化學反應工程學反應器基本原理 (2)講稿

1、關(guān)于化學反應工程學反應器基本原理 (2)第一張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月教學基本要求了解反應器基本類型以及建立宏觀反應體系數(shù)學模型的思想方法理解物料在反應器內(nèi)的流動模型掌握間歇攪拌釜和理想流動反應器中進行等溫、等容簡單均相反應的轉(zhuǎn)化率、反應時間、空間時間、停留時間與反應體積的關(guān)系，以及反應器體積的計算；掌握用停留時間分布密度函數(shù)和停留時間分布函數(shù)確定反應器內(nèi)物料的流況的方法，以及用方差定性判斷反應器內(nèi)物料的返混程度和反應器性能；了解氣固相催化反應過程的機理，固定床催化反應器和流化床催化反應器的基本性能。第二張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應工程學的基本任務(wù)和研究方

2、法化學反應工程學作為化學工程學的一個重要學科分支，利用自然科學原理去考察、解釋和處理工程實際問題，其目的是把化學實驗室的研究成果可靠地移植到工業(yè)化生產(chǎn)，研究工業(yè)反應過程的宏觀規(guī)律、建立數(shù)學模型，并就所確定的反應和預期的生產(chǎn)能力對反應器的型式、結(jié)構(gòu)、尺寸及操作方式、操作條件進行選擇或設(shè)計?；救蝿?wù)是：通過深入地研究，掌握傳遞過程動力學和化學動力學的共同作用（宏觀動力學）的基本規(guī)律，從而改進和強化現(xiàn)有的反應技術(shù)和設(shè)備；指導和解決反應過程開發(fā)中的放大問題；開發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備；綜合考察技術(shù)和經(jīng)濟兩個指標，實現(xiàn)化學反應器的最優(yōu)設(shè)計和化學反應過程的最優(yōu)化控制。第三張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月

3、研究方法-數(shù)學模擬法把所考察、分析、研究的問題，經(jīng)過深入的實踐和透徹的理論研究，在對化工過程本身的規(guī)律有深刻認識的基礎(chǔ)上，用簡單明確的數(shù)學語言（即數(shù)學模型）加以描述，同時提出需要解決的問題，通過數(shù)學方法或采用電子計算機求解，以獲取定量答案。把復雜過程分解為反應過程和傳遞過程，反應過程以化學反應為研究對象提出化學反應過程的動力學模型；傳遞過程以不同反應器為研究對象，提出傳遞過程的模型，最后研究如何將兩種模型結(jié)合起來，并應用于解決工程問題?；瘜W反應工程學的基本任務(wù)和研究方法第四張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類化學反應工程是研究工業(yè)規(guī)模的化

4、學反應的規(guī)律，即伴有物理過程的化學反應。分類特征反應過程反應特征簡單，復雜（平行、連串、分支等）熱力學特征可逆，不可逆相態(tài)均相（氣、液），非均相（氣-液、氣-固、液-液、液-固、氣-液-固）時間特征定態(tài)，非定態(tài)控制步驟化學反應控制，外部擴散控制，內(nèi)部擴散控制，吸附或脫附控制操作方式連續(xù)，間歇，半間歇（半連續(xù)）操作條件等溫，變溫常壓，加壓，減壓是否用催化劑催化，非催化第五張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類反應過程優(yōu)劣的評價標準-反應速率和反應的選擇性。反應速率：隨具體情況選用不同基準（非均相-相界面，或某一反應物的質(zhì)量，催化劑的質(zhì)量或體積

5、），均相-體積，即單位時間、單位反應體積中所生成或消耗的某組分的物質(zhì)的量，（對于恒容過程）第六張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月反應的級數(shù)反應速度常數(shù)，其值的大小直接決定了反應速度的高低和反應進行的難易程度，與反應溫度、溶劑和催化劑等有關(guān)。T，k化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類第七張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類轉(zhuǎn)化率 在化工生產(chǎn)中，反應速率直接影響到反應器的尺寸和催化劑的用量，從而關(guān)系到投資費用的多少。對于一個特定的反應器，速率往往體現(xiàn)為轉(zhuǎn)化率，它表明反應的深度即反應物轉(zhuǎn)化的百分率。第八張，PPT共二十八頁

6、，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類對于間歇系統(tǒng)對于連續(xù)流動系統(tǒng) 若反應在等溫、恒容條件下進行 一個化學反應，以不同的反應物為基準進行計算可以得到不同的轉(zhuǎn)化率，在計算時必須指明是某反應物的轉(zhuǎn)化率，若未指明，則為主要反應物或限量反應物（著眼反應物）的轉(zhuǎn)化率。 第九張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類反應的選擇性 用來表明反應的方向。即在反應過程中著眼反應物以多大的百分率轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物。選擇性S的定義為生成的目的產(chǎn)物量與已轉(zhuǎn)化的反應物量之比。收率用來說明反應原料利用率的綜合指標 第十張，PPT共二十八頁，創(chuàng)

7、作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類選擇性、轉(zhuǎn)化率、收率的關(guān)系 質(zhì)量收率 例如100kg苯胺（純度99%，相對分子質(zhì)量93）經(jīng)焙烘磺化和精制后得到218kg對氨基苯磺酸鈉（純度97%，相對分子質(zhì)量231），則以苯胺計， 第十一張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類工業(yè)上常用質(zhì)量收率的倒數(shù)，即單位質(zhì)量產(chǎn)品的消耗定額-單耗來表示原料的利用程度。上例中生產(chǎn)一噸對氨基苯磺酸鈉時苯胺的單耗為100/218=459kg/t。反應不僅要有高度的選擇性，而且必須具備較好的原子經(jīng)濟性。原子經(jīng)濟性可以用原子利用率AU來衡量。第十

8、二張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應過程的分類E-因子（環(huán)境因子）環(huán)境商EQ 環(huán)境商EQ是化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生廢棄物量的多少、物化性質(zhì)及其在環(huán)境中的毒性行為等的綜合評價指標，用以衡量合成反應對環(huán)境造成影響的程度。是E因子與Q的乘積 Q為根據(jù)廢棄物在環(huán)境中的行為給出的對環(huán)境的不友好度。EQ越大，對環(huán)境污染越嚴重 第十三張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應器分類按反應物料的相態(tài)分類 反應器種類反應類型舉例適用設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式反應特性均相氣相液相燃燒、裂解中和、酯化、水解管式釜式無相界面，反應速率只與溫度或

9、濃度有關(guān)非均相氣-液液-液氣-固液-固固-固氣-液-固氧化、氯化、加氫磺化、硝化、烷基化燃燒、還原、固相催化還原、離子交換水泥制造加氫裂解、加氫脫硫釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床、移動床釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床有相界面，實際反應速率與相界面大小及相間擴散速率有關(guān)第十四張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應器分類按反應器的結(jié)構(gòu)型式分類 型式適用反應應用實例優(yōu)缺點攪拌釜液相、液-液、液-固物料混合均勻，溫度、濃度易控制，產(chǎn)品質(zhì)量均一；適用性強，可連續(xù)操作、可間歇操作，操作彈性大， 苯的硝化；丙烯聚合；氯乙烯聚合、高壓聚乙烯、順丁橡膠聚合、制藥

10、、染料、油漆鼓泡攪拌釜氣-液返混大，溫度均勻易控制；氣液界面和持液量較大，攪拌器密封結(jié)構(gòu)復雜。乙醛氧化；微生物發(fā)酵管式氣相、液相、氣-液返混小，反應器容積??；比傳熱面大，易控溫；管內(nèi)可加構(gòu)件(靜態(tài)混合器)輕油裂解、高壓聚乙烯、甲基丁炔醇合成鼓泡塔或擋板鼓泡塔氣-液、氣-液-固氣相返混小，液相返混大；氣體壓降大，流速有限制氣液界面小，持液量較大；溫度較易調(diào)節(jié)， 二甲苯氧化、丙烯氯醇化變換氣的碳化、苯的烷基化、乙烯基乙炔合成第十五張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應器分類絕熱固定床氣-固、液-固返混小，床層內(nèi)不能控制溫度；結(jié)構(gòu)簡單，投資和操作費用低。苯

11、烴化制乙苯；二氧化硫氧化、丁烯氧化脫氫、半水煤氣生產(chǎn)列管式固定床氣-固、液-固返混小，傳熱面積大，易控制溫度，投資和操作費用介于絕熱固定床和流化床之間乙苯脫氫；乙烯制醋酸乙烯、合成氨、乙炔法制氯乙烯流化床氣-固，液-固，適用于催化劑失活快的反應傳熱好，溫度均勻，易控制；返混大，不適合高轉(zhuǎn)化率或有串聯(lián)副反應的系統(tǒng)；顆粒輸送方便，能耗大，操作費用高。丙烯氨氧化制丙烯腈；石油催化裂化、硫鐵礦焙燒、乙烯氧氯化制二氯乙烷噴射反應器氣相，高速的液相返混較大，流體混合好；傳熱、傳質(zhì)速度快，反應物急冷易；操作條件限制嚴格，缺乏調(diào)節(jié)手段氯化氫合成、丁二烯氯化第十六張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反

12、應過程和化學反應器的分類-化學反應器分類回轉(zhuǎn)筒式氣-固、固-固水泥制造空塔或攪拌塔液相、液-液相結(jié)構(gòu)簡單，返混程度與高/徑比及攪拌有關(guān)，軸向溫差大尿素合成；苯乙烯本體聚合移動床氣-固、液-固、固體返混?。淮矁?nèi)溫差大，調(diào)節(jié)困難；固氣比可變性大；顆粒輸送方便，能耗大，操作費用高，石腦油連續(xù)重整；煤氣化，適合于催化劑失活快的反應板式塔氣-液逆流接觸，氣液返混均小，氣液界面大，持液量較大，流速有限制，如需傳熱，可在板間加換熱器異丙苯氧化填料塔液相、氣-液返混??；結(jié)構(gòu)簡單，氣液界面大，持液量較大；壓降小，床層內(nèi)不能控制溫度，有溫差；填料裝卸麻煩合成氣脫硫、脫二氧化碳第十七張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于20

13、22年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應器分類噴霧塔氣-液快速反應氣相返混小；結(jié)構(gòu)簡單，液體表面積大，持液量小；無傳熱面，床層內(nèi)不能控制溫度；停留時間受塔高限制，氣流速度有限制高級醇連續(xù)磺化、氯乙醇制丙烯腈滴流床(涓流床)氣-液-固(固體催化劑上進行的氣液反應)返混小；催化劑帶出少，易分離；氣液分布不均勻，溫度調(diào)節(jié)困難碳三炔加氫、丁炔二醇加氫料漿床或漿態(tài)反應器氣-液-固相(固體催化劑上進行的氣液反應)返混大；催化劑細粉回收分離困難；如需傳熱，可設(shè)置換熱管，溫度容易控制乙烯溶液聚合第十八張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月塔式反應器 固定床反應器 流化床反應器釜式反應器 管式反應

14、器第十九張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月滴流床反應器 漿態(tài)床反應器 移動床反應器第二十張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月化學反應過程和化學反應器的分類-化學反應器分類按操作方式分類 分為間歇反應器、半間歇或半連續(xù)反應器和連續(xù)反應器。 間歇反應器：反應物料一次加入，在攪拌的存在下，經(jīng)過一定時間達到反應要求后，反應產(chǎn)物一次卸出，生產(chǎn)為間歇地分批進行。特征是反應過程中反應體系的各種參數(shù)（如濃度、溫度等）隨著反應時間逐步變化，但不隨器內(nèi)空間位置而變化。物料經(jīng)歷的反應時間都相同。 連續(xù)反應器：穩(wěn)定操作時，反應物和產(chǎn)物連續(xù)穩(wěn)定地流入和引出反應器，反應器內(nèi)的物系參數(shù)不隨時間發(fā)生變化，但可隨

15、位置而變。反應物料在反應器內(nèi)停留時間可能不同。 半連續(xù)反應器/半間歇反應器：一種或幾種反應物先一次加入反應器，而另外一種反應物或催化劑則連續(xù)注入反應器，這是一種介于連續(xù)和間歇之間的操作方式，反應器內(nèi)物料參數(shù)隨時間發(fā)生變化。 第二十一張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月理想均相反應器 典型反應器（形狀、流動狀況、操作方法）：間歇操作攪拌釜式反應器連續(xù)流動管式反應器連續(xù)操作攪拌釜式反應器多釜串聯(lián)反應器 第二十二張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月理想均相反應器理想間歇反應器 高/徑比1-3，釜內(nèi)設(shè)有攪拌裝置和擋板，常帶夾套或釜內(nèi)放置蛇管，以維持釜內(nèi)所需的反應溫度，反應器的攪拌良好，黏度

16、較小的反應物料按一定配比一次加入反應器后，開動攪拌，瞬間反應器內(nèi)各處物料的組成和溫度均一，任一處的組成和溫度都可以表征整個反應器的狀態(tài)，稱為理想間歇反應器IBR，該反應器具有操作靈活，容易適應不同操作條件和產(chǎn)品品種的優(yōu)點，缺點是裝、卸料等輔助操作要耗費一定時間，且產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。第二十三張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十四張，PPT共二十八頁，創(chuàng)作于2022年6月理想均相反應器活塞流反應器等溫操作的管式反應器中，反應物沿管長方向流動，其濃度隨流動方向從一個截面到另一個截面而變化，反應時間是管長的函數(shù)。一般說來，理想管式反應器都在湍流區(qū)操作，管內(nèi)流體似無數(shù)個厚度極薄的活塞一個接一個地依次流過反應器，即不同時刻進入反應器的物料之間不發(fā)生逆向混合（返混），物料的這種流動情況稱為理想置換，這種理想化的、返混量為零的管式反應器稱為活塞流反應器PFR。通常，長徑比較大的管式反應器的流動情況十分接近活塞流流反應器。第二十五張，PP