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1、连续釜式反应器我们的模型 一概述 自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反应过程却总是与物理因素有关，例如浓度，压力等，有着紧密的联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素的综合过程。1957年第一次欧洲反应工程会议上确定了“化学反应工程”这一学科名称。 化学反应工程简介反应工程与其它学科的关系反应工程 化工热力学工程控制传递过程催化剂化学工艺流体力学稳定性反应动力学计量化学最优化技术放大设计一个新技术的开发一般要经过下面三个步骤：实验数据 提出数学模型中型实验 数学模型验证数学模型的应用 大设备的设计
2、放大的依据：相似论 (相似准数Re、Pr、Nu、Pe、Sc等)化学反应工程学的研究方法 综上所述，可见目前化学反应工程处理问题的方法是实验研究和理论分析并举。在解决新过程的开发问题时，可先建立动力学和传递过程模型，然后再综合成整个过程的初步的数学模型，根据数学模型所作的估计来制定试验，特别是中间试验方案，然后用试验结果来修正和验证模型。化工过程：一个特定的化工产品，从原料到产品的生产过程。原料预处理化学反应后处理产品 化学反应这一步是化工过程的核心，起着主导作用，它的要求和结果决定着预处理的程度和后处理的难度。化学反应器的定义：用于化学反应的设备，是化工企业的关键装置。二化学反应器简介对反应器
3、的要求1 反应器 要有足 够的体 积2 反应器 要有适 宜的结 构4 反应器 要有足 够的机 械强度 和耐腐 蚀能力3 反应器 要有足 够的传 热面积5 反应器要 易操作、 易制造、 易安装、 易维修按物料的聚集状态1按反应器的连接方式23化学反应器的分类按操作方式均相反应器：气相（石油气裂解）、互溶液相（醋酸和乙醇的酯化反应）非均相反应器：气液相（乙烯和苯反应生成乙苯）、气固相、液固相、液液相、固固相、气液固三相按物料的聚集状态间间歇歇操操作作反反应应器器反应器按操作方式连连续续操操作作反反应应器器半半连连续续反反应应器器三釜式反应器的结构基本结构：釜体换热装置搅拌装置釜式反应器概述釜体：由
4、壳体和上、下封头组成，其高与直径之比一般13之间。在加压操作时，上、下封头多为半球形或椭圆形；而在常压操作时，上、下封头可做为平盖，为了放料方便，下底也可做成锥形。特点 优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。 缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。返混大。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。釜式反应器 (一)搅拌液体的流动特性 液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的“流动模型”，简称“流型”。(a)轴向流 (b)径向流(c)切线流 打漩现象 搅拌器两方面性能： 产生强大的液体循环流量； 产生强烈的剪切作用。 基本原则： 在
5、消耗同等功率的条件下，低转速、大直径的叶轮，可增大液体循环流量，同时减少液体受到的剪切作用，有利于宏观混合。 反之，高转速、小直径的叶轮，结果与此恰恰相反。 常用搅拌器的型式、结构和特点 化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置，包括 搅拌器：包括旋转的轴和装在轴上的叶轮； 辅助部件和附件：包括密封装置、减速箱、搅拌电机、支架、挡板和导流筒等。 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。（）釜式反应器搅拌装置 1.桨式搅拌器 由两块平桨叶构成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。平直叶桨式搅拌器低速时主要产生切线流，转速高时以径向
6、流为主。折叶桨式会产生轴向流，宏观混合效果较好。 桨式搅拌器适用于流动性大、粘度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。 2.涡轮式搅拌器 涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器（前者的循环速度低于后者）；按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶（弯叶的叶轮不易磨损，功率消耗低）。涡轮搅拌器速度较大，300600rmin。 涡轮搅拌器既产生很强的径向流，又产生较强的轴向流。 3.推进式搅拌器 推进式搅拌器的循环速度高。当转速高时，能产生很强的轴向流，上下翻腾效果良好。剪切作用也大。当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。 推进式搅拌器直径与搅拌釜内径之比
7、为0.20.5，搅拌转速为100500r/min，适用于低粘度液体的搅拌。 4.框式和锚式搅拌器 框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅动物料量大。如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。 框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的0.90.98，1100rmin。框式搅拌器的循环速度及剪切作用都较小，主要产生切线流。当物料粘度高时，可产生一定的径向流和轴向流。适用于高粘度物料的搅拌和传热。 5.螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器 螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来。螺带
8、的高度通常取罐底至液面的高度。 螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低，通常不超过50r/min，主要产生轴向流，用于高粘度液体的搅拌。(四)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。1.按物料粘度选型 对于低粘度液体，应选用小直径、高转速搅拌器，如推进式、涡轮式； 对于高粘度液体，就选用大直径、低转速搅拌器，如锚式、框式和桨式。 （2）按搅拌目的选型 对低粘度均相液体混合，主要考虑循环流量。 各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列：推进式、涡轮式、桨式。 对于非均相液-液分散过程，首先考虑剪切作用，同时要求有较大的循环流量。 各种搅拌器的剪切作用按从大到小的顺序排
9、列：涡轮式、推进式、桨式。 对于气-液分散过程，如何考虑选择搅拌器？ 对于固体悬浮操作，如何考虑选择搅拌器？ 对于溶解过程，如何考虑选择搅拌器？ 对于结晶过程，如何考虑选择搅拌器？ 对于以传热为主的搅拌操作，如何考虑选择搅拌器？思考?(二)换热介质的选择 一般的低压饱和水蒸汽加热时最高只能达到150-160，需要更高温度时则需考虑高温热源的选择问题。1.高温热源有以下几种 (1)压力高的饱和水蒸汽 压力可达一至数MPa，来源有高压蒸汽锅炉、利用反应热的废热锅炉或热电站的蒸汽透平。 缺点:需高压管道输送蒸汽，费用高，且远距离输送时热损失大。 (2)高压汽水混合物 个别设备需高温加热时，较经济可行
10、。可用于温度为200-250的加热要求。 (3)有机载热体 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘为主的石油馏分。 利用其常压沸点高、熔点低、热稳定性好等特点可提供高温的热源。 优点：能在较低的压力下得到较高的加热温度。 温度范围：能用于200350的范围。(4)无机熔盐 硝酸钾，硝酸钠及亚硝酸钠的混合物可用于300400的情况。 (5)电加热 操作方便、热效率高、便于实现自控和遥控的一种高温加热方法。 电加热法有以下三种： 电阻加热法、感应电流加热法、短路电流加热法 (6)烟道气加热 用煤气、天然气、石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟道气作热源加热设备。 缺点是热效率低，给热系数小，温度不易
11、控制。 可用于600以上的高温加热。(一)换热装置 换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之符合工艺要求的温度条件的设备。 其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式等，也可用直接火焰或电感加热。釜式反应器的换热装置的设计与选择 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。当反应器的直径大或者加热蒸汽压力较高(0.6MPa)时，夹套必须采取加强措施。分支撑短管加强的“蜂窝夹套”，冲压式蜂窝夹套，角钢焊在釜的外壁上夹套。 2.蛇管式当工艺需要的传热面积大，单靠夹套传热不能满足要求时，或者是反应器内壁衬有橡胶、瓷砖等非金属材料时，可采用蛇管、插入套管、插入D形管等传
12、热。 3.列管式对于大型反应釜，需高速传热时，可在釜内安装列管式换热器。4.外部循环式 当反应器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足工艺要求，或无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺要求时，可以采用外部循环式。5.回流冷凝式 反应在沸腾下进行或蒸发量大的场合。什么是返混(间歇釜式反应器的缺点)? 返混是一种混合现象。狭义地理解，它指连续过程中与主流方向相反的运动所造成的物料混合。这种混合的存在，影响了沿主流方向上的浓度分布和温度分布，使浓度趋向于出口浓度。对于传质过程，这样的浓度变化使浓度推动力减小，从而减小了传递速度。 那么 在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象
13、是不利因素。此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。 连续操作搅拌釜 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)特点：强烈搅拌，反应器内各点T，n相同，物料随进随出，出口物料n与釜内反应物相同优点：反应物的浓度、温度及v保持恒定不变，对自催化反应有利缺点：釜内n很低，v很慢，达到同样的x，需要的VR较大五釜式反应器串联 多釜串联反应器与PFR一级反应讨论：1. N1，单个连续釜的最小2. N， 1， 多釜串联总容积VPFR3. 当N少时，增加釜数， 增大明显，当N多时，效果不明显，实际生产一般不超过4.釜式反应器的串联 串联釜式反应
14、器各釜的最佳反应体积 优化的目标函数为 对于 级反应， ，得到的结论为： 101=1=0 0从小釜大釜排列最优； 从大釜小釜排列最优 釜体积相等时最优 rA与CA无关,多釜串联没有必要 单釜优于多釜串联 釜式反应器的并联 操作中有分配加入每个反应器中物料量的问题，那么如何分配呢？ 通常可以采取1=2，这时整个反应系统最优。即要这时釜式反应器的故障处理及维护要点 序故障现象故障原因处理方法1壳体损坏（ 腐蚀、裂纹、透孔）1.受介质腐蚀（点蚀、晶间腐蚀）2.热应力影响产生裂纹或碱脆3.损变薄或均匀腐蚀1.用耐蚀材料衬里的壳体需呕新修衬或局部补焊2.焊接后要消除应力，产生裂纹要进行修补3.超过设计最
15、低的允许厚度需更换本体2超温超压1.仪表失灵，控制不严格2.误操作；原料配比不当；产生剧热反应3.因传热或搅拌性能不佳，发生副反应4.进气阀失灵，进气压力过大、压力高1.检查、修复自控系统，严格执行操作规程2.根据操作法，紧急放压，按规定定量。定时投料，严防误操作3.增加传热面积或清除结垢，改善传热效果；修复搅拌器，提高搅拌效率4.关总气阀，切断气源修理阀门3.密封泄漏填料密封1.搅拌轴在填料处磨损或腐蚀，造成间隙过大2.油环位置不当或油路堵塞不能形成油封3.压盖没压紧，填料质量差，或使用过久4.填料箱腐蚀机械密封5.动静环端面变形、碰伤。6.端画比压过大，摩擦副产生热变形7.密封圈选材不对，
16、压紧力不够，或V形密封圈装反，失去密封性8.轴线与静环端面垂直度误差过大9.操作压力、温度不稳，硬颗粒进入摩擦副10.轴窜量超过指标11.镶装或粘接动、静环的镶缝泄漏1.更换或修补搅拌轴，并在机床上加工，保证表面粗糙度2.调整油环位置，清洗油路3.压紧填料，或更换填料4.修补或更换5.更换摩擦副或重新研磨6.调整比压要合适，加强冷却系统，及时带走热量7.密封圈选材、安装要合理，要有足够的压紧力8.停车，重新找正，保证垂直度误差小于0.5mm9.严格控制工艺指标，颗粒及结晶物不能进入摩擦副10.调整、检修使轴的窜量达到标准11.改进安装工艺，或过盈量要适当，或粘接剂要好用，粘接牢固序号故障现象故障原因处理方法4釜内有异常的杂音1.搅拌器摩擦釜内附件（蛇管、温度计管等）或刮壁2.搅拌器松脱3.衬里鼓包，与搅拌器撞击4.搅拌器弯曲或轴承损坏1.停车检修找正，使搅拌器与附件有一定间距2.停车检查，紧固螺栓3.修鼓包，或更换衬里4.检修或更换轴及轴承5搪瓷搅拌器脱落1.被介质腐蚀断裂2.电动机旋转方向相反1.更换搪瓷轴或用玻璃修补2.停车改变转向6搪瓷釜法兰漏气1.法兰瓷面损坏2.选择垫圈材质不
