2025/6/231

化學反應器

2025/6/232概述化學反應工程主要研究內容：建立反應速率的定量關系，并將實驗測定與計算數據相關聯研究工業反應器的反應規律和傳遞規律。特別是工業反應器中的化學反應速率、影響反應速率的各種因素以及如何獲取最優化的反應結果等等

2025/6/233放大問題的主要原因是：首先：停留時間的不同，導致溫度、濃度分布的不均。其次：產生放大效應（并非所有的條件均同等放大）第三：工業反應器中的反應條件難以保持十分穩定。（如放熱反應熱量的移除）2025/6/234反應器的開發與放大:依靠逐級經驗放大數學模型方法2025/6/235反應器的放大：轉化率和收率（K、k）微觀：K、k-------溫度、壓力宏觀：停留時間、分布(不同型式反應器)反應器基礎設計方程

物料、熱量、動量衡算2025/6/236第一節工業反應器基本類型2025/6/237（1）按反應物料的相態分類均相反應器非均相反應器（2）按反應器的結構型式分類：釜式反應器管式反應器塔式反應器固定床反應器流化床反應器（3）按操作方式分類間歇操作反應器連續操作反應器半連續(半間歇)反應器2025/6/2382025/6/2392025/6/2310化學反應器的操作方式間歇操作：一次性投料，卸料。反應物系參數(濃度或組成等)隨時間變化。連續操作：原料不斷加入，產物不斷引出，反應器內物系參數均不隨時間變化。半連續(或半間歇)：兼有以上兩種過程的特點，情況比較復雜。2025/6/2311主要指溫度、壓力、濃度、反應時間、操作線速度、循環比、放空量與組成和催化劑顆粒大小等。化學反應器的工藝條件2025/6/2312化學反應器選型原則（1）從物料的相態選擇反應器（2）從傳熱的要求選擇（3）從相際間的傳質選擇（4）從反應的轉化率和選擇性來考慮2025/6/2313第二節間歇操作攪拌釜2025/6/2314恒溫恒容特點2025/6/2315（1）在滿足了生產能力所需攪拌釜體積的前提下，保證攪拌系統所達到的釜內物料的混合狀態應與試驗時所采用的小釜內物料的混合狀態相同。設計攪拌器準則：

or間歇攪拌釜放大應注意的問題幾何相似2025/6/2316（2）當攪拌釜放大時，注意依靠釜壁夾套作為熱交換的單位體積傳熱面積的變化。改善傳熱效果措施：

傳熱面積：

減小釜內安蛇形管，同時攪拌釜葉輪的大小和轉速適當調整。熱量衡算--------熱量介質的溫度-------介質的用量和傳熱面積。2025/6/2317（3）對于不同物料系統和工藝要求的混合，應選擇不同型式的攪拌釜。

對于低粘度互溶液體的混合，一般采用渦輪式攪拌釜。為了促進釜內物料和釜壁間的傳熱，除去粘附于釜壁的沉淀或粘稠液體，則可采用錨式或框式攪拌釜。對于高粘度液體的混合，采用錨式、螺帶式、螺桿式2025/6/2318第三節管式反應器2025/6/2319活塞流反應器數學模型2025/6/23202025/6/2321模型型式

恒溫系統：反應系統壓強變化很小時，只用物料衡算式

變溫系統：物料衡算式和熱量衡算式

如果反應管很長，阻力損失較大，則應將物料衡算式、熱量衡算式和動量衡算式聯立求解。2025/6/2322管式反應器放大應注意的問題（l）保證反應器內物料的流動狀況放大后與放大前相同流動的雷諾數相等2025/6/2323管式反應器放大應注意的問題（續）（2）在保持大小兩反應系統幾何相似的前提下，：物料流動的停留時間分布函數相同。（3）反應器內物料流動所產生的壓強變化與總壓相比，如能忽咯不計，則放大后的平均停留時間可用計算2025/6/2324（4）對于氣相反應，當反應管長遠大于管徑；而產生的壓強變化又影響反應器內的總壓強時，除了保證放大前后兩反應系統具有相同的平均停留時間和相同的停留時間分布函數外，還必須保證壓強的變化值相同。

要滿足這一要求，則不一定能滿足大小兩反應系統的幾何相似條件，此時可以暫不考慮幾何相似。2025/6/2325第四節連續操作攪拌釜2025/6/2326數學模型2025/6/2327單釜多釜串聯2025/6/2328連續操作攪拌釜放大應注意的問題（l）運用模型方程進行設計計算時，實際反應系統應盡可能滿足或接近理想混合這一種條件。（2）應保持大小兩系統內物料流動的停留時間分布函數相同，平均停留時間應相等。還要保證大小兩系統的單位容積傳熱面積的傳熱量相等。

2025/6/2329（3）要保持大小兩系統內物料流動的停留時間分布函數和平均停留時間相同則需保持物料流動的空間速度相等；而要保證大小兩系統單位容積傳熱面積相等，則需要改變釜的結構。這樣大小兩系統之間的幾何相似條件則不一定能滿足。2025/6/2330（4）對于多釜串聯反應器的放大，應保證大小兩系統中每一釜內物料流動的停留時間分布相同、溫度相同和反應的轉化率相同，且反應速率應當不受攪拌速率的影響。（5）對于非均相反應系統，放大的依據是保持大小兩系統的相界面積等，通常是以保持單位容積輸入的攪拌功率相等來取代。2025/6/2331第五節固定床催化反應器2025/6/2332一、固定床反應器放大應考慮的問題1．反應熱效應的影響

供熱、去熱、溫度梯度2．最佳反應溫度3．催化劑床層

催化劑的裝填、床層尺寸2025/6/23332025/6/2334二、固定床催化反應器的數學模型2025/6/2335第六節流化床反應器2025/6/2336特點：非均相，固體顆粒懸浮在流體中，傳熱、傳質優。2025/6/23372025/6/2338一、流化床反應器數學模型兩相、三相、四相氣泡相、氣泡暈相、乳化相2025/6/2339三相模型鼓泡床模型的假設1.床層內存在氣泡相、氣泡暈相、乳化相，三相間的物質傳遞和反應過程是串聯的。2.床層內氣泡的大小均勻，均布與床層中。氣泡的有效直徑可用當量直徑表示。3.乳相中的氣體處于臨界流態化速度下運動，超過臨界流態化速度的所有氣體，呈氣泡形式通過床層。4.操作氣速U>2um,f,床層鼓泡，U>6--11um,f，乳相中的氣體全部轉為向下流動。2025/6/2340模型方程2025/6/2341二、流化床反應器放大應考慮的問題1.催化劑良好的活性、選擇性、穩定性機械強度粒度分布2025/6/23422.操作條件流化床放大后，操作條件改變。如:需增加床層高徑比來延長反應時間，但易產生“節涌”現象。又如：放大后需加大空速，氣固接觸時間改變。冷模實驗床徑的選擇控制高徑比3以下提高溫度大于500mm

2025/6/23433.反應器結構氣體分布板垂直管束、擋板的影響4.反應速率、轉化率2025/6/2344第七節冷模試驗（p46-55）2025/6/2345化工過程開發中常用的一種研究手段。原理：以模型與原型相似為基礎，運用相似原理來考查生產設備內物料的流動與混合，以及傳熱和傳質等物理過程，尋找產生放大效應的原因和克制的方法。目的：為放大設計或建立數學模型提供依據。2025/6/2346試驗方式：采用物理性質與生產物料相近的惰性物料，如水、空氣、砂等代替生產實際物料在模型裝置上進行的試驗。適用場合：不便或不必要采用生產物料進行試驗的情況，尤其在需要將過程分解，分別考查一些工程因素時。2025/6/2347規模：一般都比小試要大得多，以便表現各種工程因素的運動規律，所測定參數的可變范圍也相對較寬。注意：由于試驗條件與實際生產過程有差別，在應用冷模試驗結果時，應根據實際條件予以轉換和修正。2025/6/2348方法一、按相似論進行的冷模試驗二、用概率統計方法進行的冷模試驗三、測定特殊參數的冷模試驗四、類比試驗2025/6/2349二、用概率統計方法進行的冷模試驗用概率統計方法測定物料在反應器內的停留時間分布函數，由此確定物料流動的型態。例3-5測定連續流動串聯釜內物料流動的停留時間分布。2025/6/23502025/6/2351例：連續流動反應器中的返混測定目的：1通過實驗了解停留時間分布測定的基本原理和實驗方法；2掌握停留時間分布的統計特征值的計算方法；3了解停留時間分布密度函數與多釜串聯流動模型的關系；4了解多釜串聯模型中模型參數N的物理意義；2025/6/2352裝置、流程實驗裝置如附圖所示。由單釜和三釜串聯兩個系統組成，三釜串聯反應器中每個釜的體積為1L。實驗時，水經轉子流量計流入兩個系統，待系統穩定后，在兩個系統的反應釜的進口注入示蹤劑，借助安置在每個反應釜出口處的電導測試系統可以檢測示蹤劑濃度變化情況，并由記錄儀連續記錄。2025/6/23532025/6/2354原理返混程度的大小，通常是利用物料停留時間分布的測定來研究返混程度。但是返混與停留時間分布兩者不存在一一對應關系，因此不能直接把測定的停留時間分布用于描述微團間充分混和系統的返混程度，而要藉助于反應器數學模型間接表達。2025/6/2355停留時間分布密度函數E(t)正比于反應器出口示蹤劑的濃度.因此，實驗中用水作為物料，使用飽和KCl溶液作為示蹤劑，在系統出口處安裝了一套電導檢測系統。由于在一定的KCl水溶液濃度范圍內，其濃度正比于電導值。顯然，所測系統的物料停留時間密度函數正比于系統出口處KCl水溶液的電導值，即E(t)∝L(t),L(t)為t時刻水溶液的電導值。2025/6/23562025/6/2357以無因次時間為時標的數字特征無因次時間θ的定義式為

以無因次時間為變量的數學期望

=1以無因次時間為變量的方差

=與兩者之間存在如下關系

2025/6/2358流動模型與模型參數測定了一個系統的停留時間分布后，如何評價其返混程度，需要反應器模型來描述。如多釜串聯模型：該模型為單參數模型，模型參數為虛擬的串聯級數N。2025/6/2359由多級全混流反應器的物料衡算可導出其停留時間分布密度的數學表達式，即2025/6/2360數據處理用離散化方法求出對應的,再求出相應的模型參數，隨后討論N的數值范圍，就可確定這兩種反應器的返混大小。N=1，

N→

∞,

活塞流

全混釜2025/6/2361三、測定特殊參數的冷模實驗

表征反應器性能的一些特殊參數，往往是設計反應器的重要數據，如固定床應應器內催化劑堆密度和床層的孔隙率，流化床反應器的流態化臨界速度和飛揚速度，以及氣、液、固三相流化床的氣含率和固含率及其分布等等。這些特殊參數一般都是采用模型裝置，通過冷模試驗測定的。2025/6/2362第八節中間工廠試驗2025/6/2363目的2025/6/2364一、中試應考慮的問題中試模擬生產過程，要便于測取數據。中試應具有一定的規模，應能連續運轉。人力、物力和財力上的消耗巨大。中試方案需從技術和經濟角度綜合考慮。2025/6/2365原則：中試規模的大小主要看技術的成熟程度和可放大的倍數。

1．中試規模大規模小規模2025/6/2366大規模：過程復雜，技術規律不清楚的項目，需要考查的技術內容較多，并希望模擬能接近生產裝置．小規模：技術比較成熟，為驗證某些特殊的技術措施，規模可縮小。判別標準：消耗和費用高。投資小、建造快、消耗省、安全性高；不容易反映生產的實際情況；操作和測量數據的精度難，不能提供足