化工反应器设计及类型介绍(ppt 66页)
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间歇反应器：反应物料一次加入反应器内，反应到一定时间 后，将反应物料全部卸出，清洗设备后，重新进行加料重复操 作。
半间歇反应器：将反应物料中的一种或几种物料一次加入反 应器，而将另 一种物料以一定速率连续加入反应器，直至反 应过程完成后，停止进料，同时卸出全部物料. 另一种半间歇操作是分批向反应器将反应产物蒸出。
3)对于气体在液体中分散或气体的吸收: 要求良好的容积循环和剪切作用,选用涡轮式搅拌器。 a:当液层深度大时，宜用多层搅拌桨，釜内也应有挡板，
通气管应插入在搅拌桨下面，气体则由搅拌釜下的中央管口或 环形分布管口排山。 b:为促进釜内物料和釜壁间的传热，以及需除占粘附于釜壁 的沉淀或粘稠液体，则可采用锚式或框式搅拌釜.
应大于30。 塔式反应器：高大的圆筒体内安装塔板或填料。 固定床反应器：管式反应器或塔式反应器内填充催化剂固体颗粒。 流化床反应器：将细小催化剂颗粒在管式或塔式反应器内借流体自
下而上的鼓动作用，使之悬浮在反应器中。
二、按反应物料的相态分类 有均相反应器和非均相反应器
三、按操作方法分： 间歇操作、连续操作和半间歇操作
第五章 反应器的类型及设计
1 反应器的设计是针对化学反应过程进行的，如反应器 的选型、条件的优化和放大。
2 反应器放大，应考虑反应器放大前后保持转化率或收 率相等，而反应的转化率和收率是由化学平衡和反应速 率决定的，其中反应速率是根据生产规模计算所需反应 器有效容积的依据。
3 从微观看，平衡常数K和反应速率常数k只与反应系统 的温度和压强有关；不会因反应器的构型和大小的不同 而改变。
连续反应器：物料以一定流速连中加入物料，但连续续送入 反应器，同时反应产物又连续从反应器中流出。
§5.2间歇操作搅拌釜
主要是进行恒温恒容反应的反应器。其特征：反应过程中， 反应物浓度随时间变化。
反应时间是设计反应器的重要依据
一、等温间歇操作的反应时间
反应的转化率和反应时间的关系：
t
c A, 0
§5.3管式反应器
一、活塞流反应器的数学模型
根据活塞流模型的概念，物料通过反应器内任一体积微
元dv的物料衡算关系，如图5-3 所示。
则物料衡算式可写为:
5-9
设反应物组分A的初始摩尔流量为 q n , A ,0 ,则有:
5-9 可写成:
对5-10 进行积分:
VR xA dxA
qn,A,0
通常间歇搅拌釜的有效容积为釜总体积的75%-85%。如 果反应过程发生起泡或沸腾等现象，装料系数η应减小 至0.4-0.6。搅拌釜的总体积为：
V VR /
二、间歇操作搅拌釜放大应注意的问题
（1）在满足了生产能力所需搅拌釜体积的前提下，必须注意搅拌 系统所达到的釜内物料的混合状态应与实验时所采用的小釜内物料 的混合状态相同。比如:
其外部边缘与釜壁和釜底的形状一致，易刮动粘附于釜 底和釜壁的物料, 提高传热效果，但液体随搅拌釜作水 平方向旋转、搅动并不激Leabharlann Baidu。转速一般只有20—80转/ 分。
4) 高粘度液体的搅拌: 这种液体不能依靠搅拌釜使液体翻腾而产生容积循
环,它们的混合必须依靠搅拌釜转动搅混整个液体。故 不能用推进式搅拌釜, 可采用锚式(或框式)、螺带式、 螺杆式等型式。
式搅拌釜长。用推进式螺旋桨，也可取得相同的搅拌效果.
2)固液悬浮液或固体在液体中溶解:
应促使物料的容积循环，可用涡轮式搅拌釜。
a: 如果固体的相对密度与液体的相对密度相近，则固体
不容易沉降，当固体的质量分数和液体的粘度都较小时，则 用推进式螺旋桨.
b: 当固、液相对密度较大，若只要求固体离开釜底而不要求均 匀悬浮时，应安装底挡板；如果要求均匀悬浮，则应同时安装 底挡板和壁挡板；
y A ,0 为组分A在反应物料中占的摩尔分数,% ; C p ,m 为反应物料 的平均摩尔定压热容,J/ (mol.K).
如果物料在管内流动产生较大的压强降时，则应考虑压强的 变化对于化学反应速率的影响。对于空管，用范宁公式计算：
XA 0
dxA (rA )
对间歇操作搅拌器进行设计计算时，必须确定处理每一批 物料所需的操作时间。包括：反应时间t，装料、卸料和清洗等 作业消耗的辅助时间t’（由经验确定）。 当已知单位时间应处 理的物料的体积流量（生产任务）qV,则可计算出所需反应器的
有效容积（装料容积）VR，即: VR qV(tt')
1) 对于两种液体物料的均匀混合，在设计搅拌器时，可取大小两 个搅拌系统叶轮末相速度相等的准则。即：
2) 或者采用单位容积(v)投入的搅拌功率(P)相等(P/v，又称之为搅
拌强度)的准则，即：
（2）当搅拌釜放大时，依靠釜壁夹套作为传热面积，不会
随釜的体积的放大而按相同比例增大；相反，其单位体积所 具有的釜壁传热面积相应会减小，则不一定符合要求.可在釜 内可安装蛇形管,但会形成阻力,此时可对搅拌叶轮大小和转 速作适当调整.
4 从宏观看，实际的化学反应速率，除反应系统温度和 反应物料浓度的影响外，还受物料在反应器内的停留时 间及其分布的影响。
§5.1工业反应器的基本类型
一、按反应器的构型特征分类 可分为：釜式、管式、塔式、固定床和流化床式。
釜式反应器的结构分为： (1) 釜体：高径比较小的圆筒体 (2) 搅拌器：由电动机驱动的安装有浆叶的搅拌轴组成 (3) 换热器：有壳壁夹套和釜内安装蛇管两种形式 管式反应器：为一个细长的直管或由多管组成的列管，管子长径比
xA,0 (rA)
令qv.0,为反应物料的初始体积流量，则
5-10 5-11
则有
VR
qv,0
cA,0
xA dxA xA,0 (rA)
5-12
对于绝热非等温系统，应考虑温度改变对反应速率所产生 的影响。通过热量衡算可以求出转化率变化与温度变化的关系：
TT0yA,0C (p, mHr)(xAxA,0)
设计搅拌釜传热面积：
先根据热量衡算求出所需的加热（或冷却）的热量，然
后根据加热介质的进出口温度计算介质的用量和传热面积。
（3）对于不同物料系统和工艺要求的混合，应选择不同形 式的搅拌釜。
1) 低粘度互溶液体的混合:
采用涡轮式搅拌釜, 当转速较低时，也可采用平直桨式
搅拌釜、这种搅拌釜的功率消耗量较低，但混匀时间比涡轮
半间歇反应器：将反应物料中的一种或几种物料一次加入反 应器，而将另 一种物料以一定速率连续加入反应器，直至反 应过程完成后，停止进料，同时卸出全部物料. 另一种半间歇操作是分批向反应器将反应产物蒸出。
3)对于气体在液体中分散或气体的吸收: 要求良好的容积循环和剪切作用,选用涡轮式搅拌器。 a:当液层深度大时，宜用多层搅拌桨，釜内也应有挡板，
通气管应插入在搅拌桨下面，气体则由搅拌釜下的中央管口或 环形分布管口排山。 b:为促进釜内物料和釜壁间的传热，以及需除占粘附于釜壁 的沉淀或粘稠液体，则可采用锚式或框式搅拌釜.
应大于30。 塔式反应器：高大的圆筒体内安装塔板或填料。 固定床反应器：管式反应器或塔式反应器内填充催化剂固体颗粒。 流化床反应器：将细小催化剂颗粒在管式或塔式反应器内借流体自
下而上的鼓动作用，使之悬浮在反应器中。
二、按反应物料的相态分类 有均相反应器和非均相反应器
三、按操作方法分： 间歇操作、连续操作和半间歇操作
第五章 反应器的类型及设计
1 反应器的设计是针对化学反应过程进行的，如反应器 的选型、条件的优化和放大。
2 反应器放大，应考虑反应器放大前后保持转化率或收 率相等，而反应的转化率和收率是由化学平衡和反应速 率决定的，其中反应速率是根据生产规模计算所需反应 器有效容积的依据。
3 从微观看，平衡常数K和反应速率常数k只与反应系统 的温度和压强有关；不会因反应器的构型和大小的不同 而改变。
连续反应器：物料以一定流速连中加入物料，但连续续送入 反应器，同时反应产物又连续从反应器中流出。
§5.2间歇操作搅拌釜
主要是进行恒温恒容反应的反应器。其特征：反应过程中， 反应物浓度随时间变化。
反应时间是设计反应器的重要依据
一、等温间歇操作的反应时间
反应的转化率和反应时间的关系：
t
c A, 0
§5.3管式反应器
一、活塞流反应器的数学模型
根据活塞流模型的概念，物料通过反应器内任一体积微
元dv的物料衡算关系，如图5-3 所示。
则物料衡算式可写为:
5-9
设反应物组分A的初始摩尔流量为 q n , A ,0 ,则有:
5-9 可写成:
对5-10 进行积分:
VR xA dxA
qn,A,0
通常间歇搅拌釜的有效容积为釜总体积的75%-85%。如 果反应过程发生起泡或沸腾等现象，装料系数η应减小 至0.4-0.6。搅拌釜的总体积为：
V VR /
二、间歇操作搅拌釜放大应注意的问题
（1）在满足了生产能力所需搅拌釜体积的前提下，必须注意搅拌 系统所达到的釜内物料的混合状态应与实验时所采用的小釜内物料 的混合状态相同。比如:
其外部边缘与釜壁和釜底的形状一致，易刮动粘附于釜 底和釜壁的物料, 提高传热效果，但液体随搅拌釜作水 平方向旋转、搅动并不激Leabharlann Baidu。转速一般只有20—80转/ 分。
4) 高粘度液体的搅拌: 这种液体不能依靠搅拌釜使液体翻腾而产生容积循
环,它们的混合必须依靠搅拌釜转动搅混整个液体。故 不能用推进式搅拌釜, 可采用锚式(或框式)、螺带式、 螺杆式等型式。
式搅拌釜长。用推进式螺旋桨，也可取得相同的搅拌效果.
2)固液悬浮液或固体在液体中溶解:
应促使物料的容积循环，可用涡轮式搅拌釜。
a: 如果固体的相对密度与液体的相对密度相近，则固体
不容易沉降，当固体的质量分数和液体的粘度都较小时，则 用推进式螺旋桨.
b: 当固、液相对密度较大，若只要求固体离开釜底而不要求均 匀悬浮时，应安装底挡板；如果要求均匀悬浮，则应同时安装 底挡板和壁挡板；
y A ,0 为组分A在反应物料中占的摩尔分数,% ; C p ,m 为反应物料 的平均摩尔定压热容,J/ (mol.K).
如果物料在管内流动产生较大的压强降时，则应考虑压强的 变化对于化学反应速率的影响。对于空管，用范宁公式计算：
XA 0
dxA (rA )
对间歇操作搅拌器进行设计计算时，必须确定处理每一批 物料所需的操作时间。包括：反应时间t，装料、卸料和清洗等 作业消耗的辅助时间t’（由经验确定）。 当已知单位时间应处 理的物料的体积流量（生产任务）qV,则可计算出所需反应器的
有效容积（装料容积）VR，即: VR qV(tt')
1) 对于两种液体物料的均匀混合，在设计搅拌器时，可取大小两 个搅拌系统叶轮末相速度相等的准则。即：
2) 或者采用单位容积(v)投入的搅拌功率(P)相等(P/v，又称之为搅
拌强度)的准则，即：
（2）当搅拌釜放大时，依靠釜壁夹套作为传热面积，不会
随釜的体积的放大而按相同比例增大；相反，其单位体积所 具有的釜壁传热面积相应会减小，则不一定符合要求.可在釜 内可安装蛇形管,但会形成阻力,此时可对搅拌叶轮大小和转 速作适当调整.
4 从宏观看，实际的化学反应速率，除反应系统温度和 反应物料浓度的影响外，还受物料在反应器内的停留时 间及其分布的影响。
§5.1工业反应器的基本类型
一、按反应器的构型特征分类 可分为：釜式、管式、塔式、固定床和流化床式。
釜式反应器的结构分为： (1) 釜体：高径比较小的圆筒体 (2) 搅拌器：由电动机驱动的安装有浆叶的搅拌轴组成 (3) 换热器：有壳壁夹套和釜内安装蛇管两种形式 管式反应器：为一个细长的直管或由多管组成的列管，管子长径比
xA,0 (rA)
令qv.0,为反应物料的初始体积流量，则
5-10 5-11
则有
VR
qv,0
cA,0
xA dxA xA,0 (rA)
5-12
对于绝热非等温系统，应考虑温度改变对反应速率所产生 的影响。通过热量衡算可以求出转化率变化与温度变化的关系：
TT0yA,0C (p, mHr)(xAxA,0)
设计搅拌釜传热面积：
先根据热量衡算求出所需的加热（或冷却）的热量，然
后根据加热介质的进出口温度计算介质的用量和传热面积。
（3）对于不同物料系统和工艺要求的混合，应选择不同形 式的搅拌釜。
1) 低粘度互溶液体的混合:
采用涡轮式搅拌釜, 当转速较低时，也可采用平直桨式
搅拌釜、这种搅拌釜的功率消耗量较低，但混匀时间比涡轮