化学反应原理与设备模块二省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、石油化学工程系模块二、釜式反应器模块二、釜式反应器目目标标要求:要求:了解釜式反应器基本结构、特点及工业应用了解釜式反应器基本结构、特点及工业应用掌握各类釜式反应器计算掌握各类釜式反应器计算了解釜式反应器热稳定性问题了解釜式反应器热稳定性问题掌握釜式反应器操作技能掌握釜式反应器操作技能第第1页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系项目一、釜式反应器结构项目一、釜式反应器结构釜式反应器又称为槽式反应器,是各类反应器中釜式反应器又称为槽式反应器,是各类反应器中应用范围比较广泛一类反应器,主要用于液液应用范围比较广泛一类反应器,主要用于液液均相反应,同时也可用于气液、液液非均相均相反应,同
2、时也可用于气液、液液非均相反应。操作方式非常灵活,可依据生产不一样要反应。操作方式非常灵活,可依据生产不一样要求采取间歇操作、连续操作及半间歇半连续操作求采取间歇操作、连续操作及半间歇半连续操作方式。釜式反应器主要特点是:适用温度和压力方式。釜式反应器主要特点是:适用温度和压力范围宽;操作弹性大;适应性强。范围宽;操作弹性大;适应性强。釜式反应器从外型上来看是釜式反应器从外型上来看是一高径比靠近于一一高径比靠近于一圆筒圆筒型反应器。反应器结构主要包含型反应器。反应器结构主要包含反应器筒体、各种反应器筒体、各种接管、搅拌装置、密封装置和换热装置接管、搅拌装置、密封装置和换热装置等等 第第2页页专
3、业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系釜式反应器基本结构釜式反应器基本结构基本结构:壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置基本结构:壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置 第第3页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系釜式反应器基本结构釜式反应器基本结构壳体结构壳体结构反反应应器筒体皆器筒体皆为圆为圆筒形。底、盖筒形。底、盖惯惯用用 形状有平面形、碟形、形状有平面形、碟形、椭圆椭圆形和球形,也形和球形,也有釜底有釜底为锥为锥形。形。反应釜顶盖也叫上封头,经过法兰将顶盖与反应釜顶盖也叫上封头,经过法兰将顶盖与筒体相连接。在顶盖上通常开有工艺接管、筒体相连接。在顶盖上通常开有工艺接管、
4、人孔、手孔、视镜等。另外,反应釜传动装人孔、手孔、视镜等。另外,反应釜传动装置也大多直接支承在顶盖上。置也大多直接支承在顶盖上。工工艺艺接管口主要用于接管口主要用于进进、出物料及安装温度、出物料及安装温度、压压力力测测定装置定装置 手孔或人孔安手孔或人孔安设设是是为为了了检验检验内部空内部空间间以以及安装和拆卸及安装和拆卸设备设备内部构件内部构件 视镜视镜主要是主要是为为了了观观察反察反应应器内物料混器内物料混合情况及反合情况及反应应情况情况 第第4页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系釜式反应器搅拌装置釜式反应器搅拌装置搅拌器作用,经过搅拌到达物料充分混合,增强物料搅拌器作用,经
5、过搅拌到达物料充分混合,增强物料分子碰撞,强化反应器内物料传质传热分子碰撞,强化反应器内物料传质传热 搅拌器类型搅拌器类型搅拌器选型搅拌器选型主要依据主要依据物料性质物料性质、搅拌目标搅拌目标及及各种各种搅拌器性能搅拌器性能特征来进行特征来进行 第第5页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系釜式反应器搅拌装置釜式反应器搅拌装置挡板和导流筒挡板和导流筒挡板:挡板:普通是指固定在反应釜内壁上长条形普通是指固定在反应釜内壁上长条形板板挡板。它可把切线流转变为轴向流和径向挡板。它可把切线流转变为轴向流和径向流,增大了液体湍动程度,从而改进了搅拌流,增大了液体湍动程度,从而改进了搅拌效果效果。
6、导流筒:导流筒:是一个圆筒,搅拌操作中若需要控制是一个圆筒,搅拌操作中若需要控制流体流型,就要用导流筒。流体流型,就要用导流筒。作用作用主要是使从搅主要是使从搅拌器排出液体在导流筒内部和外部形成上下循拌器排出液体在导流筒内部和外部形成上下循环流动,以增加流体湍动程度,降低短路机会,环流动,以增加流体湍动程度,降低短路机会,增加循环流量和控制流型增加循环流量和控制流型 第第6页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系釜式反应器传热装置釜式反应器传热装置第第7页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系釜式反应器传热装置釜式反应器传热装置夹套式:夹套式:套在反应器筒体外面能形成密封空
7、间容器套在反应器筒体外面能形成密封空间容器 高度高度取决于传热面积,普通应高于料液高取决于传热面积,普通应高于料液高 度,应比釜内液面高出度,应比釜内液面高出50100mm左右,以左右,以 确保传热确保传热蛇管式:蛇管式:换热换热面面积较积较大大时时采取。普通有水平式蛇管采取。普通有水平式蛇管 和直立式蛇管和直立式蛇管 两种。蛇管结构复杂,检修两种。蛇管结构复杂,检修 困难困难 第第8页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系釜式反应器传动和密封装置釜式反应器传动和密封装置 电动电动机机 减速器减速器 联轴联轴器器 搅搅拌拌轴轴 传动装置传动装置第第9页页专业技能取证实训专业技能取证实
8、训石油化学工程系釜式反应器传动和密封装置釜式反应器传动和密封装置密封装置密封装置机械密封机械密封填料密封填料密封1、弹簧座2、弹簧3、动环4、静环座5、静环密封圈6、防转销7、静环8、动环密封圈9、紧定螺钉10、静环座密封圈1、本体2、螺钉3、衬套4、螺塞5、油圈6、油杯7、O形密封圈8、水夹套9、油杯10、填料11、压盖12、螺母13、双头螺住第第10页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系项目二、理想间歇操作釜式反应器计算项目二、理想间歇操作釜式反应器计算理想间歇操作釜式反应器简称为理想间歇操作釜式反应器简称为BR,是指一次,是指一次性加料、一次性出料、在反应进行过程中既不加性加
9、料、一次性出料、在反应进行过程中既不加料也不出料釜式反应器料也不出料釜式反应器 特征:特征:1、反应器内有效空间中各位置物料温度浓度、反应器内有效空间中各位置物料温度浓度 均相同均相同 2、全部物料在反应器中停留时间相同即无返混、全部物料在反应器中停留时间相同即无返混.3、出料组成与反应器内物料最终组成相同、出料组成与反应器内物料最终组成相同 4、存在非生产时间、存在非生产时间反应器内浓度处处相等、时时不相等反应器内浓度处处相等、时时不相等第第11页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系衡算范围:衡算范围:方程方程:BRBR基本方程基本方程衡算对象:衡算对象:进进人离开人离开 转转化
10、掉化掉 =累累积积量量00物料衡算物料衡算反应物反应物A单位时间单位时间t,整个反应器体积整个反应器体积V第第12页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应时间计算反应时间计算BR生生产时间产时间包含两部分:包含两部分:反反应时间应时间和和辅辅助助时间时间。辅助时间:辅助时间:是指反应物料加料时间、出料时间、是指反应物料加料时间、出料时间、清洗时间等。普通情况下,辅助时间由清洗时间等。普通情况下,辅助时间由 经验确定经验确定 反应时间:反应时间:是指装料完成后算起到抵达反应所要是指装料完成后算起到抵达反应所要 求转化率时所需时间求转化率时所需时间第第13页页专业技能取证实训专业技能
11、取证实训石油化学工程系解析法解析法:一级反应一级反应:二级反应二级反应:反应时间计算反应时间计算恒温过程恒温过程普通情况下,普通情况下,BR反反应应器内反器内反应应都可看做是恒容反都可看做是恒容反应应。第第14页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应时间计算反应时间计算恒温过程恒温过程图解法:动力学方程无法用函数表示图解法:动力学方程无法用函数表示第第15页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系已知:在间歇釜中己二酸和己二醇以等摩尔比反应生产醇酸已知:在间歇釜中己二酸和己二醇以等摩尔比反应生产醇酸树脂。(树脂。(-rA)kcA2kmol(A)/L.min)k=1.97L
12、/(kmol.min)CA0=0.004kmol/L t=1h =0.75若天天处理若天天处理2400kg己二酸己二酸求求xA=0.5,0.6,0.8,0.9时,所需反应时间时,所需反应时间求求xA=0.8,0.9时,所需反应器体积时,所需反应器体积解解:xA=0.5时时xA=0.6时tr=3.18(h)xA=0.8时tr=8.5(h)xA=0.9时tr=19.0(h)第第16页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应时间计算反应时间计算非恒温过程非恒温过程热量衡算:单位时间、整个体积、基准热量衡算:单位时间、整个体积、基准0进进入反入反应应器物料器物料带带入入热热量:量:0 0反
13、反应应器内物料和外界交器内物料和外界交换热换热量:量:反反应应器内累器内累积热积热量:量:发生反应热效应热量:发生反应热效应热量:离开反应器物料带出热量:离开反应器物料带出热量:0第第17页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应时间计算反应时间计算非恒温过程非恒温过程变温操作变温操作设计方程设计方程两方程联立求解,可得两方程联立求解,可得X和和T随时间改变随时间改变绝热操作:绝热操作:简化:简化:第第18页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应体积计算反应体积计算反反应应器有效体器有效体积积VR 反反应应器体器体积积V 装填系数装填系数若用多釜并联操作时,反应釜数若
14、用多釜并联操作时,反应釜数反应釜结构尺寸:反应釜结构尺寸:第第19页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系项目三、理想连续操作釜式反应器计算项目三、理想连续操作釜式反应器计算理想间歇操作釜式反应器简称为理想间歇操作釜式反应器简称为CSTR,是指反,是指反应进行过程中连续加料、连续出料釜式反应器流应进行过程中连续加料、连续出料釜式反应器流入反应器物料在瞬间与反应器内物料混合均匀入反应器物料在瞬间与反应器内物料混合均匀特征:特征:1、反应器内各处物料温度浓度均相同、反应器内各处物料温度浓度均相同 2、物料在反应器内充分返混。即返混为无穷大、物料在反应器内充分返混。即返混为无穷大 3、出料
15、组成与反应器内物料组成相同、出料组成与反应器内物料组成相同 4、连续、稳定流动,是一定态过程连续、稳定流动,是一定态过程反应器内浓度处处相等、时时相等反应器内浓度处处相等、时时相等第第20页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系衡算范围:衡算范围:方程方程:CSTRCSTR基本方程基本方程衡算对象:衡算对象:进进人离开人离开 转转化掉化掉 =累累积积量量0反反应过应过程空程空时时:物料衡算物料衡算反应物反应物A单位时间单位时间t、整个反应器体积、整个反应器体积V第第21页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系解析法解析法:一级反应一级反应:二级反应二级反应:单一连续操作釜式
16、反应器单一连续操作釜式反应器恒温过程恒温过程图解法:动力学方程无法用函数表示图解法:动力学方程无法用函数表示第第22页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系多个连续操作釜式反应器串联多个连续操作釜式反应器串联只有在最终一个釜反应物浓度与单釜操作时相同,只有在最终一个釜反应物浓度与单釜操作时相同,处于最低出口浓度,其它各釜浓度均比单釜操作处于最低出口浓度,其它各釜浓度均比单釜操作时浓度高时浓度高。提升了反应速率。提升了反应速率第第23页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系多个连续操作釜式反应器串联多个连续操作釜式反应器串联任一釜物料衡算任一釜物料衡算第第24页页专业技能取证
17、实训专业技能取证实训石油化学工程系多个连续操作釜式反应器串联多个连续操作釜式反应器串联解析法:解析法:前一釜出口浓度是后一釜入口浓度,逐釜依次前一釜出口浓度是后一釜入口浓度,逐釜依次 计算,直到抵达要求转化率计算,直到抵达要求转化率 一一级级不可逆反不可逆反应应:第一釜体第一釜体积积:第二釜体第二釜体积积:第第N釜体釜体积积第第25页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系 一级不可逆反应一级不可逆反应各釜空时相同,且反应温度相同各釜空时相同,且反应温度相同多个连续操作釜式反应器串联多个连续操作釜式反应器串联解析法:解析法:前一釜出口浓度是后一釜入口浓度,逐釜依次前一釜出口浓度是后一釜
18、入口浓度,逐釜依次 计算,直到抵达要求转化率计算,直到抵达要求转化率 第第26页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系多个连续操作釜式反应器串联多个连续操作釜式反应器串联图解法:图解法:单釜物衡单釜物衡:注意注意:当各釜温度不一样时当各釜温度不一样时当各釜体积不一样时当各釜体积不一样时第第27页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系多个连续操作釜式反应器串联多个连续操作釜式反应器串联N-CSTR最最优优化化:釜数及最终转化率已要求情况下釜数及最终转化率已要求情况下,为使为使总反应体积最小总反应体积最小,各釜反应体积存在一最正确百分比各釜反应体积存在一最正确百分比第第28页页
19、专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系多个连续操作釜式反应器串联多个连续操作釜式反应器串联总反应体总反应体积最小必积最小必要条件要条件对于一级不可逆反应:对于一级不可逆反应:对于一级不可逆反应对于一级不可逆反应而言,当串联各釜体而言,当串联各釜体积相同时,总反应体积相同时,总反应体积最小积最小第第29页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系连续操作釜式反应器热稳定性连续操作釜式反应器热稳定性热稳定性:热稳定性:是指反应器本身对热扰动有没有是指反应器本身对热扰动有没有自行恢自行恢 复平衡能力复平衡能力。在干扰原因消除后,如。在干扰原因消除后,如 果反应过程能恢复到原来平衡状态,
20、果反应过程能恢复到原来平衡状态,称为称为热稳定性热稳定性;不然称为;不然称为热不稳定性热不稳定性。参数敏感性:参数敏感性:是指反应过程中各相关参数(流量、进是指反应过程中各相关参数(流量、进口温度、冷却温度等)发生微小改变时,反应器内口温度、冷却温度等)发生微小改变时,反应器内温度将会有多大改变。假如反应器参数敏感性过高,温度将会有多大改变。假如反应器参数敏感性过高,那么使反应器操作变得十分困难那么使反应器操作变得十分困难 第第30页页专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系热量衡算:热量衡算:单位时间、整个体积、基准单位时间、整个体积、基准0进进入反入反应应器物料器物料带带入入热热量:
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