化工基础 第八章 典型反应器

化工原理中的反应器设计与操作在化工原理中，反应器设计与操作是一项十分重要且复杂的任务。

反应器是化学反应进行的关键设备，其设计合理与否直接影响着反应效果和产物质量。

本文将介绍反应器设计与操作的基本原理和常用方法。

一、反应器设计的基本原理反应器设计的主要目标是实现反应的高效与安全，确保产物的质量和数量得到满足。

在设计反应器时，一般需要考虑以下几个方面的因素。

1. 反应动力学反应动力学是了解反应速率与反应条件（如温度、压力等）之间关系的重要理论基础。

通过反应动力学的研究，可以确定反应器的尺寸和操作参数，以实现所需的反应速率和产物收率。

2. 反应热学反应过程中常伴随着吸热或放热现象，这将对反应器的操作和安全性造成影响。

通过对反应热学的研究，可以估算反应热量的大小，设计合适的冷却设备以控制反应温度，并采取必要的安全措施。

3. 反应物料的选择和物料平衡反应器中的反应物料选择合适，能够改善反应效果。

在设计反应器时，需要进行物料平衡计算，确保反应物料的进出口量满足反应方程式的要求，避免物料的浪费和产物的污染。

4. 反应器的类型选择根据反应条件和需求，可以选择不同类型的反应器，如批量反应器、连续流动反应器、固定床反应器等。

每种反应器都有其适用的场合和特点，需要根据具体情况来选择。

二、常用的反应器设计方法反应器的设计方法有多种，根据具体的需求和反应条件选择合适的方法进行设计。

1. 理论计算法理论计算法是最常用的反应器设计方法之一，它基于反应动力学和物料平衡原理，通过数学模型和计算方法，推导出反应器的尺寸和操作参数。

这种方法需要准确的反应动力学和物料数据作为输入，相对精确但较为繁琐。

2. 经验法经验法是反应器设计的一种简化方法，它基于过去的经验和实验数据，通过调整参数和模型的经验常数来估计反应器的尺寸和操作参数。

这种方法快速简便，但其结果依赖于经验数据的准确性。

3. 缩尺实验法缩尺实验法是指在较小的实验装置中进行反应试验，并根据试验结果进行反应器的设计。

收藏：化工反应器的基本知识F-T合成反应器F-T合成反应器呼跃军摄化工装置反应设备是发生化学反应或生物质变化等过程的场所，是流程性材料产品生产中的核心设备。

广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门。

在化工生产中，化学反应的种类很多，操作条件差异很大，物料的聚集状态也各不相同，使用反应器的种类也是多种多样。

本期内蒙古化工小编就与大家分享一篇文章，了解反应器的基本知识。

一般可按用途、操作方式、结构型式等进行分类。

最常见的是按结构型式分类，可分为机械搅拌式反应器，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，移动床反应器，电极式反应器和微反应器。

内蒙古化工小编接下来就就带你认识了解各类反应器和它们的特点。

机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器可以用于均相反应，也可用于多相（液-液，气-液，液-固）反应，可以间歇操作，也可以连续操作。

可在常压，加压，真空下生产操作，可控制范围大。

同时在生产结束后，出料容易，反应器清洗方便，机械设计也已经成熟，因此用途十分广泛。

搅拌反应器主要由搅拌容器和搅拌机两大部分组成，搅拌容器包括筒体，换热元件及内构件。

搅拌器，搅拌轴及密封装置，传动装置等统称为搅拌机。

釜式反应器釜式反应器也称槽式、锅式反应器。

特点：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。

物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。

反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。

优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。

缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。

绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。

管式反应器管式反应器主要用于气相、液相、气—液相连续反应过程，由单根(直管或盘管)连续或多根平行排列的管子组成，一般设有套管或壳管式换热装置。

其结构简单，制造方便。

化工反应原理与设备对化学反应原理与设备的研究主要借助于“三传，一反”即化学反应过程中的动量传递、热量传递、质量传递、化学反应动力学方程式。

化工反应原理与设备主要包括以下的几方面内容：化学反应动力学特性化学反应动力学是指化学反应过程中，操作条件如反应的温度、反应的压力、反应物的浓度、催化剂等对反应速率的影响规律。

这些规律一般是在实验室内，对小型反应器内的化学反应进行研究而得到的，他不包括传递过程的影响，通常得到的是以简单物理量所描述的影响反应速率的动力学方程式。

它是对反应器进行设计、计算和分析的基础。

物理过程对反应的影响工业反应器内的物理过程主要指流体的流动、传质和传热过程。

这些过程会影响到反应器内的浓度和温度在空间上及时间上的分布，使得反应的结果最终发生变化。

因此，只有对这些物理过程进行分析，找出它们对反应过程的影响规律，定量描述，才能准确分析反应过程，对反应器进行设计和选型。

（放大效应：利用小型设备进行化工过程实验得出的研究结果，在相同的操作条件下与大型生产装置得出的往往有很大差别。

有关这些差别的影响称为放大效应。

其原因是小型设备中的温度、浓度、物料停留时间分布与大型设备中的不同。

）反应器的设计和优化将化学反应动力学特性和反应过程中的传递特性结合起来，建立数学模型，利用计算机对化学反应过程进行分析、设计，并对反应进行最优生产条件的选择以及控制。

反应器的操作反应器的计算包括设计计算和校核计算。

而反应器的校核计算在化工生产装置中是必不可少的。

校核计算和生产过程中反应器的操作有很大的关系。

反应器的类型有：釜式反应器、管式反应器、填料函式反应器等。

釜式反应器根据操作特点又可分为：间歇式釜式反应器（BR）、连续操作反应器（CSTR、多釜串联连续操作反应器（n-CSTR。

间歇釜式反应器的特征特点：1、由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2、具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3、物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。

2.3 反应器的设计计算反应器的机械设计遵照AS1210（无明火压力容器）标准。

反应器将由低合金铬钢制成，用矿渣棉保温，由圆柱裙座和水泥地基支撑。

2.3.1 列管数的计算本设计采用的列管规格为 3.5mm 32 φ，长度为3米，催化剂堆积高度为2.8米，催化剂的类型为:五氧化二钒和二氧化钛,载体为6mm 瓷球，支撑方式为金属丝网和夹环[18]。

根据《化工设计项目设计手册》可知，类列管的烃负荷为340g/（管*h ）。

根据物料衡算可知烃进料为6622Kg/h则所需的列管数为：6622/0.34=19476.5根即需要列管19480列管以正三角形排列,管心距为40mm根据公式： N T =3a(a+1)+1N T ----排列在六边形内的列管数a------六边形的层数设 a=78 N T =3×78×(78＋1)＋1=18487设每个弓形排列列管数为172根，则弓形部分列管排列数为： 172×6=1032根；总计：18487+1032=19519根，但因为反应器中间部位的三圈管子作为支撑，并不进行反应，所以在进行排列时要减去这三圈管数，因为N T =3a(a+1)+1，所以三圈管子的数量为37根。

则实际的排列的管数为17941-37=17904根。

2.3.2．塔径的计算：六边形对角线： L=78×2×40=6.24m则反应器的直径D L =L+d 0=6.24+0.032=6.272m (d 0为列管外管径)根据公式Di=D L +2b 3计算反应器内径因为b 3≥0.25d 0 0.25d 0=0.25×32=8mm所以b 3=10mm则反应器内径Di=D L +2b 3=6.272+20=6292mm=6.292m 所以Di 取6.5m2.3.3管程压力降的计算：反应器的质量流量[13,16]： h m kg G ./43.72734025.019482106.9522224=⨯⨯⨯=π流体的热导率： l h m kal f ../0447.0=λ黏度： cp033.0=μ()pa cp 3101－= 密度： 3/77.0m kg f =ρ质量流量： s m Kg h m kg G ⋅==22/02.2/43.7273床层的空隙率： 0.405管程压力降为：()g d G G d L P p p ρεεμε3175.11150－－⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∆ ()9.810.536 2.02405.0405.0－102.275.161034.3405.0－1150335⨯⨯⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯⨯⨯=∆-PKPa P 15.6=∆2.3.4 反应器壁厚的计算：苯酐和顺酐蒸汽对于大多数钢而言腐蚀性不强，平均腐蚀速度通常小于0.05mm/s ，而冷却盐在高温下具有强氧化性，因此需要相当含量的铬组分以提高抗腐蚀性，铬组分的添加同时改善了高温下的机械性能，所以需用不锈钢316型，年腐蚀速度低，在430℃时许用应力为MPa 109[16]由《化工机械基础》)查得壁厚的公式：[]c p D P t i c +=－ϕσδ2 式中：cP —计算压力，MPa P c 2.2=（根据《化工设计项目设计手册》） i D —塔内径，mm D i 6500=[]t σ—许用应力，[]MPa t109=σ ϕ—焊接接头系数，0.1=ϕ C —腐蚀量，2=C∴3.12.2－0.1109265002.2+⨯⨯⨯=δ mm 57.67=δ圆整后，mm 68=δ2.3.5 封头的计算：标准椭圆封头的最小壁厚[]PcPD t 5.02－ϕσδ= mm 68=δ 封头的曲面深度4D h =46500=mm 1625= 直边高度mm h 500=裙座上开人孔直径为mm 500 ，人孔2个裙座高2.3m 校核：当δ4mPD ＜[]t σϕ时，符合强度要求 δ4mPD =68465002.22⨯⨯⨯=105.15MPa 所以δ4mPD ＜[]t σϕ 符合强度要求 2.3.6 反应器的高度的计算筒体高度为m 3，封头的曲面深度为1.625m ，直边高度为50mm,裙座高2.3m ，反应物料的进出口开在器壁，故器壁部分列管上下各留出1.5米。

化工反应器设计原理化工反应器设计是化学过程工程中重要的环节之一。

反应器是指通过化学方式将原料转化为所需产物或半成品的设备。

反应器的设计不仅是化学工程师的职责，还需要涉及物理、数学、机械和材料科学等领域的知识。

本文将探讨化工反应器设计的原理和相关的基本概念。

化学反应的基本原理化学反应是指物质之间的化学变化。

化学反应包括趋化作用、物化作用、还原作用等。

其中，物化作用是最常见和重要的一类反应。

物化反应包括酸碱中和反应、氧化还原反应、沉淀反应等。

化学反应是热力学和动力学过程，需要满足能量守恒和物质守恒的原则。

化学反应器的基本构件化工反应器主要由反应釜、搅拌器、加料器、升降装置、冷却装置、加热器、传热器、分离装置和控制系统等组成。

其中，反应釜是最关键的部分，它需要满足以下要求：1. 反应釜应该具有良好的耐腐蚀性，以适应各种化学反应的高温、高压、强酸强碱等特殊工况。

2. 反应釜应该具有良好的密封性，确保反应过程中不泄漏。

3. 反应釜应该具有良好的加热和冷却性能，以控制反应温度。

4. 反应釜应该具有良好的搅拌效果，以保证反应物的均相混合和传质。

反应器设计的基本原则反应器设计需要根据具体情况进行，但是有一些基本原则是通用的：1. 选择适当的反应条件，包括温度、压力、物料的配比和浓度等。

2. 选择适当的反应釜，选择合适的反应器材料、反应器结构和反应器规格等。

3. 选择合适的搅拌方式，常见的搅拌方式包括机械搅拌、气相搅拌和超声搅拌等。

4. 控制反应速率，可以通过温度、压力、物料的加料速度等控制反应速率。

5. 提高反应选择性，通过添加催化剂、选择性溶剂、添加剂等方法提高反应选择性。

6. 控制反应过程，包括控制反应时间、补充反应物、控制反应温度和压力等。

反应器设计的计算方法反应器设计的计算方法需要通过物理方程和数学方程进行。

由于化学反应是热力学和动力学过程，需要根据化学反应方程式和反应动力学参数进行计算。

常见的反应器设计计算方法包括：1. 沉降速度法：通过条件稳态的假设，计算反应物在反应器内的速度和浓度分布，从而确定最佳的反应釜结构和搅拌方式等。