常州工程职院化学反应过程与设备课件06间歇釜式反应器

间歇釜式反应器¢反应器计算和基本方程式¢间歇釜体积和数量的计算¢间歇釜式反应器(BR)Ø间歇操作的釜式反应器，所有反应物均在操作前一次加入，随着反应的进行，釜内温度、浓度和反应速度都随时间变化，一直进行至达到预定的转化率出料为止。Ø间歇反应器是分批操作，其操作时间由两部分组成，由反应时间τ和辅助时间τ‘(即装料、缷料、检查及清洗设备等所需时间）组成。Ø釜内各点物料的浓度、温度、反应速度相同，随时间而变，生产周期存在反应时间（生产时间）τ和非生产时间τ‘。Ø其结构简单、操作方便、灵活性大、应用广泛。但是设备生产效率低、不易保持每批质量稳定、高转化率下体积较大。一般用于液—液相、气—液相等系统，如染料、医药、农药等小批量多品种的行业。è反应器计算的内容和基本方程式¢反应器计算的基本内容Ø选择合适的反应器型式根据反应系统动力学特性，如反应过程的浓度效应、温度效应及反应的热效应，结合反应器的流动特征和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满足反应过程的需要，使反应结果最优。Ø确定最佳操作条件操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压力和最终转化率等，直接影响反应器的反应结果，也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组成的改变，工艺参数调整是常有的事。现代化大型化工厂工艺参数的调整，是通过计算机集散控制完成的。计算机收到参数变化的信息，并根据已输入的数学模型和程序，计算出结果，送给相应的执行机构，完成参数的调整。Ø计算完成生产任务所需的反应器体积反应器体积的确定是反应器计算的核心内容。根据所确定的操作条件，针对所选定的反应器型式，计算完成规定生产能力所需的反应器有效体积，同时由此确定反应器的结构和尺寸。î反应器计算的基本方程反应器计算可以采用经验法和数学模型法。经验计算法是根据已有的装置生产定额，进行相同生产条件、相同结构生产装置的工艺计算。经验计算法的局限性很大，只能在相近条件下进行反应器体积的估算。　　如果改变反应过程的条件或改变反应器结构，以改进反应器的设计，或者进一步确定反应器的最优结构、操作条件，经验计算法是不适用的，这时应该用数学模型法计算。根据小型实验建立的数学模型（一般需经中试验证），结合一定的求解条件——边界条件和初始条件，预计大型设备的行为，实现工程计算。　　数学模型法计算的基础是描述化学过程本质的动力学模型以及反映传递过程特性的传递模型。基本方法是以实验事实为基础，建立上述模型，并建立相应的求解边界条件，然后求解。¢反应器计算的基本方程包括Ø描述浓度变化的物料衡算式；Ø描述温度变化的能量衡算式；Ø描述压力变化的动量衡算式；Ø描述反应速率变化的动力学方程式。¢物料衡算式Ø依据：质量守衡定律。Ø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。Ø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]Ø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]-[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。¢动量衡算式　动量衡算式以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化。当气相流动反应器的进出口压差很大，以致影响到反应组分浓度时，就要考虑流体的动量衡算。一般情况下，反应器计算可以不考虑此项。¢动力学方程式对于均相反应，需要有本征动力学方程；对于非均相反应，应该有包括相际传递过程在内的宏观动力学方程。物料衡算式和动力学方程式是描述反应器性能的两个最基本的方程式。èBR体积和数量求算¢已知条件Ø每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0）或V0=FA0/CA0=W0/ρØ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。Ø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。DDGVè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：每个设备每天能操作的批数为：则需用设备个数为：002424RVVVV2424't0(')'VnV''0/RVVVnn’需取整数n，n＞n’。因此实际设备总能力比设计要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以δ表示，则：2、已知每小时处理物料体积V0与操作周期，则需要设备的总容积为：求得设备总容积后，可查得系列设备标准选用决定设备的容积V和个数n。例3-1讲解'0(')RVVnV总100%'nn间歇釜式反应器¢间歇釜的直径和高度的计算¢间歇釜设备之间的平衡¢间歇釜的放热规律è间歇操作釜式反应器直径和高度的计算一般搅拌反应釜的高度与直径之比H/D=1.2左右，釜盖与釜底采用椭圆形封头，如图所示。230.1314VDHD由工艺计算决定了反应器的体积后，即可按下式求得其直径与高度：所求得的圆筒高度及直径需要圆整，并检验装料系数是否合适。确定了的反应釜的主要尺寸后，其壁厚、法兰尺寸以及手孔、视镜、工艺接管口等均可按工艺条件由标准中选择。è间歇操作釜式反应器设备之间的平衡n什么情况下要求设备平衡？当产品由多道工序经间歇釜反应而制得时，当前后工序设备之间不平衡时，就会出现前工序操作完了要出料，后工序却不能接受来料；或者，后工序待接受来料，而前工序尚未反应完毕的情况。这时将大大延长辅助操作的时间。n反应釜之间平衡的条件:为了便于生产的组织管理和产品的质量检验，通常要求不同批号的物料不相混。各道工序每天操作的批次相同，即为一常数。n如何根据平衡条件确定各工序反应器的大小和数量？计算时一般首先确定主要反应工序的设备体积、数量及每天操作批数，然后使其它工序的α值都与其相同，再确定各工序的设备体积与数量。例题讲解024vVè间歇操作釜式反应器的放热规律由例3-4可知：开始反应快，单位时间内放热量大，随着反应时间的增长，单位时间内放出的热量逐渐降低。Ø因此：计算反应釜传热面积时应以开始阶段的放热速率为依据；Ø温度操作应根据反应特性和放热规律进行不断调整与控制，开始时冷却水量要大，随反应进行，冷却水的消耗量逐渐减少。