化工基础第六章工业反应器

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

在化工生产中，大部分都包含化学反应，而化学反应有关的工序的设计问题，都是属于化学反应工程学的问题。

化学反应工程的概念是在1957年第一次欧洲化学反应工程会议上首先提出的。六十多年来，化学反应工程得到了迅速的发展，逐步形成了一门独立的学科，成为化学工程的一个分支。化学反应工程学，它是以工业反应器为主要对象，研究工业规模的化学反应过程和设备的共性规律的一门学科。

大家知道，化工产品的生产都涉及到化学反应工程，然而化学反应过程，特别是在工业规模下进行的化学反应过程，其影响因素是错综复杂的，它不仅受化学热力学和化学动力学的制约，还与化学反应器的类型、结构和尺寸有很大的关系。

实践证明，同一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。①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力②开发新的技术和设备。③指导和解决反应过程开发中的放大问题。④实现反应过程的最优化。⑤不断发展反应工程学的理论和方法。

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

在化学反应工程中，由于化学反应的种类繁多，操作条件差别大，各种反应都要求有适合其自身特点的操作方法，因此，工业反应器的形成也必须是多种多样的。工业生产所用的反应装置，不论从形状、大小和操作状况来看是多种多样，十分复杂。根据不同的观点，有不同的分类方法。

(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，在反应期间没有物料的加入和引出，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，进料和出料同时进行，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。这种反应器的优点是设备利用率高，节省劳力，产品质量稳定，易于自控，适合于大规模的生产。

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，这或者是在反应过程中将某种产物连续不断地从反应器内引出，这种反应器从其反应混合物的组成随时间变化的观点来看是间歇的，而从操作的观点来看，其反应物料之一的加入和产物的引出，其操作又是连续的。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）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。

这种分类的实质是按动力学特性分类，不同聚集状态的物质，其反应有不同的动力学规律。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。这种分类方法对反应器的设计是有利的，因为同一相态的反应其动力学规律相同，在分析和设计反应器时，可以用同一类动力学公式。

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