2023年2月2.2间歇操作釜式反应器计算对于一级反应A→R，反应速度方程式为等温过程

k为常数对于二级反应2A→B+C或A+B→C+D,nA0=nB0。反应速度方程式为：2023/9/13第9页，课件共57页，创作于2023年2月反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1

理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式2023/9/13第10页，课件共57页，创作于2023年2月2.2

间歇操作釜式反应器计算2.2.2反应器有效体积VRV0：平均每小时需耍处理的物料体积，m3·h-1τ`：非生产时间，h反应器总体积V包括有效体积、分离空间、辅助部件占有体积装料系数对于不起泡、不沸腾的物料对于起泡、沸腾的物料2023/9/13第11页，课件共57页，创作于2023年2月2.2

间歇操作釜式反应器计算例2.1在搅拌良好的间歇操作釜式反应器中，用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，反应式为反应在等温下进行，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。当使用过量丁醇时，其动力学方程式为。下标A表示乙酸。在上述条件下，反应速度常数k为1.04m3·kmol-1·h-1，反应物密度ρ为750kg·m-3，并假设反应前后不变。每天生产2400kg乙酸丁酯(不考虑分离过程损失)，如要求乙酸转化率为50％，每批非生产时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。2023/9/13第12页，课件共57页，创作于2023年2月解(1)计算反应时间(2)计算有效体积VR

每小时处理总原料量为每小时处理原料体积为故反应器有效体积为每天生产2400kg乙酸丁酯，则每小时乙酸用量为2023/9/13第13页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算浓度位置位置浓度理想混合反应器：釜内物料完全混合，浓度、温度处处相等。连续操作：反应参数不随时间变化。2023/9/13第14页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算2.3.1单段连续釜式反应器对全釜有效体积和任意时间间隔作物料衡算等容一级反应等容二级反应（等温过程）2023/9/13第15页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算2.3.1单段连续釜式反应器例2-3在搅拌良好的釜式反应器内连续操作生产乙酸丁酯，反应条件和产量与例2．1相同，试计算连续釜式反应器的有效体积。解由例2.1已计算出V0=0.98m3·h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmol·m-3,k=1.04m3·kmol-1·h-1等容二级反应2023/9/13第16页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算2.3.2多段连续釜式反应器计算目的：根据任务计算达到一定转化率所需釜段数，各段釜体积及相应转化率。V0=V01=V02=V0i=V0N如对第i段釜进行物料衡算…12iN2023/9/13第17页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算2.3.2多段连续釜式反应器解析法一级反应第一段第二段第三段第N段2023/9/13第18页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算2.3.2多段连续釜式反应器如各段反应器体积相同：温度相同：二级反应温度体积相同2023/9/13第19页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算2.3.2多段连续釜式反应器例2．4用二段连续釜式反应器生产乙酸丁酯，第一段乙酸的转化率xAl为32.3％，第二段转化率xA2为50％，反应条件和产量同例2.1。计算各段反应器的有效体积。解由例2.1已计算出V0=0.98m3·h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmol·m-3,k=1.04m3·kmol-1·h-1第一段第二段2023/9/13第20页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算2.3.2多段连续釜式反应器（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rA~CA的关系曲线。作出相同温度下由某段反应器物料衡算式所表示的rA~CA操作线，CArA斜率二级反应CAi+12023/9/13第21页，课件共57页，创作于2023年2月2.3

连续操作釜式反应器计算2.3.2多段连续釜式反应器例2.5以三段连续釜式反应器生产乙酸丁配，反应条件和产量同例2.1，用图解法求反应釜有效体积。解由例2.1已计算出V0=0.98m3·h-1,xAf=0.5,CA0=1.75kmol·m-3,k=1.04m3·kmol-1·h-1-4.452023/9/13第22页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器搅拌的目的：①使互溶的两种或两种以上液体混合均匀；②形成乳浊液或悬浮液；③促进化学反应和加速物理变化过程、如促进溶解、吸收、吸附、萃取、传热等过程。搅拌的方法：机械搅拌(或称叶轮搅拌)、气流搅拌、射流搅拌和管道混合等。

搅拌器类型、操作特性及搅拌功率

2023/9/13第23页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.1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：0.3～0.5D常用转速：100～500r.min-1叶端圆周速度：3～8m.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。透平式叶轮反应釜内径2023/9/13第24页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.1搅拌器类型

2.

螺旋桨式搅拌器叶轮直径：0.2～0.5D常用转速：100～500r.min-1叶端圆周速度：5～15m.s-1适用：低粘度液体的搅拌或固液比小的悬浮、溶解。2023/9/13第25页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.1搅拌器类型

3.浆式搅拌器旋转直径：0.5～0.8D浆叶宽度：1/6～1/4D叶端圆周速度：1.5～3m/s常用转速：1～100r.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2023/9/13第26页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.1搅拌器类型

4.锚式和框式搅拌器旋转直径：0.9～0.98D浆叶宽度：1/6～1/4D叶端圆周速度：0.5～1.5m/s常用转速：1～100r.min-1框式叶轮锚式叶轮适用：中高粘度液体混合、传热反应等过程2023/9/13第27页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.1搅拌器类型

5.螺带式搅拌器旋转直径：0.9～0.98D浆叶宽度：1/6～1/4D叶端圆周速度：<2m/s常用转速：0.5～50r.min-1适用：中高粘度液体的混合，传热及反应等过程涡轮式、螺旋桨式小叶片、高转速；较低粘度液体的混合桨式、锚式和框式、螺带式大叶片、低转速；较高粘度液体的混合2023/9/13第28页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器叶轮作用：通过自身旋转将机械能传递给流体，使叶轮附近区域的流体流动，同时所产生的高射流推动全部液体在反应器内沿一定途径作循环流动。搅拌粘度不高的液体时，如果搅拌速度足够高，就会产生漩涡消除打旋现象的措施：设置挡板当μ=5~12Pa·s可减少挡板宽度当μ>12Pa·s,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2023/9/13第29页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.2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，为使流体在搅拌釜内发生循环流动及克服流体摩擦阻力所需要的功率。搅拌功率=f(叶轮形状、大小、转速和位置及液体性质、反应釜尺寸和内部构件）用因次分析法推导得到的液—液系统功率关联式功率准数

K:系统几何形状的总形状系数2023/9/13第30页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.2搅拌功率

弗劳德准数表征打旋层流：Re<10过渡区：10＜Re<104湍流：Re>104雷诺准数功率函数对于不打旋的系统，可忽略重力的影响，2023/9/13第31页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.2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。对一具体几何构型只有一条功率曲线，与搅拌槽大小无关。唯一性层流湍流过度流无挡板有挡板2023/9/13第32页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.2搅拌功率

在层流搅拌条件下（Re<10）在湍流搅拌条件下(Re>104)对于无挡板的系统对于有挡板的系统查图法功率曲线求2023/9/13第33页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.2搅拌功率

对无挡板而Re>300的搅拌系统．不能忽略重力影响时2023/9/13第34页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器例2.6有一六平片涡轮式搅拌器，直径0.5m，位于反应釜中心，转速100r·min-1。釜径为1.5m，平底无挡板。釜内液深1.5m，叶轮距釜底0.5m，液体粘度0.2Pa·s，密度945kg·m-3。试计算搅拌功率。解查图：曲线5，2023/9/13第35页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.2搅拌功率

1.形状因子对搅拌功率的影响①叶轮直径与器径比对径向流叶轮(平桨、涡轮)，湍流状态下对轴向流叶轮，湍流状态下②叶片宽度w、叶片数目nb和形状对平桨和涡轮对六叶片盘式涡轮

2023/9/13第36页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.4.2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③液层深度H

对高粘度液体，功率消耗与液深无关2023/9/13第37页，课件共57页，创作于2023年2月④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)时功率消耗低，反之高.⑤多个叶轮2.4

搅拌器2.4.2搅拌功率

Pl—六平片涡轮的搅拌功率；P2—多叶轮系统的功率；s—叶轮间距离1—双平片涡轮2—平与斜叶片涡轮3—双斜叶片涡轮2023/9/13第38页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

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1／5．叶轮直径(0.4m)是反应器器径的1／4，反应器为圆简形，液深是器径的1.5倍，两叶轮分别位于1／3和2／3液深处。器内分布四块挡板，宽为器径的l／10。液体密度为l000kg·m3，粘度为0.002Pa·s，叶轮转速为150r·min，试求所需搅拌功率。解：（1）计算操作条件下的雷诺数2023/9/13第39页，课件共57页，创作于2023年2月①校正d/D比的影响(2)对各项不同条件进行校核②校正叶片宽度w与叶片数目nb的影响2.4

搅拌器2023/9/13第40页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器③校正液深的影响④校正叶轮数目的影响(3)计算搅拌功率0.842023/9/13第41页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器2.固体悬浮系统的搅拌功率

①临界悬浮状态在临界悬浮状态下，各种粒度的固体颗粒在垂直方向上刚好全部离开反应器底部，有效相际表面不再增加，此状态下的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达到临界悬浮状态所得功率消耗的计算式：此公式适用范围悬浮液体的总体积固体颗粒的最大沉降速度按反应器体积计算的液体体积分数2023/9/13第42页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器②完全均匀悬浮状态使悬浮液在Hs深度内达到均匀悬浮状态，即每个取样点的悬浮百分数均为100％时所需搅拌功率。此公式适用范围悬浮界面以下悬浮液体积悬浮液的密度2023/9/13第43页，课件共57页，创作于2023年2月例2.8反应釜直径为1.8m，内盛20℃的水4100kg和150目萤石粉1360kg，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2023/9/13第44页，课件共57页，创作于2023年2月在1．5m深处．均匀悬浮所需搅拌功率：2.4

搅拌器2023/9/13第45页，课件共57页，创作于2023年2月(2)叶轮转速假设在高度湍流下操作2.4

搅拌器有挡板验证雷诺数2023/9/13第46页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器3.气液悬浮系统的揽拌功率

通入气体造成的搅拌功率的变化；达到一定气体分散程度所需的搅拌功率①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。2023/9/13第47页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器此时搅拌功率的计算式：②对于气液间的化学反应，此时达到指定的两相接触时间，所需搅拌功率的计算式为③通气量的上限最大通气量时的搅拌功率2023/9/13第48页，课件共57页，创作于2023年2月2.4

搅拌器4.电动机功率的确定搅拌功率（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d／D值影响Pmax。湍流时层流时湍流时的功率消耗大充分挡板化湍流条件下所需搅拌功率为最大搅拌功率2023/9/13第49页，课件共57页，创作于2023年2月2.5

传热装置2.5.1传热装置构型夹套式、插入式、列管式、外部循环式、回流冷凝式、电感加热式①夹套式当传热速率要求不高和载热体工作压力低于600kPa（158℃饱和水蒸汽压力）时，常用夹套传热结构蜂窝夹套角钢夹套2023/9/13第50页，课件共57页，创作于2023年2月2.5

传热装置2.5.1传热装置构型②插入式需要强化传热速率或釜内壁衬有非金属材料时，可在釜内设置插入式构件。2023/9/13第51页，课件共57页，创作于2023年2月2.5

传热装置2.5.1传热装置构型③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。2023/9/13第52页，课件共57页，创作于2023年2月2.5

传热装置2.5.2

常用热源（1）压力高的饱和水蒸汽大于600kPa表压的饱和水蒸汽（2）高压汽水混合物温度为200－250℃（3）有机载热体联苯混合物（道生油）26.5％联苯、73.5％二苯醚的低共熔和低共沸混合物，熔点12.3℃，沸点258℃。温度低于160℃的加热热水或低压水蒸汽温度高于160℃的加热需用高温热源温度大于165℃2023/9/13第53页，课件共57页，创作于2023年2月2.5

传热装置2.5.2

常用热源（4）电加热有电阻加热、感应电流加热、短路电流加热三种类型电加热操作方便、热效率高、便于实现自控和遥控（5）烟道气加热用煤气、天然气、石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟道气作热源可用于300℃以上的高温加热2023