化工反应器分类、特征、应用及放大方法

中试检验数学模型的等效性

建立中试装置进行中试，检验数学模型
与实际过程的等效性。

数学模型经中试证明与实际过程等效后 ，就能用于预测工业反应器性能和进行反 应器设计。

三、特征
分解过程，考察过程的内在规律。

分解为化学反应规律和传递过程规律
简化过程，寻找建立等效模型的途径。

如：返混、停留时间分布函数； 双膜理论； 边界层概念。 科学试验的目的是为了建立和检验数学模型 。


化工反应过程的放大方法:
1、逐级经验放大法 2、数学模拟法 3、部分解析法 4、相似放大法
第一种 逐级经验放大法

定义： 运用物质模型从实验室规模的小试开始，经过逐 级放大的模型试验研究，直到将化工过程放大成为生产规 模。


依据：以前一级试验所取得的研究结果和数据为依据。
特点：比较原始，不够精确，不够经济，但有一定的价值

考察设备内物料的流动与混合，传热和传质等物理过
程的规律。 反应器内各种物理过程的规律，只随反应器的型式或 结构的改变而改变，反应的类型不会改变传递规律。
综合化学反应特征和传递过程特征，建立函
数关系式，形成数学模型，预测工业反应器 性能。

只要反应器的型式结构和化学反应相同， 由数学模型表示的过程动态规律应不受设备 几何尺寸的限制，因此用数学模型进行工业 反应器的设计，应不存在放大效应。
4、固定床
适用于：气-固（催化或非催化）相 特点：返混小，催化剂不易磨损，传热性能差，催化剂不易再生
生产实例：乙苯脱氢之苯乙烯，乙醇氧化制醋酸，石油重整等
5、流化床
适用于：气-固(催化或非催化) 特点：返混大，传质，传热好， 催化剂有效系数大，但磨损大 生产实例：5-3石油催化裂化， 萘氧化值苯酐，丙烯氨氧化制丙烯腈
第三种 部分解析法

一、研究方法 化学反应器的放大 结果 化学反应

化学反应的速率和选择性
浓度效应和温度效应
•

浓度效应
影响浓度的工程因素为：物料的返混程
度、预混合情况、进料浓度、加料方式、
间歇或连续操作、非均相系统的混合状况
。

不论采用何种反应器型式和操作方式，
只要反应器内物料浓度及浓度分布相同，
绝热反应过程 非绝热变温反应过程
等容反应过程 (5)按反应体积的变化 变容反应过程
二、 各类型式反应器的特点及应用
1.釜式反应器（间歇或单釜、多釜连续操作）
适用于：液相、液-液相 液-固相
特点：操作弹性大，实用性强，产品质量均一但单釜连续操 作返混大。 生产实例：氯乙烯聚合，顺丁橡胶的合成，甲苯消 化 等
试验结果和理论分析相结合产生技术概
念； 检验技术概念，完善技术方案；
取得放大设计的定量数据。
第四种 相似放大法

定义：以相似论和因次论为基础的放大方法，又 称为“比例放大”。
方法：运用相似模拟和无因次相似准数的概念， 从准数方程中考虑影响过程的各单值间的相互作用 关系；试验变量由准数取代了单值变量，简化试验 工作，容易得到各个变量间的定量函数关系。 有效性：对于物理过程的放大是有效的，如：单 元操作的放大；对于化学过程的放大：不太适合。

特点：用一组微分方程或一组代数方程，描述过
程的动态规律。是目前比较先进、科学的方法。

要求：即能描述过程，又简单便于应用。

一、数学模型 建立数学模型的思维方法

如反应器模型的基础： 热力学方程、反应动力学方程、三大传 递 物料衡算式、热量衡算式、动量衡算式 数学模型的简化 非理想流动模型—— 轴向分散模型、多釜 串联模型
工业反应器
本科三班 一组侯腾
一、 反应器的分类
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类 非均相反应器 釜式反应器 管式反应器 （2）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 间歇操作反应器 （3）按操作方式分类 连续操作反应器
半连续(半间歇) 反应器
等温反应过程
(4)按反应温度的变化
。尤其对于目前某些难以进行理论解析的课题，例如高粘
度的聚合体系等，往往更需要经验来解决，因此不能轻易 否定。

一、研究方法 设备选型：以小试验的方法进行，考察设备的型 式和结构的影响，为结构变量试验。
优化工艺条件：考察各种工艺条件的影响，筛选
出最佳工艺条件，为操作变量试验。 反应器放大：采用建立模型装置的方式进行逐级 放大，考察放大效应，为几何变量试验。


数学模型的针对性

每一种数学模型都有一定的限制范围 。

例：管式反应器内物料的返混可以用扩散
模型描述，但扩散模型不能描述物料在管 式反应器的层流或湍流状态。

二、研究方法 以化学反应过程开发为例，按以下步骤 进行：
测定反应热力学和动力学的特征规律及其参数。
实验室研究化学反应特征
冷模试验研究传递过程特征
对于化学反应的影响必然一致。
•

温度效应
简单反应：温度影响反应速率 复合反应：温度影响反应速率和选择性
A 1 B 2 C 3D
假设：B是目的产物， E3<E1<E2 分析：反应前期，平行副反应速率快；反应后期，串联副
反应加快
温度控制方案：反应前期选择高温，后期降低反应温度

二、研究步骤 通过定性试验，了解反应过程特征；

9、滴流床
气-液固（催化剂）相 9-2催化剂易分离， 带出少，气-液分布要求均匀， 温度调节较难 9-3焦油加氢精制和加氢裂解，

丁炔二醇加氢等
10、移动床
气-固（催化或非催化）相 10-2固体返混小，粒子传送容 易，固-气比可变形大，床内温 差大，调节困难 10-3石油催化裂化，矿物冶炼 等
6、填料塔
适用于：气-液相、液相 特点：6-2结构简单，返混小， 压降小，有温差，填料装卸麻烦 生产实例：6-3化学吸收等
7、板式塔

气-液相 逆流接触，气-液返混小，流速受限制可在板间加 传热面 苯连续磺化，异丙苯氧化等

8、喷雾塔
气-液相快速反应 结构简单。液体表面积大， 气流速度有限制，停留时间受塔高限制 氯乙醇制丙烯腈， 高级醇的连续磺化等

二、特征
只综合考虑输入变量和输出结果的关系， 不能深入研究过程的内在规律；
试验步骤由人为决定，并非科学合理的研
究程序； 放大是根据试验结果外推，不一定可靠。
第二种 数学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ拟法

定义：在认识过程特征的基础上，运用理论分析 找到描述过程规律的数学模型，并验证模型与实 际过程等效，以此用来进行放大设计计算。
比例放大：以一个或多个能表达过程主要特征的
参数为依据，按照比例放大的方法。

如：湿法磷酸技术中，用过滤强度作为过滤机放
大的依据。
2.管式反应器
适用于： 气相、液相 特点：返混小，所需反应器体积小，比传 热面积大， 仅适用于连续操作，停留时间受管长限 制 生产实例：石脑油裂解，管式法高压聚 乙烯
3.鼓泡塔
适用于：气-液相、气-液-固（催化剂）相
特点：气相返混小，液相返混大，气相压力降大， 温度易于调节。流速有限制 生产实例：苯的烷基化，乙烯基乙炔的合成，二甲苯氧化等



一、特征 属于综合考察，反映了变量间的实质性 关系；


简化试验，提高了试验效果；
用相似论指导模拟，为建立模型提供了
可靠依据；

运用相似准则放大，避免了依经验结果
外推。

二、数量放大法和比例放大法
数量放大法：采用设备单元数增加的放大方法。

如：从单管 →
列管，保证列管中每一单管与
试验时的单管情况相同。