理想反应器(间歇釜)

3．理想流动反应器3．1反应器计算的内容和基本方程式

一、反应器计算的基本内容

1、选择合适的反应器型式

2、确定最佳操作条件

3、计算完成生产任务所需的反应器体积

二、反应器计算的基本方程反应器计算可以采用经验法和数学模型法。经验计算法是根据已有的装置生产定额，进行相同生产条件、相同结构生产装置的工艺计算。局限性很大，只能在相近条件下进行反应器体积的估算。数学模型法计算的基础是描述化学过程本质的动力学模型以及反映传递过程特性的传递模型。基本方法是以实验事实为基础，建立上述模型，并建立相应的求解边界条件，然后求解。

3．1反应器计算的内容和基本方程式

反应器计算的基本方程包括：描述浓度变化的物料衡算式；描述温度变化的能量衡算式；描述压力变化的动量衡算式；描述反应速率变化的动力学方程式。

3．1反应器计算的内容和基本方程式

1、物料衡算式依据：质量守衡定律。基准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。衡算式：对任一组分A在单元时间Δτ、单元体积ΔV内：[A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量]目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。3．1反应器计算的内容和基本方程式

2、热量衡算式依据：能量守衡定律。基准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。衡算式：在单元时间Δτ、单元体积ΔV内（以放热反应为例）：

[积累的热量]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量]-[出料带走的热量]-[传给环境或热载体的热量]目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。3．1反应器计算的内容和基本方程式

3、动量衡算式动量衡算式以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化。当气相流动反应器的进出口压差很大，以致影响到反应组分浓度时，就要考虑流体的动量衡算。

一般情况下，反应器计算可以不考虑此项。

3．1反应器计算的内容和基本方程式

4、动力学方程式对于均相反应，需要有本征动力学方程；对于非均相反应，应该有包括相际传递过程在内的宏观动力学方程。物料衡算式和动力学方程式是描述反应器性能的两个最基本的方程式。3．1反应器计算的内容和基本方程式

3.2釜式反应器的结构

釜式反应器是生产中广泛采用的反应器。它可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。

釜式反应器的结构,主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分组成。3.2.1釜式反应器的壳体结构釜式反应器的壳体结构包括筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。1、筒体：圆筒形2、封头平面形：适用于常压或压力不高时；碟形：应用较广。球形：适用于高压场合；椭圆形：应用较广。锥形：适用于反应后物料需要分层处理的场合。3.2.1釜式反应器的壳体结构3、手孔、人孔：安装和检修设备的内部构件。4、视镜：观察设备内部物料的反应情况，也作液面指示用5、安全装置:安全阀和爆破膜6、其它工艺接管

进料管:伸向釜内成对45

切口指向中央。出料管:下出料管；上出料管:管子设在最低处并成对45

角仪表接管:测P、T、取样等3.2.1釜式反应器的壳体结构

一、搅拌目的使物料混和均匀，强化传热和传质。包括：均相液体混合；液-液分散；气-液分散；固-液分散；结晶；固体溶解；强化传热等3.2.2搅拌器

二、搅拌液体的流动模型液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的“流动模型”，简称“流型”。(a)轴向流(b)径向流(c)切线流打漩现象3.2.2搅拌器

三、常用搅拌器的型式、结构和特点化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置，包括搅拌器：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。3.2.2搅拌器

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。3.2.2搅拌器

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。3.2.2搅拌器

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。3.2.2搅拌器

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。3.2.2搅拌器

5、螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来。螺带的高度通常取罐底至液面的高度。螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低，通常不超过50r/min，产生以上下循环流为主的流动，主要用于高粘度液体的搅拌。3.2.2搅拌器

四、搅拌附件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、导流筒等。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。3.2.2搅拌器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。3.2.2搅拌器

五、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。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。3.2.2搅拌器

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。3.2.2搅拌器对于气-液分散过程，如何考虑选择搅拌器？对于固体悬浮操作，如何考虑选择搅拌器？对于溶解过程，如何考虑选择搅拌器？对于结晶过程，如何考虑选择搅拌器？对于以传热为主的搅拌操作，如何考虑选择搅拌器？3.2.2搅拌器3.2.3轴封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。

轴封装置主要有填料密封和机械密封两种。3.2.3轴封1、填料密封：结构简单，填料装缷方便，但使用寿命较短，难免微量泄漏。2、机械密封：结构较复杂，但密封效果甚佳。3.2.4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感加热。

1、夹套式夹套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。

3.2.4换热装置

夹套的高度取决于传热面积，而传热面积由工艺要求确定。夹套高度一般应比釜内液面高出50－100mm左右，以保证传热。当反应器的直径大或者加热蒸汽压力较高(>0.6MPa)时，夹套必须采取加强措施。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。

3.2.4换热装置

2、蛇管式当工艺需要的传热面积大，单靠夹套传热不能满足要求时，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。3.2.4换热装置

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,容易引起物料堆积和挂料,影响传热效果.3.2.4换热装置

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。

3.2.4换热装置

4、外部循环式当反应器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足工艺要求，或无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺要求时，可以采用外部循环式。3.2.4换热装置

5、回流冷凝式反应在沸腾下进行或蒸发量大的场合。3.2.4换热装置3.2.5高温热源的选择

一般的低压饱和水蒸汽加热时最高只能达到150-160℃，需要更高温度时则需考虑高温热源的选择问题。化工厂常用的高温热源有以下几种

1、压力高的饱和水蒸汽压力可达一至数MPa，来源有高压蒸汽锅炉、利用反应热的废热锅炉或热电站的蒸汽透平。缺点:需高压管道输送蒸汽，费用高，且远距离输送时热损失大。

2、高压汽水混合物个别设备需高温加热时，较经济可行。可用于温度为200-250℃的加热要求。

3.2.5高温热源的选择3、有机载热体联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分。利用其常压沸点高、熔点低、热稳定性好等特点可提供高温的热源。优点：能在较低的压力下得到较高的加热温度。温度范围：能用于200～350℃的范围。3.2.5高温热源的选择4、无机熔盐硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物可用于300～400℃的情况。

3.2.5高温热源的选择

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加热设备。缺点是热效率低，给热系数小，温度不易控制。可用于600℃以上的高温加热。3.2.5高温热源的选择一般的传热问题，要移走热量，可以采用很大的温差，也可以采取增大传热系数或传热比表面积的措施。但化学反应器中的传热条件不能任意选择，因为反应器内的化学反应和传热过程相互交联。这种交互作用具体表现在对传热温差的限制。对一个在高温条件下进行的强放热反应，必须采用高温介质作为冷却剂。否则将影响稳定操作。3.2.5高温热源的选择练习1、适用于粘稠物料的搅拌器是________。

A、框式B、推进式C、涡轮式D、桨式2、对低粘度均相液体混合，应优先选择____________搅拌器。

A、螺带式B、涡轮式C、桨式D、推进式3、对于气-液分散过程，应优先选择____________搅拌器。

A、锚式B、涡轮式C、桨式D、推进式4、为维持200℃的反应温度，工业生产上常用_______作载热体。

A、水B、导生油C、熔盐D、烟道气5、反应器内壁衬有橡胶、瓷砖等非金属材料时，不宜采用夹套式换热。6、含有固体颗粒的物料及粘稠的物料，不宜采用蛇管式换热器。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、具有足够强的传热条件，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。3.3间歇釜式反应器(BatchReactor)3.3间歇釜式反应器(BR)4、釜内各点物料的浓度、温度、反应速度相同，随时间而变。touttout/2CA,OCA,outCAttime03.3间歇釜式反应器(BR)优点：

操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产

精细化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定应用：用于液—液相、气—液相等系统，如染料、医药、农药等小批量多品种的行业。3.3.1BR容积和数量求算一、已知条件1、每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0）或V0=FA0/CA0=W0/ρ2、操作周期——由反应时间（生产时间）τ和非生产时间τ‘组成。反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情况定。3、设备装料系数——设备中物料所占体积与设备实际容积之比，其值参见表3-1。二、计算方法1、已知V0与，根据已有的设备容积V，求算需用设备个数n

按设计任务每天需要操作的总次数为每个设备每天能操作的批数为

3.3.1BR容积和数量求算则需用设备个数为：

n’需取整数n，n

＞n’

。因此实际设备总能力比设计要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示，则：

3.3.1BR容积和数量求算2、已知每小时处理物料体积V0与操作周期，则需要设备的总容积为：求得设备总容积后，可查得系列设备标准选用决定设备的容积V和个数n。例3-1讲解3.3.1BR容积和数量求算复习1、两种理想流动模型的名称、含义、特点及浓度分布2、返混的含义、返混对反应的影响、降低返混措施3、反应器计算的基本内容有哪些？4、反应器计算的基本方程有哪些？5、釜式反应器的主要结构及各部分作用6、搅拌器的型式及选型7、换热装置的型式及选择8、高温热源的类型及选择9、轴封及分类10、BR容积和数量的计算3.3.2BR的动力学计算法一、基础设计式

[A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量]简化1、整个反应过程中温度、浓度均一，与位置无关，

V=VR2、不稳定过程：

τ=dτ

3、间歇操作：进、出料量均为零。3.3.2BR的动力学计算法一、基础设计式

dnA=0-0-(-rA)VRdτnA0dxA=(-rA)VRdτ

通式，表达了在一定操作条件下为达到所要求的转化率xAf所需的反应时间τ。适用于任何间歇反应过程：均相或非均相；恒温或非恒温。但对于非恒温过程需结合反应器的热量衡算求解。二、求解方法1、解析法：直接积分法（1）恒容时，VR为常数

B.R中物料达一定出口转化率所需时间τ取决于反应速度，与处理量无关，所以可用于直接放大。

3.3.2BR的动力学计算法（2）恒温、恒容不可逆时零级反应：一级反应：3.3.2BR的动力学计算法（2）恒温、恒容不可逆时二级反应：

3.3.2BR的动力学计算法（3）非恒温恒容间歇反应对于间歇操作釜式反应器要做到绝对恒温是极其困难的。当反应热效应不大时，近似恒温是可以做到的，但当反应热效应很大时就很难做到。另一方面，对于许多化学反应，恒温操作的效果不如变温操作好。

3.3.2BR的动力学计算法（3）非恒温恒容间歇反应非等温过程，反应速度常数随温度变化，而温度又随转化率变化，则需联解方程：

k=f（T）

T=f（xA）间歇反应过程温度与时间的关系可由热量衡算式来确定。3.3.2BR的动力学计算法2、图解法当（-