化工反应器分类、特征、应用及放大方法
第六章 化工过程放大1
（1）操作周期 开车 停车
（2）放大系数 放大系数＝放大后的实验（或生产）规模/ 放大前的规模
（3） 放大效应 过程规模变大所引起的指标不能重复的 现象称放大效应。 1) 装置形状 2) 装备的几何尺寸 3）操作模式 4）装置的结构 5）散热问题 6）边壁和终端效应
6.1.2
反应过程放大基本方法
（2）按反应器的结构型式分类
塔式反应器
固定床反应器 流化床反应器
间歇操作反应器 （3）按操作方式分类
连续操作反应器 半连续(半间歇) 反应器
6.3.2 反应器选型
6.3.2.1 化学反应器选型原则 （1）工业生产对化学反应器的要求 • 有较高的生产强度 • 有利于反应选择性的提高 • 有利于反应温度的控制 • 有利于节能降耗 • 有较大的操作弹性
问题的提出： （1）存在放大效应； （2）不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过程； 相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，主 要原因是无法同时保持物理和化学相似。 目前使用的化学反应器放大法有： 逐级经验放大法（主要靠经验）; 数学模型法 可以提高放大倍数，缩短半经验放 大法。
6.1.2.1 逐级经验放大
需全流程中试： 1 综合研究整个工艺过程； 2 提供一定批量的样品进行应用试验； 3 物料循环对生产的影响不可预测，而且对生产的影响大。
（4）运行周期 （5）测试深度 （6）中试装置的运行可靠性和安全性
冷模试验优点：
1）直观、经济； 2）试验条件容易满足，并容易控制； 3）可进行在真实条件下不便或不可能进行的类比实 验，减少实验的危险性。 6.2.2.1 冷模实验的理论基础 （1）相似现象 几何相似 时间相似 动力相似 热相似 化学相似
（2）相似理论 相似第一定律 A 相似现象属于同一类现象； B 各相同的量间有一定的相似倍数； C 相似倍数不是任意的； D 相似特征参数。 相似第二定律 两体系相似时，对应点上必须具有的数值相等的、 单值条件相似的并有一定物理意义的数组。
反应器分类及特点
反应器分类及特点在化工、生物和医药等领域，反应器是实现化学反应的重要设备之一。
根据不同的分类标准，反应器可以分为多种类型。
以下是几种常见的反应器及其特点：1.固定床反应器固定床反应器是一种常见的反应器类型，其特点是在反应器中装填一定量的固体催化剂或固定床催化剂，使反应在催化剂表面进行。
这种反应器的优点是操作简单、催化剂活性高、选择性好，适用于小规模、高附加值的化工生产。
但是，固定床反应器的缺点是催化剂使用寿命有限，需要定期更换或再生。
2.活动床反应器活动床反应器是一种动态反应器，其特点是催化剂在反应器内处于运动状态。
这种反应器的优点是可以根据需要随时更换催化剂，并且可以通过控制催化剂的移动速度来优化反应过程。
但是，活动床反应器的缺点是需要复杂的机械传动系统和密封装置，维护成本较高。
3.流化床反应器流化床反应器是一种高效、大规模的反应器类型，其特点是在反应器中装填一定量的固体颗粒，使反应在颗粒表面进行。
这种反应器的优点是可以实现连续操作、生产能力大、催化剂使用寿命长等。
但是，流化床反应器的缺点是对于某些反应过程控制难度较大，可能会存在局部过热或反应不均匀等问题。
4.膜反应器膜反应器是一种新型的反应器类型，其特点是在反应器中装填一定量的膜材料，使反应在膜表面进行。
这种反应器的优点是可以实现分离和反应两个过程的集成，具有高效、环保等优点。
但是，膜反应器的缺点是膜材料的选择和控制难度较大，需要解决膜堵塞和污染等问题。
5.光敏反应器光敏反应器是一种利用光能激发化学反应的反应器类型，其特点是在反应器中引入光源和光敏剂等元素，通过光能激发化学反应。
这种反应器的优点是可以实现选择性高、条件温和的反应过程。
但是，光敏反应器的缺点是需要精密的光学系统和控制系统，维护成本较高。
6.电化学反应器电化学反应器是一种利用电能实现化学反应的反应器类型，其特点是在反应器中引入电极和电解质等元素，通过电能激发化学反应。
这种反应器的优点是可以实现条件温和、环境友好的化学过程。
化学工程中的反应器选择
化学工程中的反应器选择反应器是化学工程中不可或缺的设备，用于进行化学反应和生产化学产品。
在化学工程设计中，选择适合的反应器类型对于反应效率、产量和产品质量至关重要。
本文将介绍几种常见的反应器类型及其适用情况，帮助读者在化学工程中做出明智的反应器选择。
一、批式反应器批式反应器是最简单、最常见的反应器类型之一。
它适用于小规模生产、实验室研究以及不需要连续运作的反应过程。
批式反应器的工作原理是将反应物一次性放入反应器中，进行反应后收集产物。
由于反应物在反应过程中减少，反应速率会逐渐降低。
批式反应器的优点是灵活性高，可以适应多种反应条件和反应物。
此外，批式反应器的设计相对简单，成本较低。
然而，批式反应器的劣势在于产能有限，操作时间较长，不适合大规模生产。
二、连续流动反应器连续流动反应器是将反应物以连续流动的方式加入反应器中，产物也以连续流动的方式从反应器中取出的反应器类型。
连续流动反应器适用于需要持续反应、高产率和高纯度产品的生产过程。
在连续流动反应器中，反应物的浓度可以更好地控制，反应条件也更稳定。
连续流动反应器的优点是生产能力强，可通过调整流速和反应时间来控制产量。
此外，连续流动反应器对于热量和质量传递较好，反应效率较高。
然而，连续流动反应器的设计和操作相对复杂，需要更高的设备投资。
三、搅拌式反应器搅拌式反应器是在反应物中使用机械搅拌器以提高混合效果的反应器类型。
搅拌式反应器适用于需要均匀混合反应物、提高传质速率的反应过程。
搅拌式反应器通常使用罐式反应器或管式反应器。
搅拌式反应器的优点是混合效果好，反应均匀。
此外，它适用于多相反应和固液反应，并且对于控制反应温度有较好的性能。
然而，搅拌式反应器的劣势在于能耗较高，同时对于粘稠液体和纤维状物料的反应较为困难。
四、固定床反应器固定床反应器是将催化剂装填在固定床中进行反应的反应器类型。
固定床反应器适用于需要高催化活性、选择性和长寿命的反应过程。
固定床反应器通常使用管式反应器或者多孔载体。
化工过程与开发 第五章 反应器放大PPT课件
28.07.2020
30
❖ （4）对于多釜串联反应器的放大，应保 证大小两系统中每一釜内物料流动的停留 时间分布相同、温度相同和反应的转化率 相同，且反应速率应当不受搅拌速率的影 响。
❖ （5）对于非均相反应系统，放大的依据 是保持大小两系统的相界面积等，通常是 以保持单位容积输入的搅拌功率相等来取 代。
20
28.07.2020
21
模型型式
恒温系统：反应系统压强变化很小时，只 用物料衡算式 变温系统：物料衡算式和热量衡算式 如果反应管很长，阻力损失较大，则应将 物料衡算式、热量衡算式和动量衡算式联 立求解。
28.07.2020
22
管式反应器放大应注意的问题
（l）保证反应器内物料的流动状况放大后与放 大前相同
28.07.2020
31
第五节 固定床催化反应器
28.07.2020
32
一、固定床反应器放大应考虑的问题
❖ 1．反应热效应的影响 ❖ 供热、去热、温度梯度 ❖ 2．最佳反应温度 ❖ 3．催化剂床层 ❖ 催化剂的装填、床层尺寸
28.07.2020
33
28.07.2020
34
二、固定床催化反应器的数学模型
28.07.2020
35
第六节 流化床反应器
28.07.2020
36
❖ 特点：
非均相，固体颗粒悬浮在流体中，传 热、传质优。
要满足这一要求，则不一定能满足大 小两反应系统的几何相似条件，此时
可以暂不考虑几何相似。
28.07.2020
25
第四节 连续操作搅拌釜
28.07.2020
26
❖ 数学模型
28.07.2020
27
化工原理 第七、八章 化学反应器超详细讲解
v
对第一釜有：
v
对第二釜有：
................................................................................ .
对第n釜有： 式中：CAn——第n釜的出口浓度,是从1→n逐釜降为CAn的, 第n釜中的浓度变化量为CAn-1-CAn 。 xAn—第n釜的出口转化率, 是从1→n釜, 逐釜升至xAn 的, 第n釜中的转化率为xAn-xAn-1。 1.解析法：适用于已知动力学方程及N、VRi、Ti、v0的 反应体系
∵ dCA=-CA0*dxA
x
2.定义 注意：V—反应物体积，V0 —起始反应物体积，Vx—转化率为xA时 的反应物体积；VR—反应器有效容积；VT —反应器总容积。
§7-2 间歇操作搅拌釜式反应器——间歇釜
一、间歇釜的特点
1.间歇操作，存在装料、调温、出料、清洗等辅助时间t`。 2.釜内CA, xA, (-rA)～t反变化，但不随位置变化。 3.各物料微团的 t停 都相等。
(-rA)*dVR= -dFA= v0CA0dx
管式反应器基本设计方程
tS=VR/v0—空间时间
tS=VR/v0—空间时间
变容过程：当Δν﹥0，分子数增加,使t停﹤tS (VR=10m3, v0=2m3/s,则tS=5 s,但由于体积膨胀使 t停↓，使物料不到5s 就离开了反应器)；当Δν﹤0，分子数减少，使t停﹥tS 。
2.对非定容的气相反应（不作要求）
而 ∴需先找到(-rA)~xA关系，即先找CA~xA关系： ∵CA=nA/V ∴要找 nA~xA和 V~xA关系, 而nA=nA0(1-xA) 而V~nT~xA，先找nT~xA 摩尔数、反应体系体积。 对于变容(气体)反应： 以A为关键组分, 以xA表示反应的转化率, 则反应表示为：
化工反应器教案
流化床反应器的特点
缺点： 1、气体流动状态与理想转换偏离较大，气体与颗粒返 混，没有温度差和浓度差，气体可能以气泡通过，气固接触不良， 反应转化率降低。
2、催化剂颗粒间碰撞剧烈，造成破碎，增加损失和除尘困难； 3、颗粒磨蚀作用，管道和设备腐蚀严重 流化床优点是主要的，流化态操作的经济效果不错，特别是传热 和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定，对于热效应很大的大规 模生产特别有利。比较适用于热效应很大的放热或吸热过程、要求 有均一催化剂温度和需要精确控制温度的反应；催化剂寿命比较 短、操作较短时间需更换（活化）的反应；一般不适用于要求高转 化率和要求催化剂层有温度分布的反应。
b、气体的停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，有利 于提高化学反应的转化率和选择性；
c、催化剂不易磨损，可以较长时间使用； d、适宜在高温、高压条件下操作； 缺陷：a、催化剂导热性不太好，床层中传热性能较差；b、不能 使用细粒催化剂；c、催化剂的再生、更换均不方便
固定床反应器的结构和类型
1、绝热式固定床反应器 可分为单段绝热式和多段绝热式 单绝热式如图，缺点反应过程中温度变化较大。
理想混合是指反应器内物料达到了完全的混合，各点浓度、温 度完全均一。釜式反应器内，物料经强烈搅拌，可以看成达到了 理想混合。
理想置换是指在与流动方向垂直的界面上，各点的流速和流 向完全相同，即流体的浓度和温度在与流动方向垂直的界面上处 处相等，不随时间改变。
由于理想反应器计算比较简单，工业生产中许多装置可近似按理 想状况处理。理想反应器的设计计算作为实际反应器设计的基础。
通式为：
{微元时间内进入微 —{微元时间内离开微 ——{微元时间、微元体积 ={微元时间、微元体积内
元体积的反应物量} 元体积的反应物量} 内转化掉的反应物量 }
化学反应器
摘要: 反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。
近代工业中的反应器形式多样,例如:冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器。
化学反应器用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。
器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。
在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。
在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。
本文主要介绍化学反应器的分类和设计选择。
关键词：化学反应器，密闭，换热，自控Abstract: the application of ancient reactors started, making pottery kiln is a primitive reactor. Modern industry in various forms, such as: reactor metallurgical industry of blast furnace and converter, Biological engineering of fermentation tank and various burner, are different forms of the reactor. Chemical reactors are used to implement the liquid single-phase reaction process and liquid liquid, gas and liquid, solid-liquid, gas liquid-solid etc multiphase reaction process. Containers have standing stirring (mechanical agitation, air mixing etc) devices. In high diameter is large, usable multilayer mixing blades. In the reaction process materials to heating and cooling, may in the reactor wall of setting clip, or in the device equipped with displacement heat surface, also through the heatcycle. This paper mainly introduces the classification and chemical reactors design choices.Keywords: chemical reactors, airtight, heat transfer, self-control前言：现在的化工反应器在向高精端方向发展，在化工反应中处于主要地位，化学反应器是化学反应的载体,是化工研究、生产的基础,是决定化学反应好坏的重要因素之一,因此反应器的设计、选型是十分重要的。
《化工反应技术与设备》课程教学大纲(本科)
《化工反应技术与设备》课程教学大纲英文名称：Chemical Reaction Technology and Equipment课程类型：专业技能课课程要求：必修学时/学分:40/2. 5适用专业：应用化工技术一、课程性质与任务化工反应技术与设备是石油化工生产技术专业、应用化工技术专业学生的一门专业基础课，共计40学时。
本课程要求学生学习和掌握各种反应器特点、均相反应器的设计计算、流体非理想流动状况及多相催化反应器的特点。
本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和设计计算的讲解;在培养实践能力方面着重培养学生对各种反应过程的分析能力和设计能力，使学生掌握化工工业典型的反应设备的基本计算方法，并了解反应器的开发、放大方法，能够正确选用搅拌器的型式。
二、课程与其他课程的联系先修课程：高等数学，化工原理，物理化学等。
本课程与《化工原理》课程密切相关，《化工原理》系统地介绍单元过程，《化工反应技术与设备》则重点介绍化工生产过程中反应器的类型及选用、搅拌器的类型及选用、反应过程中的换热设备、反应器的工艺设计计算等。
本课程与《物理化学》也有密切联系，《物理化学》中的化学反应动力学部分一般地、系统地介绍反应动力学原理，本课程则深入地、具体地介绍反应器设计时所需的动力学基础知识。
本课程要求学生具有较扎实的数学基础。
该课程为学生后续所学专业课打下良好的理论基础，最终培养学生应用基础理论知识和所学的专业知识，进行反应器的设计及设备的选型，并能分析和解决化工生产中的有关问题, 以适应科研、设计和生产实践等方面的需要。
三、课程教学目标1.学习化工反应技术与设备的基础知识和基本理论知识，掌握常用反应器的结构、特点等基本知识，具有分析、选用和设计均相反应器的能力；2.掌握反应器的类型、搅拌器的类型及作用、反应过程中换热设备的类型，并能正确选用设备型式；3.学习固体催化剂、固定床及流化床反应器的基本理论知识，掌握内外扩散对多相催化反应过程的影响，能够分析气固相催化反应过程；4.培养学生树立正确的设计思想，了解影响反应速率的因素，掌握均相反应器的特点及计算方法；5.培养学生的工程实践能力，使学生掌握停留时间分布的实验测定方法，学会分析实际反应器中流体流动偏离非理想流动的原因，提高反应器的流动状态；6 .了解化工反应技术与设备的前沿和新发展动向。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.管式反应器
适用于： 气相、液相 特点：返混小，所需反应器体积小，比传 热面积大， 仅适用于连续操作，停留时间受管长限 制 生产实例：石脑油裂解，管式法高压聚 乙烯
3.鼓泡塔
适用于：气-液相、气-液-固（催化剂）相
特点：气相返混小，液相返混大，气相压力降大， 温度易于调节。流速有限制 生产实例：苯的烷基化，乙烯基乙炔的合成，二甲苯氧化等
数学模型的针对性
每一种数学模型都有一定的限制范围 。
例：管式反应器内物料的返混可以用扩散
模型描述，但扩散模型不能描述物料在管 式反应器的层流或湍流状态。
二、研究方法 以化学反应过程开发为例，按以下步骤 进行：
测定反应热力学和动力学的特征规律及其参数。
实验室研究化学反应特征
冷模试验研究传递过程特征
二、特征
只综合考虑输入变量和输出结果的关系， 不能深入研究过程的内在规律；
试验步骤由人为决定，并非科学合理的研
究程序； 放大是根据试验结果外推，不一定可靠。
第二种 数学模拟法
定义：在认识过程特征的基础上，运用理论分析 找到描述过程规律的数学模型，并验证模型与实 际过程等效，以此用来进行放大设计计算。
9、滴流床
气-液固（催化剂）相 9-2催化剂易分离， 带出少，气-液分布要求均匀， 温度调节较难 9-3焦油加氢精制和加氢裂解，
丁炔二醇加氢等
10、移动床
气-固（催化或非催化）相 10-2固体返混小，粒子传送容 易，固-气比可变形大，床内温 差大，调节困难 10-3石油催化裂化，矿物冶炼 等
特点：用一组微分方程或一组代数方程，描述过
程的动态规律。是目前比较先进、科学的方法。
要求：即能描述过程，又简单便于应用。
一、数学模型 建立数学模型的思维方法
如反应器模型的基础： 热力学方程、反应动力学方程、三大传 递 物料衡算式、热量衡算式、动量衡算式 数学模型的简化 非理想流动模型—— 轴向分散模型、多釜 串联模型
。尤其对于目前某些难以进行理论解析的课题，例如高粘
度的聚合体系等，往往更需要经验来解决，因此不能轻易 否定。
一、研究方法 设备选型：以小试验的方法进行，考察设备的型 式和结构的影响，为结构变量试验。
优化工艺条件：考察各种工艺条件的影响，筛选
出最佳工艺条件，为操作变量试验。 反应器放大：采用建立模型装置的方式进行逐级 放大，考察放大效应，为几何变量试验。
一、特征 属于综合考察，反映了变量间的实质性 关系；
简化试验，提高了试验效果；
用相似论指导模拟，为建立模型提供了
可靠依据；
运用相似准则放大，避免了依经验结果
外推。
二、数量放大法和比例放大法
数量放大法：采用设备单元数增加的放大方法。
如：从单管 →
列管，保证列管中每一单管与
试验时的单管情况相同。
第三种 部分解析法
一、研究方法 化学反应器的放大 结果 化学反应
化学反应的速率和选择性
浓度效应和温度效应
•
浓度效应
影响浓度的工程因素为：物料的返混程
度、预混合情况、进料浓度、加料方式、
间歇或连续操作、非均相系统的混合状况
。
不论采用何种反应器型式和操作方式，
只要反应器内物料浓度及浓度分布相同，
化工反应过程的放大方法:
1、逐级经验放大法 2、数学模拟法 3、部分解析法 4、相似放大法
第一种 逐级经验放大法
定义： 运用物质模型从实验室规模的小试开始，经过逐 级放大的模型试验研究，直到将化工过程放大成为生产规 模。
依据：以前一级试验所取得的研究结果和数据为依据。
特点：比较原始，不够精确，不够经济，但有一定的价值
对于化学反应的影响必然一致。
•
温度效应
简单反应：温度影响反应速率 复合反应：温度影响反应速率和选择性
A 1 B 2 C 3D
假设：B是目的产物， E3<E1<E2 分析：反应前期，平行副反应速率快；反应后期，串联副
反应加快
温度控制方案：反应前期选择高温，后期降低反应温度
二、研究步骤 通过定性试验，了解反应过程特征；
试验结果和理论分析相结合产生技术概
念； 检验技术概念，完善技术方案；
取得放大设计的定量数据。
第四种 相似放大法
定义：以相似论和因次论为基础的放大方法，又 称为“比例放大”。
方法：运用相似模拟和无因次相似准数的概念， 从准数方程中考虑影响过程的各单值间的相互作用 关系；试验变量由准数取代了单值变量，简化试验 工作，容易得到各个变量间的定量函数关系。 有效性：对于物理过程的放大是有效的，如：单 元操作的放大；对于化学过程的放大：不太适合。
工业反应器
本科三班 一组侯腾
一、 反应器的分类
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类 非均相反应器 釜式反应器 管式反应器 （2）按反应器的结构型式分类： 塔式反应器 固定床反应器 流化床反应器 间歇操作反应器 （3）按操作方式分类 连续操作反应器
半连续(半间歇) 反设备内物料的流动与混合，传热和传质等物理过
程的规律。 反应器内各种物理过程的规律，只随反应器的型式或 结构的改变而改变，反应的类型不会改变传递规律。
综合化学反应特征和传递过程特征，建立函
数关系式，形成数学模型，预测工业反应器 性能。
只要反应器的型式结构和化学反应相同， 由数学模型表示的过程动态规律应不受设备 几何尺寸的限制，因此用数学模型进行工业 反应器的设计，应不存在放大效应。
比例放大：以一个或多个能表达过程主要特征的
参数为依据，按照比例放大的方法。
如：湿法磷酸技术中，用过滤强度作为过滤机放
大的依据。
6、填料塔
适用于：气-液相、液相 特点：6-2结构简单，返混小， 压降小，有温差，填料装卸麻烦 生产实例：6-3化学吸收等
7、板式塔
气-液相 逆流接触，气-液返混小，流速受限制可在板间加 传热面 苯连续磺化，异丙苯氧化等
8、喷雾塔
气-液相快速反应 结构简单。液体表面积大， 气流速度有限制，停留时间受塔高限制 氯乙醇制丙烯腈， 高级醇的连续磺化等
中试检验数学模型的等效性
建立中试装置进行中试，检验数学模型
与实际过程的等效性。
数学模型经中试证明与实际过程等效后 ，就能用于预测工业反应器性能和进行反 应器设计。
三、特征
分解过程，考察过程的内在规律。
分解为化学反应规律和传递过程规律
简化过程，寻找建立等效模型的途径。
如：返混、停留时间分布函数； 双膜理论； 边界层概念。 科学试验的目的是为了建立和检验数学模型 。
4、固定床
适用于：气-固（催化或非催化）相 特点：返混小，催化剂不易磨损，传热性能差，催化剂不易再生
生产实例：乙苯脱氢之苯乙烯，乙醇氧化制醋酸，石油重整等
5、流化床
适用于：气-固(催化或非催化) 特点：返混大，传质，传热好， 催化剂有效系数大，但磨损大 生产实例：5-3石油催化裂化， 萘氧化值苯酐，丙烯氨氧化制丙烯腈
绝热反应过程 非绝热变温反应过程
等容反应过程 (5)按反应体积的变化 变容反应过程
二、 各类型式反应器的特点及应用
1.釜式反应器（间歇或单釜、多釜连续操作）
适用于：液相、液-液相 液-固相
特点：操作弹性大，实用性强，产品质量均一但单釜连续操 作返混大。 生产实例：氯乙烯聚合，顺丁橡胶的合成，甲苯消 化 等