1 反应器基本理论

第一章反应器基本理论

第一节理想反应器

一、基本反应器形式

反应器的种类很多，但最主要的为间歇操作搅拌釜，连续操作搅拌釜和管式反应器等。在药厂的反应器中，以间歇釜最为常用。

(一) 间歇釜

间歇釜：具有装置简单，操作方便灵活，适应能力强，基本上能适应与药厂生产的规模小，品种多，原料多，工艺条件复杂的实际情况，因此，间歇釜是药厂最常见的反应釜。

特点：1、物料一次加入，反应后一起排出。

2、如果搅拌良好，则釜内各点的T、C i基本一致。

3、釜内物料浓度(C i)和反应速度(r i) ，随时间而变化。

(二) 管式反应器

物点：1、物料从一端进，另一端引出。

2、反应时间是管长的函数t = t (ℓ)

3、稳定物料，反应速度沿流动方向逐渐降低。

4、稳定操作时，管内某一点的物料浓度、温度、反应速度、压力等工艺参数，不随时间而发生变化。

(三) 连续反应釜

间歇釜、连续釜的设备结构是一致的，主要是工艺操作过程不同而致。

物点：1、反应器内各点的温度、浓度一致。

2、总体物料量进出平衡，出口物料中物料性质与釜内物料性质一致。

3、稳态时，釜内物料性质不随时间而变化。

除自催化反应外，连续反应不随时间而变化内的物料浓度与出料浓度一致，即物料浓度很低，因此，反应速度很慢，因此，需要更长的反应时间，或更大的反应器体积。多不随时间而变化串联的情况较为常见。

对于自催化反应，A + P 2 P，由于存在一个最大的反应速度，如果控制在此处进行反应，则所需的反应器体积为最小，连续釜式反应器，可以满足这一要求。

C Af C A* C A0(-r A)

二、返混

返混是连续操作反应器的固有流动物性，管式反应器和连续釜式反应器，均存在这一现象。

连续操作反应器的容积V R

平均停留时间τ=

物料的体积流量υ

即物料流径反应器所需的时间

(一) 年龄分布与返混

年龄分布指反应器内的物料

停留时间分布

寿命分布指反应器出口处的物料

年龄分布：物料从进入反应器的瞬间开始计算年龄，到所考虑的时间为止，反应器的物料，在反应器内的停留时间分布，即构成年龄分布。

不同年龄的物料粒子混在一起，即返混。

停留时间分布返混

间歇反应器：认为：物料一次加入，一起排出，不存在年龄分布，同样，不存在返混。 值得注意的是：管式反应器虽然在层流流动时，粒子之间不干扰，但管子中，存在着流速分布：管中心处流速最大，停留时间最短，最近管壁处，物料流速小，停留时间长，造成了停留时间分布 认为返混。返混是连续操作反应器中特有的现象。

寿命分布：物料粒子从进入反应器，到出反应器时的停留时间，即为寿命。 出口处，不同寿命的粒子混在一起，形成一定的分布 寿命分布。 在科研试验中，一般采用测定寿命分布的方法。

年龄分布和寿命分布存在着一定的关系，已知其中一种分布，即可求出另一种分布。 (二) 产生返混的原因

产生返混的原因主要有：1、涡流一干扰；2、速度分布；3、沟流；4、倒流；5、短路；6、死角。

(三) 返混对化学反应的影响

短：部分粒子未发生化学反应 收率 1、返混 停留时间不一

长：部分粒子进一步反应 副产品 质量 多数情况 -r A 反应器体积 V R 2、返混 反应物浓度下降

自催化反应

三、理想反应器

根据返混程度的大小，分成：平推流、全混流、中间流反应器。

平推流反应器（PFR ）：不存在返混的一种理想流动型式，一般为细长反应器。其特点是：流体通过细长管道时，在与流动方向成垂直的截面上，各粒子的流速完全相同，像活塞平推一样（活塞流），不存在混合与扩散，不存在速度分布，不存在停留时间分布。当细长管式反应器，Re 很大时，可视为平推流瓜反应器。

全混流反应器（CSTR ）：返混程度最大的一种理想流动型式。即：物料一进入反应器，即均匀分布于整个反应器中，包括在出口处的物料，反应器内物料的温度、浓度的工艺性质完全均匀一致，且和出口处一致。连续搅拌反应釜内的物料流动状况，近似于这种型式。 中间流：介于平推流和全混流之间。

第二节 等温等容过程的反应器容积

一、反应速度及其表达式

均相反应速度：单位时间，单位体积反应物料中的某一组分摩尔数的变化。 1A A dn r V d τ

±=±

∙

A ：生成物时，两边均取“+”；反应物时，两边均取“—”。 转化率：反应转化掉的量占原始量的分率。

00

1A A

A A A A n n n x n n -=

=-

∵ n A =n A0(1-x A ) ∴ dn A =-n A0dx A 代入（1-1）式，则有：

011()A A

A A n dx dn r V

d V

d τ

τ

-=-

∙

=

∙

化学反应速度与反应物的浓度和温度有关。

对于反应 A R 如果（-r A ）= kC A ，则为一级反应。 k 为反应速度常数，与温度有关，一般符合 Arrhenius 公式：

/0E RT

k A e

-=

A 0：频率因子； E ：活化能： R ：气体常数 活化能E 是最重要的因素。 k 的单位与反应级数有关： 0 级反应： k ： kmol •m -3

•s -1

一级反应： k ： s -1

二级反应： k ： kmol -1•m 3•s-1

对于反应： aA + bB pP + sS 其速度方程式存在如下关系：

C A0 τ C A

二、间歇釜式反应器

特点：1、所有物料按一定比例，一次加入釜内，开动搅动，物料的温度和浓度基本一致。 2、配备夹套或/和蛇管，以控制反应温度。

3、反应达到要求后，将物料排出，完成一个周期。 适用：液相反应，液固相反应，连续鼓泡的气——液反应。 操作方便、灵活、适应性强，在精细化工领域最为常用。 (一) 反应时间（等温操作）

∵间歇釜内，各点和温度、浓度相同； ∴可对整个反应釜作物料A 的衡算。 微元时间(d τ)内反应掉组分A 的摩尔数 = …… A 减少的摩尔数 有： （-r A ）•V •d τ=-dn A =n A0•dx A ( ∵ n A = n A0• (1-x ) ) 02

2

00

11ln

(1)

1A x A

A A A A A A

dx x C k C x k

C x τ==

∙

∙∙--⎰

0()A A A n dx d r V

τ∙=

-∙

000

0()()A A x x A A A A A A n dx dx n r V

r V

τ∙=

=-∙-∙⎰

⎰

（1-6）

式（1-6）为间歇釜式反应器的基础设计式

对于液相反应，反应前后物料体积变化不大，即 V ≈ Const.

000

()

()

A A x x A A A A A A n dx dx C V

r r τ==--⎰

⎰

（1-7）

()()S A B P r r r r a

b

s p

--===