釜式反应器选择与操作
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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》
连续釜式反应器的定态操作
§3-8 连续釜式反应器的定态操作
我们从CSTR的热量衡算式看到，达到定态下的温度与 反应动力学方程的形式和浓度相关。而且对于操作温度T 而言，热量衡算方程是高度非线性的。因此，由上述两个 方程组成的非线性方程组可以计算出反应器的定态温度和 浓度（T.C），而且有可能是多解，即多个定态点问题。
下面我们就多定态点产生原因和过程，以及怎样运用 所用的知识进行反应器设计和操作进行介绍。
A
rA
kCA
A
exp
E RT
CA来自CSTR物物料衡算式为:
V
Q0 X A
r A exp E （ / RT）1 X
A
（3-92）
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§3-8 连续釜式反应器的定态操作 一、定态操作
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§3-8 连续釜式反应器的定态操作 一、定态操作
或qr(remove)=qg(generate) 移热速率 = 生热速率
线性关系（对T） 非线性关系高度非线性
qr
Q 0
p Cpi T T0 UAh T Tc
且仅当qr-qg时（交叉时）才能够达到定态。如果 qr～T与qg～T均为线性关系，那么有可能出现下 面两种情况
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§3-8 连续釜式反应器的定态操作 一、定态操作
因为qg～T为高度解线性方程，即交点可能是一个，二个 或三个，先看一下演示：
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
第三章 釜式反应器
半间歇釜式反应器的物料衡算式：
设有反应：
A B R , r k ' c AcB
Q0c A0
QcA
( R A )V
d (V c A ) dt
Q 0 c A 0 Q c A R AV
d (V c A ) dt
式中V为反应器中混合物的体积，其值随时间而变。假定操作开始时先向反应器中注入 体积为V0的B,然后连续输入A,流量为Q,浓度为CA0，且不连续导出物料，即Q=0，即有
V V0 Q 0t
若将VCA看做变量，则该式为一阶线性微分方程，初始条件是t=0， VCA=0， Q0为常数时，一阶微分方程的解为：
VcA
Q0c A0 k
1 e x p ( k t )
将
V V0 Q 0t
cA cA0
代入
VcA
Q0c A0 k
1 e x p ( k t )
Q 0 c A 0 R AV
d (V c A ) dt
又设B大量过剩，则该反应可按一级反应处理，即 rA kc A
,代入上式有：
Q 0 c A 0 k c A 0V
任意时间下反应混合物的体积：
d (V c A ) dt
V V0
t 0
Q0dt
若为恒速加料，则Q0为常数，所以
FA 0 v0 c A 0
= T (v c p + K A )-(v c p T 0 + K A T m )
(v c p + K A )
-(v c p T 0 + K A T m )
= T (v c p + K A )-(v c p T 0 + K A T m )
反应器选型与操作方式
xA
1
k
e
1
opt
max
CP,max CA0
[( k2
1 )1 2
1]2
k1
xA
k 1
1k1
opt
opt
转化率较高时
转化率中等时
0
xAf xA
CSTR PFR
∴ PFR 比CSTR优
0
xAf xA
CSTR PFR
∴ PFR 与CSTR相当
Chemical Reaction Engineering 自催化反应的操作优化：
7.4平行反应的优化
Chemical Reaction Engineering
•平行反应的浓度效应 浓度升高有利于级数高的反应
•优化目标：CPf 或Φ
C CAf
Pf PFR
CA0
dCA
CPf CSTR f (CA0 CAf )
Chemical Reaction Engineering
β
β
n1 n2
f
n1 n2
f
CAf
CA0
CSTR比PFR优
CAf
CA0
PFR比CSTR优
Chemical Reaction Engineering
β 如图：问产物浓度最大 时的反应器组合形式？ 答：PFR+CSTR+PFR
组合示意图： CA0
CAf
CA0
CAf
平行反应的加料方式 间歇操作:
Chemical Reaction Engineering
•连续操作
Chemical Reaction Engineering
Chemical Reaction Engineering
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
反应器一(绪论+釜式)
6、安全装置:安全阀和爆破膜
7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管
二、釜式反应器的搅拌装置
1、搅拌的目的
使物料混和均匀,强化传热和传质。
包括：（1）加快互溶液体的混合；
（2）使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中；
（3）使气体以气泡的形式分散于液体中；
（4）使固体颗粒在液体中悬浮；
（5）加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。
②压力试验有两种，液压试验和气压试验。
致密性试验：
①符合下列情况时，容器应考虑进行致密性试验：
a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时；
b.对真空有较严格要求时；
如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。
②致密性试验方法有：气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等
2、壳体的材质
壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。
C搪玻璃反应釜性能如下：
①耐腐蚀性：能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；PH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。
②耐热性：允许在- 30～+240℃范围内使用
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、釜式反应器的筒体
作用：主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。
A筒体一般按外压容器考虑。
原因（1）、搅拌釜通常适用于低压或常压反应
（2）、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源
二、化学反应器的分类
7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管
二、釜式反应器的搅拌装置
1、搅拌的目的
使物料混和均匀,强化传热和传质。
包括：（1）加快互溶液体的混合；
（2）使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中；
（3）使气体以气泡的形式分散于液体中；
（4）使固体颗粒在液体中悬浮；
（5）加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。
②压力试验有两种，液压试验和气压试验。
致密性试验：
①符合下列情况时，容器应考虑进行致密性试验：
a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时；
b.对真空有较严格要求时；
如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。
②致密性试验方法有：气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等
2、壳体的材质
壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。
C搪玻璃反应釜性能如下：
①耐腐蚀性：能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；PH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。
②耐热性：允许在- 30～+240℃范围内使用
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、釜式反应器的筒体
作用：主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。
A筒体一般按外压容器考虑。
原因（1）、搅拌釜通常适用于低压或常压反应
（2）、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源
二、化学反应器的分类
化工反应过程之釜式反应器
釜式反应器的搅拌装置
搅拌器的作用，通过搅拌达到物料的充分混合，增强 物料分子碰撞，强化反应器内物料的传质传热
搅 拌 器 类 型
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
釜式反应器的搅拌装置
挡板：一般是指固定在反应釜内壁上的长条
挡 形板挡板。它可把切线流转变为轴向流和径 板 向流，增大了液体的湍动程度，从而改善了
多个连续操作釜式反应器的串联
FA0
FA1
C A0
CA1
1
FA2
CA2
2
FAi1
C Ai 1
FAi
CAi
i
FAN 1 CiN 1
FAN
CiN N
任一釜物料衡算 FA(i1)dt FAidt (rA )iVRidt 0
VR i
FA0
(x Ai x A(i1) ) (rA )i
c A0 V0
(x Ai x A(i1) ) (rA )i
V0 c p (T T0 ) KA(T TW ) VR (rA )(H r )
连续操作釜式反应器的热稳定性
热稳定性判断：
放热速率： QR VR (rA )(H r ) 恒容一级不可逆反应：
QR
V0cA0 (H r )k0 exp( E RT) 1 k0 exp( E RT)
移热速率： QC V0 c p (T T0 ) KA(T TW )
热稳定条件： Qc QR
dqr dqg dT dT
连续操作釜式反应器的热稳定性
操作参数的影响：
着火点和熄火点
定态温度会随着操作条件的改变而改变。 放热反应可能有多定态；吸热反应：定态唯一。
项目四、釜式反应器的技能训练
03 第三章 釜式反应器1
（3-6）
nA0 dX A Vr R A
（3-7）
（3-7）适用于多相，均相及等温，非等温的间歇 反应过程
义：
nA0 c A0 Vr
X Af 0
∴
t c A0
1 dX A R A
（3-8）
若进行a级单一不可逆反应
R A rA k c A
LOGO
化学反应工程
第三章 釜式反应器
1
LOGO
第三章—釜式反应器
连续搅拌釜式反应器
重点掌握: 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。 连续釜式反应器的计算 。 空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。 连续釜式反应器的串联和并联。 釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式 的选择。 连续釜式反应器的质量、热量衡算式的建立与应用。 深入理解： 变温间歇釜式反应器的计算。 广泛了解： 串联釜式反应器最佳体积的求取方法。 连续釜式反应器的多定态分析与计算。 产生多定态点的原因，着火点与熄火点的概念。
j 1
M
（3-2）
ij
关键组分i 在第j个独立均 相反应中的化学计量数
反应物: 产物:
Ri 0
Ri 0
I. 定态操作，累积速率dni/dt，则式（3-1）化为
连续釜式反应器的物料衡算式
Q0 ci 0 Qci Vr i j rj
j 1
M
i 1, 2,, K
（3.4）
dFR 令： dt 0
（3-15）
根据函数求极值方法，目标函数对t求导， （3-16）
dcR cR 得： dt t t0
（3-17）
（3-17）即为FR最大时必须满足的条件，此 时的t即为最优反应时间tm。
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• 四、釜式反应器结构
• 图1一1是一种典型的釜式反应器，它由钢板卷焊制成圆筒体，再焊接 上由钢板压制的标准釜底，并配上釜盖、夹套、搅拌器等部件。由图 可见其结构主要由以下几部分组成:壳体结构、搅拌装置、密封装置 和换热装置。
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任务1 釜式反应器的选择
• 1.釜式反应器壳体结构 • (1)罐体。 • 釜式反应器的壳体结构包括筒体、底、盖(或称封头)、手孔或入孔、
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任务1 釜式反应器的选择
• (7)反应釜支架。 • 反应釜支架有两种:悬吊式支架和支承式支架。悬吊式支架是可以将
反应釜固定在操作平台上，而支承式支架则是安放在地面上，如图1 一10所示。 • 2.釜式反应器的搅拌装置 • (1)搅拌器的形式及结构。 • 精细化学工艺的许多过程都是在有搅拌装置的釜式反应器中实现的。 搅拌的目的是: • 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。一也能刮除沉积在器壁上的附着物，提高传热效率。
• ②活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度 的敏感程度。E越大，温度对反应速率的影响越大。除了个别的反应 外，一般反应速率均随温度的上升而加快。E越大，反应速率随温度 的上升而增加得越快。
• ③对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度 随着温度的升高而降低。
• 在均相反应系统中如只进行如下不可逆化学反应:
• 1.均相反应速率 • 化学反应速率是指单位时间、单位体积的物料数量的变化量。物料指
反应物或产物。因此，均相反应速率定义式为:
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任务1 釜式反应器的选择
• 2.均相反应动力学方程 • 反应动力学方程一般式为:
• 在一般情况下，反应速率常数k与热力学温度T之间的关系可以用 Arrhe-nins经验方程表示，即:
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任务1 釜式反应器的选择
• 压料管:它是利用压缩空气或其他气体从反应釜中将全部液态物料压 出时所用的管子。并不是每一个反应釜都必须有这样一根压料管，只 有在这一反应釜内的物料要输送到位置更高或并列到另一设备中去， 才考虑安装压料管。压料管的位置一般贴着釜壁安装，如图1一8所示。
往采用多级减速器。
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任务1 釜式反应器的选择
• (3)搅拌器的工作原理与选型。 • 实现搅拌操作的主要部件是叶轮，针对不同的物料系统和不同的搅拌
目的，制成了不同结构类型的叶轮。它的作用是通过其自身的旋转将 机械能传送给液体，使叶轮附近区域的流体湍动同时所产生的高射流 推动全部液体在反应釜内沿一定途径做循环流动。 • 3.釜式反应器的密封装置 • 在装有搅拌器的反应釜中，搅拌轴要从釜盖穿出，以便和传动装置相 连。同时还要保证轴能够转动。而设备内的物料蒸汽或气体一也就有 可能沿釜盖的轴孔逸出。这不但造成物料的损失，而且由于许多物料 是易燃、易爆和有毒的，容易发生危险。此外，在某些情况下釜内需 要造成压力或真空，而轴孔的存在一也会对加压和真空造成一定的困 难。于是就产生了轴的转动和反应设备密闭之间的矛盾。填料箱就是 解决这个矛盾的一个部件。它既不妨害轴的转动，而且也可以使设备 保持很大程度的密闭。
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任务1 釜式反应器的选择
• 三、釜式反应器分类
• 1.按操作方式分类 • 按操作方式分类可分为间歇釜式反应器、连续釜式反应器和半连续釜
式反应器。 • (1)间歇釜式反应器，一也称间歇釜。 • 间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一
定要求后，一次卸出物料。间歇釜式反应器的优点是设备简单，操作 灵活，同一设备可用于生产多种产品，易于适应不同操作条件和产品 品种的生产，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种、反 应时间较长的产品生产。
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任务1 釜式反应器的选择
• (2)连续釜式反应器，一也称连续釜。 • 连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。当操作达到定
态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而 变化。 • (3)半连续釜式反应器。 • 半连续操作釜式反应器一也称为半间歇操作釜式反应器，介于上述两 者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后另一种原料连续加入的 反应器。反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。半连续操作釜 式反应器特别适用于要求一种反应物的浓度高而另一种反应物的浓度 低的化学反应，适用于可以通过调节加料速度来控制反应温度的反应。 其特性介于间歇釜和连续釜之间。
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任务1 釜式反应器的选择
• 2.按材质分类 • 按材质釜式反应器可分为钢制反应器、铸铁反应器和搪玻璃反应器。 • (1)钢制反应器。 • 钢制反应器特点是制造工艺简单，造价费用低，设备维护检修方便，
使用范围广泛，在化工生产中普遍使用。
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任务1 釜式反应器的选择
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任务1 釜式反应器的选择
• (2)高压釜。 • 高压釜在高压条件下，动密封往往难以保证不泄漏，所以常常采用磁
力搅拌，其特点是以静密封代替填料密封或机械密封，从而实现反应 釜在全密封状态下工作，保证一定压力。因此高压釜适用于各种极毒、 易燃易爆以及渗透力极强的化工工艺过程，是石油化工、有机合成、 食品、药品制备等工业的理想设备。
• (2)铸铁反应器。 • 铸铁是含碳量大于2. 1%的铁碳合金，铸铁是经过二次加工的产品，
所以比生铁耐磨，具有良好的化学稳定性，而且价格低。所以铸铁反 应器在氯化、磺化、硝化等重要的化学反应中使用较多。 • (3)搪玻璃反应器。 • 搪玻璃反应器俗称搪瓷锅或搪瓷釜。是在碳钢釜的内表面涂上二氧化 硅玻璃釉，经过1 173 K左右的高温焙烧，形成玻璃搪层。 • 3.按操作压力分类 • 按操作压力釜式反应器可分为低压釜和高压釜。 • (1)低压釜。 • 低压釜是最常见的搅拌釜式反应器。在搅拌轴与壳体之间采用动密封 结构，在低压(1. 6 MPa以下)条件下能够防止物料泄漏。
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任务1 釜式反应器的选择
• 下面介绍几种常用的搅拌器: • ①桨式搅拌器。 • 如图1一11所示，可以用钢制，一也可以用术板或高分子材料制成。 • ②框式搅拌器。 • 如图1一12所示，用扁钢、木材或高分子材料制成，框式搅拌器可以
看做是桨式搅拌器的变形，二者的区别在于框式搅拌器可使物料做不 大剧烈的上下混合。 • ③锚式搅拌器。 • 如图1一13所示，可看成是一种特殊的框式搅拌器，过去由铸铁浇铸 而成，现在可以由不锈钢、高分子材料和在无缝钢管外面涂以搪玻璃 材料而制成。
• 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需给予的能量。活化能的大 小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行; 活化能低，则容易进行。但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一 因素，它与频率因子A0，共同决定反应速率。应当注意:
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任务1 釜式反应器的选择
• ①活化能E不同于反应的热效应，它不表示反应过程中吸收或放出的 热量，而只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应 并无直接的关系。
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任务1 釜式反应器的选择
• ④推进器式搅拌器。 • 如图1一14所示，一般用不锈钢制成，用于对所处理的物料做剧烈的
混合，它可以搅拌钻度在6 000 cP以上的液体，它可以使易分层的液 体形成乳浊液或保持物料在悬浮状态。 • ⑤涡轮式搅拌器。 • 如图1一15所示，这类搅拌器能保证被处理物料做最剧烈的混合，用 以混合几种比重不同的钻稠液体形成乳浊液是最有效的，它是由拧紧 在轴上的涡轮组成。在涡轮旋转时被混合液体从中心被吸入，在离心 力的作用下向四面喷散。 • (2)搅拌器的传动装置。 • 将运动由电动机传给搅拌轴的整个机构称为搅拌器的传动装置。由电 动机通过齿轮或蜗杆传动装置来带动搅拌器的轴，并直接与电动机相 连，这样的传动装置称为个别传动。它的优点是:
视镜及各种工艺接管口等。釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。釜底和 釜盖常用的形状有碟形、平面形、球形和椭圆形，釜底一也有锥形， 如图1一2所示。 • (2)底和盖。 • 底和盖可以有各种不同的式样，常用的有折边椭圆形、折边球形、平 面形和蝶形，有时一也用锥形，如图1一3所示。各种底和盖式样的选 择是根据设备的操作条件来决定的。
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任务1 釜式反应器的选择
• (3)法兰。 • 罐体的上端和顶盖上均焊以成对的法兰，法兰之间安放填料，然后借
螺钉将其拧紧，以保证反应设备的密闭。法兰可由钢板切成(适用于 罐体直径不大的情况)，或由扁钢或角钢圈制，或用钢铸制，或者锻 制。关于法兰的直径、厚度、螺钉的规格、数量等均在国家标准中有 具体规定，法兰的常见种类如图1一4所示。 • (4)入孔。 • 在大多数反应釜的盖上都有入孔(或手孔)，入孔(或手孔)被用来加 • 人固态物料和清理、检修反应釜内部。入孔的直径为400Illtll(圆形的) 或300mmX 400mm(椭圆形的)，大部分入孔是圆形的。入孔(HG 2152821535一95)或手孔(HG 21515一21527 - 95)已有标准，设计时 根据设备的公称压力、工作温度以及所用材料上按标准直接选用，其 示意图如图1 -5所示。
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任务1 釜式反应器的选择
• ①紧凑，容易照看，安全。 • ②传动效率高。 • ③功率系数大。 • ④操作方便。 • 个别传动装置的两种形式: • ①齿轮减速器:齿轮减速器的速比不能很大，应用于搅拌器转速较高
的场合，100一400 r/min，如图1一16所示的是齿轮减速器装置。 • ②涡轮减速器:其速比可以较大，应用于需要低速搅拌的场合，20 • 120 r/min，如图1一17所示。对于转速小于20 r/min的搅拌器，则往
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• 图1一1是一种典型的釜式反应器，它由钢板卷焊制成圆筒体，再焊接 上由钢板压制的标准釜底，并配上釜盖、夹套、搅拌器等部件。由图 可见其结构主要由以下几部分组成:壳体结构、搅拌装置、密封装置 和换热装置。
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任务1 釜式反应器的选择
• 1.釜式反应器壳体结构 • (1)罐体。 • 釜式反应器的壳体结构包括筒体、底、盖(或称封头)、手孔或入孔、
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任务1 釜式反应器的选择
• (7)反应釜支架。 • 反应釜支架有两种:悬吊式支架和支承式支架。悬吊式支架是可以将
反应釜固定在操作平台上，而支承式支架则是安放在地面上，如图1 一10所示。 • 2.釜式反应器的搅拌装置 • (1)搅拌器的形式及结构。 • 精细化学工艺的许多过程都是在有搅拌装置的釜式反应器中实现的。 搅拌的目的是: • 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。一也能刮除沉积在器壁上的附着物，提高传热效率。
• ②活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度 的敏感程度。E越大，温度对反应速率的影响越大。除了个别的反应 外，一般反应速率均随温度的上升而加快。E越大，反应速率随温度 的上升而增加得越快。
• ③对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度 随着温度的升高而降低。
• 在均相反应系统中如只进行如下不可逆化学反应:
• 1.均相反应速率 • 化学反应速率是指单位时间、单位体积的物料数量的变化量。物料指
反应物或产物。因此，均相反应速率定义式为:
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任务1 釜式反应器的选择
• 2.均相反应动力学方程 • 反应动力学方程一般式为:
• 在一般情况下，反应速率常数k与热力学温度T之间的关系可以用 Arrhe-nins经验方程表示，即:
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任务1 釜式反应器的选择
• 压料管:它是利用压缩空气或其他气体从反应釜中将全部液态物料压 出时所用的管子。并不是每一个反应釜都必须有这样一根压料管，只 有在这一反应釜内的物料要输送到位置更高或并列到另一设备中去， 才考虑安装压料管。压料管的位置一般贴着釜壁安装，如图1一8所示。
往采用多级减速器。
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• (3)搅拌器的工作原理与选型。 • 实现搅拌操作的主要部件是叶轮，针对不同的物料系统和不同的搅拌
目的，制成了不同结构类型的叶轮。它的作用是通过其自身的旋转将 机械能传送给液体，使叶轮附近区域的流体湍动同时所产生的高射流 推动全部液体在反应釜内沿一定途径做循环流动。 • 3.釜式反应器的密封装置 • 在装有搅拌器的反应釜中，搅拌轴要从釜盖穿出，以便和传动装置相 连。同时还要保证轴能够转动。而设备内的物料蒸汽或气体一也就有 可能沿釜盖的轴孔逸出。这不但造成物料的损失，而且由于许多物料 是易燃、易爆和有毒的，容易发生危险。此外，在某些情况下釜内需 要造成压力或真空，而轴孔的存在一也会对加压和真空造成一定的困 难。于是就产生了轴的转动和反应设备密闭之间的矛盾。填料箱就是 解决这个矛盾的一个部件。它既不妨害轴的转动，而且也可以使设备 保持很大程度的密闭。
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• 三、釜式反应器分类
• 1.按操作方式分类 • 按操作方式分类可分为间歇釜式反应器、连续釜式反应器和半连续釜
式反应器。 • (1)间歇釜式反应器，一也称间歇釜。 • 间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一
定要求后，一次卸出物料。间歇釜式反应器的优点是设备简单，操作 灵活，同一设备可用于生产多种产品，易于适应不同操作条件和产品 品种的生产，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种、反 应时间较长的产品生产。
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• (2)连续釜式反应器，一也称连续釜。 • 连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。当操作达到定
态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而 变化。 • (3)半连续釜式反应器。 • 半连续操作釜式反应器一也称为半间歇操作釜式反应器，介于上述两 者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后另一种原料连续加入的 反应器。反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。半连续操作釜 式反应器特别适用于要求一种反应物的浓度高而另一种反应物的浓度 低的化学反应，适用于可以通过调节加料速度来控制反应温度的反应。 其特性介于间歇釜和连续釜之间。
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• 2.按材质分类 • 按材质釜式反应器可分为钢制反应器、铸铁反应器和搪玻璃反应器。 • (1)钢制反应器。 • 钢制反应器特点是制造工艺简单，造价费用低，设备维护检修方便，
使用范围广泛，在化工生产中普遍使用。
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任务1 釜式反应器的选择
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• (2)高压釜。 • 高压釜在高压条件下，动密封往往难以保证不泄漏，所以常常采用磁
力搅拌，其特点是以静密封代替填料密封或机械密封，从而实现反应 釜在全密封状态下工作，保证一定压力。因此高压釜适用于各种极毒、 易燃易爆以及渗透力极强的化工工艺过程，是石油化工、有机合成、 食品、药品制备等工业的理想设备。
• (2)铸铁反应器。 • 铸铁是含碳量大于2. 1%的铁碳合金，铸铁是经过二次加工的产品，
所以比生铁耐磨，具有良好的化学稳定性，而且价格低。所以铸铁反 应器在氯化、磺化、硝化等重要的化学反应中使用较多。 • (3)搪玻璃反应器。 • 搪玻璃反应器俗称搪瓷锅或搪瓷釜。是在碳钢釜的内表面涂上二氧化 硅玻璃釉，经过1 173 K左右的高温焙烧，形成玻璃搪层。 • 3.按操作压力分类 • 按操作压力釜式反应器可分为低压釜和高压釜。 • (1)低压釜。 • 低压釜是最常见的搅拌釜式反应器。在搅拌轴与壳体之间采用动密封 结构，在低压(1. 6 MPa以下)条件下能够防止物料泄漏。
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任务1 釜式反应器的选择
• 下面介绍几种常用的搅拌器: • ①桨式搅拌器。 • 如图1一11所示，可以用钢制，一也可以用术板或高分子材料制成。 • ②框式搅拌器。 • 如图1一12所示，用扁钢、木材或高分子材料制成，框式搅拌器可以
看做是桨式搅拌器的变形，二者的区别在于框式搅拌器可使物料做不 大剧烈的上下混合。 • ③锚式搅拌器。 • 如图1一13所示，可看成是一种特殊的框式搅拌器，过去由铸铁浇铸 而成，现在可以由不锈钢、高分子材料和在无缝钢管外面涂以搪玻璃 材料而制成。
• 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需给予的能量。活化能的大 小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行; 活化能低，则容易进行。但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一 因素，它与频率因子A0，共同决定反应速率。应当注意:
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任务1 釜式反应器的选择
• ①活化能E不同于反应的热效应，它不表示反应过程中吸收或放出的 热量，而只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应 并无直接的关系。
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• ④推进器式搅拌器。 • 如图1一14所示，一般用不锈钢制成，用于对所处理的物料做剧烈的
混合，它可以搅拌钻度在6 000 cP以上的液体，它可以使易分层的液 体形成乳浊液或保持物料在悬浮状态。 • ⑤涡轮式搅拌器。 • 如图1一15所示，这类搅拌器能保证被处理物料做最剧烈的混合，用 以混合几种比重不同的钻稠液体形成乳浊液是最有效的，它是由拧紧 在轴上的涡轮组成。在涡轮旋转时被混合液体从中心被吸入，在离心 力的作用下向四面喷散。 • (2)搅拌器的传动装置。 • 将运动由电动机传给搅拌轴的整个机构称为搅拌器的传动装置。由电 动机通过齿轮或蜗杆传动装置来带动搅拌器的轴，并直接与电动机相 连，这样的传动装置称为个别传动。它的优点是:
视镜及各种工艺接管口等。釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。釜底和 釜盖常用的形状有碟形、平面形、球形和椭圆形，釜底一也有锥形， 如图1一2所示。 • (2)底和盖。 • 底和盖可以有各种不同的式样，常用的有折边椭圆形、折边球形、平 面形和蝶形，有时一也用锥形，如图1一3所示。各种底和盖式样的选 择是根据设备的操作条件来决定的。
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任务1 釜式反应器的选择
• (3)法兰。 • 罐体的上端和顶盖上均焊以成对的法兰，法兰之间安放填料，然后借
螺钉将其拧紧，以保证反应设备的密闭。法兰可由钢板切成(适用于 罐体直径不大的情况)，或由扁钢或角钢圈制，或用钢铸制，或者锻 制。关于法兰的直径、厚度、螺钉的规格、数量等均在国家标准中有 具体规定，法兰的常见种类如图1一4所示。 • (4)入孔。 • 在大多数反应釜的盖上都有入孔(或手孔)，入孔(或手孔)被用来加 • 人固态物料和清理、检修反应釜内部。入孔的直径为400Illtll(圆形的) 或300mmX 400mm(椭圆形的)，大部分入孔是圆形的。入孔(HG 2152821535一95)或手孔(HG 21515一21527 - 95)已有标准，设计时 根据设备的公称压力、工作温度以及所用材料上按标准直接选用，其 示意图如图1 -5所示。
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任务1 釜式反应器的选择
• ①紧凑，容易照看，安全。 • ②传动效率高。 • ③功率系数大。 • ④操作方便。 • 个别传动装置的两种形式: • ①齿轮减速器:齿轮减速器的速比不能很大，应用于搅拌器转速较高
的场合，100一400 r/min，如图1一16所示的是齿轮减速器装置。 • ②涡轮减速器:其速比可以较大，应用于需要低速搅拌的场合，20 • 120 r/min，如图1一17所示。对于转速小于20 r/min的搅拌器，则往
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