组合反应器设计.doc

化学反应工程论文组合理想反应器的进展目录前言2第一章 理想反应器的基本模型31.1间歇反应器（BR）31.2全混流反应器（CSTR）41.3活塞流反应器（PFR）5第二章 组合理想反应器模型62.1理想反应器的串联62.2 理想反应器的并联92.3理想反应器的各种组合10第三章 理想反应器的选择应用113.1单一反应113.2自催化反应113.3复合反应123.3.1平行反应123.3.2连串反应14第四章 小结15参考文献16前言化学工业中的工艺过程一般包括原料预处理、化学反应、产物分离与精制等操作。化学过程的典型流行图为： 原料分离过程反应过程分离过程产品+副产品显然，在此过程中，反应过程是实现增值的关键步骤，最重要的部分是反应系统。但是，在一般的化工过程中，反应器极其附属设备的总投资与运行成本只占过程总成本的10%25%，分离单元的设备投资与运行成本则占较大比重。所以，如果反应过程过程能使用含杂质原料而无需提纯或者反应过程中不产生副产物，就比使用高效分离设备在经济上更合算。另外，反应器运行的好坏会明显影响分离单元的运行情况与运行成本。因此反应器设计与操作的好坏在很大程度上会左右全过程的经济性。工业反应过程的优化包括反应器的优化设计与优化操作两方面。在化工生产装置中，反应器的投资虽只占装置总投资的一小部分，但却是化工生产的核心。化工过程开发的研究工作，在一定程度上往往是针对化学反应过程进行的，如反应器的选型，条件的优化与放大等等。开发设计反应器主要以下三个任务：（1）优化动力学特性，选择合适的反应器类型。（2）结合动力学与反应器的特性，确定操作方式与优化操作条件。（3）根据产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸，进行评价。反应器设计涉及以下基础方程式：1.动力学方程式：描述反应器内体系的温度、浓度（或压力）与反应速率的关系；2.物料衡算方程式；3.热量衡算方程式。衡算方程可写出下式：累积量=输入量-输出量-反应量1化学反应器的类型很多。由于反应物料的性质、反应条件及生产规模不同，反应器的型式、形状、大小也各异。工业生产上，由于化学反应的复杂性，为了满足不同反应的要求，有时采用相同或不相同的基本反应器组合起来，构成组合反应器。从总体上看，组合反应器可使反应在最佳的状态下进行，从而使反应器的有效容积尽量达到最大利用效率。本文从简单、理想的反应器入手，然后推广到比较复杂一些的理想反应器组合的情况。第一章 理想反应器的基本模型对于均相反应，因为反应过程中不存在相间传递过程，影响反应速率的物理因素只有物料的混合与流动状态两个方面。均相反应所用的反应器按完全混合与完全不混合分为两类理想反应器，理想混合反应器与活塞流反应器。理想混合反应器是指在复式反应器内反应物料的温度与浓度完全相同。根据操作方式不同，理想混合反应器可以分为间歇反应器（BR），与全混流反应器（CSTR）。活塞流反应器（PFR）是连续流动的管式反应器，反应器内反应物料完全不混合，所有反应物流体粒子以相同的流速与方向流动，在反应器内停留时间完全相同1。三种理想反应器的示意图如下： a间歇反应器 b全混流反应器 c活塞流反应器图1.1 三种理想反应器示意图1.1间歇反应器（BR） 间歇反应器是最简单、最常用的一种反应器，广泛应用于医药、染料等精细化学品生产、高分子聚合反应与生物化工等领域。一般适用于小批量、多品种、反应速率慢的场合。该反应器的优点是灵活性大、设备费用低、产量可大可小，并可用于生产不同品种的化学品。其缺点是设备利用率低、人工费用高并难以实现自动化控制。间歇反应器的操作特点为：（1）一次加料；（2）一次出料；（3）定时反应，即停留时间相同；（4）强烈搅拌，及浓度与温度处处相同1。其操作方程为：或 图1.2 间歇式反应器的图解法示意图可见，在间歇反应器中进行反应时，达到一定转化率所需的时间只与反应速率有关，而与反应器大小无关。1.2全混流反应器（CSTR） 全混流反应器又称连续搅拌理想反应器。这类反应器实际上是连续操作的理想槽式反应器。由于流动过程中，反应物料的停留时间存在一定分布，因而会影响反应过程的进行，从而表现出于间歇反应器不同的特点。在定常态下全混流反应器的基本操作特点为：（1）整体始终均一；即无浓度与温度梯度。（2）瞬间实现均一，即物料加入后瞬间实现混合。它的重要特性为：（1）反应物出口温度与浓度与反应器内物料的温度与浓度相同且不发生变化。（2）因反应过程中温度与浓度均不变，所以反应恒速进行1。其操作方程为：或图1.3 全混流反应器图解计算示意图1.3活塞流反应器（PFR） 工业上很多反应式在管式反应器中进行的。活塞流反应器是一种理想流动的管式反应器，它假定流体粒子像活塞一样向前流动，及所有流体粒子均以相同的速度从进口向出口流动，径向不存在流速分布，整个反应器不存在返混现象。PFR的操作方程如下：VR= ；或 t= ;图1.4 活塞流反应器图解示意图因此，在恒容过程中的活塞流反应器的操作方程与间歇反应器的操作方程完全相同。 对于任何n级反应而言（n>0）,在工艺条件及转化率相同时，活塞流反应器所需要的体积恒小于全混流反应器的体积。换句话说，若反应体积相同，活塞流反应器可得到的转化率大于全混流反应器的转化率2。第二章 组合理想反应器模型对于活塞流反应器与全混流反应器，这两类理想反应器可以各种串联与平行的方式连接成为组合反应器，与理想反应器相比，组合反应器的性能通常介于其间3。有时组合反应器只是一种概念，被用作实际反应器的模型，有时，组合反应器是实际存在的。有许多采用组合反应器的充分理由。温度控制可能是重要的动机。采用标准设计有时也是一个因素，因为在增加装置能力时能使装置继续运转。2.1理想反应器的串联串联装置是比较普遍的。搅拌釜式反应器后串联一个管式反应器的组合也是常见的。当反应器串联时，一个反应器的出口用作另一个反应器的入口。对于串联反应器，只有体积可以分配3。图2.1 多段全混流反应器串联稳态，定容时，m段全混流反应器串联， 对于1级不可逆反应： ； i=1,2,m-1即： 可见，当在多段全混流反应器中进行1级不可逆反应时，各段的反应体积相等时，总反应体积最小。因为 所以 当各段反应体积相等时， 或反应总体积 当各段反应体积不同时，如图2-2所示，在生产任务(CA0、CAf、v0)与段数给m给定时，总是希望反应体积越小越好，这就涉及各段反应体积的最优分配问题。图2.2 不等体积全混流反应器串联图示非1级反应在多段全混流反应器中进行反应时，若按照总体积最小的条件式确定反应体积时，确定的各段反应体积将不是相等的，但是与等体积设计时，总体积一般差别不会超过10%。而体积不等时，对设备的购置与维修等会带来许多困难，所一般都选用等体积方案。对于不同大小的全混流反应器串联操作时，对于反应级数n>0的反应，较小的反应器应在前面；而对于n<0的反应，较大的反应器应在前面1。图2.3 多级平推流反应器的串联由以上计算可知，多级平推流反应器的串联与单一平推流反应器相同 。图2.4 全混流反应器与活塞流反应器的混合串联2.2 理想反应器的并联全混流反应器的并联放大是不常见的，但有时它们被用于增加能力。与串联体系相比，并联体系有一个额外的自由度。总体积与流量都可在两并联单元间任意分配3。尽管理想流动反应器的组合与反应体积比较并联有额外变量，与具有同样总得V与Q的单个反应器相比，只要并联反应器的温度相同，在性能上并无优点。在必须向物料传递或由反应物料取出大量热量时，多个相同的小反应器并联可能较为有利，以为比较容易达到要求的操作温度。图2.5 理想反应器的并联2.3理想反应器的各种组合图2.6 各种理想反应器的组合2对于活塞流反应器： 对于全混流反应器： 当反应体积相同，反应为一级反应时；第三章 理想反应器的选择应用反应器的生产强度是单位体积反应器所具有的生产能力。在相同的条件下，反应器所需的反应体积越小，则表明其生产能力越大。简单反应不存在产品分布问题，只需从生产能力上优化。复杂反应则存在产品分布，且产品分布随反应过程条件的不同而变化，因而，目的产物的收率(产率或得率)与选择性比反应所需反应器体积的大小更重要。 3.1单一反应 活塞流反应器与单段全混流反应器是两种极端情况，一种需要的反应体积最小，而另一种则最大。对于不同大小的全混流反应器操作时，对反应级数n>0的反应，较小的反应器应在前面，对于n<0的反应，其最优排列是较大的反应器应在前面1。对于不同形式反应器组合，比如用一个活塞流反应器与两个大小不同的全混流反应器组成反应器组。当n>0时，其最优排列是先活塞流反应器，后较小的全混流反应器，最后较大的全混流反应器，而当n<0时，排列次序 正好相反1。3.2自催化反应对于低转化率的自催化反应，全混流反应器优于活塞流反应器；在高转化率的自催化反应中，用活塞流管式反应器优于全混流反应器。若最终转化率小于最大速率点，则全混流反应器比任何循环比的活塞流反应器都好。若最终转化率大于最大速率点，则具有适当回流比的活塞流反应器优于活塞流反应器或全混流反应器。对于自催化反应，为了是反应总体积最小，可以设计一个反应器组合使反应大部分时间在最高速率点或接近最高速率组成下进行。比如，开始时使用已给全混流反应器，使反应在最高速率的转化率下进行。在反应后期，为了达到较高的转化率，可以使用一个活塞流反应器，如图3.1中a所示。若将未转化的反应物经分离装置分离出产物后再返回到反应器中，则最优组合为一个全混流反应器与一个分离装置的组合,如图3.1中b所示。 a b图3.1 用于自催化反应的反应器组合3.3复合反应与单一反应不同，仅用转化率不足以说明复合反应的结果，因此引入了目的产物的收率与选择性概念。收率：选择性：转化率、收率、选择性三者之间的关系：Y=xAS3.3.1平行反应A+Bs（目的产物）；A +BT（副产物）主副反应速率之比： 对比速率与选择性的关系 浓度效应; 选择不同反应器与加料方式4,5(1) 当 时，因为PFR内反应物的浓度较CSTR为高，故适宜于采用PFR，其次则采用BR或N-CSTR。(2)当 时，适宜采用CSTR，但在完成相同生产任务时，所需釜式反应器体积较大。故需全面分析，再作选择。 (3)当 时，选择性与反应物浓度无关。一般来说，高的反应浓度有利于反应级数高的反应;低的反应物浓度有利于反应级数第的反应；主副反应级数相同的平行反应，浓度的高低不影响产物的分布1。若反应物的浓度低时选择性高，可采用图3.2中a所示方式，即各段的反应体积逐渐缩小。若反应物的浓度高时选择性高，可采用图3.2中b所示方式，及各段的反应体积逐渐增加。a 主反应的级数低时b主反应的级数高时3.2多段全混流反应器的配置3.3间歇操作的反应器形式与加料方式图3.4 连续操作时不同的反应器形式及加料方式3.3.2连串反应对于一级连串反应 ；图3.4 连串反应的浓度-时间关系图一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与k2/k1的比值有关。在连串反应中，最慢一步反应对反应过程总速率影响最大。对于任意反应，一次产物的最大浓度，在全混反应器的总比活塞流反应器中低1。所以进行连串反应时，活塞流反应器中转化率与选择性都高于全混流反应器。第四章 小结综上所述，对于三种基本的理想反应器（BR、CSTR、PFR），其中间歇反应器是最简单、最常用的，适于小批量生产。对于全混流与活塞流反应器，为完成一定的生产任务达到一定的转化率所需反应器的有效容积，以活塞反应器最小，全混流反应器最大，多釜串联反应器居中。对于多釜串联反应器，釜数越多，所需容积越小。全混流与活塞流反应器可以通过不同的组合形式，串联与并联，组成新的理想反应器组。在工业生产中， 通过计算选用最优的反应器或反应器组合来达到优化的目的。 参考文献1王安杰,周裕之 ,赵蓓化学反应工程学.北京：化学工业出版,20052陈仁学.化学反应工程与反应器.国防工业出版社,1988.73E.Bruce Nauman, 朱开宏,李伟，张元兴译.化学反应器的设计、优化与放大.中国石化出版社，20034王军，张守臣，王立秋.反应工程.大连:大连理工出版社,2004.95梁斌,段天平,唐胜伟.化学反应工程.北京:科学出版社,2003.11第 12 页