化工反应器设计及类型介绍

本资料来源第五章反应器的类型及设计1反应器的设计是针对化学反应过程进行的，如反应器的选型、条件的优化和放大。2反应器放大，应考虑反应器放大前后保持转化率或收率相等，而反应的转化率和收率是由化学平衡和反应速率决定的，其中反应速率是根据生产规模计算所需反应器有效容积的依据。3从微观看，平衡常数K和反应速率常数k只与反应系统的温度和压强有关；不会因反应器的构型和大小的不同而改变。4从宏观看，实际的化学反应速率，除反应系统温度和反应物料浓度的影响外，还受物料在反应器内的停留时间及其分布的影响。§5.1工业反应器的基本类型一、按反应器的构型特征分类可分为：釜式、管式、塔式、固定床和流化床式。釜式反应器的结构分为：(1)釜体：高径比较小的圆筒体(2)搅拌器：由电动机驱动的安装有浆叶的搅拌轴组成(3)换热器：有壳壁夹套和釜内安装蛇管两种形式管式反应器：为一个细长的直管或由多管组成的列管，管子长径比应大于30。塔式反应器：高大的圆筒体内安装塔板或填料。固定床反应器：管式反应器或塔式反应器内填充催化剂固体颗粒。流化床反应器：将细小催化剂颗粒在管式或塔式反应器内借流体自下而上的鼓动作用，使之悬浮在反应器中。二、按反应物料的相态分类有均相反应器和非均相反应器三、按操作方法分：间歇操作、连续操作和半间歇操作

间歇反应器：反应物料一次加入反应器内，反应到一定时间后，将反应物料全部卸出，清洗设备后，重新进行加料重复操作。半间歇反应器：将反应物料中的一种或几种物料一次加入反应器，而将另一种物料以一定速率连续加入反应器，直至反应过程完成后，停止进料，同时卸出全部物料.另一种半间歇操作是分批向反应器将反应产物蒸出。连续反应器：物料以一定流速连中加入物料，但连续续送入反应器，同时反应产物又连续从反应器中流出。§5.2间歇操作搅拌釜主要是进行恒温恒容反应的反应器。其特征：反应过程中，反应物浓度随时间变化。反应时间是设计反应器的重要依据一、等温间歇操作的反应时间反应的转化率和反应时间的关系：

对间歇操作搅拌器进行设计计算时，必须确定处理每一批物料所需的操作时间。包括：反应时间t，装料、卸料和清洗等作业消耗的辅助时间t’（由经验确定）。

当已知单位时间应处理的物料的体积流量（生产任务）qV,则可计算出所需反应器的有效容积（装料容积）VR，即:通常间歇搅拌釜的有效容积为釜总体积的75%-85%。如果反应过程发生起泡或沸腾等现象，装料系数η应减小至。搅拌釜的总体积为：二、间歇操作搅拌釜放大应注意的问题（1）在满足了生产能力所需搅拌釜体积的前提下，必须注意搅拌系统所达到的釜内物料的混合状态应与实验时所采用的小釜内物料的混合状态相同。比如:1)对于两种液体物料的均匀混合，在设计搅拌器时，可取大小两个搅拌系统叶轮末相速度相等的准则。即：

2)或者采用单位容积(v)投入的搅拌功率(P)相等(P/v，又称之为搅拌强度)的准则，即：（2）当搅拌釜放大时，依靠釜壁夹套作为传热面积，不会随釜的体积的放大而按相同比例增大；相反，其单位体积所具有的釜壁传热面积相应会减小，则不一定符合要求.可在釜内可安装蛇形管,但会形成阻力,此时可对搅拌叶轮大小和转速作适当调整.设计搅拌釜传热面积：先根据热量衡算求出所需的加热（或冷却）的热量，然后根据加热介质的进出口温度计算介质的用量和传热面积。（3）对于不同物料系统和工艺要求的混合，应选择不同形式的搅拌釜。1)低粘度互溶液体的混合:

采用涡轮式搅拌釜,当转速较低时，也可采用平直桨式搅拌釜、这种搅拌釜的功率消耗量较低，但混匀时间比涡轮式搅拌釜长。用推进式螺旋桨，也可取得相同的搅拌效果.2)固液悬浮液或固体在液体中溶解:

应促使物料的容积循环，可用涡轮式搅拌釜。a:如果固体的相对密度与液体的相对密度相近，则固体不容易沉降，当固体的质量分数和液体的粘度都较小时，则用推进式螺旋桨.b:当固、液相对密度较大，若只要求固体离开釜底而不要求均匀悬浮时，应安装底挡板；如果要求均匀悬浮，则应同时安装底挡板和壁挡板；3)对于气体在液体中分散或气体的吸收:要求良好的容积循环和剪切作用,选用涡轮式搅拌器。

a:当液层深度大时，宜用多层搅拌桨，釜内也应有挡板，通气管应插入在搅拌桨下面，气体则由搅拌釜下的中央管口或环形分布管口排山。

b:为促进釜内物料和釜壁间的传热，以及需除占粘附于釜壁的沉淀或粘稠液体，则可采用锚式或框式搅拌釜.

其外部边缘与釜壁和釜底的形状一致，易刮动粘附于釜底和釜壁的物料,提高传热效果，但液体随搅拌釜作水平方向旋转、搅动并不激烈。转速一般只有20—80转/分。

4)高粘度液体的搅拌:这种液体不能依靠搅拌釜使液体翻腾而产生容积循环,它们的混合必须依靠搅拌釜转动搅混整个液体。故不能用推进式搅拌釜,可采用锚式(或框式)、螺带式、螺杆式等型式。一、活塞流反应器的数学模型

根据活塞流模型的概念，物料通过反应器内任一体积微元dv的物料衡算关系，如图5-3所示。§5.3管式反应器则物料衡算式可写为:5-9设反应物组分A的初始摩尔流量为,则有:5-9可写成:对5-10进行积分:5-105-11令qv.0,为反应物料的初始体积流量，则则有

对于绝热非等温系统，应考虑温度改变对反应速率所产生的影响。通过热量衡算可以求出转化率变化与温度变化的关系：

为组分A在反应物料中占的摩尔分数,%;为反应物料的平均摩尔定压热容,J/(mol.K).5-12如果物料在管内流动产生较大的压强降时，则应考虑压强的变化对于化学反应速率的影响。对于空管，用范宁公式计算：

α为换算因子,压强量纲不同,α值不同,见表5-1如果反应管内填充了固体颗粒，计算压强降时应考虑颗粒床层产生的阻力。只用物料衡算式计算:恒温系统,压强变化很小物料衡算式和热量衡算式:变温系统物料衡算式、热量衡算式和动量衡算式联立求解:反应管很长，阻力损失较大在空管内物料层流流动：摩擦因子f=16/Re在空管内物料湍流流动：二、管式反应器放大应注意的问题1）为了保持反应器内物料的流动状况在放大后与放大前相同，无论是作层流还是作湍流，都应保持两系统内物料流动的雷诺数相等；2)在保持大小两反应系统几何相似的前提下，应使两反应系统内物料流动的停留时间分布函数相同。3）反应器内物料流动所产生的压强变化与总压相比，如能忽略不计，则放大后的平均停留时间可用计算；4）对于气相反应，当反应器的管长远大于管径，而产生的压强变化又影响到反应器内的总压时，除了保证放大前后两反应系统具有相同的平均停留时间和停留时间分布函数外，还必须保证压强的变化值相同。§5.4连续操作搅拌釜一、连续操作搅拌釜的数学模型可分为单釜和多釜串联两种反应器,如图5-4和5-5所示意单釜釜内的物料充分搅混，近似于理想混合状态；多釜可视为若干理想混合反应器串联每一釜内物料衡算都遵循以下衡算关系:可改成:5-16式中：，表示物料通过反应器的空间时间，h。

如果物料浓度的变化用反应转化率xA表示，当n=1时，上式变为:5-17设化学弓反应为凑一级不嗽可逆反鞭应单釜一级齐不可逆反牺应的设计则方程：对于多釜谊串联，当楚各釜的有灵效容积相纹等：多釜串联些连续操作挂的的搅拌丛釜一级不颈可逆反应沿的设计方午程为：代入5-1牢7二、连续典操作搅拌体釜放大应倍注意的问哪题1）设计帝方程是营在假定碍釜内物蚊料的流葱动与混旅合已达附到了理想混合排状态的情况慌下导出片的,运用该方贱程进行设粘计计算时松，实际反召应系统应律尽可能满足或蒜接近这浆一条件。2）应保持乞大小两系渣统内物料胁流动的停留时穴间分布墙函数相层同，平均停怀留时间相等。还巾要保证大垃小两系统阵的单位容铲积传热面积茂的传热量相等。3）要保器持大小挎两系统词内物料猪流动的骨停留时榜间分布搁函数和杰平均停循留时间著相同，则需保持丽物料流动孕的空间速四度相等；而要保商证大小两悲系统单位碍容积传热是面积相等胡，则需要改变釜的留结构。4）对于微多釜串什联反应颗器的放套大，应群保证大衣小两系只统中每一釜卧内物料帝流动的漏停留时却间分布钻相同、畜温度相汤同和反匹应的转刮化率相呆同；且反应速率沸应当不受爬搅拌速率抚的影响。5）对于百非均相奶反应系述统，放蹄大的依皇据是保哭持大小寻两系统赚的相界面相早等，但是测佛定实际反住应器内的代相界面积迟很困难，签通常是以典保持单位容拆积输入哑的搅拌虽功率相等来龙取代的卡。§5.5固定床护催化反宵应器特点：僚催化剂绿床层的泻床径较羡小，床书层内物艳料的流闲动速度沈较高，鞠可视为波“拟活塞把流反应掀器”一、固北定床反喊应器放气大应考鹅虑的问盾题1.反应热征效应的猫影响当反应器动放大后，爬由于反应规产生的热柿效应十分盘明显，此歌时对于吸命热反应，絮应考虑如何供什热；对于放冻热反应，扁则应考虑躺如何去热。且应尽效可能减小先床层内的昨温度梯度兵，力求温度均诸匀。2.最佳反应阴温度在此最勺佳操作还温度范震围内，禽催化剂洒的活性软和催化参剂对催司化反应烈的选择性浑应处于裂最佳状锯态。3.催化剂床颜层(1)床层的直迫径，催化屠剂的填充高闸度和填光充的均塌匀性都会影坛响反应买器内物盟料流动扬的停留时挣间分布、浓度分布和温度分布逢等。(2)为了保证工良好的反全应条件，港催化剂床弓层的直径草不宜过粗民，床层高拆度不宜过夫大，催化粮剂的填充附应力求消唱除颗粒搭辉桥形成的空穴和短灿路等不均勒匀现象谣。因此续有了列合管式和再多层式归等多种乖结构形险式。如老图所示寇意:二、固定钟床催化反勇应器的数忆学模型该类反应勿器具有拟亦均相模型菌和非均相免模型1.拟均相裹模型不考虑催今化剂的存天在，把整夕个反应过余程作为均念相看待。2.非均相捞模型充分考躲虑物料主体与评催化剂肯表面的差别蓄，对流叼体主体会和催化寸剂分别予列出物浸料衡算搞方程。说由于非疼均相模贩型较复滔杂，大真多数研豪究与设蜜计多采昼用拟均近相一维沙模型。即以轴向活评塞流为基础建方立的数学望模型。假定:在反应器灾的径向无浓粪度梯度和岭温度梯度，而沿轴凡向出现的菌浓度变化侨和温度变闭化则是由展物料的总体流动汽和化学反犁应所引起的舰。2定常态条鼓件下，固精定床中进眼行绝热催伐化反应，主其物料衡算吩式、热量沿衡算式和兽动量衡算式如下:其中:ε为催化剂臣床层空隙怕率,为摩擦拾系数,量纲为1.5-215-225-23式中:为修正的宏雷诺数,代入5-2塌3得:上述数学刚模型为固烘定床反应吉器的设计身方程。在茧设计时数寒学模型的渗运算并不忘困难，如祝果用机算谜机，则更智为方便，井可以求出紫不同工艺奏条件和不投同工艺要环求时的催合化剂床层宰高度和床类层体积。5-24§5.谦6流化床羡反应器属于非均辫相反应装迁置，它与鼻固定床反探应器不同暴之处是：该固体颗粒馆悬浮在流矛体中，不私断地处于额搅动状态悦，其传热界和传质性亏能都比固泡定床反应眉器优越。模型假者定：1）在床层着内存在气泡相样、气泡樱晕相和里乳化相。在呀这三相坑间的物烫质传递门和反应怨过程是健串联的雄。2）床层内狭气泡的大呈小均匀且屯均匀分布捷于床层中殊。上升气慢泡的有效伸直径可用当量直鲁径表示。3）乳相中纹的气体处呜于临界流犹态化速度齿下运动，漫而超过临纠界流态化劲速度的所寸有气体则铜呈气泡形式通过里床层。关于流味化床的也数学模丧型已有虾两相模搁型、三殃相模型浑、四相坟模型等必多种,比较成呜熟和应齿用简便萌的为三相模泰型中的苹一种鼓钱泡床模旨型。一、流获化床反芝应器的驾数学模忌型4）当操宜作气速(临界流亡态化气盘速)时，床层剑内的鼓泡哀条件即可裂满足。5)当>6-挎11时，乳愧相中的森气体全闷部转为棵向下流帐动。气泡中的肆气体量远搁大于乳化郑相中的气体量供，该模型于可用气泡膀组成代替总气相组定成，不必窗考虑乳化通相中气体的变化脾。根据假结定，可减作出如邮图5-9所示的鼓泡床模据型示意图神，并列出卫物料衡算式如下谦：5-2感6式中：cb，cc，ce分别为储反应物残在气泡答、气泡称晕和乳晒化相中婶的浓度仙；(Kb,c)b，(Kc,e)b分别为以俱单位气泡锤体积为基齐准的气泡超与气泡晕惭：气泡晕涨与乳化相逆之间在单斥位时间内液交换的气叮体体积，吩称为“相浴间交换系钟数”；rb,rc,re分别为熔气泡、杜气泡晕头、乳化笼相中固摔体颗粒子体积与只气泡体弟积之比寄；ub气泡上哨升速度果；Kr为以固体仆体粒子体招积为基准厅的反应速图率常数；(K总)b为以气角泡体积臣为基准裳的总括案反应速况率常数欧，(传到气泡哭晕中的量)((传到乳简化相中考的量)(传到乳释化相中少的量)(乳化相中轻反应的量)5-2丛75-28(Kb,c)b(cb-cc)饲=妈rckrce+匪(Kce)b(cc-ce)(Kc,e)b(cc-ce)肠=想rekrce将式(5-2游6)在边界内条件L=0时,营cb=cA,0积分得其中Lf为操作和时流化丈床的床门层高度摔，可由滴床层的尺膨胀比R求出,即对于无内蓄部构件的母自由床，冠及值按下图式计算：5-3响0安装了粗斜片挡帅板或挡胁网的流省化床，挑则按下慢式计算丸：式(5-3厕1)的适用范伏围为：0.07孟<u<0美.92c皂m/s。(5-3晴1)通常临界该流化状态哪的床层高齐度Lm,f可用静床继高度L代替。在韵已知膨胀贺比R的情况壁下，操迫作时的当床层高野度Lf可求出帜。由式(5-御26)，(5-2桃7)，(5-炒28)，消去cc和ce，得：(5-3介2)其中:式中：D为气体扩满散系数,db为气泡骑的有效茄直径，umf为起始流储态化速度株，εmf为临界流东态化时的蹈床层孔隙孔率。rb一般取0.01梢-0.0摄01，由于底气泡中说固体颗衔粒极少衬，可以拍忽略不惭计。式中：vw,vb分别为床抽层内固体牛体积和气佛泡体积.(5-位33)(5-身34)(5-鼻35)rc式中：δ式小：u为气体服的空床某流速，um,f为起始流任态化速度句，ub为气泡上顺升速度。re(5-纹36)(5-3象7)(5-3羽8)rc由式(5-3肾3)计算出Kf值，即末可求出L＝Lf时流化查床反应忧器的最协终转化婶率xA。如果已彻知最终捞转化率xA，就可以列由式(5-劲39)求出Kf,再由式(5-尤32)求出床层循高度Lm在上述陷模型中诊，主要则参数是伪上升气播泡的有消效直径db，但没有榨可靠公式帐计算，通翅常由试验案测定。(5-确39)二、流站化床反蚂应器放颜大应考迈虑的问饶题1.催化剂(1)所使用的泛催化剂应全具有良好若活性、选精择性和稳帽定性，其横中活性的加控制尤为北重要。通扯常取以静止床稿层为基柔准时的搞反应速叠率常数固为宜。(2)由返混渠程度大赞，易加誓速副反汪应，催令化剂失勺活也比墨固定床捉快，故纪对其选择性凡要求较碍高。此外饶，催化自剂必须耐磨，具邮有一定敏的机械强度，活性组分蚕不易流失，而且粒揉度分布也身应适当，钓以便保持镇良好的流态化性却能。(3)通常细更颗粒床税层(dp＝50-1堵00μm)比粗颗闪粒床层(dp＞200μm)的流化竹性能好喇。当反张应器放厌大需增已加床层庭高度和振增大气众速时，纽奉不易产尖生短路债。根据录经验，摊粒径的助分布倩采况应大营致为：50-7析0μm的占50％，小品于44μm的占25％一30％，大于88μm的占5％一20％.2.操作条煌件操作条愧件在流棋化床放脸大时必赌然有所是改变，鸟因为放荒大后的随气、固漆相接触呢不如小残装置好路，必须摔用增加床贵层的高忘径比来慢延长反轮应时间液，但又扒易引起抵节涌,对于大床娇层，通常辈应控制床俘层的高径葱比在3以下。为了促搂进流态脂化和加庙强物料况的混合可与传热译，流化孕床放大扔后，往矮往要加大空速,并适当提高温咱度，增加反倚应速率来弥补利气固相局接触不啊良和返抚混带来研的影响霞。(3)床径较溉小时，馅径向和宰轴向的页浓度梯勤度都较西大。当狂床径放喜大后，见由于乳调化相中眯物质的访扩散系瞎数增大万，使乳衫化相中牙的浓度酸梯度减军小甚至素消失。因此，嫩由床径贵为50mm的小型沟试验装态置放大谨至床径席为500m述m的中试装拢置时，产肌生的放大聪效应特别踢明显，而长由500疤mm床径再放支大，则不捡会有太明呆显的放大并效应。故寄冷模试验的床扫径一般都笼大于500m锈m。3.反应器结寸构(1)对于气泰体分布焰板的要瘦求：保感证气体均匀荷分布，板上应无积料，能维持床齿层流态采化均匀。(2)床层内怀的垂直宴管束具匹有加强传援热和控矩制气泡陶合并增大的作北用。横向婚挡板有限雹制气、固相歇流动，改变活床层内欲浓度和乒温度分凤布的作灾用。(3)由小床放削大至大床锹，挡板的算间距可适当增大。4.反应速威率和反把应的转窄化率对于低转纹化率反应占（单程转庙化率在20%以下），参流动状态滋对反应结焰果影响较跃小，如果错转化率很扭高，且有贪串联反应惧产生，有束物料返混终则不利于勺反应。对于主洲反应速正率远大邀于副反杏应速率棋，而且级表面反哑应速率坚大于相轧际间的书传质速悉率的情摘况，需管要强化幸传质。对于传培质速率拣大于表裁面反应工速率，烛单程转铺化率不删高而副娘反应的仔影响又哲比较明澡显的情盒况，则食宜采用低气速，捐提高催化拦剂的活性芳，增加气特、固相接险触时间，以及提高反布应的温液度等措施净来提高园表面反垄应速率。§5.板7气、液播反应器一、气、丑液反应器司的选型选型时旷应注意千气、液沉反应器逆的特征缠：1.气、液相换接触方式1）对于殿逆流操价作的塔和设备，妥气体和待液体都险可近似耍看成活渡塞流。锁气、液摸间有较篇大的浓谣差推动堡力。2）在鼓泡动塔中，气么体为活塞睛流，液体侄近似全混树流。3）在搅拌朱鼓泡釜中拿，气、液眼两相均可另视为全混土流。2．传质系盆数(KG，KL)当液体附成滴状射分散在底气相中划，气相涂传质系括数KG高，液里相传质舌系数KL低。如溪果气体导以气泡坝状态分奶散于液佛体时，姿则液相腿传质系搁数KL高，而炮气相传压质系数KG低。3．气、金液相的世流动速灵率填料塔的押液速/气速比对受到一采定的限阔制，在恨常压下涌一般都忍控制在10左右。4．气、液踏相反应的哥控制步骤当传质触速率由赔两相界替面的气苦膜或液籍膜控制获时，应杆选具有斗高相界它面的反晴应器；膨但也要乌注意传驼质系数边的大小孩。例如:由液膜偿控制时,不宜选栽用喷淋秩塔。因寒为喷淋胡塔虽有搅很高的腾相界面领，但液相传题质系数KL较小。鱼同理，低由气膜跑控制时吸，则不掌宜选用鼓泡式反页应器。因为鼓午泡式设备披内的气相预传质系数KG较小。二几种笨类型的气诵、液反应个器二气、液宾反应器的袖数学模型由于气疲、液反米应器型呆式有多尘种，根屿据气、逆液两相蚀物料流访动的形枯态不同包有模型堂，即(1)气、液糖两相均猾为全混利流的数岁学模型棍；(2)气相为达活塞流棉，液相姜为全混割流的数盆学模型薄；(3)气、液窃两相均不为活寒赌流的数骆学模型碑：较广泛祝应用的兄是针对愈鼓泡塔侍设计的气相为活舍塞流，液僵相为全混骡流的数学模杠型：设鼓泡塔板中气相组脱分A与液相组趁分B成逆流接悦触进行吸晋收反应，做塔内液相唯浓度均一虚，且单位格体积气、槽液混合物绒的相界面登积A不随位锡置而改植变；但盒塔内的伟总压则静随塔高唇而改变粉，并符飘合以下牲线性关霜系：(5-4毕0)如图5-11所示，画在塔内等距上界拴面的距离为Z处取一微幻玉元高度为dZ，对此微汗元段作柏物料衡圈算，则衰有：将5-4她1积分得：5-4敏15-42设反应A+B-课S为拟一佩级反应抚，由于胸液相呈谅全混流谅状态，爷塔内组雨分B的浓度均惜一恒定，虑而液膜内蝇化学反应朽速率与物姓理吸收速索率之比远简大于1。此时，巾鼓泡吸收但塔内的宏财代入5-41得5-4历35-4谈4在恒温亦条件下森的吸收夏过程k为常数；密如果气、盗液相界面众气相一侧睡气膜的阻轮力可忽略留不计,则相界倾而处组蜂分A的分压PA,i应与气相絮主体的分拖压PA,G相等。纸则有由5-40和,5-4傅5,5-滋44得5-4晋55-4唉6当Z=0时yA＝yA.0；Z＝L时，yA＝yA.L积分得:5-4贩7解式(5-4摩7)即可求出装鼓泡塔内休气、液混创合物的高键度L如果气家膜内的直传递阻乌力不能三忽赂．扔则应找林出气膜抬内组分A的分压PA,i与气相主窜体内组分A的分压PA,G的关系扬。因为思组分A通过气掏膜的传抱质速率便应与该诉组分在犬液相中肾的转化拦速率相狠等，当化学反育应速率盐大于物泳理吸收及速率时序，即得5-48则5-49鼓泡塔内视气、液混侵合物层高尼与塔径之硬比(L/狠D)一般为3~1浩2。鼓泡塔的愤高度除了膜气、液混译合物的高盲度外，还帅包括气、虹液相分离畜空间，其桶高度一般候约为气、捷液混合物承高度的1/3左右.第八节睬气、液树、固三相陷反应器气、液钳、固三桐相反应膏器有滴旅流床反山应器和慎浆态反诞应器两继种形式一、滴盒流床反辟应器滴流床炼反应器缘瑞类似于竞固定床庭反应器敏．两者曲不同之剃处是在柔滴流床平反应器艺内存在灶液相和臣气相两赵相流动.滴流床的斩数学模型逢是在如下别假定的基洞础上建立芽的：(1)假定两世相流处骆于滴流抬区，气予体和液寻体在床忧层内分司布均匀(2)固体催段化剂表陈面完全聚润湿;(3)液体不装挥发;(4)气、液匪、固三礼相的温迈度相同;根据以上响假定，可照认为床层漠内不存在