典型反应器

 

 

§8－1   化学反应器的类型

工业反应器是化学反应工程的主要研究对象。各类反应器都要求有适合其自身特点的操作方法，因此工业反应器的形式也必然是多种多样的，反应器的分类方法也又很多种。

8－1.1  按物料的相态分类

                       均相反应器

按反应物料的相态分类：

非均相反应器

8－1.2  按反应器的结构型式和操作方式分类

                            釜式反应器

                            管式反应器

按反应器的结构型式分类      塔式反应器

                            固定床反应器

                            流化床反应器

1、管式反应器

特征：长径比大，内部中空，不设置任何构件，多用于均相反应。

2、釜式反应器

特征：高径比≈1。外部设夹套或内部设盘管，用于换热。

主要用于  均相反应：液相

          多相反应：气液，液液，气液固

3、塔式反应器

特征：高度一般为直径的数倍至10多倍。

板式塔

填料塔     气液反应，液液反应

鼓泡塔―气液反应、气－液－固相反应。液体为连续相；气体为分散相。如合成氨变换气的碳化。

喷雾塔―气液反应，液体为分散相；气体为连续相。

4、固定床反应器

特征：反应器内装有固定不动的固体颗粒。

固体催化剂：气固反应

固体反应物料：气固

              液固   非催化反应

5、流化床反应器

特征：固体颗粒处于运动状态。分为两类。

循环流化床：固体被流体带出，经分离后固体循环使用。如催化裂化反应器（催化剂烧炭层，再生）。

沸腾床：固体在反应器内运动，流体与固体颗粒所构成的床层犹如沸腾的液体。如硫铁矿粉燃烧。

流化床可用于：气固、液固、气液固催化或非催化反应。

6、移动床反应器

固体催化剂在反应器顶部装入，底部卸出，反应气体由底部进入，与催化剂逆流接触。

7、滴流床反应器

也属于固定床反应器。用于固体催化剂的气液反应。

8、回转反应器（回转窑）

用于水泥生产。靠反应器自身的转动而将固体物料由反应器一端输送到另一端

10、喷嘴式反应器

用于氯化氢的合成。

间歇操作反应器

按操作方式分类    连续操作反应器

半连续(半间歇) 反应器

8－1.3  理想流动和理想反应器

反应器内流体的流动特征主要指反应器内流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸的不同而不同。

     流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合。

     这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。所以，研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的基础。流动模型是对反应器中流体流动与混合状态的描述。

一般将流动模型分为两大类型，即理想流动模型和非理想流动模型。非理想流动模型是关于实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。

1、理想排挤流动模型  也称理想置换流动模型、平推流模型或活塞流模型。与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的。

特点：在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度、流速、转化率等参数只沿管长发生变化，与时间无关。所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。

长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。

2、理想混合流动模型  理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳定的流量进入反应器，由于良好的搅拌，使得刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。

特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。

搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为理想混合流动。

3、非理想流动  理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。对于所有偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。 

4、理想均相反应器

a.  理想间歇反应器

b.  活塞流反应器

c.  全混流反应器

d.  多级全混流反应器

§8－2   间歇釜式反应器

8－2.1  间歇釜式反应器的结构与操作特点

间歇式(Batch  Tank  Reactor  BTR)操作，是指反应物料一次加入反应器内，而在反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出产物，待反应达到要求的转化率后再全部放出反应产物。间歇搅拌釜式反应器内任一点的浓度或温度随反应时间而变，所以是不稳定操作的反应器。

上图是常见的带有搅拌器的釜式反应器。

间歇反应器的特征

特点:  1  由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；

      2  具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；

      3  物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。

优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产,精细化工产品的生产

缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定

8－2.2  反应器容积的计算

1.反应时间的计算

间歇反应器的工艺计算，必须先求出达到一定的转化率，所需要的反应时间t。

     可以应用  动力学方程式

物料衡算式       联立求得。

进行物料衡算时，通常是对物料的某一组分进行衡算，即选定着眼组分。不论是流动体系或间歇体系，物料的衡算均可用下列通式：

在单位时间内：

  物料引入量 = 引出 + 反应消耗量 + 累积量      （1）

衡算范围：是以反应器内物料的物性参数均一的最大容积为基准。根据间歇反应器以上特点，所以可对整个反应器作组分A的物料衡算。

由于是间歇反应，（1）式中，前2项均为0，即在反应过程中，既无引入，又无引出。

    [mol/l]

               [mol/l]

时, ,  时, 

，          (2)

 (2)式适用于变容过程，若为定容过程

               (3)

若用浓度表示：

，，，代入（3）   

 =                 (4)

（2）、（3）、（4）式，均为间歇搅拌釜式反应器的基本计算方程。

从（3）式看出：在间歇反应器中，每批物料只要CA0 相同，达到相同的xA ，所需反应时间 t 就相同，与每批处理的物料量的多少无关。

 若在间歇搅拌釜式反应器中进行的是等温一级反应，其动力学方程式为： ，代入（4）

       =  ln              (5)

用转化率表示，则： 将（5）代入（3）

                     

               (6) 

对于二级反应： , 分别代入（3）、（4）

           （7）

= ()                    (8)    

2.反应器有效体积的计算

间歇反应器所需容积的大小，主要取决于反应物料的处理量。由于反应是间歇的，所以每处理一批物料，不但需要反应时间 t，而且还需要出料、清洗、投料等非生产辅助时间 t/ 。所以，处理一定的物料量所需的有效容积 VR 不但与 t 有关，而且还与 t/ 有关。

设单位时间需要处理的物料量= u（体积流量），[体积/时间]                                  

所以，反应器有效容积    VR = u ( t + t/ )       (9)

     t/ —辅助时间，由经验确定。  

反应总体积，VT = VR/φ                   

φ—装料系数。对不起泡、不沸腾的液体，φ = 0.7 ～ 0.85，反之，φ = 0.4 ～ 0.6 。

反应器容积确定后，还要选择直径。

若直径 ↑ ，水平方向搅拌效果 ↓ ，高/径很小，象盘子。若直径 ↓ ，垂直方向搅拌效果 ↓，高/径很大，象管子。所以，一般采用高径比接进1的反应器，高/径 = 1。

§8－4   管式反应器

管式反应器也称为活塞流反应器（Piston Flow Reactor  PFR）是一种连续操作的管式反应器，它的长度远远超过其直径。这类反应器在工业上应用十分广泛，它可以用作均相反应器，也可以用作非均相反应器。

8－4.1  管式反应器的特点

1.通过反应器的物料质点，沿同一方向以同一流速流动，在流动方向上没有返混。

2.所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。

3.同一截面上的物料浓度相同、温度相同。

4.物料的温度、浓度沿管长连续变化。

8－4.2  反应器容积的计算

1、平推流反应器计算的基本公式：

根据活塞流反应器的特点，可取反应器中一微元段作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得到活塞流反应器的设计基础式。

 

流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量

2、平推流反应器的计算：

a． 解析法

b.  图解计算

              

§8－5   全混流反应器

这是一种理想化了的流动反应器，也叫理想混合反应器，或叫连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor CSTR）

一、CSTR的特点：

1.物料连续以恒定的流速流入、流出反应器，稳态操作

2.反应器内各空间位置温度一，浓度均一。

3.反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。

二、全混流反应器的容积计算

以反应物A为关键组分，A的反应速率记作rA，根据全混流反应器的特点，对整个反应器作物料衡算，因为过程属于稳定流动，∴没有积累。

a． 解析法

流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量

∴　  　

                         (1)

定容过程，    

 

                      (2)

将  代入（2）

                         (3)

t— 空间时间，因为是定容过程，∴又称为逗留时间，因为物料质点在反应器的停留时间长短不一，所以称为平均逗留时间。

（１）、（２）、（３）称为CSTR的基本计算公式。

在定容条件下，对于一级反应：, 分别代入(2)、（3）

                    （4）

或                          （5）

                      (6)

或                          （7）    

对于二级反应： ，代入（3）

           （8）

b.  图解计算

CSTR的优点：

连续操作，有利于大规模生产，

易于自动控制，产品质量稳定。

不需要非生产辅助时间。

§8－6   返混及其对化学反应的影响

我们把先后进入反应器，经历了不同反应时间的物料质点间的混合称为返混。也就是说，返混是指不同反应经历（不同反应时间），因而具有不同物性（如温度，浓度）的物料间的混合。

下面我们来考察已讲过的BTR，PFR，CSTR。

影响反应速率大小的因素有两个　温度

浓度

由于我们讨论的是等温过程，所以影响反应速率的只有浓度效应。下面我们看上述三种反应器中的物料浓度变化及返混情况。

BTR 器内有强烈的搅拌，不存在浓度差，物料同一时刻进入反应器，在另一时刻同时离开，物料质点具有相同的历程，所以不存在返混。器内反应物料浓度随反应时间而变，如图，

CSTR 由于剧烈搅拌，使刚进入反应器的高浓度物料立刻与器内的已经反应的低浓度物料充分混合，使反应物料浓度一下子降至出口物料浓度CAf,所以CSTR返混最大，器内反应物料浓度变化如图，

PFR 物料在该反应器内不存在轴向扩散，即不同截面间的物料不发生混合，某一时刻进入器内的物料质点，在另一时刻同时离开反应器，所以无返混，反应物料浓度变化情况如图。

由以上分析可以看出，在CSTR中，反应物料的浓度CA最低，且等于出口浓度CAf，因此，返混最大，反应速率最慢。而BTR，PFR中的物料，只有停止反应时（BTR）或离开反应器时（PFR），物料的浓度才降至最低CAf。即二者无返混，它们是在高浓度下进行反应的反应器。所以要完成同样的生产任务，达到同样的转化率，CSTR所以需要的反应器容积最大。BTR次之，（∵需要非生产辅助时间）。PFR最小。

实际反应器中一般都有一定程度的返混，返混程度介于0～最大之间。具有返混的流动称为非理想流动。返混的结果是降低了反应物料的浓度，也就是降低了反应过程度推动力。降低了反应速率。为完成同样的生产任务，达到同样的生产要求，所需反应器容积增大。 

下面以简单反应为例，利用容积效率考察反应器生产能力的大小。

所谓简单反应，是指只发生一个反应，既无逆反应，也无其它副反应的单一反应。

容积效率：对于同一反应，在同温度、同产量、同转化率条件下，PFR的有效容积VP与CSTR的有效容积VC之比，称为容积效率，以η表示。

                （1）

已知等温、定容条件下，

                   

                       

:是指反应物Ａ的出口转化率为xAf时的反应速率。因为在CSTR中，反应物浓度最低，所以反应速率最慢。

在PFR中，反应速率随位置而变，将要出口时，才是最低的反应速率 ，在出口前都大于此值，因此总有下式成立。

即 （2）

下图形象地表达了(2)式的关系。当转化率达到xAf时，

矩形面积   ，曲线下的面积

矩形面积总是大于曲线下方的面积，只有零级反应时，不随xA而变，是平行于xA轴的水平线，两者面积相等。

这说明：对于非零级的简单反应， 恒成立。

对于零级反应： 

零级反应：           （3）

一级反应：         (4)                               

二级反应：             （5）

下图显示了上述各式的η、xＡ和反应级数的关系。

从图中看出:

1、零级反应, 

两种反应器容积相等，即反应器的型式对反应速率无影响。

∵０级反应， ，与浓度无关，即不取决于xA。

2、大于零级的反应，，↑→↓

大时， 

3、若一定，级数↑→↓，∴当大时，应选用PFR。

4、对于级数大的反应，若生产要求单程很小，这时仍较大，∴采用CSTR、PFR均可，视生产情况而定。

§8－7  多釜串联反应器

如果采用几个串联的全混流反应器来进行原来由一个全混流反应器所进行的反应，则除了最后—个反应器外的所有反应器都在比原来高的反应物浓度下进行反应。这样减少了混合作用所产生稀释效应，增大了反应的浓度。

下面为反应组分A在PFR、CSTR和多釜串联反应器中浓度分布情况。

从整个过程来看：在PFR中，浓度由高到低，最低时等于CSTR中的浓度。CSTR是反应浓度最低的。

多釜串联介于二者之间。当釜数增加时，趋近于PFR，当N→∞，其浓度变化如同PFR，釜数越少，越接近于CSTR。

对于非零级反应：反应物浓度越高，反应速率越快，完成同一生产任务，达到同一转化率，需要反应器容积越小。

∴，对于非零级反应，VR的大小为 PFR＜CSTR，因此，多釜串联反应器的出现，是为了克服CSTR的   返混大

                  反应物浓度低

                        PFR的    反应器内温度差大           

难于控制

另外,串联釜数太多，装置复杂。所以常采用2－４个釜串联。

1、多釜串联反应器的特点：

a、反应在多个串联的全混流反应器内进行，各釜的入口浓度就是前一釜的出口浓度。 

B、串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致，

   但各级反应器之间是突变的。 

c、 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞

   流反应器。 

2、在多釜串联反应器基本计算中，有下列四个问题需要解决：

1、每个反应器的有效容积VRi

2、串联釜数N

3、最终转化率xAN

4、最终浓度CAN

计算方法有   代数法

图解法

3、多级全混流反应器串联的计算

a、解析法（恒容系统）

对任意第i个釜作组分A的物料衡算，对于恒容系统都有

  

一级不可逆反应  

所以，第n釜为

      第n-1釜为

                    ……

以上式子相乘得：

因为

所以

工业上，多级CSTR串联（层叠）时，往往将各级CSTR的体积做成相等，以便于制造。即：

这时，就有      

可求得一级反应系统的总体积

b.图解计算

图解法适用于给定转化率和处理量后选定釜的个数和釜的体积。用这种方法可以省去试差的麻烦。应该说明的是这种方法仅适用反应速率最终可以用单一组分表达的反应。

图解步骤：

1.根据实验数据(动力学方程)，做操作温度下的rA～CA(或xA)关系曲线图1。

2.在图1上作相应温度下第釜的rAi～CAi操作线：

      

①从CA0点出发作斜率为的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第一釜的出口浓度CA1，交点的纵座标第一釜的反应速率rA1。

②从CA1点出发作斜率为的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第二釜的出口浓度CA2，交点的纵座标第一釜的反应速率rA2。

……

这样一直作到要求达到的出口浓度，有几个梯级就表示需要几个釜串联使用。若各釜体积相同，则图上各操作线平行。若各釜体积不同，图上各操作线的斜率也不同。

§8－7  反应器类型的选择和比较      

为完成同样的生产任务，达到同样的生产要求，所需反应器容积大小顺序为，CSTR>BTR>n-CSTR>PFR。这在前边已经进行了讨论。

得到同样多的合格产品，哪种反应器及操作方法消耗原料最少，是本节讨论的内容。

生产效率最高，生产成本最低是工业生产追求的目标。

根据反应特点选择反应器的原则

反应类型及特点	反应器类型	说明
反应活化能大，对温度敏感	CSTR	等温操作。若反应热较高，则更合适
反应速率慢，反应时间长	BTR或CSTR
高浓度反应易爆炸	CSTR	低浓度反应器
平行反应，主反应级数高	PFR或BTR	高浓度对高级数有利
平行反应，主反应级数低	CSTR	低浓度对低级数有利
气相反应	PFR
反应时间长则产物分解	PFR或BTR	时间便于控制
高压反应	PFR	耐压
高温强吸热反应	PFR	传热面积大