化工反应器基本理论172页PPT

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2023/10/13
表 釜式反应器常见故障与处理方法
故障 搅拌轴转数降 低或停止转动
搪瓷搅拌器脱 落 出料不畅
产生原因 皮带打滑 皮带损坏 电机故障 被介质腐蚀
出料管堵塞 压料管损坏
处理方法
调整皮带 更换皮带 修理或更换电机 更换搪瓷轴或修 补 清理出料管 修理或更换配管
2、特点：反应过程伴有传热、传质和反应物的流动过程。 物理与化学过程相互渗透影响，反应过程复杂化。
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§1-2 反应器的类型
• 反应器的类型： 釜式反应器 管式反应器
操作方式 材料 操作压力 绝热管式
换热管式
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b. 机械密封
机械密封 结构较复 杂，但密 封效果甚 佳。
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4、换热装置
换热装置是用来加热或冷却反应物料，使之符合工艺 要求的温度条件的设备。
其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管式、外部循 环式等，也可用回流冷凝式、直接火焰或电感加热。
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第六章 反应器
第二节 釜式反应器
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§2-1 反应釜基本结构
（一）基本结构：
壳体 密封装置 换热装置 传动装置
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2023/10/13
1、搅拌釜式反应器的壳体结构
壳体结构：一般为碳钢材 料，筒体皆为圆筒型。釜 式反应器壳体部分的结构 包括筒体、底、盖（或称 封头）、手孔或人孔、视 镜、安全装置及各种工艺 接管口等。

式中 M A、M B ——分别为组分A、B的分子量。
2．质量比与摩尔比 质量比是指混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组 分）的质量之比，其定义式为 mA A mB 摩尔比是指混合物中某组分A的摩尔数与惰性组分B（不参加传质的 组分）的摩尔数之比，其定义式为
nA YA nB
式中
返回
第四章 质量传递
4.1.1 概述
4.1.1.1化工生产中的传质过程
4.1.1.2.相组成表示法
4.1.1.1化工生产中的传质过程
动量传递 化工三传 热量传递 质量传递
是指物质在浓度差、温度差、压力差等推动力作用下，从 一处向另一处的转移，包括相内传质和相际传质两类。
1.传质分离过程：利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的 差异来造成一个两相物系，使其中某一组分或某些组分从一相转移 到另一相，达到分离的目的，这一过程称为传质分离过程。 以传质分离过程为特征的基本单元操作在化工生产中很多，有：
pG 气相主体
相界面
水
pi
液相主体 传质方向
Ci CL 空气+氨气 吸收
板式塔 3. 汽液传质塔设备 填料塔
(1) 板式塔
无溢流塔板：结构简单 、压降小、塔板面积利 用率高、 弹性小、效率低 有溢流塔板： 气液两相在设备中要有良好的接触： 接触充分，接触面大，相界面不断更新 无溢流塔板
解： 混合气可视为理想气体，以下标2表示出塔气体的状态。
y A2 0.02
YA2 y A2 0.02 0.02 1 - y A2 1 0.02
pA2 pyA2 101.3 0.02 2.026kPa
cA2 nA2 p A2 2.026 8.018 104 kmol/m3 V RT 8.314 298

反器基本理
• 反应器概述 • 反应器的基础理论 • 反应器的类型与选择 • 反应器的操作与优化
反器概述
01
反应器的定义和分类
分类
连续反应器（Continuous Reactor）：反应物以稳定流速连 续加入，产物也连续流出。
定义：反应器是一种用于进行化 学反应的设备或系统，通过控制 反应条件来促进化学反应的进行， 并获取所需的产物。
批式反应器（Batch Reactor）： 反应物一次性加入，反应完成后 产物一次性取出。
半连续反应器（Semi-Batch Reactor）：反应物一部分连续加 入，一部分批次加入。
反应器在化工流程中的地位
01
02
03
核心设备
反应器是化工流程中的核 心设备之一，直接影响产 品质量和生产效率。
反应条件控制
评估指标
评估反应器性能的主要指标包括反应器的转化率、选择性、产率等。此外，还需关注反应器的能耗、设备寿命、 操作稳定性等方面的指标。在实际应用中，需根据具体反应体系和需求，综合权衡各方面因素，选择最适合的反 应器类型和设计参数。
04
反器的操作
化
反应器的稳态操作
稳态操作定义
指的是反应器在连续、稳 定的状态下进行操作，各 参数不随时间变化。
适用场景
非均相反应器适用于涉及固-液、固气等反应体系的反应过程，如催化裂 化、气体吸附等。
反应器的选择与评估
选择因素
在选择反应器时，需要考虑反应物的性质、反应条件、产物要求等因素。例如，对于快速反应，宜选择均相反应 器；对于慢反应，宜选择非均相反应器。同时，还需考虑反应器的传热、传质性能，设备的投资与运行成本等因 素。
非理想流动模型
分析实际反应器中可能出现的非理想流动现象，如返混、死区等， 以及这些现象对反应器性能的影响。

理想反应器
连续式完全混合（返混程度最大）
平推流反应器 （无返混）
非理想反应器
间歇反应器
• 间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为 同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。
平推流反应器
• 理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属 于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。
t
• (3)空间时间τ 其定义为反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值。 即
VR
V • 空间时间是一个人为规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应器体积
的流体所需要的时间。
0
• 空间时间不是停留时间
空时为2h意思为每2个小时处理的物料量相当于一个反应器的体积
• (4)空间速度SV
• 有空速和标准空速之分。空速的一般定义为在单位时间内投入单位有效反应 器容积内的物料体积。即：
2
1 kcA0
xAf 1 xAf
• xA=0.6 tr=3.18h
•
•
xA=0.8 xA=0.9
t t
r= r=
8 1
.5 9.
h
0trh
1.97
1 10
3
4
0.5 1 0.5
1 2.10 60
h
• (2)反应器体积的计算 • xA= 0.8时：tt=tr+t’=8.5+1=9.5h • 每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为146，则有：
设计计算过程
• 对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量FA[kmol.h-1]以及原料组成CA0[kmol.m-3]、达到的产品要 求xAf及辅助生产时间t’、动力学方程等，均作为给定的条件，设计计算出间歇反应器的体积。

反应器基础知识
主 要 内 容
概述 反应器的种类 反应器的一般结构及优缺点 反应器的操作条件 反应器的选型
概述
反应器 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。
釜式反应器
搅拌器 除聚合过程外，还有许多其他化工过程需 要搅拌器。 按工艺过程搅拌器可分为混合、搅动、悬 浮和分散四种。 按型式，搅拌器有推进器式、透平式、浆式、 锚式、螺轴式、螺带式以及有刮壁作用的搅拌 器。前三种适用于高速搅拌低粘稠流体，后几 种适用于低速搅拌高粘稠流体。
釜式反应器
传热装置 聚合反应往往严格控制聚合温度， 要求反应物料纯净不被污染，加之粘度 高易结垢，要求传热装置传热效率要高， 结构要简单，避免有容易挂胶的粗糙表 面和导致结垢的死角，并便于清洗。
釜式反应器的高径比为1-2，在石化行业 中，除用于液相均相、液相非均相或气 相反应外，主要用于聚合反应，即将小 分子变为大分子，使反应物具有可塑、 成纤、成膜、高弹等特性。很多釜内含 有搅拌器和换热装置。大部分反应釜由 釜体、搅拌器、减速器、密封装置、换 热装置和挡板组成。
釜式反应器
釜体 釜体是一个压力容器，其内壁有的 要求镜面，有的无此要求。
塔式反应器
气升式鼓泡塔 气升式鼓泡塔塔内装有一根或几根气升管， 气体从下部的气体分布器进入气升管。在气升 管中，气液混合物密度比环形空间中的液体密 度小得多，引起液体在环形空间和气升管内做 循环流的，故称为气升式鼓泡反应器。苯乙烯 装置中的烃化/烃化转移反应器就是这种结构。

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.
定常态条件下，固定床中进行绝热催化反应，其物料衡算式 、热量衡算式和动量衡算式如下:
5-21 5-22 5-23
其中:ε为催化剂床层空隙率, f ` 为摩擦系数,量纲为1.
式中:
为修正的雷诺数,代入5-23得:
(up2)(dLs)1 (3)1 Re5M01.75
5-24
上述数学模型为固定床反应器的设计方程。在设计时数学模 型的运算并不困难，如果用机算机，则更为方便，可以求出 不同工艺条件和不同工艺要求时的催化剂床层高度和床层体 积。
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
的物质传递和反应过程是串联的。
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：

04
动力学方程式
定量描述反应速
率与影响因素之
间的关系式。
反应速率与影响反应
速率的影响因素之
间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程
非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:在反应系统中，某一物质在单位时间，单位反 应体系内的变化量。
变化量
反应速率
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
若为反应物则为消失速度 .
若为产物则为生成速度.
1 dnA
V dt
1 dni
ri
V dt
(rA )
反应速率
2、反应速率恒为正值
1 dni
ri
V dt
3、速度的表示形式和化学计量系数有关
对于 A A B B P P S S
05
工业指标
反 应 程 度
对于下列化学反应：
AA BB RR S S
初始：
某一时刻：
nA0
nA
nB0
nB
nR0
nR
ns0
ns
反应的量 nA- nA0 <0 nB- nB0 <0 nR- nR0＞0 nS- nS0＞0
其中 为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而
I
言为“＋”。
3. 示踪剂必须是能用简便而又精
确的方法加以确定的物质
4.示踪剂尽量选用无毒、不燃、无
腐蚀、价格便宜的物质
示
踪
物
的
选
择
03
反应器流体流动
脉冲法
过 程：
在反应器中流体达到定态流动后，在极短的时间内将示踪物注入进料中，然后立刻

自催化反应 复杂反应
可控制在最佳浓度下操作
反应物浓度高有利于副 反应进行时
有利！
返混对连串副反应是有利还是不利的因素？
5. 各种不同反应器中时间的概念 （1）平均停留时间
物料流过反应器所需要的时间
连续反应器中 的液相反应
反应器的有效容积
物料的体积流量
反应器几何容 积中，用于反 应的体积。
反应器内（T、P） 下的体积流量
r=k[NO2][CO] 式中r为反应速率，[NO2]、[ CO]分别
为反应物NO2和CO的浓度，k称为反应的速率常数。根据质
量作用定律，基元反应的级数与反应的分子数是相等的。
3. 温度对反应速率的影响
从阿累尼乌斯方程可看出： 反应速率对温度敏感的程度取决于E的大小
4. 转化率、收率和选择性
转化率 X--针对反应物而言
第一章 反应器基本理论
第一节 理想反应器 一、基本的反应器型式 二、连续操作反应器的流动特性——返混 三、理性反应器
一、基本的反应器形式
间歇操作的搅拌釜
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)
特点：物料一次加入，一起放出，全部物料t相同时，T，n 可以达到均匀一致，反应物料的温度和浓度等操作参数随时 间而变，不随空间位置而变。
选择性S，其定义为
同一原料经几种不同反应可生成不同产物时，可用消耗的原料 中转变为特定产物的分率表示，即用实际生成的特定产物之摩 尔数除以所耗用的原料在理论上能生成的同一产物之摩尔数
例：甲苯（M=92）用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸，甲苯投
料量为184kg，反应产物中含对甲苯磺酸258kg，未反应的
甲苯18.4kg，则甲苯的转化率为 (184-18.4) /184 ，对

四、化学反应过程和化学反应器的分类 （一）、化学反应过程分类
分类特征 反应过程
反应特征 简单反应、复杂反应（平行的、连串的等）
热力学特征 可逆的，不可逆的
相态
均相（气、液），非均相（气-液，气固、液固、气-液-固）
时间特征 定态，非定态
控制步骤
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附 控制
2、理想混合 特点： ①、反应器内的浓度和温度均均一致，并且等于出口处的 物料浓度和温度。 ②、物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。 “逆向混合”
也叫“返混”,在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。
引起逆向混合的主要原因有：
1）、由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒流。
2）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式 反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同 半径处的物料粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就 是不同停留时间的物料间的混合，也就是逆向混合。
E(t)dt
曲线以下在t→t+dt间的面积即E（t）dt
才是分率dN/N的大小，所以把E（t）称
t t+dt
t
作“分布密度函数”。
归一化的性质：
dN E(t)dt 1
0N
0
2、停留时间分布函数 F（t）
假若在时间0→t之间进入反应器的物料粒子中，具有停 留时间从0→t间的物料粒子的量占进料总量的分数，称为 停留时间分布函数，用F（t）表示:
输入动量 = 输出动量 + 动量损失 （5）、参数计算式 主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。
三、化学反应工程学与相关学科的关系
传递工程
反应器中流体 流动与传热 化学反应工程 反应器的设计

1 kt ln
1 xA
C
A0
k
t
1
xA x
A
6.3、活塞流反应器
1、活塞流反应器的结构
这种反应器的结构非常简单，一般是直 管，要求有足够大的长径比（L/d > 50）。反应物料从管的一端送入，一边 流动一边反应，从管的另一端引出时， 已达到预定的转化率。
2、管式反应器的特点
（1）活塞 流
分批(或称间歇)式操作 一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的
反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物 料的生产过程。
半分批(或称半连续)式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输
出而其余则为分批加入或卸出的操作。 连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程
2、据反应器结构分
a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式 塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）喷雾 塔；（g）固定床反应器；h）流化床反应器； （i）移动床反应器；（j）滴流床反应器
等容过程
VR
qV 0
CA0
dx xAf
A
0 rA
dC C A 0
A
CAf (rA )
与间歇反应器的公式相同
4、停留时间、反应时间、返混 的概停念留时间(τ)
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时 间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
反应时间 （t）
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的 时间；是对已经离开反应器的物料质点而言 的。
3、反应物料具有相同的停留时间。
无反 混
3. 活塞流反应器的计算：
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量

M ( 1) tanh M
M [ M ( 1) tanh M 1]
有计算式可见，β与η均为和 的M 函数。下边将根 据及 M 值的大小，分别讨论几种特殊情况。
28
特殊情况下的气液吸收速率
(1)快速反应，即反应速率常数k值很大，以致M》l，由 双曲正切函数的性质知： 当 M 3 时 ta， nM h 1
1
气液相反应及反应器
另一类是通过气液反应净化气体，例如 用铜氨水溶液除去气体中的一氧化碳， 用碱溶液脱除煤气中的硫化氢，用氢氧 化体吸收过程中有化学反应产 生，为与气体的物理吸收过程相区别， 常称之为化学吸收。
2
气液吸收反应器 脱
硫 塔
3
气液吸收反应器
但若液相组分B大量过剩，以致在液膜内的浓度可视 为常数，则k2cB为定值，并令其等于k,这时反应速率 对A可按一级反应处理。
即 rA=kCA 则有：
DAL
d2cA dz2
k cA
21
拟一级不可逆反应的解析
将微分方程无因次化，即令： cA
则液膜中的浓度微分方程变为： cAi
z L
D AL dd2c2A zkA c cA L 2d di22D kAL cAi
30
特殊情况下的气液吸收速率
如果反应器内存液量甚多，例如鼓泡反应器，》1，纵 使因反应速率常数很小以致M值也很小，但M值仍可 远大于1。此时β→l，η→l/(M)。
例如，M=0.05, =1000，则M=50，β=0.98， η=0.0196。
β→l表示气液吸收过程的宏观反应速率由物理吸收速率 所决定。η→l/(αM)表示液相利用率虽不高，但化学反 应仍以某种程度在液相中进行。
整理得到： dd22 kDAL2LkkLLM