东南大学化工学院药厂反应设备及车间工艺设计课件(设备部分)

1、 药厂反应设备研究的对象与任务 反应器的放大方法 反应器的分类绪论l第一节 理想反应器l一、基本的反应器型式 1.间歇操作的搅拌釜 2.连续操作的管式反应器 3.连续操作的搅拌釜l（1）年龄分布与返混 不同年龄的物料粒子混在一起，形成一定的分布，称为年龄分布。 不同年龄的物料粒子混在一起的现象称为返混。 返混是时间概念上的混合，有返混必然存在停留时间。 l间歇反应釜不存在返混现象；l返混是操作反应器连续中特有的现象。（2）寿命分布 在出口物料中，不同寿命的粒子混在一起，形成一定的分布，称为寿命分布。 一般都是实验测定寿命分布。2.返混产生的原因 （1）涡流与扰动；（2）速度分布； （3）沟流；

2、（4）倒流；（5）短路与死角l3.返混对化学反应的影响 总的来说，返混会使产品的收率、质量降低。l返混还会使反应物的浓度降低，体现了连续操作本身并不意味着强化生产。l某些情况下返混可能是有利的。如自催化反应，采用连续搅拌釜，可以使釜内反应物浓度保持在最佳浓度下反应，需要的反应器容积将最小。l三、理想反应器 根据返混程度的大小，将流动情况分为：（1）平推流（活塞流） 特点：不存在返混，流体通过细长管道时，在与流动方向成垂直的截面上，各粒子的流速完全相同。（2）全混流 特点：返混程度最大，分布得最分散，物料一进入反应器就立即均匀分散在整个反应器内，且在出口同时可检测到新加入的物料粒子。（3）中间流

3、 返混程度介于平推流和全混流之间，即具有部分返混的流动型态，也称非理想流动。 理想反应器：平推流反应器（PFR） 全混流反应器（CSTR） 间歇反应器 而实际生产中，连续操作得反应器内都存在不同程度的返混，物料的流动情况为中间流，为非理想反应器。一、反应速度及其表示式ddnVrAA1)(ddxnVddnVrAAOAA11)(l对于一般反应 aAbByYzZ其反应速率方程式为 注：和分别为反应物A和B的反应级数，量纲为一的量；为反应的总级数。 k是温度的函数，与浓度无关， k的单位为： BACkC 1)(11)(tLmol二、间歇釜式反应器l（1）等温操作的反应时间 物料衡算： 间歇釜式反应器的

4、基础设计式:减少的摩尔数微元时间内组分的摩尔数组分微元时间内反应掉AAAxAAAOVrdxn0)（ 对于液相反应，反应前后物料体积变化不大，可视为等容过程，则基础设计式便成为 进一步变为：AAxxAAAOAAAOrdxCrdxVn00)()(AAOCCAArdC)(对一级反应对二级反应对零级反应AxAAAOAAOxkxkCdxC011ln1)1 (AxAAOAAAOAAOxCxkxkCdxC022)1 (1)1 (kxCAAO三、连续管式反应器（PFR）3.1 基础设计式l平推流反应器的基础设计式：的摩尔数组分微元体积内反应掉的摩尔数组分离开微元体积的摩尔数组分进入微元体积AAAAfxAAAO

5、RrdxFV0)(l称为空间时间，只有在等容过程中，它才等于平均停留时间。AfxAAAOrrdxCV0)(3.2 连续管式反应器容积 要点：理想管式反应器中与间歇釜中需要的反应时间是相同的，可以用间歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。AfAxCAAAORrdCCV0)(四、连续釜式反应器（CSTR）全混釜 特点：物料一进入反应器器，就立即与器内物料均匀混和，而且器内的温度、浓度参数与出口物料的参数相同，故器内各点的反应速度相同，且等于出口转化率的反应速度。的摩尔数组分反应器内反应掉的摩尔数组分离开反应器的摩尔数组分进入反应器AAAl为物料在反应器内的平均停留时间（定容过程）l对同一

6、反应，在相同反应条件下，达到同样的转化率，全混流反应器需要的容积要大得多。)(AAAORrCCV)(AAAORrxCVl对一级反应l对二级反应)1(AARxkxV2)1(AAOARxkCxVl对零级反应l串联的釜数越多，反应时的浓度提高越多，反应速度越快，需要的反应时间或反应器容积就越小。kxCAAO/五、多釜串联反应器 几个全混釜串联起来操作。 对串联反应器中任一i釜作反应组分A的物料衡算，则有：中反应掉的摩尔数釜单位时间内在釜的摩尔数单位时间内离开釜的摩尔数单位时间内进入iii 多釜串联反应器的基础设计式： 注：下标i指釜数。)()(1AiAiAiAORirxxCV)(1AiAiAiRir

7、CCV 第三节 反应器型式及操作方式的选择一、简单反应 只需用一个反应方程式和一个反应速度方程式来描述的那些反应。（一）间歇反应器与平推流反应器 对于反应时间很短，辅助时间相对较长的反应来说，选用管式反应器较为合适。二、复杂反应 要用几个动力学方程式来描述。1、平行反应 沿两个方向同时进行。2、连串反应3、连串平行反应l三.全混釜与管式反应器的配合使用 当反应速度随反应物浓度的变化出现最大值时，最好先用全混釜使反应在反应速度最大的浓度下进行，然后再用管式反应器使反应达到最终转化率，这样可使反应器需要的容积最小。 第四节 停留时间分布及其测定 实际反应器中或多或少地存在着一定程度的返混，其返混程

8、度介于平推流与全混流之间，大小用停留时间分布来描述，反应器的结构型式和大小都可导致不同的停留时间分布。 研究和测定反应器中的停留时间分布，可以了解反应器内的流动情况，分析设备的结构型式与操作条件是否合适。停留时间分布已成为连续反应器设计和放大中必须考虑的因素之一。一、停留时间分布的数学描述 如果在某瞬时同时进入反应器N份物料，在设备出口处测得停留时间为的物料有N份，则停留时间为的物料占进料的分率为： 具有不同停留时间的物料在进料中所占的分率各不相同，此分率变化的情况称为物料在该反应器中的停留时间分布。料量时瞬时进入反应器的物的物料量停留时间为0NNl E()-曲线下的微小面积E()d表示停留时

9、间在和+d之间的物料占0时进料的分率。 E()为停留时间分布密度函数，其单位是 。 E()曲线下的全部面积代表所有不同停留时间的物料占进料分率的总和，应恒等于1，即 11min或s01)(dE 若停留时间从0范围内的物料占进料中的分率以F()表示，则 F()称为停留时间分布函数。它的定义时针对出口物料中，已在反应器内停留时间小于的物料在进料中所占的分率。0)()(dEF l停留时间分布密度函数E()和停留时间分布函数F()之间的关系：l注意点： 讨论E()、F()函数时都是针对出口物料而言，此时物料粒子在反应器内的停留时间指从进入反应器开始到离开为止，即粒子的寿命，故E()、F()表示的寿命分

10、布。ddFE)()(二)停留时间分布函数的特征值1. 平均停留时间 概率分布中的数学期望代表平均值，故平均停留时间可用下式计算： 如果是实验测得的数据，也可以不整理成E()的连续函数，而直接用下式计算：000)()()(dEdEdE 在等时间间隔取样时，则有：iiiiiiiEE)()()()(iiiiiEE 用数学期望求得的 ，与用 表示的 比较，其结果更能代表实际情况。2. 方差 概率分布中，离差平方的平均值称为方差，它表示随机变量取值的分散程度。所以，停留时间分布函数的方差为：RV022020022)()()()()()(dEdEdEdEr如果用实验数据求方差，可用下式：当等时间间隔取样时

11、，则有： 方差越大，停留时间分布越分散，返混程度越大。222)(iiiirE222)()(iiiiirEE(三）以无因次时间表示的停留时间分布 无因次停留时间常采用表示，（1）平均停留时间（2）分布密度函数E() 与分布函数F()0.101)()()()()(dEFFEE且（3）方差结果：平推流的 （没有返混） 全混流的 （返混最大) 中间流的 （返混介于两种理想流型之间）22220212102l二、停留时间分布的测定 测定停留时间分布常用刺激响应技术，即在反应器入口处加入示踪剂，在出口处测定浓度随时间的变化。 要求：示踪剂应不与物料发生反应，不被器壁吸收，容易检测，且其加入不能影响原来的流况

12、。对液体，常用电解质或染料作示踪剂，用电导值或比色测定，对气体，常用氩、氦、氢作示踪剂，用热导值测定。 具体有： （1）脉冲法测定E()； （2）阶跃法测定E()；1、搅拌的作用： 可以加速物料之间的混和，提高传热与传质速率，促进反应的进行，减少副产物的生成等。 2、搅拌釜式反应器的结构组成： 釜体、釜盖、搅拌器、减速机及传热装置等组成。釜盖上还设有各种接管口、温度计口、人孔、手孔、视镜等部件。 3. 提高混和效果的措施31 消除打旋现象 （1）加设档板； （大致为4块宽度为0.1D的挡板） （2）偏心安装。32 加设导流筒。 通常，导流筒需将釜截面分成面积相等的两部分，即导流筒的直径约为釜直

13、径的70。4、搅拌功率和混合效果要求：（1）流量V要足够大；（2）提高总流的湍动程度，即压头H要足够大；注意点： （1）搅拌釜内单位体积液体的功率消耗是判断搅拌过程进行得好坏得重要判据。（2）在向搅拌器提供足够功率时，存在一个能量合理利用问题。 l结论：（1）在等功率条件下，采用大直径、低转速的搅拌器，更多的功率消耗于总体流动，有利于宏观混和；（2）采用小直径、高转速的搅拌器，则更多的功率消耗于湍动，有利于小尺度上的混和； 因此，为达到功率消耗少，而混和效果好，必须根据混和的要求，正确地选择搅拌器的直径与转速。l5、混和时间 混和时间定义为在分子尺度上达到均匀所需的时间。 根据研究：混和时间大

14、致等于物料循环时间的4倍，即式中 混和时间 s或h 装料容积 V搅拌器的流量（泵送能力）VVtRm/4mtRV3mhmsm/33或l搅拌器的流量与其直径的3次方和转速的1次方成正比，即l注意： 在湍流区，对一定几何形状的桨叶，其 值为一常数。 在高粘度液体的混和与搅动中，混和时间主要决定于搅拌器的转速。3ndKVVVKl试验结果表明： （1） 螺带式搅拌器对于既要求混和良好又要求传热良好的设备来说，是最理想的搅拌装置； （2） 锚式搅拌器用于高粘度液体的混和效果不好，其主要作用只是刮薄附着在釜内壁上的物料层，以提高传热速率。一、搅拌器的型式（一）高转速搅拌器 特点：直径小、转速高，对粘度不大的

15、液体很有效。 1.螺旋桨式搅拌器（推进式搅拌器）； 叶端圆周速度一般为515m/s，适用于粘度小于2Pa s液体的搅拌。 2.涡轮式搅拌器； 叶端圆周速度一般为38m/s，适用于粘度小于50Pa s液体的搅拌。 更适用于要求小尺度均匀的搅拌过程。 （二）大叶片低转速搅拌器 1.桨式搅拌器； 径向搅动范围大，可用于较高粘度液体的搅拌。 2.框式和锚式搅拌器； 所产生剪切作用很小，搅动范围很大，不会产生死区，适用于高粘度液体的搅拌。 3.螺带式搅拌器； 在旋转时会产生液体的轴向流动，混和效果较框式和锚式为好。l二、搅拌器的选型 依据： 生产过程的操作类别和控制因素。 附:搅拌器选型表（P.55）1

16、.低粘度均相液体的混和（1）如混和时间无严格要求，一般的搅拌器皆可使用；（2）推进式的循环速率大且消耗动力少，最合用；（3）桨式转速低，消耗功率小，但混和效果不佳；（4）涡轮式的剪切作用强，但对于这种混和过程无大必要，而其动力消耗大，显得不合理。2.分散（非均相液相的混和）（1）涡轮式搅拌器的剪切作用和循环速率大，用于此类操作效果最好，特别是平直叶的剪切作用比弯叶的大，则更为合适；（2）在分散粘度较大的液体时，可采用弯叶涡轮，以节省动力。3.固体悬浮（1）低粘度液体中悬浮可沉降的固体颗粒时，应选用涡轮式搅拌器；（2）如固液比重差小，不易沉降时，可用推进式；（3）对固液比在50以上或液体粘度高而

17、固体不易沉降的，可用桨式或锚式搅拌器。4.固体溶解（1）要求搅拌器兼有剪切作用和循环速率，所以涡轮式最合适；（2）推进式的循环速率大，但剪切作用小，用于小容量的溶解过程比较合理；（3）桨式需借助挡板提高循环能力，一般用于容易悬浮起来的溶解操作中。5.气体吸收（1）最适宜型式为各种圆盘涡轮搅拌器；因其剪切作用强，且圆盘下可存住一些气体，使气体的分散更平稳；（2）推进式和开启涡轮的效果不好，桨式不适用。6.传热（1）传热量小时可采用夹套釜加桨式搅拌器；（2）中等传热量时可用夹套釜加桨式搅拌器并加挡板（Re3000）；（3）传热量很大时可用蛇管传热，采用推进式或涡轮式搅拌器，并加挡板。7.高粘度操作

18、（1）液体粘度在0.11Pa s时可用锚式（无中间横梁）；（2）粘度在110Pa s时可用框式（有横梁），粘度越高，中间竖的横梁越多，可用到10Pa s；（3）用锚式或框式时，Re不大于1000，否则表面产生旋涡，对混和不利；（4）粘度大于2 Pa s以上的液体混和，可用螺带式搅拌器，直到500 Pa s仍有效；（5）需冷却的夹套釜应选用与釜内壁相近的锚式或框式搅拌器；（6）粘度随过程进行变化显著，而反应本身对搅拌强度又很敏感，可采用变速装置或分釜进行操作，以适应不同阶段的需要。8.结晶 因要控制晶粒的形状和大小，要通过试验决定适宜的搅拌器型式和转速，一般来讲：（1）小直径高转速的搅拌器适用于

19、微粒结晶，晶体形状不易一致；（2）大直径低转速的搅拌器适用于颗粒要求较大的定形结晶，此时釜内不宜装挡板。三、搅拌器的放大 搅拌器的型式选定后，下一步工作就是要确定尺寸、转速与功率，即搅拌器的放大。 放大准则：保证在放大后的操作效果不变。1.保持搅拌雷诺数 不变；2.保持叶端圆周速度nd不变；3.保持单位体积所消耗的搅拌功率P/V不变；4.保持传热膜系数相等。/2nd 物料衡算l一般物料衡算的基本步骤一般物料衡算的基本步骤1. 画出流程示意图； 将进行衡算的过程，用框图的形式画出流程的示意图。2. 列出已知数据； 所有数据的单位制统一。3. 列出由物料平衡所需求解的问题；4.决定系统的边界； 根

20、据由物料平衡所需解的，确定计算范围。5. 写出主副产品的化学反应方程式；6. 约束条件； 进行物料衡算时，其约束条件包括流体 组成的归一方程：恒沸组成、相平衡数据等。7. 选择计算基准； 时间基准、质量基准、体积基准、干湿基准。8. 进行物料平衡计算；9. 列出物料和能量平衡表，并进行校核；10. 结论。例题1：甲烷与氢气混合在炉子内用空气完全燃烧，烟道气分析为：N2 72.22 %，CO2 8.13 %，O2 2.49 %，H2O 17.16 %（mol %）。问燃料中氢气与甲烷的比例为多少？燃料（H2 + CH4）与空气的比例为多少？l解：（法一）基准：100mol烟道气。l设燃料中含CH

21、4 x mol，H2 y mol，空气z mol。l 列元素衡算式：l C平衡： x8.13 (1)l N平衡 0.79z72.22 (2)l H平衡 4x2y217.16 (3)l 解方程（1）、（2）、（3）得：x8.13 mol y0.90 mol z91.42 moll 因此，燃料中：氢气/甲烷y/x =0.9./8.13 1/9l 燃料（H2CH4）/空气 = (xy)/z = (8.130.90)/91.42 1/10l l解法二：基准：100mol烟道气。l 以N2作联系组分：l 空气带入N2量烟道气中N2量72.22 moll 所以空气中O2量72.22/0.790.21=19

22、.20 moll 输入空气量72.2219.2091.42 moll 因为烟道气中CO2量为8.13 mol，l 则CH4燃烧耗O2为：8.13216.26 moll H2燃烧耗O2为：19.2016.260.45 moll 故燃烧中：氢气/甲烷 0.90/8.131/9 l 燃料（H2CH4）/空气 = (8.13 0.90)/91.42 1/10例题2：丙烷完全燃烧时，要供给所需空气量的125 %，反应式为 C3H8 5O2 3CO2 4H2O求每100 kmol燃烧产物（烟道气），需要多少摩尔空气？ l解：（法一）基准：1 kmol原料气C3H8l 根据化学反应方程式，燃烧时所需空气量为

23、：l 燃烧用氧 5 kmoll 实际供氧 51.256.25 kmoll 供给空气量 29.76 kmoll 其中氮气量 23.51 kmoll 物料平衡结果见表1。l 由题意，根据表中得到产物烟道气31.76 kmol 需空气29.76 kmol，l 则100 kmol产物需空气x kmoll x （10029.76）/31.7693.7 kmol l解法二：基准：1 kmol空气。l 其中O2为0.21 kmol，l用于燃烧的O2为 0.21/1.25 0.168 kmol故燃烧C3H8量为0.21/（1.255）0.0336 kmoll由已求得1.068 kmol烟道气需1 kmol空气

24、，则100 kmol烟道气需空气量x为 lx 100/1.06893.7 kmol 习题： 1.苯与乙烯烷基化反应制取乙苯过程，所得烷基化液的质量流量为100 kg/s，质量组成为苯45 %，乙苯40 %，二乙苯15 %。假定原料苯与乙烯均为纯物质，且两者的摩尔比为1 : 0.6，试计算进料与出料各组分的质量流量？2. 甲醇制造甲醛的反应过程为： CH3OH 1/2 O2 HCHO H2O反应物及生成物均为气态。若使用50的过量空气，且甲醇的转化率为75。试计算反应后气体混合物的摩尔组成。 管式反应器 一、结构、特点 管式反应器通常由一根长管构成，也可以由多根细管串联或并联而构成。 管式反应器

25、的管内一般不装构件，但可填充催化剂。 管外可以加热或冷却。 管式反应器的长度与直径之比一般大于30以上。l流速较高的管式反应器，其中的流态接近活塞流。l管式反应器常被用于高生产强度的均相反应、气液相反应及气固相反应上。l多管串联结构的管式反应器，一般用于气相反应和气液反应。如轻油裂解生产乙烯的反应、乙烯液相氧化制乙醛反应等。l多管并联结构的管式反应器，一般用于气固反应。如气相氯化氢和乙炔在多管并联装有固相触媒中反应制氯乙烯等。l管式反应器的特点：1.由于反应物料质点在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点的反应物浓度和化学反应速度等参数都不随时间而变化，只随管长变化，易于实现自动控制。2

26、.管式反应器的单位反应器体积具有较大的换热面，特别适用于热效应大的反应。3.由于反应物在管式反应器中反应速度快，流速快，所以它的生产率高。4.管式反应器适用于大型化和连续化化工生产。 固定床反应器一、特点 凡是流体通过静止不动的固体催化剂或固体反应物所形成的床层而进行反应的装置称作固定床反应器。 以气固相固定床催化反应器最为重要。 主要优点： 床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力，当伴有副反应时，可获得较高的选择行。 此外，结构简单、操作方便、催化剂机械磨损小，也是固定床反应器获得广泛应用的重要原因。 缺点： 1.传热能力差，这是因为催化剂的载体往

27、往时导热性能较差的物质。2.对热效应大的反应过程，传热与控温问题就成为固定床技术中的难点。3.在操作过程中，催化剂不能更换，因此对催化剂需频繁再生的反应过程不宜使用。 4.由于床层压力降的限制，固定床反应器中催化剂粒度一般不小于1.5mm，对高温下进行的快速反应，可能导致较严重的内扩散现象。 流化床反应器 最基本的特征是流体（气体液体）以较高的流速通过床层，带动床内的固体颗粒作着迅速运动和使之悬浮在流动的主体流中，并呈现出类似流体流动的特征，故而得名。床内相应的流动状态（流态）称为流态化。 特别在气固流化床中，流化气体常以气泡形式通过床层，犹如水的沸腾，故流化床亦称 沸腾床。l流化床反应器优点

28、：1、由于固体颗粒的剧烈运动，使床层内温度分布均匀，避免了物料的局部过热。2、由于流化床所使用的固体颗粒比固定床小得多，颗粒的比表面积大，而内孔较短，既增大了气固间的传质和传热速度，又提高了催化剂的内表面利用率。3、由于流化固体颗粒的似流体性质，容易向床层中连续加入和取出催化剂，能够实现反应过程和再生过程的连续化。4、由于流化床中固体颗粒的激烈运动，不断冲刷换热壁面，提高了床层对器壁和内换热器外表面的给热系数。通常流化床的给热系数比固定床大10倍左右，因而所需的传热面积大为减小。5、设备生产强度大，适用于大规模生产。缺点：1、气体返混严重，使气体流动状态偏离平推流较大，以致使床层轴向没有温度差

29、和浓度差；加上通过床层的气体呈大气泡状态，使气固接触不良，致使反应的转化率降低，所以流化床一般达不到固定床的转化率。2、由于固体颗粒之间，以及颗粒与器壁及内部构件之间激烈的碰撞，使颗粒破碎粉尘化，因而增加了催化剂的损耗和设备及管道等的磨损。l流化床适用于：1、热效应很大的放热和吸热反应；2、要求有均一的反应温度和需要精确控制温度的反应；3、催化剂寿命较短，操作较短时间就需要更换（或活化）的反应。一般不适用于：1、要求高转化率的反应；2、要求催化剂床层有温度分布的反应。目前，流化床反应器的设计还是以经验为主。l流化床反应器的主要部件 任何流化床反应器都有一些必须的部件以保证流态化过程得以顺利进行。1、分布器2、固体颗粒的分离装置 还有一些部件是为了解决流化床反应器某种需要或改善流化质量而安置的，包括：（1）换热设备（2）内构件 包括斜挡板、垂直挡板、开孔挡板、宝塔型内构件等。（3）下料腿（下降管） 把固体颗粒送到反应器下部的床层中。（4）控制固体流动的装置 如IV型的催化裂化装置，翼阀就是一个关键设备。还有设备易磨损处内衬的一些耐磨材料等。 一、流态化现象及