反应器的操作与选型

固定床反应器
气液相反应器
四、物料流动形式
理想流动
简单混合 返混
非理想流动
（一）理想流动模型
• •
平推流模型（活塞流、理想置换模型） 平推流模型（活塞流、理想置换模型） 全混流模型（理想混合模型） 全混流模型（
平推流模型 • 定义：它假设进入反应器物料齐头并进，向前运 定义：它假设进入反应器物料齐头并进， 动，无返混。 无返混。 • 特点：沿流动方向上，温度、浓度、反应速率等 特点：沿流动方向上，温度、浓度、 参数随位置而变；与流动方向垂直某一截面上， 参数随位置而变；与流动方向垂直某一截面上， 温度、浓度、反应速率等参数不随时间而变。 温度、浓度、反应速率等参数不随时间而变。所 有物料粒子在反应器中的停留时间都相同， 有物料粒子在反应器中的停留时间都相同，属稳 定流动过程。 定流动过程。
三、工业反应器的分类 （一）化学反应的分类
1、按反应特性分
反应机理 （１）简单反应（２）复杂反应（平行、连串、平行—— 简单反应（ 复杂反应（平行、连串、平行 连串反应） 连串反应） 反应可逆性 反应分子数 反应级数 （１）可逆反应（２）不可逆反应 可逆反应（ （１）单分子反应（２）双分子反应（３）三分子反应 单分子反应（ 双分子反应（ （１）零级反应（２）一级反应（３）二级反应（４）三 零级反应（ 一级反应（ 二级反应（ 级反应（ 级反应（５）分数级反应 反应热效应 （１）放热反应（２）吸热反应 放热反应（
2、按反应系统中相的类别和数目分
均相 （单相） 单相） 非均相 （多相） 多相） 催化反应 非催化反应 催化反应 非催化反应 （１）液液相反应（２）气液相反应 液液相反应（ （３）液固相反应（４）气固相反应 液固相反应（ （５）固固相反应（６）气液固三相反应 固固相反应（ （１）气相反应（２）液相反应 气相反应（
教学辅助材料——多媒体课件 教学辅助材料——多媒体课件
《反应器的
操作与选型》 选型》
• 任务1-1 任务1
认识工业反应器的 类型 及 特点
一、任务引出
电解食盐水原理
实验室： 实验室：
工业上与实验 室异同点？ 室异同点？
图1-2 隔膜法食盐水电解工艺流程
怎样实现反应过程的放大 ？？？
讨论： 讨论： 1、装置不同 2、反应环境不同 3、设备材质不同 4、工业上的反应装置（反应器）有哪 工业上的反应装置（反应器） 些？各适合什么情况？———任务 各适合什么情况？———任务
变化；适合大规模生产 变化；
（3）半间歇、半连续 半间歇、
（二）工业反应器的分类
型式 间歇釜式 连续釜式 管式 鼓泡塔 填料塔 板式塔 喷雾塔 固定床 流化床 适用反应 液相、液—液、 液—固相 液相、液—液相 气相、液相 气—液相，气— 液—固相 液相、气—液相 气—液相 气—液相快速反 应 气—固相 优缺点 适用性大，操作弹性大，温度、浓度易控制，产品质量均一 结构简单，返混程度与高/径比及搅拌有关，轴向温差大 返混小，反应器容积小，比传热面大 气相返混小，液相返混大，温度较易调节，气体压降大，流速有限 制 结构简单，返混小，压降小，有温差，填料装卸麻烦 逆流接触，气液返混均小，流速有限制，如需传热，常另加传热面 结构简单，液体表面积大，停留时间受塔高限制，气流速度有限制 返混小，催化剂用量少，不易磨损，装卸麻烦，传热控温不易
三、制定任务完成计划和步骤
目的
提示学生完成该设计任务制定工作计划所应 包括的大致范围，学生独立完成工作计划的制定。 包括的大致范围，学生独立完成工作计划的制定。
• 讨论授课大纲 • 搜集相关知识点的信息 • 讨论知识点内容 • 授课材料整理
四、任务实施前准备工作 搜集相关信息 讨论有疑问知识点 形成授课大纲 制定授课材料（ppt or word） word） 制定授课材料（ 准备授课语言
工业规模的 化学反应过程
化学过程 分解 物理过程 化学反应本身的特性 简化 浓度对反应速率的影响 温度对反应速率的影响 动力学方程 建立数学模型 物料衡算方程 热量衡算方程
动力学方程
定量描述反应速率与影响反应速率之间的关系式称为 定量描述反应速率与影响反应速率之间的关系式称为 反应速率与影响反应速率之间的关系式 化学动力学方程。影响反应速率的因素有反应温度、组成、 化学动力学方程。影响反应速率的因素有反应温度、组成、 压力、溶剂的性质、催化剂的性质等。 压力、溶剂的性质、催化剂的性质等。
二、任务分析——进入工业生产大环境 任务分析——进入工业生产大环境
• 情境设计：Y2化工有限公司
• • • • 指导教师：该公司人事培训处的负责人 学生：该部门负责具体培训的师傅 学习小组：培训部门下设的培训教研室 小组组长：教研室主任
• 本次任务：各教研室负责完成工业反应器的有关 培训任务。 —制定授课方案及完成授课过程。
反应器中的过程分解为化学过程、传递过 反应器中的过程分解为化学过程、 程（质量传递、热量传递），然后合理简化 质量传递、热量传递），然后合理简化 ）， 注意： 注意：此处的简化不是数学方程中某些项的 增减，而是对研究对象本身的某种简化。 增减，而是对研究对象本身的某种简化。
反应设备中过程的数学模型法
中 试 装 置
工 业 化 生 产 装 置
石 化 企 业 过 程
2、过程的放大方法 ① 经验法 ② 相似模拟法 ③ 部分解析法 ④ 数学模拟放大法
数学模型法的使用
明确任务→建立数学模型→ 明确任务→建立数学模型→解算数学模 ↓ 修改 检验数学模型 ↓ 实际应用
数学模型法的基本特征
过程的分解和过程的简化
排污
原料的预处理
化学反应过程
产品的提纯和精制
过程！ 过程！
产品生产 工艺流程 若干单元操作和单元设备 组成的整体
东营亚通的过程
1、过程开发步骤： ①实验室的试验研究： 实验室的试验研究： ②预设计及评价： 预设计及评价： ③中间厂试验： 中间厂试验： ④工业装置的设计及评价： 工业装置的设计及评价： ⑤工业化生产与大型化： 工业化生产与大型化：
授课内容包括： 授课内容包括： （1）查阅从实验室的小装置放大到工业规模的
大型装置的案例：均相反应器、固定床反应器、 大型装置的案例：均相反应器、固定床反应器、 流化床反应器、气液相反应器。 流化床反应器、气液相反应器。 （2）每种反应器的特点及加料方式。 每种反应器的特点及加料方式。 （3）反应过程的放大步骤及方法
认识 工业反应器的 工业反应器的
类型及 类型及特点
一、工业反应器和实验室反应装置的异同点 大小不同 原料、产品的输送方式不同 原料、 物料在两种反应器中的流动型式不同 物料在两种反应器中的反应状态不同
实 验 室 装 置
工业化装置
二、过程放大
原料 净化 反应 分பைடு நூலகம் 粗 制 品 精制 产品
副产品
热量衡算方程
能量守恒定律， 依据能量守恒定律 列出任一个组分物料衡算式。 依据能量守恒定律，列出任一个组分物料衡算式。 微元时间、微元体积内： 微元时间、微元体积内： 组分Ａ 组分Ａ ［进入反应器热量速率］—［排出反应器热量速率］ 进入反应器热量速率］ ［排出反应器热量速率］ —［化学反应吸收热量速率］ ［化学反应吸收热量速率］ —［向环境散失热量速率］ ［向环境散失热量速率］ ＝［反应器内热量积累速率］ ＝［反应器内热量积累速率］ 反应器内热量积累速率
（二）非理想流动
• 不能完全满足理想流动模型时，即为非理 不能完全满足理想流动模型时， 想流动过程 （实际反应器） 实际反应器）
THANK YOU！
五、任务实施和检查
♪ 授课演示和点评
各小组随机抽一名代表进行授课演示汇报 本组内其他成员可在演示结束后做补充
六、任务评价及讨论
• 现场提问（学生、指导教师） 现场提问（学生、指导教师） • 现场解答（本组成员） 现场解答（本组成员） • 同学点评 • 指导教师点评 • 指导教师做内容补充
附：授课课件实例
全混流模型 • 定义：假定进入反应器物料瞬间混合均匀。 定义：假定进入反应器物料瞬间混合均匀。 • 特点：反应器内温度、浓度、反应速率等参数处 特点：反应器内温度、浓度、 处均匀一致，且等于物料出口处的温度、浓度。 处均匀一致，且等于物料出口处的温度、浓度。 • 注意：在间歇反应器中物料粒子的停留时间相同； 注意：在间歇反应器中物料粒子的停留时间相同； 在连续反应器中物料粒子的停留时间可能不同， 在连续反应器中物料粒子的停留时间可能不同， 即存在反混（又称逆向混合）。 即存在反混（又称逆向混合）。
气—固相，特别 传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大，磨损大，返混大， 对转化率不利，操作条件限制大 是催化剂失活很 快的反应 气—液—固相 气—液—固相 催化剂带出少，分离易，气液分不要均匀，温度调节困难 固体返混小，固气比可变性大，床内温差大，调节困难
滴流床 移动床
釜式反应器
管式反应器
不同物料加料方式的特点
（1）间歇 非定态过程；基本特征：物系参数随时间变化；反 非定态过程；基本特征：物系参数随时间变化；
应过程中无物料进出；多用于釜式反应器；可视为恒容过程； 应过程中无物料进出；多用于釜式反应器；可视为恒容过程； 适合小批量生产
（2）连续
定态过程；物系参数一般不随时间变化， 定态过程；物系参数一般不随时间变化，但随位置
一个新过程能否在工业规模上实现、它的开发期限多长 一个新过程能否在工业规模上实现、 以及所达到的水平如何， 在技术方面的决定因素有： 以及所达到的水平如何， 在技术方面的决定因素有：
（1）是否有足够有效的催化剂 ？ （2）放大技术、特别是反应过程的放大技术水平如何？ 放大技术、特别是反应过程的放大技术水平如何？ （3）有无能够满足特殊性能要求（如耐高温、高压、抗腐蚀等等） 有无能够满足特殊性能要求（如耐高温、高压、抗腐蚀等等） （4）能否设计和制造相应的高精度或大容量的机器和设备？ 能否设计和制造相应的高精度或大容量的机器和设备？ （5）计量和自动控制的技术水平如何？ 计量和自动控制的技术水平如何？
3、按反应过程进行的条件分
操作温度 操作压力 操作方式（ 操作方式（加 操作方式 （１）等温反应（２）绝热反应（３）非绝热变温反应 等温反应（ 绝热反应（ （１）常压反应（２）加压反应（３）减压反应 常压反应（ 加压反应（
间歇式（ 连续式（ 半连续式（ 操作方式 （１）间歇式（２）连续式（３）半连续式（或称为半 加料方式） 间歇式） （加料方式） 间歇式） 料方式） 料方式）
物料衡算方程
依据质量守恒定律，列出任一个组分物料衡算式。 依据质量守恒定律，列出任一个组分物料衡算式。微 质量守恒定律 元时间、微元体积内，某组分： 元时间、微元体积内，某组分： ［进入反应器速率］－［排出反应器速率］ 进入反应器速率］－［排出反应器速率］ ］－［排出反应器速率 －［反应消耗速率］ －［反应消耗速率］ 反应消耗速率 ＝［反应器内积累速率］ ＝［反应器内积累速率］ 反应器内积累速率
3、反应技术
以反应器为中心的直接有关部分的技术情况。 以反应器为中心的直接有关部分的技术情况。主要指
（1）反应器型式的选择； 反应器型式的选择； （2）反应条件的确定和保证这些条件的技术措施； 反应条件的确定和保证这些条件的技术措施； （3）反应器工艺尺寸及结构的确定； 反应器工艺尺寸及结构的确定； （4）反应装置的最优化。 反应装置的最优化。