化學(xué)反應(yīng)器課件

2025/6/231

化學(xué)反應(yīng)器

2025/6/232概述化學(xué)反應(yīng)工程主要研究內(nèi)容：建立反應(yīng)速率的定量關(guān)系，并將實驗測定與計算數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)研究工業(yè)反應(yīng)器的反應(yīng)規(guī)律和傳遞規(guī)律。特別是工業(yè)反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)速率、影響反應(yīng)速率的各種因素以及如何獲取最優(yōu)化的反應(yīng)結(jié)果等等

2025/6/233放大問題的主要原因是：首先：停留時間的不同，導(dǎo)致溫度、濃度分布的不均。其次：產(chǎn)生放大效應(yīng)（并非所有的條件均同等放大）第三：工業(yè)反應(yīng)器中的反應(yīng)條件難以保持十分穩(wěn)定。（如放熱反應(yīng)熱量的移除）2025/6/234反應(yīng)器的開發(fā)與放大:依靠逐級經(jīng)驗放大數(shù)學(xué)模型方法2025/6/235反應(yīng)器的放大：轉(zhuǎn)化率和收率（K、k）微觀：K、k-------溫度、壓力宏觀：停留時間、分布(不同型式反應(yīng)器)反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計方程

物料、熱量、動量衡算2025/6/236第一節(jié)工業(yè)反應(yīng)器基本類型2025/6/237（1）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器（2）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類：釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器（3）按操作方式分類間歇操作反應(yīng)器連續(xù)操作反應(yīng)器半連續(xù)(半間歇)反應(yīng)器2025/6/2382025/6/2392025/6/2310化學(xué)反應(yīng)器的操作方式間歇操作：一次性投料，卸料。反應(yīng)物系參數(shù)(濃度或組成等)隨時間變化。連續(xù)操作：原料不斷加入，產(chǎn)物不斷引出，反應(yīng)器內(nèi)物系參數(shù)均不隨時間變化。半連續(xù)(或半間歇)：兼有以上兩種過程的特點，情況比較復(fù)雜。2025/6/2311主要指溫度、壓力、濃度、反應(yīng)時間、操作線速度、循環(huán)比、放空量與組成和催化劑顆粒大小等?；瘜W(xué)反應(yīng)器的工藝條件2025/6/2312化學(xué)反應(yīng)器選型原則（1）從物料的相態(tài)選擇反應(yīng)器（2）從傳熱的要求選擇（3）從相際間的傳質(zhì)選擇（4）從反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性來考慮2025/6/2313第二節(jié)間歇操作攪拌釜2025/6/2314恒溫恒容特點2025/6/2315（1）在滿足了生產(chǎn)能力所需攪拌釜體積的前提下，保證攪拌系統(tǒng)所達到的釜內(nèi)物料的混合狀態(tài)應(yīng)與試驗時所采用的小釜內(nèi)物料的混合狀態(tài)相同。設(shè)計攪拌器準則：

or間歇攪拌釜放大應(yīng)注意的問題幾何相似2025/6/2316（2）當(dāng)攪拌釜放大時，注意依靠釜壁夾套作為熱交換的單位體積傳熱面積的變化。改善傳熱效果措施：

傳熱面積：

減小釜內(nèi)安蛇形管，同時攪拌釜葉輪的大小和轉(zhuǎn)速適當(dāng)調(diào)整。熱量衡算--------熱量介質(zhì)的溫度-------介質(zhì)的用量和傳熱面積。2025/6/2317（3）對于不同物料系統(tǒng)和工藝要求的混合，應(yīng)選擇不同型式的攪拌釜。

對于低粘度互溶液體的混合，一般采用渦輪式攪拌釜。為了促進釜內(nèi)物料和釜壁間的傳熱，除去粘附于釜壁的沉淀或粘稠液體，則可采用錨式或框式攪拌釜。對于高粘度液體的混合，采用錨式、螺帶式、螺桿式2025/6/2318第三節(jié)管式反應(yīng)器2025/6/2319活塞流反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型2025/6/23202025/6/2321模型型式

恒溫系統(tǒng)：反應(yīng)系統(tǒng)壓強變化很小時，只用物料衡算式

變溫系統(tǒng)：物料衡算式和熱量衡算式

如果反應(yīng)管很長，阻力損失較大，則應(yīng)將物料衡算式、熱量衡算式和動量衡算式聯(lián)立求解。2025/6/2322管式反應(yīng)器放大應(yīng)注意的問題（l）保證反應(yīng)器內(nèi)物料的流動狀況放大后與放大前相同流動的雷諾數(shù)相等2025/6/2323管式反應(yīng)器放大應(yīng)注意的問題（續(xù)）（2）在保持大小兩反應(yīng)系統(tǒng)幾何相似的前提下，：物料流動的停留時間分布函數(shù)相同。（3）反應(yīng)器內(nèi)物料流動所產(chǎn)生的壓強變化與總壓相比，如能忽咯不計，則放大后的平均停留時間可用計算2025/6/2324（4）對于氣相反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)管長遠大于管徑；而產(chǎn)生的壓強變化又影響反應(yīng)器內(nèi)的總壓強時，除了保證放大前后兩反應(yīng)系統(tǒng)具有相同的平均停留時間和相同的停留時間分布函數(shù)外，還必須保證壓強的變化值相同。

要滿足這一要求，則不一定能滿足大小兩反應(yīng)系統(tǒng)的幾何相似條件，此時可以暫不考慮幾何相似。2025/6/2325第四節(jié)連續(xù)操作攪拌釜2025/6/2326數(shù)學(xué)模型2025/6/2327單釜多釜串聯(lián)2025/6/2328連續(xù)操作攪拌釜放大應(yīng)注意的問題（l）運用模型方程進行設(shè)計計算時，實際反應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)盡可能滿足或接近理想混合這一種條件。（2）應(yīng)保持大小兩系統(tǒng)內(nèi)物料流動的停留時間分布函數(shù)相同，平均停留時間應(yīng)相等。還要保證大小兩系統(tǒng)的單位容積傳熱面積的傳熱量相等。

2025/6/2329（3）要保持大小兩系統(tǒng)內(nèi)物料流動的停留時間分布函數(shù)和平均停留時間相同則需保持物料流動的空間速度相等；而要保證大小兩系統(tǒng)單位容積傳熱面積相等，則需要改變釜的結(jié)構(gòu)。這樣大小兩系統(tǒng)之間的幾何相似條件則不一定能滿足。2025/6/2330（4）對于多釜串聯(lián)反應(yīng)器的放大，應(yīng)保證大小兩系統(tǒng)中每一釜內(nèi)物料流動的停留時間分布相同、溫度相同和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率相同，且反應(yīng)速率應(yīng)當(dāng)不受攪拌速率的影響。（5）對于非均相反應(yīng)系統(tǒng)，放大的依據(jù)是保持大小兩系統(tǒng)的相界面積等，通常是以保持單位容積輸入的攪拌功率相等來取代。2025/6/2331第五節(jié)固定床催化反應(yīng)器2025/6/2332一、固定床反應(yīng)器放大應(yīng)考慮的問題1．反應(yīng)熱效應(yīng)的影響

供熱、去熱、溫度梯度2．最佳反應(yīng)溫度3．催化劑床層

催化劑的裝填、床層尺寸2025/6/23332025/6/2334二、固定床催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型2025/6/2335第六節(jié)流化床反應(yīng)器2025/6/2336特點：非均相，固體顆粒懸浮在流體中，傳熱、傳質(zhì)優(yōu)。2025/6/23372025/6/2338一、流化床反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型兩相、三相、四相氣泡相、氣泡暈相、乳化相2025/6/2339三相模型鼓泡床模型的假設(shè)1.床層內(nèi)存在氣泡相、氣泡暈相、乳化相，三相間的物質(zhì)傳遞和反應(yīng)過程是串聯(lián)的。2.床層內(nèi)氣泡的大小均勻，均布與床層中。氣泡的有效直徑可用當(dāng)量直徑表示。3.乳相中的氣體處于臨界流態(tài)化速度下運動，超過臨界流態(tài)化速度的所有氣體，呈氣泡形式通過床層。4.操作氣速U>2um,f,床層鼓泡，U>6--11um,f，乳相中的氣體全部轉(zhuǎn)為向下流動。2025/6/2340模型方程2025/6/2341二、流化床反應(yīng)器放大應(yīng)考慮的問題1.催化劑良好的活性、選擇性、穩(wěn)定性機械強度粒度分布2025/6/23422.操作條件流化床放大后，操作條件改變。如:需增加床層高徑比來延長反應(yīng)時間，但易產(chǎn)生“節(jié)涌”現(xiàn)象。又如：放大后需加大空速，氣固接觸時間改變。冷模實驗床徑的選擇控制高徑比3以下提高溫度大于500mm

2025/6/23433.反應(yīng)器結(jié)構(gòu)氣體分布板垂直管束、擋板的影響4.反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率2025/6/2344第七節(jié)冷模試驗（p46-55）2025/6/2345化工過程開發(fā)中常用的一種研究手段。原理：以模型與原型相似為基礎(chǔ)，運用相似原理來考查生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)物料的流動與混合，以及傳熱和傳質(zhì)等物理過程，尋找產(chǎn)生放大效應(yīng)的原因和克制的方法。目的：為放大設(shè)計或建立數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)。2025/6/2346試驗方式：采用物理性質(zhì)與生產(chǎn)物料相近的惰性物料，如水、空氣、砂等代替生產(chǎn)實際物料在模型裝置上進行的試驗。適用場合：不便或不必要采用生產(chǎn)物料進行試驗的情況，尤其在需要將過程分解，分別考查一些工程因素時。2025/6/2347規(guī)模：一般都比小試要大得多，以便表現(xiàn)各種工程因素的運動規(guī)律，所測定參數(shù)的可變范圍也相對較寬。注意：由于試驗條件與實際生產(chǎn)過程有差別，在應(yīng)用冷模試驗結(jié)果時，應(yīng)根據(jù)實際條件予以轉(zhuǎn)換和修正。2025/6/2348方法一、按相似論進行的冷模試驗二、用概率統(tǒng)計方法進行的冷模試驗三、測定特殊參數(shù)的冷模試驗四、類比試驗2025/6/2349二、用概率統(tǒng)計方法進行的冷模試驗用概率統(tǒng)計方法測定物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布函數(shù)，由此確定物料流動的型態(tài)。例3-5測定連續(xù)流動串聯(lián)釜內(nèi)物料流動的停留時間分布。2025/6/23502025/6/2351例：連續(xù)流動反應(yīng)器中的返混測定目的：1通過實驗了解停留時間分布測定的基本原理和實驗方法；2掌握停留時間分布的統(tǒng)計特征值的計算方法；3了解停留時間分布密度函數(shù)與多釜串聯(lián)流動模型的關(guān)系；4了解多釜串聯(lián)模型中模型參數(shù)N的物理意義；2025/6/2352裝置、流程實驗裝置如附圖所示。由單釜和三釜串聯(lián)兩個系統(tǒng)組成，三釜串聯(lián)反應(yīng)器中每個釜的體積為1L。實驗時，水經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計流入兩個系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在兩個系統(tǒng)的反應(yīng)釜的進口注入示蹤劑，借助安置在每個反應(yīng)釜出口處的電導(dǎo)測試系統(tǒng)可以檢測示蹤劑濃度變化情況，并由記錄儀連續(xù)記錄。2025/6/23532025/6/2354原理返混程度的大小，通常是利用物料停留時間分布的測定來研究返混程度。但是返混與停留時間分布兩者不存在一一對應(yīng)關(guān)系，因此不能直接把測定的停留時間分布用于描述微團間充分混和系統(tǒng)的返混程度，而要藉助于反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型間接表達。2025/6/2355停留時間分布密度函數(shù)E(t)正比于反應(yīng)器出口示蹤劑的濃度.因此，實驗中用水作為物料，使用飽和KCl溶液作為示蹤劑，在系統(tǒng)出口處安裝了一套電導(dǎo)檢測系統(tǒng)。由于在一定的KCl水溶液濃度范圍內(nèi)，其濃度正比于電導(dǎo)值。顯然，所測系統(tǒng)的物料停留時間密度函數(shù)正比于系統(tǒng)出口處KCl水溶液的電導(dǎo)值，即E(t)∝L(t),L(t)為t時刻水溶液的電導(dǎo)值。2025/6/23562025/6/2357以無因次時間為時標的數(shù)字特征無因次時間θ的定義式為

以無因次時間為變量的數(shù)學(xué)期望

=1以無因次時間為變量的方差

=與兩者之間存在如下關(guān)系

2025/6/2358流動模型與模型參數(shù)測定了一個系統(tǒng)的停留時間分布后，如何評價其返混程度，需要反應(yīng)器模型來描述。如多釜串聯(lián)模型：該模型為單參數(shù)模型，模型參數(shù)為虛擬的串聯(lián)級數(shù)N。2025/6/2359由多級全混流反應(yīng)器的物料衡算可導(dǎo)出其停留時間分布密度的數(shù)學(xué)表達式，即2025/6/2360數(shù)據(jù)處理用離散化方法求出對應(yīng)的,再求出相應(yīng)的模型參數(shù)，隨后討論N的數(shù)值范圍，就可確定這兩種反應(yīng)器的返混大小。N=1，

N→

∞,

活塞流

全混釜2025/6/2361三、測定特殊參數(shù)的冷模實驗

表征反應(yīng)器性能的一些特殊參數(shù)，往往是設(shè)計反應(yīng)器的重要數(shù)據(jù)，如固定床應(yīng)應(yīng)器內(nèi)催化劑堆密度和床層的孔隙率，流化床反應(yīng)器的流態(tài)化臨界速度和飛揚速度，以及氣、液、固三相流化床的氣含率和固含率及其分布等等。這些特殊參數(shù)一般都是采用模型裝置，通過冷模試驗測定的。2025/6/2362第八節(jié)中間工廠試驗2025/6/2363目的2025/6/2364一、中試應(yīng)考慮的問題中試模擬生產(chǎn)過程，要便于測取數(shù)據(jù)。中試應(yīng)具有一定的規(guī)模，應(yīng)能連續(xù)運轉(zhuǎn)。人力、物力和財力上的消耗巨大。中試方案需從技術(shù)和經(jīng)濟角度綜合考慮。2025/6/2365原則：中試規(guī)模的大小主要看技術(shù)的成熟程度和可放大的倍數(shù)。

1．中試規(guī)模大規(guī)模小規(guī)模2025/6/2366大規(guī)模：過程復(fù)雜，技術(shù)規(guī)律不清楚的項目，需要考查的技術(shù)內(nèi)容較多，并希望模擬能接近生產(chǎn)裝置．小規(guī)模：技術(shù)比較成熟，為驗證某些特殊的技術(shù)措施，規(guī)?？煽s小。判別標準：消耗和費用高。投資小、建造快、消耗省、安全性高；不容易反映生產(chǎn)的實際情況；操作和測量數(shù)據(jù)的精度難，不能提供足