釜式及均相管式反应器

釜式及均相管式反应器本章授课内容第一节间歇釜式反应器第二节连续流动均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器第四节理想流动反应器的组合和比较第五节多重反应的选择率第六节半间歇釜式反应器第七节釜式反应器中进行的多相反应第一节间歇釜式反应器釜式或槽式反应器都设置搅拌装置。釜式反应器大都用于完全互溶的液相或呈两相的液-液相及液-固相反应物系在间歇状态下操作，与化学实验室内装有电动搅拌器的玻璃三口烧瓶极为类似。一、釜式反应器的特征间歇操作时，反应物料按一定配料比一次加入反应器中，容器的顶部有一可拆卸的顶盖，以供清洗和维修用。在容器内部设置搅拌装置，经过一定的时间，反应达到规定的转化率后，停止反应并将物料排出反应器，完成一个生产周期。反应器内液相均相和气-液相反应的物料浓度处处相等。反应器内具有足够强的传热条件，无需考虑反应物料内的热量传递问题。反应器内物料同时开始和停止反应，所有物料具有相同的反应时间。间歇反应器的优点是操作灵活，适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇反应器缺点是，装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间。Flowdirection：(1)搅拌器的旋转(2)桨叶形状的不同切向圆周运动轴向流动径向流动间歇釜式反应器径向流轴向流EffectsofAgitator：(1)循环流动(2)高度湍动将流体输送到搅拌釜内各处大尺度宏观混合产生旋涡，旋涡分裂使流体分散小尺度微观混合小直经高转速搅拌器(1)推进式搅拌器(2)涡轮式搅拌器大直经低转速搅拌器(1)桨式(2)锚式和框式(3)螺带式1.2.(1)PropellerAgitator叶轮直径一般为釜径的0.2~0.5倍,常用转速为100～500rpm，叶端圆周速度可达5～15ms-1。1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators(a)直叶圆盘叶轮(2)Turbineagitator(b)弯叶圆盘叶轮1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators直叶涡轮叶轮直径为釜径的0.2～0.5倍,转速10～500rpm,叶端圆周速度可达4～10ms-1。弯叶涡轮折叶涡轮流速↑粘度↑流动阻力↑机械能被消耗湍动程度下降总体流动范围大大缩小大直径低转速搅拌器2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators桨式搅拌器锚式和框式搅拌器螺带式搅拌器2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators(1)桨式搅拌器旋转直径为釜径的0.35~0.8倍，甚至达0.9倍以上。常用转速为1~100rpm，叶端圆周速度为1~5ms-1。(b)斜桨式(a)平桨式2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators(a)平桨(b)斜桨桨叶可分成24°、45°或60°倾角轴向和径向运动切向和径向运动可用于简单的固液悬浮FeaturesandApplications:单层桨式的缺点：轴向流动范围小2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators桨式搅拌器的径向搅拌范围大，可用于较高粘度液体的搅拌。釜内液位较高时(c)MajorityInclined多斜桨式(2)锚式和框式搅拌器(a)锚式(b)框式根据釜底的形状制造旋转直径可达釜径的0.9~0.98倍2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators一般在层流状态下操作缺点：主要使液体产生水平环向流动基本不产生轴向流动优点：搅动范围大，在桨上增加横梁和竖梁，防止死区的形成锚式和框式搅拌器常用于中、高粘度液体的搅拌难以保证轴向混合均匀FeaturesandApplications:2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators框式搅拌器(3)螺带式搅拌器目的：提高轴向混合效果一般具有1~2条螺带，旋转直径为釜径的0.9~0.98倍。2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators一般在层流状态下操作液体将沿着螺旋面上升或下降形成轴向循环流动，螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合FeaturesandApplications:2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators6.5.2Measuresofimprovingeffects1.打旋现象及其消除危害:各层液体之间几乎不发生轴向混合，当物料为多相体系时，还会发生分层或分离现象。搅拌效率下降打旋现象6.5.2Measuresofimprovingeffects(1)装设挡板目的：破坏釜内的圆周运动釜内液面的下凹现象基本消失对轴向和径向流动无影响提高了混合效果作用：6.5.2Measuresofimprovingeffects流入W流入流入低粘度高等粘度中等粘度挡板的常见安装方式(2)偏心安装目的：破坏循环回路的对称性6.5.2Measuresofimprovingeffects2.导流筒导流筒档板导流筒档板既提高了循环流量和混合效果，又有助于消除短路与流动死区。6.5.2Measuresofimprovingeffects二、间歇釜式反应器的数学模型间歇釜式反应器中物系温度和各组分的浓度均达到均一，可以对整个反应器进行物料衡算。若VR为反应物料在整个反应器中占有的体积，间歇操作则物料的流入量及流出量均为零，此时单一反应关键反应组分A的物料衡算式可写成整理积分，可得该式是液相单一反应达到一定转化率所需反应时间的数学模型。0)(/dtdnVrARVAAfAfx0VAA0Ax0VAAR0ArdxcrdxVnt)()(若反应过程中等温液相物料的密度变化可以不计，即等容过程，则cA0及cAf为关键反应组分A初始和所要求的摩尔浓度，kmol/m3。只要已知反应动力学方程或反应速率与组分A浓度cA之间的变化规律，就能计算达到cAf所需反应时间。最基本、最直接的方法是数值积分或图解法。dt/dcrAVA)(Af0AccVAArdct)(图3-2等温间液相歇反应过程反应时间的图解积分图3-1等温间歇液相反应过程的参数积分已知动力学数据1/(rA)V~xA的曲线，然后求取xA0到xAf之间曲线下的面积即为t/cA0。同时也可作出曲线1/(rA)V～cA，然后求取cA0到cAf之间曲线下的面积为反应时间。1.等温等容液相单一反应在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆反应，反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二级不可逆反应的本征速率方程代入由于等容过程中，在计算中采用转化率和残余浓度两种形式表示反应要求。若要求达到规定转化率，即着眼于反应物料的利用率，或着眼于减轻反应后的分离任务。另一种要求是达到规定的残余浓度，这完全是为了适应后续工序的要求，如有害杂质的除去即属此类。)x1(cV)x1(nVncAf0ARAf0ARAfAf)x1(ccA0AAAfx0AAc0A)x(fdxkct间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的动力学及积分结果比较不同反应级数的残余浓度和反应时间，可以发现：零级反应残余浓度随反应时间增加呈直线下降，一直到反应物完全转化为止。而一级反应和二级反应的残余浓度随反应时间的增加而慢慢地下降。特别是二级反应，反应后期的残余浓度变化速率非常小，这意味着反应的大部分时间花费在反应的末期。若提高转化率和降低残余浓度，会使所需的反应时间大幅度增加。为了保证反应后期动力学的准确、可靠，为了要密切注意反应后期的反应机理是否发生变化，要重视反应过程后期动力学的研究。例3-1（课本79页）课后习题3-1（课本111页）对于单一可逆反应，要考虑化学平衡，动力学方程及积分式，其中kc及kc’分别为正反应及逆反应速率常数，Kc为平衡常数，kc/kc’=KC。三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论：反应物达到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率或动力学因素，与反应器的大小无关；反应器的大小是由反应物料的处理量决定的。1.工程放大实验室用的小型反应器要做到等温操作比较容易，而大型反应器就很难做到；又如实验室反应器通过搅拌可使反应物料混合均匀，浓度均一，而大型反应器要做到这一点就比较困难。生产规模的间歇反应器的反应效果与实验室反应器相比，总是有些差异。间歇反应器的反应体积根据单位时间的反应物料处理体积Q0及操作周期来决定。Q0由生产任务确定，而操作周期由两部分组成：一是反应时间t，由式（3-4）求得；另一是辅助时间t0，其值只能根据实际经验来决定。由此可得间歇反应器的反应体积。00RttQV无论间歇釜式反应器中进行液相，液-液相或液-固相反应，反应体积VR要比反应器的实际体积Vt要小，以保证反应物料上面存有一定的空间，VR与Vt之比为填充系数f，其值根据反应物料的性质而定，一般为0.4~0.85。间歇釜式反应器中未装填液体物料的空间为液体物料的蒸汽所占据，即液体混合物中各有关组分的蒸汽之和所确定，物料的反应温度越高，则蒸汽压越大，反应器应承受的总压越高，所采用的耐压等级也越高。釜式反应器必须在密闭条件下操作。2.反应时间的优化间歇反应器每批物料的操作时间包括反应时间和辅助时间，对于一定的化学反应和反应器，辅助时间是一定值。随着反应操作时间延长，无疑会使产品的产量增多，但按单位操作时间计算的产品产量并不增加。因此，以单位操作时间的产品产量为目标函数，就必然存在一个最优反应时间，此时该函数值最大。对于反应，若要求产物R的浓度为cR，则单位操作时间的产品产量PR为对反应时间求导，并可由，得AR0RRRttcVP20RR0RR)tt(]cdtdc)tt[(VdtdP0dtdPR0RRttCdtdC3.配料比对反应，如动力学方程为在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义配料比，于是，等容液相反应过程中组分的浓度代入动力学方程ABPSBAVAckc)r(/BoAomcc000()(1)BBAAAAcccccmc]c)1m(c[kcdt/dc)r(0AAAAVA积分可得或写成当要求A的转化率较高时，配料比的影响更加明显，提高配料比可缩短反应时间，而需付出的代价是：（1）降低反应器的容积利用率；（2）增加组分B的回收费用，所以这也是一个需优化的参数。00(1)11ln[]ln[]11(1)AAAAAAmccmxcktmmcmmx0ln[]1(1)ABAmxmcktmmx当配料比大到在反应中的消耗可以忽略时，上述动力学方程可写为。此时，该二级反应可视同一级反应。即使不是很大，在反应末期也可能发生这种反应级数的转变。例如：当cA0=1，cB0=1.3时，在反应初期，A和B浓度接近，表现出二级反应的特征；而当的转化率为0.9时，cA0=0.1，cB0=0.4此时配料比为4，组分B过量甚多，其动力学特征接近一级反应。0'ABAArkcckc4.反应温度对于间歇釜式反应器，可以在反应时间的不同阶段，反应物系处于不同组成时，调整反应温度。一般说来，高转化率时，反应物浓度减少，反应速率随之减少，可以适当调高反应温度，以促使反应速率常数增大而增加反应速率。但应注意，对于液相反应，液相组分的性质随温度而变，例如：反应温度提高，液相组分的蒸汽压很快上升，甚至某一组分会达到沸点；反应温度增大，可能使某些反应组分的腐蚀性加强；对于多重反应，反应温度增高，会使某些副反应加剧。第二节连续流动均相管式反应器在连续管式反应器中，在流速较大的湍流状态时，虽然径向速度分布较均匀，但在边界层中速度仍