化工基礎(chǔ)工業(yè)反應(yīng)器

1、第6章 工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)器 6.1 概 述 1工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的特征 在化工生產(chǎn)中，大部分都包含化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的工序的設(shè)計(jì)問(wèn)題，都是屬于化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的問(wèn)題。化學(xué)反應(yīng)工程的概念是在1957年第一次歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議上首先提出的。六十多年來(lái)，化學(xué)反應(yīng)工程得到了迅速的發(fā)展，逐步形成了一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，成為化學(xué)工程的一個(gè)分支。化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，它是以工業(yè)反應(yīng)器為主要對(duì)象，研究工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和設(shè)備的共性規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。大家知道，化工產(chǎn)品的生產(chǎn)都涉及到化學(xué)反應(yīng)工程，然而化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，特別是在工業(yè)規(guī)模下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其影響因素是錯(cuò)綜復(fù)雜的，它不僅受化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)的制約，

2、還與化學(xué)反應(yīng)器的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和尺寸有很大的關(guān)系。實(shí)踐證明，同一化學(xué)反應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模進(jìn)行時(shí)可以達(dá)到相對(duì)比較高的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率，但放大到工業(yè)反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，維持相同反應(yīng)條件，所得轉(zhuǎn)化率卻往往低于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，其原因有以下幾方面： 大規(guī)模生產(chǎn)條件下，反應(yīng)物系的混合不可能像實(shí)驗(yàn)室那么均勻。 生產(chǎn)規(guī)模下，反應(yīng)條件不能像實(shí)驗(yàn)室中那么容易控制，體系內(nèi)溫度和濃度并非均勻。 生產(chǎn)條件下，反應(yīng)體系多維持在連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)，反應(yīng)器的構(gòu)型以及器內(nèi)流動(dòng)狀況、流動(dòng)條件對(duì)反應(yīng)過(guò)程有極大的影響。工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)存在一個(gè)停留時(shí)間分布。 工業(yè)反應(yīng)器中實(shí)際進(jìn)行的過(guò)程不但包括化學(xué)反應(yīng)，還伴隨有各種物理過(guò)程，如熱量的傳遞、物質(zhì)的流動(dòng)、混合和傳遞

3、等，這些傳遞過(guò)程顯著地影響著反應(yīng)的最終結(jié)果，這就是工業(yè)規(guī)模下的反應(yīng)過(guò)程。 2化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的任務(wù)和研究方法 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)研究生產(chǎn)規(guī)模下的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和設(shè)備內(nèi)的傳遞規(guī)律，它應(yīng)用化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)，結(jié)合流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等傳遞現(xiàn)象，進(jìn)行工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的分析、反應(yīng)器的選擇和設(shè)計(jì)及反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并研究最佳的反應(yīng)操作條件，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化操作和控制。改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，挖掘潛力開(kāi)發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備。指導(dǎo)和解決反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中的放大問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)化。不斷發(fā)展反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法。化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)有著自身特有的研究方法。在一般的化工單元操作中，通常采用的方法是經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)法，例如流

4、體阻力系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)的獲得等等，這是一種實(shí)驗(yàn)-綜合的方法。但化學(xué)反應(yīng)工程涉及的內(nèi)容、參數(shù)及其相互間的影響更為復(fù)雜，研究表明，這種傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能解決化學(xué)反應(yīng)工程問(wèn)題，而采用以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模擬法。 所謂數(shù)學(xué)模擬法是將復(fù)雜的研究對(duì)象合理地簡(jiǎn)化成一個(gè)與原過(guò)程近似等效的模型，然后對(duì)簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，即將操作條件下的物理因素包括流動(dòng)狀況、傳遞規(guī)律等過(guò)程的影響和所進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)綜合在一起，用數(shù)學(xué)公式表達(dá)出來(lái)。數(shù)學(xué)模型是流動(dòng)模型、傳遞模型、動(dòng)力學(xué)模型的總和，一般是各種形式的聯(lián)立代數(shù)方程、微分方程或積分方程。 建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程采用了分解-綜合的方法，它將復(fù)雜的反應(yīng)工程問(wèn)題先分解為較

5、為簡(jiǎn)單的本征化學(xué)動(dòng)力學(xué)和單純的傳遞過(guò)程，把兩者結(jié)合，通過(guò)綜合分析的方法提出模型并用數(shù)學(xué)方法予以描述。 建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵是對(duì)過(guò)程實(shí)質(zhì)的了解和對(duì)過(guò)程的合理簡(jiǎn)化，這些都依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)；同樣模型的驗(yàn)證和修改，也依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)，只有對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)修正，才能得到與實(shí)際過(guò)程等效的數(shù)學(xué)模型。 在實(shí)際中，先抽提出理想反應(yīng)器模型，然后討論實(shí)際反應(yīng)器和理想反應(yīng)器的偏離，再通過(guò)校正和修改，最后建立實(shí)際反應(yīng)器的模型。 3工業(yè)反應(yīng)器簡(jiǎn)介 在化學(xué)反應(yīng)工程中，由于化學(xué)反應(yīng)的種類(lèi)繁多，操作條件差別大，各種反應(yīng)都要求有適合其自身特點(diǎn)的操作方法，因此，工業(yè)反應(yīng)器的形成也必須是多種多樣的。工業(yè)生產(chǎn)所用的反應(yīng)裝置，不論從形狀、大小和操作狀況

6、來(lái)看是多種多樣，十分復(fù)雜。根據(jù)不同的觀點(diǎn)，有不同的分類(lèi)方法。(1)工業(yè)反應(yīng)器分類(lèi) 從傳遞特性和動(dòng)力學(xué)特性?xún)煞矫嫒胧郑蓪⒐I(yè)反應(yīng)器分類(lèi)： 按操作狀況 根據(jù)反應(yīng)物料加入反應(yīng)器的方式，可將反應(yīng)器分為間歇反應(yīng)器、半間歇或半連續(xù)反應(yīng)器和連續(xù)反應(yīng)器。 間歇反應(yīng)器：反應(yīng)物料一次加入，在攪拌的存在下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間達(dá)到反應(yīng)要求后，反應(yīng)產(chǎn)物一次卸出，在反應(yīng)期間沒(méi)有物料的加入和引出，生產(chǎn)為間歇地分批進(jìn)行。特征是反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)體系的各種參數(shù)（如濃度、溫度等）隨著反應(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間都相同。 連續(xù)反應(yīng)器：穩(wěn)定操作時(shí)，反應(yīng)物和產(chǎn)物連續(xù)穩(wěn)定地流入和引出反應(yīng)器，進(jìn)料和出料同時(shí)進(jìn)行，

7、反應(yīng)器內(nèi)的物系參數(shù)不隨時(shí)間發(fā)生變化，但可隨位置而變。反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間可能不同。 這種反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備利用率高，節(jié)省勞力，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于自控，適合于大規(guī)模的生產(chǎn)。半連續(xù)反應(yīng)器/半間歇反應(yīng)器：一種或幾種反應(yīng)物先一次加入反應(yīng)器，而另外一種反應(yīng)物或催化劑則連續(xù)注入反應(yīng)器，這或者是在反應(yīng)過(guò)程中將某種產(chǎn)物連續(xù)不斷地從反應(yīng)器內(nèi)引出，這種反應(yīng)器從其反應(yīng)混合物的組成隨時(shí)間變化的觀點(diǎn)來(lái)看是間歇的，而從操作的觀點(diǎn)來(lái)看，其反應(yīng)物料之一的加入和產(chǎn)物的引出，其操作又是連續(xù)的。是一種介于連續(xù)和間歇之間的操作方式，反應(yīng)器內(nèi)物料參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生變化。 按反應(yīng)器的形狀 根據(jù)幾何形狀可歸納為管式、槽（釜）式和塔式三類(lèi)

8、反應(yīng)器。 管式反應(yīng)器是長(zhǎng)（高）徑比很大，物料混合作用很小，一般用于連續(xù)操作過(guò)程。 槽（釜）式反應(yīng)器的高徑比較小，一般接近于1。通常槽（釜）內(nèi)裝攪拌器，器內(nèi)混合比較均勻。此類(lèi)反應(yīng)器既可用于連續(xù)操作，也可用于間歇操作。 塔式反應(yīng)器高徑比在以上兩者之間（一般地講，高徑比還是較大的），采用連續(xù)操作方式。 按反應(yīng)混合物的相態(tài) 可分為均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器。這種分類(lèi)的實(shí)質(zhì)是按動(dòng)力學(xué)特性分類(lèi)，不同聚集狀態(tài)的物質(zhì)，其反應(yīng)有不同的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。均相反應(yīng)器又分為氣相和液相反應(yīng)器，非均相反應(yīng)器分為氣一液、氣一固、液一液、液一固、氣一液一固等反應(yīng)器。 這種分類(lèi)方法對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是有利的，因?yàn)橥幌鄳B(tài)的反應(yīng)其動(dòng)力學(xué)規(guī)律

9、相同，在分析和設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，可以用同一類(lèi)動(dòng)力學(xué)公式。生產(chǎn)中的反應(yīng)器有多種特性，通常是將以上的分類(lèi)加以綜合。 （2）常見(jiàn)工業(yè)反應(yīng)器 間歇操作攪拌釜 這是一種帶有攪拌器的槽式反應(yīng)器。用于小批量、多品種的液相反應(yīng)系統(tǒng)，如制藥、染料等精細(xì)化工生產(chǎn)過(guò)程。 連續(xù)操作攪拌釜 連續(xù)流動(dòng)的攪拌釜式反應(yīng)器。常用于均相、非均相的液相系統(tǒng)，如合成橡膠等聚合反應(yīng)過(guò)程。它可以單釜連續(xù)操作，可以是多釜串聯(lián)。 連續(xù)操作管式反應(yīng)器 即連續(xù)操作的管式反應(yīng)器，主要用于大規(guī)模的流體參加的反應(yīng)過(guò)程。 固定床反應(yīng)器 反應(yīng)器內(nèi)填放固體催化劑顆粒或固體反應(yīng)物，在流體通過(guò)時(shí)靜止不動(dòng)，由此而得名。主要用于氣固相催化反應(yīng)，如合成氨生產(chǎn)等。 流化床

10、反應(yīng)器 與固定床反應(yīng)器中固體介質(zhì)固定不動(dòng)正相反，此處固相介質(zhì)做成較小的顆粒，當(dāng)流體通過(guò)床層時(shí)，固相介質(zhì)形成懸浮狀態(tài)，好像變成了沸騰的流體，故稱(chēng)流化床，俗稱(chēng)沸騰床。主要用于要求有較好的傳熱和傳質(zhì)效率的氣固相催化反應(yīng)，如石油的催化裂化、丙烯氨氧化等非催化反應(yīng)過(guò)程。 鼓泡床反應(yīng)器 塔式結(jié)構(gòu)的氣-液反應(yīng)器，在充滿(mǎn)液體的床層中，氣體鼓泡通過(guò)，氣液兩相進(jìn)行反應(yīng)，如乙醛氧化制醋酸。 工業(yè)反應(yīng)器型式各異，進(jìn)行的反應(yīng)更是多種多樣，主要討論恒溫的均相反應(yīng)器的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)、優(yōu)化及選型等問(wèn)題，對(duì)工業(yè)中常用的非均相反應(yīng)器氣固相催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特征及選擇進(jìn)行簡(jiǎn)介。 4反應(yīng)器的基本計(jì)算方程 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是確定反應(yīng)器

11、的生產(chǎn)能力，即完成一定生產(chǎn)任務(wù)所需反應(yīng)器的體積。對(duì)等溫反應(yīng)器，使用物料衡算便可描述反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀況，并與反應(yīng)器中具體反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)結(jié)合，從而獲得將原料和產(chǎn)品組成、產(chǎn)量和反應(yīng)速度相互聯(lián)系起來(lái)的關(guān)聯(lián)式，即反應(yīng)器的基本計(jì)算方程，也就是反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型。求出各種反應(yīng)器的體積或確定體積的反應(yīng)器完成一定生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)時(shí)間。 對(duì)于任一反應(yīng)器，其物料衡算表達(dá)式為： 引入反應(yīng)物的速率=引出珍應(yīng)物的速率+反應(yīng)消耗反應(yīng)物的速率+反應(yīng)物積累速率 (6-1) 間歇操作 反應(yīng)消耗反應(yīng)物的速率+反應(yīng)物積累速率=0 (6-2) 連續(xù)穩(wěn)定操作 引入反應(yīng)物的速率=引出反應(yīng)物的速率+反應(yīng)物消耗的速率 （6-3） 反應(yīng)器中的物料

12、衡算，往往選定某一組分為基準(zhǔn)。而衡算范圍要根據(jù)反應(yīng)器形狀和流動(dòng)狀態(tài)確定。 6.2 理想反應(yīng)器及其計(jì)算 1間歇攪拌釜式反應(yīng)器（BSTR） (1)結(jié)構(gòu)與操作特點(diǎn)圖62為間歇攪拌釜式反應(yīng)器。反應(yīng)物料按一定的配料比一次性從加料口加入反應(yīng)器，反應(yīng)器頂部蓋子上安裝攪拌器，通過(guò)攪拌器充分?jǐn)嚢瑁拐麄€(gè)反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度保持均勻。通常它配有夾套或蛇管，以控制反應(yīng)溫度。反應(yīng)物料在釜內(nèi)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的反應(yīng)后，如果已經(jīng)達(dá)到生產(chǎn)要求，停止反應(yīng)并將物料從釜底排出。反應(yīng)器經(jīng)過(guò)清洗后，又開(kāi)始新一輪的操作。生產(chǎn)周期包括加料、反應(yīng)、出料、清洗。 在理想的間歇攪拌釜式反應(yīng)器器內(nèi)，由于劇烈攪拌，物料達(dá)到分子尺度上的均勻，且濃度處

13、處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞過(guò)程對(duì)反應(yīng)的影響；由于具有足夠大的傳熱速率，器內(nèi)各處溫度相等；排除了熱量傳遞過(guò)程對(duì)反應(yīng)的影響。這種操作特點(diǎn)決定了間歇攪拌釜式反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果只由化學(xué)動(dòng)力學(xué)所確定。總結(jié)它的特點(diǎn): 1.由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻,且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對(duì)反應(yīng)的影響；2.具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無(wú)需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問(wèn)題；3.物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng) 時(shí)間。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，所以間歇釜式反應(yīng)器具有較大的通用性和靈活性，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn)。在精細(xì)化工，制藥、染料、涂料生產(chǎn)等工業(yè)部門(mén)中得到

14、廣泛的應(yīng)用。雖然間歇釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是也要注意安全操作，對(duì)于在壓力條件下工作的反應(yīng)釜，常常在頂部安裝一個(gè)安全閥，對(duì)于揮發(fā)性物質(zhì)，在頂部的排氣口也要安裝一個(gè)回流冷凝器。缺點(diǎn)： 裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定（2）間歇攪拌釜式反應(yīng)器的計(jì)算 以反應(yīng)物A為基準(zhǔn)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算，根據(jù)式（62），式中 反應(yīng)物A消耗速率=(-rA)V 反應(yīng)物A積累速率=Adndt 因此物料衡算式變?yōu)?dtdnVrAA=)式（66）是間歇攪拌釜式反應(yīng)器的基本計(jì)算方程。由此式可得出，間歇反應(yīng)器中達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)時(shí)間僅與反應(yīng)速率有關(guān)，而與反應(yīng)器的容積無(wú)關(guān)。 由于反應(yīng)器是間歇操作，所以每處理一批物

15、料都要有出料、清洗和加料等非生產(chǎn)輔助時(shí)間，因此，處理一定量的物料所需要的有效容積不僅與反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，還與輔助時(shí)間有關(guān)。設(shè)平均每小時(shí)需要處理的物料量的平均體積為V，每批裝料、卸料和清洗等輔助時(shí)間為t”,每批反應(yīng)時(shí)間為t，則所需反應(yīng)器的有效容積是：式中VR為反應(yīng)器的有效容積，即反應(yīng)混合物的體積。由上式可見(jiàn)，為了提高間歇反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，就是要設(shè)法減少非生產(chǎn)的輔助時(shí)間，但這種輔助時(shí)間長(zhǎng)短一般由長(zhǎng)短確定。一般來(lái)說(shuō)，反應(yīng)器中的反應(yīng)物料不是裝得滿(mǎn)滿(mǎn)的，實(shí)際反應(yīng)器的體積VT要比有效容積大，于是，引入一個(gè)裝料系數(shù)，它是反應(yīng)器有效容積占總?cè)莘e的比值。通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定，對(duì)于不發(fā)生泡沫不沸騰的液體，取0.70.85

16、，否則，只取0.40.6， 操作時(shí)，將物料按一定配料比加到反應(yīng)器內(nèi)，開(kāi)動(dòng)攪拌器，使物料充分混合均勻，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間反應(yīng)達(dá)到所需要求得轉(zhuǎn)化率后，將全部物料放出，清理洗凈，完成一個(gè)生產(chǎn)周期，準(zhǔn)備開(kāi)始新一輪的操作。周期=生產(chǎn)時(shí)間+輔助時(shí)間2活塞流反應(yīng)器（PFR） （1）活塞流 連續(xù)穩(wěn)定流入反應(yīng)器的流體，在垂直于流動(dòng)方向的任一載面上，各質(zhì)點(diǎn)的流速完全相同，平行向前流動(dòng)，恰似汽缸中活塞的移動(dòng)，故稱(chēng)為活塞流或平推流，又叫理想置換、理想排擠流。其特點(diǎn)是先后進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間完全無(wú)混合，而在垂直于流動(dòng)方向的任一載面上，物料的參數(shù)都是均勻的。物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間都相同。 管式反應(yīng)器中的流動(dòng)接近這種流型，

17、特別是當(dāng)其長(zhǎng)徑比較大、流速較高、流體流動(dòng)阻力很小時(shí)，可視為活塞流，習(xí)慣稱(chēng)為理想管式反應(yīng)器。 （2）活塞流反應(yīng)器的計(jì)算 書(shū)上245頁(yè)對(duì)活塞流反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算，求取其基本計(jì)算方程。 設(shè)一反應(yīng)器體積為VR，進(jìn)、出反應(yīng)器的物料參數(shù)如圖63所示，其中qv、qn，分別為反應(yīng)物A的體積和摩爾流量。 定態(tài)操作時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)不隨時(shí)間發(fā)生變化，而沿著長(zhǎng)度方向發(fā)生變化。取反應(yīng)器內(nèi)體積為dVR的一微元作為衡算范圍，對(duì)著眼組分A進(jìn)行物料衡算:與間歇攪拌釜式反應(yīng)器的基本計(jì)算方程（66）比較，間歇攪拌釜式反應(yīng)器為反應(yīng)時(shí)間t，活塞流反應(yīng)器為停留時(shí)間，實(shí)際上對(duì)于恒容過(guò)程，停留時(shí)間等于反應(yīng)時(shí)間。 從理想管式反應(yīng)器和間歇

18、反應(yīng)器的表達(dá)式比較，可以看出它們完全相同。理想管式反應(yīng)器中各個(gè)截面上的濃度和轉(zhuǎn)化率等參數(shù)只是空間位置的函數(shù)；間歇反應(yīng)器則隨時(shí)間而變化。這些參數(shù)經(jīng)歷了相同的變化過(guò)程，反應(yīng)的推動(dòng)力是一致的。就反應(yīng)過(guò)程而言，兩種反應(yīng)器具有相同的效率。因?yàn)殚g歇反應(yīng)器存在非生產(chǎn)時(shí)間，故生產(chǎn)能力低于管式反應(yīng)器。3全混流反應(yīng)器（CSTR） （1）全混流 全混流是指連續(xù)穩(wěn)定流入反應(yīng)器的物料在強(qiáng)烈的攪拌下與反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混合，又稱(chēng)理想混合流。其特點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)處處均勻，且都等于流出物料的參數(shù)，但物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中停留的時(shí)間各不相同，即形成停留時(shí)間分布。 這亦是一種理想的流動(dòng)模型，常見(jiàn)的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器接近

19、于全混流模型。當(dāng)攪拌比較強(qiáng)烈、流體粘度較小、反應(yīng)器尺寸較小時(shí)，可看作是理想混合，因此習(xí)慣上常稱(chēng)之為理想釜式反應(yīng)器。（2）全混流反應(yīng)器的計(jì)算 對(duì)全混流反應(yīng)器，在充分?jǐn)嚢柘拢M(jìn)入反應(yīng)器的物料粒子與反應(yīng)器中已有的粒子之間瞬間混合均勻，反應(yīng)器內(nèi)處處組成相同，對(duì)整個(gè)反應(yīng)器作物料衡算。 根據(jù)連續(xù)流動(dòng)物料衡算式（63），可得 間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器的計(jì)算方程式都是微分形式；而全混流反應(yīng)器的計(jì)算式卻是一個(gè)代數(shù)方程。這是因?yàn)槿炝鞣磻?yīng)器內(nèi)，反應(yīng)物的溫度、濃度、轉(zhuǎn)化率均不隨時(shí)間而變(定態(tài)過(guò)程)也不隨空間位置而變(整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)是均勻的)。與間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器比較，為完成同樣的反應(yīng)任務(wù)(即流量相等，反

20、應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相等)全混流反應(yīng)器所需的空間時(shí)間遠(yuǎn)大于間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。在相同的生產(chǎn)條件、物料處理量和最終轉(zhuǎn)化率下，全混流反應(yīng)器所需的容積要比活塞流反應(yīng)器的容積大得多。4多釜串聯(lián)反應(yīng)器（MMFR） 如果生產(chǎn)過(guò)程中所需的全混流反應(yīng)器體積比較大，這時(shí)往往會(huì)采用幾個(gè)較小的全混流反應(yīng)器串聯(lián)。一方面，直徑很大的釜式反應(yīng)器制造及安裝都比較困難；另一方面，體積很大的反應(yīng)器中攪拌的效果相對(duì)較差，混合的均勻程度不好。 多釜串聯(lián)反應(yīng)器即幾個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)，其特點(diǎn)為： 每一級(jí)反應(yīng)器都是全混流反應(yīng)器； 反應(yīng)器之間，流體不相互混合。前一級(jí)反應(yīng)器出口的物料濃度為后一級(jí)反應(yīng)器入口的濃度，反應(yīng)在后一級(jí)反

21、應(yīng)器中繼續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高于前一級(jí)。串聯(lián)級(jí)數(shù)越多，各級(jí)之間反應(yīng)物濃度差別越小，整個(gè)多釜串聯(lián)反應(yīng)器越接近平推流反應(yīng)器。 可以看出，相同的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)任務(wù)，采用多個(gè)反應(yīng)釜串聯(lián)時(shí)，反應(yīng)器的總體積比采用單個(gè)反應(yīng)器的體積明顯減少。 6.3 理想反應(yīng)器的評(píng)比與選擇 從工藝上看，評(píng)價(jià)反應(yīng)器的指標(biāo)有兩個(gè)，一是生產(chǎn)強(qiáng)度，二是收率。反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度是單位體積反應(yīng)器所具有的生產(chǎn)能力。在規(guī)定的物料處理量和最終轉(zhuǎn)化率的條件下，反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積也就反映了其生產(chǎn)強(qiáng)度。在相同條件下，反應(yīng)器所需反應(yīng)體積越小，則表明其生產(chǎn)能力越大。 對(duì)簡(jiǎn)單反應(yīng)，不存在產(chǎn)品分布問(wèn)題，只需從生產(chǎn)能力上優(yōu)化。復(fù)雜反應(yīng)則存在產(chǎn)品分布，且產(chǎn)品分布

22、隨反應(yīng)過(guò)程條件的不同而變化，因而涉及這類(lèi)反應(yīng)時(shí)，首先應(yīng)該考慮目的產(chǎn)物的產(chǎn)率和選擇性。 本節(jié)介紹理想反應(yīng)器的評(píng)比、反應(yīng)器型式的選擇和操作方法的優(yōu)化。 1理想反應(yīng)器的評(píng)比 （1）不同的混合方式（返混） 所謂返混是指反應(yīng)器中逗留了不同時(shí)間，因而具有不同性質(zhì)的物料粒子之間的混合，即經(jīng)歷了不同反應(yīng)時(shí)間的物料粒子之間的混合。（把先后進(jìn)入反應(yīng)器，經(jīng)歷了不同反應(yīng)時(shí)間的物料間的混合稱(chēng)為返混）返混有別于一般的攪拌混合，它是一種時(shí)間概念上的混合，因而稱(chēng)為逆向混合。而攪拌混合僅是指物料粒子在空間位置上的變動(dòng)，所以又叫空間混合。（比如間歇式釜式反應(yīng)器中物料在反應(yīng)前一次性加入，它們?cè)诜磻?yīng)器中的停留時(shí)間是相同的，這樣的混合

23、就不是返混）返混同時(shí)也包含空間位置上的混合，空間混合是逆向混合造成的原因，逆向混合的程度亦反映了空間混合的狀況。 對(duì)于活塞流反應(yīng)器，所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)的逗留都相同，并不發(fā)生返混，即返混為零；全混流反應(yīng)器中，物料粒子的逗留時(shí)間各不相同，有些在反應(yīng)器內(nèi)逗留時(shí)間很短，有些則逗留很長(zhǎng)時(shí)間，并且這些物料粒子達(dá)到了完全混合，因此是最大限度的返混；對(duì)于多釜串聯(lián)反應(yīng)器，每一個(gè)釜是全返混，而釜與釜之間又完全無(wú)返混，釜數(shù)確定的多釜串聯(lián)反應(yīng)器，整個(gè)反應(yīng)器的返混程度一定；釜數(shù)越多，從整體上看，多釜串聯(lián)反應(yīng)器的返混程度越小，越接近平推流。 （2）連續(xù)理想反應(yīng)器的推動(dòng)力比較 流體流況對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響主要是由于返混造成反應(yīng)

24、器內(nèi)反應(yīng)推動(dòng)力的不同，從而導(dǎo)致反應(yīng)的速率不同。 設(shè)有一反應(yīng)體系，cA,0、cA, f 分別為反應(yīng)物A在反應(yīng)器進(jìn)、出口的濃度， cA為反應(yīng)物A的平衡濃度。則反應(yīng)器中任一位置處的濃度推動(dòng)力為 cA c AdcA，整個(gè)反應(yīng)器中反應(yīng)推動(dòng)力即為任一位置處推動(dòng)力的積分，即 ，圖67是各種連續(xù)反應(yīng)器濃度的變化曲線。在活塞流反應(yīng)器中，反應(yīng)物濃度從進(jìn)口的加料濃度cA,0沿管長(zhǎng)逐漸下降，最后達(dá)到出口的cA, f，而在全混流反應(yīng)器中，因?yàn)楦獌?nèi)反應(yīng)物料濃度與出口物料濃度相同，反應(yīng)物的濃度始終在cA, f這一最低值。根據(jù)積分的物理意義，各自的濃度推動(dòng)力即為陰影部分的面積。從圖可以看出，在相同的生產(chǎn)任務(wù)下，活塞流反應(yīng)器的

25、濃度推動(dòng)力大于全混流反應(yīng)器的推動(dòng)力，而多釜串聯(lián)反應(yīng)器的推動(dòng)力介于二者之間。 （3）反應(yīng)器體積的比較 間歇攪拌釜式反應(yīng)器與活塞流反應(yīng)器 這兩種反應(yīng)器在構(gòu)造上和物料流況上都不相同，它們卻具有相同的反應(yīng)時(shí)間或（有效）體積計(jì)算式。是因?yàn)閮煞N反應(yīng)器中濃度的變化相同，間歇攪拌釜式反應(yīng)器內(nèi)濃度隨時(shí)間改變，活塞流反應(yīng)器內(nèi)的濃度則隨空間位置（管長(zhǎng)）而改變，兩者反應(yīng)推動(dòng)力呈現(xiàn)出相同的分布，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率相同。相同生產(chǎn)條件下，完成一定的任務(wù)，所需反應(yīng)時(shí)間或（有效）體積相同。 間歇反應(yīng)器除反應(yīng)時(shí)間外，還有輔助時(shí)間，所需的實(shí)際體積要大于活塞流反應(yīng)器。連續(xù)活塞流反應(yīng)器比間歇的攪拌釜式反應(yīng)器的生產(chǎn)能力要大，完成一定任務(wù)所

26、需實(shí)際反應(yīng)體積要小，即連續(xù)操作帶來(lái)生產(chǎn)的強(qiáng)化。 連續(xù)反應(yīng)器的比較 由于存在返混，全混流反應(yīng)器加入反應(yīng)物料與已反應(yīng)了的物料之間瞬間達(dá)到了完全混合，等于出口濃度，即器內(nèi)反應(yīng)推動(dòng)力或反應(yīng)速率一直處于最小；而活塞流反應(yīng)器中反應(yīng)物的濃度則由入口到出口逐漸減少，亦即反應(yīng)速率逐漸減小，在出口達(dá)到最小，于是活塞流反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)速率總是高于全混流反應(yīng)器。在相同生產(chǎn)條件和任務(wù)時(shí)，全混流反應(yīng)器所需容積要大于活塞流反應(yīng)器的容積。 為更好地比較，在相同反應(yīng)條件和完成同樣任務(wù)的活塞流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的有效容積之比為容積效率，記作：圖68顯示了容積效率與轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)級(jí)數(shù)之間的關(guān)系。從圖可得出如下結(jié)論： 轉(zhuǎn)化率的影響 零

27、級(jí)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率對(duì)容積效率無(wú)影響。對(duì)其它正級(jí)數(shù)反應(yīng)的容積效率都小于1，一定反應(yīng)級(jí)數(shù)下，轉(zhuǎn)化率越大，容積效率越小。 反應(yīng)級(jí)數(shù)的影響 轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，反應(yīng)級(jí)數(shù)越大，容積效率越小，對(duì)于級(jí)數(shù)大的反應(yīng)，如用全混流反應(yīng)器，則需要更大的有效容積。但這種差別在小轉(zhuǎn)化率時(shí)不顯著。 采用多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)時(shí)，反應(yīng)器中反應(yīng)物的濃度梯度除最后一級(jí)外，每一級(jí)都比只采用單個(gè)反應(yīng)釜的大，因而反應(yīng)推動(dòng)力大、反應(yīng)速率高，達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)器體積小。反應(yīng)器串聯(lián)釜數(shù)越多，各級(jí)反應(yīng)器中反應(yīng)物濃度之間的差別越小，當(dāng)N，多釜串聯(lián)反應(yīng)器的反應(yīng)物濃度的變遷接近于活塞流反應(yīng)器，體積也接近活塞流反應(yīng)器。 圖69表示了釜數(shù)與容積效率之間的關(guān)

28、系。由圖中看出，釜數(shù)越多，容積效率越大，其總?cè)莘e越接近活塞流反應(yīng)器；當(dāng)時(shí)，容積比等于1，其性能與活塞流反應(yīng)器完全一樣。盡管反應(yīng)器釜數(shù)越多越接近活塞流反應(yīng)器，反應(yīng)器所需總體積越小，但并不是釜數(shù)越多越好。從圖可見(jiàn)，釜數(shù)增大到一定程度以后，再增加釜數(shù)，其反應(yīng)器總體積的減小已不明顯。另外，釜數(shù)增多，材料費(fèi)用和加工成本增加，操作管理復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)上并非合理。一般常用的釜數(shù)不超過(guò)4個(gè)。 在相同的反應(yīng)條件、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及物料處理量的情況下，所需反應(yīng)器時(shí)間以活塞流最小，全混流最大，多釜串聯(lián)居中。如果要求反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)轉(zhuǎn)化率相同，以活塞流反應(yīng)器生產(chǎn)能力最大，多釜次之，全混流最小。 2理想反應(yīng)器的選擇 在物理化學(xué)中，我

29、們學(xué)習(xí)過(guò)一級(jí)反應(yīng)，二級(jí)反應(yīng)等。在反應(yīng)過(guò)程中，只需要用一個(gè)化學(xué)計(jì)量方程式和一個(gè)速率方程式表示的化學(xué)反應(yīng)稱(chēng)之為簡(jiǎn)單反應(yīng)。而在化工生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，往往會(huì)伴隨著若干個(gè)其他反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，需要用兩個(gè)或兩個(gè)以上的速率方程式來(lái)表示的反應(yīng)稱(chēng)為復(fù)雜反應(yīng)。典型的復(fù)雜反應(yīng)有平行反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)等。對(duì)于化工生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，特別是精細(xì)化工，原料的成本通常要占產(chǎn)品成本的一半以上。因此，使原料盡可能多的轉(zhuǎn)化成所需的產(chǎn)品便成為生產(chǎn)過(guò)程中所需要考慮的主要問(wèn)題之一，其實(shí)，對(duì)于每一個(gè)工廠而言，減少成本，增加收率是他們的最終目的。一個(gè)工廠它的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)于簡(jiǎn)單反應(yīng)情況比較簡(jiǎn)單，一旦發(fā)生反應(yīng)，唯一的產(chǎn)物就是所需要的產(chǎn)物，轉(zhuǎn)化率越

30、高，反應(yīng)速率越快，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程就越有利。但對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)，情況就不一樣了。在復(fù)雜反應(yīng)中，反應(yīng)體系中同時(shí)發(fā)生若干個(gè)反應(yīng)，能產(chǎn)生幾種不同的產(chǎn)物，一般只有一種是生產(chǎn)目的，于是，在眾多反應(yīng)中，產(chǎn)生目的產(chǎn)物的反應(yīng)成為主反應(yīng)，而產(chǎn)生不需要的產(chǎn)物或價(jià)值較低的產(chǎn)物的反應(yīng)稱(chēng)為副反應(yīng)。顯然在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡可能地避免減少副反應(yīng)的產(chǎn)生。所以，在生產(chǎn)和研究工作中就需要用若干指標(biāo)來(lái)描述原料的利用率。1）轉(zhuǎn)化率在學(xué)習(xí)反應(yīng)速率方程式時(shí)，轉(zhuǎn)化率是指反應(yīng)消耗掉的某組分A的量與反應(yīng)起始時(shí)組份A的量。如果一個(gè)反應(yīng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)物，則它的轉(zhuǎn)化率也不等，以著眼組份來(lái)計(jì)算。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不同的反應(yīng)物并不一定時(shí)按照化學(xué)計(jì)量方程式的

31、比例加入反應(yīng)器中，往往有一種以過(guò)量的，而另一種 相對(duì)不足，反應(yīng)過(guò)程中總是以相對(duì)不足的那一種反應(yīng)物制約著反應(yīng)的進(jìn)程。這種不過(guò)量的反應(yīng)物稱(chēng)作限制組份或著眼組份。2）選擇性我們知道，在生產(chǎn)過(guò)程中除了主反應(yīng)，還有副反應(yīng)，得到幾種不同的產(chǎn)物。選擇性是指轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的反應(yīng)物的量與轉(zhuǎn)化掉的反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比。一般企業(yè)對(duì)選擇性的重視超過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)化率的重視。因?yàn)椋诜磻?yīng)過(guò)程中，如果一個(gè)化學(xué)反應(yīng)在一定操作條件下轉(zhuǎn)化率較低，那么沒(méi)轉(zhuǎn)化的部分分離后可以重新使用，所增加的生產(chǎn)費(fèi)用主要是增大設(shè)備尺寸和分離產(chǎn)物時(shí)的能量損耗，但是如果化學(xué)反應(yīng)的選擇率低，則表明有相當(dāng)一部分原料轉(zhuǎn)化成副產(chǎn)品，而要使副產(chǎn)品再變成所需要的產(chǎn)物就十分

32、困難?；どa(chǎn)的原料成本是生產(chǎn)成本的主要部分，再加上副產(chǎn)品可能會(huì)成為生產(chǎn)中的廢棄物，我們又要增加廢棄物的回收和處理成本，這樣，總的造價(jià)就提高了。3）收率收率也稱(chēng)產(chǎn)率，它表示了投入的原料與得到的產(chǎn)物之間的定量關(guān)系，表示了原料的利用程度。 =生成目的產(chǎn)物的反應(yīng)物/進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物的物質(zhì)的量例題： 復(fù)雜反應(yīng)的種類(lèi)很多，平行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)既是它們的代表，又是組成更復(fù)雜反應(yīng)的基本反應(yīng)。 （1）平行反應(yīng) 設(shè)一平行反應(yīng)為A+BST S（目的產(chǎn)物）（主反應(yīng)，速率常數(shù)k1，反應(yīng)級(jí)數(shù)a1,b1）; T（副產(chǎn)物）（副反應(yīng)，速率常數(shù) k2，反應(yīng)級(jí)數(shù)a2,b2）對(duì)比速率與選擇性只是表達(dá)上的不同，本質(zhì)上是相同的，完全可

33、以通過(guò)對(duì)比速率S來(lái)分析平行反應(yīng)的選擇性?xún)?yōu)化。 一定條件下的反應(yīng)，當(dāng)k1、k2、a1、a2、b1、b2為 已知，對(duì)比速率或選擇性只與cA、cB有關(guān)。要提高主產(chǎn)物的收率，就要使對(duì)比速率比值增大，即要提高12aaAc和的值，指數(shù)代數(shù)和為正值，則應(yīng)提高濃度；指數(shù)代數(shù)和為負(fù)值，則應(yīng)降低濃度。 12bbBc提高或降低反應(yīng)物的濃度，既可以改變初始物料的狀況，也可以通過(guò)選擇合適的反應(yīng)器和操作方法來(lái)達(dá)到。保持較大濃度的方法有：大濃度進(jìn)料；對(duì)氣相反應(yīng)，增大系統(tǒng)的壓力；采用較小的單程轉(zhuǎn)化率。 保持較小濃度的方法有：采用部分反應(yīng)后的物料的循環(huán)，以減低進(jìn)料中的反應(yīng)物濃度；加入惰性稀釋劑；對(duì)氣相反應(yīng)，減小系統(tǒng)的壓力；采用

34、較大的單程轉(zhuǎn)化率。圖610為各種形式反應(yīng)器及加料操作方法。對(duì)上述平行反應(yīng)： 當(dāng)a1a2，b1b2時(shí)，同時(shí)提高cA和cB可提高選擇性，選用活塞流反應(yīng)器或間歇攪拌釜式反應(yīng)器為宜。如由于其它原因必須采用全混流反應(yīng)器時(shí)，也應(yīng)選用多釜串聯(lián)反應(yīng)器。在操作方法上，應(yīng)將A與B同時(shí)加入： 當(dāng)a1a2，b1b2時(shí)，則同時(shí)降低cA和cB，可提高選擇率，選用全混流反應(yīng)器時(shí),A和B一次加入；或選用間歇的攪拌釜式反應(yīng)器,A和B慢慢滴入； 當(dāng)a1a2和b1b2時(shí)，應(yīng)提高cA降低cB，可考慮以下選擇： a選擇活塞流反應(yīng)器，反應(yīng)物A一次加入僅沿反應(yīng)器不同位置分小股分別加入； b選擇間歇攪拌釜式反應(yīng)器，反應(yīng)物A一次加入上慢慢滴加； c.選擇多釜串聯(lián)反應(yīng)器,A一次加入,B分小股在各個(gè)釜分別加入； d此外，還可考慮將A組分過(guò)量，以保持其濃度，而在反應(yīng)后再進(jìn)行分離回收。 當(dāng)a1a2和b1b2時(shí)，應(yīng)提高cA降低cB，反應(yīng)器的選擇及操作與相反。 當(dāng)a=b時(shí)，選擇性與cA無(wú)關(guān)，此時(shí)應(yīng)通過(guò)其它途徑來(lái)解決。 高反應(yīng)物濃度