工业反应器

1第6章工业化学反应过程及反应器6.1概述1．工业化学反应过程的特征物理化学中涉及的化学反应动力学，讨论理想条件下化学反应的机理和速率、探讨影响反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果，即研究处于均匀混合状态和均一操作条件下反应物系的动力学规律。化学反应在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，其原因有以下几方面：①大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实验室那么均匀。②生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易控制，体系内温度和浓度并非均匀。③生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反应过程有极大的影响。工业反应器内存在一个停留时间分布。工业反应器中实际进行的过程不但包括化学反应，还伴随有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程.2．化学反应工程学的任务和研究方法化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设备内的传递规律，它应用化学热力学和动力学知识，结合流体流动、传热、传2质等传递现象，进行工业反应过程的分析、反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究最佳的反应操作条件，以实现反应过程的优化操作和控制。化学反应工程学有着自身特有的研究方法。在一般的化工单元操作中，通常采用的方法是经验关联法，例如流体阻力系数、对流传热系数的获得等等，这是一种实验-综合的方法。但化学反应工程涉及的内容、参数及其相互间的影响更为复杂，研究表明，这种传统的方法已经不能解决化学反应工程问题，而采用以数学模型为基础的数学模拟法。所谓数学模拟法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和，一般是各种形式的联立代数方程、微分方程或积分方程。建立数学模型的过程采用了分解-综合的方法，它将复杂的反应工程问题先分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法予以描述。建立数学模型的关键是对过程实质的了解和对过程的合理简化，这些都依赖于实验；同样模型的验证和修改，也依赖于实验，只有对模型进行反复修正，才能得到与实际过程等效的数学模型。在实际中，先抽提出理想反应器模型，然后讨论实际反应器和理3想反应器的偏离，再通过校正和修改，最后建立实际反应器的模型。3．工业反应器简介(1)工业反应器分类从传递特性和动力学特性两方面入手，可将工业反应器分类：①按操作状况根据反应物料加入反应器的方式，可将反应器分为间歇反应器、半间歇或半连续反应器和连续反应器。间歇反应器：反应物料一次加入，在搅拌的存在下，经过一定时间达到反应要求后，反应产物一次卸出，生产为间歇地分批进行。特征是反应过程中反应体系的各种参数（如浓度、温度等）随着反应时间逐步变化，但不随器内空间位置而变化。物料经历的反应时间都相同。连续反应器：稳定操作时，反应物和产物连续稳定地流入和引出反应器，反应器内的物系参数不随时间发生变化，但可随位置而变。反应物料在反应器内停留时间可能不同。半连续反应器/半间歇反应器：一种或几种反应物先一次加入反应器，而另外一种反应物或催化剂则连续注入反应器，这是一种介于连续和间歇之间的操作方式，反应器内物料参数随时间发生变化。②按反应器的形状根据几何形状可归纳为管式、槽（釜）式和塔式三类反应器。管式反应器是长（高）径比很大，物料混合作用很小，一般用于连续操作过程。槽（釜）式反应器的高径比较小，一般接近于1。通常槽（釜）4内装搅拌器，器内混合比较均匀。此类反应器既可用于连续操作，也可用于间歇操作。塔式反应器高径比在以上两者之间（一般地讲，高径比还是较大的），采用连续操作方式。③按反应混合物的相态可分为均相反应器和非均相反应器。均相反应器又分为气相和液相反应器，非均相反应器分为气一液、气一固、液一液、液一固、气一液一固等反应器。生产中的反应器有多种特性，通常是将以上的分类加以综合。（2）常见工业反应器①间歇操作搅拌釜这是一种带有搅拌器的槽式反应器。用于小批量、多品种的液相反应系统，如制药、染料等精细化工生产过程。②连续操作搅拌釜连续流动的搅拌釜式反应器。常用于均相、非均相的液相系统，如合成橡胶等聚合反应过程。它可以单釜连续操作，可以是多釜串联。③连续操作管式反应器即连续操作的管式反应器，主要用于大规模的流体参加的反应过程。④固定床反应器反应器内填放固体催化剂颗粒或固体反应物，在流体通过时静止不动，由此而得名。主要用于气固相催化反应，如合成氨生产等。⑤流化床反应器与固定床反应器中固体介质固定不动正相反，此处固相介质做成较小的颗粒，当流体通过床层时，固相介质形成悬浮状态，好像变成了沸腾的流体，故称流化床，俗称沸腾床。主要用5于要求有较好的传热和传质效率的气固相催化反应，如石油的催化裂化、丙烯氨氧化等非催化反应过程。6.鼓泡床反应器塔式结构的气-液反应器，在充满液体的床层中，气体鼓泡通过，气液两相进行反应，如乙醛氧化制醋酸。工业反应器型式各异，进行的反应更是多种多样，主要讨论恒温的均相反应器的特点、设计、优化及选型等问题，对工业中常用的非均相反应器——气固相催化反应器的结构、特征及选择进行简介。4．反应器的基本计算方程反应器的设计计算主要是确定反应器的生产能力，即完成一定生产任务所需反应器的体积。对等温反应器，使用物料衡算便可描述反应器内的流动状况，并与反应器中具体反应的动力学结合，从而获得将原料和产品组成、产量和反应速度相互联系起来的关联式，即反应器的基本计算方程，也就是反应器的数学模型。求出各种反应器的体6积或确定体积的反应器完成一定生产任务所需的反应时间。对于任一反应器，其物料衡算表达式为：引入反应物的速率=引出反应物的速率+反应消耗反应物的速率+反应物积累速率(6-1)①间歇操作反应消耗反应物的速率+反应物积累速率=0(6-2)②连续稳定操作引入反应物的速率=引出反应物的速率+反应物消耗的速率（6-3）反应器中的物料衡算，往往选定某一组分为基准。而衡算范围要根据反应器形状和流动状态确定。6.2理想反应器及其计算1．间歇搅拌釜式反应器（BSTR）(1)结构与操作特点图6—2为间歇搅拌釜式反应器。反应物料一次加入反应器，充分搅拌，使整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀。通常它配有夹7套或蛇管，以控制反应温度。达到规定的转化率，停止反应并将物料排出。生产周期包括加料、反应、出料、清洗。在理想的间歇搅拌釜式反应器器内，由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的均匀，且浓度处处相等，因而排除了物质传递过程对反应的影响；由于具有足够大的传热速率，器内各处温度相等；排除了热量传递过程对反应的影响。这种操作特点决定了间歇搅拌釜式反应器的反应结果只由化学动力学所确定。（2）间歇搅拌釜式反应器的计算以反应物A为基准对反应器进行物料衡算，根据式（6—2），式中反应物A消耗速率=(-rA)V反应物A积累速率=Adndt因此物料衡算式变为dtdnVrAA)(（6－3）8式（6—6）是间歇搅拌釜式反应器的基本计算方程。由此式可得出，间歇反应器中达到一定转化率所需要的反应时间仅与反应速率有关，而与反应器的容积无关。已知单位时间平均处理物料的体积v，那么反应器体积VR计算公式为：'()RVvtt(6—7)式中VR为反应器的有效容积，即反应混合物的体积。实际反应器的体积VT要比有效容积大，定义有效容积所占总体积的分数为装料系数/RTVV，则/TRVV(6—8)装料系数φ，根据经验选定，一般为0.4～0.8。对不发生泡沫不沸腾的液体，取上限。例6－1在间歇搅拌釜式反应器中进行如下分解反应：9A→B＋C已知在328K时k=0.00231s-1，反应物A的初始浓度为l.24kmol·m-3，要求A的转化率达到90％。又每批操作的辅助时间30min,A的日处理量为14m3，装料系数为0.75，求反应器的体积。解：（1）确定达到要求的转化率所需反应时间反应速率表达式为,0(1)AAAArkckcx根据式（6—6）,00011ln()(1)1AAxxAAAAAAdxdxtcrkxkx代入数据得t＝1000s（2）计算反应器体积假定日工作时间为12小时。根据式（6—7）和（6—8），有3'314100030()()0.9012360060RmVvtthmh3/0.90/0.751.2TRVVm2．活塞流反应器（PFR）（1）活塞流连续稳定流入反应器的流体，在垂直于流动方向的任一载面上，各质点的流速完全相同，平行向前流动，恰似汽缸中活塞的移动，故称为活塞流或平推流，又叫理想置换、理想排挤流。其特点是先后进入反应器的物料之间完全无混合，而在垂直于流动方向的任一载面上，物料的参数都是均匀的。物料质点在反应器内停留的时间都相同。管式反应器中的流动接近这种流型，特别是当其长径比较大、流10速较高、流体流动阻力很小时，可视为活塞流，习惯称为理想管式反应器。（2）活塞流反应器的计算对活塞流反应器进行物料衡算，求取其基本计算方程。设一反应器体积为VR，进、出反应器的物料参数如图6—3所示，其中qv、qn，分别为反应物A的体积和摩尔流量。定态操作时，反应器内物料的参数不随时间发生变化，而沿着长度方向发生变化。取反应器内体积为dVR的一微元作为衡算范围，对着眼组分A进行物料衡算:11与间歇搅拌釜式反应器的基本计算方程（6—6）比较，间歇搅拌釜式反应器为反应时间t，活塞流反应器为停留时间，实际上对于恒容过程，停留时间等于反应时间。3．全混流反应器（CSTR）（1）全混流全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混合流。其特点是反应器内物料的参数处处均匀，且都等于流出物料的参数，但物料质点在反应12器中停留的时间各不相同，即形成停留时间分布。这亦是一种理想的流动模型，常见的连续搅拌釜式反应器接近于全混流模型。当搅拌比较强烈、流体粘度较小、反应器尺寸较小时，可看作是理想混合，因此习惯上常称之为理想釜式反应器。（2）全混流反应器的计算对全混流反应器，在充分搅拌下，进入反应器的物料粒子与反应器中已有的粒子之间瞬间混合均匀，反应器内处处组成相同，对整个反应器作物料衡算。根据连续流动物料衡算式（6—3），可得,,0,,0,(1)()nAnAAfAfRqqxrV或,0,0,0,0,(1)()VAVAAfAfRqcqcxrV整理得,0,,0()AAfRVAfcxVqr（6—13）如果进料中已含反应产物，,00Ax，则,0,,0,0()()AAfARVAfcxxVqr（6—14）恒容过程中，,0VVqq，则13,0,,0()AAfRVAfccVqr（6—15）式（6—13）、（6—12）及（6—15）是全混流反应器的基本计算方程。例6—2某液相反应A+B→R+S，其反应动力学表达式为（-rA）＝kcAcB.T＝373K时，k=0.24m3kmol/min。今要完成一生产任务,A的处理量为80kmol/h，入口物料的浓度为cA,0=2.5kmol/m3，cB,0=5.0kmol/m3，要求A的转化率达到80％，问：①若采用活塞流反应器，反应器容积应为多少m3？③采用全混流反应器，反应器的容积应为多少m3？解：已知qn,A,0＝80kmol/h，cA,0＝2.5kmol/m3，cB,0=5.0kmol/m3，所以qV,0＝qn,A,0／cA,0＝32m3/h又因反应混合物中B稍过量，cB,0＝2cA,0，则当A的转化率为xA时，cA=cA,0(1-xA)，cB=cB,0-cA,0xA=cA,o(2-xA）,(-rA)=kcAcB=kc2A,0(1-xA)