反应器的操作与选型
反应器(化工设备操作维护课件)
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2023/10/13
表 釜式反应器常见故障与处理方法
故障 搅拌轴转数降 低或停止转动
搪瓷搅拌器脱 落 出料不畅
产生原因 皮带打滑 皮带损坏 电机故障 被介质腐蚀
出料管堵塞 压料管损坏
处理方法
调整皮带 更换皮带 修理或更换电机 更换搪瓷轴或修 补 清理出料管 修理或更换配管
2、特点：反应过程伴有传热、传质和反应物的流动过程。 物理与化学过程相互渗透影响，反应过程复杂化。
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§1-2 反应器的类型
• 反应器的类型： 釜式反应器 管式反应器
操作方式 材料 操作压力 绝热管式
换热管式
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b. 机械密封
机械密封 结构较复 杂，但密 封效果甚 佳。
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4、换热装置
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 环式等，也可用回流冷凝式、直接火焰或电感加热。
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第六章 反应器
第二节 釜式反应器
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§2-1 反应釜基本结构
（一）基本结构：
壳体 密封装置 换热装置 传动装置
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1、搅拌釜式反应器的壳体结构
壳体结构：一般为碳钢材 料，筒体皆为圆筒型。釜 式反应器壳体部分的结构 包括筒体、底、盖（或称 封头）、手孔或人孔、视 镜、安全装置及各种工艺 接管口等。
反应器选型与设计完结版
反应器选型与设计完结版
一、引言
反应器是化工加工中的重要设备，它在化学反应的过程中起着导向作用，有效地控制反应过程的进程、反应条件、反应热的产生与排除等，是
控制化学反应的重要设备。
二、反应器选型
1、根据反应物的特性：要选择最适合反应物的反应器，在有毒、易
挥发、易爆炸、有腐蚀性的反应物情况下，必须选择耐腐蚀、耐高温、不
易爆炸的反应器结构材料。
2、根据反应产物的特性：需要根据反应产物的性质，比如油，需要
选择排油口和排液口设备，或者选择水冷却反应器来降低温度；而对于反
应产物较稠的液体，则需要搭配搅拌机和负压反应器等特殊设备进行反应。
三、反应器设计
1、基本原则：反应器的设计是根据反应特性以及其他工艺运行参数
而定，要求反应器的容量设计得适当，尽量减少污染；反应过程要安全可靠；反应器结构材料要满足材料寿命和安全要求；反应器的运行参数要符
合反应要求。
2、常用反应器设备：常见的反应器设备有热气流反应器、攪拌式反
应器、膜式反应器、萃取反应器、反应罐、多反应器系统等。
3、设备设计依据：反应器设备要求反应物的比例、反应温度、反应
时间、反应产物的性质和量。
釜式反应器选择与操作
• 图1一1是一种典型的釜式反应器，它由钢板卷焊制成圆筒体，再焊接 上由钢板压制的标准釜底，并配上釜盖、夹套、搅拌器等部件。由图 可见其结构主要由以下几部分组成:壳体结构、搅拌装置、密封装置 和换热装置。
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任务1 釜式反应器的选择
• 1.釜式反应器壳体结构 • (1)罐体。 • 釜式反应器的壳体结构包括筒体、底、盖(或称封头)、手孔或入孔、
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任务1 釜式反应器的选择
• (7)反应釜支架。 • 反应釜支架有两种:悬吊式支架和支承式支架。悬吊式支架是可以将
反应釜固定在操作平台上，而支承式支架则是安放在地面上，如图1 一10所示。 • 2.釜式反应器的搅拌装置 • (1)搅拌器的形式及结构。 • 精细化学工艺的许多过程都是在有搅拌装置的釜式反应器中实现的。 搅拌的目的是: • ①使互溶的两种或两种以上液体混合均匀。 • ②形成乳浊液或悬浮液。 • ③促进化学反应和加速物理变化过程，如促进溶解、吸收、吸附、萃 取、传热等过程。一也能刮除沉积在器壁上的附着物，提高传热效率。
• ②活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度 的敏感程度。E越大，温度对反应速率的影响越大。除了个别的反应 外，一般反应速率均随温度的上升而加快。E越大，反应速率随温度 的上升而增加得越快。
• ③对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度 随着温度的升高而降低。
• 在均相反应系统中如只进行如下不可逆化学反应:
• 1.均相反应速率 • 化学反应速率是指单位时间、单位体积的物料数量的变化量。物料指
反应物或产物。因此，均相反应速率定义式为:
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任务1 釜式反应器的选择
反应工程第二版 第二章复合反应与反应器选型
FA2 FA0 1 xA2 V2 V0 1 A xA2
• 可以推导出：
xA1
1
xA2
23
• 平推流反应器设计方程中，转化率的基
准应当与反应器入口处体积流量及这一
体积流量下转化率为0时的A组分的摩尔
流率对应：
VR
FA0
dx xA 2
A
r xA1
A
• 式中，F’A0是一个虚拟的值，它由两部分 组成，新鲜进料FA0和循环回来的物流V3 中当转化率为0时应当具有的A的摩尔流
• 可由： dVR FA0 0
d
dx xAf
A
• •
得到：
1 rA
xAir xAiA来自xAf xAi• 它表示最佳循环比应使反应器进口物料
的反应速率的倒数等于反应器内反应速
率倒数的平均值。如图所示。图中KL代
表反应器进口的值，PQ代表整个反应器
的平均值。
33
34
反应器组合
• 为了使得反应器组的总体积最小，设计 这样一组反应器，在这组反应器中，反 应大部分控制在最高速率点或接近最高 速率点处进行。为此，可使用一个全混 釜式反应器，它可以不必经过较低反应 速率的中间组成，而直接控制在最高速 率组成下操作。然后再由平推流反应器 完成最终反应
6
• 对于平推流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
P
1
k
cn 1 A0
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
• 对于全混流反应器，在恒温下进行，其
•
设计式为：
m
xA
k
cn 1 A0
1
1
A xA xA
n
2-巯基苯并噻唑反应器的选型、设计与
四、从VX03中向反应器RX01中进料 1、打开反应器RX01放空阀V12 2、打开进料泵PUMP1的前阀V10 3、打开进料泵PUMP1 4、打开进料泵PUMP1的后阀V11，向RX01 中进料（Na2Sn） 5、进料完毕（LI103为0.09m），关闭 PUMP1泵的后阀V11 6、停进料关泵PUMP1 7、关闭进料泵前阀V10 五、从VX01中向反应器RX01中进料（CS2） 1、检查放空阀V2开放 2、打开进料阀V4向RX01中进料 3、待进料完毕（LI101为0.00m），关闭V4 六、从VX02中向反应器RX01中进料 （ C6H4CLNO2） 1、检查放空阀V6开放 2、打开进料阀V8向RX01中进料 3、待进料完毕（LI102为0.00m）关闭V8 4、进料完毕后关闭放空阀V12
冷热源的选择
冷源：冷却水 反应温度达110~130℃，冷冻盐水冷却效果较好且 工业上应用比较广泛。
选择：压料 因为使用位差出料会使很多的产品留在釜 的内壁，上出料对于操作要求较高，出料 时通入增压蒸汽。出料时应该要注意不要 弄到皮肤上，因为该品低毒，对皮肤和粘 膜有刺激作用。
安全措施
பைடு நூலகம்
十、出料准备 1、打开放空阀V12 5~10s，放出可燃气体 2、关闭放空阀V12 3、打开阀门V13和v15，通入 增压气体 4、打开蒸汽出料预热阀V14，片刻后关闭 V14 十一、出料 1、打开出料阀V16 2、出料完毕（LI104为0.00m）， 保持吹 扫10s，关闭V16 3、关闭蒸汽阀V15和V13
釜式反应器温度自动控制
TT
隔套
TT
调节阀
2复合反应与反应器选型
m CAm 1 CA0 i 1 1 k i
VR1 VR 2 ... VRN
c A0 (1 k i ) N
c AN
2级反应
2
(rA ) kcA
i
c Ai1 c Ai kc Ai
2
k i c Ai c Ai c Ai1 0
2
c Ai
当反应温度相同，流量、初始浓度及各反应器体 积相同，进行一级不可逆反应，考察出口浓度。 则每只PFR出口浓度即为混合后的出口浓度：
CAf
VR CA0exp(k ) CA0exp(2k ) V0 / 2
2）全混流反应器的并联操作 达到相同转化率时，使反应器体积最小.与PFR一样，必须使：
VR VR1 VR 2
V0 V01 V02
VRi V0i c A0 (
xA
0
dxA )i0 (rA )
VR V01c A0 (
xA
0
x A dx dx A A )1 (V0 V01 )c A0 ( )2 0 (r ) (rA ) A
如果反应温度相同，使反应体积最小（极值）：
[学习重点与难点]
复合反应用理想反应器和操作方法的评选。
间歇反应器
无返混
平推流反应器 全混流反应器 返混达到极大程度
反应器的选型 根据不同反应的特性，选择适合这种反应类型的操作方式。 正级数简单反应： 反应器体积相同时，PFR转化率更高；
出口转化率相同时， PFR反应器体积更小。
1 1 4k i c Ai1 2k i
例：P45例2-1
某厂生产醇酸树脂是使用己二酸和己二醇以等摩尔比在 70℃下，用间歇釜以硫酸为催化剂进行缩聚反应而生产的， 实验测得反应动力学方程为：
chap2复合反应与反应器选型
xA2 xA1
dxA (rA )
FA0 (1
)
xA2 dxA
1
xA2
(rA )
V0cA0 (1
)
xA2
1
xA2
dxA (rA )
21
讨论
(1) 0,
VR FA0
xA2 dxA , 0 (rA)
PFR
(2) ,
x A1
1
xA2
x A2 ,
微分反应器，整体上为CSTR
(3) 0 , 非理想反应器
k2 cA0
cP0 t
ln
cA0 cA
ln
k1 k2cP k1 k2cP0
25
反应物浓度多大时可以获得最快的反应速率？
根据求极值原理，将动力学方程式积分结果
对cA求导得
rA k1cA k2cAcA0 cP0 cA
cA
cA
cA op
k1
k2 cA0
2k2
cP0
此时的反应速率可由cA op 求得
10
2.1.2 理想流动反应器组合
2.1.2.1 理想流动反应器的串联操作
1 PFR串联操作
提高反应转化率 示意图
FA0,cA0, V0,xA0
1 xA1
2 xA2
3
xAN
N
单个反应器：
VRi i xAi dxA
FA0 cA0
r xAi1
A
N个反应器串联： VR
FA0
28
（2）循环反应器
循环反应器可以表现出介于平推流反应器和全混 流反应器之间的性能，对于自催化反应，循环反应 器或许更加适合。由循环反应器计算公式：
基础设计方程VR VR 1＋
反应器选型与操作方式
xA
1
k
e
1
opt
max
CP,max CA0
[( k2
1 )1 2
1]2
k1
xA
k 1
1k1
opt
opt
转化率较高时
转化率中等时
0
xAf xA
CSTR PFR
∴ PFR 比CSTR优
0
xAf xA
CSTR PFR
∴ PFR 与CSTR相当
Chemical Reaction Engineering 自催化反应的操作优化：
7.4平行反应的优化
Chemical Reaction Engineering
•平行反应的浓度效应 浓度升高有利于级数高的反应
•优化目标：CPf 或Φ
C CAf
Pf PFR
CA0
dCA
CPf CSTR f (CA0 CAf )
Chemical Reaction Engineering
β
β
n1 n2
f
n1 n2
f
CAf
CA0
CSTR比PFR优
CAf
CA0
PFR比CSTR优
Chemical Reaction Engineering
β 如图：问产物浓度最大 时的反应器组合形式？ 答：PFR+CSTR+PFR
组合示意图： CA0
CAf
CA0
CAf
平行反应的加料方式 间歇操作:
Chemical Reaction Engineering
•连续操作
Chemical Reaction Engineering
Chemical Reaction Engineering
反应器的选型
反应器的选型反应器是化学工程中不可或缺的重要设备，是化学反应过程中完成反应的主体，直接关系到工艺的效率和成本等问题。
选型合适的反应器对于工艺的成功实施具有至关重要的作用。
选型原则选型反应器的目的是为了满足化学反应的需求，使得反应过程更为充分、稳定和安全。
在选型时应该考虑以下几个方面：反应类型和物理性质反应类型和物理性质是基本的影响反应器选择的方面。
比如反应的温度、压力和化学制品、催化剂等的物理性质。
不同的反应类型需要不同的反应器，比如液相、气相和固相反应等。
体积和热传递反应体积和热传递也是选型反应器时需要考虑的因素。
不同的反应需要的反应器体积大小不同，而反应的体积大小又直接关系到反应速率和转化率等问题。
同时，热传递也是一个非常重要的因素，在高温反应时，需要选择耐高温的材料，并且需要对反应器进行高效的加热或冷却。
填料和流动方式填料和流动方式也是选型反应器所需考虑的因素。
填料可以增加反应器的反应面积，从而提高反应效率。
而流动方式可以改变反应器内部液体的流动状态，从而提高反应物的混合程度。
安全性反应器的安全性同样需要考虑。
反应器需要保证稳定运行，在工艺参数的控制下，消除任何可能发生事故的风险，减小安全事故的发生频率和严重程度。
常见反应器类型不同的反应需要对应不同的反应器类型。
以下是常见的反应器类型：管式反应器管式反应器是一种流下式反应器，其结构简单，操作方便。
通常使用于高温高压反应，能够保证反应均匀性和控制能力。
搅拌式反应器搅拌式反应器是一种混合反应器，可以对反应物进行充分混合，增加反应面积，提高反应速率。
固定床反应器固定床反应器是一种固态反应器，采用催化剂固定在反应器内，通过反应物的流动让反应物经过催化剂表面进行反应。
流化床反应器流化床反应器是一种流态反应器，可以实现反应物的充分混合，提高混合程度。
小结反应器选型是化学工程中比较重要的一步，合理的反应器选择可以使得反应效率更高、成本更低、安全性更高。
反应器选型与设计
反应器选型与设计一、反应器类型反应器设备种类很多，按结构型式分，大致可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。
1.1釜式反应器：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。
物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。
应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。
优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。
缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。
绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。
1.2 管式反应器①由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。
②管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。
③由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。
④管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。
⑤和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。
⑥管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。
用于加压反应尤为合适。
1.3 固定床反应器固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。
②催化剂机械损耗小。
③结构简单。
固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。
②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。
固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
1. 4 流化床反应器（1）流化床反应器的优点①由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。
第七章反应器选型与操作方式
代入，可求得VR1＝5.390m3 VR2＝5.487m3 故反应总体积为VR＝10.88m3
例题中五种反应器体积比较
• BSTR：
• PFR：
VR＝12.68m3
VR＝8.227m3
• CSTR：
VR＝14.68m3
• CSTR+CSTR（相等体积）: VR＝12.07m3 • CSTR+CSTR（最优体积）: VR＝10.88m3
0.8 min 0.8 min
VR 96 L VR 96 L
[5-5]在CSTR中进行液相反应
A 2R ,反应器体积 V 5L
,
进口浓度 C Ao 1mol l , C Bo 0 ,实验数据如下表：
No 1 2 3
vo /( cm3 s 1 )
2 15 15
T，(oC) 13 13 84
因此，A为限制性反应物
8 10 5 C Ao 0.016 kmol / m 3 0.004 0.001 C Bo 1 10 3 0.2k mol / m 3 0.004 0.001
C Ao C A1 x A1 1 26.67 s kCA1C B1 k (1 x A1 )(C Bo C Ao x A1 )
6. 理想流动反应器的体积比较
不同的动力学结论不同，甚至截然相反。
1/rA
1/rA
1/rA
FPR
xA
CSTR
xA
CSTR CASCADE
xA
影响反应体积大小的若干重要因素：
（a）转化率：转化率越高，体积差别越大
（b）反应级数：级数越高，体积差别越大 （c）串联级数：级数越多，体积差别越小 （d）膨胀率（因子）：膨胀越大，则返混影响越大，体积 差别也就越大。
反应器
换热可在反应区进行，如通过夹套进行换热的搅拌釜，也可在反应区间进行，如级间换热的多级反应器。
操作条件
主要指反应器的操作温度和操作压力。温度是影响反应过程的敏感因素，必须选择适宜的操作温度或温度序 列，使反应过程在优化条件下进行。例如对可逆放热反应应采用先高后低的温度序列以兼顾反应速率和平衡转化 率（见化学平衡）。
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操作方式
反应器按操作方式可分为：
①间歇釜式反应器,或称间歇釜。
操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜 的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应， 实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。
选型
对于特定的反应过程，反应器的选型需综合考虑技术、经济及安全等诸方面的因素。
反应过程的基本特征决定了适宜的反应器形式。例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器 或移动床反应器。但是适宜的选型则需考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态 和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别作出概念设计，进行技术的和经济的分析以后才能确定。
除反应器的形式以外，反应锅的操作方式和加料方式也需考虑。例如,对于有串联或平行副反应的过程,分段 进料可能优于一次进料。温度序列也是反应器选型的一个重要因素。例如，对于放热的可逆反应，应采用先高后 低的温度序列，多级、级间换热式反应器可使反应器的温度序列趋于合理。反应器在过程工业生产中占有重要地 位。就全流程的建设投资和操作费用而言，反应器所占的比例未必很大。但其性能和操作的优劣却影响着前后处 理及产品的产量和质量，对原料消耗、能量消耗和产品成本也产生重要影响。因此，反应器的研究和开发工作对 于发展各种过程工业有重要的意义。
酶反应器的认知与操作—酶反应器概述
（（2）底物的物理性态 反应器的底物存在的物态, 不外乎三种；溶 液态、不溶的悬浊液态或乳浊液态、胶体态； 在物性上主要是考虑粘稠度不同, 会影响反 成器的效率。可溶性底物, 显然可以选择任 何类型的反应器；底物颗粒较粗的悬浊性底 物, 或是胶态站稠的底物, 因为底物液容易 使床层堵塞, 则不适于选用填充床反应器, 一般选用CSTR, FBR或是循环流反应器 (RCR)为宜、
表9.3-1工业上常用的三类酶反应器选择因素比较
酶反应器的特点
（1）酶反应器的特点
酶反应器是酶（生物催化剂）催化反应装 置, 酶不仅有高效专一的特性, 还有反应 条件温和、容易受各种不利因素影响造成 催化活性下降等特性, 这是在酶反应器设 计和操作时都必须重视的。具体地说, 酶 反应器与一般化学反应器相比, 有以下特 点；
（1）酶反应器对材质的要求一般不高 酶反应器一船都在常压或保持适当的正压 下运转，不需要特别耐压的构件；在接近 中性或pH大于4.小于10的条件下操作，不 需要特别耐酸碱腐蚀的材料；在较低的温 度（很少超过90℃）下反应、不需要特别 耐高温的材料。
（3）酶促反应动力学 从酶促反应速度来看, 一般的说, 搅拌型 反 应器的反应速度随搅拌速度加快而增大； 流 加型反应器的反应速度, 随流速加大而增 大 。从三种典型反应器的操作方程比较可知, 当 [S]》Km时, 三者趋同；割[S]《Km, 时, 为 了达到相同的转化率, 若选用CSTR就必 须增加用酶量, 或是在用酶量相同的条件下, 就要加大反应器的体积,
整个反应结束后一次收取产物。
（2）按反应器几何构型和结构特征 罐式反应器: 主要特征是，外形为圆柱体， 高度和直径之比（简称高径比，常用 H／D 表示）大约在l～3。 管式反应器: 与罐式相比，相对细长，长和 直径比（L／D）大于30。 塔式反应器: 外形不限于圆柱形，竖立高和 直径之比大于10。 膜式反应器: 主要特点是，反应器内部 有 各种不同类型的薄板或滤膜构成的膜件。
第七章反应器选型与操作方式
适用范围广
可用于液-液、液-固、气-液等 多种反应体系，且能适应不同 温度和压力条件。
传热效果好
通过夹套或内置换热器，可实 现良好的传热效果，有利于控 制反应温度。
搅拌效果好
搅拌装置可促进物料混合和传 质，提高反应速率和效率。
管式反应器
结构紧凑
管式反应器通常由一根或多根细长管 组成，结构紧凑，占地面积小。
04
反应器结构设计与优化
结构类型及特点分析
釜式反应器
结构简单，操作方便，适用于小规模、间歇式生产过程。传热效率 较低，搅拌器易磨损。
管式反应器
结构紧凑，传热效率高，适用于连续生产过程。但清洗和维修较为 困难。
塔式反应器
垂直安装，占地面积小，适用于气体或液体连续反应过程。但操作 压力较高，对设备材质和密封性能要求高。
利用电场、磁场等外场作用，改 变传质分子运动状态，降低传质 阻力，提高传质效率。
传热传质综合优化策略
传热传质协同优化
综合考虑传热和传质过程的影响因素，通过优化反应器结构、强化传热介质和传质界面 等措施，实现传热传质的协同优化。
多场耦合强化传热传质
利用电场、磁场、超声波等多场耦合作用，同时强化传热和传质过程，提高反应器性能 。
选型结果评价
性能指标对比
将选定的反应器与其他类型反应器进 行性能指标对比，如转化率、选择性
、收率等。
经济性分析
对选定反应器的投资成本、运行费用 等进行经济性分析，评估其经济效益
。
环保和可持续性考量
从环保和可持续性角度出发，评价选 定反应器的环保性能和可持续性。
THANKS。
说明生产规模、操作温度、压力等条件，为反应器选型提供实际约束。
反应器选型与设计
反应器选型与设计反应器的选型与设计是化工工艺设计的重要环节之一，它直接影响到反应过程的效率和经济性。
在反应器的选型与设计中，需要考虑的因素包括反应物的性质、反应条件、反应速率、反应器的尺寸与形状以及操作方式等。
本文将从这几个方面对反应器的选型与设计进行详细介绍。
首先，选型与设计需要考虑反应物的性质。
反应物的性质包括物理性质和化学性质。
物理性质包括物质的相态、密度、粘度和传热特性等，化学性质则包括反应物的稳定性、爆炸性和腐蚀性等。
对于易挥发的液体反应物，可以考虑选择密闭型反应器，以避免反应物的挥发损失；对于具有腐蚀性的反应物，需要选择耐腐蚀材料制作反应器，保证反应过程的安全性。
其次，反应器的选型与设计还需要考虑反应条件。
反应条件包括反应温度、反应压力和反应物质的浓度等。
不同的反应条件对反应器的要求也不同。
例如，在高温高压下进行的反应需要选择耐高温和耐高压的反应器。
另外，一些反应需要在惰性气氛下进行，这就需要选择可以提供惰性气体的反应器。
反应速率也是选型与设计的重要考虑因素之一、反应速率决定了反应器的尺寸和形状。
如果反应速率较快，可以选择采用较小体积的反应器，减少设备成本。
另一方面，如果反应速率较慢，需要选择较大体积的反应器，以保证足够的反应时间。
反应器的尺寸和形状也是设计中的重要考虑因素。
反应器的尺寸和形状直接影响到反应物与反应物之间的混合程度和传热性能。
一般来说，为了增加反应物之间的接触面积和提高反应效率，可以选择多相反应器或流化床反应器。
而对于速率控制的反应，可以选择浸没式反应器或分散式反应器，以增加反应物与反应催化剂之间的接触。
最后，操作方式也是反应器选型与设计的重要考虑因素之一、操作方式包括连续式反应器和批式反应器。
连续式反应器适用于大规模生产和稳定生产的需求，可以实现自动化操作和连续供料；批式反应器适用于小规模生产和实验室研究的需求，可以进行更加灵活的操作和控制。
在反应器选型与设计过程中，除了上述因素外，还需要考虑经济性和可持续性。
第七章 反应器选型与操作方式
o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a C o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 Pe o p l e s R e p u b l i c of C h i n a 第七章 反应器选型与操作方式本章以均相反应为例，阐述反应过程的浓度效应，讨论反应器选型、操作浓度与操作方式等对反应结果的影响。
7.1 概述化学反应工程研究的目的是实现工业化学反应过程的优化。
所谓优化，就是在一定的范围内，选择一组优惠的决策变量，使过程系统对于确定的目标达到最优状态。
因此，工业反应过程的优化涉及优化目标、约束条件和决策变量等内容。
化学反应过程的优化包括设计优化和操作优化两种类型。
设计优化是根据给定的生产能力，确定反应器型式、结构和适宜的尺寸及操作条件。
操作优化是指反应器的操作，必须根据各种因素的变化对操作条件作出相应的调整，使反应器处于最优条件下运转，以达到优化的目标。
设计优化是工业反应过程优化的基础。
优化目标是过程优劣的评价标准，一般表达为决策变量的函数关系，构成目标函数。
工业反应过程的经济收益是评价生产过程的主要优化目标。
在建立工业反应过程优化目标的定量关系，即优化的目标函数时，要把过程的经济目标和技术目标联系起来，再进行过程的优化计算以确定最优的反应设备和操作条件。
工业反应过程的技术目标有：反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。
釜式反应器的操作与控制—釜式反应器的工艺计算与选型
间歇釜体积计算单元任务点
0103－1（1）反应器的计算内容 总结反应器的计算包括哪些内容
0103－1（2）反应器计算的基本方程式 总结反应器计算的方法、所需的基本方程、各方程提供的关系
0103－1（3）均相反应速率 理解均相反应的含义、均相反应速率的定义及表达式
0103－1（2）反应器计算的基本方程式
总结反应器的计算方法 1、经验法 2、数学模型法
总结反应器计算的基本方程
➢ 描述浓度变化的物料衡算式 ➢ 描述温度变化的能量衡算式 ➢ 描述压力变化的动量衡算式 ➢ 描述反应速率变化的动力学方程式
总结动力学术语含义
化学反应动力学：主要研究化学反应的速率以及各种不同因素对化学反应速 率的影响。
CA CA,O
time
CA, out
0
tout/2
tout
t
总结间歇釜的应用
➢ 优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 ➢ 缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定 ➢ 应用：用于液—液相、气—液相等系统，如染料、医药、农药等小批 量多品种的行业。
精细化工产品的生产
若选用间歇操作方式的釜式反应器，每年生产1000吨乙酸丁酯（不考虑分 离等过程损失），乙酸转化率要求达到0.5，每批辅助时间为30min，反应釜只 数为1，装料系数为0.6。已知：该反应以乙酸（下标以A计）表示的动力学方
程式为 (rA ) kcA2 ，反应速率常数 k 0.0174 m3 /(kmol.min) ，反应物
k
A0
exp(
E RT
)
6、活化能E
反应器
喷射反应器研究现状及进展
喷射反应器的研究起步相对较晚，但其发展迅速，种 类越来越多，性能也不断得到完善，并越来越受到 国际学术和工程界的关注。1939年，Flugel最早提 出了可适用于描述单相物质系统中喷射反应器实验 结果的基本理论概念。Blenkel J在1985年对喷射环 路反应器作了较为全面的综述，并划分了反应器性 能的不同方面及其表征参数。随后，Dirix等对反应 器的各种性能作了大量研究，并提出不少理论模型。 Van Dierendonck从工作特性、设计放大及应用等 方面对比分析了喷射反应器和机械搅拌釜反应器， 阐明了喷射反应器的优异性能，并指出喷射反应器 极有可能取代搅拌釜反应器成为多相反应器的首选。
塔式反应器
气升式鼓泡塔 气升式鼓泡塔塔内装有一根或几根气升管， 气体从下部的气体分布器进入气升管。在气 升管中，气液混合物密度比环形空间中的液 体密度小得多，引起液体在环形空间和气升 管内做循环流的，故称为气升式鼓泡反应器。 苯乙烯装置中的烃化/烃化转移反应器就是这 种结构。
喷射反应器
利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程 和气液相、液液相等多相反应过程的设备。 喷射反应器是近几十年迅速发展起来的多相反应器， 多用于气液两相反应，也可用于含催化剂等悬浮颗 粒的气液固三相反应。其原理是利用高速流动相去 卷吸其他相，使各相密切接触，继而在反应器内均匀 分散或悬浮，并完成反应。喷射反应器是一大类反应 器的总称，其主体部分一般由一个反应釜和一个射流 喷嘴所组成，根据需要还可加入其他附件。
概述
反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉 就是一种原始的反应器。近代工业中的反应 器形式多样,例如:冶金工业中的高炉和转炉； 生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是 不同形式的反应器。
(完整版)反应器选型与设计(完结版)
反应器选型与设计一、反应器类型反应器设备种类很多，按结构型式分，大致可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。
1.1釜式反应器：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。
物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。
应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。
优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。
缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。
绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。
1.2 管式反应器①由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。
②管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。
③由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。
④管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。
⑤和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。
⑥管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。
用于加压反应尤为合适。
1.3 固定床反应器固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。
②催化剂机械损耗小。
③结构简单。
固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。
②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。
固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
1. 4 流化床反应器（1）流化床反应器的优点①由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。
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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
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
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：
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
（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！
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。
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？
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（
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
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
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。
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 分离 粗 制 品 精制 产品
副产品
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
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
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）。
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
Hale Waihona Puke • •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。
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（
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