多级串联全混流反应器的设计与应用

多级串联全混流反应器的设计与应用
对于多级串联全混流反应器，提供一种从动力学入手，系统的计算各级反应釜体积及反应器串联级数的方法，以达到设定的目标转化率。

此方法已经在工业化生产中得到充分的验证，结果显示，采用本文阐述的方法计算得到的理论出口转化率与实际生产中测量得到的出口转化率基本相符。

标签：连续搅拌釜式反应器；串联；动力学
Abstract：For multiple mixed flow reactors in series，provide a method to calculate the number of reactor series and the volume of each reactor，to achieve a specified conversion of feed which reacts with known kinetics. The results show that the conversion of the theoretical export obtained by the method described in this paper is consistent with the conversion of the export in actual production.
Key words：CSTR；Connection in series；Kinetics
連续搅拌釜式反应器适用范围较广，容易放大，在强烈搅拌情况下可视为全混流反应器，反应物料连续地加入和流出反应器，不存在间歇操作中的辅助时间问题。

在定态操作中，容易实现自动控制，操作简单，节省人力，产品质量稳定，常用于中型或较大规模的化工生产中[1]。

连续搅拌釜式反应器主要适用于粘度不是很大的液相反应，从反应性质来说还特别适用于转化率不高且产物分离方便或反应时间较长的反应。

本文以某一二级反应为例，计算连续搅拌釜式反应器的串联级数，每级反应器的体积及相应的出口转化率。

本文阐述的方法在工程设计的过程中具有很实用的应用价值，并且已经在现有的生产过程中得到充分的验证。

1 基础数据
反应原料A进料量：200kg/h
反应原料A分子量：149.23g/mol
反应原料B进料量：235kg/h
溶剂进料量：365kg/h
混合液密度：928.39kg/m3
2 设计计算
2.1 基础数据处理
反应原料A浓度与含量的关系式：
（式1）
（式2）
基于反应时间与反应原料A含量的对应数据可以计算不同反应时间对应的转化率XF、摩尔浓度CA、Ln（CA）、1/CA和1/CA2，进而得到转化率与反应时间、以及反应原料的浓度CA与反应时间的关系。

根据动力学数据，得到反应原料A转化率与反应时间的关系如图1：
从图1中可以看出，当反应进行到600min后，反应原料A的转化率增长的很缓慢，到反应进行到1200min止，A的转化率由80%（600min）增加到88%左右。

也就是说，通过延长反应时间来提高A的转化率，在反应后期并不经济可行。

A转化率控制在70-80%左右，在反应时间上相对比较经济。

因此，后面的数据处理均取0-600min的实验数据。

2.2 动力学数据拟合
基于动力学数据，通过线性拟合分别得到零级、一级和二级反应的动力学方程，其中二级反应相关度最高，可达0.9942，因此反应为二级反应，反应速率常数k=0.258L/（mol.h）。

拟合曲线如下：
2.3 反应器体积及串联级数的计算
已知：初始浓度CA0=1.56mol/L，目标转化率为80%，反应速率常数k=0.258L/（mol.h）。

反应为二级反应，则：反应时间与转化率的关系可用下式表示：
（式3）
根据式3，当目标转化率xA=80%时，计算得到需要的停留时间t为9.94h，则：kCA0 t=4。

由于实际的停留时间τ应大于t，则kCA0 τ>4。

已知合成釜的进料量：A进料量=1.34kmol/h=200kg/h，总进料量=800kg/h=862L/h（反应液密度928.39 kg/m3）。

由进料流量和停留时间可以算出在管式反应器中达到80%转化率时，需要的管式反应器的体积VRP= 862×9.94=8568L；
相同转化率条件下，不同串联级数时全混流反应器体积VRM与管式反应器
体积VRP的比例可由算图查出[2]：
①当取kCA0 τ=5时，反应釜级数N ≥ 5才能够使转化率达到80%以上；
②当取N=5时，kCA0 τ ≥ 5，转化率可以达到80%以上，此时停留时间τ ≥ 5/k/CA0 =12.55h。

结论：取τ=13h，则多级串联的全混流反应器总体积：VRM=862*13=11206L；
考虑反应釜装料系数，反应釜可以采用5级3000L的釜串联，每级反应釜的有效体积约2500L，实际总的停留时间τ为14.5h，每级的停留时间τi为2.9h。

2.4 各级反应器出口转化率的计算
任一釜i中的关键组分A的反应速率可表示为：
（式4）
式中（rA）i表示按第i级出口组分A的浓度CAi计算的反应速率。

对于二级反应，由于τi=VRi/V0，（rA）i=kCAi2，则式可以改写为：
（式5）
即：
（式6）
由于=常数，令=B，则可得到：
（式7）
由式7可以求得各级反应器出口的转化率xi，见下表：其中B=1.167。

3 工程应用
以上介绍的设计方法已经应用于实际的工程设计中，并在工业化生产中得到了很好的验证。

在胺醚合成的工业化生产中，采用5级3000L反应釜串联（有效容积约2700L），取样分析后，实际得到的各级反应器出口转化率与采用本文所述方法计算得到的理论转化率对比如下：
由上表可以看出，实际的出口转化率与理论计算的出口转化率基本相符，偏差均小于2%。

4 结论
本文介绍了一种多级串联全混流反应器的设计方法，从反应动力学入手，通过动力学拟合曲线可以得到反应级数和反应速率常数，根据不同反应级数的相应特点，结合工艺上对处理能力和目标转化率的要求，可以进一步得到需要的管式反应器的体积，进而推出成全混流反应器串联情况下的串联级数、对应的反应器体积及每级反应器出口的转化率。

此方法经工业化生产的验证，实际取样分析得到的目标转化率与理论计算值偏差较小，在工程设计领域具有很好的实际应用价值。

参考文献：
[1]朱炳辰.化学反应工程（第四版）[M].北京：化学工业出版社，1990.
[2]陈甘棠.化学反应工程（第三版）[M].北京：化学工业出版社，1964.。