第3章釜式反應器

12023/2/4河南師范大學化學化工學院婁向東化學反應工程22023/2/4化學反應工程河南師范大學化學化工學院化工專業(yè)婁向東電話-mail:xiangdonglou@32023/2/4化學反應工程ChemicalReactionEngineering42023/2/4第1章緒論52023/2/4化學工程學包括傳遞過程化學反應工程化工工藝學原料A前處理反應器后處理產品B傳遞過程化學反應工程從A→B工藝學化工生產過程傳質：cS≠c傳熱：TS≠T流動：壓力降概括為“三傳一反”62023/2/4學科發(fā)展:《化學反應工程》學科簡介學科特點：交叉學科，涉及物理化學、傳遞過程、化工工藝學、工程控制等學科。72023/2/482023/2/492023/2/4①化學熱力學：主要是確定物系的各種物性常數，分析反應的可能性和可能達到的程度、計算反應熱效應等。與化學反應工程學相關的其它學科有：化學熱力學主要為化學反應工程學解決以下方面的問題提供理論依據：(1)判別化學反應過程能否發(fā)生和進行的方向。化學熱力學理論表明化學反應沿著自由能降低的方向進行，因此，通過自由能的計算可確定化學反應過程進行的方向。(2)確定化學過程進行的最大限度?；瘜W平衡原理和平衡常數的計算，為確定化學反應過程進行的最大限度提供了理論依據和方法。(3)化學反應過程熱效應的計算。102023/2/4②反應動力學：主要研究化學反應進行的機理和速率。闡明化學反應速率與各物理因素（溫度、濃度和壓力）間的定量關系?；瘜W動力學主要為化學反應工程學解決如下問題提供理論依據：(1)化學反應過程進行的機理。(2)根據反應機理建立化學動力學模型，即確立反應過程的化學反應速率與其影響因素之間的函數關系式。2023/2/410112023/2/4③催化劑：如粒內的傳熱、微孔中的擴散、催化劑制備時各階段操作條件對催化劑活性結構的影響、催化劑的活化和再生等。④化學工藝：主要是設備型式、操作方式和流程。⑤傳遞工程：裝置中的動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞（簡稱“三傳”）問題。⑥工程控制：一項反應技術的實施有賴于適當的操作控制，為此需了解反應過程的動態(tài)特性和有關的最優(yōu)化問題。122023/2/41.1化學反應工程1緒論學科本身：反應器選型、設計、放大、優(yōu)化相互派生：聚合、催化、生化反應工程一、主要作用①改進強化現有的反應技術和設備，挖掘潛力。②開發(fā)新的技術和設備。③指導和解決反應過程開發(fā)中的放大問題。④實現反應過程的最優(yōu)化。⑤不斷發(fā)展反應工程學的理論和方法。132023/2/4實現工業(yè)反應過程的優(yōu)化。反應器型式、結構、尺寸、操作條件。優(yōu)化目標二、研究目的：生產任務142023/2/4ⅢⅡⅠ各類化學反應化學反應規(guī)律傳遞規(guī)律各類反應器結合反應結果1

反應動力學－研究化學反應進行的機理和速率。2

反應器設計分析－研究反應器內化學反應規(guī)律和傳遞規(guī)律，建立數學模型，預測反應結果。三、研究內容152023/2/4重點介紹：化學反應動力學、反應器選型、設計、優(yōu)化等內容。學習方法：掌握反應器特點：釜式反應器、管式反應器等。抓反應類型：可逆、不可逆，單一、復合，平行、連串。緊扣傳遞因素：流動、傳質、傳熱研究結合規(guī)律：反應+流動---返混—停留時間分布

反應+傳熱---熱反饋---溫度分布反應+傳質---轉化率、收率、選擇性---濃度分布尋求優(yōu)化目標：反應優(yōu)化、操作優(yōu)化、設備優(yōu)化。要求：分主次、抓重點、記筆記、讀文獻、做“三習”。教學內容162023/2/4化學反應工程教學的關鍵詞微觀動力學（本征動力學、固有動力學）：宏觀動力學（表觀動力學）：

第一種宏觀動力學因素：返混（因流動造成的）發(fā)生在連續(xù)流動系統(tǒng)的化學反應過程。

第二種宏觀動力學因素：熱量傳遞（因溫差造成的）發(fā)生在非等溫熱效應大的化學反應過程。

第三種宏觀動力學因素：質量傳遞（因濃差造成的）發(fā)生在多相（非均相）微觀尺度混合的化學反應過程。172023/2/4參考書：

陳甘棠主編，化學反應工程。朱炳辰主編，化學反應工程。張濂、許志美、袁向前，化學反應工程原理廖暉等編化學反應工程習題精解。天津大學、華東理工大學，國家精品課程、網絡教學。等等2023/2/417182023/2/41.2轉化率、收率和選擇性一、反應進度化學計量關系，，——分別為A、B、R的化學計量系數。起始時

nA0

nB0

nR0某一時刻

nA

nB

nR反應量

規(guī)定：反應物化學計量系數取負值，產物取正值。192023/2/4反應進度正值任何反應組分的反應量與其化學計量系數之比為一恒值。

推廣到M個反應體系：任一組分i的總反應量等于在各個反應中反應量的代數和。即反應量：式中：

——第j個反應中組分i的化學計量系數。202023/2/4指某一反應物轉化的百分率或分率。定義考慮反應：對間歇反應器：式中：nA0——反應開始時A的摩爾數。

nA——反應到某一時刻時所剩A的摩爾數。二、轉化率：212023/2/4對連續(xù)反應器：FA0——反應器進口處A的摩爾流量。FA——反應器某處A的摩爾流量。FAf——反應器出口處A的摩爾流量。222023/2/4關鍵組分（著眼組分）為不過量、貴重的組分。

針對關鍵組分計算，可使X最大到100%

232023/2/4對于連續(xù)反應器，進口處的狀態(tài)。間歇反應器，開始反應時的狀態(tài)。串聯使用的反應器，以進入第一個反應器的原料為準。轉化率與反應進度的關系起始狀態(tài)選擇原則：P4例1.1242023/2/4三、收率與選擇性－是對反應產物而言的1、收率Y252023/2/4對于單一反應Y=X(關鍵組分)主反應→目的產物副反應→副產物

對于復雜反應Y≠X投入n0262023/2/42選擇性S（對產物而言）如有副反應發(fā)生，選擇性總是小于100％對單一反應S=1272023/2/4關系282023/2/4例1.2在銀催化劑上進行乙烯氧化反應以生產環(huán)氧乙烷，進入催化反應器的氣體中各組分的摩爾分數分別為反應器出口氣體中含C2H4和O2的摩爾分數分別為13.1%，4.8%。試計算乙烯的轉化率、環(huán)氧乙烷收率和反應選擇性。C2H415%,O27%,CO210%,Ar12%,其余為N2。解：以100mol進料為計算基準，并設x和y分別表示環(huán)氧乙烷和二氧化碳的生成量,根據題給的進料組成和該反應系統(tǒng)的化學計量式計算出口物料組成.292023/2/4302023/2/4由于反應器出口氣體中乙烯和氧的摩爾分數已知,所以解之得乙烯的轉化量為乙烯的轉化率等于

環(huán)氧乙烷的收率將乙烯轉化率及環(huán)氧乙烷收率代入式〈1.12〉,得反應選擇性312023/2/4由此可見，乙烯轉化率和環(huán)氧乙烷收率都很低，實際生產中是將反應器出來的氣體用水吸收以除去環(huán)氧乙烷，用堿吸收除去二氧化碳，余下的氣體用循環(huán)壓縮機壓縮后與新鮮乙烯和氧相混合，送入反應器中繼續(xù)反應，這樣便構成了一個循環(huán)過程。顯然由于未反應的乙烯再循環(huán)，從而提高了乙烯的轉化率和環(huán)氧乙烷的收率。322023/2/4四、有物料循環(huán)系統(tǒng)

全程轉化率>單程轉化率單程收率：以反應器進口物料為基準。全程收率：以新鮮原料為基準。全程收率

>單程收率單程轉化率：以反應器進口物料為基準。全程轉化率：以新鮮原料為基準。332023/2/4五、原子經濟性(atomeconomy)(或原子利用率atomutilizationAU)

1991年stanford大學的BarryMTrost教授提出“原子經濟性”概念，1998年獲美國“總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎”的學術獎。

產物廢物或副產物廢物為零A+BC+DA+BC+342023/2/4六、E因子與環(huán)境商1992年荷蘭有機化學家RogerAShelod提出E因子（環(huán)境因子），之后又提出環(huán)境商EQ(environmentquotient)：EQ=E×QQ是根據廢棄物在環(huán)境中的行為給出的對環(huán)境的不友好度。如將NaCl和(NH4)2SO4的定義為1，對有害金屬離子的鹽、有機中間體和含氟化合物等，根據其毒性大小，的取值在10-1000。352023/2/4關系小結362023/2/4

例：每100kg乙烷（純度100％）在裂解器中裂解，產生46.4kg乙烯，乙烷的單程轉化率為60％，裂解氣經分離后，所得到的產物氣體中含有4kg乙烷，其余未反應的乙烷返回裂解器，求乙烯的選擇性，單程收率，總收率和乙烷的總轉化率。裂解器反應量H分離器新鮮乙烷F未反應乙烷循環(huán)Q產品乙烯4kg乙烷46.4kg分析：100kg372023/2/4382023/2/41.3化學反應器的類型

一、化學反應的分類392023/2/4化學反應的分類按反應的化學特性分類反應機理(1)單一反應；(2)多重反應(平行反應、連串反應、連串-平行反應、集總反應)反應的可逆性(1)可逆反應；(2)不可逆反應反應的分子數(1)單分子反應；(2)雙分子反應；(3)三分子反應反應級數(1)一級反應；(2)二級反應；(3)三級反應；(4)零級反應；(5)分數級反應反應熱效應(1)放熱反應；(2)吸熱反應按反應過程進行的條件分類均相催化反應(1)氣相反應；(2)液相反應非催化反應多相催化反應液-液相反應；(2)氣-液相反應；(3)液-固相反應；(4)氣-固相反應；(5)固-固相反應；(6)氣-液-固三相反應非催化反應溫度(1)等溫反應；(2)絕熱反應；(3)非絕熱變溫反應壓力(1)常壓反應；(2)加壓反應；(3)減壓反應操作方法(1)間歇過程；(2)連續(xù)過程；(3)半間歇過程(1)定態(tài)過程；(2)非定態(tài)過程流動模型(1)理想流動模型(平推流、全混流)；(2)非理想流動模型402023/2/4二反應器的分類1）按物料的相態(tài)分類

可分為均相反應器與非均相反應器。均相反應特性是，無相界面，反應速率只與濃度或溫度有關。非均相反應特征是，有相界面，反應速率與相界面大小及相間擴散速率有關。2）

按反應器的結構形式分類

可分為反應釜（包括多釜串聯），管式反應器，塔式反應器，固定床，流化床，回轉筒式反應器，噴嘴式反應器等。412023/2/4二反應器的分類2023/2/441422023/2/4管式反應器特征：長度>>管徑。內部是空的，不設置任何構件。多用于均相反應。如裂解爐。

432023/2/4釜式反應器（又稱反應釜，攪拌反應器）

特征:反應器高度與直徑相當或稍高。釜內設有攪拌裝置和擋板。常帶夾套或釜內放置蛇管，傳熱以維持釜內所需溫度。適用于液相反應、氣液反應、液液反應、液固反應、氣液固三相反應。442023/2/4452023/2/4多釜串聯462023/2/4各種攪拌槳的形式472023/2/4攪拌釜的各種換熱形式482023/2/4塔式反應器

填料塔

板式塔

噴霧塔

鼓泡塔特征：反應器高度為直徑的數倍以至十幾倍。

內部常設置能增加兩相接觸的構件，如填料，篩板等。

適用于兩種流體相反應的過程。如氣液反應、液液反應。492023/2/4固定床反應器

根據換熱方式不同,可分為三種型式：

(1)換熱式固定床反應器

(2)絕熱式固定床反應器(3)自熱式固定床反應器502023/2/4流化床反應器

特征：反應器內固體粒子可以象流體一樣被流化起來。適用于氣固，液固，氣液固反應。如：a、催化劑快速失活需立即再生的b、強放熱反應：丙烯氨氧化，萘氧化c、固相加工反應：黃鐵礦，閃鋅礦的焙燒。

相關鏈接——磁穩(wěn)定流化床開發(fā)1970年去伊朗了解了國外反應工程前沿，磁穩(wěn)定流化床的優(yōu)越性新催化材料——配套開發(fā)新反應器科研開發(fā)的經驗充分發(fā)揮催化材料的性能往往需要開發(fā)新反應工程分子篩裂化催化劑非晶態(tài)合金具有良好低溫加氫活性和磁性

配套開發(fā)磁穩(wěn)定床床層流化床提升管反應器

2023/2/451

攪拌釜反應器返混嚴重，效率低催化劑分離困難磁場控制催化劑，形成流化態(tài)的固定床兼有流化床和固定床的優(yōu)點磁穩(wěn)定床代替攪拌釜實現原始創(chuàng)新2023/2/452磁穩(wěn)定床加氫裝置反應器引進的攪拌釜磁穩(wěn)定床體積（m3）203.2催化劑單耗(Kg/t)0.210.06提高優(yōu)級品產率當年創(chuàng)效1500萬元工業(yè)應用現狀2003年世界上首次建成第一套磁穩(wěn)定床己內酰胺加氫精制裝置目前已建5套工業(yè)裝置2023/2/453科研中的發(fā)現磁穩(wěn)定床的操作相圖，保證反應保持在鏈式狀態(tài)磁穩(wěn)定床操作相圖散粒狀態(tài)鏈式狀態(tài)

磁聚狀態(tài)最佳操作狀態(tài)工業(yè)化過程中的創(chuàng)新均勻磁場的磁穩(wěn)定床的設計建立了均勻磁場設計數學模型己內酰胺溶解氫加氫精制新工藝磁穩(wěn)定床反應器結構示意圖“非晶態(tài)合金催化劑與磁穩(wěn)定床反應

工藝的創(chuàng)新與集成”中的聯想市場需求科研開發(fā)經驗的啟示不同專業(yè)和學科的交叉非晶態(tài)合金催化劑制造中的發(fā)現與發(fā)明磁穩(wěn)定流化床開發(fā)中的技術創(chuàng)新聯想源于博學廣識創(chuàng)新中的集體石油化工科學研究院原東北工學院材料系復旦大學化學系中國石化巴陵分公司中國石化石家莊化纖公司中國石化工程建設公司……

聯想源于集體智慧更好的創(chuàng)新

還看我們在坐的各位……RichardFoster著“Innovation:theAttacker’sAdvantage《創(chuàng)新:進攻者的優(yōu)勢》”2023/2/458592023/2/4移動床反應器

特征：固體顆粒自反應器頂部連續(xù)加入，自上而下移動，由底部卸出。反應流體與顆粒成逆流接觸。

適用：催化劑需要連續(xù)再生的催化反應、固相加工反應。固體顆粒從塔頂加入循環(huán)

602023/2/4滴流床反應器

特征：反應器內催化劑也是固定不動的。廣義上的固定床反應器。

適用：液固及氣液固三相反應。如石油餾份加氫精制、脫硫等。

優(yōu)點：液體不需要加熱變成氣體，節(jié)省能源。適用固體催化劑的氣液反應，采用并流或逆流。612023/2/4回轉筒式反應器噴嘴式反應器適用于氣固相、固固相。適用于氣相、液相(高速反應)622023/2/4632023/2/4642023/2/4652023/2/4662023/2/4672023/2/4682023/2/4692023/2/4702023/2/41.4

化學反應器的操作方式

1.間歇操作（分批操作）——間歇反應器特點：1）非定態(tài)反應過程。2）恒容過程一按操作的連續(xù)性分：間歇、連續(xù)、半連續(xù)操作712023/2/42.連續(xù)操作

連續(xù)操作——連續(xù)反應器（流動反應器）

特點：

1）多屬于定（常）態(tài)操作。

2）連續(xù)反應器適用于大規(guī)模生產。

722023/2/4

原料與產物只要其中有一種為連續(xù)流入或流出，而其余則為分批加入或卸出，這樣的操作方式——半連續(xù)操作。

3.半連續(xù)(半間歇)操作二按加料方式分：一次加料、分批加料和分段加料732023/2/4選擇合適的反應器型式

確定最佳操作條件

計算反應體積，確定主要尺寸。

反應體積的確定，是反應器設計的核心內容。

1.5

反應器設計的基本方程

一、反應器設計內容：二、反應器設計的基本方程：物料衡算式——描述器內濃度變化，對i在控制體積內（i的輸入速率）＝(i的輸出速率)＋（i的轉化速率）＋（i的累積速率）742023/2/4熱量衡算式——描述器內溫度變化（單位時間輸入的熱量）＝（單位時間輸出的熱量）＋（單位時間的反應熱）＋（單位時間內累積的熱量）動量衡算式——描述器內壓力變化

（輸入動量）＝(輸出動量)＋（消耗動量）＋（累積動量）模式：（輸入）=（輸出）+（消耗）+（累積）動力學方程式——描述器內反應速率參數計算式——計算某些物性參數

752023/2/41.6

工業(yè)反應器的放大762023/2/4一、逐級經驗放大法

772023/2/4二、數學模型方法步驟：

1)實驗室規(guī)模實驗：新產品的合成，研究反應動力學

2)小型試驗：

3)大型冷模試驗：用空氣，水，砂代替反應原料中的（g-l-s三相）；用玻璃，有機玻璃等代替鋼材。

目的：考察傳遞過程規(guī)律。

4)中試：不但規(guī)模增大，且在流程與設備形式上都與生產車間十分接近。

目的：(1)對數學模型進行檢驗與修正。為設計大廠提供有用的信息。(2)對催化劑的壽命，活性，設備的腐蝕情況等進行考察。

5)計算機模擬計算試驗：這一步貫穿在上述四步之中。對各步的試驗結果進行綜合與尋優(yōu)，檢驗和修正數學模型，預測下一階段的反應器性能，最終建立能預測大型反應器工況的數學模型，完成大型反應器的設計。

782023/2/4實驗室規(guī)模試驗小型試驗大型冷模試驗化工過程的數學模型傳遞過程的數學模型反應器的數學模型反應器設計時要考慮經濟效益、社會效益和生產的安全性1.7

化學工程學科研究領域的進展1.由宏觀尺度研究向時空多尺度研究發(fā)展以前：單一宏觀尺度實際：物質轉化過程涉及多尺度問題，包括分子尺度、納米尺度（納米超細顆粒）、毫米尺度（氣泡、液滴、結晶）、厘米尺度（氣泡凝并、液滴聚合、顆粒團聚、米尺度（設備）十米尺度（裝置、系統(tǒng)）。

學科發(fā)展的里程碑成果：“單元操作”和傳遞過程原理”現在：時空多尺度化學工程研究階段2.由過程導向向產品導向發(fā)展傳統(tǒng)的化學工程以過程為導向，主要解決如何去做的問題，新的化學工程以產品為導向，主要解決做什么的問題。產品化學工程的目的是：如何以高效率、高速率、高收率、低成本的最優(yōu)化為目標，按市場需求，應用化學工程原理設計和制造專用化學品。3.由簡單物系向復雜物系發(fā)展反應工程，均相到兩相、三相。系統(tǒng)工程，單純系統(tǒng)到綜合系統(tǒng)、大型化工企業(yè)全系統(tǒng)優(yōu)化。4.由復雜工藝路線向簡單工藝路線發(fā)展化學工程的研究對象日趨復雜，但化工產品的工藝路線日趨簡單。5.由簡單過程向耦合過程發(fā)展反應—分離耦合過程研究趨熱，不少已應用。如反應—精餾、反應—萃取、反應—結晶、反應—膜分離、反應—成型。6.由定態(tài)向非定態(tài)發(fā)展7.由常規(guī)小分子向高分子、大分子發(fā)展由于精細化工及材料化工的進展，研究對象已從一般化合物延伸到有機大分子、聚合物高分子與生物分子。8.由描述現象向闡述機理發(fā)展10.由極限條件向溫和條件發(fā)展9.由理想溶液向非理想溶液發(fā)展超臨界分離、超臨界反應，需研究超臨界狀態(tài)下的非理想溶液特性。聚合物加工需研究高黏性流體的非牛頓流體特性。12.由探索試驗向有效預測發(fā)展利用計算機進行分子設計、合成路線設計11.由非生命體系向有活體體系發(fā)展生物化工研究有活體存在的體系的化學工程問題832023/2/4掌握轉化率、選擇性和收率的概念及在反應器設計中的應用掌握反應器的操作方式及反應器設計的基本方程。作業(yè)：P131.1

補充作業(yè)第一章小結842023/2/4乙苯脫氫反應在一絕熱式固定床反應器中進行，生產流程如圖所示測得如下數據：進反應器的乙苯的量為100kg/h，而反應器出口物料經分析得知其中乙苯的流量為46kg/h，產品苯乙烯流量為48kg/h。假設分離回收中無損失，試計算此反應過程中乙苯的轉化率、苯乙烯的選擇性、單程收率和全程收率。反應器分離器原料乙苯過熱水蒸氣未反應乙苯回收循環(huán)產品苯乙烯附1：反應工程學基礎理論中體積、時間概念體積討論反應器中進行的化學反應過程時，將要涉及如下幾種