工业化学反应过程及反应器
工业化学反应过程及反应器幻灯片
③焙烧设备
焙烧炉有块矿炉、机械 炉、沸腾炉等几种型式，我 国广泛使用沸腾炉。
沸腾炉的构造如图示。 炉体由钢板焊接成圆筒பைடு நூலகம்内 垫耐火砖。炉内上部分为炉 膛，包括沸腾层和燃烧空间。 下部为空气分布室，室内有 空气预分布器，分布板上装 有若干个分布帽。
工业上由于原料的差异和净化方法的不同，流 程有长有短，其原则流程如图所示。
2．二氧化硫炉气的制造
(1)硫铁矿的预处理 硫铁矿除主要成分FeS2外，还含有铜、锌、铅、砷、 镍、钻、硒、碲等元素的硫化物和氟、钙、镁的碳 酸盐和硫酸盐以及少量的银、金等杂质。硫铁矿含 硫量一般为30-50%,25％以下则为贫矿。硫铁矿的 粒度影响焙烧反应速率和脱硫程度，还关系到焙烧 的操作状态。破碎操作一般是先将大块矿石粗碎至 35 - 45mm以下，而后再细碎至碎粒小于3一6mm， 然后送入料仓或直接到焙烧炉。
接触法制硫酸基本反应如下：
⑴ S02的制取 将硫铁矿焙烧，制取S02 (S)+O2 ==SO2 + Q
⑵SO2 的转化 SO2在固体催化剂上接触氧化为SO3 SO2+ 1/2O2 ==SO3 + Q
⑶SO3 的吸收 SO3与水结合生成硫酸 SO3+H2O ==H2SO4 + Q
实际生产中一般用98.3％的浓硫酸吸收S03制硫酸。
硫铁矿按其来源分类有普通硫铁矿、浮选硫铁矿 和含煤硫铁矿。普通硫铁矿中含硫25%-52%，含铁 35%-44%。浮选硫铁矿又称尾砂，含硫量为30%-40%。 含煤硫铁矿含硫35％一40%，含碳10％一20%。
硫酸盐有石膏（CaSO4）, 芒硝（Na2SO4）和明 矾石[KA13(OH)6(SO4)2]等。
破坏了炉内正常操作。 焙烧温度控制在850—950℃为宜。
化学反应过程与设备
结论：选择铸铁反应釜（反应釜内衬内表搪瓷） 理由：壳体材料大多采用铸铁，硫酸具有酸性和腐蚀性。
谢谢观赏
问题解答
工业反应器种类应用
管式反应器 釜式反应器 固定床 流化床 移动床 滴流床 鼓泡塔 板式塔 填料塔 喷雾塔
结构简单，加工方便， 传质效率高，温度分布 均匀，操作条件的可控 范围广，操作灵活性大， 便于更换品种，能适应 多样化的发展，尤其精 细化学品、高聚物和生 物化工，釜式反应器占 90%。
1000吨/年乙酸丁酯反应器 的选型、设计与操作
---生产方案的确定
任务引入：
青职化工2015-3厂接到生产乙酸丁酯的订单,该厂拟 采用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，年产量1000吨。反 应在恒温条件下进行，温度为373K，进料比为乙酸: 丁醇=1:5（mol），以少量硫酸作催化剂。 本次任务： 确定完成生产任务所需的反应器型式及其材质
问题解答
物料的性质
原料：乙酸
正丁醇C4H9OH
分子量74.12熔点-88.9℃ 沸点117.25℃ 相对密度0.8908 溶解性：微溶于水，溶于 乙醇、醚多数有机溶剂 外观及形状：无色透明液 体，具有特殊气味。 用途：涂料的溶剂和制增 塑剂邻苯二甲酸二丁酯的 原料，也用于制造丙烯酸 丁酯、醋酸丁酯、乙二醇 丁醚以及作为有机合成中 间体和生物化学药的萃取 剂，还用于制造表面活性 剂。
问题解答
物料的性质
催化剂：浓硫酸
无色油状液体 常用的质量分数98.3％ 密度1.84g/cm³ 物质的量浓度18.4mol/L 沸点338℃ 性质：脱水性，强氧化性，强腐蚀性，难挥发性，酸性，吸水性等。
问题解答
生产工艺流程
由乙酸与正丁醇在硫酸存 在下酯化而得。将丁醇、 乙酸和硫酸酯化时 的酸值在0.5以下，所得粗 酯经中和进入蒸馏釜，经 蒸馏、冷凝、分离进行回 流脱水，回收醇酯，最后 在126℃以下蒸馏而得产品。
化学反应过程与设备1.2
《化学反应过程与设备》
主讲教师：
化学反应过 程与设备
任务2、气固相反应器的选择
常用的气固相反应器： 固定床反应器 流化床反应器
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
（一）固定床反应器的特点 固定床的定义： 凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都 称为固定床反应器 固定床反应器的优点： ①在化学反应速率较快、在完成同样生产能力时所需要的催化剂 用量和反应器体积较小。 ②气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于 提高化学反应的转化率和选择性。 ③催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。 ④适宜于在高温、高压条件下操作。
化学反应过 程与设备
三、气固相催化反应器的选择
化学反应过 程与设备
二、流化床反应器的特点结构
（一）流化床反应器的特点 优点： 1、2、3、4、5
缺点：
1、2、3 流态化操作总的经济效果是不错的，特别是传热和传质速率快、 床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产 过程特别有利。
化学反应过 程与设备
二、流化床反应器的特点结构
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
（二）固定床反应器的类型与结构 中间间接换热式： 作用： 间接换热式是用热交换器使冷、热流体通过管壁进行热交换
冷激式：
冷激用的冷流体如果是尚未反应的原料气，称为原料气冷激式； 冷激用的冷流体如果是非关键组分的反应物，称为非原料气冷激
化学反应过 程与设备
固定床反应器虽有缺点，但可在结构和操作方面做出改进，且其 优点是主要的。因此，在化学工业中得到了广泛的应用。
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
因为
nA0 nA nB 0 nB nR nR 0 nS nS 0 a b r s
rA rB rR rS r a b r S
故更为一般的速率表达式：
1 dni r viV dt
由反应进度可得：
1 d r V dt
2.2均相反应速率其他形式的表达： A、流动系统：
0
c
cA
A0
c A c A0
dcA kcA
22
恒温条件下，k为常数，积分得： 用转化率表示得：
ln
cA0 k cA
cA cA0ek
ln
1 k 1 xA
一级不可逆反应的几个重要特征： （1）.速率常数的单位：时间单位的倒数；（2）.浓度的对数与反应时间成线 性关系；（3）.反应时间长短仅与转化率高低有关，与初始浓度大小无关。 6.2恒温恒容不可逆二级反应： 两种情况：只有一种反应物且为二级反应；或者是其它反应物大量存在，因而在 反应过程中可视为常量；另一种是对某一反应物为一级，对另一反应物也是一级 ，二反应物初始浓度相等且为等分子反应时，可归结为第一种情况。
30
解题思路：
根据题意恒温恒容一级不可逆均相反应，求反应一定时间后物料的残余浓度 ，故选择公式 cA cA0ek 解题较简便。 对于多组分单一反应，反应物的反应量与产物的生成量之间有化学计量关系 的约束，可以根据它们的化学计量关系推导出它们反应过程中的浓度关系。 引申知识点： 对二级反应，要求残余浓度很低时，尽管初始浓度相差很大，但所需的反应 时间却相差很少。 6.4恒温变容不可逆反应：
26
例题介绍：
解：由
cA cA0ek
，将反应物的初始浓度，速率常数k和反应时间带入上式
工业制硝酸的化学反应方程式
工业制硝酸的化学反应方程式工业制硝酸是通过氨气和氧气在高温高压条件下发生氧化反应得到的。
具体的化学反应方程式如下：4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)3NO₂(g) + H₂O(l) → 2HNO₃(aq) + NO(g)氨气和氧气在催化剂的作用下发生反应生成一氧化氮和水蒸气。
这个反应是一个放热反应，同时也是一个亚硝酸气体的生成反应。
然后，一氧化氮与氧气发生反应生成二氧化氮，这个反应是一个吸热反应。
最后，二氧化氮与水反应生成硝酸，这个反应是一个放热反应。
整个过程可以简化为以下两个步骤：4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)3NO₂(g) + H₂O(l) → 2HNO₃(aq) + NO(g)在第一个步骤中，氨气和氧气在高温高压条件下通过催化剂催化反应生成一氧化氮和水蒸气。
氨气和氧气的摩尔比为4:5，生成的一氧化氮和水蒸气的摩尔比为4:6。
在第二个步骤中，一氧化氮与氧气反应生成二氧化氮。
这个反应是一个吸热反应，需要提供能量。
一氧化氮和氧气的摩尔比为2:1。
在第三个步骤中，二氧化氮和水反应生成硝酸。
这个反应是一个放热反应，同时生成一氧化氮。
二氧化氮和水的摩尔比为3:1，生成的硝酸和一氧化氮的摩尔比为2:1。
整个反应过程中，氨气和氧气作为原料进入反应器，经过一系列的化学反应，最终生成硝酸。
硝酸是一种无色液体，具有强烈的腐蚀性和氧化性，广泛应用于化工、农业和医药等领域。
总结起来，工业制硝酸的化学反应方程式可以简化为：4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)3NO₂(g) + H₂O(l) → 2HNO₃(aq) + NO(g)通过这个化学反应方程式，我们可以了解到工业制硝酸的原理和过程。
这个反应是一个复杂的氧化还原反应，需要在特定的条件下进行。
同时，这个反应也涉及到能量的转化和释放，是一个热力学过程。
化学反应过程与设备
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（一）气液相反应的特点与应用
气液相反应工业应用： 气液相反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工 过程。
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 鼓泡塔反应器： 广泛应用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量 大的反应。 优点： 缺点：
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应 的基本类型与特点
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 填料塔反应器： 广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气液相反应器。 反应方式： 适用于： 优点： 缺点：
二、鼓泡塔反应器结构
（二）鼓泡塔反应器的结构
组成： (1)塔底部的气体分布器分布 作用： (2)塔筒体部分 作用： (3)塔顶部的气液分离器 作用：
化学反应过 程与设备
三、填料塔反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器结构
（一）填料塔反应器的结构
定义：填料塔是以塔内装有大量的 填料为相间接触构件的气液传质设备。 结构：填料塔的塔身是一直立式圆筒， 底部装有填料支承板，填料以乱堆或 整砌的方式放置在支承板上。
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （5）液体分布装置
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （6）液体收集及再分布装置
化学反应过 程与设备
反应过程与设备
序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 3435 36 37 3839 40 41 42题干按物质的聚集状态，反应器分为均相反应器和非均相反应器。
按照反应器的结构型式，可把反应器分成釜式、管式、塔式、固定床和流化床。
长径比较大的流化床反应器中的流动模型可以看成平推流。
单段绝热床反应器适用于反应热效应较大、允许反应温度变化较大的场合，如乙苯脱氢制苯乙烯。
单一反应过程，采用平推流反应器总比全混流反应器所需要的体积小。
对同一反应，活化能一定，则反应的起始浓度越低，反应的速率常数对浓度的变化越敏感。
对液—气、液—固非均相的反应物系，若热效应不大时，多采用釜式反应器。
对于可逆放热反应而言，并非温度越高反应速度越快，而是存在最佳反应温度，即反应速度最快时的对应的温度。
对于零级反应，增加反应物的浓度可提高化学反应速率。
反应过程的整体速度由最快的那一步决定。
反应器并联的一般目的是为了提高生产能力。
串联的一般目的是为了提高转化率。
非均相反应器可分为：气-固相反应器、气-液相反应器。
釜式反应器返混小，所需反应器体积较小。
釜式反应器既可以用于间歇生产过程也能用于连续生产过程。
釜式反应器体积越大，传热越容易。
高速搅拌的釜式反应器中的流动模型可以看成全混流。
工业反应器按换热方式可分为：等温反应器；绝热反应器；非等温、非绝热反应器等。
鼓泡塔反应器和釜式反应器一样，既可要连续操作，也可以间歇操作。
固定床反应器比流化床反应器的传热效率低。
固定床反应器的传热速率比流化床反应器的传热速率快。
固定床反应器适用于气一液相化学反应。
管式反应器的优点是减小返混和控制反应时间。
管式反应器亦可进行间歇或连续操作。
管式反应器主要用于气相或液相连续反应过程，且能承受较高压力化学反应的活化能是指基元反应，分子反应需吸收的能量间歇反应器由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度均相同。
反应器的原理及应用
反应器的原理及应用1. 引言反应器是化学工程中一种非常重要的设备，广泛应用于化工生产中。
本文将介绍反应器的原理及应用，通过对反应器的介绍，帮助读者理解反应器的基本工作原理和常见应用场景。
2. 反应器的工作原理反应器是一种用于进行化学反应的设备，其工作原理是利用加热、冷却、搅拌等方式控制反应物质在反应过程中的温度、压力和混合程度。
下面将介绍几种常见的反应器工作原理：2.1 批量反应器批量反应器是最简单的一种反应器，其工作原理是将待反应的物质一次性加入反应器中进行反应。
其优点是操作简单，适用于小规模生产和实验室研究。
然而，由于无法连续供给反应物质，生产效率较低。
2.2 连续流动反应器连续流动反应器是一种持续供给反应物质并连续收集产物的反应器，其工作原理是通过分别将反应物质和催化剂以一定流速供给反应器，使反应在反应器内进行。
连续流动反应器由于可以连续供给反应物质，生产效率较高，适用于大规模生产。
2.3 催化反应器催化反应器是通过添加催化剂来提高反应速率的反应器，其工作原理是将催化剂与反应物质一起放入反应器中进行反应。
催化反应器由于催化剂的作用，可以在较低的温度和压力下进行反应，节省能源和提高反应效率。
3. 反应器的应用反应器在化工生产中有着广泛的应用，下面将列举几个常见的应用场景。
3.1 石油炼制在石油炼制过程中，反应器用于各种催化反应、裂化反应、加氢反应等。
例如，催化裂化反应器用于将重质石油馏分转化为轻质石油产品，加氢反应器用于将硫化氢等有害物质转化为无害物质。
反应器在石油炼制中起到了非常重要的作用。
3.2 化学品生产在化学品生产中，反应器用于各种有机合成反应、聚合反应等。
例如，聚乙烯反应器用于合成聚乙烯，硝化反应器用于合成硝酸等。
反应器不仅可以提高产品的纯度和产量，还可以控制反应物质的选择性。
3.3 生物工程在生物工程领域，反应器用于培养微生物、细胞培养、酶反应等。
例如，发酵反应器用于培养微生物产生乙醇、酸等产物，细胞培养反应器用于培养动物细胞合成蛋白质。
反应器一(绪论+釜式)
7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管
二、釜式反应器的搅拌装置
1、搅拌的目的
使物料混和均匀,强化传热和传质。
包括：（1）加快互溶液体的混合；
（2）使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中；
（3）使气体以气泡的形式分散于液体中；
（4）使固体颗粒在液体中悬浮；
（5）加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。
②压力试验有两种，液压试验和气压试验。
致密性试验：
①符合下列情况时，容器应考虑进行致密性试验：
a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时；
b.对真空有较严格要求时；
如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。
②致密性试验方法有：气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等
2、壳体的材质
壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。
C搪玻璃反应釜性能如下：
①耐腐蚀性：能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；PH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。
②耐热性：允许在- 30～+240℃范围内使用
釜式反应器的壳体结构包括：
筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。
1、釜式反应器的筒体
作用：主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。
A筒体一般按外压容器考虑。
原因（1）、搅拌釜通常适用于低压或常压反应
（2）、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源
二、化学反应器的分类
化工反应过程之釜式反应器
釜式反应器的搅拌装置
搅拌器的作用，通过搅拌达到物料的充分混合，增强 物料分子碰撞，强化反应器内物料的传质传热
搅 拌 器 类 型
搅拌器的选型主要根据物料性质、搅拌目的 及各种搅拌器的性能特征来进行
釜式反应器的搅拌装置
挡板：一般是指固定在反应釜内壁上的长条
挡 形板挡板。它可把切线流转变为轴向流和径 板 向流，增大了液体的湍动程度，从而改善了
多个连续操作釜式反应器的串联
FA0
FA1
C A0
CA1
1
FA2
CA2
2
FAi1
C Ai 1
FAi
CAi
i
FAN 1 CiN 1
FAN
CiN N
任一釜物料衡算 FA(i1)dt FAidt (rA )iVRidt 0
VR i
FA0
(x Ai x A(i1) ) (rA )i
c A0 V0
(x Ai x A(i1) ) (rA )i
V0 c p (T T0 ) KA(T TW ) VR (rA )(H r )
连续操作釜式反应器的热稳定性
热稳定性判断：
放热速率： QR VR (rA )(H r ) 恒容一级不可逆反应：
QR
V0cA0 (H r )k0 exp( E RT) 1 k0 exp( E RT)
移热速率： QC V0 c p (T T0 ) KA(T TW )
热稳定条件： Qc QR
dqr dqg dT dT
连续操作釜式反应器的热稳定性
操作参数的影响：
着火点和熄火点
定态温度会随着操作条件的改变而改变。 放热反应可能有多定态；吸热反应：定态唯一。
项目四、釜式反应器的技能训练
工业化学反应过程及反应器
浓度效应可用幂级数的形式表示： aA bB sS
(c)
cA
c
B
对于基元反应，化学方程式中的计量系数就是反应速率式中 各浓度项的指数。
注意：反应级数的高低不能独立预示反应速率的大小，但反 映了反应速率对浓度的敏感程度。
第12页/共54页
简单反应和复杂反应
简单反应：反应过程只需用一个化学计量方程式和一个速率 方程表示的化学反应。 复杂反应：反应速率需要用两个或两个以上的速率方程式来 表示。如平行反应、连串反应等。
随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同
连的续。系因统此中，反对应连速续率系可统以，表物示系为中单各位参反应数体是积空中间某位一置反的应函物 或数产。物的摩尔流量的变化。即：
ri
dqn,i dVR
[mol /(m3 s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积； 对于气-固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。
t nA0
系统中进行而不同。
1. 间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达 到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。 若搅拌系统效果良好，则反应物系的组成，温度，压力等参 数在每一瞬间都是一致的，但随反应的进行，其值随时间而 变，故独立变量为时间。
在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位反 应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量。即：
但 cA0 xA cB0 xB
rA
dcA dt
kcA cB
k(cA0 cA0 xA )(cB0 cB0 xB )
kcA0 (1 xA )(cB0 cA0 xA )
令 cB0 / cA0 M
rA
cA0
工业化学反应过程.ppt
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反
化学反应器的工作原理
化学反应器的工作原理化学反应器是一种用于进行化学反应的装置，是化学工业中最常见的设备之一。
它的工作原理就是利用各种物理、化学和工程学原理，将不同的化学物质放入反应器中，加热、搅拌、压缩或引入催化剂等方式进行反应，最终得到所需产品。
化学反应器广泛应用于制药、食品、石油、化工、环保等领域。
1. 反应器的结构和分类反应器通常由反应容器、传热和传质设备、搅拌器、测量控制设备、气体处理元件和底部排放元件等构成。
根据反应物质状态和反应方式不同，反应器可以分为气液相反应器、液固相反应器、气固相反应器和多相反应器等。
气液相反应器，又称为搅拌式液体相反应器，是最常见的一种反应器。
它的工作原理是将气体反应物和液体反应物混合，通过搅拌或喷淋等方式保证反应物体系均匀混合，并且加入一定的反应催化剂，将其加热到反应所需的温度，使得反应能够发生。
液固相反应器常用于超声波辅助、微波加热或离子交换等过程中。
2. 反应器常用的传热和传质设备在反应器中，传热和传质设备对于反应过程至关重要。
传热通常是通过传热面积、传热系数、传热节律等因素来控制的。
常用的传热设备有夹套和内管，同时也可以选择卷管或反应器外部附加换热器等形式增加传热面积，使得反应体系中的温度变化更均匀。
传质的实现与传热相似，常用的传质设备有吸附塔、干燥器、膜反应器等。
3. 搅拌器的作用和选择在反应器中，为了保证反应体系的均匀和稳定，通常会使用搅拌器。
搅拌器的作用是使反应物体系均匀混合，促进反应发生。
根据不同的反应条件和要求，可以选择不同类型和形状的搅拌器。
常用的搅拌器类型有框式刮板、框式流动和螺旋刮板等。
4. 底部排放元件的作用底部排放元件通常用于处理反应产生的物质，包括溶液的排放、固体的过滤或分离、气体的吸收等。
对于其中的流体，可以选择使用潜水搅拌器或压缩横流等方式实现排放。
同时，也可以采用筛鼓离心、滤布等排放固体产物。
5. 反应器控制系统反应器控制系统对于反应器的运转稳定性和反应的关键性指标有着非常重要的作用。
工业反应过程
空间混合的程度越高，物质在空间的传递越快， 流体的对流传热越好，反应器内各位置的浓度、 温度的差异越小。 返混的程度越大，产物对反应物的冲稀作用越 显著，因而显著地降低了反应物浓度。 一般来说，返混是一个有害的因素，因为它改 变了反应器内的浓度分布，造成停留时间分布， 影响了反应器的生产能力。 对某些复杂反应，返混可使选择性提高。 返混是连续操作反应器中存在的一个重要的工 程因素，它不仅对反应过程产生影响，而且给 反应器的放大设计带来很大的困难。因此必须 充分考虑这个因素的影响。
第六章
工业化学反应过程及反应器
6.1概述 6.2理想反应器的计算 6.3理想反应器的评比与选择 6.4非理想流动 6.5气固相催化反应器
1、工业化学反应过程的特征
工业化学反应过程与实验室化学反
应的区别: 实验室中所遇到的化学反应基 本上都属于或近似可看作理想条件 下的反应过程,一个化学反应在实验 室或小规模进行时，可以达到相对 比较高的转化率或产率，但在大规 模的工业反应器中进行、维持相同 反应条件时，所得转化率却往往低 于实验室结果。
（3）反应器体积的比较 ①间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器 这两种反应器在构造上和物料流况上都 不相同，但它们却具有相同的反应时间 或（有效）体积计算式。 两反应器中浓度的变化相同，间歇搅拌 釜式反应器内浓度随时间改变，活塞流 反应器内的浓度则随空间位置（管长） 而改变，两者反应推动力分布一样、反 应速率相同。因此，相同生产条件下， 完成一定的任务，所需反应时间或（有 效）体积相同。
1、理想反应器的评比 （l）流动混合情况
（2）连续理想反应器的推动力比较
（3）反应器体积的比较 2、理想反应器的选择 （1）收率与选择性 （2）平行反应 （3）连串反应
化学反应过程与反应器课件
1 kt ln
1 xA
C
A0
k
t
1
xA x
A
6.3、活塞流反应器
1、活塞流反应器的结构
这种反应器的结构非常简单，一般是直 管，要求有足够大的长径比（L/d > 50）。反应物料从管的一端送入，一边 流动一边反应，从管的另一端引出时， 已达到预定的转化率。
2、管式反应器的特点
（1）活塞 流
分批(或称间歇)式操作 一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的
反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物 料的生产过程。
半分批(或称半连续)式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输
出而其余则为分批加入或卸出的操作。 连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程
2、据反应器结构分
a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式 塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）喷雾 塔；（g）固定床反应器；h）流化床反应器； （i）移动床反应器；（j）滴流床反应器
等容过程
VR
qV 0
CA0
dx xAf
A
0 rA
dC C A 0
A
CAf (rA )
与间歇反应器的公式相同
4、停留时间、反应时间、返混 的概停念留时间(τ)
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时 间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
反应时间 （t）
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的 时间；是对已经离开反应器的物料质点而言 的。
3、反应物料具有相同的停留时间。
无反 混
3. 活塞流反应器的计算：
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
化学反应过程与设备2
2）、搅拌器两方面性能
产生强大的液体循环流量 产生强烈的剪切作用
3）、选择基本原则
在消耗同等功率的条件下，低转速、大直径的叶轮， 可增大液体循环流量，同时减少液体受到的剪切作用，有 利于宏观混合。反之，高转速、小直径的叶轮，结果与此 恰恰相反。
5、搅拌装置的结构
搅拌器是实现搅拌操作 的主要部件，其主要的组成 部分是叶轮，它随旋转轴运 动将机械能施加给液体，并 促使液体运动。
物料衡算： 虽然整个过程为非定态过程，但在任一瞬间，
反应器内各处的组成是均一的。应选整个反应器 进行衡算。
普遍式划简：
微元时间内 微元时间内 微元时间反应釜 微元时间反应釜
进入反应釜 离开反应釜 内转化掉的反应 内反应物的累积
的反应物量 的反应物量 物量
涡轮式搅拌器
按照 圆盘
圆盘涡轮 搅拌器
开启涡轮 搅拌器
前者的 循环速 度低于 后者
按照 叶轮
特点 适用 范围
平直叶 搅拌器
弯曲叶 搅拌器
叶的叶 轮不易 磨损， 功率消 耗低
既产生很强的径向流，又产生较强的轴向流；能耗消耗不大 且搅拌效率较高；涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min。
适用于乳浊液、悬浮液等
涡轮式
安装在搅拌 器的上方
螺旋桨推进式
安装在搅拌 器的两边
5.2、换热装置的选择
换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之符合工艺要求 的温度条件的设备。
其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、外部循环式、 回流冷凝式等，也可用直接火焰或电感加热。
1）、夹套式
夹套是套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器，既 简单又方便。
适用 范围
适用于高粘度物料的搅拌和传热。
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在化学反应工程的研究中，要求能把反应过程本身的规律和物理 因素的影响区分开来。在设计反应器时，测定化学反应的本征动 力学方程是必要的条件。
注意：在实验室中测定反应速率方程式时，要十分注意排除传 递过程（主要是传热和传质）的影响。
6.1 工业化学反应过程及反应器
教学目的： 了解化学反应工程要解决的主要问题 了解化学反应器的主要类型、结构 掌握化学反应器的操作方式和特点 掌握化学反应速率、转化率、选择性和收率的概念和应用
重点难点：化学反应器的主要类型、结构和操作特点 化学反应速率、转化率、选择性和收率的概念和应用
参考文献： 梁斌等编，化学反应工程，科学出版社。 朱炳辰主编，化学反应工程，化学工业出版社。 郭锴等编，化学反应工程，化学工业出版社。 张濂等编，化学反应工程原理，华东理工大学出版社。
1、反应动力学--研究化学反应的速率和反应机理，以获得工 业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、 速率方程及反应活化能等。 2、反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找 出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。
工业生产实践和实验室研究均表明，化学反应的结果不仅取 决于化学反应自身的规律，而且在很大程度上还取决于工业 反应器中物料的混合与流动、传质与传热等一系列带有共性 的工程技术问题，这被称为反应器的传递特性。
浓度效应可用幂级数的形式表示： aA bB sS
连续操作：原料不断加入，产物不断引出，反应器 内物系参数均不随时间变化。
半连续（或半间歇）：兼有以上两种过程的特点，情 况比较复杂。
四、化学反应速率概念
化学反应速率：单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反 应量或产物的生成量。其表示方法因反应在间歇或连续系统中 进行而不同。
1. 间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达 到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。 若搅拌系统效果良好，则反应物系的组成，温度，压力等参 数在每一瞬间都是一致的，但随反应的进行，其值随时间而 变，故独立变量为时间。
一、化学反应工程概述
图1 典型的化学加工过程 化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心-工业反应过程。
化学反应工程是一门研究在生产装置(反应器)中进行化学反 应的工程学科，它把反应的化学特性和反应器的传递特性结 合起来，形成了化学工程学科的一个重要分支。 研究内容包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计 分析。
三、化学反应的分类
均相反应与非均相反应：
均相反应：反应仅在单一的相内发生。均相反应的速率取 决于反应物的温度和浓度。
非均相反应：至少需要两个相的存在，反应在两个相的界 面上发生。非均相体系的化学反应速率与两相之间的接触 情况有关。
反应器的操作方式：
间歇操作：一次性投料，卸料。反应物系参数（浓 度或组成等）随时间变化。
连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物 或产物的摩尔流量的变化。即：
ri
dqn,i dVR
[mol /(m3 s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积； 对于气-固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。
四、反应速率（动力学）方程式
影响化学反应速率的因素很多，温度、浓度和催化剂等是最 主要的影响因素。反应速率方程式（或称动力学方程式）定 量地描述了反应速率与温度及浓度等影响因素的关系。 由于温度和浓度对反应速率的影响最直接，常将反应速率表 示为温度和浓度的函数：
用转化率表示反应速率：
rA
1 V
Hale Waihona Puke nA dt1 VnA0dxA dt
一个化学反应如有两种或两种以上的反应物，不同的反应 物的转化率是不等的。
一般常选用限制组分（着眼组分）的转化率进行计算。
化学反应速率
2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动 状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统中 的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而变 化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，对连 续系统，物系中各参数是空间位置的函数。
二、化学反应器的类型
种类 管式反应器 釜式反应器
塔式 (填料塔板式塔)
固定床
流化床
移动床
滴流床
特点
长度远大于管径,内部没有任何构件
高度与直径比约为2-3内设搅拌装置
高度远大于直径，内部设有填料、塔板 等以提高相互接触面积 底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗 粒可以是催化剂或是反应物 反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬 浮和循环运动，提高反应器内液体的混 合性能 固体颗粒自上而下作定向移动与反应流 体逆向接触
在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位反 应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量。即：
ri
1 V
dni dt
[mol /(m3 s)]
转化率：组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA，0之比。
xA
nA0 nA nA0
nA nA0
nA nA0 (1 xA )
当反应体积不变时： C A C A0 (1 xA )
r f (T ) (C )
f (T ) 反应速率的温度效应; (c) 反应速率的浓度效应.
目前主要使用实验的方法来确定化学反应的速率方程式。
反应速率方程式
温度效应f（T）常表示为反应速率常数k：
k Aexp E RT Arrhenius经验方程
A： 指前因子或频率因子，其单位与反应速率常数相同； E： 化学反应的活化能，J/mol； R： 气体常数，8.314J/(mol.K)
是固定反应器的一种，但反应物还包括 气液两种
应用范围 多用于均相反应过
程 均相、多相反应过 程均可
用于多相反应过程
用于多相反应系统
多相反应体系，可 以提高传热速率
用于多相体系，催 化剂可以连续再生 属于固定床的一种， 用于使用固体催化 剂的气液反应过程
（a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式塔；（d）填料塔；（e） 鼓泡塔；（f）喷雾塔；（g）固定床反应器；（h）流化床反应器；（i） 移动床反应器；（j）滴流床反应器