理想反应器反应效率的比较

山　东　化　工
收稿日期：２０２０－０４－１３
作者简介：李　伟（１９７７—），女，安徽淮北人，硕士，讲师，主要从事化工专业教学与研究。

理想反应器反应效率的比较
李　伟
（安徽师范大学化学与材料科学学院，安徽芜湖　２４１００２）
摘要：理想反应器的设计计算是化学反应工程学科的重要内容，理想流动反应器的组合操作在化学工业中有着广泛的应用。

本文通过
归纳总结单一反应器中传热条件对单一正级数反应效率的影响，以及在平推流反应器和全混流反应器的组合操作中反应级数对组合操作反应效率的影响，为反应器的计算和选型提供帮助和借鉴。

关键词：理想反应器；反应器组合；反应效率中图分类号：ＴＱ０５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）１２－０１２４－０２
ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＲｅａｃｔｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＩｄｅａｌＲｅａｃｔｏｒ
ＬｉＷｅｉ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，ＡｎｈｕｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈｕ　２４１００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｉｄｅａｌｒｅａｃｔｏｒｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｉｄｅａｌｆｌｏｗｒｅａｃｔｏｒｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｃｈｅｍｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ｉｎａｓｉｎｇｌｅｒｅａｃｔｏｒｏｎｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｓｉｎｇｌｅｐｏｓｉｔｉｖｅｓｅｒｉｅｓ
，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｓｅｒｉｅｓｏｎｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆａｆｌａｔｐｕｓｈｆｌｏｗｒｅａｃｔｏｒａｎｄａｆｕｌｌｍｉｘｅｄｆｌｏｗｒｅａｃｔｏｒ
，ｓｏａｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｈｅｌｐａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｄｅａｌｒｅａｃｔｏｒ；ｒｅａｃｔｏｒａｓｓｅｍｂｌｙ；ｒｅａｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。

根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。

存在返混现象时，反应器内物料的组成将受到返混的影响。

尽管反应的动力学特性没有发生变化，但返混引起的物料组成变化影响了反应速率，进而影响了整个反应器内的反应情况。

把物料在反应器内的返混情况作为反应器
分类的依据将能更好地反映出其本质上的差异［
１］。

按返混情况及操作方式不同，理想反应器可分为：间歇操作的充分搅拌
槽式反应器（
ＢＲ），平推流反应器（ＰＦＲ）和全混流反应器（
ＣＳＴＲ）三种类型。

间歇反应器和平推流反应器中物料的返混程度为０，全混流反应器中物料的返混程度为∞。

间歇反应器中物料的性质随时间变化，平推流反应器中物料的性质从入口到出口逐渐变化，全混流反应器中物料性质恒定。

三种理想反应器等温条件下设计计算方程分别为：间歇反
应器的设计计算方程为，平推流反应器的设
计计算方程为，全混流反应器的设计计算方
程为
，间歇反应器和平推流反应器的设计计算方
程完全相同，都是积分式，间歇反应器的时间为反应时间ｔ
ｒ，平推流反应器的时间为空间时间τ。

全混流反应器的设计方程唯一代数方程式。

虽然三种理想反应器的设计方程不同，但是根
据系统计算理念，三种理想反应器可以用同一个公式表示［２］，
即
，对于全混流反应器，－ｒＡ是常数，ＰＦＲ
和ＣＳＴＲ中，ｔ＝τ。

这样，把三种理想反应器的计算统一起来，便于对理想反应器的理解和计算。

大规模工业生产的反应器绝大部分都是采用连续操作，因为它具有产品质量稳定，劳动生产率高，便于实现机械化和自
动化等优点［３］。

流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、
反应选择性，直接影响反应结果，研究反应器的流动模型是反
应器选型、设计和优化的基础。

实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活塞流反应器处理，多数槽式反应器可作全混流反应器处理。

本文对理想反应器的反应效率进行比较，为化学反应工程的教学提供帮助和借鉴。

１　传热条件对两种理想流动反应器反应效率的影响
在等温条件下，对于单一正级数反应，达到相同的转化率，ＰＦＲ所需反应器体积小于ＣＳＴＲ，即ＰＦＲ的效率高于ＣＳＴＲ。

对于等温操作的单一正级数反应，两种理想流动反应器反应效率的比较，只需要考虑浓度的影响。

由于ＣＳＴＲ中存在返混，使得反应物浓度下降，导致反应器效率下降。

在工业生产中绝大多数的化学反应过程是在变温条件下进行的。

这一方面由于化学反应过程都伴随着热效应，即使采用各种换热方式移走热量或者输入热量，对于工业反应器都难以维持等温。

另一方面许多反应过程等温操作的效率不如变
温操作好。

对于绝热操作的Ｐ
ＦＲ和ＣＳＴＲ，反应效率的比较除了考虑浓度的影响之外，还要考虑温度特性与反应热效应。

对于绝热操作的单一正级数放热反应，反应过程中温度升高，速
率常数增大，这时比较Ｐ
ＦＲ和ＣＳＴＲ的反应效率，要综合考虑在ＣＳＴＲ中由于返混造成的浓度下降的影响大，还是温度升高导致的速率常数增大的影响大。

对于绝热操作的单一正级数吸热反应，反应过程中温度下降，反应速率常数下降，ＣＳＴＲ中
物料浓度低于Ｐ
ＦＲ，因此ＣＳＴＲ的反应效率低于ＰＦＲ。

２　理想反应器组合操作效率的比较
工业生产上为了满足不同要求，有时常将相同或不同型式
的简单反应器组合在一起。

反应器的组合操作可以解决反应器管长过长或体积过大等问题，或者可以提高过程推动力，减小反应器体积。

反应级数不同以及反应器组合方式不同对反
应结果有不同的影响。

以Ｐ
ＦＲ与ＣＳＴＲ的组合操作为例，对三种组合方式的反应结果进行比较，分别为ＰＦＲ＋ＣＳＴＲ串联，ＣＳＴＲ＋ＰＦＲ串联和ＰＦＲ＋ＣＳＴＲ并联，见图１。

等温操作，进料
流率为Ｖ０，反应物浓度为ｃＡ０
，反应器体积均为ＶＲ。

图１　ＰＦＲ与ＣＳＴＲ的三种组合操作方式
·
４２１·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０２０年第４９卷
　第１２期２．１　零级反应
ＰＦＲ的积分式
为，ＣＳＴＲ的计算式
为
两种类型反应器ｃＡ的计算式相
同
，对于（ａ）和（ｂ）两种组合方式，对于
（ｃ），ＰＦＲ与ＣＳＴＲ出口浓度均为ＸＣ＜ｄ２３０９．ｔｉｆ＞
〗
，混合后浓
度不变。

对于零级反应，因为反应速率与浓度无关，所以三种
组合方式反应效率相同。

２．２　一级反应
对于（ａ），对于（ｂ），对于
（ｃ）ＰＦＲ出口浓度
为，ＣＳＴＲ出口浓度均
为
，
混合后的浓度为
，最终的浓度结果为ＰＦＲ＋
ＣＳＴＲ串联＝ＣＳＴＲ＋ＰＦＲ串联＞ＰＦＲ＋ＣＳＴＲ并联。

由此可见，对于零级反应，ＰＦＲ＋ＣＳＴＲ串联与ＣＳＴＲ＋ＰＦＲ
串联的反应结果完全相同，对于一级反应，两种串联方式的反
应结果也完全相同。

对于其它的反应级数，通过分析求解有以
下结论［５］：当反应级数小于零时，ＰＦＲ＋ＣＳＴＲ并联的效率最高，
ＣＳＴＲ＋ＰＦＲ串联的效率最低；当反应级数大于零时，两种反应
器串联的效率高于并联的效率；当反应级数大于零小于一时，
ＣＳＴＲ＋ＰＦＲ串联的效率最高；当反应级数大于一时，ＰＦＲ＋
ＣＳＴＲ串联的效率最高。

３　结语
理想反应模型是一切工业反应器设计的基础。

理想反应
器的设计计算是化学反应工程学科的重要内容。

本文通过归
纳总结传热条件对理想流动反应器反应效率的影响，以及反应
级数对理想流动反应器组合操作效率的影响，以期对化学反应
工程的教学提供有益的借鉴。

参考文献
［１］郭　锴，唐小恒，周绪美．化学反应工程［Ｍ］．３版．北京：化
学工业出版社，２０１７．
［２］王绪根，高素芳．系统观念下理想反应器的理解［Ｊ］．广州
化工，２０１７，４５（７）：１２７－１２８．
［３］李绍芬．反应工程［Ｍ］．２版．北京：化学工业出版社，２０００．
［４］孙高荃，武本成，栗　敏，等．反应级数对理想反应器组合
方式效率的研究［Ｊ］．广州化工，２０１４（１）：１５－１８．
（本文文献格式：李　伟．理想反应器反应效率的比较［Ｊ］．山东
化工，２０２０，４９（１２）：１２４－１２５．
檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭
）
（上接第１２３页）
３　ＬＮＧ储罐数量方案比选
方案一：不调整船期
经计算得，ＬＮＧ接收站以５．４天为一个船期。

为使调整船
期计算方便，四～十月低峰月取６天为一个船期，其余月份以５
天为一个船期。

ＬＮＧ船对ＬＮＧ接收站全年均匀供气，考虑最大不可作业
期间的储备量，但是不采取调整ＬＮＧ船期的方法来缓解调峰压
力，接收站储存能力及储罐数量计算见表２。

表２　接收站储罐数量的计算
工作容量９１６７６６．６
储罐规格／ｍ３１５００００１６００００１７００００１８００００
储罐数量７６６６
总容积／ｍ３１０５００００９６００００１０２００００１０８００００
方案二：调整船期
高峰月时为保证供气量充足稳定，个别来船日一次来两艘
ＬＮＧ船。

低峰月为了避免ＬＮＧ接收站ＬＮＧ储存量过大，个别
来船日取消来船。

经过多种调整船期的比较，图２所示的调整
方案使得ＬＮＧ接收站的ＬＮＧ储存量最小。

此调整方案是在全
年均匀供气的基础上，将低峰月的两艘来船调至高峰月十月
末。

此时ＬＮＧ接收站储存能力及储罐数量计算见表３。

表３　接收站储罐数量的计算
工作容量／ｍ３４４８７７１．１
储罐规格１５００００１６００００１７００００１８００００
储罐数量３３３３
总容积／ｍ３４５００００４８００００５１００００５４００００
方案分析：
方案一：若本接收站全年均匀送气，接收站为满足下游市
场季节调峰的要求，接收站需建六座１６００００ｍ３储罐。

但从总
图布置上分析，接收站无法布置如此多数量的储罐。

而且，本
方案大多数时间内储罐中的ＬＮＧ只用于储备，仅仅在需求高峰
期时才能得以有效利用。

此种方案储罐利用率很低，投资不合
理。

方案二：若将供气低峰月的ＬＮＧ船调整至供气高峰月，以
缓解接收站季节调峰压力，则接收站设置三座１６００００ｍ３的储
罐即可满足储存需求。

根据世界ＬＮＧ接收站运营情况、ＬＮＧ船
运输方式及贸易协议，与上游供气方签订船运协议，调整船期
或购买现货用于季节调峰是相对可行的。

通过调整船期可以
减少三个储罐的投资，而且提高了ＬＮＧ利用率，大大提高了项
目的经济效益。

综合以上因素考虑，ＬＮＧ接收站拟采用方案二，即于建设
三座１６００００ｍ３储罐。

４　结论
本文对６００万ｔ／ａ的ＬＮＧ接收终端的罐容进行了设计计
算，在ＬＮＧ接收站储存能力计算的基础上，通过方案比选以及
调整船期将ＬＮＧ储罐数量同６座降低为３座，大幅度降低了
ＬＮＧ接收站的投资，同时满足了下周储气调峰的需求，同时建
议通过购买ＬＮＧ现货的方式，在保证供气安全的基础上灵活利
用储罐空间，可以提高项目的收益。

参考文献
［１］荆延妮，孙海萍，郄　婧．２０１８年中国ＬＮＧ液态分销市场
发展回顾及展望［Ｊ］．国际石油经济，２０１９（０１）：８９－９４．
［２］淑　慧，郜婕，杨　义，李　波．中国ＬＮＧ产业发展现状、问
题与市场空间［Ｊ］．国际石油经济，２０１３（０６）：５－１５，１０９－
１１０．
［３］于海丽，娄　庆．ＬＮＧ接收站冷能综合利用研究［Ｊ］．化工
管理，２０２０（０２）：１６７．
［４］李彦波．ＬＮＧ接收站ＢＯＧ直接外输可行性分析［Ｊ］．石油
与天然气化工，２０１９，４８（０６）：３９－４３，４８．
［５］陈锐莹，姜夏雪，安东雨，等．ＬＮＧ接收站储罐周转能力计
算方法及测算［Ｊ］．煤气与热力，２０２０（０２）：１３－１５，１９，４５．
［６］刘　浩，金国强．ＬＮＧ接收站ＢＯＧ气体处理工艺［Ｊ］．化工
设计，２００６（０１）：１３－１６．
［７］李海润，徐嘉爽，李兆慈．全容式ＬＮＧ储罐罐体温度场计算
及分析［Ｊ］．天然气与石油，２０１２（０４）：１５－１９，９７－９８．
（本文文献格式：王兆凤．ＬＮＧ接收终端储存系统罐容的方案优
选研究［Ｊ］．山东化工，２０２０，４９（１２）：１２２－１２３，１２５．）
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