化工基础-第八章-典型反应器

第八章典型反应器§8.1概述任何化学品的生产，都离不开三个阶段：原料预处理、化学反应、产品精制。化学反应过程是化工生产过程的核心。物理过程的原理和操作设备——《流体流动与传热》和《传质与分离技术》。化学反应过程的原理和反应设备——《化学反应过程与设备》，属于化学反应工程的范畴。1研究目的研究目的：使化学工业生产中的反应过程昀优化。（1）设计昀优化：由给定的生产任务，确定反应器的型式和适宜的尺寸及其相应的操作条件。（2）操作昀优化：在反应器投产运行之后，还必须根据各种因素和条件的变化作相应的修正，以使它仍能处于昀优的条件下操作。2研究内容从实验室开发到工业生产存在放大效应。在工业反应器中实际进行的过程不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混和和传递等，所有这些传递过程使得反应器内产生温度分布和浓度分布，从而影响反应的昀终结果。化学动力学特性的研究：在实验室的小反应器内进行，完全排除传递过程的影响。流动、传递过程对反应的影响处理整个反应工程的问题需要具备三个方面的知识（三传一反）：a.化学反应的规律（反应动力学）；b.传递过程的规律（质量、热量和动量的传递）；c.上述两者的结合。3研究作用（1）反应器的合理选型（2）反应器操作的优选条件（3）反应器的工程放大本章主要了解化学反应工程的研究对象及研究内容、化学反应器的分类。掌握间歇釜式反应器、管式反应器、全混流反应器、多釜串联反应器的结构与特点、反应器容积的计算，了解返混及其对化学反应的影响，如何选择合适的反应器。§8.2化学反应器的类型1按物料的聚集状态（相态）分类均相：气相：如石油烃管式裂解炉反应特征：无相界面，反应速率液相：如乙酸丁酯的生产只与温度和浓度有关。非均相：g-l相：如苯的烷基化反应特征：有相界面，反应速率g-s相：如合成氨与温度和浓度有关；l-l相：如已内酰胺缩合还与相界面大小及l-s相：如离子交换相间扩散速率有关。g-l-s相：如焦油加氢精制实质是按宏观动力学特性分类，相同聚集状态反应有相同的动力学规律。均相反应，反应速率主要考虑温度、浓度等因素，传质不是主要矛盾。非均相反应过程，反应速率除考虑温度、浓度等因素外还与相间传质速率有关。2按反应器结构分类（1）管式反应器；（2）釜式反应器；（3）板式塔；（4）填料塔；（5）鼓泡塔；（6）喷雾塔；（7）固定床反应器；（8）流化床反应器；（9）移动床反应器；（10）滴流床反应器实质是按传递过程的特征分类，相同结构反应器内物料具有相同流动、混和、传质、传热等特征。3根据温度条件和传热方式分类（1）根据温度条件分：等温、非等温式反应器。（2）根据传热方式分：绝热式：不与外界进行热交换；外热式：由热载体供给或移走热量，又有间壁传热式、直接传热式、外循环传热式之分。蒸发传热式：靠挥发性反应物、产物、溶剂的蒸发移除热量。4按操作方式分类（1）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。属非定态过程，反应器内参数随时间而变。适用：小批量、多品种的生产过程。（2）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。属于非定态过程，反应器内参数随时间而变，也随反应器内位置而变。（3）连续式操作连续加入反应物料和取出产物的生产过程。属定态过程，反应器内参数不随时间而改变，适于大规模生产。5理想流动和理想反应器反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。所以，研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的基础。流动模型是对反应器中流体流动与返混状态的描述。一般将流动模型分为两大类型：理想流动模型：理想置换流动模型理想混合流动模型非理想流动模型：是关于实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。（1）理想置换流动模型①含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的。②特点：在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。③反应器内浓度变化：如右图。长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。（2）理想混合流动模型①含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷大。②特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。③反应器内浓度变化：如右图。搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为理想混合流动。（3）非理想流动模型理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。对于所有偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。（4）理想流动反应器的分类和应用分类：理想平推流反应器理想混合流反应器应用：实际生产中，连续操作釜式反应器可以近似看作是理想混合流，连续操作管式反应器可以近似看作是理想平推流。§8.3间歇釜式反应器1结构釜式反应器是生产中广泛采用的反应器。它可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等等。釜式反应器的结构,主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分组成。（1）壳体包括筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。①壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。A、昀常见的钢制反应釜的材料为Q235A（或容器钢）。钢制反应釜的特点是制造工艺简单、造价费用较低，维护检修方便，使用范围广泛，因此，化工生产普遍采用。由于材料Q235A不耐酸性介质腐蚀，常用的还有不锈钢材料制的反应釜，可以耐一般酸性介质。经过镜面抛光的不锈钢制反应釜还特别适用于高粘度体系聚合反应。B、铸铁反应釜在氯化、磺化、硝化、缩合、硫酸增浓等反应过程中使用较多。C、搪玻璃反应釜性能如下：a、耐腐蚀性能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；pH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。b、耐热性：允许在-30～+240℃范围内使用c、耐冲击性，耐冲击性较小。②筒体：圆筒形。其作用主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。③封头：平面形：适用于常压或压力不高时；碟形：应用较广。球形：适用于高压场合；椭圆形：应用较广。锥形：适用于反应后物料需要分层处理的场合。④手孔、人孔：安装和检修设备的内部构件。⑤视镜：观察设备内部物料的反应情况，也作液面指示用。⑥安全装置:安全阀和爆破膜。⑦其它工艺接管：进料管、出料管、仪表接管。（2）搅拌装置①搅拌目的使物料混和均匀，强化传热和传质。包括均相液体混合；液-液分散；气-液分散；固-液分散；结晶；固体溶解；强化传热等。②搅拌液体的流动模型液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的“流动模型”，简称“流型”。(a)轴向流(b)径向流(c)切线流(d)打漩现象③常用搅拌器的型式、结构和特点在化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置。典型的机械搅拌装置包括搅拌器（包括旋转的轴和装在轴上的叶轮）和辅助部件和附件（包括密封装置、减速箱、搅拌电机、支架、挡板和导流筒等）。搅拌器是实现搅拌操作的主要部件，其主要的组成部分是叶轮，它随旋转轴运动将机械能施加给液体，并促使液体运动。A、桨式搅拌器由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。桨式搅拌器的转速较低，一般为20～80r／min。桨式搅拌器直径取反应釜内径Di的1/3～2/3，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。适用于流动性大、粘度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。B、涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min。涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌产生很强的径向流。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。C、推进式搅拌器推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。推进式搅拌器直径约取反应釜内径Di的1/4～1/3，300～600r／min，搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。D、框式和锚式搅拌器框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅动物料量大。如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/3～9/10，50～70r／min。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的搅拌器能产生良好的热传导。这类搅拌器常用于传热、晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌。E、螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来。螺带的高度通常取罐底至液面的高度。螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低，通常不超过50r/min，产生以上下循环流为主的流动，主要用于高粘度液体的搅拌。④搅拌附件搅拌附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件，如挡板、导流筒等。A、挡板：目的是为了消除切线流和“打漩”。一般为2-4块，且对于低速搅拌高粘度液体的锚式和框式搅拌器安装挡板无意义。B、导流筒：目的是控制流型（加强轴向流）及提高混合效果。不同型式的搅拌器的导流筒安置方位不同。⑤搅拌器的选型主要根据物料性质、搅拌目的及各种搅拌器的性能特征来进行。A、按物料粘度选型对于低粘度液体，应选用小直径、高转速搅拌器，如推进式、涡轮式；对于高粘度液体，就选用大直径、低转速搅拌器，如锚式、框式和桨式。B、按搅拌目的选型对低粘度均相液体混合，主要考虑循环流量，各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列：推进式、涡轮式、桨式。对于非均相液-液分散过程，首先考虑剪切作用，同时要求有较大的循环流量，各种搅拌器的剪切作用按从大到小的顺序排列：涡轮式、推进式、桨式。2操作特点理想间歇操作釜式反应器具备下列特点：(1)由于剧烈的搅拌，均相反应物可达到分子尺度上的均匀，浓度处处相等，化学反应不受物质传递过程的影响。(2)当反应器具有足够快的传热速率时，反应器内的温度均匀一致，化学反应不受温度的影响。间歇操作的釜式反应器，所有反应物均在操作前一次加入，随着反应的进行，釜内温度、浓度和反应速度都随时间变化，一直进行至达到预定的转化率出料为止。间歇反应器是分批操作，其操作时间由两部分组成，由反应时间t和辅助时间t′(即装料、缷料、检查及清洗设备等所需时间）组成。釜内各点物料的浓度、温度、反应速度相同，随时间而变，生产周期存在反应时间（生产时间）t和非生产时间t′。其结构简单、操作方便、灵活性大、应用广泛。但是设备生产效率低、不易保持每批质量稳定、高转化率下体积较大。一般适用于反应物料粘度不太大，化学反应速率较慢的液—液相、气—液相等系统，如精细化工、涂料、染料、医药、农药等小批量多品种的行业。3反应器容积的计算运用物料衡算关系和反应速率方程式导出反应器有效容积的计算式。衡算式：对任一组分A在单元时间、单元体积内：[A的积累量]=[A的进入量