第七章反应器选型与操作方式
生物反应工程 第7章 生物反应器
将列管并列焊接在一起，组成挡板; [2]
直接利用列管当挡板
H—筒身高度 D—罐径 W—挡板宽度 HL—液位高度 Di—搅拌器直径 S—两搅拌器间距 B—下搅拌器距底 间距
1.罐体
结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊 接而成。小型发酵罐罐顶和罐身采用法 兰连接。顶部设有清洗用的手孔。
材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用 不锈钢或复合不锈钢制成。小大型发酵 罐可用不锈钢或玻璃钢制成。 刚度和强度：受压容器，空消或实消， 通常灭菌的压力为2.5Kg/m3。
生物催化剂在反应器中的分布方式 生物团块(包括细胞、絮凝物、菌丝体)反应 生物膜反应器两大类。 固相催化剂的运动状态来分类 填充床 流化床 生物转盘等多种型式反应器。 按反应体系的相态来分类 均相——可溶的酶催化反应 非均相
•反应物系在反应器内的流动与混合状态 （反应器内流体的流动类型） 活塞流反应器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全混流反应器( continuous stirred-tank reactor，
表 通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件
几何尺寸与操 作条件范围 H/D=1～4
Di/D=1/2～1/4 W/D=1/8～1/12 B/ Di =0.8～1.0
搅 拌 转 速 N=30 ～ 1000 (r/min) 单位醪液体积的冷却面 积0.6～1.5 (m2/m3)
典型数值
奥地利某公司 200m3
4.温度控制系统：
电极、热交换装置和及其控制 排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械 搅拌产生的热量的装置 在发酵过程中，放出的热量可用如下的热 平衡方程式：
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射
反应器型式和操作方式的选择
03
各类反应器适用场景及特点
釜式反应器
适用场景
适用于液-液、液-固相反应及反应过 程中有固体生成的场合，如酯化、硝 化、磺化等反应。
特点
结构简单，操作方便，传热面积大， 传热效果好，适用于间歇操作。
反应器分类
根据反应的特点和需求，反应器可分为釜式反应器、管式反应器 、塔式反应器、固定床反应器和流化床反应器等。
Байду номын сангаас
常见反应器型式介绍
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
适用于液相或气液相反应 ，具有结构简单、操作方 便、传热效果好等优点。
适用于气固相或气液相连 续反应，具有结构紧凑、 传热效率高、反应时间短 等特点。
适用于气固相或气液相逆 流接触反应，具有处理能 力大、传质效率高、操作 弹性大等优势。
适用于气固相或液固相反 应，具有催化剂不易磨损 、反应温度均匀、易于控 制等优点。
适用于气固相或液固相反 应，具有传热传质效果好 、催化剂活性高、操作灵 活等特点。
选型原则及影响因素
选型原则
在选择反应器型式时，应遵循满足工艺要求、保证产品质量、提高经济效益等 原则。
影响因素
反应器选型受到反应物性质、反应条件、催化剂性质、传热传质要求等多种因 素的影响。因此，在选型时需综合考虑这些因素，选择最适合的反应器型式。
02
操作方式选择依据
连续操作与间歇操作比较
连续操作
物料连续进入和离开反应器，反 应过程中各参数保持恒定，生产 效率高，产品质量稳定。
间歇操作
化学反应工程-24-第七章-气液相反应过程
3 0.484 0.339 d b g Sh = 2.0 + 0.0187 Re P Sc L 23 DL
1
0.072
1.61
②湍动区 若床层内的气泡直径db为已知时，则有如下关联式：
DL µ L u t k L = 0.321 d b (µ L − µ G )
−2
− Re 0 0.05
式中：dVS：气泡直径（m）；d0：小孔直径（m）；u0：小孔 d u ρ Re 0 = 0 0 G 气速（m/s）； µG 由上式可见在高气速时，气速对气泡直径影响很小。
秋田等提出用鼓泡床床径作关联，得经验式如下：
d VS − 0.50 − 0.12 u 0 G = 26 Bo Ga gD D 2 式中： = gD ρ L ，称为朋特（Bond）准数； Bo σ
d VS
6ε G = a
a
=
n
π
6
3 d VS
2 nπd VS
由于气泡之间的相互影响，dVS的大小仍只能依靠实验。 对空气—水系统，经验式如下：
200 < Re 0 < 2100， d VS = 0.29 × 10 d 0 Re 0 3
2 −1 1 1
d Re 0 > 10000 ， VS = 0.71 × 10
1 2 1 2
式中：db为球形气泡直径；CD为曳力系数，是气泡雷诺数的函数，一 般实验结果为C D = 0.68 − 0.773
−3 3 （r 当 0.7 × 10 m < re < 3 × 10 m e为与气泡体积相同的球体半径）时，
气泡不再是球形，尾涡后的旋涡使浮升阻力增加，此时：
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
反应器操作与控制基础知识—反应器的操作方式
①是一非定态过程，反应器内物系组 成随时间而改变
②适合于小批量、多品种的产品生产
③不易实现自动化控制，劳动力多
④设备简单
⑤设备利用率低
二、操作方式的特点—— 2.连续操作的特点
二、操作方式的特点——2.连续操作的特点
连续操作的一般流程
01
连续进料
02
03
连续反应
连续出料
温度等的控制
二、操作方式的特点——2.连续操作的特点
连连续式式 操操作作方方 式式
的的特特 点点
①多属于定态操作，反应器内各种物系参数 不随时间而变，但随位置而变
②适合于大规模生产
③便于实现自动化控制，品质量均一
④设备结构复杂
⑤设备利用率高
二、操作方式的特点——3.半连续（半间歇）操作的特点
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均属半连续操作，相应的反应器称为半连续反 应器或半间歇反应器。
《化学反应器操作与控制》
非理想流动
非理想流动模型
理想流动模型
理想置换模型
(a) 间接换热式
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
间歇操作的一般流程
01
02
03
04
05
06
准备
投料
升温
反应
出料
清洗
关键步骤
二、操作方式的特点——1.间歇操作的特点
间歇式 操作方式
半连续操作具有连续操作和间歇操作的某些特征： 有连续流动的物料，也有分批加入或卸出的物料，因此半连
续反应器的反应物系组成必然既随时间而改变，也随反应器内的位 置而改变。
生物反应器的选择与使用方法
生物反应器的选择与使用方法生物反应器是一种用于进行生物反应或生物转化的设备。
它在生物技术、制药工业、食品工业等领域起着重要作用。
选择合适的生物反应器并正确使用，对于实现高效的生物转化过程至关重要。
本文将介绍如何选择合适的生物反应器以及正确的使用方法。
首先，选择合适的生物反应器需要考虑以下几个因素：反应器类型、反应器体积、操作方式和反应条件。
1. 反应器类型：根据反应的需求和特性选择合适的反应器类型。
常见的生物反应器包括批量反应器、连续流动反应器和气液循环反应器。
批量反应器适用于小规模实验和研究；连续流动反应器适用于长时间、连续运行的反应；气液循环反应器适用于气液反应和吸附过程。
2. 反应器体积：反应器体积应根据所需的生物反应规模进行选择。
小规模实验可选用容量较小的实验装置，大规模工业应该选择相应的工业级别生物反应器。
体积的选择与反应器的尺寸、物料的投加和排出速度相关。
3. 操作方式：根据反应过程的要求选择适当的操作方式。
常见的操作方式包括手动操作和自动化程度较高的计算机控制。
计算机控制反应器可以实现更精确和稳定的控制，但也需要相应的计算机控制设备和专业技术人员。
4. 反应条件：确定所需的反应温度、压力、溶液浓度等反应条件，并根据这些条件选择适当的生物反应器。
不同的反应器对温度和压力的要求可能不同，因此需要根据具体的反应条件进行选择。
选择合适的生物反应器后，正确的使用方法也是确保反应顺利进行的关键。
1. 反应器的预处理：在使用新的生物反应器之前，需要对反应器进行预处理。
预处理的目的是去除反应器内壁的杂质、清洁反应器以及准备反应需要的溶液和媒体。
2. 反应物的投加：根据反应的需要，将反应物投加到生物反应器中。
投加的方法可以根据具体的反应物和反应器类型进行选择，可以是连续投加或者一次性投加。
3. 控制反应条件：在反应过程中，需要通过控制反应温度、搅拌速度、营养物质的供应等多个因素来保持反应条件的恒定。
反应器型式和操作方式对平行反应选择性的影响
液相平行反应
A+ B k1 P( 目的产物)
k2
A+ B S 反应物 初始 浓度 CA。= CB。= 10mol/ L, k1 # k 2。求 A 的转化率为 80% 时, 目的产物 P 的选择 性。
4!2!1 当 1> 2, 1> 2 时, 设动力学方程分别为
r1=
-
d Cp dt
=
k1 CAC2Bmol/ ( L
不同型式的反应器其传递特征有较大的差异必然引起反应物浓度上的不同采用不同的操作方式也可以调整各反应组分浓度的高低及其变化以利于提高反应的选择性若要求cacb均维持在较高的水平可以选择间歇釜式反应器或平推流反应器组分同时加入或者采用多釜串联的全混流反应k1k2k2ca平行反应选择性的影响因素分析温度和反应物浓度是影响平行反应选择性的化学工程师如果要求cacb均维持在较低水平时可以选择组分一次加入沿管长分段加入平推流反应器或选用分级加入多釜串联反应器且维持在较低的转化率下进行并从最末一釜的出口物料中分离出么样的操作方式除依据以上分析外还应当考虑反应物反应物初始浓度的高低对最终转化率的要求以及控制调节等方面的要求412反应器型式和操作方式对选择性量比较以下面的例子作定量讨论液相平行反应则平均选择率为015cb016667sp平sp全选用平推流反应器比全混流反应器选择率提高25163学方程为dcp115molminr1dtdcsminr2caca015015cacb011624k2的转化率为80提高选择性可以减小反应物初始浓度mollmin115mollmin此时sp全08333sp平015k2cb设动力学方程为k1k2015dcminr2015015casp平cb60生产操作条件及对产品性原对照降塔内塔盘前后产品的质量及收率的变化情况列
第七章-生化反应器
微生物反应器
动植物细胞反应器
第七章 生化反应器
反应器的特点与设计原则
生化反应( 生化反应(器)的特点
在接近中性的pH、 在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行 pH 使反应过程控制最优化， 使反应过程控制最优化，以达到最佳酶反应状态 维持最佳发酵状态， 维持最佳发酵状态，使细胞保持良好生长状态 可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的 产品 极大多数生化反应皆在水相中进行
河南
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 动物细胞培养生物反应器
设计必须考虑如下要求 安全因素：具备严密的防污染性能， 安全因素：具备严密的防污染性能，还应有防止反应器中 有害物质或生物体散播到环境的功能。 有害物质或生物体散播到环境的功能。 操作因素：便于操作和维护。 操作因素：便于操作和维护。
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 生化反应( 生化反应(器)的种类 机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器-发酵罐的部分部件
消泡器 消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、 消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳 状式及孔板式。 状式及孔板式。
甘肃
第七章 生化反应器
反应器的种类及选择与操作 生化反应( 生化反应(器)的种类 机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器-发酵罐的部分部件
• 1、搅拌罐式反应器：
• (1)分批搅拌罐式反应器 • 优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能 很迅速达到稳态。 • 缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去 活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化 酶，但常用于游离酶。
第七章 生化反应器
• 反应器的种类及选择与操作 • 酶反应器
7 酶反应器
酶反应器
生物与食品工程学院·食品酶学
第七章 酶反应器
酶反应器(Enzyme reactor)：以酶或固定化酶作为催 酶反应器 ：
化剂进行酶促反应所需的装置称为酶反应器，它处于酶催 化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。
作用： 作用：以尽可能低的成本，按一定的速度由规定的反应
物制备特定产物。
按操作方式区分 分批式反应(batch ) 连续式反应(continuous ) 流加分批式反应 (feeding batch ) 结构+操作方式 结构 操作方式 连续搅拌罐反应器 （Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR） 分批搅拌罐反应器 （Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）
固定化酶膜式应器
（4）中空纤维膜反应器
4 膜 反 应 器
特点： 特点：可承受较高的操作压力，比表面
积大，但易发生浓度极化或孔堵塞。
5、鼓泡塔型反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
结构： 结构：与流化床反应器类似，底部有气体分散板或其它形 式的气体分散装置。 操作： 操作：固定化酶放入反应器内，底物与气体从底部通入。 通常气体经过分散板得到充分分散，或者和循环液从底部 以切线方向进入。 应用： 应用：适用于有气体吸收或产生的生物反应。
7、新发展的酶反应器
7.1 7.1 酶 反 应 器 的 类 型 及 特 点
（2）两相或多相反应器 ）
问题由来： 问题由来：不溶或微溶于水的底物，在进行酶转化时， 在水相中有浓度低、反应体积大、分离困难、能耗大 等缺点。 特点：使酶反应在水-有机相中进行，大大增加反应时 特点： 的底物浓度，而且还可减少底物或产物对酶的抑制作 用，使酶反应进行到底及酶的操作稳定性延长。 操作： 操作：两相反应通常是将酶或固定化酶置于水相中， 而底物溶解于有机相中，然后在搅拌乳化条件下反应 进展： 进展：液膜反应器等。
反应器
锥帽侧缝型气体分布器
回流冷凝式换热
二、管式反应器 管式反应器是由一根或多根管子串联或并联构成的反应 最简单的是单根直管；也可弯成各种形状的蛇管； 器。最简单的是单根直管；也可弯成各种形状的蛇管；当 多根管子并联时，其形状与列管换热器相似。 多根管子并联时，其形状与列管换热器相似。若在管式反 应器中装填催化剂，则可为固定床反应器。 应器中装填催化剂，则可为固定床反应器。 单管反应器运行 列管固定床反应器运行 管式反应器的结构简单，可耐高温、高压， 管式反应器的结构简单，可耐高温、高压，传热面积可 大可小，传热系数较高，流体流速较快， 大可小，传热系数较高，流体流速较快，在管内停留时间 便于分段控制温度和浓度。 短，便于分段控制温度和浓度。在反应器内任意一截面上 反应物浓度和反应速度不随时间变化，仅沿管长变化。 反应物浓度和反应速度不随时间变化，仅沿管长变化。管 式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。 式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。
三、固定床反应器 在塔式或管式反应器中装填一定的固体颗粒， 在塔式或管式反应器中装填一定的固体颗粒，当反应物从 颗粒层通过时，颗粒层静止不动， 颗粒层通过时，颗粒层静止不动，因此称为固定床反应器 固定床反应器中所装填的颗粒多为催化剂， 。固定床反应器中所装填的颗粒多为催化剂，所以有称为 固定床催化反应器。这类反应器具有结构简单、 固定床催化反应器。这类反应器具有结构简单、操作稳定 控制方便、转化率高等优点， 、控制方便、转化率高等优点，是化工生产中普遍采用的 一种反应器，最常用于气固催化反应。 一种反应器，最常用于气固催化反应。 按换热方式的不同，可将固定床反应器分为三个类型： 按换热方式的不同，可将固定床反应器分为三个类型： 1.绝热式固定床反应器 绝热式固定床反应器 单段绝热式固定床反应器 多段绝热式固定床反应器 2.换热式固定床反应器 换热式固定床反应器 3.自热式固定床反应器 自热式固定床反应器
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。
药品生产技术《反应器的操作方式有哪些》
反响器的操作方式有哪些？各自的特点是什么①间歇釜式反响器，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、反响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。
但有些反响过程，如一些发酵反响和聚合反响，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。
间歇操作反响器系将原料按一定配比一次参加反响器，待反响到达一定要求后，一次卸出物料。
连续操作反响器系连续参加原料，连续排出反响产物。
当操作到达定态时，反响器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。
半连续操作反响器也称为半间歇操作反响器，介于上述两者之间，通常是将一种反响物一次参加，然后连续参加另一种反响物。
反响到达一定要求后，停止操作并卸出物料。
间歇反响器的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。
另外，间歇反响器中不存在物料的返混，对大多数反响有利。
缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。
②连续釜式反响器，或称连续釜。
可防止间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。
在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反响釜相应地称作全混釜。
在要求转化率高或有串联副反响的场合，釜式反响器中的返混现象是不利因素。
此时可采用多釜串联反响器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反响条件。
大规模生产应尽可能采用连续反响器。
连续反响器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。
其缺点是连续反响器中都存在程度不同的返混，这对大多数反响皆为不利因素，应通过反响器合理选型和结构设计加以抑制。
③半连续釜式反响器。
指一种原料一次参加，另一种原料连续参加的反响器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。
生物反应器的设计原理及操作方法
生物反应器的设计原理及操作方法生物反应器是生物工程中的关键设备，它能够控制微生物在特定条件下进行生长、代谢、分化等过程，从而生产出预期产品。
本文将介绍生物反应器的设计原理及操作方法，帮助读者更好地了解生物反应器的基本原理和操作技巧。
一、生物反应器的设计原理1.1 选择适当的基质生物反应器是利用微生物代谢产生生物产物的过程，所以选择适当的基质是其首要设计原理。
基质中必须包含微生物所需要的营养物质，并能够满足微生物的生长和代谢需要。
选择基质时需要考虑微生物的菌种、培养温度、pH值等因素，以便为微生物提供最适宜的生长环境。
1.2 确定反应器的类型生物反应器的类型有很多，根据微生物的生长形态分为培养皿式反应器和悬浮式反应器。
培养皿式反应器主要用于附着生长的微生物，例如细胞培养、细菌单克隆发育等；悬浮式反应器则适用于浮游性微生物的培养和生产，例如发酵类的生产。
同时还需要根据需求确定反应器的大小和形状，以便满足生产的需求。
1.3 设计反应器的操作参数反应器操作参数的设定是生物反应器的关键，可分为生化参数和物理参数。
生化参数是指液体中化学参数的设置，如培养基中的营养物含量、温度、pH值等；物理参数是指反应器本身的一些参数，包括搅拌速度、气体流速、曝气方式等。
通过合理的操作参数设置可以满足微生物生长的需要，提高产物的产量和质量。
二、生物反应器的操作方法2.1 准备工作生物反应器的操作需先做好准备工作。
包括清洗反应器和配件，制备适当的培养基、出气口等。
此外，还要仿制保证操作环境的洁净度，避免外界的干扰和微生物的污染。
2.2 下料对于悬浮式生物反应器，需要通过下料将培养基等物料加入反应器，形成生产过程中的培养环境。
此时需要注意下料的速度、流量和方法，以及下料口的位置和大小。
通过合理的下料操作可确保培养物质的分散及加入过程的平稳，避免对微生物产生不利影响。
2.3 搅拌操作搅拌操作是生物反应器中常用的操作方法。
通过合理的搅拌操作可使培养基中的营养物质和微生物充分混合，并避免其附着于反应器的内壁和底部。
化学工程中的反应器设计与操作技术
化学工程中的反应器设计与操作技术化学工程中的反应器设计与操作技术是实现化学反应的关键环节，它涉及到反应器的选择、设计、操作参数的优化以及安全控制等多个方面。
本文将围绕这一主题展开讨论，介绍反应器设计与操作技术的重要性、常见的反应器类型和设计要素、操作参数的优化以及反应器安全控制等相关内容。
I. 反应器设计与操作技术的重要性反应器是进行化学反应的装置，其设计与操作技术的好坏直接影响到反应效率、产品质量以及生产成本等方面。
正确的反应器设计与操作技术可以有效提高反应速率、增加产物收率、降低副反应产物生成率，并且优化操作条件，使得化学反应达到最佳状态。
因此，在化学工程中，反应器设计与操作技术的重要性不可忽视。
II. 常见的反应器类型和设计要素根据反应器结构和运行方式的不同，常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和间歇式反应器等。
在设计反应器时，需要考虑以下几个要素：1. 反应器尺寸与比例反应器的尺寸和比例应根据反应物质的性质、反应速率以及工艺流程等因素进行合理选择。
尺寸和比例的不当会导致反应物质在反应器中的堆积或过度稀释，影响反应效果。
2. 反应器材料反应器的材料需要具备良好的化学稳定性和机械强度，能够承受反应物质的高温、高压以及腐蚀性等特点。
常用的反应器材料包括玻璃、不锈钢和钛合金等。
3. 反应器的加热与冷却反应器的加热与冷却方式直接影响到反应物质的温度控制和反应速率。
常见的加热方式包括传导加热、对流加热和辐射加热等，而冷却方式则包括传导冷却、对流冷却和蒸发冷却等。
III. 操作参数的优化在进行化学反应时，操作参数的选择和优化对于反应效果起着至关重要的作用。
具体而言，需要关注以下几个方面：1. 温度控制控制反应体系的温度可以调节反应速率和反应平衡，从而实现理想的反应效果。
通过合理选择加热和冷却方式以及温度控制方式，可以实现温度的精确控制。
2. 压力控制压力的选择和控制可以影响反应速率、产物收率以及能源消耗等。
反应器设计及操作
反应器设计及操作在反应器设计及操作中，合理选择和设计适合的反应器类型以及操作方式，对于化工过程的顺利进行具有至关重要的作用。
本文将从反应器的选择、设计和操作三个方面探讨反应器设计及操作的相关内容。
1. 反应器选择在进行反应器选择时，需要考虑许多因素，包括反应物的性质、反应条件、反应速率以及反应物和产物的相对流动性等。
常见的反应器类型包括批量反应器、连续流动反应器和半批连续反应器。
1.1 批量反应器批量反应器适用于小规模生产或实验室研究。
其优点是操作简单，适用于多种反应类型。
同时，批量反应器能够更好地控制反应物的加入量和反应条件，有利于控制反应过程中的温度和压力。
1.2 连续流动反应器连续流动反应器适用于大规模生产，其优点是反应物和产物的流动性好，能够保持较为稳定的反应温度和压力。
同时，连续流动反应器还能实现连续加入反应物和实时排除产物，提高反应效率。
1.3 半批连续反应器半批连续反应器结合了批量反应器和连续流动反应器的优点。
它能够保持较为稳定的反应条件，并且在一定程度上提高了反应效率。
对于某些需要实时监测和调整反应条件的反应，半批连续反应器也是一个合适的选择。
2. 反应器设计反应器的设计需要考虑反应物料的物理性质、反应的热力学特性以及反应速率等因素。
2.1 反应器尺寸反应器尺寸的选择需要考虑预期的产量和反应速率。
较小规模的批量反应器适合小规模实验室研究和生产，而较大规模的连续流动反应器适合大规模工业生产。
2.2 反应器材料反应器的材料选择需要考虑反应物的腐蚀性和温度要求。
常见的反应器材料包括不锈钢、玻璃钢和陶瓷等。
2.3 加热和冷却对于一些需要控制温度的反应，加热和冷却是必要的。
反应器设计需要考虑合适的加热和冷却方式，如外部加热器、冷却套等。
3. 反应器操作反应器的操作方式对于反应过程的控制和优化至关重要。
3.1 混合和搅拌混合和搅拌能够帮助保持反应物和反应条件的均一性，促进反应的进行。
反应器操作需要根据反应物的特性和需求来选择适当的混合和搅拌方式。
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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。
T2 440 K 167 o C
[5-4]某液相反应 A P ，实验测得浓度～反应速率数据如下：
C A /( mol l 1 )
0.1
0.2 1
0.4 2
0.6 2.5
0.8 1.5
1.0 1.25
1.2 0.8
1.4 0.7
1.6 0.65
(rA ) /( mol l 1 min 1 ) 0.625
[例5-6] 某液相反应 A B P 在两个串联的CSTR中进行， 已知反应为二级，速率常数k=0.8
m 3 /(kmol.S )
，进液流量、料液
浓度及限制反应物的转化率均标于图中，试分别求出两个反应
器的体积VR1和VR2。（假定反应过程中物料的密度恒定）。
0.004m3 / S
0.02kmol / m 3
VR1 1 o 0.134 m 3
同理，
C A1 C A 2 x A x A1 2 10.12s kCA 2CB 2 k (1 x )(C C x ) A Bo Ao A
VR 2 2 o 0.051m 3
[5-1]已知一级反应在PFR中进行时，出口转化率为0.9。现将该 反应移到一个CSTR中进行，若两种反应器体积相同，且操作条 件不变，问该反应在CSTR的出口转化率应为多少？ 解： 对于一级反应：
xA k 1 xA
5 0.9 k1 k1 3.6 10 3 s 1 3 2 10 1 0.9 5 0.75 k2 k 2 9.0 10 3 s 1 3 15 10 1 0.75
k1 k 2 , 则假设不成立。
xA 假设反应为二级，则：CAok (1 xA )2
2 A1
k (a bxA1 cx )C
2 A1 2 A0
2 A0
2
C A0 xA2 xA1
2 2 k (a bxA2 cxA2 )C A0
C A0 xA1 xA0 k (a bxA1 cx )C
C A0 xA2 xA1
2 2 k (a bx A2 cx A2 )C A0
已知100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数 K=2.92。试计算乙酸转化35% 时，所需的反应总体积。
要对串连反应器进行优化，两个反应器的体积大小应如何
分配？
解：
根据前面计算可知
V0 4.155(m / h)
3
CA0 3.908mol / L
CB 0 10.2(mol / L)
（ 6VR1 VR 2
[5-3]某液相反应
A P 为一级不可逆反应，反应活化能
E 83.6 KJ mol ，在150oC等温管式反应器中进行，转化率
为0.6。现改用等体积的CSTR反应器，处理量不变，要求达
到转化率为0.7，问此时的CSTR应在什么温度下操作？ 解： 对于一级反应：
1 K P P ln PFR： 1 xA
5 0 .9 1 k1 k1 0.036 L (mol s ) 3 2 2 10 (1 0.9) 5 0.75 1 k 2 k 2 0.036 L ( mol s ) 3 2 15 10 (1 0.75)
k1 k 2 , 则假设成立。
x CSTR： K M M A 1 x A
VP VM
P M
1 1 E ln ln RT KP 1 xA 1 0.6 0.397 ko e E x 0.7 KM A RT ko e 1 x 1 0.7 A
1
2
E 83.6kJ / mol, T1 (150 273) K 423K
k1
C Af C A1e k 2
e k 2 C A0 1 k 1
零级反应，无论体积是否相等，也等效。
C Af C A1 k 2 C A0 k (1 2 )
C Af C A1 k1 C A0 k (1 2 )
但是，一般情况下，两者不等效。
CS 0 17.59(mol / L)
CR 0 0
2 A 2 A0
rA k (a bxA cx )C
其中： a =2.61
b =－5.15
c =0.6575
k =4.76×10-4L/（mol·min），
设第一釜转化率为xA1，根据题设：τ1＝ τ2
1
C A0 xA1 xA0
C Rf /( mol l 1 )
1.8 1.5 1.8
试求反应动力学方程？
解： No
vo /( cm3 s 1 )
T，(oC)
C Rf /( mol l 1 )
xA
1 2 3
2 15 15
13 13 84
1.8 1.5 1.8
0.9 0.75 0.9
13 oC时，假设反应为一级，则：
0.35 xA1 xA1 2 (a bxA1 cxA1 ) (a b 0.35 c 0.352 )
可解得：xA1 =0.2264（已经舍去了不合理值） 代入τ1式中，得VR1=V0τ1＝6.036m3 于是，总反应体积VR＝12.072m3
（2）优化的情况
C A0 xA1 xA0 C A0 xA2 xA1 VR 2 2 2 2 V0 k (a bxA1 cxA1 )C A0 k (a bx A2 cx A2 )C A0
CH3COOH(A)+C2 H6OH(B) CH3COOC2 H5 (R)+H 2O(S)
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度 为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100℃下等 温操作，其反应速率方程为
rA k (C ACB CRCS / K )
2
进行反应时，在一定工艺条件下，所得转化率为0.5，今将此反
应移到一个比它大6倍的CSTR中进行，其它条件不变，其能达 到的转化率为多少？
xA 解： CSTR中二级反应： CAok (1 xA )2
7VR1 VR 2
xA x A x 0.77 则: 7 A 2 2 (1 xA ) (1 x ) A xA x A x 0.75） 则: 6 A 2 2 (1 xA ) (1 x ) A
列管式催化反应器
Reactor feed 30°C
Coolant
00°C
25 000 tubes
25 mm
两个处理系统是否等效？
此两种组合在一级不可逆反应且两反应器体积相等 时是等效的。
CA0
V0
C Af
CA1
VR1 VR2
CAf
CA0
V0
CA1 VR2 VR1
CAf
C A1 e C A0 1 k 2 1 k 2
4. 多级CSTR的串连和并联
多级CSTR串连的情况前面已经详细讨论过了
1/2Vo
1/2VR
CA0 V0
1/2Vo
1/2VR
两个系统中哪个处理效果好？
CA0 V0
VR
两个相同的CSTR并联等效于一个大的CSTR（总体积相等）
1/2VR
CA0
V0
1/2VR
1 2 1 2 1 2 1 2
VR
CA0
VR C A 0 C A1 V0 kf (C A1 ) VR C A0 C A 2 V0 kf (C A 2 )
C A 0 C Af VR V0 kf (C Af )
V0
由上述诸式，无论何种动力学方程， 结论均成立。 等效的前提：
1 2
因此不限于两并联釜体积相等。
5.
理想流动反应器的组合