磺化反应 间歇釜式反应器设计
间歇操作釜式反应器的设计—反应器流动模型
1、返混及其对反应过程的影响
（2）返混对反应过程的影响
间歇釜式反应器存在剧烈的搅拌与混合，但不会导 致高浓度的消失。
间歇釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻进入反 应器的，在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间 ，具有相同的性质和浓度，这种浓度相同的物料之间的 混合，不会使原有的高浓度消失。
它造成了反应物高浓度的迅速消失，导致反应器的生产 能力下降。
流型
一、流型
流型与搅拌的关系
流型与搅拌效果、搅拌功率的关 系十分密切。搅拌器的改进和新 型搅拌器的开发往往从流型着手 。
搅拌机顶插式中心安装 立式圆筒的三种基本流型
流型决定因素
取决于搅拌器的形式、搅拌容器和内 构件几何特征，以及流体性质、搅拌 器转速等因素。
图3 搅拌器与流型 (c) 切向流
(c)切向流
无挡板的容器内，流体绕 轴作旋转运动，流速高时 液体表面会形成漩涡，流 体从桨叶周围周向卷吸至 桨叶区的流量很小，混 合效果很差。
上述三种流型通常同时存在
轴向流与径向流对混合起主要作用
切向流应加以抑制
采用挡板可削弱切向流， 增强轴向流和径向流
除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式 等安装方式。
返混及其对反应过程的影响
1、返混及其对反应过程的影响
（1）返混
返混不是一般意义上的混合，它专指不同时刻进入反应器
的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质 点之间的混合。返混改变了反应器内的浓度分布，使器内 反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。 返混是连续化后才出现的一种混合现象。 间歇反应器中不存在返混，理想置换反应器是没有返混
间歇釜式反应器连续釜式反应器管式反应器
可常压操作也可加压操作，常用于对温度不 敏感的快速反应。常见型式有水平、立式、盘 管、U型管等
6
一、水平管式反应器
图6-1 水平管式反应器
7
二 、 立 管 式 反 应 器
图6-2几种立式管式反应器
8
三、盘管式反应器
将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省
(1)先规定流体的Re(>104)，据此确定管径d，再计
算管长L
由 Re
=
du
其中
u
=
4FV 0
d 2
所以 d
=
4FV 0 Re
;L
=
4VR
d 2
(2)先规定流体流速u，据此确定管径d，再计算 管长L，再检验Re是否>104
L=u
;d
=
( 4VR
1
)2
L
(3)根据标准管材规格确定管径d，再计算管长L，
解：反应物的体积流量FV0=FVA+FVB=0.56m3
密度ρ=(FVAρA+FVB ρB)/(FVA+FVB)=948.0kg/m3
反应器任意位置，CA=CA0(1-xA)
CB=CB0-2CA0xA，所以
rA=kCACB=CA0(1-xA)(CB0-2CA0xA)
∫ VR
FV C0 A0
xA 0
nA0(1 (xA dxA)) FV 0CA0(1- (xA dxA))
反应量：
rAdVR
于是
FV 0CA0 (1- xA ) FV 0CA0 (1- (xA dxA )) rAdVR
nA0 (1 xA) nA0 (1 (xA dxA) rAdVR
《间歇釜式反应器》课件
THANKS
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确保反应器及其附件没有损坏或变形，特别 是焊接处和密封件。
检查温度和压力
确保反应器内的温度和压力在规定范围内， 并记录相关数据。
检查紧固件
确保所有紧固件，如螺栓和螺母，都已牢固 拧紧，没有松动迹象。
清洁设备
定期清除设备上的灰尘和杂物，保持清洁。
故障排除
反应异常
检查原料是否符合要求，投料量是否正确， 操作参数是否正常。
安全注意事项
01
防爆与防火
严格控制工艺参数，防止超温、超 压引发的安全事故。
应急处理
制定应急预案，配备灭火器材，定 期进行演练。
03
02
个人防护
操作人员需佩戴防护眼镜、实验服 和化学防护眼镜等。
废弃物处理
按照相关规定处理废弃物，防止环 境污染。
04
04
间歇釜式反应器的维护与 保养
日常维护
检查设备外观
《间歇釜式反应 器》PPT课件
目录
• 间歇釜式反应器简介 • 间歇釜式反应器的应用 • 间歇釜式反应器的设计与操作 • 间歇釜式反应器的维护与保养 • 间歇釜式反应器的未来发展
01
间歇釜式反应器简介
定义与特点
定义
间歇釜式反应器是一种在一定温 度和压力下，通过向反应器内投 加原料、催化剂等，进行化学反 应的设备。
局限性
间歇釜式反应器的生产效率较低，能耗较高，且产品质量不稳定，需要加强质 量控制和过程优化。
03
间歇釜式反应器的设计与 操作
设计要素
反应釜容量设计
根据生产规模和物料量 ，确定反应釜的容量和
尺寸。
材料选择
根据工艺条件和物料特 性，选择合适的材料以
间歇釜式反应器
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： α =
24V0 24V0 = VR V
β= 每个设备每天能操作的批数为：
n' =
24 24 = t τ +τ '
则需用设备个数为：
α V0 (τ + τ ') = β V
VR = V = V0 (τ + τ ' ) / n '
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] [A的积累量]=[A的进入量]-[A的离开量]-[A的反应量] 的积累量]=[A的进入量 的离开量 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。
热量衡算式 （1）依 据： 能量守衡定律。 （2）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。 （3）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]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] ]=[原料带入的热量]+[反应产生的热量 [传给环境或热载体的热量] 传给环境或热载体的热量] （4）目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。
BR体积和数量求算 体积和数量求算
已知条件 每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0）
Vρ
操作周期——指生产第一线一批料的全部操作时间，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。 设备装料系数——设备中物料所占体积与设备实际容积之比， 其具体数值根据实际情况而变化，参见表3-1。
釜式反应器—理想间歇操作釜式反应器的计算
tr=3.18(h) tr=8.5(h) tr=19.0(h)
热量衡算：单位时间、整个体积、基准0℃ 进入反应器的物料带入的热量：0
非 离开反应器的物料带出的热量：0
恒 温
发生反应的热效应热量： (Hr )(rA )VRdt
过 程
反应器内的物料和外界交换的热量： KA(Tw T )
反应器内累积的热量： mt c pt dT
绝热操作：
(T
T0 )
(H r )nA0 mt c pt
(xA
xA0 )
简化： (T T0 ) (xA xA0 )
反应体积的计算
1.反应器的有效体积VR
VR V0 (t t)
V0 —— 每小时处理的物料体积，m3/h； t —— 达到要求的转化率所需要的反应时间，h; t′—— 辅助时间，h。
2. 反应器的体积V
V VR
m 若用多釜并联操作时，反应釜数： V
V
3. 反应釜结构尺寸：
V 0.785D 2 H
D —— 筒体的直径； H —— 筒体的高度。
理想间歇操作釜式反应器的计算
理想间歇操作釜式反应器简称为BR，是指一次 性加料、一次性出料、在反应进行过程中既不加 料也不出料的釜式反应器
温
过
B
程
1/(-RA）
面积 t
A
cA0
0
XA1
XA2
XA
• 已知：在间歇釜中己二酸和己二醇以等摩尔比反应生产醇酸
树脂。（-rA)＝kcA2kmol(A)/L.min) k=1.97L/(kmol.min)
• CA0=0.004kmol/L t´=1h =0.75若每天处理2400kg己二酸
• 求xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间．
任务一 间歇操作釜式反应器设计说明
任务一间歇操作釜式反应器设计工作任务：根据化工产品的生产条件和工艺要求进行间歇操作釜式反应器的工艺设计预备知识：一、反应器流动模型（一）理想流动模型1、理想置换流动模型也称为平推流模型或活塞流模型。
指在任一截面的物料如同活塞一样在反应器中移动，垂直于流动方向的任一横截面上所有的物料质点的年龄相同，是一种返混量为零的极限流动模型。
其特点是在定态情况下，沿着物料流动方向物料的参数会发生变化，而垂直于流动方向上的任一截面的所有参数都相同，如浓度、压力、流速等。
2、理想混合流动模型称为全混流模型。
由于强烈搅拌，反应器物料质点返混无穷大，所有空间位置物料的各种参数完全一致3、返混及其对反应的影响指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
间歇操作反应器不存在返混。
其带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度去的消失或减低。
a 返混改变了反应器的浓度分布，是反应器反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升b 返混的结果将产生停留时间分布，并改变反应器浓度分布。
c 不但对反应过程产生不同程度的影响，更重要的是对反应器的工程放大所产生的问题d 降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分割两种（二）非理想流动实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因课归纳为下列几个方面a 滞留去的存在也称死区、死角，是指反应器中流体流动极慢导致几乎不流动的区域。
b 存在沟流与短路c 循环流d 流体流速分布不均匀e 扩散二、均相反应动力学基础工业反应器中，化学反应过程与质量、热量和动量传递过程同时进行，这种化学反应与物理变化过程的综合称为宏观反应过程。
研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应动力学。
排除了一切物理传递过程的影响得到的反应动力学称为化学动力学或本征动力学。
（一）化学反应速率及反应动力学方程 1、化学反应速率其定义为：在反应系统中，某一物质在单位时间、单位反应区域的反应量 反应速度=反应量/(反应区域)(反应时间)其实针对某一种反应物而言，以符号+r i 表示。
理想间歇操作釜式反应器的计算
理想间歇操作釜式反应器的计算王丽婷 13化工二班 1303022011间歇釜式反应器的特征特点: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。
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、制药、染料、涂料生产。
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定。
一、基础方程式单位时间进入反应器的物料A 的量-单位时间流出反应器的物料A 的量-单位时间内反应掉的物料A 的量=单位时间内在反应器内物料A 的积累量 )_1(0A A A X n n =RA A A V r dx n dt )(_0= 二、反应时间的计算n A0 ----在t=0时反应器中物料A 的摩尔数n A ----在 t 时反应器中物料A 的摩尔数-r A ----组分 A 在操作条件下的反应速率（消失速率）A x ----在 t 时反应器中物料A 的转化率上式是间歇反应器计算的基本方程式，表达了在一定操作条件下为达到所需求的转化率A x 所需要的反应时间t ，适用于任何间歇反应过程，均相或多相，等温或非等温的，可以直接积分求解，也可以用图解法。
如果是非等温过程，反应速度常数随温度变化，而温度又随转化率变化，则需联立解方程恒温、恒容不可逆时间歇操作釜式反应器中物料达到一定出口转化率所需时间t 取决于反应速度，与处理量无关，所以可用于直接放大。
零级反应k r A )(一级反应二级反应当动力学方程解析式相当复杂或不能做数值积分时，可用图解法。
间歇式反应器自控设计说明书
0～0.4Mpa
1
温度变送器
STT2SM-0-TNS-00-C
主型号：STT2SM-现场安装316不锈钢表壳、1/2“NPT电气接口、数显表头-汉语说明书
0～200℃
1
双金属温度计
WSSF-481
表盘直径：φ100mm；外壳材质：304ss；精度：±1.0%；防护等级：IP65；表玻璃材质：仪表玻璃；保护管材质：304SS；保护管尺寸：φ8mm；可动外螺纹连接；连接尺寸：M27×2M；带不锈钢位号牌；
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
2、串级控制系统的设计
第二周
进行仪表选型及调节阀计算；绘制单回路图。绘制仪表接线端子图；供电系统图，填写自控设备相应表格。
2010.11.5～2010.11.14
第三周
完成并提交课程设计说明书及相关电子文档。课程设计答辩。
2010.11.15～2010.11.19
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师(签字):
主要技术性能：
防爆标志：Ex（ia）ⅡC
传输精度：±0.2%×F.S
危险区允许输入信号：直流电流：0-10mA、4-20mA
2、熟练掌握工业过程控制系统的常规设计过程，培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；
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萘磺化生产2-萘磺酸间歇式反应釜的设计班级：化学工程与工艺专业精细化工方向07级一、设计条件1. 生产能力：4500吨2-萘磺酸／年。
2. 原料和生产方法：萘含量为98%的工业萘，以98%的浓硫酸作为磺化剂进行磺化反应。
（生产过程中还有1-萘磺酸产生，认真选好反应条件使萘的转化率高且副产物较少）二、设计说明书的内容1、标题页2、设计任务书3、目录4、设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。
5、反应釜的工艺设计计算物料衡算、工艺参数的选定、设备结构的设计和工艺尺寸的计算。
6、设计结果一览表7、后记及其它（对本设计的评述、对设计过程的总结）8、反应釜的工艺条件图9、参考文献三、设计图要求1、绘制反应釜工艺条件图一张，包括：设备图形、设备技术特性、设备组成一览表和标题栏。
四、设计时注意事项1、对相关的数据进行正确的计算和校核；2、需查获资料的数据必须精确可靠；3、读图正确，构想主体模型；4、对构件的形式进行合理的选择；5、制图时比例适当，数据精确，符合要求。
目录1. 基本设计条件的确定------------------------------------------2. 物料衡算---------------------------------------------------3. 反应釜体的设计---------------------------------------------- 3.1 反应釜体积的计算---------------------------------------3.2反应釜尺寸的计算---------------------------------------4. 搅拌装置的设计---------------------------------------------4.1 搅拌器的选择--------------------------------------------4.2 搅拌器尺寸的计算-----------------------------------------4.3 搅拌器的转速和功率计算-----------------------------------4.4 电机的功率计算和减速机的选择------------------------------5. 传热装置的设计----------------------------------------------- 5.1热量衡算------------------------------------------------- 5.2传热装置几何尺寸的计算-------------------------------------5.3传热面积的校核--------------------------------------------6.设计参数一览表-----------------------------------------------7. 后记8.参考文献----------------------------------------------------9.附图--------------------------------------------------------1.基本设计条件的确定本次生产任务以萘含量为98%的工业萘为原料，以98%的浓硫酸作磺化剂，经查阅文献发现，生产中于160~166℃磺化效果较佳。
在生产过程中有1-萘磺酸的生成。
采用加热的方法，可使不稳定的1-萘磺酸水解。
在生产中生产时间为1~1.5小时。
可使反应保持在一个较高的产率。
故设置生产时间为2小时。
保证足够的操作时间，设操作时间为2小时，生产周期为4小时，每天生产16次，以2次为一班，实现三班轮流生产。
2.物料衡算年生产4500吨2-萘磺酸，以萘含量为98%的工业萘，以98%的浓硫酸作为磺化剂进行磺化反应。
酸萘比为1.1∶1,加酸温度为150～160℃,反应温度为160℃,反应2h。
原料萘的转化率为94%，磺化产物为2-萘磺酸与1-萘磺酸，其含量比值为91.7%:8.3%。
作出物料流程简图，确定计算范围。
根据物料流程简图，可确定磺化的工序进行物料衡算。
对间歇生产可确定计算基准为千克/天，则需要计算每天产量及原料投料量。
其磺化反应式如下：G 1 G 2 G 3 G 4 G 5 每天产2-萘磺酸量：34500100013636.4330G kg ⨯==每天投料纯萘量：1128.1813636.410655.2208.250.8380.94G kg ⨯==⨯⨯原料萘量：10655.210872.70.98kg = 杂质：10872.710655.2217.5kg -=磺化物产量：10655.2208.250.9416272.5128.18kg ⨯⨯=2-萘磺酸：16272.50.91714921.9kg ⨯= 1-萘磺酸：16272.50.0831350.6kg ⨯=24H SO 消耗量：10655.20.9498.087663.9128.18kg ⨯⨯=2H O 生成量：10655.20.9418.021408.1128.18kg ⨯⨯=每天所需24H SO ：210655.298.08 1.18968.4128.18G kg =⨯⨯=98%24H SO 投料量：8968.49151.40.98kg = 24H SO 中水量：9151.4-8153.1=183.0kg废酸中24H SO ：8968.4-7663.9=1304.5kg废酸中2H O ：183.0+1408.1=1591.1kg 废酸总质量：1304.5+1591.1=2895.6kg 废酸中24H SO 含量：45% 废酸中2H O 含量：55% 进料萘的体积：310872.79.361162m =进料酸的体积：39151.45.091797.8m =进料总体积：39.36 5.0914.45m += 出料磺化物体积：316272.511.891441m =出料废酸体积：32895.64.78606.4m =出料总体积：311.89 4.7816.67m +=磺化物料衡算表进料出料3. 反应釜体的设计 3.1 反应釜体积的计算根据经验，装料系数一般取0.7～0.8之间，取ϕ=0.8。
进料体积3114.45v F m ='3114.45424 3.00.8v F tm ϕ⨯⨯== 出料体积3216.67v F m ='3216.67424 3.50.8v F t m ϕ⨯⨯== 3.53m >3.03m ,故生产中以出料体积为反应物体积。
使用2个23m 的标准反应釜，作后备系数校核。
22 3.5100%14.2%3.5a V V V δ-⨯-=⨯==后备系数14.2%在10%到20%之间，可作为生产的反应釜。
故使用2个23m的标准反应釜以足够。
3.2 反应釜尺寸的计算查《HGT 3109-2008 钢制机械搅拌容器型式及主要参数》得23m标准反应釜的尺寸如下：公称容积V=23m，φ=1400mm，H=1040mm。
封头选取椭圆型封头DN=1400mm，曲边高度1350h mm=封，直边高度mmh402=封，390h mm=封，22.3005A m=内表面积，3=0.4202V m容积。
4. 搅拌装置的设计4.1 搅拌器的选择在均相液体的混合中，此类体系对搅拌功能要求比较简单，以混合搅动功能为主，搅拌过程的主要控制因素是液体在反应器中的容积循环速率。
湍流流动时最好加挡板。
涡轮式搅拌浆具有较大的局部剪切作用和容积循环速率，所以对此类操作效果比较好。
其中以直叶涡轮浆的前切作用最大，液滴分散程度最大。
当搅拌转速很高时，容易产生漩涡，大大降低了液体内部的混合效果。
为了增加液体的剪切作用，加强搅拌的激烈程度，常在釜体内靠近器壁的地方装上挡板。
挡板的作用是可以避免液体在旋转的搅拌轴中心形成液体凹陷的漩涡现象，增大被搅拌液体的湍动程度，将切线流动转变为轴向和径向流动，改善搅拌效果。
安装了挡板后，在较小的搅拌转速下，就可以达到湍流的状态。
但安装挡板后，流动阻力增加，搅拌功率增加。
本实验选择涡轮式，用六平片式涡轮。
4.2 搅拌器尺寸的计算六平片式涡轮，轮径D/T ＝1/4；叶轮距器底高度DH j =；叶片宽度W=1/10T ；叶片长度L=1/4D ；液深 2.36/0.9832.4H T ==(液深是器径的0.983倍)；挡板数=4；1/10b W T =板宽。
4.3 搅拌器的转速和功率计算搅拌器转速的确定搅拌叶轮的叶端速度 U=4~10m/sD/T=1/S~2/S 、D/W=5~8、转速 10~300r/min 设n=120 根据公式在4~10m/s 范围内搅拌器功率计算 进料混合物的平均密度平均黏度计算由，查《开启式涡轮搅拌器的功率曲线图》其中得又由得校正（1）叶轮直径与器径比（2）叶片宽度叶片数目，叶层深度等与标准相同，无需校核。
故搅拌器的搅拌功率为1149w 。
4.4 电机的功率计算和减速机的选择 4.4.1电机的功率()ηmi i s P q m P P ++=∑1电机P s —稳定条件下，搅拌器在不带附属装置的容器内运转的功率，W ； m i —同一种附件的个数； q i —每一种附件的功率增加率。
P m —填料函内的摩擦消耗功率，其值取决于填料函的结构；η—传动装置的机械效率。
搅拌轴密封所消耗的功率(Pm/KW),密封装置主要有填料密封和机械密封两种形式,当选用填料密封时Pm=10%～15%Pa,选Pm=12%Pa,η的范围为0.8～0.95,取0.80计算。
()ηmi i s P q m P P ++=∑1电机()1.14910.220.110% 1.1490.8⨯++⨯+⨯==2.15 KW4.3.2减速机的选择由计算得出搅拌的公称输出轴转速为n=120r/min ，配电机功率为P=2.15KW ，查文献[1]表4-11，可选用二级齿轮减速机LC75。
5. 传热装置的设计 5.1 热量衡算热量衡算按照能量守恒定律，传热设备的热量衡算由下式计算：654321Q Q Q Q Q Q ++=++Q 1—物料带入设备的热量，kJQ 2—加热剂或者冷却剂传递的热量（加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“─”），kJQ 3—过程的热效应(放热为“+”，吸热为“─”，与热焓符号正好相反)，kJQ 4—离开设备物料带走的热量，kJ Q 5—设备各部件所消耗的热量，kJ Q 6—设备的热损失，kJ计算设计如下过程：则首先计算为化学反应热，可通过萘和硫酸的磺化反应标准化学反应热求取。