第3章釜式反应器

12023/2/4河南师范大学化学化工学院娄向东化学反应工程22023/2/4化学反应工程河南师范大学化学化工学院化工专业娄向东电话-mail:xiangdonglou@32023/2/4化学反应工程ChemicalReactionEngineering42023/2/4第1章绪论52023/2/4化学工程学包括传递过程化学反应工程化工工艺学原料A前处理反应器后处理产品B传递过程化学反应工程从A→B工艺学化工生产过程传质：cS≠c传热：TS≠T流动：压力降概括为“三传一反”62023/2/4学科发展:《化学反应工程》学科简介学科特点：交叉学科，涉及物理化学、传递过程、化工工艺学、工程控制等学科。72023/2/482023/2/492023/2/4①化学热力学：主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能性和可能达到的程度、计算反应热效应等。与化学反应工程学相关的其它学科有：化学热力学主要为化学反应工程学解决以下方面的问题提供理论依据：(1)判别化学反应过程能否发生和进行的方向。化学热力学理论表明化学反应沿着自由能降低的方向进行，因此，通过自由能的计算可确定化学反应过程进行的方向。(2)确定化学过程进行的最大限度。化学平衡原理和平衡常数的计算，为确定化学反应过程进行的最大限度提供了理论依据和方法。(3)化学反应过程热效应的计算。102023/2/4②反应动力学：主要研究化学反应进行的机理和速率。阐明化学反应速率与各物理因素（温度、浓度和压力）间的定量关系。化学动力学主要为化学反应工程学解决如下问题提供理论依据：(1)化学反应过程进行的机理。(2)根据反应机理建立化学动力学模型，即确立反应过程的化学反应速率与其影响因素之间的函数关系式。2023/2/410112023/2/4③催化剂：如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等。④化学工艺：主要是设备型式、操作方式和流程。⑤传递工程：装置中的动量传递、热量传递和质量传递（简称“三传”）问题。⑥工程控制：一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制，为此需了解反应过程的动态特性和有关的最优化问题。122023/2/41.1化学反应工程1绪论学科本身：反应器选型、设计、放大、优化相互派生：聚合、催化、生化反应工程一、主要作用①改进强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力。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。⑤不断发展反应工程学的理论和方法。132023/2/4实现工业反应过程的优化。反应器型式、结构、尺寸、操作条件。优化目标二、研究目的：生产任务142023/2/4ⅢⅡⅠ各类化学反应化学反应规律传递规律各类反应器结合反应结果1

反应动力学－研究化学反应进行的机理和速率。2

反应器设计分析－研究反应器内化学反应规律和传递规律，建立数学模型，预测反应结果。三、研究内容152023/2/4重点介绍：化学反应动力学、反应器选型、设计、优化等内容。学习方法：掌握反应器特点：釜式反应器、管式反应器等。抓反应类型：可逆、不可逆，单一、复合，平行、连串。紧扣传递因素：流动、传质、传热研究结合规律：反应+流动---返混—停留时间分布

反应+传热---热反馈---温度分布反应+传质---转化率、收率、选择性---浓度分布寻求优化目标：反应优化、操作优化、设备优化。要求：分主次、抓重点、记笔记、读文献、做“三习”。教学内容162023/2/4化学反应工程教学的关键词微观动力学（本征动力学、固有动力学）：宏观动力学（表观动力学）：

第一种宏观动力学因素：返混（因流动造成的）发生在连续流动系统的化学反应过程。

第二种宏观动力学因素：热量传递（因温差造成的）发生在非等温热效应大的化学反应过程。

第三种宏观动力学因素：质量传递（因浓差造成的）发生在多相（非均相）微观尺度混合的化学反应过程。172023/2/4参考书：

陈甘棠主编，化学反应工程。朱炳辰主编，化学反应工程。张濂、许志美、袁向前，化学反应工程原理廖晖等编化学反应工程习题精解。天津大学、华东理工大学，国家精品课程、网络教学。等等2023/2/417182023/2/41.2转化率、收率和选择性一、反应进度化学计量关系，，——分别为A、B、R的化学计量系数。起始时

nA0

nB0

nR0某一时刻

nA

nB

nR反应量

规定：反应物化学计量系数取负值，产物取正值。192023/2/4反应进度正值任何反应组分的反应量与其化学计量系数之比为一恒值。

推广到M个反应体系：任一组分i的总反应量等于在各个反应中反应量的代数和。即反应量：式中：

——第j个反应中组分i的化学计量系数。202023/2/4指某一反应物转化的百分率或分率。定义考虑反应：对间歇反应器：式中：nA0——反应开始时A的摩尔数。

nA——反应到某一时刻时所剩A的摩尔数。二、转化率：212023/2/4对连续反应器：FA0——反应器进口处A的摩尔流量。FA——反应器某处A的摩尔流量。FAf——反应器出口处A的摩尔流量。222023/2/4关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分。

针对关键组分计算，可使X最大到100%

232023/2/4对于连续反应器，进口处的状态。间歇反应器，开始反应时的状态。串联使用的反应器，以进入第一个反应器的原料为准。转化率与反应进度的关系起始状态选择原则：P4例1.1242023/2/4三、收率与选择性－是对反应产物而言的1、收率Y252023/2/4对于单一反应Y=X(关键组分)主反应→目的产物副反应→副产物

对于复杂反应Y≠X投入n0262023/2/42选择性S（对产物而言）如有副反应发生，选择性总是小于100％对单一反应S=1272023/2/4关系282023/2/4例1.2在银催化剂上进行乙烯氧化反应以生产环氧乙烷，进入催化反应器的气体中各组分的摩尔分数分别为反应器出口气体中含C2H4和O2的摩尔分数分别为13.1%，4.8%。试计算乙烯的转化率、环氧乙烷收率和反应选择性。C2H415%,O27%,CO210%,Ar12%,其余为N2。解：以100mol进料为计算基准，并设x和y分别表示环氧乙烷和二氧化碳的生成量,根据题给的进料组成和该反应系统的化学计量式计算出口物料组成.292023/2/4302023/2/4由于反应器出口气体中乙烯和氧的摩尔分数已知,所以解之得乙烯的转化量为乙烯的转化率等于

环氧乙烷的收率将乙烯转化率及环氧乙烷收率代入式〈1.12〉,得反应选择性312023/2/4由此可见，乙烯转化率和环氧乙烷收率都很低，实际生产中是将反应器出来的气体用水吸收以除去环氧乙烷，用碱吸收除去二氧化碳，余下的气体用循环压缩机压缩后与新鲜乙烯和氧相混合，送入反应器中继续反应，这样便构成了一个循环过程。显然由于未反应的乙烯再循环，从而提高了乙烯的转化率和环氧乙烷的收率。322023/2/4四、有物料循环系统

全程转化率>单程转化率单程收率：以反应器进口物料为基准。全程收率：以新鲜原料为基准。全程收率

>单程收率单程转化率：以反应器进口物料为基准。全程转化率：以新鲜原料为基准。332023/2/4五、原子经济性(atomeconomy)(或原子利用率atomutilizationAU)

1991年stanford大学的BarryMTrost教授提出“原子经济性”概念，1998年获美国“总统绿色化学挑战奖”的学术奖。

产物废物或副产物废物为零A+BC+DA+BC+342023/2/4六、E因子与环境商1992年荷兰有机化学家RogerAShelod提出E因子（环境因子），之后又提出环境商EQ(environmentquotient)：EQ=E×QQ是根据废弃物在环境中的行为给出的对环境的不友好度。如将NaCl和(NH4)2SO4的定义为1，对有害金属离子的盐、有机中间体和含氟化合物等，根据其毒性大小，的取值在10-1000。352023/2/4关系小结362023/2/4

例：每100kg乙烷（纯度100％）在裂解器中裂解，产生46.4kg乙烯，乙烷的单程转化率为60％，裂解气经分离后，所得到的产物气体中含有4kg乙烷，其余未反应的乙烷返回裂解器，求乙烯的选择性，单程收率，总收率和乙烷的总转化率。裂解器反应量H分离器新鲜乙烷F未反应乙烷循环Q产品乙烯4kg乙烷46.4kg分析：100kg372023/2/4382023/2/41.3化学反应器的类型

一、化学反应的分类392023/2/4化学反应的分类按反应的化学特性分类反应机理(1)单一反应；(2)多重反应(平行反应、连串反应、连串-平行反应、集总反应)反应的可逆性(1)可逆反应；(2)不可逆反应反应的分子数(1)单分子反应；(2)双分子反应；(3)三分子反应反应级数(1)一级反应；(2)二级反应；(3)三级反应；(4)零级反应；(5)分数级反应反应热效应(1)放热反应；(2)吸热反应按反应过程进行的条件分类均相催化反应(1)气相反应；(2)液相反应非催化反应多相催化反应液-液相反应；(2)气-液相反应；(3)液-固相反应；(4)气-固相反应；(5)固-固相反应；(6)气-液-固三相反应非催化反应温度(1)等温反应；(2)绝热反应；(3)非绝热变温反应压力(1)常压反应；(2)加压反应；(3)减压反应操作方法(1)间歇过程；(2)连续过程；(3)半间歇过程(1)定态过程；(2)非定态过程流动模型(1)理想流动模型(平推流、全混流)；(2)非理想流动模型402023/2/4二反应器的分类1）按物料的相态分类

可分为均相反应器与非均相反应器。均相反应特性是，无相界面，反应速率只与浓度或温度有关。非均相反应特征是，有相界面，反应速率与相界面大小及相间扩散速率有关。2）

按反应器的结构形式分类

可分为反应釜（包括多釜串联），管式反应器，塔式反应器，固定床，流化床，回转筒式反应器，喷嘴式反应器等。412023/2/4二反应器的分类2023/2/441422023/2/4管式反应器特征：长度>>管径。内部是空的，不设置任何构件。多用于均相反应。如裂解炉。

432023/2/4釜式反应器（又称反应釜，搅拌反应器）

特征:反应器高度与直径相当或稍高。釜内设有搅拌装置和挡板。常带夹套或釜内放置蛇管，传热以维持釜内所需温度。适用于液相反应、气液反应、液液反应、液固反应、气液固三相反应。442023/2/4452023/2/4多釜串联462023/2/4各种搅拌桨的形式472023/2/4搅拌釜的各种换热形式482023/2/4塔式反应器

填料塔

板式塔

喷雾塔

鼓泡塔特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。

内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。

适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。492023/2/4固定床反应器

根据换热方式不同,可分为三种型式：

(1)换热式固定床反应器

(2)绝热式固定床反应器(3)自热式固定床反应器502023/2/4流化床反应器

特征：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。适用于气固，液固，气液固反应。如：a、催化剂快速失活需立即再生的b、强放热反应：丙烯氨氧化，萘氧化c、固相加工反应：黄铁矿，闪锌矿的焙烧。

相关链接——磁稳定流化床开发1970年去伊朗了解了国外反应工程前沿，磁稳定流化床的优越性新催化材料——配套开发新反应器科研开发的经验充分发挥催化材料的性能往往需要开发新反应工程分子筛裂化催化剂非晶态合金具有良好低温加氢活性和磁性

配套开发磁稳定床床层流化床提升管反应器

2023/2/451

搅拌釜反应器返混严重，效率低催化剂分离困难磁场控制催化剂，形成流化态的固定床兼有流化床和固定床的优点磁稳定床代替搅拌釜实现原始创新2023/2/452磁稳定床加氢装置反应器引进的搅拌釜磁稳定床体积（m3）203.2催化剂单耗(Kg/t)0.210.06提高优级品产率当年创效1500万元工业应用现状2003年世界上首次建成第一套磁稳定床己内酰胺加氢精制装置目前已建5套工业装置2023/2/453科研中的发现磁稳定床的操作相图，保证反应保持在链式状态磁稳定床操作相图散粒状态链式状态

磁聚状态最佳操作状态工业化过程中的创新均匀磁场的磁稳定床的设计建立了均匀磁场设计数学模型己内酰胺溶解氢加氢精制新工艺磁稳定床反应器结构示意图“非晶态合金催化剂与磁稳定床反应

工艺的创新与集成”中的联想市场需求科研开发经验的启示不同专业和学科的交叉非晶态合金催化剂制造中的发现与发明磁稳定流化床开发中的技术创新联想源于博学广识创新中的集体石油化工科学研究院原东北工学院材料系复旦大学化学系中国石化巴陵分公司中国石化石家庄化纤公司中国石化工程建设公司……

联想源于集体智慧更好的创新

还看我们在坐的各位……RichardFoster著“Innovation:theAttacker’sAdvantage《创新:进攻者的优势》”2023/2/458592023/2/4移动床反应器

特征：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒成逆流接触。

适用：催化剂需要连续再生的催化反应、固相加工反应。固体颗粒从塔顶加入循环

602023/2/4滴流床反应器

特征：反应器内催化剂也是固定不动的。广义上的固定床反应器。

适用：液固及气液固三相反应。如石油馏份加氢精制、脱硫等。

优点：液体不需要加热变成气体，节省能源。适用固体催化剂的气液反应，采用并流或逆流。612023/2/4回转筒式反应器喷嘴式反应器适用于气固相、固固相。适用于气相、液相(高速反应)622023/2/4632023/2/4642023/2/4652023/2/4662023/2/4672023/2/4682023/2/4692023/2/4702023/2/41.4

化学反应器的操作方式

1.间歇操作（分批操作）——间歇反应器特点：1）非定态反应过程。2）恒容过程一按操作的连续性分：间歇、连续、半连续操作712023/2/42.连续操作

连续操作——连续反应器（流动反应器）

特点：

1）多属于定（常）态操作。

2）连续反应器适用于大规模生产。

722023/2/4

原料与产物只要其中有一种为连续流入或流出，而其余则为分批加入或卸出，这样的操作方式——半连续操作。

3.半连续(半间歇)操作二按加料方式分：一次加料、分批加料和分段加料732023/2/4选择合适的反应器型式

确定最佳操作条件

计算反应体积，确定主要尺寸。

反应体积的确定，是反应器设计的核心内容。

1.5

反应器设计的基本方程

一、反应器设计内容：二、反应器设计的基本方程：物料衡算式——描述器内浓度变化，对i在控制体积内（i的输入速率）＝(i的输出速率)＋（i的转化速率）＋（i的累积速率）742023/2/4热量衡算式——描述器内温度变化（单位时间输入的热量）＝（单位时间输出的热量）＋（单位时间的反应热）＋（单位时间内累积的热量）动量衡算式——描述器内压力变化

（输入动量）＝(输出动量)＋（消耗动量）＋（累积动量）模式：（输入）=（输出）+（消耗）+（累积）动力学方程式——描述器内反应速率参数计算式——计算某些物性参数

752023/2/41.6

工业反应器的放大762023/2/4一、逐级经验放大法

772023/2/4二、数学模型方法步骤：

1)实验室规模实验：新产品的合成，研究反应动力学

2)小型试验：

3)大型冷模试验：用空气，水，砂代替反应原料中的（g-l-s三相）；用玻璃，有机玻璃等代替钢材。

目的：考察传递过程规律。

4)中试：不但规模增大，且在流程与设备形式上都与生产车间十分接近。

目的：(1)对数学模型进行检验与修正。为设计大厂提供有用的信息。(2)对催化剂的寿命，活性，设备的腐蚀情况等进行考察。

5)计算机模拟计算试验：这一步贯穿在上述四步之中。对各步的试验结果进行综合与寻优，检验和修正数学模型，预测下一阶段的反应器性能，最终建立能预测大型反应器工况的数学模型，完成大型反应器的设计。

782023/2/4实验室规模试验小型试验大型冷模试验化工过程的数学模型传递过程的数学模型反应器的数学模型反应器设计时要考虑经济效益、社会效益和生产的安全性1.7

化学工程学科研究领域的进展1.由宏观尺度研究向时空多尺度研究发展以前：单一宏观尺度实际：物质转化过程涉及多尺度问题，包括分子尺度、纳米尺度（纳米超细颗粒）、毫米尺度（气泡、液滴、结晶）、厘米尺度（气泡凝并、液滴聚合、颗粒团聚、米尺度（设备）十米尺度（装置、系统）。

学科发展的里程碑成果：“单元操作”和传递过程原理”现在：时空多尺度化学工程研究阶段2.由过程导向向产品导向发展传统的化学工程以过程为导向，主要解决如何去做的问题，新的化学工程以产品为导向，主要解决做什么的问题。产品化学工程的目的是：如何以高效率、高速率、高收率、低成本的最优化为目标，按市场需求，应用化学工程原理设计和制造专用化学品。3.由简单物系向复杂物系发展反应工程，均相到两相、三相。系统工程，单纯系统到综合系统、大型化工企业全系统优化。4.由复杂工艺路线向简单工艺路线发展化学工程的研究对象日趋复杂，但化工产品的工艺路线日趋简单。5.由简单过程向耦合过程发展反应—分离耦合过程研究趋热，不少已应用。如反应—精馏、反应—萃取、反应—结晶、反应—膜分离、反应—成型。6.由定态向非定态发展7.由常规小分子向高分子、大分子发展由于精细化工及材料化工的进展，研究对象已从一般化合物延伸到有机大分子、聚合物高分子与生物分子。8.由描述现象向阐述机理发展10.由极限条件向温和条件发展9.由理想溶液向非理想溶液发展超临界分离、超临界反应，需研究超临界状态下的非理想溶液特性。聚合物加工需研究高黏性流体的非牛顿流体特性。12.由探索试验向有效预测发展利用计算机进行分子设计、合成路线设计11.由非生命体系向有活体体系发展生物化工研究有活体存在的体系的化学工程问题832023/2/4掌握转化率、选择性和收率的概念及在反应器设计中的应用掌握反应器的操作方式及反应器设计的基本方程。作业：P131.1

补充作业第一章小结842023/2/4乙苯脱氢反应在一绝热式固定床反应器中进行，生产流程如图所示测得如下数据：进反应器的乙苯的量为100kg/h，而反应器出口物料经分析得知其中乙苯的流量为46kg/h，产品苯乙烯流量为48kg/h。假设分离回收中无损失，试计算此反应过程中乙苯的转化率、苯乙烯的选择性、单程收率和全程收率。反应器分离器原料乙苯过热水蒸气未反应乙苯回收循环产品苯乙烯附1：反应工程学基础理论中体积、时间概念体积讨论反应器中进行的化学反应过程时，将要涉及如下几种