第六讲-其它型式反应器

1、第六章 其它型式反应器第一节第一节 管式反应器管式反应器第二节第二节 气液反应及反应器气液反应及反应器第三节第三节 气固相固定床催化反应器气固相固定床催化反应器第四节第四节 流化床反应器流化床反应器第五节第五节 气液固反应器概述气液固反应器概述第一节第一节 管式反应器管式反应器优点优点结构简单，加工方便，单位容积生产能力高，传热结构简单，加工方便，单位容积生产能力高，传热面积大，耐高压、易控制。面积大，耐高压、易控制。应用应用均相、非均相。它既适用于液相反应，又适用于气均相、非均相。它既适用于液相反应，又适用于气相反应。由于相反应。由于PFR能承受较高的压力，用于加压反能承受较高的压力，用于加

2、压反应尤为合适。具有容积小、比表面大、返混少、反应尤为合适。具有容积小、比表面大、返混少、反应参数连续变化、易于控制的优点，但对于慢速反应参数连续变化、易于控制的优点，但对于慢速反应，则有需要管子长，压降大的不足。应，则有需要管子长，压降大的不足。举例举例苯胺重氮化制备苯肼苯胺重氮化制备苯肼采用直径采用直径25mm25mm，长，长2.7m2.7m玻璃管式设备，在玻璃管式设备，在326326329K329K下停留下停留3s3s，转化率为，转化率为96969999（l/d100l/d100可认为式可认为式PFRPFR）粘稠物料湍动Re250025mm甲苯的连甲苯的连续硝化续硝化 难于作到等温操作难

3、于作到等温操作对于可逆的热反应，等温并不一定好，有最佳温度分布对于可逆的热反应，等温并不一定好，有最佳温度分布对于复杂反应，温度对于复杂反应，温度T T影响产物分布影响产物分布（PD）工业化反应器很少等温下操作工业化反应器很少等温下操作 工业上反应器：微元体积建立热量衡算微元体积建立热量衡算反应热反应热物料与环境交换热量物料与环境交换热量反应物经过反应物经过dV后的显热后的显热等温过程等温过程绝热过程绝热过程讨论绝热过程容积的计算方法：）绝热方程式适用于各类反应器绝热温升系数当物料的总进料的摩尔流量为当物料的总进料的摩尔流量为1时，反应物时，反应物A全部转化后使物料温度所升高的度数。全部转化后

4、使物料温度所升高的度数。变温等容变温等容T = T0 +XA总摩尔数总摩尔数当变化当变化1摩尔的组分摩尔的组分A时，引起物时，引起物系总摩尔数的增加或减少的值。系总摩尔数的增加或减少的值。加入的惰性气体不影响例例1 11 1 计算下列化学反应的膨胀因子计算下列化学反应的膨胀因子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理想气体等容一级反应一级反应【例题例题】在在215和和5大气压下，均相气相反应大气压下，均相气相反应 3在活塞流反应器中进行。在活塞流反应器中进行。215时，速率式为

5、：时，速率式为： rA=10-2CA0.5(mol/ls)，原料气中含有，原料气中含有50A和和50惰性气体惰性气体(CA0=0.0625mol/l)，求转化率为，求转化率为80时所需的空时。时所需的空时。 【解解】根据题所给出的已知条件有：根据题所给出的已知条件有：03 120.51AAy20.520.50.500110101AAAAAAAxrCCyx0020.50.50000010(1) ()1AfAfxxrAAAAAAA AAAVdxdxCCQCxy x R0.50.50011001AfxAAAAxCdxx式中积分项可用图解、数值解、或解析解计算，下面式中积分项可用图解、数值解、或解析解

6、计算，下面依次说明这些解法。依次说明这些解法。 3 2 1 0 xA 0.4 0.8 图解积分图解积分0.511AAxYx令：AxAAdxxxAf5 . 0011面积面积1.700.81.3 02421311()2()4()3bAAnnnAaf xdxyyyyyyyyx n n为偶数，对于上表数据，用辛普森公式计算：为偶数，对于上表数据，用辛普森公式计算：AxAAdxxxAf5 . 0011 = 1.000+41.227+21.528+42.000+3.0000.23 = 1.331 数值积分：数值积分： 用辛普森法用辛普森法(也可用梯型公式计算)0.520.8020.50011arcsin(

7、1)1.3281(1)AfAfxxAAAAAAAAxxdxdxxxxx 解析积分解析积分所推荐的积分方法要取决于具体情况，在本题中数值所推荐的积分方法要取决于具体情况，在本题中数值解可能是最快、最简单的方法。解可能是最快、最简单的方法。第二节第二节 气液反应及反应器气液反应及反应器气液相反应气液相反应：反应的主体在液相，至少有一种反应：反应的主体在液相，至少有一种反应组分是气相，也可以是多种反应组分都为气相的反组分是气相，也可以是多种反应组分都为气相的反应。应。类型类型非催化气液相反应非催化气液相反应催化气液相反应催化气液相反应应用应用除去气体中微量有害组分，净化气体除去气体中微量有害组分，净

8、化气体回收气体中的有害物质回收气体中的有害物质生产药物和化工产品生产药物和化工产品? ?GasLiquid扩散扩散吸收吸收解吸解吸反应反应扩散扩散宏观动力学宏观动力学包括扩散和传递过程在内的动力学包括扩散和传递过程在内的动力学当传递速度当传递速度化学反应速度化学反应速度动力学控制动力学控制传质模型:p气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜p传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率p扩散组分在气液界面处达到气液相平衡。扩散组分在气液界面处达到气液相平衡。Higbie渗透论渗透论表面更新理论表面更新理论双膜论

9、双膜论Danckwerts双膜理论的假设：双膜理论的假设：扩散系数与扩散尺度的比值扩散系数与扩散尺度的比值传质系数阻力的倒数传质系数阻力的倒数阻力加和定理阻力加和定理消去界面条件消去界面条件电流过程与双膜传质过程的类似12011,11,GLGLRRkkRKK231212130UUUUIRRUUR1/1/*1/1/GiiLGLGLGLppCCNkkppCCKKpGpiCLCiGLZZU1U2U3G L“扩散反应扩散反应”方程方程边界条件边界条件CA或CB的解析解瞬间反应瞬间反应LDEED反应速率越快，反应速率越快，浓度分布曲线越弯曲，浓度分布曲线越弯曲，则则数值越来越大。数值越来越大。12E无反

10、应时的浓度梯度无反应时的浓度梯度有反应时的浓度梯度有反应时的浓度梯度DDDD的斜率的斜率DEDE的斜率的斜率化学吸收的速率化学吸收的速率纯物理吸收速率纯物理吸收速率11化学吸收增强因子化学吸收增强因子1 1，降低液相传质阻力所占比例。，降低液相传质阻力所占比例。足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定()()GGiLiLNkppkCC11111(*)(*)GGGLLGLLLGNKppKKkHkCCHKkk反应面在液膜内g gL LG LpGpiCLCiGLHatta准数数值大准数数值大小的含义：小的含义：数值越大，反应越快于传质，传质速率越“跟不上”、“滞后于”反应

11、速率，浓度分布越显著。Hatta准数：液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小准数：液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小0气含率C CAiAiC CALALC CALALC CAiAi有内扩散影响时的反应速率有内扩散影响时的反应速率无内扩散影响时的反应速率无内扩散影响时的反应速率通过气液界面的吸收速率通过气液界面的吸收速率在全部液相内可能具有的最大反应速度在全部液相内可能具有的最大反应速度值的大小是对液相利用程度的一种度量：值的大小是对液相利用程度的一种度量：=1=1表示化学反应在整个液相中均匀进行；表示化学反应在整个液相中均匀进行；11表示反应在液相中不均匀，液相利用不充分。表示反应在液相中

12、不均匀，液相利用不充分。因此，称为液相利用率。因此，称为液相利用率。液相反应利用率液相反应利用率（气液反应有效因子）（气液反应有效因子）中速反中速反应应慢慢反反应应相当于液体的均相反应A区区B区区C区区E区区瞬间快速反应拟一级反应二级不可逆反应慢速反应按气液接触方式分类按气液接触方式分类（1）液膜型填料塔、湿壁塔、降膜反应器填料塔、湿壁塔、降膜反应器液体呈膜状，气液两相均为连续相液体呈膜状，气液两相均为连续相（2）气泡型鼓泡塔、板式塔、通气搅拌釜鼓泡塔、板式塔、通气搅拌釜液体为连续相，气体以气泡的形式分散在液体中液体为连续相，气体以气泡的形式分散在液体中（3）液滴型喷洒塔、文丘里反应器、喷射反

13、应器喷洒塔、文丘里反应器、喷射反应器气体为连续相，液体以液滴的形式分散在气体中气体为连续相，液体以液滴的形式分散在气体中LLGG（一）填料塔（一）填料塔优点：优点：结构简单、气相压降小、液体返混极小，结构简单、气相压降小、液体返混极小，易于适应腐蚀介质和不易造成溶液气泡。易于适应腐蚀介质和不易造成溶液气泡。应用：应用：气液流型均接近活塞流，轴向返混可气液流型均接近活塞流，轴向返混可忽略，可用于要求高转化率的反应；忽略，可用于要求高转化率的反应；比表面积大，持液量小，对瞬间反应、比表面积大，持液量小，对瞬间反应、快速反应的吸收过程可采用。快速反应的吸收过程可采用。对填料要求比表面积和空隙率要大，

14、对填料要求比表面积和空隙率要大，耐腐蚀，可润湿性，价格低。耐腐蚀，可润湿性，价格低。缺点：缺点：不能从塔体直接移去热量，只能靠提不能从塔体直接移去热量，只能靠提高液体的喷洒量；高液体的喷洒量；液相停留时间短，对慢反应不合适；液相停留时间短，对慢反应不合适；为保证填料润湿，喷淋密度大于为保证填料润湿，喷淋密度大于510m3/n2.h，不适用液体流量低的场合。，不适用液体流量低的场合。（二）喷洒塔（二）喷洒塔LLGG特点：特点：结构简单、比相界面剂积大、气相压降小、结构简单、比相界面剂积大、气相压降小、适用于受气膜控制的瞬间快速反应。适用于受气膜控制的瞬间快速反应。优点：优点：缺点：缺点：不存在设

15、备堵塞，可用于处理固体杂质不存在设备堵塞，可用于处理固体杂质或会生成固体产物的气液反应。或会生成固体产物的气液反应。持液量过低，液体侧传质系数小，气相持液量过低，液体侧传质系数小，气相和液相返混比较严重。和液相返混比较严重。（三）板式塔（三）板式塔LLGG特点：特点：结构复杂，气相流动压降较大，单位体积结构复杂，气相流动压降较大，单位体积相界面积。气液传质系数、持液量比填料相界面积。气液传质系数、持液量比填料塔大。塔大。优点：优点：液体流率和停留时间可在较大范围液体流率和停留时间可在较大范围内变化，适用于气体流量高、液体内变化，适用于气体流量高、液体流量低需要较长反应时间的场合；流量低需要较长

16、反应时间的场合；每块板上可以设置换热管以提供或每块板上可以设置换热管以提供或移除反应热。移除反应热。LLGG（四）降膜反应器（四）降膜反应器压降小、无轴向返混，适用于快速压降小、无轴向返混，适用于快速和较大热效应的反应。和较大热效应的反应。特点：特点：借助管内流动液膜进行气液反应，借助管内流动液膜进行气液反应，管外使用载热流体导入或导出反应管外使用载热流体导入或导出反应热；热；优点：优点：降膜管的垂直安装是关键，影响降膜管的垂直安装是关键，影响液体成膜和均匀分布液体成膜和均匀分布要求：要求：（五）（五）喷射反应器、文丘里反应器喷射反应器、文丘里反应器气膜传质过程的速率气膜传质过程的速率大，因而

17、获得很高的大，因而获得很高的反应速率，适用于瞬反应速率，适用于瞬间反应。间反应。（六）鼓泡塔（六）鼓泡塔LLGG特点：特点：结构简单，对加压和腐蚀性场合可结构简单，对加压和腐蚀性场合可用；单位体积持液量大，但相界面用；单位体积持液量大，但相界面积小，适用于中速、慢速和强放热积小，适用于中速、慢速和强放热反应。反应。缺点：缺点：液相接近全混流，返混大，气相接近液相接近全混流，返混大，气相接近活塞流，载高径比较大时，气泡合并活塞流，载高径比较大时，气泡合并速度增加，相际接触面积迅速减小。速度增加，相际接触面积迅速减小。如何克服气泡聚并？如何克服气泡聚并？多段式：多段式：LLGLG加设多加设多层中间

18、层中间气体分气体分布筛板布筛板填料鼓泡塔填料鼓泡塔环己烷氧化塔（生成环己酮、己内酰胺）环己烷氧化塔（生成环己酮、己内酰胺）（可用环烷酸钴催化）（可用环烷酸钴催化）GGLG内环流内环流，装导流筒装导流筒GLLL（七）通气搅拌釜（机械搅拌釜）（七）通气搅拌釜（机械搅拌釜）特点：特点：气体分散良好，气液比相界气体分散良好，气液比相界面积大，强化了传质和传热；面积大，强化了传质和传热；适合于慢速反应及高粘度气适合于慢速反应及高粘度气体和非牛顿型液体间的反应。体和非牛顿型液体间的反应。缺点：缺点：气液两相均呈全混流，降低气液两相均呈全混流，降低了体积效率，而且轴的密封，了体积效率，而且轴的密封，能耗大。

19、能耗大。fLLHHH1.搅拌鼓泡釜的操作状态气含率塔内气液混合物中气体所占的体积分率塔内气液混合物中气体所占的体积分率Hf、HL分别为鼓泡前后液层高度，m桨叶基本上能使气体均匀分散所需的最低转速称为临界转速临界转速 过渡区过渡区完全气泛区完全气泛区均匀分散区均匀分散区出现或消失气泛现象时的转速定为泛点转速泛点转速 n，对应的气速称作泛点气速泛点气速 弱传质中度传质传质最强中度传质清流液层清流液层实验实验 搅拌鼓泡釜中气液两相搅拌鼓泡釜中气液两相流动特性实验流动特性实验 本实验就是在一定的本实验就是在一定的几何尺寸和一定型的几何尺寸和一定型的搅拌鼓泡釜内，通过搅拌鼓泡釜内，通过改变气量和搅拌速度

20、，改变气量和搅拌速度，观察釜中气液两相流观察釜中气液两相流动状况和分散特性，动状况和分散特性，并通过测定气含率，并通过测定气含率，来表征传质状况的变来表征传质状况的变化，为气液反应的放化，为气液反应的放大 提 供 重 要 参 数 。大 提 供 重 要 参 数 。 ：使反应器的传递特性和反应动力学特性相适应。：Hatta准数、比相界面积、液含率气液反应器的选型要求要求要求要求要求要求第三节第三节 气固相固定床催化反应气固相固定床催化反应器器气体反应物通过静止不动的固体催化剂所形成的固定床层而进行反应的装置称作固定床反应器。一、固定床反应器固定床反应器的优点固定床反应器的缺点径向流动催化床只适用于

21、热效应小，绝热温升不太高，单程转化率较低和反应温度允许波动范围较宽的情况这种反应器由多根管径通常为2530的反应管并联构成，管数可能多达万根以上。管内（或管间）装催化剂，载热体流经管间（或管内）进行加热或冷却。此外，还可将上述基本形式的反应器相互串联，反应器之间设换热器或补充物料调节一下反应器的入口温度，但也有将列管式反应器和绝热式的反应器互相组合的。以原料气体作换热介质来加热或冷却催化剂，以维持反应区的温度。调和平均直径调和平均直径外表传热与传质的传热与传质的研究中常采用研究中常采用三种直径之间的关系三种直径之间的关系多孔结构：颗粒内部由许多形状不规则互相连通的孔道组成，形成几何形状复杂的网

22、络结构孔的大小对比表面积孔的大小对比表面积sg有影响，孔的大小存在一个分布有影响，孔的大小存在一个分布孔容Vg cm3/g比表面积sg m2/g平均孔半径1pE 孔隙体积固体体积（骨架体积）孔隙体积s固体质量颗粒表观密度（假密度） 颗粒体积t固体质量真密度 固体体积（骨架体积）p固体质量堆密度床层体积pts壁效应床层直径至少大于颗粒直径的床层直径至少大于颗粒直径的8倍倍消除离壁距离离壁距离udp一般床压不宜超过床内的15%把床层视为一整体把床层视为一整体ABcAGcASA （g） B（g）外扩散内扩散表面吸附表面反应表面脱附内扩散外扩散最慢的一步为控制步骤最慢的一步为控制步骤催化剂表面的反应速

23、度很快，而气体流过颗粒床层的速度很慢，反应物向催化剂表面的扩散速度起控制作用外扩散控制消除提高气体流速实验方法其它条件不变，测定气体质量速度与转化率的关系，当质量速度达到某一值，转化率不再变化，则说明外扩散无影响。()=()isASpssAsik f Cdsrrk f CS受内扩散影响的反应速度不受内扩散影响的反应速度距离0CACAgCASCACRp按颗粒外表面浓度计算的反应速率A的浓度分布的浓度分布接近或等于接近或等于1/Vp ApR/2RVp Ap /3RVp Ap 检验内扩散的影响改变催化剂颗粒的大小，测定颗粒大小和反应速度的关系，如果催化剂颗粒小到一定程度不再变化，表明内扩散影响已经消除。dpXA曲线实验/RVv Sv能简便估算出催化剂的体积，不能实现高倍数的放大数学模型拟均相非均相一维二维只考虑轴向浓度和温度差只考虑轴向浓度和温度差既考虑轴向又考虑径向既考虑轴向又考虑径向一维二维只考虑轴向浓度和温度差只考虑轴向浓度和温度差既考虑轴向又考虑径向既考虑轴向又考虑径向拟均相一维模型适用于：热效应不大，反应速度较低，床层内气适用于：热效应不大，反应速度较低，床层内气体流速较大，管径较小的场合。体流速较大，管径较小的场合。第四节第四节 流化床反应器流化床反应器流化床反应器是利用气体或液体自