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=绪论一、化学反应过程与设备概述化工生产过程一般分为三个阶段:原料预处理、化学反应和产品精制。其中化学反应过程是化工生产过程的核心。1.化学反应过程与设备研究的目的生产过程中反应过程最优化(设计最优和操作最优)。2.化学反应过程与设备研究的内容:(1)化学动力学特性研究(2)流动、传递过程对反应的影响(3)反应器计算,过程分析及最优化3.化学反应过程与设备的作用(1)反应器的合理选型(2)反应器操作的优选条件(3)反应器的工程放大二、化学反应器的分类1.按物料的聚集状态分:(1)均相、(2)非均相。2.据反应器结构分:(1)管式、(2)釜式、(3)床式、(4)塔式。3.根据温度条件和传热方式分类:(1)等温、(2)非等温;(1)绝热式、(2)外热式、(3)蒸发传热式。4.按操作方式分:(1)间歇式、(2)连续式、(3)半连续式三、反应器的选型要点1.根据反应物系的相态,选择使用的反应器结构形式。2.根据工艺要求的产量,选择反应器形式和操作方式。3.分局反应速率及动力学特性选择。4.根据生产要求(如反应温度、压力、时间、转化率、选择性、压降、能耗、生产能力等)选择。项目1均相反应器由于均相反应不存在相界面,因而反应器的有关结构和计算比较简单。对于某些非均相反应,可根据反应动力学简化为均相反应过程处理。均相反应器计算的基本原理和方法,同样适用于非均相反应器,可以作为各类反应器计算的基础。任务1搅拌釜式反应器1.1.1釜式反应器的结构釜式反应器是生产中广泛采用的反应器。它可用来进行均相反应,也可用于以液相为主的非均相反应。如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。釜式反应器的结构,主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分组成。釜式反应器有间歇式、半间歇式、连续式三种操作方式。一、釜式反应器的壳体釜式反应器的壳体结构包括:筒体、底、盖(或称封头)、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。1、釜式反应器的筒体作用:主要用来提供容积,是完成介质的物理、化学反应的容器。釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。A筒体一般按外压容器考虑。原因(1)、搅拌釜通常适用于低压或常压反应(2)、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源B外压容器的稳定性(1)、外压容器(圆筒)的失稳:在外压作用下,圆筒体失去原来形状而被压瘪的现象。(2)、失效形式有两种:①一种是因强度不够而破裂;②另一种是因刚度不够而失稳。外压容器失稳前,器壁内只有单纯的压缩应力,在失稳后,容器变形使器壁内产生了以弯曲应力为主的附加应力。外压容器的失稳需要一定条件,对于特定的壳体,当外压小于某一临界值时,器壁在压缩应力作用下处于平衡的稳定状态,即使增加外压,也不会引起壳体形状和应力状态的改变,外压卸除后,壳体能恢复原来形状。但是,外压一旦达到临界值,壳体的形状和应力状态就会发生突变,壳体产生永久变形,即使外压卸除后也不能恢复其原来形状。外压容器的失稳不仅使设备失效,造成经济损失,甚至会导致生产和人身的安全事故。对于常用的外压薄壁容器,失稳往往是在强度能满足要求的情况下发生的,因此,保证壳体的稳定性是外压薄壁容器计算和分析的主要内容。内压容器的压力试验:①压力试验的目的:验证超过工作压力条件下密封结构的严密性;验证超过工作压力条件下焊缝致密不漏;检验强度。②压力试验有两种,液压试验和气压试验。致密性试验:①符合下列情况时,容器应考虑进行致密性试验:a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时;b.对真空有较严格要求时;如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。②致密性试验方法有:气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等2、壳体的材质壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。A最常见的钢制反应釜的材料为Q235A(或容器钢)。钢制反应釜的特点是制造工艺简单、造价费用较低,维护检修方便,使用范围广泛,因此,化工生产普遍采用。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。B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。C搪玻璃反应釜性能如下:①耐腐蚀性:能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应:任何浓度和温度的氢氟酸;PH>12且温度大于100℃的碱性介质;温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸;酸碱交替的反应过程;含氟离子的其他介质。②耐热性:允许在-30~+240℃范围内使用③耐冲击性:耐冲击性较小。3、釜底和釜盖常用的形状有平面形、碟形、椭圆形和球形,釜底也有锥形。平面形:适用于常压或压力不高时;碟形:应用较广。球形:适用于高压场合;椭圆形:应用较广。锥形:适用于反应后物料需要分层处理的场合。4、手孔、人孔:安装和检修设备的内部构件。5、视镜:观察设备内部物料的反应情况,也作液面指示用6、安全装置:安全阀和爆破膜7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管二、釜式反应器的搅拌装置1、搅拌的目的使物料混和均匀,强化传热和传质。包括:(1)加快互溶液体的混合;(2)使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中;(3)使气体以气泡的形式分散于液体中;(4)使固体颗粒在液体中悬浮;(5)加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。2、宏观均匀与微观均匀混合产生过程:在搅拌釜中通过旋转的搅拌器浆叶把机械能传递给液体,造成液体强制对流运动,从而引起液体强制扩散的过程。混合效果取决于:浆叶形状、叶轮的尺寸、安装位置、转速、液体的物性等。宏观均匀:一种液体以微团形式均布于另一种液体中,且取样尺寸大于微团微观均匀:两液体达到分子间的均匀混合状态。实例:互溶液体——可达微观均匀,剧烈搅拌可缩短微观均匀时间。不互溶液体——不能达到微观均匀,剧烈搅拌可缩小宏观均匀尺度。悬浮液——不能达到微观均匀,能达到宏观均匀尺度,有极限。3、混合机理宏观流动:搅拌时,叶轮把动量传给周围的液体,产生一股高速湍动液流,继而推动周围的液体,使全部液体在釜内产生大范围的循环流动。微观流动:由叶轮产生的高速液体在静止或运动速度较低的液体中通过时,处于高速流体与低速流体分界面上的流体存在速度梯度,形成剪切力和强烈的漩涡运动,同时形成局部范围内物料快速而紊乱的对流运动。4、流动模型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”。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:径向流、轴向流、切线流。径向流:流体流动方向垂直于搅拌轴,沿径向流动,碰到容器壁面分成二股流体分别向上、向下流动,再回到叶端,不穿过叶片,形成上、下二个循环流动。轴向流:流体流动方向平行于搅拌轴,流体由桨叶推动,使流体向下流动,遇到容器底面再向上翻,形成上下循环流。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。打漩现象:反应釜内物料在搅拌时会在离心力的作用下涌向器壁,使器壁周围的液面上升,而中心部分液面下降,形成一个大旋涡,这种现象称为“打旋”。液体打旋时不产生轴向混合作用,不互溶的液体会分层,固体颗粒沉降。4、常用搅拌器的型式、结构和特点在化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置,典型的机械搅拌装置包括:(1)搅拌器:包括旋转的轴和装在轴上的叶轮;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。常用的搅拌器有桨式、框式、锚式、旋浆式、涡轮式和螺带式等。①桨式搅拌器由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。桨式搅拌器的转速较低,一般为20~80r/min。桨式搅拌器直径取反应釜内径Di/3~2/3,桨叶不宜过长,当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。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;按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大,300~600r/min。涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时,搅拌效率较高,搅拌产生很强的径向流。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。③推进式搅拌器(旋桨式搅拌器)推进式搅拌器,搅拌时能使物料在反应釜内循环流动,所起作用以容积循环为主,剪切作用较小,上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时,反应釜内设有导流筒。推进式搅拌器直径约取反应釜内径Di的1/4~1/3,300~600r/min,搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。④框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2/3~9/10,50~70r/min。框式搅拌器与釜壁间隙较小,有利于传热过程的进行,快速旋转时,搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来;慢速旋转时,有刮板的搅拌器能产生良好的热传导。这类搅拌器常用于传热、晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌。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,产生以上下循环流为主的流动,主要用于高粘度液体的搅拌。(2)辅助部件和附件搅拌附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件,如挡板、导流筒等。包括密封装置、减速箱、搅拌电机、支架、挡板和导流筒等。①挡板:目的是为了消除切线流和“打漩”。一般为2-4块,且对于低速搅拌高粘度液体的锚式和框式搅拌器安装挡板无意义。②导流筒:目的是控制流型(加强轴向流)及提高混合效果。不同型式的搅拌器的导流筒安置方位不同。5、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)按搅拌目的选型非均相液液分散过程,控制因素为剪切作用,同时也要求有较大的循环流量。各种搅拌器的剪切作用从大到小的顺序排列:涡轮式、推进式、桨式。所以,应优先选择涡轮式搅拌器。气液分散过程,要求得到高分散度的“气泡”,可优先选择涡轮式搅拌器。平直叶圆盘涡轮搅拌器最适合气液分散过程。固体悬浮操作,固液密度差小,应优先选择推进式搅拌器。当固液密度差大,固体颗粒沉降速度大时,应选用开启式涡轮搅拌器。当固体颗粒对叶轮的腐蚀性较大时,应选用开启弯叶涡轮搅拌器。固体溶解,开启式涡轮搅拌最适合。对一些易溶的块状固体则常用桨式或框式等搅拌器。结晶过程,微粒结晶,应选择涡轮式搅拌器。粒度较大的结晶可选择桨式搅拌器。传热为主的搅拌操作,可选用涡轮式搅拌器。三、搅拌电机及安全用电常识1、搅拌电机电机的形式很多,但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此,其构造的一般原则是:用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路,以产生电磁功率,达到能量转换的目的。搅拌电机常采用小功率三相异步电动机。三相异步电机是靠同时接入380V三相交流电源(相位差120度)供电的一类电动机,由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转,存在转差率,所以叫三相异步电机。2、安全用电安全用电是研究如何预防用电事故及保障人身和设备安全的一门学问。安全用电包括供电系统的安全、用电设备的安全及人身安全三个方面,它们之间又是紧密联系的。(1)触电概念:所谓触电是指电流流过人体时对人体产生的生理和病理的伤害、这种伤害是多方面的、一般分为电击和电伤两种。电击:是由于电流通过人体内而造成的内部器官在生理上的反应和病变、如刺痛、灼热感、痉挛、麻痹、昏迷、心室颤动或
本文标题:反应器一(绪论+釜式)
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