反应器放大设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,搅拌反应器放大设计,State Key Lab. of Polymer Reaction EngineeringCollege of Materials Science & Chemical Eng.Zhejiang University, Hangzhou 310027, P. R. ChinaTel: 0571-87951307, Email:,搅拌反应器放大设计,我的理解,冯连芳 教授,浙江大学材料与化学工程学院,聚合反应工程国家重点实验室,搅拌反应器构成：,2,常用的搅拌器：,3,1.空心夹套,3.螺旋导流板夹套,2.喷咀,4.半管夹套,5.内部夹套,NEW!,常用的夹套：,4,常用的挡板：,5,常用的内冷管：,6,带刮壁机构的导流筒,7,锥螺带,(VCR),前进式(AR),最大叶片式,泛能式,叶片组合式,扭格子式,EKATO同轴,多臂行星式,真空乳化釜,新型立式搅拌,8,LIAS-AP,瑞士LIST全相型,BIVOLAK,(住友重机全相型,),(三菱重工),HVR,SCR,新型卧式搅拌,砂磨机,CONTERNA,(德国连续 捏和机),9,搅拌反应器设计的基础,搅拌器的选型原则,？,搅拌反应器的放大准则,？,10,搅拌器的,分类,选型,注:有者为合用，表元中空白者为不详或不合用。,11,低粘度,高粘度,10,4,10,3,10,2,10,1,10,-1,10,-2,10,-3,粘度(Pas),常见物质的粘度,水：约1mPas,低粘乳液：约数 mPas,重油：约数十 mPas,润滑油：约 0.1Pas,蜂蜜：约 1 Pas,涂料：约数 Pas,油墨：约数十 Pas,牙膏：约 50 Pas,口香糖：约 100 Pas,嵌缝胶：约 千 Pas,塑料熔体：近万Pas,橡胶混合物：近万Pas,搅拌器的,粘度,选型,12,搅拌釜几何相似放大法,几何相似放大法其实只回答一个问题：在直径为,D,1,的中试槽中，当转速为,N,1,时能获满意结果；则在直径为,D,2,的工业槽中，转速,N,2,为多少时能重复中试槽的结果？,几何相似法可归结为：,(,N,2,/N,1,)(,D,2,/D,1,),-,b,，,故求取,b,值是几何相似放大的核心。,13,常用的几何相似放大准则,着眼的过程 放大过程中需保持恒等的量（准则）,14,问题的提出：,反应器选型与设计强烈,依赖经验和实验,，对其的优劣很难用理论预测。,逐级放大,来以达到搅拌设备被要求的传质、传热和混合，周期长、耗费大。,15,问题的提出：,几何相似放大的,缺陷,：,误区：几何相似动力相似,释：几何相似条件下若,Re,和,Fr,都相等，则动力相似,。,然而，,Re = d,2,N,r,/,h,，,Fr = d N,2,/g,，,除非,(,h/r,),2,/(,h/r,),1,=(,D,2,/D,1,),3/2,，否则不可能,Re,和,Fr,同时相等。,单位体积传热面积的下降，反应器内热传导距离增加,单位体积传质界面的减少（脱挥？），传质路径增加,仅单一特征混合参数的相同,16,几何相似放大准则举例,取不同的放大准则可使过程能耗相差很大，必须予以重视。,保持,Qd,V,恒定（即翻转次数恒定）的放大法是最耗能的放大法。而保持,Re,恒定，一般不能重现过程结果。,实用的放大法是保持,Pv,恒定或,Nd,恒定，或取二者之间。,17,反应器传热能力变化(湍流),使用上表的三种放大准则时，随槽径增大，单位体积传热量,Q,V,均以较大幅度下降。,以,N,3,d,2,或,Nd,恒定放大时，二者的,Q,V,相差无几，所以若搅拌槽中仅进行传热过程时，可采用省能的使,Nd,恒等的放大法,。,18,反应器放大设计的突破,？,19,搅拌反应器放大的根本目标,反应器放大就是在小试或中试工艺研究基础上，运用化学工程原理进行工业规模反应器设计的技术。其要求是在工业反应器中,重现,小试或中试的,过程结果,。,过程结果是指,反应速率、,收率、,产品质量（分子量、颗粒形态等）。,20,反应器放大基本准则,影响过程结果的因素有,温度、浓度、传质和剪切率,（非均相）四个变量。,若工业反应器中每个反应单元的温度、浓度、传质和所受剪切率与小试或中试一样，工业反应器的过程结果必然与小试或中试相近，放大问题就解决了。,21,“放大问题”的转移,如何实现,温度、浓度、传质和剪切的相同,？,过程,结果,：,速率、收率、质量,过程,状态,：,温度、浓度、传质、剪切,影响,22,搅拌反应器放大的实现策略,不同规模反应器中温度、浓度、传质和剪切率的完全相同实际上是不可能的！,放大技术的主要手法就是千方百计使工业反应器中的温度、浓度、传质和剪切率这四者的平均值及其分布与中试反应器,相近,。,许多场合并非要求工业反应器中重现中试反应器的所有过程结果，有些反应也并不对上述四个量都敏感，放大设计就有可能,简化,。,23,对策1：非几何相似放大,几何相似放大法通常仅适合于简单的物理过程，对于聚合反应这样的复杂过程无能为力。,几何相似仅是简化放大计算的手段，反应器放大设计完全没有必要被几何相似所制约。,反应器非几何相似放大的实质,使工业反应器中尽可能多的混合参数与中试相同，从而能使工业中更好地重复中试的过程结果。,24,非几何相似放大法,明确所着手的反应中那些是必须重现的过程结果。通过一定规模的中试（至少几十升），掌握影响主要过程结果的主要变量。,明确,关键混合参数,。对于某个特定的反应过程，并非在放大时需要大槽与小槽的全部混合参数相同。,常用的混合参数：单位体积搅拌功率,P,V,、桨端线速度,U,t,、整体流速,U,A,、循环次数,N,C,、翻转次数,N,T,、单位体积传热面,F,U,、雷诺数,R,e,25,非几何相似放大法,不是在放大过程中简单地要求某个混合参数（如,P,V,、,Nd,等）恒等便能解决放大问题。,有时要求一个混合参数的某个幂值恒等,可能同时还要求另一个混合参数需大于某个临界值,有时还可能要有第三和第四个需同时满足的条件,更复杂的情况是随反应的进行物料的物性发生变化，这时放大准则也要相应改变。如在聚合初期与聚合后期可能需要不同的搅拌转速。,进一步，反应器放大时可采用一切物理的和化学的手段，必要时可在一定范围内改变配方。,26,搅拌,等级,整体,流速,（ms）,说 明,1,2,0.0305,0.0610,1级和2级搅拌适用于要求最低整体流速的工艺过程，2级搅拌的能力为：,可将液体相对密度差小于0.1的互溶液体混合均匀；,如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1100时，可把互溶液体混合均匀；,可使不同批量的液体物料在较长的时间内达到混合；,可使混合物料表面产生平稳的流动。,3,4,5,6,0.0914,0.112,0.152,0.183,3至6级搅拌适用于化工中大多数混合操作，6级搅拌的能力为：,可将液体相对密度差小于0.6的互溶液体混合均匀；,如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的110000时，可把互溶液体混合均匀；,可使小于2的、沉降速度为0.01020.0203 ms的微量固体悬浮；,可使粘度较低的液体表面产生小的波动。,7,8,9,10,0.213,0.244,0.274,0.305,7至10级搅拌适用于要求高整体流速的工艺过程，如要求强烈搅拌的反应器，10级搅拌的能力为：,可将液体相对密度差小于1.0的互溶液体混合均匀；,如果大量的液体的粘度小于其它液体粘度的1100000时，可把互溶液体混合均匀；,可使小于2的、沉降速度为0.02030.0305 ms的微量固体悬浮；,可使粘度较低的液体表面产生激烈的湍动。,Chemical Engineering,杂志在,1976,年发表,例1：整体流速法（低粘均相）,27,对于均相混合搅拌槽，用整体流速的设计法可以看作最简单的非几何相似放大法。该法适用于不同尺寸、不同搅拌器（低粘）。,按上表，若要达到,6,级混合强度，只要整体流速达到,0.183m/s,便可。可以使用,A310,叶轮，也可使用,45,折叶涡轮，甚至可使用标准盘式涡轮，当然使用不同叶轮其能耗有很大差别。,非几何相似放大,整体流速法,28,例2：氯乙烯悬浮聚合反应器放大,放大准则：,液液分散，颗粒大小与形态,P,V,=11.2,kW,/,m,3,聚合物分子量（全槽温差小于,0.2,）,循环次数,N,C,大于每分钟,7,次,反应器高空时产率,有足够的传热能力（内夹套）复合引发剂，均匀放热,29,搅拌器选型,底伸式三叶后掠式,叶轮（液液分散、颗粒分布、大型化、内构件简化）。在开发80m,3,釜前国内没有使用三叶后掠式桨生产PVC的装置。,对釜的长径比、桨径/槽径比、叶片宽/槽径比、叶片截面形状对N,P,、N,C,的影响，以及夹套和内冷管的传热作了系统的研究。,30,P,V,=N,p,r,n,3,d,5,/V,N,C,=N,qc,N d,3,/ V,混合参数的冷模研究,N,P,(,d/D ),-1.1,(b/D ),0.9,N,qd,(,d/D ),-1.1,(b/D ),0.4,N,qc,= N,qd,1+0.16(D/d ),2,-1,31,符合PVC悬浮聚合反应器放大准则的方案,实际采用第2方案，一次试车成功。,放大方案的实施,32,国产30,m,3,国产80,m,3,日本信越127,m,3,工业级PVC聚合釜,33,美国Goodrich70m,3,德国Huls200m,3,日本神钢泛技术75m,3,工业级PVC聚合釜,34,日本往友重机的二种新PVC反应器(90m,3,以上),NEW！,内夹套：,KA40,新搅拌：,KA20,35,对策2：混合设备智能设计？,设计空间大,应用体系、搅拌设备、操作条件和物性的多样性,设计数据缺乏,文献中数据和公式杂乱分散且不系统，适用范围窄,对设计者要求较高,涉及化工、机械和混合技术等多方面知识,人工实现复杂耗时且易出错,设计理论,不,健全,与塔器等过程设备相比，无完善设计理论,需要领域专家凭借丰富的经验进行设计,36,实现方法：决策分析规则实例,预选型,过程设计,专家决策系统,规则基专家系统,实例基专家系统,知识的采集、表示和处理,混合设备的智能化设计,混合设备设计的问题,37,对策3：CFD辅助设计,Where is CFD used?,Aerospace,Appliances,Automotive,Biomedical,Chemical Processing,HVAC&R,Hydraulics,Marine,Oil & Gas,Power Generation,Sports,F18 Store Separation,Computational Fluid Dynamics,38,CFD模拟（流场）,6PTU-6DT,d/D=0.45,150rpm,39,CFD模拟（混合）,T0s,T=7s,T=40s,T=92s,T=118s,40,CFD模拟（,气含率分布）,6PTU-6DT,d/D=0.45,250rpm,Q=10m,3,/h,41,CFD模拟（ LDPE 聚合）,42,终结：设备放大过程放大,如何有效利用反应机理模型,43,宏观尺度,Macroscale,介观尺度,Mesoscale,微观尺度,Microscale,反应器,特性,CFD,颗粒,界面,反应,机理,动力学,过程,尺度,Process,全局优化,ASPEN,1. 问题的提出,化学反应过程的多尺度,44,过程放大基础（数学模型与模拟）,热力学基础数据；,化学反应动力学模型；,非理想化学反应器模型；,模拟计算的软件平台：,Fluent,（,反应器,CFD,模拟）,ASPEN Plus,（,流程模拟）,45,结论：反应器放大和优化,几何相似放大,（机械约束）,非几何相似放大,（关键混合参数约束）,如何实现,温度、浓度、传质和剪切率相同,？,数学模型放大,（,反应机理与产品质量,约束）,46,间歇过程的连续化放大,Batch chemistry like make a cup of Tea a skilled, manual job with a variable output,Flow synthesis is like an espresso machine automated, reproducible and fast,Chemists are finally going with the flow,-Chemistry World, Nov.2007,47,Thanks！,State Key Lab. of Polymer Reaction EngineeringCollege of Materials Science & Chemical Eng.Zhejiang University, Hangzhou 310027, P. R. ChinaTel: 0571-87951307, Email:,48,