第五章+反应器及其放大

1）气、固反应系统：
固体是分散相，从传质效果看，流化床优于固定床，
但流化床返混程度大，致使其传质效果的优越性被削
弱。
当反应转化率高，过程不属于扩散控制时，采用固定床
可以突出其反应体积小的优点；
当反应为扩散控制，而对反应转化率和选择性无限制时，
采用流化床反应器的体积也不会太大。
2）气、液反应系统：
搅拌器。
气体分散和气体吸收：圆盘式涡轮搅拌器。
高黏度液体的搅拌：锚式（框式）、螺带式、
螺杆式等。
习题：在间歇操作搅拌釜中进行己二酸
（C4H8（COOH）2）和己二醇的缩聚反应生成醇
酸树脂，己二酸的转化速率为-rA=kCA2，CA为
己二酸的浓度，kmol/L，实验测得343K时的反 应速率常数k为1.97 L /（kmol· min），己二酸 与己二醇的物质的量之比为1：1，反应混合物 中己二酸的起始浓度为0.004 kmol/L。如果己 二酸每天投料2400kg，要求转化率达到80%， 计算反应釜的体积。
性盐（K2Cr2O7、KMnO4）有较好的耐腐蚀性；但耐稀
酸的腐蚀性差。
2、不锈耐酸钢
使用广泛的不锈钢： 0Cr18Ni9Ti， 1Cr18Ni9Ti 耐腐蚀性能高的不锈钢 0Cr17Ni13Mo2Ti，00Cr19Ni10 各种牌号中前面的数字为平均含碳量（千分之几），合金 元素符号后的数字为各元素的平均含量（%），含量低于 1.5%时，元素符号后面不标数字。
c、d将反应器和传热设备分开的外循环传热方 式，可以避免釜内传热不良的现象，对于强 放热反应，比较合适。
三、从相际传质角度考虑反应器型式
非均相反应通过质量传递在相界面进行，反应
条件和反应过程的控制均与相际接触方式、相
界面积大小，以及传质速度等质量传递问题有
密切关系，必须从传质角度考虑反应器型式。
二、多段进料的平推流反应器
使物料B在反应器内保持较低的浓度，物料A
的特征接近于管式反应器；物料B的浓度在反
应器内接近恒定，类似于连续操作搅拌釜。
三、半间歇式鼓泡反应器
反应器内物料A为间歇操作，具有间歇操作搅 拌釜的特征；物料B为连续通过，具有管式反 应器的特征。
四、多段进料串联釜
对于物料A，具有串联连续操作搅拌釜的特征； 对于物料B，按各部分进料量的多少相当于单 个连续操作搅拌釜。
第三节
连续操作搅拌釜
一、CSTR反应器的设计方程
V C A0 C A C A0 x A v0 rA rA
用理想混合反应器的设计方程对连续操作搅拌
釜在处理低黏度液体物料时的设计计算是合适 的。
二、多釜串联反应器的设计方程
Vi C Ai 1 C Ai xAi xAi 1 i n n v0 kiC Ai kiC A1 (1 xAi )n 0
1 ( ) rAi 1 1 1 [ ] xAi ( xAi xAi 1 ) rAi 1 rAi
总反应体积最小所必须遵循的条件
四、放大时应注意的问题
设计方程的依据是釜内物料的流动与混合达到 理想混合状态，运用设计方程进行放大时，实 际系统应满足这一条件。 连续操作搅拌釜放大的相似条件是平均停留时 间相等、停留时间分布函数相同。 对于连续操作搅拌釜放大，保持停留时间相等 而且要保持空速相等；为了维持反应温度，应 使传热面积能和容积的增大相适应，则放大后 不一定能保持几何相似。
2、反应釜放大时，由于容积放大，单位容积所
具有的釜壁传热面积相应减小，应采用釜内添
加传热内盘管、物料外循环冷却和溶剂挥发冷 凝等结构。 3、不同体系和工艺要求的物料，应选择不同型 式的搅拌器。
低黏度互溶液体的混合：宽叶的四叶涡轮式搅
拌器，功率消耗小。
低黏度非均相液体分散：六叶平直涡轮搅拌器。
固体悬浮和固体溶解：四折叶或平直叶涡轮式
如果反应过程为扩散控制，由于化学反应速率快，反应
过程在液膜内进行，要求相界面积大，而液体所占反应
体积的分率不重要，以选用逆流填料塔式反应器为宜。
如果化学反应和扩散对过程速率起决定作用，化学反应 在相界面和液相主体中同时进行，要求相界面积和液相 体积均大，宜选用带机械搅拌的鼓泡式反应器或连续鼓 泡式反应器进行。
多釜串联反应器的相似条件应当是每一釜的停
留时间分布相同、温度相同和反应转化率相同，
而且反应速率不受搅拌速率的影响。
对于非均相系统，放大判据为相界面积相同，
但要测定实际系统的相界面积很困难，一般用
单位容积输入功率相等取代。
第四节
其它反应器型式
一、循环（回路）式反应器
根据物料返回量的大小，介于平推流反应器和 连续操作搅拌釜之间。
第二节
管式反应器
一、平推流反应器的设计方程
x A dx V A C A0 0 r v0 A
二、非平推流管式反应器放大 离析流模型

xA xA (t )E (t )dt
0
轴向分散模型
C A 2C A C A EZ u 2 t l l
C EZ 2C C 1 2C C ห้องสมุดไป่ตู้ 2 2 uL Z Z Pe Z Z
t 0 t0 F T .C. VCR M R
dCR CR dt t [( 0 t 0 F ) / ]
CR G
满足单位生产量的总费用 最小所必须的条件 —— 最 优反应时间
B
O
topt
E
t
三、放大时应注意的问题
1、在保持放大后的反应釜与放大前模型反应釜 几何相似的情况下，应保持搅拌所产生的物料 混合状态相同。 放大判据：单位容积物料的搅拌功率（搅拌强 度N/V）相等。
反应器体积
V YR (t t0 ) / CR
二、最佳反应时间的选择
反应器的平均生产速率YR为目标函数
YR
dCR CR dt (t t 0 )
CRV t t0
CR M
满足单位时间 产品产量最大 所必须的条 件——最优反 应时间topt
A
0
D
t
topt
目标函数为单位生产量的总费用T.C．
假设反应为一级不可逆反应，且各釜具有相同 的体积和相同的温度。
1 xA 1 (1 k i ) N
三、串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比
假设进行单一反应，总反应体积V
xA1 xA0 xA2 xA1 xAN xAN 1 V V1 V2 VN v0C A0 rA1 rA2 rAN
C A 2C A C A Ez u (rA ) 2 t l l
三、放大应注意的问题
在保持放大前后两系统几何相似的同时，应 保持两系统内物料流动的停留时间分布函数 相等。
为保持放大前后反应器内物料的停留时间分 布相同，无论物料呈层流流动还是湍流流动， 应保持两系统流动的雷诺数相等。 对于气相反应，当反应器管长远大于管径， 而产生的压强变化又影响反应器内的总压时， 必须考虑压强的变化值相等。
串联反应：
选用平推流反应器。
第六节
1、种类
反应器材料
金属材料：碳钢、铸铁、不锈钢；铅、铝、钛。 非金属材料：搪瓷、陶瓷、玻璃、石墨、橡胶、塑料。
2、耐腐蚀性
某介质在某种条件下对某材料的腐蚀速率小于1毫米/年， 可认为该材料在这种条件下对该介质有耐腐蚀性。
一、腐蚀的分类
1、根据腐蚀发生的原因分类 化学腐蚀：高温气体或非电解质溶液与材料发
速度不随时间而缓慢，而且要到材料破坏而致 设备穿孔后才被发现，危害性极大。
3、影响腐蚀的因素 材料和介质本身性质 温度、压力 介质的运动速度：随着流体流动速度的增加，
设备腐蚀加快；一般搅拌釜式反应器比不带搅
拌的反应器腐蚀快；釜中的搅拌器比釜壁腐蚀
快；离心泵叶轮因转速高，腐蚀比泵壳快。
设备的残余应力：由于金属设备在加工过程 中，因冲压、扭曲成型或焊接等操作比较集中 地残留在设备某些部位的机械应力或热应力， 如设备的封头过渡区和焊缝所在部位腐蚀快。 杂散电流：由于绝缘不良而漏到金属设备的 电流，会加速设备腐蚀。
如果过程仅由化学反应控制，反应主要在液相中进行，
虽然要求有较大的相界面积，但液相体积是主要条件， 一般选用半间歇式鼓泡反应器或连续式鼓泡反应器。
3） 气、液、固三相系统
由于存在两种相界面，而固、液界面的传质阻 力通常都大于气、液界面的传质阻力，对反应 过程起决定作用的是固、液间的传质。为了加 快反应速率，缩小反应器体积，多采用气体和
含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性
降低。与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低 ，性 能范围宽 ，用量最大 。
A3、A3F、A3R：制造常压设备和强度要求不高的设备 广泛采用的材料。
A—甲类普通碳素钢
3—顺序号 F—沸腾钢（冶炼时脱氧 不完全） R—容器用钢 耐腐蚀性：对70%以上浓硫酸、50%以上的浓硝酸、氧化
装置。
床式：用于多相催化或非催化反应，可分为固定
床、 流化床、移动床等。
3、按反应相态分类
均相反应器、非均相反应器
第二节
一、反应时间
物料衡算方程 热量衡算方程
间歇操作搅拌釜
t nA0
xA
0
dx A (rA )V
dxA dT UA (T Tm ) dt dt CV V
单一而产量较大的
场合。
气
3) 半分批（或称半连续） 式操作特点：非定常态的 过程，物料浓度及反应速 率随时间改变。
适用：用于一些反应的控
制。
气
2、 按反应装置的结构型式分类
管式：长径比大，多用于均相反应。
釜式：高度与直径相当或稍高，釜内有搅
拌等装
置。
塔式：高度为直径的数倍，内部有填料，筛板等

可逆放热反应：
由于化学平衡和反应速率对于反应温度的要求 相互矛盾，需要由高至低的最佳温度序列，一 般多采用多段中间冷却的管式反应器。
平行反应：
主反应级数大于副反应级数，提高反应物浓度对于反 应选择性有利，可采用平推流反应器或间歇操作搅拌
釜；
主反应级数小于副反应级数，降低反应物浓度对于反 应选择性有利，应采用具有返混的反应器，如连续操 作搅拌釜。
生化学反应引起的腐蚀。（非金属材料的腐蚀）
电化学腐蚀：电解质溶液与材料发生电化学反
应引起的腐蚀。（金属材料的腐蚀）
2、根据腐蚀破坏的形式分类
均匀腐蚀：介质对材料整个表面以相同的速
度进行的腐蚀，又称表面腐蚀或全面腐蚀。
局部腐蚀：由于材质不匀或材料内部应力不
均或晶粒破裂等原因造成介质对材料的电化学
腐蚀，一般发生在材料的局部位置上，其腐蚀
二、碳素钢、合金钢等黑色金属材料
1、普通碳素钢
含碳量低于2%，按含碳量可分为低碳钢（含碳量
≤0.25%）；中碳钢（0.25%＜含碳量＜0.6%）；高碳钢 （含碳量≥0.6%）。
按磷、硫含量把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、
优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更 低）和特级优质钢。
固体均高度分散于液相中的反应器，如机械搅
拌的鼓泡反应器。
四、从转化率和选择性考虑反应器型式
不可逆简单反应：
① 反应级数 n＞0 采用平推流反应器或间歇操作的完全混合反应 器所需的反应容积最小，其次是采用多釜串联 的全混流反应器，单一的全混流反应器所需的 容积最大。
② 反应级数 n < 0 采用具有返混的全混流为最佳，多釜串联导致 反应器容积增大，且釜数愈多容积就愈大，平 推流将不利于这类反应。 ③自催化反应 选用全混流反应器串联平推流反应器。
气、液反应：鼓泡式反应器、逆流塔式反应器 气、固反应：固定床反应器、流化床反应器
二、根据传热要求选择反应器型式
绝热操作：
反应热效应小
绝热操作用在具有较大热效应的均相反应时，要求反
应器结构能使物料造成一定程度的返混，反应所需的 温度，依靠反应后热物料的返混来实现。 非绝热操作： 小搅拌釜：夹套传热 大容积釜：盘管、外循环和溶剂挥发冷凝等。
五、连续操作鼓泡式反应器
六、逆流填料塔式反应器
七、逆流板式塔反应器
八、固定床催化反应器
九、流化床反应器
第五节
选择反应器
一、根据物料相态选择反应器型式
均液相反应：间歇或连续操作搅拌釜或活塞流 管式反应器。 气相反应：选用管式反应器，对于反应速率要 求快，停留时间相对较短的反应选用管式反应 器。
第五章
反应器 及其放大
第一节
工业反应器的基本类型
1、按操作方式分类 间歇式、连续式、半间歇半连续式
1）分批（间歇）式操作
特点：非定常态的过程，物料 浓度及反应速率不断改变 适用：为实验室及产量较小时 所采用。
2) 连续式操作
特点：定常态的过程，
物料浓度及反应速
率不随时间改变。
适用：产品品种比较