搅拌釜式反应器
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理想混合连续搅拌釜式反应器CSTR
VRi C Ai-1 - C Ai x Ai - x Ai-1 τ = = C A0 i ≡ V0 (-rAi ) (-rAi )
VR=ΣVRi 检验：i=1 n=1
i
C A0 C A1 C A0 xA (rA )1 (rA )
求解方法
解析法
按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的 转化率为止。 例题讲解。
图解法
适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，但只适于（rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。
步骤： 1、作出（-rA）-CA曲线
2、从起点CA = CA0出发，以-1/τ1为斜率作直线，交曲线于一点，即第
一釜的操作状态CA1 3、过点(CA1 0)以-1/τ2为斜率作直线,与曲线交点为第三釜操作点.… 4、过点(CAN-1,0)以-1/τN为斜率作直线,与曲线交点为第N釜操作点CAN. 则出口转化率XAN=1- CAN / CA0 若已知CA0 、CAN 、N，求VR需用试差法。 若各釜体积相同，则各直线斜率相同。
单个连续操作釜式反应器（1－CSTR）
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] 0 = FA0 Δτ - FA0 （1-xA’）Δτ-(- rA ) VR Δτ
VR x A FA 0 ( rA )
物料的平均停留时间：
VR x A C A0 V0 ( rA )
求解方法解析法由于反应器中的反应速率恒等于出口处值，因此结合反应动力学方程， 将出口处的浓度、温度等参数代入得到出口处反应速率，将其代入基础 设计式即得。 如：恒温恒容不可逆反应 n=0 n=1
1 C A 0 x A k
理想混合连续搅拌釜式反应器(CSTR)
理想混合状态
物料在反应器内达到完全混合，不存在浓度和温度 的梯度分布。
反应器内各点的物料性质（如浓度、温度等）完全 相同，且随时间保持不变。
在理想混合状态下，反应器的性能达到最优，反应 效率和产物质量得到保证。
03
CSTR反应器的数学模型
物料平衡方程
进入反应器的物料流量与离开 反应器的物料流量相等，即输 入等于输出。
用于连续加入反应物和排出产物，实现连续化生产 。
工作流程
01
02
03
04
物料进入
反应物通过进料口连续加入反 应器内。
充分混合
在搅拌装置的作用下，物料在 反应器内充分混合，达到浓度 和温度的均匀分布。
反应进行
在适宜的反应条件下，物料在 反应器内进行化学反应。
产物排出
反应完成后，产物通过出料口 连续排出反应器。
100%
平均停留时间
表示物料在反应器内的平均停留 时间，影响反应器的生产能力和 产品质量。
80%
停留时间分布曲线
通过实验测定，可直观反映反应 器内物料的停留时间分布情况。
转化率与选择性
转化率
表示原料在反应器内转化为产 品的程度，是衡量反应器性能 的重要指标。
选择性
表示在给定转化率下，生成目 标产物的能力，反映反应器的 选择性能。
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缺点与挑战
能耗较高
连续搅拌过程需要消耗大量能量，导致CSTR反应器的能耗相对较 高。
设备复杂度高
CSTR反应器结构复杂，涉及搅拌、传热、传质等多个过程，设备 设计、制造和维护难度较大。
放大效应
在将实验室规模的CSTR反应器放大至工业生产规模时，可能会遇到 放大效应问题，影响反应器的性能和产物质量。
化学反应工程第2讲 釜式反应器资料
2018/10/20
《化学反应工程》
20
• 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。
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《化学反应工程》
21
2018/10/20
《化学反应工程》
22
2018/10/20
《化学反应工程》
23
2018/10/20
1、式搅拌器主要用于流体的循环， 不能用于气液分散操作。 2、折叶式比平直叶式功耗少，操 作费用低，故折叶桨使用较多。
桨式搅拌器常用参数（表8-5）
推进式搅拌器
推进式搅拌器常用参数（表8-6）
推进式搅拌器的特点
轴向流搅拌器
循环量大，搅拌功率小
常用于低粘流体的搅拌 结构简单、制造方便
搅拌器的常见种类及其应用
• 5、锚式搅拌器 • 锚式搅拌器顾名思义，叶片形状与船 舶的锚极为相似。锚式搅拌器的叶片尺寸 与搅拌槽尺寸相近，两者在组合后只留有 极小的间隙，这样锚式搅拌器的叶片在旋 转时能清除搅拌槽内壁上的反应物，维持 搅拌器的搅拌效果。 • 锚式搅拌器可用于搅拌粘度较高的物料。
6、螺带式搅拌器 • 螺带式搅拌器的叶片为螺带状，螺带的数 量为两到三根，被安装在搅拌器中央的螺 杆上，螺带式搅拌器的螺距决定了螺带的 外径。螺带式搅拌器通常是在层流状态下 操作。 • 适用于粘稠度高的液体和拟塑性的流体混 合。
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《化学反应工程》
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• 由于材料Q235A不耐酸性介质腐蚀，常用 的还有不锈钢材料制的反应釜，可以耐一 般酸性介质。经过镜面抛光的不锈钢制反 应釜还特别适用于高粘度体系聚合反应。 • 铸铁反应釜在氯化、磺化、硝化、缩合、 硫酸增浓等反应过程中使用较多。
连续搅拌釜式反应器(CSTR)控制系统设计 连续
连续连续搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器（（CSTR ）控制系统设计1. 前言连续搅拌釜式反应器（continuous stirred tank reactor ，简称为CSTR ）是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，该对象是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。
在早期反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。
随着计算机技术和PLC 控制器的发展，越来越多的化学反应采用计算机控制系统，控制方法主要为数字PID 控制。
但PID 控制是一种基于对象有精确数学模型的线性过程，而CSTR 模型最主要的一个特征就是非线性，因此PID 控制在这一过程中的应用受到限制。
随着现代控制理论和智能控制的发展，更加先进有效的控制方法应用于CSTR 的控制，如广义预测控制，神经模糊逆模PID 复合控制，自抗扰控制，非线性最优控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，CSTR 的非线性H ∞控制等。
但任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想的控制效果。
目前先进的反应釜智能控制技术就是将智能控制理论和传统的控制方法相结合，如钟国情、何应坚等于1998年对基于专家系统的CSTR 控制系统进行了研究[1]，宫会丽、杨树勋等于2003年发表了关于PID 参数自适应控制的新方法[2]，冯斌、须文波等于1999年阐述了利用遗传算法的寻优PID 参数的模型参考自适应控制方法等[3]。
但由于这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现、现场调试及通用型方面存在着局限性，因此研究一种相对简单实用的CSTR 控制方法，更易为工程技术人员所接受。
本文在对CSTR 过程及其数学模型进行详细分析的基础上，针对过程的滞后性，采用Smith 预估算法与PID 控制相结合的方法实现CSTR 过程的控制，该方法具有实用性强及控制方法简单等特点，基于西门子PCS7系统完成了CSTR 过程控制系统设计。
机械搅拌反应器(搅拌釜式反应器)课件
02 机械搅拌反应器的设计
设计原则
满足工艺要求
根据生产工艺要求，确定搅拌 反应器的规格、材质和结构形
式。
优化操作性能
提高搅拌效果，降低能耗，保 证物料混合均匀，提高生产效 率。
考虑安全因素
确保设备安全可靠，防止泄漏 、超压等事故发生。
便于维修保养
设计应便于设备的维修、清洗 和更换部件。
结构设计
工作原理
通过搅拌桨在反应釜内快速旋转，使 物料在釜内受到强烈的搅拌和混合作 用，从而加速化学反应的进行。
类型与特点
类型
根据搅拌桨的结构和形状，机械搅拌反应器可分为多种类型，如锚式、推进式 、涡轮式等。
特点
机械搅拌反应器具有结构简单、操作方便、适应性强等优点，适用于各种不同 的化学反应和工艺过程。
应用领域
密封装置的选择与设计
根据工艺要求选择合适的密封 形式（如填料密封、机械密封
等）。
根据密封形式选择合适的密封 材料，以确保密封可靠、耐腐
蚀和寿命长。
足工艺要 求和安全性能。
对密封装置进行强度和动力学 分析，以确保其能够满足工艺 要求和安全性能。
03 机械搅拌反应器的操作与 维护
案例二：某制药企业的搅拌釜式反应器
总结词
高安全性、高可靠性
详细描述
该制药企业采用机械搅拌反应器进行药物合成和生物发酵过程。由于制药行业的 特殊性，该反应器设计注重安全性和可靠性，采用先进的控制系统和材料，确保 生产过程的安全和稳定。
案例三：某科研机构的搅拌釜式反应器
总结词
高精度、高灵敏度
详细描述
维护与保养
01
定期检查
定期对机械搅拌反应器的电机、 减速机、搅拌桨等关键部件进行
连续搅拌釜式反应器
3. 质量检测
本实验中采用电导方法测量反应物A的浓度变化。 对于乙酸乙酯皂化反应，参与导电的离子 有Na+、OH-和CH3COO-。Na+在反应前后浓 度不变，OH-的迁移率远大于CH3COO-的迁移率。随 着反应的进行，OH-不断减少，物 系的电导值随之不断下降。因此，物系的电导值的变化与CH3COOH的浓度变化成正 比，而由电导电极测得的电导率L与其检测仪输出的电压信号U也呈线性关系，则如 下关系式成立：
续搅拌釜式反应器液相反应的速 率常数测定 一、实验目的
本实验采用连续流动搅拌釜式反应器进 行液相反应动力学研究。实验用连续输入 的方法，在定常流动下，测定乙酸乙酯皂 化反应的反应速率和反应速率常数。
二、实验原理
1. 2.
3.
反应速率 反应速率常数 质量检测
1. 反应速率 连续流动搅拌釜式反应器的摩尔衡算基本方程：
FAO-FA-∫0V(-rA)dV=dnA/dt
对于定常流动下的全混流反应器，上式可简化为：
FAO-FA-(-rA)V=0→ (-rA)= FAO-FA /V
对于恒容过程而言，流入反应器的体积流率Vs,0等于流出反应器的体积流率Vs。 若反应物A的起始浓度为CA,0，反应器出口亦即反应器内的反应物A的浓度为 CA，则上式可改写为：(-rA)= （CA,0-CA）/（V/Vs,0）=（CA,0-CA）/τ
2. 标定浓度曲线的实验步骤
3.测定反应速率和反应速率常数的实验步骤
（1）停止加热和搅拌后，将反应器内的纯水放尽。启 动并调定计量泵，同时以等流率向器 内加入料液A和 B。待液面稳定后，启动搅拌器和加热器并控制转速和 温度恒定。当搅拌转速 在600r· min-1时，总体积流率 在2.7~16L· h-1（相当于计量泵显示10~60 r·min-1）范围 内，均可接近全混流。 （2）当操作状态达到稳定之后，按数据采集键，采集 与浓度CA相应的电压信号U。待屏幕 上 显示的曲线平直 之后，按终止采集键，取其平直段的平均值，即为与釜 内最终浓度CA相应 的U值。 （3）改变流量重复上述实验步骤，测得一组在一定温 度下，不同流量时的U值数据。
连续搅拌釜式反应器(CSTR)控制系统设计 连续
连续连续搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器（（CSTR ）控制系统设计1. 前言连续搅拌釜式反应器（continuous stirred tank reactor ，简称为CSTR ）是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，该对象是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。
在早期反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。
随着计算机技术和PLC 控制器的发展，越来越多的化学反应采用计算机控制系统，控制方法主要为数字PID 控制。
但PID 控制是一种基于对象有精确数学模型的线性过程，而CSTR 模型最主要的一个特征就是非线性，因此PID 控制在这一过程中的应用受到限制。
随着现代控制理论和智能控制的发展，更加先进有效的控制方法应用于CSTR 的控制，如广义预测控制，神经模糊逆模PID 复合控制，自抗扰控制，非线性最优控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，CSTR 的非线性H ∞控制等。
但任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想的控制效果。
目前先进的反应釜智能控制技术就是将智能控制理论和传统的控制方法相结合，如钟国情、何应坚等于1998年对基于专家系统的CSTR 控制系统进行了研究[1]，宫会丽、杨树勋等于2003年发表了关于PID 参数自适应控制的新方法[2]，冯斌、须文波等于1999年阐述了利用遗传算法的寻优PID 参数的模型参考自适应控制方法等[3]。
但由于这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现、现场调试及通用型方面存在着局限性，因此研究一种相对简单实用的CSTR 控制方法，更易为工程技术人员所接受。
本文在对CSTR 过程及其数学模型进行详细分析的基础上，针对过程的滞后性，采用Smith 预估算法与PID 控制相结合的方法实现CSTR 过程的控制，该方法具有实用性强及控制方法简单等特点，基于西门子PCS7系统完成了CSTR 过程控制系统设计。
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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机械搅拌
多采用
气流搅拌
仅用于一些特殊场合
射流搅拌、静态混合、管道混合
1.均相液体的混合
使两种或多种互溶的液体分散
2.液液分散
不互溶的液体之间的分散与混合
3.
搅
3.气液相分散
气体与液体的混合
拌
的
4.固液分散
使固体颗粒悬浮于液体之中
目
的
5.固体溶解
加速化学反应、传热、传质等过程
6.强化传热
搅拌
定性 定量 考虑 考虑
如：当W=0.1Di，挡板数为4已足够用。
➢ 挡板尺寸及设置
挡板宽W
( 1 10
1 ~ 12 ) Di
尺寸高粘度时W
1 20 Di
挡板数Z
2 ~中、低粘度不同， 设置位置不同。
上、下缘位置：
◆ 挡板上缘与静 止液面齐平或低于液 面100-150mm——有轻、 易污固料时。
搅拌叶轮消耗的功率 NHQ
Nn3d 5
功率一定时
Q / Hd / n
nd 5/3 d n3 / 5
Q / H d 8/3 Q / H n8/5
叶轮操作的基本原则：
在消耗同等功率的条件下，低转速n、大直径d的叶轮， 可以增大液体循环流量Q，减少剪切作用，有利于宏观 混合，采用高转速n、小直径d的叶轮，有利于小尺度的 混合。
① 筒内液体搅拌程度↑，使搅拌器对流体的直接剪 切作用↑ ② 确定了的流型保证充分循环，使物料均可通过筒 内，效率↑ ③ 循环路径确定，短路↓、死区↓
（3）尺寸
导流筒直径——d=0.7D，D—反应器直径 导流筒高——h2=0.5H2，H2—反应器圆筒部分高
（4）安装
叶轮 上方
套在叶轮 的外面
第二节 搅拌器的选型与放大
(1) 分子扩散：在分子尺度的空间内进行；
(2) 涡流对流扩散：涡流造成的局部范围的混合，由旋涡分裂
运动引起，在涡旋尺度空间内进行。
(3) 主体对流扩散：循环流造成的扩散混合作用, 包括一切不属
于分子运动或涡旋运动所引起的扩散过程。在大液团空间内 进行。
主体对 流扩散
涡流对 流扩散
分子扩散
把物料粉碎
搅拌器本质上是一个泵，任何叶轮提供的功率 都会产生泵送流量及压头，其功率可表示为： N QH
➢ N 相同时，既可产生大流量、低压头，也可产生高压头、 小流量；
➢ 叶轮提供给液体的全部功率用于产生流量和压头； ➢ 不同工艺过程对 Q 及 H 要求不一样，例：低粘度均相液
体的混合需要泵送流量大而气-液混合需要强剪切作用。 ➢ 要功率消耗小，搅拌效果好，就应根据工艺要求正确地配
搅拌 器的 选型
搅拌转 速及搅 拌功率
第一节 搅拌釜中的流动与混合
一、混合效果的度量
1.均匀度
将A、B两种液体，各取VA、VB置于一容
器中，则平均浓度 经过一定时间搅拌后，
C A0
VA VA VB
CB0
VB VA VB
各处取样CA、CB
均匀度 I=CA/CA0; CB/CB0
=1 混合均匀 <1 不均匀
循环流量大
径向流 (Radial-flow)
液体在槽内作切向和径向的涡旋运动， 总体流动较复杂。适用于搅拌中等和 低粘度的液体，特别适用于不互溶液 体的分散、气体和固体的溶解、液相 反应及传热等操作，对于易分层的物 系则不适用。
径向流
流动方向垂直与搅拌轴， 沿反应釜半径方向在搅 拌器和釜的内壁间流动
三、提高混合效果的措施
1.消除打漩现象
措 施 A.加设挡板
消除圆柱状回转区 消除打漩
增加液体湍动 程度，切向流 变成轴向流和 径向流
解决方法：在槽内安装档板。 过多的档板将减少总体流动， 并把混合局限在局部区域内， 导致不良的混合性能。
➢ 挡板数
“充分挡板化”（全挡板化）——加多挡板数也不会改善 搅拌效果的现象。 “充分挡板化”的条件——WD(（挡釜板内宽径度）) N（挡板数） 0.4
混合状态偏离 均匀状态的程 度
平均均匀度
m
I Ii / m
i 1
度量全部液体 的混合效果
2.宏观均匀与微观均匀
宏观均匀 微观均匀
设备尺度 分子尺度
不互溶液体、 悬浮液
互溶液体
均匀度是随取 样尺寸而变的！
二、混合的机理 搅拌器运转 机械能
静止或低速流体的 高速运动
邻近液 体运动
带动
剪切作用
所有液体的 循环流动
液体剪切作用大
切向流 (Radial-flow)
切向流
无挡板的容器内， 流体绕轴做旋转 运动，流速高时 流体表面形成漩 涡。
打旋现象：液体在离心力作用下 涌向器壁，中心部分液面下降， 形成一个大旋涡。转速越高，形 成的旋涡越深。
“打漩”导致的问 题
① 无轴向混合作用； ② 多相系统→分层、分离，固相沿壁沉底； ③ 漩深后，表面吸入气体，尤其漩深到叶轮时，吸入空 气量增大，物料表面密度↓→搅拌功率↓↓； ④ 叶轮部分在空气中旋转→振动阻尼↓、表面密度↓→振 动↑
成微团
宏
观
将微团尺寸
降低到旋涡
本身的大小
微
观
达到分子水
平的混合
实际 的混 低 合作 用
在搅拌设备中起 主要作用
循环流 涡流
搅拌设备内流体的流型 轴向流 (Axial-flow)
轴向流
流动方向平行与 搅拌轴，轴相流 入、轴向流出。
液体在搅拌槽内形成的总体流动为 轴向的大循环，湍动程度不高，适 用于低粘度的互溶液体的混合、固 体颗粒的悬浮以及强化槽内的传热 等。有利于宏观混合。
任务：了解有关工艺过程对搅拌器的液体流型、循环量、及压 头大小等方面的要求，从而定出叶轮尺寸和转速的合理配合。
循环量Q：叶轮的排液量和它所夹带的液体量之和 (m3/s或m3/h)。
Qnd 3
压头 H：叶轮对单位重量液体所作的功
H u12 / 2g
u nd
H u12 / 2gu2n2d 2
剪切力大小和湍 动程度的量度
◆ 挡板下缘可到 器底可在桨叶之上— —为使较重物料易沉 降、分离。
低粘度： 中等粘
<7Pa.s
度：7-
10Pa.s
高粘度： >10Pa.s
B.偏心安装
解决方法：对小容器，搅拌器偏 心或偏心倾斜安装可破坏循环回 路的对称性。
2.加设导流筒
（1）作用——控制流体流面速度、方向，以保证
特定流型。
（2）原理：
搅拌反应器 的总体结构
1.搅拌装置轴 传动装置电 减机 速器
搅拌轴
2.轴
3.反应罐加 罐热 体装置蛇 夹管 套
附件防 工爆 艺装 接置 管
叶轮
前言
1.搅拌 的作用
不良 搅拌
2.搅拌操 作方式
加速物料之间的混合 提高传质速率，促进反应的进行 提高传热速率，有利于反应热的及时移除
可能造成副反应的增加 可能会造成生产事故