反應器分類的學習課件第1頁/共32頁分類操作方式釜式反應器按操作方式可分為：①間歇釜式反應器,或稱間歇釜（圖1）。操作靈活，易于適應不同操作條件和產品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，產品質量也不易穩定。但有些反應過程，如一些發酵反應和聚合反應，實現連續生產尚有困難，至今還采用間歇釜。②連續釜式反應器,或稱連續釜(圖2)。可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的場合，釜內物料流型可視作全混流（見流動模型），反應釜相應地稱作全混釜。在要求轉化率高或有串聯副反應的場合，釜式反應器中的返混現象是不利因素。此時可采用多釜串聯反應器（圖3）,以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應條件。③半連續釜式反應器。指一種原料一次加入，另一種原料連續加入的反應器，其特性介于間歇釜和連續釜之間。第2頁/共31頁第2頁/共32頁

計算就單一反應A→B而言，各種釜式反應器的常用計算方法如下：①對于間歇釜式反應器,當反應物A的初濃度和終濃度分別為C岹和C岒時，反應所需的時間τ為：(1)式中CA為反應物A的濃度；-rA為濃度為CA時的反應速率。②對于連續釜式反應器，設反應器為全混流，當反應物A的進口濃度和出口濃度分別為C岹和C岏時，反應所需的平均停留時間掦（見停留時間分布）為：(2)式中V為反應器的有效容積；v為體積流率;-r岏為出口濃度C岏下的反應速率。第3頁/共31頁第3頁/共32頁對于多釜串聯反應器,可以利用式(2)逐個反應器類推計算。對一級反應（-rA=kCA，k為反應速率常數）,若各釜有效容積相等，反應溫度相同，則有：式中C岰為第n釜中A的濃度；掦i為一釜的平均停留時間。工程放大機械攪拌的釜式反應器可針對不同反應特征按下列原則之一進行放大：①攪拌雷諾數Rej相等。式中N為攪拌槳轉速；D為攪拌槳直徑；ρ為液體密度;μ為粘度；②單位體積液體攪拌功率相等；③攪拌槳外緣的線速度相等（見彩圖）。第4頁/共31頁第4頁/共32頁第5頁/共31頁第5頁/共32頁分類間歇釜式反應器,或稱間歇釜。操作靈活，易于適應不同操作條件和產品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，產品質量也不易穩定。但有些反應過程，如一些發酵反應和聚合反應，實現連續生產尚有困難，至今還采用間歇釜。連續釜釜式反應器連續釜式反應器,或稱連續釜第6頁/共31頁第6頁/共32頁

可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的場合，釜內物料流型可視作全混流，反應釜相應地稱作全混釜。在要求轉化率高或有串聯副反應的場合，釜式反應器中的返混現象是不利因素。此時可采用多釜串聯反應器,以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應條件。半連續釜式反應器釜式反應器指一種原料一次加入，另一種原料連續加入的反應器，其特性介于間歇釜和連續釜之間。第7頁/共31頁第7頁/共32頁攪拌器的選型攪拌器的選型主要根據物料性質、攪拌目的及各種攪拌器的性能特征來進行。在工業上可根據物料的性質、要求的物料混合程度以及考慮能耗等因素選擇適宜的攪拌器。在一般情況下，對低粘性均相液體混合，可選用任何形式的攪拌器；對非均相液體分散混合，選用旋槳式、渦輪式攪拌器為好；在有固體懸浮物存在，固液密度差較大時，選用渦輪式攪拌器，固液密度差較小時，選用槳式攪拌器；對于物料粘稠性很大的液體混合，可選用錨式攪拌器。對需要更大攪拌強度或需使被攪拌液體作上、下翻騰運動的情況，可根據需要在反應器內再裝設橫向或豎向擋板及導向筒等。第8頁/共31頁第8頁/共32頁(1)按物料粘度選型對于低粘度液體，應選用小直徑、高轉速攪拌器，如推進式、渦輪式；對于高粘度液體，就選用大直徑、低轉速攪拌器，如錨式、框式和槳式。(2)按攪拌目的選型對低粘度均相液體混合，主要考慮循環流量，各種攪拌器的循環流量按從大到小順序排列：推進式、渦輪式、槳式。對于非均相液-液分散過程，首先考慮剪切作用，同時要求有較大的循環流量，各種攪拌器的剪切作用按從大到小的順序排列：渦輪式、推進式、槳式第9頁/共31頁第9頁/共32頁釜式反應器的攪拌裝置

在化學工業中常用的攪拌裝置是機械攪拌裝置，典型的機械攪拌裝置包括攪拌器：包括旋轉的軸和裝在軸上的葉輪；輔助部件和附件：包括密封裝置、減速箱、攪拌電機、支架、擋板和導流筒等。攪拌器是實現攪拌操作的主要部件，其主要的組成部分是葉輪，它隨旋轉軸運動將機械能施加給液體，并促使液體運動。第10頁/共31頁第10頁/共32頁釜式反應器的攪拌裝置

在化學工業中常用的攪拌裝置是機械攪拌裝置，典型的機械攪拌裝置包括攪拌器：包括旋轉的軸和裝在軸上的葉輪；輔助部件和附件：包括密封裝置、減速箱、攪拌電機、支架、擋板和導流筒等。攪拌器是實現攪拌操作的主要部件，其主要的組成部分是葉輪，它隨旋轉軸運動將機械能施加給液體，并促使液體運動。（一）攪拌器的類型常用攪拌器有槳式、框式、錨式、旋槳式、渦輪式和螺帶式等。1、槳式攪拌器由槳葉、鍵、軸環、豎軸所組成。槳葉一般用扁鋼或不銹鋼或有色金屬制造。槳式攪拌器的轉速較低，一般為20～80r／min。槳式攪拌器直徑取反應釜內徑Di/3～2/3，槳葉不宜過長，當反應釜直徑很大時采用兩個或多個槳葉。槳式攪拌器適用于流動性大、粘度小的液體物料，也適用于纖維狀和結晶狀的溶解液，物料層很深時可在軸上裝置數排槳葉。第11頁/共31頁第11頁/共32頁攪拌裝置釜式反應器的攪拌裝置在化學工業中常用的攪拌裝置是機械攪拌裝置，典型的機械攪拌裝置包括攪拌器：包括旋轉的軸和裝在軸上的葉輪；輔助部件和附件：包括密封裝置、減速箱、攪拌電機、支架、擋板和導流筒等。攪拌器是實現攪拌操作的主要部件，其主要的組成部分是葉輪，它隨旋轉軸運動將機械能施加給液體，并促使液體運動。第12頁/共31頁第12頁/共32頁2、渦輪式攪拌器渦輪式攪拌器分為圓盤渦輪攪拌器和開啟渦輪攪拌器；按照葉輪又可分為平直葉和彎曲葉。渦輪攪拌器速度較大，300～600r／min。渦輪攪拌器的主要優點是當能量消耗不大時，攪拌效率較高，攪拌產生很強的徑向流。因此它適用于乳濁液、懸浮液等。3、推進式攪拌器推進式攪拌器，攪拌時能使物料在反應釜內循環流動，所起作用以容積循環為主，剪切作用較小，上下翻騰效果良好。當需要有更大的流速時，反應釜內設有導流筒。推進式攪拌器直徑約取反應釜內徑Di的1/4～1/3，300～600r／min，攪拌器的材料常用鑄鐵和鑄鋼。第13頁/共31頁第13頁/共32頁4、框式和錨式攪拌器框式攪拌器可視為槳式攪拌器的變形，其結構比較堅固，攪動物料量大。如果這類攪拌器底部形狀和反應釜下封頭形狀相似時，通常稱為錨式攪拌器。框式攪拌器直徑較大，一般取反應器內徑的2/3～9/10，50～70r／min。框式攪拌器與釜壁間隙較小，有利于傳熱過程的進行，快速旋轉時，攪拌器葉片所帶動的液體把靜止層從反應釜壁上帶下來；慢速旋轉時，有刮板的攪拌器能產生良好的熱傳導。這類攪拌器常用于傳熱、晶析操作和高粘度液體、高濃度淤漿和沉降性淤漿的攪拌。第14頁/共31頁第14頁/共32頁5、螺帶式攪拌器和螺桿式攪拌器這兩種攪拌器主要產生軸向流，加上導流簡后，可形成筒內外的上下循環流動。它們的轉速都較低，通常不超過50r／min，主要用于高教度液體的攪拌。（二）擋板和導流筒攪拌附件通常指在攪拌罐內為了改善流動狀態而增設的零件，如擋板、導流筒。1、擋板：目的是為了消除切線流和“打漩”。一般為2-4塊，且對于低速攪拌高粘度液體的錨式和框式攪拌器安裝擋板無意義。2、導流筒：目的是控制流型（加強軸向流）及提高混合效果。不同型式的攪拌器的導流筒安置方位不同。

第15頁/共31頁第15頁/共32頁攪拌器的選型

主要根據物料性質、攪拌目的及各種攪拌器的性能特征來進行。在工業上可根據物料的性質、要求的物料混合程度以及考慮能耗等因素選擇適宜的攪拌器。在一般情況下，對低粘性均相液體混合，可選用任何形式的攪拌器；對非均相液體分散混合，選用旋槳式、渦輪式攪拌器為好；在有固體懸浮物存在，固液密度差較大時，選用渦輪式攪拌器，固液密度差較小時，選用槳式攪拌器；對于物料粘稠性很大的液體混合，可選用錨式攪拌器。對需要更大攪拌強度或需使被攪拌液體作上、下翻騰運動的情況，可根據需要在反應器內再裝設橫向或豎向擋板及導向筒等。第16頁/共31頁第16頁/共32頁按物料粘度選型

對于低粘度液體，應選用小直徑、高轉速攪拌器，如推進式、渦輪式；對于高粘度液體，就選用大直徑、低轉速攪拌器，如錨式、框式和槳式。(2)按攪拌目的選型對低粘度均相液體混合，主要考慮循環流量，各種攪拌器的循環流量按從大到小順序排列：推進式、渦輪式、槳式。對于非均相液-液分散過程，首先考慮剪切作用，同時要求有較大的循環流量，各種攪拌器的剪切作用按從大到小的順序排列：渦輪式、推進式、槳式。第17頁/共31頁第17頁/共32頁

常用反應器的類型（見表）有：①管式反應器。由長徑比較大的空管或填充管構成，可用于實現氣相反應和液相反應。②釜式反應器。由長徑比較小的圓筒形容器構成，常裝有機械攪拌或氣流攪拌裝置，可用于反應器外型照片(4張)液相單相反應過程和液液相、氣液相、氣液固相等多相反應過程。用于氣液相反應過程的稱為鼓泡攪拌釜（見鼓泡反應器）；用于氣液固相反應過程的稱為攪拌釜式漿態反應器。③有固體顆粒床層的反應器。氣體或(和)液體通過固定的或運動的固體顆粒床層以實現多相反應過程，包括固定床反應器、流化床反應器、移動床反應器、涓流床反應器等。④塔式反應器。用于實現氣液相或液液相反應過程的塔式設備，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（見彩圖）。⑤噴射反應器。利用噴射器進行混合，實現氣相或液相單相反應過程和氣液相、液液相等多相反應過程的設備。⑥其他多種非典型反應器。如回轉窯、曝氣池等。第18頁/共31頁第18頁/共32頁對有兩種以上原料的連續反應器，物料流向可采用并流或逆流。對幾個反應器組成級聯的設備，還可采用錯流加料,即一種原料依次通過各個反應器,另一種原料分別加入各反應器。除流向外，還有原料是從反應器的一端(或兩端)加入和分段加入之分。分段加入指一種原料由一端加入，另一種原料分成幾段從反應器的不同位置加入，錯流也可看成一種分段加料方式。采用什么加料方式，須根據反應過程的特征決定。第19頁/共31頁第19頁/共32頁多數反應有明顯的熱效應。為使反應在適宜的溫度條件下進行，往往需對反應物系進行換熱。換熱方式有間接換熱和直接換熱。間接換熱指反應物料和載熱體通過間壁進行換熱，直接換熱指反應物料和載熱體直接接觸進行換熱。對放熱反應，可以用反應產物攜帶的反應熱來加熱反應原料，使之達到所需的反應溫度，這種反應器稱為自熱式反應器。第20頁/共31頁第20頁/共32頁按反應過程中的換熱狀況，反應器可分為①等溫反應器反應物系溫度處處相等的一種理想反應器。反應熱效應極小，或反應物料和載熱體間充分換熱，或反應器內的熱量反饋極大（如劇烈攪拌的釜式反應器）的反應器，這樣可近似看作等溫反應器。②絕熱反應器反應區與環境無熱量交換的一種理想反應器。反應區內無換熱裝置的大型工業反應器，與外界換熱可忽略時，可近似看作絕熱反應器。③非等溫非絕熱反應器與外界有熱量交換，反應器內也有熱反饋，但達不到等溫條件的反應器，如列管式固定床反應器。換熱可在反應區進行，如通過夾套進行換熱的攪拌釜，也可在反應區間第21頁/共31頁第21頁/共32頁

主要指反應器的操作溫度和操作壓力。溫度是影響反應過程的敏感因素，必須選擇適宜的操作溫度或溫度序列，使反應過程在優化條件下進行。例如對可逆放熱反應應采用先高后低的溫度序列以兼顧反應速率和平衡轉化率（見化學平衡）。反應器可在常壓、加壓或負壓（真空）下操作。加壓操作的反應器主要用于有氣體參與的反應過程，提高操作壓力有利于加速氣相反應，對于總摩爾數減小的氣相可逆反應，則可提高平衡轉化率，如合成氨、合成甲醇等。提高操作壓力還可增加氣體在液體中的溶解度，故許多氣液相反應過程、氣液固相反應過程采用加壓操作，以提高反應速率，如對二甲苯氧化等。第22頁/共31頁第22頁/共32頁選型對于特定的反應過程，反應器的選型需綜合考慮技術、經濟及安全等諸方面的因素。反應過程的基本特征決定了適宜的反應器形式。例如氣固相反應過程大致是用固定床反應器、流化床反應器或移動床反應器。但是適宜的選型則需考慮反應的熱效應、對反應轉化率和選擇率的要求、催化劑物理化學性態和失活等多種因素，甚至需要對不同的反應器分別作出概念設計，進行技術的和經濟的分析以后才能確定。除反應器的形式以外，反應器的操作方式和加料方式也需考慮。例如，對于有串聯或平行副反應的過程，分段進料可能優于一次進料。溫度序列也是反應器選型的一個重要因素。例如，對于放熱的可逆反應，應采用先高后低的溫度序列，多級、級間換熱式反應器可使反應器的溫度序列趨于合理。反應器在過程工業生產中占有重要地位。就全流程的建設投資和操作費用而言，反應器所占的比例未必很大。但其性能和操作的優劣卻影響著前后處理及產品的產量和質量，對原料消耗、能量消耗和產品成本也產生重要影響。因此，反應器的研究和開發工作對于發展各種過程工業有重要的意義。第23頁/共31頁第23頁/共32頁第24頁/共31頁第24頁/共32頁釜式反應器的結構釜式反應器TankReactor釜式反應器的學習任務1、了解釜式反應器的基本結構、特點及工業應用。2、掌握各類釜式反應器的計算。3、了解釜式反應器的熱穩定性。4、掌握釜式反應器的操作技能。項目一釜式反應器的結構釜式反應器又稱:槽型反應器或鍋式反應器一種低高徑比的圓筒形反應器，用于實現液相單相反應過程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應過程。反應器內常設有攪拌（機械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉。在反應過程中物料需加熱或冷卻時，可在反應器壁處設置夾套，或在器內設置換熱面，也可通過外循環進行換熱。操作時溫度、濃度容易控制，產品質量均一。在化工生產中，既可適用于間歇操作過程，又可用于連續操作過程；可單釜操作，也可多釜串聯使用；但若應用在需要較高轉化率的工藝要求時，有需要較大容積的缺點。通常在操作條件比較緩和的情況下，如常壓、溫度較低且低于物料沸點時，釜式反應器的應用最為普遍第25頁/共31頁第25頁/共32頁結構釜式反應器的基本結構主要包括:反應器殼體、攪拌裝置、密封裝置、換熱裝置、傳動裝置。殼體結構：一般為碳鋼材料，筒體皆為圓筒型。釜式反應器殼體部分的結構包括筒體、底、蓋（或稱封頭）、手孔或人孔、視鏡、安全裝置及各種工藝接管口等。封頭；反應釜的頂蓋，為了滿足拆卸方便以及維護檢修。

第26頁/共31頁第26頁/共32頁適用場合平面形：適用于常壓或壓力不高時；碟形：應用較廣。球形：適用于高壓場合；橢圓形：應用較廣。錐形：適用于反應后物料需要分層處理的場合。手孔、人孔：為了檢查內部空間以及安裝和拆卸設備內部構件。視鏡:觀察設備內部物料的反應情況，也作液面指示用。工藝接管:用于進、出物料及安裝溫度、壓力的測定裝置。第27頁/共31頁第27頁/共32頁夾套式換熱器換熱裝置是用來加熱或冷卻反應物料，使之符合工藝要求的溫度條件的設備。其結構型式主要有夾套式、蛇管式、列管式、外部循環式等，也可用直接火焰或電感加熱。一）夾套式換熱器是套在反應器筒體外面能形成密封空間的容器，既簡單又方便。夾套的高度取決于傳熱面積，而傳熱面積由工藝要求確定。夾套高度一般應高于料液的高度，應比釜內液面高出50－100mm左右，以保證傳熱。夾套內通蒸汽時，其蒸汽壓力一般不超過0.6MPa。當反應器的直徑大或者加熱蒸汽壓力較高時，夾套必須采取加強措施。分支撐短管加強的“蜂窩夾套”，沖壓式蜂窩夾套，角鋼焊在釜的外壁上夾套。第28頁/共31頁第28頁/共32頁蛇管式換熱器二）蛇管式換熱器當工藝需要的傳熱面積大，單靠夾套傳熱不能滿足要求時，或者是反應器內壁襯有橡膠、瓷磚等非金屬材料時，可采用蛇管、插入套管、插入D形管等傳熱。蛇管浸沒在物料中，熱量損失少，且由于蛇管內傳熱介質流速高，它的給熱系數比夾套大很多。對于含有固體顆粒的物料及粘稠的物料,容易引起物料堆積和掛料,影響傳