釜式及均相管式反应器PPT

流速↑
粘度↑
流动阻力↑ 机械能被消耗 湍动程 度下降 总体流动范 围大大缩小
大直径低转速搅拌器
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
桨式搅拌器
锚式和框式搅拌器 螺带式搅拌器
2.Major Diameter and Low Speed Agitators (1) 桨式搅拌器
由于等容过程中，c c ( 1 x ) A A0 A
c A0 t kc

x Af
0
dx A f ( xA )
在计算中采用转化率和残余浓度两种形式表示反应要求。 若要求达到规定转化率，即着眼于反应物料的利用率， 或着眼于减轻反应后的分离任务。另一种要求是达到规 定的残余浓度，这完全是为了适应后续工序的要求，如 有害杂质的除去即属此类。
目的：提高轴向混合效果
一 般具有 1~2 条螺带 ，旋转 直径为 釜径的 0.9~0.98倍。
2.Major Diameter and Low Speed Agitators Features and Applications:
一般在层流状态下操作 液体将沿着螺旋面上升或下降 形成轴向循环流动，
螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合
6.5.2 Measures of improving effects
1.打旋现象及其消除
危害:
各层液体之间几乎 不发生轴向混合， 当物料为多相体系时， 还会发生分层或分离现象。 搅拌效率下降 打旋现象
6.5.2 Measures of improving effects
(rA )V VR dnA /dt 0
nA0 整理积分，可得 t VR

x Af
0
x dx A dx A c A0 0 ( rA )V ( rA )V
Af
该式是液相单一反应达到一定转化率所需反应时间的数 学模型。
若反应过程中等温液相物料的密度变化可以不计， 即等容过程，则
(rA )V dcA / dt
决定的。
实验室用的小型反应器要做到等温操作
比较容易，而大型反应器就很难做到；又如
实验室反应器通过搅拌可使反应物料混合均 匀，浓度均一，而大型反应器要做到这一点 就比较困难。生产规模的间歇反应器的反应 效果与实验室反应器相比，总是有些差异。
间歇反应器的反应体积根据单位时间的反应 物料处理体积 Q0 及操作周期来决定。 Q0 由生产任 务确定，而操作周期由两部分组成：一是反应时间 t ，由式（ 3-4 ）求得；另一是辅助时间 t0 ，其值只 能根据实际经验来决定。由此可得间歇反应器的反 应体积。
釜式及均相管式反应器
本章授课内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器 连续流动釜式反应器 理想流动反应器的组合和比较 多重反应的选择率 半间歇釜式反应器 釜式反应器中进行的多相反应
第一节 间歇釜式反应器
一、 釜式反应器的特征 釜式或槽式反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器都设置搅拌装置。釜式反应 器大都用于完全互溶的液相或呈两相的液 - 液相及 液 - 固相反应物系在间歇状态下操作，与化学实验 室内装有电动搅拌器的玻璃三口烧瓶极为类似。
旋转直径为釜径的 0.35~0.8倍，甚至达0.9倍以上。常用 转速为1~100rpm，叶端圆周速度为1~5ms-1。
(a) 平桨式
(b) 斜桨式
2.Major Diameter and Low Speed Agitators Features and Applications: (a) 平桨 切向和径向运动 可用于简单的 固液悬浮 桨叶可分成24°、45° 或60°倾角 轴向和径向运动
(1)装设挡板
目的：破坏釜内的圆周运动 作用： 对轴向和径向流动无影响 釜内液面的下凹现象基本消失 提高了混合效果
6.5.2 Measures of improving effects
W
流入
流入
低粘度
高等粘度
流 入
中等粘度
挡板的常见安装方式
6.5.2 Measures of improving effects
t c
c Af
A0
dc A ( rA )V
cA0及cAf为关键反应组分A初始和所要求的摩尔浓度， kmol/m3。 只要已知反应动力学方程或反应速率与组分 A浓度 cA之间的变化规律，就能计算达到cAf所需反应时间。最 基本、最直接的方法是数值积分或图解法。
已知动力学数据1/(rA)V~xA的曲线，然后求取 xA0到xAf之间曲线下的面积即为t/cA0。同时也可作 出曲线1/(rA)V～cA，然后求取cA0到cAf之间曲线下的 面积为反应时间。
对于反应 A R ，若要求产物R的浓度为cR， 则单位操作时间的产品产量PR为 V c
PR
R R
t t0
对反应时间求导，
dPR dt
VR [( t t 0 )
dcR cR ] dt ( t t 0 )2
并可由
dPR 0 ，得 dt
dC R CR dt t t0
(a) 直叶圆盘叶轮
(b) 弯叶圆盘叶轮
1.Minor Diameter and High Speed Agitators
直叶 涡轮
折叶涡轮
叶轮直径为釜径的 0.2～0.5倍, 弯叶 涡轮 转速10～500rpm, 叶端圆周速度可达 4～10ms-1。
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
间歇操作时，反应物料按一定配料比一次加入 反应器中，容器的顶部有一可拆卸的顶盖，以供清 洗和维修用。在容器内部设置搅拌装置，经过一定 的时间，反应达到规定的转化率后，停止反应并将 物料排出反应器，完成一个生产周期。 反应器内液相均相和气- 液相反应的物料浓度处处 相等。 反应器内具有足够强的传热条件，无需考虑反应物 料内的热量传递问题。 反应器内物料同时开始和停止反应，所有物料具有 相同的反应时间。
间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的 动力学及积分结果
比较不同反应级数的残余浓度和反应时间，可 以发现：零级反应残余浓度随反应时间增加呈直线 下降，一直到反应物完全转化为止。而一级反应和 二级反应的残余浓度随反应时间的增加而慢慢地下 降。特别是二级反应，反应后期的残余浓度变化速 率非常小，这意味着反应的大部分时间花费在反应 的末期。若提高转化率和降低残余浓度，会使所需 的反应时间大幅度增加。为了保证反应后期动力学 的准确、可靠，为了要密切注意反应后期的反应机 理是否发生变化，要重视反应过程后期动力学的研 究。
图3-1 等温间歇液相反应 过程的参数积分
图3-2等温间液相歇反应过程 反应时间的图解积分
1.等温等容液相单一反应
在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆反应， 反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二级不可逆反 应的本征速率方程代入
c Af nAf VR nA0 ( 1 x Af ) VR c A0 ( 1 x Af )
轴向流
Effects of Agitator：
(1) 循环流动
将流体输送到 搅拌釜内各处 大尺度宏观混合 产生旋涡，旋涡 分裂使流体分散 小尺度微观混合
(2) 高度湍动
1. 小直经高转速搅拌器
(1) 推进式搅拌器 (2)涡轮式搅拌器
(1) 桨式
2. 大直经低转速搅拌器
(2) 锚式和框式 (3) 螺带式
VR Q0 t t0
无论间歇釜式反应器中进行液相，液-液相或液 -固相反应，反应体积VR要比反应器的实际体积Vt要 小，以保证反应物料上面存有一定的空间， VR与 Vt 之比为填充系数f，其值根据反应物料的性质而定， 一般为 0.4~0.85 。间歇釜式反应器中未装填液体物 料的空间为液体物料的蒸汽所占据，即液体混合物 中各有关组分的蒸汽之和所确定，物料的反应温度 越高，则蒸汽压越大，反应器应承受的总压越高， 所采用的耐压等级也越高。釜式反应器必须在密闭 条件下操作。
根据釜底的形状制造 旋转直径可达釜径的 0.9~0.98倍
(a) 锚式
(b) 框式
2.Major Diameter and Low Speed Agitators Features and Applications:
一般在层流状态下操作
难以保证 轴向混合 均匀
缺点：主要使液体产生水平环向流动 基本不产生轴向流动
2. 反应时间的优化
间歇反应器每批物料的操作时间包括反应时间 和辅助时间，对于一定的化学反应和反应器，辅助 时间是一定值。随着反应操作时间延长，无疑会使 产品的产量增多，但按单位操作时间计算的产品产 量并不增加。因此，以单位操作时间的产品产量为 目标函数，就必然存在一个最优反应时间，此时该 函数值最大。
1.Minor Diameter and High Speed Agitators (1) Propeller Agitator
叶 轮 直 径 一 般 为 釜 径 的 0.2~0.5 倍 , 常 用 转 速 为 100～500rpm，叶端圆周速度可达5～15ms-1。
1.Minor Diameter and High Speed Agitators (2)Turbine agitator
Bo Ao
( rA )V dcA / dt kcA [ cA ( m 1 )cA0 ]
(m 1)cA0 cA m xA 1 1 积分可得 cA0 kt ln[ ] ln[ ] m 1 mcA m 1 m(1 xA )
(2)偏心安装
目的：破坏循环回路的对称性
6.5.2 Measures of improving effects
2.导流筒
导流筒 档板
导流筒 档板