均相反应器
釜式及均相管式反应器
05
均相管式反应器设计要点及优化措施
设计要点
反应器类型的选择
根据反应特性和工艺要求，选择合适 的反应器类型，如釜式反应器、管式 反应器等。
反应条件的确定
04
釜式反应器设计要点及优化措施
设计要点
反应器类型选择
根据反应特性和工艺要求，选择合适 的釜式反应器类型，如搅拌釜、鼓泡 釜等。
安全防护设计
设置安全阀、爆破片、压力表等安全 附件，确保反应器安全运行。
01
02
材质选择
考虑反应介质、温度、压力等因素， 选用合适的材质，如不锈钢、搪瓷、 陶瓷等。
03
3
新能源领域
釜式及均相管式反应器在新能源领域也有广泛应 用，如用于燃料电池中的电化学反应、太阳能电 池中的光电转换过程等。
THANKS
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高传热系数，降低能耗。
强化传质过程
通过改进反应器内部结构或增 加搅拌装置等措施，强化反应 物之间的传质过程，提高反应 速率。
优化操作条件
根据实验结果和模拟分析，调 整操作条件，如温度、压力等 ，以提高反应效率和产物质量 。
实现自动化控制
引入先进的控制系统，实现反 应过程的自动将产物 从反应器中分离出来 ，进行后续处理。
02
均相管式反应器概述
定义与原理
定义
均相管式反应器是一种在化学反应过 程中，反应物和产物在同一相态（气 态或液态）中进行连续流动的管状反 应器。
原理
反应物在管式反应器中连续流动，通 过管壁或管内催化剂的作用，在特定 的温度和压力条件下进行化学反应， 生成所需的产物。
釜式及均相管式反应器PPT
对于反应 A R ，若要求产物R的浓度为cR，
则单位操作时间的产品产量PR为
PR
VRcR t t0
对反应时间求导，
dPR
VR [( t
t0
) dcR dt
cR
]
dt
( t t0 )2
并可由 dPR 0 ，得
dt
dCR CR dt t t0
3. 配料比
对反应 A B P S ，如动力学方程为 ( rA )V kcAcB 在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较 难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短 反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义 配料比 m cBo / cAo，于是，等容液相反应过程中组分的 浓度 cB cB0 (cA0 cA ) cA (m 1)cA0 代入动力学方程
面积为反应时间。
图3-1 等温间歇液相反应 过程的参数积分
图3-2等温间液相歇反应过程 反应时间的图解积分
1.等温等容液相单一反应
在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆反应， 反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二级不可逆反 应的本征速率方程代入
c Af
nAf VR
nA0 ( 1 xAf VR
❖ 桨式搅拌器 ❖ 锚式和框式搅拌器 ❖ 螺带式搅拌器
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(1) 桨式搅拌器
旋转直径为釜径的0.35~0.8倍，甚至达0.9倍以上。常用 转速为1~100rpm，叶端圆周速度为1~5ms-1。
(a) 平桨式
(b) 斜桨式
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
二、间歇釜式反应器的数学模型
第三章 均相等温反应器
（3-1-6）
式中
c A0 (H r ) cV
（3-1-7）
式（3-1-4）与（3-1-6）联立，采用数值法求解，可确定反应所需时间t。
3-2-2 绝热操作
操作方程
d (VcV T ) V (rA )( H r ) dt
dn A dt
（3-1-2）
图3-1-1 间歇反应器示意图
(rA )V
dn A dx n A0 A dt dt
积分
t n A0 t c A0
xA
0
dxA (rA )V
c A dc dxA A c A 0 (r ) (rA ) A
（3-1-3）
恒容时
xA
3-1-3 BR操作的优化分析
（1）以最大平均生产率为优化目标 cV Max YR R 目标函数 t t0 上式求极值得 若一级不可逆反应
dcR c R dt t t0
（3-1-12） （3-1-13）
A + B
R
xA xA,opt
cR cA0 xA
式（3-1-13）可用转化率表示为
0.6 3.18
0.8 8.50
0.9 19.0
讨论：为何反应后期反应时间随转化率增大而急剧增加？
（2）计算反应器体积 V 辅助操作时间 t0 操作周期 t + t0 生产能力 V0 进料、出料、清洗等操作需要的时间。 处理一批物料所需总时间。
单位时间处理反应物料的体积。
V0
WA 2400 171L / h 24M Ac A0 24146 0.004
2. 热量衡算通式（操作方程） 依据：能量守恒定律。 基准：单位时间。 方程： Ⅰ = Ⅱ＋Ⅲ ＋ Ⅳ ＋ Ⅴ (B)
环境工程原理 均相化学反应器
反应量 -rAV
浓度cA，cB 体积V
积累量：dnA/dt＝d(cAV)/dt＝cA(dV/dt)+V(dcA/dt) 物料衡算式：
qVcA0=(－rA)V+ cA(dV/dt)+V(dcA/dt) qVcA0=(－rA)V+ cAqV+V(dcA/dt) V＝V0＋qVt
(13.1.2) (13.1.3)
二、多级串联反应器
（一）多级串联全混流反应器的基本方程
c0
c1
c2
cn
－1/rA
τ＝τ1＋τ2＋···＋τn
τ = τ1 +τ2 +τ3 +τ4
τ4 τ3
τ2
τ1
0 cA
c A0
第二节 全混流反应器
在恒容条件下，第i个反应器的基本设计方程为：
τi
=
Vi qV
=
cA(i−1) −cAi − rAi
=
反应器的基本方程
A的输入量＝A的输出量＋A的反应量＋A的积累量 qnA0＝qnA＋(－rA)ΔV＋dnA/dt
第一节 间歇与半间歇反应器
本节的主要内容
一、间歇反应器 二、半间歇反应器
第一节 间歇与半间歇反应器
一、间歇反应器
1. 间歇反应器的操作方法 将反应物料按一定比例一次加到反应器内，然后开始搅
A ⎯⎯k1→ P ⎯⎯k2 → Q
− rA = k1cA rP = k1cA − k2cP
rQ = k2cP
cA
=
cA0
1+ k1τ
cP
=
(1 +
cA0k1τ k1τ )(1+
k2τ )
cQ
第三章均相理想反应器
第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。
2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。
最根本任务—最高的经济和社会效益。
3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。
返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。
注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。
特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。
T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。
全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。
特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。
3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。
反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。
一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。
2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
均相催化反应器
均相催化反应器随着化学工业的不断发展，催化反应已经成为了化学工业中不可或缺的一部分。
催化反应可以提高反应速率，减少反应温度和压力，降低生产成本，同时还可以提高反应选择性和产物纯度。
而均相催化反应器则是一种在化学反应中广泛应用的重要催化剂。
均相催化反应器是一种将液相催化剂和气相反应物混合在一起的反应器。
在均相催化反应器中，催化剂以溶液或悬浮液的形式存在于反应体系中，与反应物混合并进行反应。
由于均相催化反应器中的催化剂与反应物处于同一相中，因此反应速率更快，反应效率更高，同时还能够减少催化剂的浪费和环境污染。
均相催化反应器的分类根据不同的反应条件和反应体系，均相催化反应器可以分为不同的类型，包括气液相均相催化反应器、液液相均相催化反应器、固液相均相催化反应器等。
其中，气液相均相催化反应器是应用最为广泛的一种反应器，涉及到许多化工领域，例如化学合成、环保、能源等。
气液相均相催化反应器气液相均相催化反应器是一种将气体反应物和液体催化剂混合在一起的反应器。
在气液相均相催化反应器中，气体反应物通常由氧气、氢气、二氧化碳等组成，催化剂则以溶液或悬浮液的形式存在于反应体系中。
气液相均相催化反应器的优点在于反应速率快、反应效率高、反应选择性好。
此外，气液相均相催化反应器还可以减少催化剂的浪费和环境污染，提高反应产物的纯度和质量。
液液相均相催化反应器液液相均相催化反应器是一种将两种液体混合在一起的反应器。
在液液相均相催化反应器中，催化剂和反应物都以液体的形式存在于反应体系中。
液液相均相催化反应器的优点在于反应速率快、反应效率高、反应选择性好。
此外，液液相均相催化反应器还可以减少催化剂的浪费和环境污染，提高反应产物的纯度和质量。
固液相均相催化反应器固液相均相催化反应器是一种将固体催化剂和液体反应物混合在一起的反应器。
在固液相均相催化反应器中，催化剂以固体的形式存在于反应体系中，与液体反应物混合并进行反应。
固液相均相催化反应器的优点在于反应速率快、反应效率高、反应选择性好。
均相反应器的选择
A的流入量
FA 0 QC A 0
反应量 -rAV 浓度CA，CB 体积V
连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
FA0 Q0C A0
反应量 -rAV
浓度CA 体积V
A的流出量
换品种，能适应多样化的生产。
（二）搅拌釜式反应器的分类1. 按操作方式分间歇操作
将反应原料一次加入 反应器，反应一段时间或 达到一定的反应程度后一 次取出全部的反应物料， 然后进入下一轮操作。
浓度 CA 物质量 nA
体积V
间歇操作的主要特点
• 操作特点∶反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的 输出，不存在物料的进与出。 • 基本特征∶间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内 组成随时间变化而变化。 完全混合流反应器
程技术学科。
研究目的 设计最优化：体积、数量等
操作最优化：串联、并联等
化学工业中常见的均相反应器
釜式反应器
管式反应器
（一）搅拌釜式反应器的应用 均相反应：单一相 应用于 非均相反应：两相或两相以上
特点
结构简单、加工方便、传质效率高、温度分布均匀、
操作条件的可控范围较广、操作灵活性大，便于更
• 主要优点∶操作灵活，设 备费低，适用于小批量生 产或小规模废水的处理。
• 主要缺点∶设备利用率低 ，劳动强度大，每批的操 作条件不易相同，不便自 动控制。
浓 度
反应产物 反应物
反应时间
半间歇操作/半连续操作
操作：原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或 输出，而其它成分分批加入或取出的操作称为 半间歇操作或半连续操作。
流化床反应器的类别
流化床反应器的类别流化床反应器是一种广泛应用于化工、石化等领域的反应设备。
根据反应物料的状态和反应过程的特点，流化床反应器可以分为多种不同的类别。
本文将从不同角度介绍几种常见的流化床反应器类别。
一、按反应物料状态分类根据反应物料的状态，流化床反应器可以分为气体流化床反应器、液体流化床反应器和气液流化床反应器三种类别。
1. 气体流化床反应器气体流化床反应器主要用于气相反应，反应物料以气体形式进入反应器，并在床层内与固体催化剂或吸附剂进行反应或吸附。
气体流化床反应器具有良好的传质和传热性能，反应速率高，操作灵活等优点。
2. 液体流化床反应器液体流化床反应器主要用于液相反应，反应物料以液体形式进入反应器，并与固体催化剂或吸附剂在床层内进行反应或吸附。
液体流化床反应器具有较大的反应体积和接触面积，反应速率较快，能够实现高效的传质和传热。
3. 气液流化床反应器气液流化床反应器是气体流化床反应器和液体流化床反应器的结合，反应物料既包括气体又包括液体。
气液流化床反应器广泛应用于气液相催化反应、气液相吸附等过程。
二、按反应过程特点分类根据反应过程的特点，流化床反应器可以分为均相反应器和非均相反应器两种类别。
1. 均相反应器均相反应器是指反应物料和催化剂在反应过程中处于相同的物理状态，比如气体与气体的反应、液体与液体的反应等。
均相反应器具有反应速度快、反应条件容易控制等优点，广泛应用于化学工业中。
2. 非均相反应器非均相反应器是指反应物料和催化剂在反应过程中处于不同的物理状态，比如气体与固体的反应、液体与固体的反应等。
非均相反应器具有较大的反应接触面积，可以实现高效的传质和传热，适用于一些困难的反应。
三、按反应过程控制方式分类根据反应过程的控制方式，流化床反应器可以分为等温流化床反应器和非等温流化床反应器两种类别。
1. 等温流化床反应器等温流化床反应器是指反应过程中反应床温度保持恒定不变。
等温流化床反应器通常采用外部换热器或循环流体方式控制床温，以确保反应过程的稳定性和高效性。
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第三章 均相反应器
Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology
3 均相理想反应器
根据动力学特性 反应器 开发的 任 务 结合动力学 和反应器特性 根据产量 选择合适的反应器型式 确定操作方式和优化操 作 条 件
（3.1-2）
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3.1.3 几个时间概念
（1）反应持续时间tr 简称为反应时间，是反应物料反 应达到要求的转化率所需的时间。 （2）停留时间t 又称接触时间，是指流体微元从反应 器入口到反应器出口所经历的时间。
（3）平均停留时间 t 是指各流体微元从反应器入口到 反应器出口所经历的平均时间。 （4）空间时间τ 是指反应器有效容积VR与流体体积 流率V0之比 。 （5）空间速度SV 是指单位时间内投入单位有效反应 器容积VR内的物料标准体积。
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2、间歇反应器设计方程 由式（3.1-1）可知：
Fin Fout Fr Fb
（3.2-1）
根据间歇反应器的特点，选择反应器的有效体积VR为单元 体积，单元时间为dt。 对于间歇反应过程， 由于， 所以， 故： 分离变量积分得：
' 0 0 ( rA )V R
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3.1 反应器设计基础
3.1.1 反应器的分类
分类依据 相态 反应器型式 均 相 、 非 均 相 管式、釜式、塔式等 连 续 式 、 间 歇 式 绝热式、换热式等
反 应 器
结构型式 操作方式 换热方式
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3.1.2 反应器设计的基础方程
设计计算、确定反应器 尺 寸 、 评 价 。
间歇操作充分搅拌釜式反应器
理想反 应器的 型 式
连续操作充分搅拌釜式反应器 活 反 塞 应 流 器 反 应 组 器 合
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• • • • • •
3.1 反应器设计基础 3.2 等温条件下理想反应器的设计分析 3.3 非等温条件下理想反应器的设计 3.4 理想流动反应器的组合 3.5 循环反应器 3.6 反应器型式和操作方式评选
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3.2.2 理想置换反应器（平推流反应器） the Plug Flow Reactor
理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同 速度向前流动，犹如活塞一样在反应其中向前平推，故又 称为活塞流或平推流反应器。 1、理想置换反应器的特性
（1）由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器 内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间相同。
搅拌器 进料口
（2）由于一次性加料，一次性出料，反应 过程中无进料、出料；反应器内物料停留 时间相等，无返混现象。 （3）间歇操作，有辅助生产时间。一个生 产周期包括：反应时间、加料时间、出料 时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。
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夹套
出料口 图3-1 间歇反应器示意图
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式（3.2-6）的几何意义如下图：
1
' ( rA )V R
1 ( rA )
tr c A0
1 ( rA )
t 面积 r n A0
面积
面积 t r
0
xA
0
xA
0 cA
c A0
图3-2 BR的图解计算
图3-3 恒容情况BR的图解计算
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FA FA0 (1 x A ) dFA FA0 dx A
石油化学工程系
SV
V0 N
VR
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（3.1-3）
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3.2 等温条件下理想反应器的设计分析
等温条件下反应器的设计计算就是动 力学方程式、物料衡算式的结合
3.2.1 间歇操作的充分搅拌釜式反应器Batch Reactor
1、间歇反应器特点 （1）由于良好的搅拌、混合，反应器各 位置物料温度、浓度处处均一。
FA xA dl
dV
FA dFA x A dx A
cA FA xA V
L
图3-5 平推流反应器物料衡算示意图
物料衡算： 定常态下： 所以： 由于，
Fin Fout Fr Fb
（3.2-7） （3.2-8） （3.2-9） （3.2-10）
累积量Fb 0
FA ( FA dFA ) (rA )dVR 0
（2）在同一截面上，不同径向位置的流体特性（组成、浓度 等）是一致的。 （3）在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不 随时间改变。
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2、等温理想置换反应器的设计方程 根据平推流反应器的特点，选择单元时间dτ及单元体积dV （下图所示）。
c A0 F A0 x A0 V0
Δτ进入Δv 物料A的量Fin = mol/s Δτ排出Δv 物料A的量Fout mol/s Δτ内Δv中物 料A的累积量Fb mol/s Δτ内Δv中物 料A的消耗量Fr mol/s
+
+
（3.1-1）
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（2）热量衡算式 Δτ内随物流流 入Δv的热量Qin + kJ/s = Δτ内随物流流 出Δv的热量Qout + kJ/s Δτ内Δv中化学反 应放出的热量Qr + kJ/s Δτ内Δv中 累积的热量Qb KJ/s Δτ内Δv与环境 交换的热量Qu KJ/s
dn A dt
（3.2-2） （3.2-3） （3.2-4） （3.2-5）
n A n A0 (1 x A ) dn A n A0 dx A
' ( rA )V R n A0
dx A dt
xA
tr
0
t
dt n A0
dx A
' (rA )VR
0
（3.2-6）
石油化学工程系
设计计算 反应器 设计计算 校核计算 反应器的工艺尺寸
反应器的压力降、传热面 积、产品质量等是否合格
动力学方程式
反应器设计的 基础方程式 物料衡算式
热量衡算式
动量衡算式
பைடு நூலகம்
石油化学工程系
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反应器设计计算时，必须建立物料浓度、 温度均匀的单元体积△V和单元时间△τ。
（1）物料衡算式