化工过程开发（中南大学） 第五章 反应器及其放大

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1、第五章反应器及其放大1、按操作方式分类间歇式、连续式、半间歇半连续式第一节工业反应器的基本类型1）分批（间歇）式操作特点：非定常态的过程，物料浓度及反应速率不断改变适用：为实验室及产量较小时所采用。连续式操作特点：定常态的过程，物料浓度及反应速率不随时间改变。适用：产品品种比较单一而产量较大的场合。3)半分批（或称半连续）式操作特点：非定常态的过程，物料浓度及反应速率随时间改变。适用：用于一些反应的控制。气气2、按反应装置的结构型式分类管式：长径比大，多用于均相反应。釜式：高度与直径相当或稍高，釜内有搅拌等装置。塔式：高度

2、为直径的数倍，内部有填料，筛板等装置。床式：用于多相催化或非催化反应，可分为固定床、流化床、移动床等。3、按反应相态分类均相反应器、非均相反应器一、反应时间物料衡算方程热量衡算方程反应器体积第二节间歇操作搅拌釜二、最佳反应时间的选择反应器的平均生产速率YR为目标函数满足单位时间产品产量最大所必须的条件——最优反应时间topttopt目标函数为单位生产量的总费用T.C．满足单位生产量的总费用最小所必须的条件——最优反应时间topt三、放大时应注意的问题1、在保持放大后的反应釜与放大前模型反应釜几何相似的情况下，应保持搅拌所产生的

3、物料混合状态相同。放大判据：单位容积物料的搅拌功率（搅拌强度N/V）相等。2、反应釜放大时，由于容积放大，单位容积所具有的釜壁传热面积相应减小，应采用釜内添加传热内盘管、物料外循环冷却和溶剂挥发冷凝等结构。3、不同体系和工艺要求的物料，应选择不同型式的搅拌器。低黏度互溶液体的混合：宽叶的四叶涡轮式搅拌器，功率消耗小。低黏度非均相液体分散：六叶平直涡轮搅拌器。固体悬浮和固体溶解：四折叶或平直叶涡轮式搅拌器。气体分散和气体吸收：圆盘式涡轮搅拌器。高黏度液体的搅拌：锚式（框式）、螺带式、螺杆式等。习题：在间歇操作搅拌釜中进行己二酸（

4、C4H8（COOH）2）和己二醇的缩聚反应生成醇酸树脂，己二酸的转化速率为-rA=kCA2，CA为己二酸的浓度，kmol/L，实验测得343K时的反应速率常数k为1.97L/（kmol·min），己二酸与己二醇的物质的量之比为1：1，反应混合物中己二酸的起始浓度为0.004kmol/L。如果己二酸每天投料2400kg，要求转化率达到80%，计算反应釜的体积。第二节管式反应器一、平推流反应器的设计方程二、非平推流管式反应器放大离析流模型轴向分散模型三、放大应注意的问题在保持放大前后两系统几何相似的同时，应保持两系统内物料流动的停

5、留时间分布函数相等。为保持放大前后反应器内物料的停留时间分布相同，无论物料呈层流流动还是湍流流动，应保持两系统流动的雷诺数相等。对于气相反应，当反应器管长远大于管径，而产生的压强变化又影响反应器内的总压时，必须考虑压强的变化值相等。第三节连续操作搅拌釜一、CSTR反应器的设计方程用理想混合反应器的设计方程对连续操作搅拌釜在处理低黏度液体物料时的设计计算是合适的。二、多釜串联反应器的设计方程假设反应为一级不可逆反应，且各釜具有相同的体积和相同的温度。三、串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比假设进行单一反应，总反应体积V总反应体积最

6、小所必须遵循的条件四、放大时应注意的问题设计方程的依据是釜内物料的流动与混合达到理想混合状态，运用设计方程进行放大时，实际系统应满足这一条件。连续操作搅拌釜放大的相似条件是平均停留时间相等、停留时间分布函数相同。对于连续操作搅拌釜放大，保持停留时间相等而且要保持空速相等；为了维持反应温度，应使传热面积能和容积的增大相适应，则放大后不一定能保持几何相似。多釜串联反应器的相似条件应当是每一釜的停留时间分布相同、温度相同和反应转化率相同，而且反应速率不受搅拌速率的影响。对于非均相系统，放大判据为相界面积相同，但要测定实际系统的相界面

7、积很困难，一般用单位容积输入功率相等取代。第四节其它反应器型式一、循环（回路）式反应器根据物料返回量的大小，介于平推流反应器和连续操作搅拌釜之间。二、多段进料的平推流反应器使物料B在反应器内保持较低的浓度，物料A的特征接近于管式反应器；物料B的浓度在反应器内接近恒定，类似于连续操作搅拌釜。三、半间歇式鼓泡反应器反应器内物料A为间歇操作，具有间歇操作搅拌釜的特征；物料B为连续通过，具有管式反应器的特征。四、多段进料串联釜对于物料A，具有串联连续操作搅拌釜的特征；对于物料B，按各部分进料量的多少相当于单个连续操作搅拌釜。五、连续操

8、作鼓泡式反应器六、逆流填料塔式反应器七、逆流板式塔反应器八、固定床催化反应器九、流化床反应器第五节选择反应器一、根据物料相态选择反应器型式均液相反应：间歇或连续操作搅拌釜或活塞流管式反应器。气相反应：选用管式反应器，对于反应速率要求快，停留时间相对较短的反应选用管式反应器。气