化工反应原理

《化工反应原理与设备》课外自学报告 ———反应器基本原理

一、化学反应工程学研究的内容和方法 1、研究的内容：

（1）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，提高效率. （2）开发新的技术和设备。

（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。 （4）实现反应过程的最优化。 2、研究的方法： 数学模型

在化学工程中，数学模型主要包括以下内容： （1）、动力学方程式

对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。 （2）、物料衡算式

流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量

（3）、热量衡算式

物料带入热=物料带出热 + 反应热 + 与外界换热 + 累积热

（4）、动量衡算式

输入动量 = 输出动量 + 动量损失

（5）、参数计算式

主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。

二、化学反应过程和化学反应器的分类 （1）化学反应过程分类：

1

判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性 1、反应速率：

反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生成物的变化量。

i i

如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。则上式可写成： iii i

根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式： ??A

AAB

k----反应速率常数，可以根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程求得：

2、转化率：

1dnr???Vdtd(nV)dc1dnr???????Vdtdtdt1dnr???k?cVdt?ck?A?ex?n?ERT 转化率=反应物A的消耗量/反应物A的起始量

对于间歇系统：

A,0

A

A,0

对于连续流动系统，转化率则以下式表示：

A,0A

A

A,0

?nAnx?F?FF三、反应器的结构型式及分类：

2

(1)槽型反应器：主要用于液相均相、液相非均相或气液相反应。可间歇操作，也可连续操作。

(2)管式反应器：用于气相或液相连续反应，由于管子能承受很大压力，用于加压下的反应尤为适合。

(3)塔式反应器：广泛用于气－液相、液－液相反应。

(4)固定床反应器：流体通过静态催化剂颗粒进行反应的反应器，多用于气－固相反应，一般固体为催化剂，气体为反应物料。

(5)流化床反应器：主要用于气－固相催化反应。固体在流化床内呈流化状态。 2、反应釜的分类：

槽式反应釜的构成：由壳体、搅 拌器和换热装置组成。

钢制反应釜：（Q235或容器钢16MnR）其上有人孔、手孔、工艺接管等。根据操作温度、压力考虑其加热方式，多为夹套加热。

特点：制造简单，造价费用低，维护检修方便，应用范围广.

铸铁反应釜：对碱性物料有一定抗力，壁温低于25°C，内压低于0.6MPa。

搪瓷反应器：耐各种酸，但对氢氟酸和含氟介质及温度大于180°C的浓硫酸和强碱不适合。允许在－30——＋240°C范 围使用，耐热温差小于120°C，耐冷温 差小于110°C，耐冲击性能差。 3、反应釜的特点：

结构基本相同：除有釜体外，还有传动装置、搅拌器、和加热或冷却装置等，以改善传热条件，使反应温度控制得比较均匀，并强化传质过程。

操作压力较高：釜内的压力是由化学反应产生或由温度升高形成，压力波动大，有时操作不稳定，压力突然增高要超过正常压的几倍。

操作温度高：化学反应需要在一定的温度下进行，所以反应釜既承受压力又承受温度。 均有相应的搅拌器：为保证反应均匀快速的进行，提高效率，因此在反应釜中都装有相应的搅拌器，这样就带来传动轴的动密封和防止泄露的问题。

多属间歇操作：釜顶装有快装人孔和手孔、视镜，便于取样、观察反应情况，和进入设备检修。

4、反应釜的结构

搅拌机械：以液体为主与其它液体、固体或气体物料的混合操作称为搅拌。

3

搅拌的作用：增加反应的速率或强化物质的传递，强化传热的过程，保证料液的均匀。 搅拌器的常用类型：（1）桨式搅拌器：由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。搅拌转速较低（20—80r／min），消耗功率大。适用于流动性大，粘度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液。(2)框式和锚式：搅拌直径大，50--70r/min，因与釜壁间隙小，有利于传热过程，适用范围广，且有利于传质。(3)推进式搅拌器：常用铸造法制作，有两个桨叶，第一个安装在反应器的上部，把液体和气体往下压。第二个安装在下部，把液体往上推，搅拌上下翻腾效果好。转速范围：300--600r／min。(4)涡轮式搅拌器：分平呈和弯呈两种，当量浓度消耗不大时，搅拌效率高。适用于乳浊液、悬浮液。转速范围：300--600r／min。(5)特殊搅拌器：（螺带搅拌器）直径很大，与釜壁间隙小，搅拌能不断的将壁上物体刮下来。它适用于高粘度、低转速的情况。搅拌器的选用：根据容积大小选用；根据粘度大小选用；根据工艺要求的搅拌速度选用；根据加热方式选用. 5、密封装置

（1）填料密封：（静密封）由填料箱、填料、油环、衬套、压盖和压紧螺栓组成。优点：便宜、装折方便。不足：容易泄露，压紧力过大 时磨擦力大，要定期添加润滑油。 （2）机械密封：由弹簧加荷装置、动环、静环、辅助 密封圈组成。工作原理：机械密封有四个密封面，静环座与设备之间的密封为静密封，采用 一般垫片。静环与静环之间的密封为静密封，采用弹性材料的密封圈。动环与轴或轴套之间的密封为相对静密封，常 采用“O”型圈来密封动环与静环之间的密封为动密封，依靠弹簧加荷装置和介质压力，使这两个光洁、平直的端面紧密结合，端面间维持一层极薄的流体膜，而达到密封。

6、反应釜的热交换形式

(1)水加热：（敞开式、密闭式）由循环泵、水槽、管道及控制阀门的调节器组成。反应釜外表焊上蛇管，蛇管与釜壁有间隙，导致热阻增加，传热效果降低。 (2)热气加热：加热温度T<100°C，可采用饱和蒸汽加热。

(3)其它介质加热：工艺要求必须在高温下工作，或欲避免采用高压系统，可用其它介质代替水。

(4)电感加热：前三种方法由于温度变化幅度大， 易产生温差应力，电感加热可避免。 传动装置：

要求润滑良好、无振动、无泄露，长期稳定运行。定期检查搅拌器腐蚀情况，有无裂纹、变

4

形、松脱。反应在运行中严格执行操作规程，禁止超温超压按工艺指标控制夹套及反应器的温度。避免温差应力与内应力叠加，使设备产生应变。要严格控制配料比，防止剧烈反应。发现反应釜有异常响声应停止运行，检查修理。加料时要防止金属硬物料掉。

反应器的分类：

1、按反应物料的相态分类

2、按反应器的结构型式分类

5

3、按操作方式分类 （1）、间歇操作 （2）、连续操作

（3）、半连续半间歇操作 五、理想均相反应器

1、理想间歇反应器 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、 温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一）， ），这就是理想 温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理想 间歇反应器（ 简称IBR）

特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可以生产多个品种。

缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗 一定时间，产品质量难以控制。 2、活塞流反应器

在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变，反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器（plug flow reactor简称PFR）

3.全混流反应器特点：由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中的物料混合均匀，反应器内物料组成、温度均匀一致，并且等于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器（ 大的连续搅拌釜式反应器（continuous Stirred tank reactor 简称CSTR）近似地看成全混流反应器 简称 ） 4、多级全混流反应器

多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器（continuous stirred tank reactor in series简称CSTRS）与之近似，其特点：

（1）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物引出，上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。

（2）各反应釜中组成、温度均匀一致，“级”与“级”之间是突然变化的。

（3）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反应器数目越多，其性能越接近活塞流反应器。

6

3、按操作方式分类 （1）、间歇操作 （2）、连续操作

（3）、半连续半间歇操作 五、理想均相反应器

1、理想间歇反应器 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、 温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一）， ），这就是理想 温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理想 间歇反应器（ 简称IBR）

特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可以生产多个品种。

缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗 一定时间，产品质量难以控制。 2、活塞流反应器

在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变，反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器（plug flow reactor简称PFR）

3.全混流反应器特点：由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中的物料混合均匀，反应器内物料组成、温度均匀一致，并且等于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器（ 大的连续搅拌釜式反应器（continuous Stirred tank reactor 简称CSTR）近似地看成全混流反应器 简称 ） 4、多级全混流反应器

多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器（continuous stirred tank reactor in series简称CSTRS）与之近似，其特点：

（1）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物引出，上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。

（2）各反应釜中组成、温度均匀一致，“级”与“级”之间是突然变化的。

（3）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反应器数目越多，其性能越接近活塞流反应器。

6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1n7o.html