釜式反应器的研究
釜式反应器操作与控制—理想连续操作釜式反应器

理想连续操作釜式反应器的计算
理想连续操作釜式反应器的计算
理想连续操作釜式反应器的计算
通过[例2-1]和[例2-2]的反应结果可以看出:完成相 同的生产任务,连续操作釜式反应器的生产时间比间歇操 作釜式反应器的生产时间要长。主要原因是连续操作釜式 反应器内的化学反应是在出口处的低浓度下进行的。
反应时间不是判别反应器生产效率高低的唯一标准,还需综合考虑
同的搅拌和加料情况,以适应工艺上的不同要求。
理想连续操作釜式反应器
管式反应器
理想连续操作釜式反应器
投资大 职工工作量大
维护成本高 操作难度高
串联釜数一般不超过4
《化学反应器操作与控制》
多釜串联的计算
多釜串联的计算
多釜串联
理想连续操作釜式反应器
n-CSTR的基础设计式
理想连续操作釜式反应器
《化学反应器操作与控制》
理想连续操作釜式反应器的特点
理想连续操作釜式反应器的特点
理想连续操作釜式反应器操作现场
理想连续操作釜式反应器的特点
流体流动符合全混流理想流动模型 连续进料和出料; 过程参数与空间位置、时间无关; 容易自动控制,节省人力。
理想连续操作釜式反应器的特点
反应物浓度、转化率、反应速率处处相等
QkJc/与hT的函数关系式在Q-T坐标图 上为一直线。
▪2. 放热速率Qr和移热速率Qc
结论: 热稳定状态点一定是定态
点,而定态点不一定都具有热 稳定性。
▪ 3.热稳定条件
定常条件:Qr=QC
▪ 稳定条件
dQr dQc dT dT
注意::CSTR中进行吸热反应时 ,
没有热稳定性问题。
▪ 3.热稳定条件
《化学反应器操作与控制》
釜式反应器化工

0
0
rA VR d(VRCA) dt
即:
rA
VR
d(VRCA)dnA
dt
dt
17
2021/2/8
nAnA0(1xA)
dnAnA0dxA
上式写成转化率的形式:
nA0
dxA dt
(rA)VR
18 2021/2/8
积分得
t nA0
xA dxA 0 VR(rA)
t
CA0
xA 0
dxA rA
2 2021/2/8
研究内容 3.1 等温间歇釜式反应器的计算(单一反应) 3.2 等温间歇釜式反应器的计算(复合反应) 3.3 全混流反应器的设计 3.4 全混流反应器的串联与并联 3.5 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 3.6 变温间歇釜式反应器的计算 3.7 全混流反应器的定态操作与分析
CA0CACPC Q
C QC A 0[1k2ex p ( k1 k t1 ) k k1 2ex p ( k2 t)]
反应物系组成随时间的变化关系如图3-4所示,
如果P是目的产物,其值有最优解。通过CP对
时间求导数,可以得到:
令
dC P dt
0
topt
lnk2 k1 k2 k1
2021/2/8
即:
同理:
rP
dnP dt
0
rP
dCP dt
0
2021/2/8
28
d dP C tk1 C Ak1 C A 0ex k p 1k2t
CPkk11C A k021exp k1k2t
同理可得:
CQkk12C A k0 21exp k1k2t
同理可得:
反应物系的组成随时间的变化关系如图3.3所示。
釜式反应器的特点

釜式反应器的特点
单釜连续操作 物料不断加入,产物不断的流出。在搅 拌作用下,釜内各点浓度均匀一致,出口 浓度与釜中浓度相同,属定态过程。但物 料在釜内停留时间不一,因而会降低转化 率。其产品质量稳定,易于自动控制,宜 于大规模生产。
釜式反应器的特点
多釜串联操作 可分段控制反应,提
高每釜的推动力。克服单釜 连续操作中返混大,物料浓 度低的缺点;温差小,易于 稳定控制温度。生产中常采 用2-4釜串联。
釜式反应器的特点
半连续操作 一种物料一次性全部加入,另一种物料 连续加入。物料浓度随时间不断变化,属 非定态过程。适宜于小型生产,对放热剧 烈的反应,用改变进料速度的方法来调节 放热量的变化,达到控制温度的目的。
釜式反应器
一、釜式反应器的结构
釜式反应器
釜体:由壳体和上、下封头组成,其高与直
径之比一般1~3之间。必须提供足够的体积
以保证反应物有一定的停留时间来达到规
定的转化率;必须有足够的强度和耐腐蚀
能力以保证操作安全可靠。
釜式反应器
换热装置
釜式反应器
搅拌装置:由搅拌器和传动装置组成
二、釜式反应器的特点
反应时间(t)可参考动力学方程结合物料衡算 求得,或者由生产经验值与实验值获得。辅 助时间(t’)由实践经验确定。
2. 反应釜的总容积(VT)
VT VR /
装料系数 一般在0.4~0.85之间, 不起泡不沸腾的物料可取0.7~0.85,易起 泡或沸腾的物料可取0.4~0.6
第五章釜式连续反应器

n为搅拌器转数;d为搅拌器叶轮直径;NQR为无因次准 数。在有挡板的条件下,对于推进式叶轮NQR=0.5;
对 于 涡 轮 式 叶 轮 ( 六 叶 , 宽 径 比 为 1:5) ,
NQR=0.93D/d(用于Re104,D为反应器内径; d为搅
拌器桨径)。
连续釜式反应器在结构上通常与间歇釜式反应 器相同。其常见的进出料方式如下
①已知反应釜串联的个数n以及反应体积VR(也就 是停留时间τ),求终点转化率xAf ②已知终点转化率xAf,求串联的个数n(已知反应 体积,即停留时间τ) ③已知终点转化率xAf,求反应体积VR(已知串联 的个数n)
第五章 连续釜式反应器
5.1 连续釜式反应器的特点及应用 5.2 连续釜式反应器的设计 5.3连续釜式反应器的并联与串联 5.4釜式反应器的热量衡算与定态操作 5.5返混对复杂反应产品分配的影响
连续釜式反应器的特点
• 定义:连续釜式反应器是一种以釜式反应器实现连续生产的 操作方式。
• 与间歇釜式相比,具有生产效率高,劳动强度低,操作费用 小,产品质量稳定,易实现自控等优点。
FV0CA0=FVfCAf+ rAVR
液相反应时,可视为恒容,FV0=FVf;而且稳态 操作时,xA=xAf,CA=CAf,于是
VR
FV 0 (CA0 rA
-CA)
由于
xA
CA0 - CA CA0
所以
VR
=
FV 0CA0 xA rA
这就是等温恒容液相连续釜式反应器的设计方程。
在给定操作条件以及反应的动力学方程后,可由 简单的代数计算求得反应体积。
CA2 1+ k3 3
CAn-1 1 kn n
2.1釜式反应器的结构与特点

1.
2.
3.
4.
5.
6.
釜式反应器
化工
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。当反应釜容积不大、需传热面积较小、 载热体压力不高时宜使用。
釜式反应器
釜式反应器
化工
⑤ 回流冷凝式
当物料在沸腾的状态下进行反应,可利用部分物料 气化撤热,气化后的物料经釜外冷凝器冷凝后回流入釜。
釜式反应器
化工
⑥直接火热式
当反应温度高达873K以上时,应采用直接火 热式或者电感加热式换热器。
总结:你学到了什么?
化工
釜式反应器基础知识 釜式反应器的特点 釜式反应器的安保和维护 釜式反应器的操作方法
化工
2.1 釜式反应器的 结构与特点
釜式反应器
化工
1、带有搅拌装置且高径比不大的反应设备。
2、特点 ➢有液相参与的反应 ➢适用于常压、低压操作,适 应性强,易于清理 ➢体积偏大,生产能力低,不 适合转化率高的反应
釜式反应器
化工
3.釜式反应器由哪些部分构成?
壳体
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ换热装置
反
应
搅拌装置
釜
传动装置
轴封装置
壳体和搅拌器可选用碳钢材料,为了防腐效果,可有内衬。
釜式反应器
化工
(1)壳体
主要包括筒体、底、盖、手孔或人孔、视镜及各种工 艺接管口。常用的形状如下:
釜式反应器
化工
(2)搅拌器
其作用是强化反应物料的均匀混合,从而强化传质、 传热,常见的搅拌器形式有:
釜式反应器的特点

特点
操作优点
釜式反应器的特点
练一练
1.多釜串联操作与单釜串联操作、间 歇操作相比较的优点是什么?
2. 间歇操作、单釜连续操作、多釜串 联操作和半连续操作过程的不同点。
釜式反应器的特点
讨论
多釜串联操作中是否釜数越多 越好,为什么?
结论
不是,随串联釜数的增加,设备 的折旧费和操作费将增加,通常采用 2~4釜串联。
釜式反应器
一、釜式反应器的结构
釜式反应器
釜体:由壳体和上、下封头组成,其高与直
径之比一般1~3之间。必须提供足够的体积
以保证反应物有一定的停留时间来达到规
定的转化率;必须有足够的强度和耐腐蚀
能力以保证操作安全可靠。
釜式反应器
换热装置
釜式反应器
搅拌装置:由搅拌器和传动装置组成
二、釜式反应器的特点
解:已知原料的处理量为462kg/h
平均每小时处理的原理体积为:
V0 462/ 0.75 616L / h
Hale Waihona Puke 则乙酸初始浓度为:C0 1.08/ 616 1.8 103 kmol/ L
则每批次所需反应时间:
1 1 1 1 1 1 t ( ) ( ) 128min 2.13h 3 3 k C A C A0 17.4 0.2 1.8 10 1.8 10
反应釜容积的计算
1. 反应釜的有效容积(VR) 反应器有效体积VR是指反应物料在反 应器中所占的体积。 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t') VR = V0 (t+t')
V0—为平均每小时处理物料体积,m3/h;
t —每批物料达到规定转化率所需的时间,h; t’—加料、卸料、清洗等辅助时间,h;
釜式反应器的机理

釜式反应器的机理釜式反应器是一种常用的化学反应器,在化工工业中广泛应用。
它的机理可以通过以下几个方面进行描述。
釜式反应器的机理与反应的类型密切相关。
不同类型的反应会有不同的机理。
例如,酯化反应是一种常见的反应类型,其机理可以简单地描述为酸和醇在存在催化剂的条件下发生酯化反应,生成酯和水。
在釜式反应器中,酸和醇被加入到反应器中,通过搅拌混合,催化剂的作用下进行反应。
反应的温度和压力可以根据具体反应的要求进行调节。
釜式反应器的机理还与反应过程中的物质转化和反应速率有关。
物质转化是指反应物在反应过程中的变化程度,可以通过反应物的浓度变化来描述。
反应速率是指单位时间内反应物转化的程度,可以通过反应物浓度随时间的变化率来表示。
在釜式反应器中,物质转化和反应速率受到多种因素的影响,如反应物浓度、反应温度、反应时间等。
通过控制这些因素,可以调节反应的速率和转化程度。
釜式反应器的机理还与反应过程中的热量平衡有关。
在一些反应中,反应会释放热量,而在另一些反应中,反应则需要吸收热量。
釜式反应器的机理需要考虑如何平衡反应过程中的热量。
通常情况下,釜式反应器会配备冷却装置,以控制反应温度,防止过热或过冷的情况发生。
通过控制反应的温度,可以达到最佳的反应条件,提高反应的效率和产率。
釜式反应器的机理还与反应过程中的反应物传质和产物分离有关。
反应物传质是指反应物在反应过程中的传递过程,可以通过反应物浓度的梯度来描述。
产物分离是指将反应物和产物进行分离的过程,以便纯化产物或回收未反应的反应物。
在釜式反应器中,反应物传质和产物分离需要考虑反应器的设计和操作条件。
例如,反应器的搅拌强度、反应器的形状和尺寸等都会影响反应物传质和产物分离的效果。
釜式反应器的机理涉及到反应的类型、物质转化和反应速率、热量平衡以及反应物传质和产物分离等方面。
通过深入理解釜式反应器的机理,可以更好地设计和操作反应器,提高反应的效率和产率,实现化工工业的可持续发展。
第三章 釜式反应器

������������
1
= − ln 1 − ������
1 − ������
������
化学反应工程——釜式反应器
7
t与CA0有关 t与CA0无关
2. 间歇反应器的反应体积:
������ = ������ ������ + ������
式中: Q0— 单位时间内处理的反应物料的体积(由生产任务决定) t— 反应时间 t0— 辅助时间
1 − ������
������������
������������
1 反应时间:������ =
������������
������������ 1 − ������
若 ������ ≠ 1
t = 1 − ������
−1
������ − 1 ������������
若 ������ = 1
1 ������ = ������
������ = = ������ ������
(5)
������������
初 始 条 件 : t=0时,CA=CA0 ; CP=0; CQ=0
对 ( 4 ) 积 分 得 : ∴ ������ =
ln =
ln
(6)
由此式可求得为达到一定的XA所需要的反应时间,式(6)也可写成:
������ = ������ exp − ������ + ������ ������
1 − exp − ������ + ������ ������
������ + ������
两种产物的浓度之比,在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。
化学反应工程——釜式反应器
16
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的速度从反应器流出,保持反应器内物料体积恒定后,向反应器中加入一定量的示踪物,分
析示踪物的浓度随时间的变化。因为注入示踪物所用时间极短,数量又少,所以可认为示踪
物的流动行为与和它同时进入设备的反应流体流动行为相同,即示踪物在反应器内停留时间
返混程度的大小,一般很难直接测定,通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然 而测定不同状态的反应器内停留时间分布时,我们可以发现,相同的停留时间分布可以有不
同的返混情况,即返混与停留时间分布不存在一一对应的关系,因此不能用停留时间分布的
实验测定数据直接表示返混程度,而要借助于反应器数学模型来间接表达。
[ ]2D0 为 52.5°,果糖 [ ]2D0 为-91.9°。D 表示所用光波为钠黄光,其波长为 589nm;正值表示
右旋(使偏振面顺时针偏转),负值表示左旋(偏振面逆时针偏转)。由于果糖的左旋性大
于葡萄糖的右旋性,随着反应的进行,反应产物的浓度逐渐增大,溶液的右旋性逐渐减少,
以至经过 0°角后转变为左旋。所以可用溶液的旋光度变化来度量反应的程度。
学反应式如下:
C12H22O11(蔗糖)+H2O—→C6H12O6(果糖)+C6H12O6(葡萄糖)
水解反应可视为一级反应,其速率方程为:
dC A dt
kC A
﹒2﹒
积分上式得
ln C0 kt CA
﹒3﹒
式中 CA 为 t 时蔗糖的浓度;k 为反应速度常数。
蔗糖及其水解产物都为旋光物质,其比旋光度分别是;蔗糖 [ ]2D0 为 66.65°,葡萄糖
(6)Βιβλιοθήκη 从上式可以看出,对于一定初始浓度和 PH 值的蔗糖溶液来讲,随着水解反应的进行,通过
测定溶液的旋光度,即可通过(6)式计算出溶液中的蔗糖浓度,因此可算出相应水解产物
的浓度。α0、α∞、αt 都是可以测定的,CA0 可以从反应器各物流的流量和浓度计算,由此可 直接计算出 F。因而可通过测定的 αt 直接由(6)式算出 CA。
2
用电导仪测定 KCl 溶液的电导率,并配以自动平衡记录仪记录电导率的变化,此变化
用电讯号 V 与时间 t 的关系曲线表示,通过下面的换算即可得到 KCl 在反应器内停留时间
分布密度函数 E(t)。
溶液浓度 C(t)与电讯号 V(t)的关系式为
C(t)=μ′V(t)
﹒10﹒
式中 μ′为常数。
将 C(t)关系式代入 E(t)关系式,得
分布密度函数 E(t)与反应物料相同。停留时间介于 t 和 dt 间的示踪物物料量 QE(t)dt,将在 t
和 t+dt 间流出反应器。故
QE(t)dt=UC(t)dt
﹒7﹒
因而
E(t)=(U/Q)C(t)
﹒8﹒
式中,U 为总流量(ml/min);Q 为示踪物总量(mg);C(t)为示踪物出口浓度(g/L)。
停留时间分布的表示方法有两种,一种称为分布函数 F(t),其物理意义是停留时间小于
t 的粒子所占的分率;另—种称为时间分布密度因数 E(t),其物理意义是停留时间为 t 的粒子
的概率。两个函数的关系为:
E(t)=dF(t)/dt
﹒1﹒
蔗糖在酸催化下水解转化为果糖和葡萄糖的化学反应是一个典型的液相催化反应,其化
显然,若测知示踪物浓度随时间变化的函数关系 C(t),即可得到停留时间分布密度函数
E(t)随时间的变化。
本实验以示踪物 KCl 来测定反应器停留时间分布,用电导仪测定 KCl 的电导率随时间
的变化。KCl 电导率与浓度的关系为
CKClλKCl=KKCl
﹒9﹒
式中,CKCl 为 KCl 的浓度;λKCl 为 KCl 的摩尔电导;KKCl 为 KCl 的电导率。
溶液的旋光度为溶液中各组分旋光度之和。溶液的浓度可分别表示为
CA0=F(α0-α∞) CA=F(αt-α∞)
﹒4﹒ (5)
1
式中 α0、αt、α∞分别表示反应时间为 0、t、∞时溶液的旋光度,对于给定的条件,α∞为常数;
CA 为溶液的浓度;F 为常数。可将(5)式改写为
CA=Fαt-Fα∞=Fαt-B
E(t)dt 1
0
﹒16﹒
所以
dA/A=E(t)dt
﹒17﹒
3
dA/dt=V(t)
E(t)
V (t) A
V (t)
V (t)
V (t)dt
V (t)t
0
0
﹒18﹒
根据 V(t)的测定数据即可计算出反应器的平均停留时间 τm 和无因次散度 t2 ,
tn
tn
tn
tn
m ti E(ti ) / E(ti ) tiV (ti ) / V (ti )
三、实验原理
在连续流动的反应器内,不同停留时间的物料之间的混合称为返混。连续操作的理想 反应器有 2 种,即平推流反应器和全混反应器。平推流反应器完全没有返混,而全混反应器 则达到完全返混。二者分别描述了连续式反应器的两种极端情况,而实际反应器的返混状况 介于二者之间。但实际的管式反应器的混合状况更接近于平推流反应器,实际的釜式反应器 更接近于全混反应器。
一、实验目的
1、掌握停留时间分布的测定及其数据处理方法; 2、对反应器进行模拟计算及其结果的检验; 3、熟悉根据停留时间分布测定结果判定釜式反应器混合状况和改进反应器的方法; 4、了解单釜反应器、串联釜式反应器对化学反应的影响规律,学会釜式反应器的配置 方法。
二、实验内容
1、测定单釜反应器和串联反应釜的停留时间分布; 2、将停留时间测试数据的处理结果与全混反应器和平推流反应器相比较,分析单釜和 串联反应器的返混情况; 3、根据停留时间测试数据的处理结果和蔗糖水解的化学反应速度方程式计算反应器出 口浓度和反应转化率,与全混反应器单釜和三釜串联的计算结果加以比较; 4、在单釜和三釜串联的实验装置上进行蔗糖水解实验,测定出口反应产物的旋光度, 将出口浓度和反应转化率与上述计算结果进行比较及分析讨论。
E(t)=(U/Q)μ′V(t)
﹒11﹒
令
μ=μ′U/Q
﹒12﹒
则
E(t)=μV(t)
﹒13﹒
因为
dA
A
V (t)dt
V (t)dt
0
﹒14﹒
其中 A 为 V(t)-t 曲线下的面积(mm﹒s);将 E(t)与 V(t)关系代入上式,得
dA
A
E(t)dt
E(t)dt
0
﹒15﹒
因为