第六講-其它型式反應器

1、第六章 其它型式反應器第一節(jié)第一節(jié) 管式反應器管式反應器第二節(jié)第二節(jié) 氣液反應及反應器氣液反應及反應器第三節(jié)第三節(jié) 氣固相固定床催化反應器氣固相固定床催化反應器第四節(jié)第四節(jié) 流化床反應器流化床反應器第五節(jié)第五節(jié) 氣液固反應器概述氣液固反應器概述第一節(jié)第一節(jié) 管式反應器管式反應器優(yōu)點優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，單位容積生產(chǎn)能力高，傳熱結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，單位容積生產(chǎn)能力高，傳熱面積大，耐高壓、易控制。面積大，耐高壓、易控制。應用應用均相、非均相。它既適用于液相反應，又適用于氣均相、非均相。它既適用于液相反應，又適用于氣相反應。由于相反應。由于PFR能承受較高的壓力，用于加壓反能承受較高的壓力，用于加

2、壓反應尤為合適。具有容積小、比表面大、返混少、反應尤為合適。具有容積小、比表面大、返混少、反應參數(shù)連續(xù)變化、易于控制的優(yōu)點，但對于慢速反應參數(shù)連續(xù)變化、易于控制的優(yōu)點，但對于慢速反應，則有需要管子長，壓降大的不足。應，則有需要管子長，壓降大的不足。舉例舉例苯胺重氮化制備苯肼苯胺重氮化制備苯肼采用直徑采用直徑25mm25mm，長，長2.7m2.7m玻璃管式設備，在玻璃管式設備，在326326329K329K下停留下停留3s3s，轉(zhuǎn)化率為，轉(zhuǎn)化率為96969999（l/d100l/d100可認為式可認為式PFRPFR）粘稠物料湍動Re250025mm甲苯的連甲苯的連續(xù)硝化續(xù)硝化 難于作到等溫操作難

3、于作到等溫操作對于可逆的熱反應，等溫并不一定好，有最佳溫度分布對于可逆的熱反應，等溫并不一定好，有最佳溫度分布對于復雜反應，溫度對于復雜反應，溫度T T影響產(chǎn)物分布影響產(chǎn)物分布（PD）工業(yè)化反應器很少等溫下操作工業(yè)化反應器很少等溫下操作 工業(yè)上反應器：微元體積建立熱量衡算微元體積建立熱量衡算反應熱反應熱物料與環(huán)境交換熱量物料與環(huán)境交換熱量反應物經(jīng)過反應物經(jīng)過dV后的顯熱后的顯熱等溫過程等溫過程絕熱過程絕熱過程討論絕熱過程容積的計算方法：）絕熱方程式適用于各類反應器絕熱溫升系數(shù)當物料的總進料的摩爾流量為當物料的總進料的摩爾流量為1時，反應物時，反應物A全部轉(zhuǎn)化后使物料溫度所升高的度數(shù)。全部轉(zhuǎn)化后

4、使物料溫度所升高的度數(shù)。變溫等容變溫等容T = T0 +XA總摩爾數(shù)總摩爾數(shù)當變化當變化1摩爾的組分摩爾的組分A時，引起物時，引起物系總摩爾數(shù)的增加或減少的值。系總摩爾數(shù)的增加或減少的值。加入的惰性氣體不影響例例1 11 1 計算下列化學反應的膨脹因子計算下列化學反應的膨脹因子A+BP+S AP+S A+3B2P解：解：1. A=(1+1)(1+1) / 1=03. A=2(1+3) / 1=22. A=(1+1)1) / 1=1理想氣體等容一級反應一級反應【例題例題】在在215和和5大氣壓下，均相氣相反應大氣壓下，均相氣相反應 3在活塞流反應器中進行。在活塞流反應器中進行。215時，速率式為

5、：時，速率式為： rA=10-2CA0.5(mol/ls)，原料氣中含有，原料氣中含有50A和和50惰性氣體惰性氣體(CA0=0.0625mol/l)，求轉(zhuǎn)化率為，求轉(zhuǎn)化率為80時所需的空時。時所需的空時。 【解解】根據(jù)題所給出的已知條件有：根據(jù)題所給出的已知條件有：03 120.51AAy20.520.50.500110101AAAAAAAxrCCyx0020.50.50000010(1) ()1AfAfxxrAAAAAAA AAAVdxdxCCQCxy x R0.50.50011001AfxAAAAxCdxx式中積分項可用圖解、數(shù)值解、或解析解計算，下面式中積分項可用圖解、數(shù)值解、或解析解

6、計算，下面依次說明這些解法。依次說明這些解法。 3 2 1 0 xA 0.4 0.8 圖解積分圖解積分0.511AAxYx令：AxAAdxxxAf5 . 0011面積面積1.700.81.3 02421311()2()4()3bAAnnnAaf xdxyyyyyyyyx n n為偶數(shù)，對于上表數(shù)據(jù)，用辛普森公式計算：為偶數(shù)，對于上表數(shù)據(jù)，用辛普森公式計算：AxAAdxxxAf5 . 0011 = 1.000+41.227+21.528+42.000+3.0000.23 = 1.331 數(shù)值積分：數(shù)值積分： 用辛普森法用辛普森法(也可用梯型公式計算)0.520.8020.50011arcsin(

7、1)1.3281(1)AfAfxxAAAAAAAAxxdxdxxxxx 解析積分解析積分所推薦的積分方法要取決于具體情況，在本題中數(shù)值所推薦的積分方法要取決于具體情況，在本題中數(shù)值解可能是最快、最簡單的方法。解可能是最快、最簡單的方法。第二節(jié)第二節(jié) 氣液反應及反應器氣液反應及反應器氣液相反應氣液相反應：反應的主體在液相，至少有一種反應：反應的主體在液相，至少有一種反應組分是氣相，也可以是多種反應組分都為氣相的反組分是氣相，也可以是多種反應組分都為氣相的反應。應。類型類型非催化氣液相反應非催化氣液相反應催化氣液相反應催化氣液相反應應用應用除去氣體中微量有害組分，凈化氣體除去氣體中微量有害組分，凈

8、化氣體回收氣體中的有害物質(zhì)回收氣體中的有害物質(zhì)生產(chǎn)藥物和化工產(chǎn)品生產(chǎn)藥物和化工產(chǎn)品? ?GasLiquid擴散擴散吸收吸收解吸解吸反應反應擴散擴散宏觀動力學宏觀動力學包括擴散和傳遞過程在內(nèi)的動力學包括擴散和傳遞過程在內(nèi)的動力學當傳遞速度當傳遞速度化學反應速度化學反應速度動力學控制動力學控制傳質(zhì)模型:p氣液相界面兩側(cè)各存在一個靜止膜：氣膜，液膜氣液相界面兩側(cè)各存在一個靜止膜：氣膜，液膜p傳質(zhì)速率取決于通過液膜和氣膜的分子擴散速率傳質(zhì)速率取決于通過液膜和氣膜的分子擴散速率p擴散組分在氣液界面處達到氣液相平衡。擴散組分在氣液界面處達到氣液相平衡。Higbie滲透論滲透論表面更新理論表面更新理論雙膜論

9、雙膜論Danckwerts雙膜理論的假設：雙膜理論的假設：擴散系數(shù)與擴散尺度的比值擴散系數(shù)與擴散尺度的比值傳質(zhì)系數(shù)阻力的倒數(shù)傳質(zhì)系數(shù)阻力的倒數(shù)阻力加和定理阻力加和定理消去界面條件消去界面條件電流過程與雙膜傳質(zhì)過程的類似12011,11,GLGLRRkkRKK231212130UUUUIRRUUR1/1/*1/1/GiiLGLGLGLppCCNkkppCCKKpGpiCLCiGLZZU1U2U3G L“擴散反應擴散反應”方程方程邊界條件邊界條件CA或CB的解析解瞬間反應瞬間反應LDEED反應速率越快，反應速率越快，濃度分布曲線越彎曲，濃度分布曲線越彎曲，則則數(shù)值越來越大。數(shù)值越來越大。12E無反

10、應時的濃度梯度無反應時的濃度梯度有反應時的濃度梯度有反應時的濃度梯度DDDD的斜率的斜率DEDE的斜率的斜率化學吸收的速率化學吸收的速率純物理吸收速率純物理吸收速率11化學吸收增強因子化學吸收增強因子1 1，降低液相傳質(zhì)阻力所占比例。，降低液相傳質(zhì)阻力所占比例。足夠大時，總阻力將由氣膜阻力所決定足夠大時，總阻力將由氣膜阻力所決定()()GGiLiLNkppkCC11111(*)(*)GGGLLGLLLGNKppKKkHkCCHKkk反應面在液膜內(nèi)g gL LG LpGpiCLCiGLHatta準數(shù)數(shù)值大準數(shù)數(shù)值大小的含義：小的含義：數(shù)值越大，反應越快于傳質(zhì)，傳質(zhì)速率越“跟不上”、“滯后于”反應

11、速率，濃度分布越顯著。Hatta準數(shù)：液膜中化學反應與傳遞之間相對速率的大小準數(shù)：液膜中化學反應與傳遞之間相對速率的大小0氣含率C CAiAiC CALALC CALALC CAiAi有內(nèi)擴散影響時的反應速率有內(nèi)擴散影響時的反應速率無內(nèi)擴散影響時的反應速率無內(nèi)擴散影響時的反應速率通過氣液界面的吸收速率通過氣液界面的吸收速率在全部液相內(nèi)可能具有的最大反應速度在全部液相內(nèi)可能具有的最大反應速度值的大小是對液相利用程度的一種度量：值的大小是對液相利用程度的一種度量：=1=1表示化學反應在整個液相中均勻進行；表示化學反應在整個液相中均勻進行；11表示反應在液相中不均勻，液相利用不充分。表示反應在液相中

12、不均勻，液相利用不充分。因此，稱為液相利用率。因此，稱為液相利用率。液相反應利用率液相反應利用率（氣液反應有效因子）（氣液反應有效因子）中速反中速反應應慢慢反反應應相當于液體的均相反應A區(qū)區(qū)B區(qū)區(qū)C區(qū)區(qū)E區(qū)區(qū)瞬間快速反應擬一級反應二級不可逆反應慢速反應按氣液接觸方式分類按氣液接觸方式分類（1）液膜型填料塔、濕壁塔、降膜反應器填料塔、濕壁塔、降膜反應器液體呈膜狀，氣液兩相均為連續(xù)相液體呈膜狀，氣液兩相均為連續(xù)相（2）氣泡型鼓泡塔、板式塔、通氣攪拌釜鼓泡塔、板式塔、通氣攪拌釜液體為連續(xù)相，氣體以氣泡的形式分散在液體中液體為連續(xù)相，氣體以氣泡的形式分散在液體中（3）液滴型噴灑塔、文丘里反應器、噴射反

13、應器噴灑塔、文丘里反應器、噴射反應器氣體為連續(xù)相，液體以液滴的形式分散在氣體中氣體為連續(xù)相，液體以液滴的形式分散在氣體中LLGG（一）填料塔（一）填料塔優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、氣相壓降小、液體返混極小，結(jié)構(gòu)簡單、氣相壓降小、液體返混極小，易于適應腐蝕介質(zhì)和不易造成溶液氣泡。易于適應腐蝕介質(zhì)和不易造成溶液氣泡。應用：應用：氣液流型均接近活塞流，軸向返混可氣液流型均接近活塞流，軸向返混可忽略，可用于要求高轉(zhuǎn)化率的反應；忽略，可用于要求高轉(zhuǎn)化率的反應；比表面積大，持液量小，對瞬間反應、比表面積大，持液量小，對瞬間反應、快速反應的吸收過程可采用?？焖俜磻奈者^程可采用。對填料要求比表面積和空隙率要大，

14、對填料要求比表面積和空隙率要大，耐腐蝕，可潤濕性，價格低。耐腐蝕，可潤濕性，價格低。缺點：缺點：不能從塔體直接移去熱量，只能靠提不能從塔體直接移去熱量，只能靠提高液體的噴灑量；高液體的噴灑量；液相停留時間短，對慢反應不合適；液相停留時間短，對慢反應不合適；為保證填料潤濕，噴淋密度大于為保證填料潤濕，噴淋密度大于510m3/n2.h，不適用液體流量低的場合。，不適用液體流量低的場合。（二）噴灑塔（二）噴灑塔LLGG特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單、比相界面劑積大、氣相壓降小、結(jié)構(gòu)簡單、比相界面劑積大、氣相壓降小、適用于受氣膜控制的瞬間快速反應。適用于受氣膜控制的瞬間快速反應。優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：不存在設

15、備堵塞，可用于處理固體雜質(zhì)不存在設備堵塞，可用于處理固體雜質(zhì)或會生成固體產(chǎn)物的氣液反應?；驎晒腆w產(chǎn)物的氣液反應。持液量過低，液體側(cè)傳質(zhì)系數(shù)小，氣相持液量過低，液體側(cè)傳質(zhì)系數(shù)小，氣相和液相返混比較嚴重。和液相返混比較嚴重。（三）板式塔（三）板式塔LLGG特點：特點：結(jié)構(gòu)復雜，氣相流動壓降較大，單位體積結(jié)構(gòu)復雜，氣相流動壓降較大，單位體積相界面積。氣液傳質(zhì)系數(shù)、持液量比填料相界面積。氣液傳質(zhì)系數(shù)、持液量比填料塔大。塔大。優(yōu)點：優(yōu)點：液體流率和停留時間可在較大范圍液體流率和停留時間可在較大范圍內(nèi)變化，適用于氣體流量高、液體內(nèi)變化，適用于氣體流量高、液體流量低需要較長反應時間的場合；流量低需要較長

16、反應時間的場合；每塊板上可以設置換熱管以提供或每塊板上可以設置換熱管以提供或移除反應熱。移除反應熱。LLGG（四）降膜反應器（四）降膜反應器壓降小、無軸向返混，適用于快速壓降小、無軸向返混，適用于快速和較大熱效應的反應。和較大熱效應的反應。特點：特點：借助管內(nèi)流動液膜進行氣液反應，借助管內(nèi)流動液膜進行氣液反應，管外使用載熱流體導入或?qū)С龇磻芡馐褂幂d熱流體導入或?qū)С龇磻獰?；熱；?yōu)點：優(yōu)點：降膜管的垂直安裝是關(guān)鍵，影響降膜管的垂直安裝是關(guān)鍵，影響液體成膜和均勻分布液體成膜和均勻分布要求：要求：（五）（五）噴射反應器、文丘里反應器噴射反應器、文丘里反應器氣膜傳質(zhì)過程的速率氣膜傳質(zhì)過程的速率大，因而

17、獲得很高的大，因而獲得很高的反應速率，適用于瞬反應速率，適用于瞬間反應。間反應。（六）鼓泡塔（六）鼓泡塔LLGG特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單，對加壓和腐蝕性場合可結(jié)構(gòu)簡單，對加壓和腐蝕性場合可用；單位體積持液量大，但相界面用；單位體積持液量大，但相界面積小，適用于中速、慢速和強放熱積小，適用于中速、慢速和強放熱反應。反應。缺點：缺點：液相接近全混流，返混大，氣相接近液相接近全混流，返混大，氣相接近活塞流，載高徑比較大時，氣泡合并活塞流，載高徑比較大時，氣泡合并速度增加，相際接觸面積迅速減小。速度增加，相際接觸面積迅速減小。如何克服氣泡聚并？如何克服氣泡聚并？多段式：多段式：LLGLG加設多加設多層中間

18、層中間氣體分氣體分布篩板布篩板填料鼓泡塔填料鼓泡塔環(huán)己烷氧化塔（生成環(huán)己酮、己內(nèi)酰胺）環(huán)己烷氧化塔（生成環(huán)己酮、己內(nèi)酰胺）（可用環(huán)烷酸鈷催化）（可用環(huán)烷酸鈷催化）GGLG內(nèi)環(huán)流內(nèi)環(huán)流，裝導流筒裝導流筒GLLL（七）通氣攪拌釜（機械攪拌釜）（七）通氣攪拌釜（機械攪拌釜）特點：特點：氣體分散良好，氣液比相界氣體分散良好，氣液比相界面積大，強化了傳質(zhì)和傳熱；面積大，強化了傳質(zhì)和傳熱；適合于慢速反應及高粘度氣適合于慢速反應及高粘度氣體和非牛頓型液體間的反應。體和非牛頓型液體間的反應。缺點：缺點：氣液兩相均呈全混流，降低氣液兩相均呈全混流，降低了體積效率，而且軸的密封，了體積效率，而且軸的密封，能耗大。

19、能耗大。fLLHHH1.攪拌鼓泡釜的操作狀態(tài)氣含率塔內(nèi)氣液混合物中氣體所占的體積分率塔內(nèi)氣液混合物中氣體所占的體積分率Hf、HL分別為鼓泡前后液層高度，m槳葉基本上能使氣體均勻分散所需的最低轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速 過渡區(qū)過渡區(qū)完全氣泛區(qū)完全氣泛區(qū)均勻分散區(qū)均勻分散區(qū)出現(xiàn)或消失氣泛現(xiàn)象時的轉(zhuǎn)速定為泛點轉(zhuǎn)速泛點轉(zhuǎn)速 n，對應的氣速稱作泛點氣速泛點氣速 弱傳質(zhì)中度傳質(zhì)傳質(zhì)最強中度傳質(zhì)清流液層清流液層實驗實驗 攪拌鼓泡釜中氣液兩相攪拌鼓泡釜中氣液兩相流動特性實驗流動特性實驗 本實驗就是在一定的本實驗就是在一定的幾何尺寸和一定型的幾何尺寸和一定型的攪拌鼓泡釜內(nèi)，通過攪拌鼓泡釜內(nèi)，通過改變氣量和攪拌速度

20、，改變氣量和攪拌速度，觀察釜中氣液兩相流觀察釜中氣液兩相流動狀況和分散特性，動狀況和分散特性，并通過測定氣含率，并通過測定氣含率，來表征傳質(zhì)狀況的變來表征傳質(zhì)狀況的變化，為氣液反應的放化，為氣液反應的放大 提 供 重 要 參 數(shù) 。大 提 供 重 要 參 數(shù) 。 ：使反應器的傳遞特性和反應動力學特性相適應。：Hatta準數(shù)、比相界面積、液含率氣液反應器的選型要求要求要求要求要求要求第三節(jié)第三節(jié) 氣固相固定床催化反應氣固相固定床催化反應器器氣體反應物通過靜止不動的固體催化劑所形成的固定床層而進行反應的裝置稱作固定床反應器。一、固定床反應器固定床反應器的優(yōu)點固定床反應器的缺點徑向流動催化床只適用于

21、熱效應小，絕熱溫升不太高，單程轉(zhuǎn)化率較低和反應溫度允許波動范圍較寬的情況這種反應器由多根管徑通常為2530的反應管并聯(lián)構(gòu)成，管數(shù)可能多達萬根以上。管內(nèi)（或管間）裝催化劑，載熱體流經(jīng)管間（或管內(nèi)）進行加熱或冷卻。此外，還可將上述基本形式的反應器相互串聯(lián)，反應器之間設換熱器或補充物料調(diào)節(jié)一下反應器的入口溫度，但也有將列管式反應器和絕熱式的反應器互相組合的。以原料氣體作換熱介質(zhì)來加熱或冷卻催化劑，以維持反應區(qū)的溫度。調(diào)和平均直徑調(diào)和平均直徑外表傳熱與傳質(zhì)的傳熱與傳質(zhì)的研究中常采用研究中常采用三種直徑之間的關(guān)系三種直徑之間的關(guān)系多孔結(jié)構(gòu)：顆粒內(nèi)部由許多形狀不規(guī)則互相連通的孔道組成，形成幾何形狀復雜的網(wǎng)

22、絡結(jié)構(gòu)孔的大小對比表面積孔的大小對比表面積sg有影響，孔的大小存在一個分布有影響，孔的大小存在一個分布孔容Vg cm3/g比表面積sg m2/g平均孔半徑1pE 孔隙體積固體體積（骨架體積）孔隙體積s固體質(zhì)量顆粒表觀密度（假密度） 顆粒體積t固體質(zhì)量真密度 固體體積（骨架體積）p固體質(zhì)量堆密度床層體積pts壁效應床層直徑至少大于顆粒直徑的床層直徑至少大于顆粒直徑的8倍倍消除離壁距離離壁距離udp一般床壓不宜超過床內(nèi)的15%把床層視為一整體把床層視為一整體ABcAGcASA （g） B（g）外擴散內(nèi)擴散表面吸附表面反應表面脫附內(nèi)擴散外擴散最慢的一步為控制步驟最慢的一步為控制步驟催化劑表面的反應速

23、度很快，而氣體流過顆粒床層的速度很慢，反應物向催化劑表面的擴散速度起控制作用外擴散控制消除提高氣體流速實驗方法其它條件不變，測定氣體質(zhì)量速度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，當質(zhì)量速度達到某一值，轉(zhuǎn)化率不再變化，則說明外擴散無影響。()=()isASpssAsik f Cdsrrk f CS受內(nèi)擴散影響的反應速度不受內(nèi)擴散影響的反應速度距離0CACAgCASCACRp按顆粒外表面濃度計算的反應速率A的濃度分布的濃度分布接近或等于接近或等于1/Vp ApR/2RVp Ap /3RVp Ap 檢驗內(nèi)擴散的影響改變催化劑顆粒的大小，測定顆粒大小和反應速度的關(guān)系，如果催化劑顆粒小到一定程度不再變化，表明內(nèi)擴散影響已經(jīng)消除。dpXA曲線實驗/RVv Sv能簡便估算出催化劑的體積，不能實現(xiàn)高倍數(shù)的放大數(shù)學模型擬均相非均相一維二維只考慮軸向濃度和溫度差只考慮軸向濃度和溫度差既考慮軸向又考慮徑向既考慮軸向又考慮徑向一維二維只考慮軸向濃度和溫度差只考慮軸向濃度和溫度差既考慮軸向又考慮徑向既考慮軸向又考慮徑向擬均相一維模型適用于：熱效應不大，反應速度較低，床層內(nèi)氣適用于：熱效應不大，反應速度較低，床層內(nèi)氣體流速較大，管徑較小的場合。體流速較大，管徑較小的場合。第四節(jié)第四節(jié) 流化床反應器流化床反應器流化床反應器是利用氣體或液體自