组合反应器设计

化学反应工程论文

组合理想反应器的进展

目录

前言 (2)

第一章理想反应器的基本模型 (3)

1.1间歇反应器（BR） (3)

1.2全混流反应器（CSTR） (4)

1.3活塞流反应器（PFR） (5)

第二章组合理想反应器模型 (6)

2.1理想反应器的串联 (6)

2.2 理想反应器的并联 (9)

2.3理想反应器的各种组合 (10)

第三章理想反应器的选择应用 (11)

3.1单一反应 (11)

3.2自催化反应 (11)

3.3复合反应 (12)

3.3.1平行反应 (12)

3.3.2连串反应 (14)

第四章小结 (15)

参考文献 (16)

前言

化学工业中的工艺过程一般包括原料预处理、化学反应、产物分离和精制等操作。化学过程的典型流行图为：

原料→分离过程→反应过程→分离过程→产品+副产品显然，在此过程中，反应过程是实现增值的关键步骤，最重要的部分是反应系统。但是，在一般的化工过程中，反应器极其附属设备的总投资和运行成本只占过程总成本的10%～25%，分离单元的设备投资和运行成本则占较大比重。所以，如果反应过程过程能使用含杂质原料而无需提纯或者反应过程中不产生副产物，就比使用高效分离设备在经济上更合算。另外，反应器运行的好坏会明显影响分离单元的运行情况和运行成本。因此反应器设计和操作的好坏在很大程度上会左右全过程的经济性。工业反应过程的优化包括反应器的优化设计和优化操作两方面。在化工生产装置中，反应器的投资虽只占装置总投资的一小部分，但却是化工生产的核心。化工过程开发的研究工作，在一定程度上往往是针对化学反应过程进行的，如反应器的选型，条件的优化和放大等等。

开发设计反应器主要以下三个任务：（1）优化动力学特性，选择合适的反应器类型。（2）结合动力学和反应器的特性，确定操作方式和优化操作条件。（3）根据产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸，进行评价。

反应器设计涉及以下基础方程式：

1.动力学方程式：描述反应器内体系的温度、浓度（或压力）与反应速率的关系；

2.物料衡算方程式；

3.热量衡算方程式。

衡算方程可写出下式：累积量=输入量-输出量-反应量[1]

化学反应器的类型很多。由于反应物料的性质、反应条件及生产规模不同，反应器的型式、形状、大小也各异。工业生产上，由于化学反应的复杂性，为了满足不同反应的要求，有时采用相同或不相同的基本反应器组合起来，构成组合反应器。从总体上看，组合反应器可使反应在最佳的状态下进行，从而使反应器的有效容积尽量达到最大利用效率。

本文从简单、理想的反应器入手，然后推广到比较复杂一些的理想反应器组合的情况。

第一章理想反应器的基本模型

对于均相反应，因为反应过程中不存在相间传递过程，影响反应速率的物理因素只有物料的混合和流动状态两个方面。均相反应所用的反应器按完全混合和完全不混合分为两类理想反应器，理想混合反应器和活塞流反应器。理想混合反应器是指在复式反应器内反应物料的温度和浓度完全相同。

根据操作方式不同，理想混合反应器可以分为间歇反应器（BR），和全混流反应器（CSTR）。活塞流反应器（PFR）是连续流动的管式反应器，反应器内反应物料完全不混合，所有反应物流体粒子以相同的流速和方向流动，在反应器内停留时间完全相同[1]。三种理想反应器的示意图如下：

a间歇反应器b全混流反应器c活塞流反应器

图1.1 三种理想反应器示意图

1.1间歇反应器（BR）

间歇反应器是最简单、最常用的一种反应器，广泛应用于医药、染料等精细化学品生产、高分子聚合反应和生物化工等领域。一般适用于小批量、多品种、反应速率慢的场合。该反应器的优点是灵活性大、设备费用低、产量可大可小，并可用于生产不同品种的化学品。其缺点是设备利用率低、人工费用高并难以实现自动化控制。

间歇反应器的操作特点为：（1）一次加料；（2）一次出料；（3）定时反应，即停留时间相同；（4）强烈搅拌，及浓度和温度处处相同[1]。

其操作方程为：

或

图1.2 间歇式反应器的图解法示意图

可见，在间歇反应器中进行反应时，达到一定转化率所需的时间只与反应速率有关，而与反应器大小无关。

1.2全混流反应器（CSTR）

全混流反应器又称连续搅拌理想反应器。这类反应器实际上是连续操作的理想槽式反应器。由于流动过程中，反应物料的停留时间存在一定分布，因而会影响反应过程的进行，从而表现出于间歇反应器不同的特点。在定常态下全混流反应器的基本操作特点为：（1）整体始终均一；即无浓度和温度梯度。（2）瞬间实现均一，即物料加入后瞬间实现混合。它的重要特性为：（1）反应物出口温度和浓度与反应器内物料的温度和浓度相同且不发生变化。（2）因反应过程中温度和浓度均不变，所以反应恒速进行[1]。

其操作方程为：

或

图1.3 全混流反应器图解计算示意图

1.3活塞流反应器（PFR）

工业上很多反应式在管式反应器中进行的。活塞流反应器是一种理想流动的管式反应器，它假定流体粒子像活塞一样向前流动，及所有流体粒子均以相同的速度从进口向出口流动，径向不存在流速分布，整个反应器不存在返混现象。

PFR的操作方程如下：

V R=；

或t==;

图1.4 活塞流反应器图解示意图

因此，在恒容过程中的活塞流反应器的操作方程与间歇反应器的操作方程完全相同。对于任何n级反应而言（n>0）,在工艺条件及转化率相同时，活塞流反应器所需要的体积恒小

于全混流反应器的体积。换句话说，若反应体积相同，活塞流反应器可得到的转化率大于全混流反应器的转化率[2]。

第二章 组合理想反应器模型

对于活塞流反应器和全混流反应器，这两类理想反应器可以各种串联和平行的方式连接成为组合反应器，与理想反应器相比，组合反应器的性能通常介于其间[3]。有时组合反应器只是一种概念，被用作实际反应器的模型，有时，组合反应器是实际存在的。有许多采用组合反应器的充分理由。温度控制可能是重要的动机。采用标准设计有时也是一个因素，因为在增加装置能力时能使装置继续运转。

2.1理想反应器的串联

串联装置是比较普遍的。搅拌釜式反应器后串联一个管式反应器的组合也是常见的。当反应器串联时，一个反应器的出口用作另一个反应器的入口。对于串联反应器，只有体积可以分配[3]。

图2.1 多段全混流反应器串联

稳态，定容时，m 段全混流反应器串联，

对于1级不可逆反应：)1(0A A A A x kC kC r -==