第六章 连续操作反应器

化学反应器化学反应器是实现反应过程的设备。

化工生产过程的核心装置，也是最多而杂的部分，广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门。

目录分类特点操作方式生产步骤分类按操作方式分类：1、间歇操作反应器在反应之前将原材料一次性加入反应器中，直到反应达到规定的转化率，即得反应物，通常带有搅拌器的釜式反应器优点：操作弹性大，重要用于小批量生产2、连续操作反应器反应物连续加入反应器产物连续引出反应器，属于稳态过程，可以采纳釜式、管式和塔式反应器优点：适合于大规模的工业生产，生产本领较强，产品质量稳定易于实现自动化操作。

3、半连续操作反应器预先将部分反应物在反应前一次加入反应器，其余的反应物在反应过程中连续或断连续加入，或者在反应过程中将某种产物连续地从反应器中取出，属于非稳态过程优点：反应不太快，温度易于掌控，有利于提高可逆反应的转化率按流体流动及混合型式分类：1、平推流反应器物料在长径比很大的管式反应器中流动时，假如反应器中每一微元体积里的流体以相同的速度向前移动，此时在流体的流动方向不存在返混，这就是平推流。

特点：各物料微元通过反应器的停留时间相同,物料在反应器中沿流动方向逐段向前移动，无返混，物料构成和温度等参数沿管程递变，但是每一个截面上物料构成和温度等参数在时间进程中不变，连续稳态操作，结构为管式结构。

2、理想混合流反应器反应器的物料微元与器内原有的物料微元瞬间能充分混合（反应器中的猛烈搅拌），反应器中各点浓度相等不随时间变化。

特点：各物料微元在反应器的停留时间不相同，物料充分混合，返混最严重，反应器中各点物料构成和温度相同，不随时间变化，连续搅拌釜式反应器3、非理想混合流反应器实际反应器，重要是由于工业生产中在反应器中的死角、沟流、旁路、短路及不均匀的速度分布使物料流动型态偏离理想流动。

特点1、催化剂不易磨损2、较少量催化剂可获较大生产本领3、有利于达到高的选择性和转化率4、传热较差5、催化剂的更换必需停车6、催化剂应有较长的寿命操作方式化学反应器有三种操作方式：间歇（分批）式、连续式和半连续（半间歇）式。

第六章生物反应器结构与设计计算由生物细胞或生物体组成参与的生产过程可统称为生物反应过程，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生产过程中，具有重要的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。

在生物反应过程中，若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。

采用游离或固定化酶，则称为酶反应过程。

按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同，生物反应器可分为酶反应器和细胞生物反应器。

根据反应器所需的能量的输入方式，微生物细胞反应器可以分为：通过机械搅拌输入能量的机械式、利用气体喷射动能的气生式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等。

自上一世纪四十年代，青霉素大规模生产以来，出现了结构多异，性能和用途不同的多类生物反应器。

为配合生物加工过程，工艺条件需要对生物反应器的结构进行设计和计算，以获得较高的产率和规模化生产。

一个良好的生物反应器应满足下列要求：1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；2）有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；5）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。

第一节机械搅拌式生物反应器机械搅拌式生物反应器是发酵工厂最常用的类型之一。

它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢产物所需要的氧气。

一、机械搅拌式生物反应器的结构机械搅拌通风发酵罐主要有罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等。

下面做简要的介绍。

1．罐体罐体由圆筒体和椭圆形或碟形封头焊接而成，材料以不锈钢为好。

为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130℃和0.25MPa（绝压）。

微反应器已经被大量应用于精细化学品、生物医药和纳米材料制备并实现了工业应用。

其在几十微米到几千微米尺度上控制流动、传递和反应过程，具有极高的混合、传热、传质效率。

微反应器内传热／传质系数较传统化工设备大１～３个数量级，特别适合于快速反应、高放热反应等。

通过微设备的串并联组合，还可以实现不同反应或分离功能的模块化集成。

微反应器技术在学术界和工业界都引起了极大的关注。

我们知道微反应器从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器；反应器中的微通道利用精密加工工艺制造而成!特征尺寸通常在微米级别。

由于微反应器内工艺流体的通道尺寸非常小相对于常规管式反应器而言其比表面积体积比非常大。

因此微反应器具有极高的混合效率，（毫秒级范围实现径向完全混合）、极强的换热能力（传热系数可达25000W/m2.K）传热和极窄的停留时间分布（基本接近平推流）其实,对于微反应技术相对于常规反应器的优势在文献中已有不少详尽的描述。

具体到香料合成方面的应用，具有完全不同于常规反应器结构特征的微反应技术有以下几个突出的优势：1、微反应器技术可以实现反应物料的瞬间的混合和对反应工艺参数（如温度压力和反应时间等）的精确控制，可以提高反应的收率和选择性；2、实现过程的连续化和自动化控制。

从而提升工艺稳定性并确保产品质量；3、在线反应体积小保证了化学反应的安全性。

此外微反应技术消除了过程放大效应，小试工艺的最佳反应条件可以直接用于工业生产，大大缩短了工艺研发时间。

连续流反应器有着高速混合、高速传热以及反应物停留时间的窄分布、重复性好、系统响应迅速便于操作、原料使用少的特点。

据统计，在精细化工反应中有大约20%的反应可以通过微反应技术在收率、选择性或安全性方面得到提升。

微反应技术在全世界范围内香料工业研发和生产上的应用正日益增多，在可以预见的未来，这一技术必将得到广泛应用。

上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。

第六章如何理解活化能的工程意义是反应速率对反应温度敏感程度的一种度量？ 答：反应速率表达式为12()()i i r f T f c = ∵10()exp()cg E f T k k R T==- ∴1ln /c E k T ∝∂∂ 即1ln /c i E r T∝∂∂反应活化能直接决定了反应速率常数对温度的相对变化率大小，因此，活化能的工程意义是反应速率对反应温度敏感程度的一种度量。

简述间歇反应器？简述脉冲示踪法测停留时间分布密度的实验方法及其对应曲线？答：脉冲示踪法是在定常态操作的连续流动系统的入口处在t=0的瞬间输入一定量M 克的示踪剂A ，并同时在出口处记录出口物料中示踪剂的浓度随时间的变化。

（4分）对应的曲线为E(t)曲线，0()()()c t E t c t dt∞=⎰。

用作图法求解理想管式反应器体积？ 答：反应空时可由下图求得则由0r V V τ=可求得反应器体积。

24225C H H O C H OH 是可逆放热反应，如何优化管式反应器温度？答：该反应是一个可逆放热反应，提高温度可以提高正方向反应速率，但降低了平衡常数，从而减小了可能达到的最大收率，降低了原料的利用率。

因此，在反应器进口处，由于反应气体组成远离平衡，为提高反应速率，采用较高的温度是有利的；在反应器出口处应降低温度，以提高所能达到的平衡转化率。

整个反应器温度采用前高后低序列。

试描述催化剂在催化反应中的作用？ 什么是拟一级反应，有什么作用？答：拟一级反应是指在双组分二级反应中，其中一个组分浓度相对与另一个组分浓度很高，则高浓度组分在整个反应过程中浓度可以近似看作不变，则反应可以看作低浓度组分的一级反应，称为拟一级反应。

拟一级反应在降低二级反应后期反应时间，降低相同转化率所需时间。

简述扩散模型基本假设试用作图法说明如何优化自催化反应反应器，使其反应器体积最小？答：如图所示，自催化反应器可采用全混流反应器串联管式反应器，使整个反应器体积最小。

反应器介绍简介用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。

器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。

在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。

在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。

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。

类型常用反应器的类型（见表）有：①管式反应器。

由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。

②釜式反应器。

由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。

用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。

③有固体颗粒床层的反应器。

气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。

④塔式反应器。

用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。

⑤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。

⑥其他多种非典型反应器。

如回转窑、曝气池等。

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。

间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。

连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。

当操作达到定态时，反应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。