3.2.4工艺条件与反应器的选择

3.2.4 工艺条件与反应器的选择

前已述及，小型工艺试验的任务是：确定工艺条件框架(含最优工艺条件)、优选反应器型式，确定设计、放大依据。上述三项任务的基础是开发对象的特征，即反应类型(简单反应，复杂反应，串联副反应，并联副反应等)、热力学行为(可逆反应、不可逆反应、放热反应、吸热反应、平衡常数与平衡组成等)、动力学行为(快反应、侵反应、与传递过程的相对关系、相态等)以及工程环境(材质、杂质、寿命、加热、冷却、惰性组分、上下游工况变化范围等)。上述三项任务的目标是：经济效益、社会效益、环境保护、安全等。鉴于化工过程的原料一般占产品成本的70％一80％，所以衡量经济效益时往往以转化率、选择性为指标，而社会效益、环境、安全则难以定量表达。

换言之，小型工艺试验这种科学、技术行为有其特定的前提和出发点，也有其特定的追求目标，只能在给出的约束领域内工作。而三项任务虽全都立足于开发对象特征，但彼此并不独立，而是相互交联与协同的，不过有程度强弱之分。

（1）工艺条件选择

工艺条件主要指温度、压力、浓度、进料组成、空速(流量)、循环(返回)比、放空(排放)量与组成等，工艺学对特定过程的工艺条件选择均有详细的论述，本文仅从开发角度笼统地介绍一般原则。

a 在上述工艺条件中，以温度、浓度最为重要。从微观看，是反应场所(反应发生处)的温度、浓度；从较大尺度看是催化剂颗内、滴内、泡内、膜内、孔内、界面的温度与浓度分布；从宏观的角度看，就是反应器内、塔内、炉内、床内的温度与浓度分布。①上述三级(反应场所级，滴、粒、膜级，反应器级)温度分布与浓度分布，与反应特征有关，更主要的是与工程因素(由反应器型式、尺寸、操作方式、工艺条件综合生成)有关。所以小试优选的工艺条件，在不同级别的模试与工业反应器中，未必还是最优。原因很简单，上述三个级别的温度与浓度分布变了。②就本征反应速率而论，其值仅与催化剂(或理解为反应自身特征——涉及频率因子与活化能)、浓度、温度有关，而且一般情况下，它们是相互独立的。但如果因其中之一变化引起反应机理变化(例如，催化剂的催化机理变化；由反应控制转化为扩散控制等)；温度变化，除自身通过阿累尼斯关系影响反应速率外，还通过物性一传递一浓度分布，影响反应结果；浓度变化，除自身通过反应级数影响反应速率外，还通过物性(热容)一传递一温度分布，影响反应结果，则产生协同效应的。还应指出，在多数情况下，这种协同效应可以略而不计。

b 以反应结果最优为目标，工艺条件、反应器型式、几何尺寸、操作方式应相互补充、彼此匹配，以体现综合效果。通过反应器的加热、冷却，催化剂的粒度、原料固体的粒度尺寸、液体原料的雾化与分布，填充床的结构与流体分布，塔式反应器结构，搅拌反应器的桨叶结构等等，有可能营造出满意的第二、第三层次因素。因此，在选择工艺条件时，应充分考虑第一层次因素之间既独立、又联合的效果。

c 在选择工艺条件时，应进行热力学计算，以掌握反应进行的极限。如果某组工艺条件预示的平衡状态与技术目标不符，则应设法改变工艺条件或反应器型式。有时候，希望反应在新的工艺条件下达到或趋近平衡；也有时候，则希望新的工艺条件能通过反应动力学抑制平衡出现。

d 选择工艺条件时还必须考虑材质等因素的约束。如果开发对象为吸热反应，提高温度对热力学和动力学都是有利的。处于工艺上的要求、有的为了防止或减缓副反应；有的为了提高设备生产强度，希望反应在高温下进行。此时，必须考虑材质承受能力，在材质的约束下选择工艺条件。

e 在系统工程观点指导下选择工艺条件。选择工艺条件既要着眼于具体的化工过程，又要立足于全系统最优，必要时要牺牲局部，保证全局。压力，特别是对大系统气体为原料过程而言是全局性因素。系统压力不可能时高、时低，多次起伏。因此，在选择系统压力时，一定要立足于系统，不仅要考虑一个反应过程，而是要考虑全部反应过程；还要考虑净化、分离过程，在发生矛盾时，要以系统最优(投资、成本、单耗、效益)决定弃取。

（2）反应器型式选择

化学反应工程原理及反应器是化学反应工程学科的主要研究内容，此处仅以列举的方式，作为化工过程开发反应器型式选择的参考。

A 气固相反应器

这类反应器用得极为广泛。固体或为原料之一，或为催化剂。按固体运动方式，又分为固定床、流化床、移动床、气流床、回转窑等。

a 固定床。当催化剂为负载型，为防止磨碎与损失，在温度对选择性并不十分敏感的情况下，多采用固定床反应器。又可按绝热、换热，流体流动方向不同进一步分类。如绝热固定床反应器、多段换热式(间接——段问采用换热器换热，直接——段间采用原料气或非原料气激冷或激热)固定床反应器，连续换热式固定床反应器，以及轴向反应器，径向反应器等等。

b 流化床。与固定床相反，当流体通过床层时，固体颗粒处于悬浮运动状态。加工的对象可以是固体颗粒，例如矿石焙烧、煤的气化与燃烧；也可以是流体，此时固体为催化剂，例如，重质油催化裂化、丙烯氨氧化、萘氧化制邻苯二甲酸酐、正丁烷或正丁烯氧化制顺丁烯二酸酐。流化床有如下优点。其一，可以实现固体物料连续输入和输出，从而为大量固体颗粒再生、循环使用提供了可能。其二，床层内温度均匀，为抑制对温度敏感的副反应创造了前提；床层传热系数较大、一般要比固定床大10余倍，有利于床层的热量输入、输出。流化床也有若干缺点：其一，固体颗粒、流体都存在返混现象，使除并联副反应的反应级数高于主反应级数外的其他反应的转化率、选择性下降。弥补的措施是对反应器进行轴向、径向分割。其二，固体颗粒磨损严重，大量粉尘带出器外，为后工序留下隐患。其三，因为气泡存在，使气固接触的相界面降低，气体的单程转化率受到限制。弥补的办法是增加构件，破碎气泡。

c 移动床

反应器的固体颗粒(原料、催化剂、惰性物料)在工作过程中是移动的，例如鲁奇、UGI煤气化炉，此时，煤参与反应；铂重整反应器，固体颗粒为催化剂，随过程进行，催化剂逐渐为碳覆盖而失活，移动床为催化剂及时再生、循环使用创造了条件。

d 气流床

又称携带床、喷流床。固体或液体颗粒很小，约0.04mm，对气流的跟随性良好，在床层中气固相基本上没有相对运动。这类反应器在干煤粉气化、水煤浆气化、渣油气化中得到广泛应用。该类反应器有如下主要特点：炉内存在温度分布与浓度分布。温度一般很高，介于1300℃一1900℃，所以化学反应速率极快，约100ms即可完成，属飞速反应。这意味着，传递是过程的控制步骤。为提高传递速率，减小颗度是重要途径。炉内流场结构与喷嘴结构及尺寸、炉膛结构及尺寸、两者间的综合结果或称匹配与工艺条件有密切关系。一般存在射流区、回流区与管流区。流场结构决定了每个区中可能参与化学反应的组分，也就决定了炉内的化学反应的区域模型。气流床存在返混，停留时间分布测试表明，其流型较为趋近全混流，对高转化率的过程(例如气化过程中，碳的转化率均在95％以上)进一步提高转化率带来困难。

B 气液相反应器

在气液反应系统中，气体与液体体积比变化较大，当气液比大时，一般气体为连续相，液体为分散相，此时单位液体具有较大的气液相界面；反之，液体为连续相，气体为分散相，此时单位液体具有较小的气液相界面。依气液比大小顺序，气液反应器可区分为：喷雾塔、填料塔、膜式反应器(含降膜反应器、升膜反应器、旋转气掖膜反应器)、板式塔、搅拌釜(槽)、管式反应器、鼓池塔、气体升液式反应器等。

按气液本征化学反应快慢依次区分为如下类型：a 瞬时不可逆反应，本征反应速率比扩散速率大很多倍，反应在液膜内的某个面上完成，不是在一个区间完成；b 快反应，它比瞬时反应的速率要慢，在液膜内的某个区间中完成；c 中速反应，它比快速反应稍慢，在液膜与掖相主体中均有反应；d 慢反应，反应主要发生在液相主体中，液膜中反应极少；e 极慢反应，反应完全在液相主体中完成，气膜、液膜的传质阻力已可略而不计，过程属于反应动力学控制。

化工过程研究与开发工作者可能在两种情况下遇到气液反应，一种是用于净化、分离。还有一种情况则是开发主体，生产某种产品，例如生工、聚合、氯化、氧化、酯化、烷基化。羰