工业化学反应过程及反应器
工业化学反应过程及反应器幻灯片
③焙烧设备
焙烧炉有块矿炉、机械 炉、沸腾炉等几种型式，我 国广泛使用沸腾炉。
沸腾炉的构造如图示。 炉体由钢板焊接成圆筒பைடு நூலகம்内 垫耐火砖。炉内上部分为炉 膛，包括沸腾层和燃烧空间。 下部为空气分布室，室内有 空气预分布器，分布板上装 有若干个分布帽。
工业上由于原料的差异和净化方法的不同，流 程有长有短，其原则流程如图所示。
2．二氧化硫炉气的制造
(1)硫铁矿的预处理 硫铁矿除主要成分FeS2外，还含有铜、锌、铅、砷、 镍、钻、硒、碲等元素的硫化物和氟、钙、镁的碳 酸盐和硫酸盐以及少量的银、金等杂质。硫铁矿含 硫量一般为30-50%,25％以下则为贫矿。硫铁矿的 粒度影响焙烧反应速率和脱硫程度，还关系到焙烧 的操作状态。破碎操作一般是先将大块矿石粗碎至 35 - 45mm以下，而后再细碎至碎粒小于3一6mm， 然后送入料仓或直接到焙烧炉。
接触法制硫酸基本反应如下：
⑴ S02的制取 将硫铁矿焙烧，制取S02 (S)+O2 ==SO2 + Q
⑵SO2 的转化 SO2在固体催化剂上接触氧化为SO3 SO2+ 1/2O2 ==SO3 + Q
⑶SO3 的吸收 SO3与水结合生成硫酸 SO3+H2O ==H2SO4 + Q
实际生产中一般用98.3％的浓硫酸吸收S03制硫酸。
硫铁矿按其来源分类有普通硫铁矿、浮选硫铁矿 和含煤硫铁矿。普通硫铁矿中含硫25%-52%，含铁 35%-44%。浮选硫铁矿又称尾砂，含硫量为30%-40%。 含煤硫铁矿含硫35％一40%，含碳10％一20%。
硫酸盐有石膏（CaSO4）, 芒硝（Na2SO4）和明 矾石[KA13(OH)6(SO4)2]等。
破坏了炉内正常操作。 焙烧温度控制在850—950℃为宜。
化学反应过程与设备
结论：选择铸铁反应釜（反应釜内衬内表搪瓷） 理由：壳体材料大多采用铸铁，硫酸具有酸性和腐蚀性。
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问题解答
工业反应器种类应用
管式反应器 釜式反应器 固定床 流化床 移动床 滴流床 鼓泡塔 板式塔 填料塔 喷雾塔
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 范围广，操作灵活性大， 便于更换品种，能适应 多样化的发展，尤其精 细化学品、高聚物和生 物化工，釜式反应器占 90%。
1000吨/年乙酸丁酯反应器 的选型、设计与操作
---生产方案的确定
任务引入：
青职化工2015-3厂接到生产乙酸丁酯的订单,该厂拟 采用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，年产量1000吨。反 应在恒温条件下进行，温度为373K，进料比为乙酸: 丁醇=1:5（mol），以少量硫酸作催化剂。 本次任务： 确定完成生产任务所需的反应器型式及其材质
问题解答
物料的性质
原料：乙酸
正丁醇C4H9OH
分子量74.12熔点-88.9℃ 沸点117.25℃ 相对密度0.8908 溶解性：微溶于水，溶于 乙醇、醚多数有机溶剂 外观及形状：无色透明液 体，具有特殊气味。 用途：涂料的溶剂和制增 塑剂邻苯二甲酸二丁酯的 原料，也用于制造丙烯酸 丁酯、醋酸丁酯、乙二醇 丁醚以及作为有机合成中 间体和生物化学药的萃取 剂，还用于制造表面活性 剂。
问题解答
物料的性质
催化剂：浓硫酸
无色油状液体 常用的质量分数98.3％ 密度1.84g/cm³ 物质的量浓度18.4mol/L 沸点338℃ 性质：脱水性，强氧化性，强腐蚀性，难挥发性，酸性，吸水性等。
问题解答
生产工艺流程
由乙酸与正丁醇在硫酸存 在下酯化而得。将丁醇、 乙酸和硫酸酯化时 的酸值在0.5以下，所得粗 酯经中和进入蒸馏釜，经 蒸馏、冷凝、分离进行回 流脱水，回收醇酯，最后 在126℃以下蒸馏而得产品。
化学反应过程与设备1.2
《化学反应过程与设备》
主讲教师：
化学反应过 程与设备
任务2、气固相反应器的选择
常用的气固相反应器： 固定床反应器 流化床反应器
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
（一）固定床反应器的特点 固定床的定义： 凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都 称为固定床反应器 固定床反应器的优点： ①在化学反应速率较快、在完成同样生产能力时所需要的催化剂 用量和反应器体积较小。 ②气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于 提高化学反应的转化率和选择性。 ③催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。 ④适宜于在高温、高压条件下操作。
化学反应过 程与设备
三、气固相催化反应器的选择
化学反应过 程与设备
二、流化床反应器的特点结构
（一）流化床反应器的特点 优点： 1、2、3、4、5
缺点：
1、2、3 流态化操作总的经济效果是不错的，特别是传热和传质速率快、 床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产 过程特别有利。
化学反应过 程与设备
二、流化床反应器的特点结构
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
（二）固定床反应器的类型与结构 中间间接换热式： 作用： 间接换热式是用热交换器使冷、热流体通过管壁进行热交换
冷激式：
冷激用的冷流体如果是尚未反应的原料气，称为原料气冷激式； 冷激用的冷流体如果是非关键组分的反应物，称为非原料气冷激
化学反应过 程与设备
固定床反应器虽有缺点，但可在结构和操作方面做出改进，且其 优点是主要的。因此，在化学工业中得到了广泛的应用。
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
因为
nA0 nA nB 0 nB nR nR 0 nS nS 0 a b r s
rA rB rR rS r a b r S
故更为一般的速率表达式：
1 dni r viV dt
由反应进度可得：
1 d r V dt
2.2均相反应速率其他形式的表达： A、流动系统：
0
c
cA
A0
c A c A0
dcA kcA
22
恒温条件下，k为常数，积分得： 用转化率表示得：
ln
cA0 k cA
cA cA0ek
ln
1 k 1 xA
一级不可逆反应的几个重要特征： （1）.速率常数的单位：时间单位的倒数；（2）.浓度的对数与反应时间成线 性关系；（3）.反应时间长短仅与转化率高低有关，与初始浓度大小无关。 6.2恒温恒容不可逆二级反应： 两种情况：只有一种反应物且为二级反应；或者是其它反应物大量存在，因而在 反应过程中可视为常量；另一种是对某一反应物为一级，对另一反应物也是一级 ，二反应物初始浓度相等且为等分子反应时，可归结为第一种情况。
30
解题思路：
根据题意恒温恒容一级不可逆均相反应，求反应一定时间后物料的残余浓度 ，故选择公式 cA cA0ek 解题较简便。 对于多组分单一反应，反应物的反应量与产物的生成量之间有化学计量关系 的约束，可以根据它们的化学计量关系推导出它们反应过程中的浓度关系。 引申知识点： 对二级反应，要求残余浓度很低时，尽管初始浓度相差很大，但所需的反应 时间却相差很少。 6.4恒温变容不可逆反应：
26
例题介绍：
解：由
cA cA0ek
，将反应物的初始浓度，速率常数k和反应时间带入上式
工业制硝酸的化学反应方程式
工业制硝酸的化学反应方程式工业制硝酸是通过氨气和氧气在高温高压条件下发生氧化反应得到的。
具体的化学反应方程式如下：4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)3NO₂(g) + H₂O(l) → 2HNO₃(aq) + NO(g)氨气和氧气在催化剂的作用下发生反应生成一氧化氮和水蒸气。
这个反应是一个放热反应，同时也是一个亚硝酸气体的生成反应。
然后，一氧化氮与氧气发生反应生成二氧化氮，这个反应是一个吸热反应。
最后，二氧化氮与水反应生成硝酸，这个反应是一个放热反应。
整个过程可以简化为以下两个步骤：4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)3NO₂(g) + H₂O(l) → 2HNO₃(aq) + NO(g)在第一个步骤中，氨气和氧气在高温高压条件下通过催化剂催化反应生成一氧化氮和水蒸气。
氨气和氧气的摩尔比为4:5，生成的一氧化氮和水蒸气的摩尔比为4:6。
在第二个步骤中，一氧化氮与氧气反应生成二氧化氮。
这个反应是一个吸热反应，需要提供能量。
一氧化氮和氧气的摩尔比为2:1。
在第三个步骤中，二氧化氮和水反应生成硝酸。
这个反应是一个放热反应，同时生成一氧化氮。
二氧化氮和水的摩尔比为3:1，生成的硝酸和一氧化氮的摩尔比为2:1。
整个反应过程中，氨气和氧气作为原料进入反应器，经过一系列的化学反应，最终生成硝酸。
硝酸是一种无色液体，具有强烈的腐蚀性和氧化性，广泛应用于化工、农业和医药等领域。
总结起来，工业制硝酸的化学反应方程式可以简化为：4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)3NO₂(g) + H₂O(l) → 2HNO₃(aq) + NO(g)通过这个化学反应方程式，我们可以了解到工业制硝酸的原理和过程。
这个反应是一个复杂的氧化还原反应，需要在特定的条件下进行。
同时，这个反应也涉及到能量的转化和释放，是一个热力学过程。
化学反应过程与设备
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（一）气液相反应的特点与应用
气液相反应工业应用： 气液相反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工 过程。
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 鼓泡塔反应器： 广泛应用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量 大的反应。 优点： 缺点：
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应 的基本类型与特点
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 填料塔反应器： 广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气液相反应器。 反应方式： 适用于： 优点： 缺点：
二、鼓泡塔反应器结构
（二）鼓泡塔反应器的结构
组成： (1)塔底部的气体分布器分布 作用： (2)塔筒体部分 作用： (3)塔顶部的气液分离器 作用：
化学反应过 程与设备
三、填料塔反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器结构
（一）填料塔反应器的结构
定义：填料塔是以塔内装有大量的 填料为相间接触构件的气液传质设备。 结构：填料塔的塔身是一直立式圆筒， 底部装有填料支承板，填料以乱堆或 整砌的方式放置在支承板上。
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （5）液体分布装置
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （6）液体收集及再分布装置
化学反应过 程与设备
反应过程与设备
序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 3435 36 37 3839 40 41 42题干按物质的聚集状态，反应器分为均相反应器和非均相反应器。
按照反应器的结构型式，可把反应器分成釜式、管式、塔式、固定床和流化床。
长径比较大的流化床反应器中的流动模型可以看成平推流。
单段绝热床反应器适用于反应热效应较大、允许反应温度变化较大的场合，如乙苯脱氢制苯乙烯。
单一反应过程，采用平推流反应器总比全混流反应器所需要的体积小。
对同一反应，活化能一定，则反应的起始浓度越低，反应的速率常数对浓度的变化越敏感。
对液—气、液—固非均相的反应物系，若热效应不大时，多采用釜式反应器。
对于可逆放热反应而言，并非温度越高反应速度越快，而是存在最佳反应温度，即反应速度最快时的对应的温度。
对于零级反应，增加反应物的浓度可提高化学反应速率。
反应过程的整体速度由最快的那一步决定。
反应器并联的一般目的是为了提高生产能力。
串联的一般目的是为了提高转化率。
非均相反应器可分为：气-固相反应器、气-液相反应器。
釜式反应器返混小，所需反应器体积较小。
釜式反应器既可以用于间歇生产过程也能用于连续生产过程。
釜式反应器体积越大，传热越容易。
高速搅拌的釜式反应器中的流动模型可以看成全混流。
工业反应器按换热方式可分为：等温反应器；绝热反应器；非等温、非绝热反应器等。
鼓泡塔反应器和釜式反应器一样，既可要连续操作，也可以间歇操作。
固定床反应器比流化床反应器的传热效率低。
固定床反应器的传热速率比流化床反应器的传热速率快。
固定床反应器适用于气一液相化学反应。
管式反应器的优点是减小返混和控制反应时间。
管式反应器亦可进行间歇或连续操作。
管式反应器主要用于气相或液相连续反应过程，且能承受较高压力化学反应的活化能是指基元反应，分子反应需吸收的能量间歇反应器由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度均相同。
反应器的原理及应用
反应器的原理及应用1. 引言反应器是化学工程中一种非常重要的设备，广泛应用于化工生产中。
本文将介绍反应器的原理及应用，通过对反应器的介绍，帮助读者理解反应器的基本工作原理和常见应用场景。
2. 反应器的工作原理反应器是一种用于进行化学反应的设备，其工作原理是利用加热、冷却、搅拌等方式控制反应物质在反应过程中的温度、压力和混合程度。
下面将介绍几种常见的反应器工作原理：2.1 批量反应器批量反应器是最简单的一种反应器，其工作原理是将待反应的物质一次性加入反应器中进行反应。
其优点是操作简单，适用于小规模生产和实验室研究。
然而，由于无法连续供给反应物质，生产效率较低。
2.2 连续流动反应器连续流动反应器是一种持续供给反应物质并连续收集产物的反应器，其工作原理是通过分别将反应物质和催化剂以一定流速供给反应器，使反应在反应器内进行。
连续流动反应器由于可以连续供给反应物质，生产效率较高，适用于大规模生产。
2.3 催化反应器催化反应器是通过添加催化剂来提高反应速率的反应器，其工作原理是将催化剂与反应物质一起放入反应器中进行反应。
催化反应器由于催化剂的作用，可以在较低的温度和压力下进行反应，节省能源和提高反应效率。
3. 反应器的应用反应器在化工生产中有着广泛的应用，下面将列举几个常见的应用场景。
3.1 石油炼制在石油炼制过程中，反应器用于各种催化反应、裂化反应、加氢反应等。
例如，催化裂化反应器用于将重质石油馏分转化为轻质石油产品，加氢反应器用于将硫化氢等有害物质转化为无害物质。
反应器在石油炼制中起到了非常重要的作用。
3.2 化学品生产在化学品生产中，反应器用于各种有机合成反应、聚合反应等。
例如，聚乙烯反应器用于合成聚乙烯，硝化反应器用于合成硝酸等。
反应器不仅可以提高产品的纯度和产量，还可以控制反应物质的选择性。
3.3 生物工程在生物工程领域，反应器用于培养微生物、细胞培养、酶反应等。
例如，发酵反应器用于培养微生物产生乙醇、酸等产物，细胞培养反应器用于培养动物细胞合成蛋白质。
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在化学反应工程的研究中，要求能把反应过程本身的规律和物理 因素的影响区分开来。在设计反应器时，测定化学反应的本征动 力学方程是必要的条件。
注意：在实验室中测定反应速率方程式时，要十分注意排除传 递过程（主要是传热和传质）的影响。
6.1 工业化学反应过程及反应器
教学目的： 了解化学反应工程要解决的主要问题 了解化学反应器的主要类型、结构 掌握化学反应器的操作方式和特点 掌握化学反应速率、转化率、选择性和收率的概念和应用
重点难点：化学反应器的主要类型、结构和操作特点 化学反应速率、转化率、选择性和收率的概念和应用
参考文献： 梁斌等编，化学反应工程，科学出版社。 朱炳辰主编，化学反应工程，化学工业出版社。 郭锴等编，化学反应工程，化学工业出版社。 张濂等编，化学反应工程原理，华东理工大学出版社。
1、反应动力学--研究化学反应的速率和反应机理，以获得工 业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、 速率方程及反应活化能等。 2、反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找 出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。
工业生产实践和实验室研究均表明，化学反应的结果不仅取 决于化学反应自身的规律，而且在很大程度上还取决于工业 反应器中物料的混合与流动、传质与传热等一系列带有共性 的工程技术问题，这被称为反应器的传递特性。
浓度效应可用幂级数的形式表示： aA bB sS
连续操作：原料不断加入，产物不断引出，反应器 内物系参数均不随时间变化。
半连续（或半间歇）：兼有以上两种过程的特点，情 况比较复杂。
四、化学反应速率概念
化学反应速率：单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反 应量或产物的生成量。其表示方法因反应在间歇或连续系统中 进行而不同。
1. 间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达 到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。 若搅拌系统效果良好，则反应物系的组成，温度，压力等参 数在每一瞬间都是一致的，但随反应的进行，其值随时间而 变，故独立变量为时间。
一、化学反应工程概述
图1 典型的化学加工过程 化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心-工业反应过程。
化学反应工程是一门研究在生产装置(反应器)中进行化学反 应的工程学科，它把反应的化学特性和反应器的传递特性结 合起来，形成了化学工程学科的一个重要分支。 研究内容包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计 分析。
三、化学反应的分类
均相反应与非均相反应：
均相反应：反应仅在单一的相内发生。均相反应的速率取 决于反应物的温度和浓度。
非均相反应：至少需要两个相的存在，反应在两个相的界 面上发生。非均相体系的化学反应速率与两相之间的接触 情况有关。
反应器的操作方式：
间歇操作：一次性投料，卸料。反应物系参数（浓 度或组成等）随时间变化。
连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物 或产物的摩尔流量的变化。即：
ri
dqn,i dVR
[mol /(m3 s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积； 对于气-固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。
四、反应速率（动力学）方程式
影响化学反应速率的因素很多，温度、浓度和催化剂等是最 主要的影响因素。反应速率方程式（或称动力学方程式）定 量地描述了反应速率与温度及浓度等影响因素的关系。 由于温度和浓度对反应速率的影响最直接，常将反应速率表 示为温度和浓度的函数：
用转化率表示反应速率：
rA
1 V
Hale Waihona Puke nA dt1 VnA0dxA dt
一个化学反应如有两种或两种以上的反应物，不同的反应 物的转化率是不等的。
一般常选用限制组分（着眼组分）的转化率进行计算。
化学反应速率
2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动 状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统中 的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而变 化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，对连 续系统，物系中各参数是空间位置的函数。
二、化学反应器的类型
种类 管式反应器 釜式反应器
塔式 (填料塔板式塔)
固定床
流化床
移动床
滴流床
特点
长度远大于管径,内部没有任何构件
高度与直径比约为2-3内设搅拌装置
高度远大于直径，内部设有填料、塔板 等以提高相互接触面积 底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗 粒可以是催化剂或是反应物 反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬 浮和循环运动，提高反应器内液体的混 合性能 固体颗粒自上而下作定向移动与反应流 体逆向接触
在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位反 应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量。即：
ri
1 V
dni dt
[mol /(m3 s)]
转化率：组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA，0之比。
xA
nA0 nA nA0
nA nA0
nA nA0 (1 xA )
当反应体积不变时： C A C A0 (1 xA )
r f (T ) (C )
f (T ) 反应速率的温度效应; (c) 反应速率的浓度效应.
目前主要使用实验的方法来确定化学反应的速率方程式。
反应速率方程式
温度效应f（T）常表示为反应速率常数k：
k Aexp E RT Arrhenius经验方程
A： 指前因子或频率因子，其单位与反应速率常数相同； E： 化学反应的活化能，J/mol； R： 气体常数，8.314J/(mol.K)
是固定反应器的一种，但反应物还包括 气液两种
应用范围 多用于均相反应过
程 均相、多相反应过 程均可
用于多相反应过程
用于多相反应系统
多相反应体系，可 以提高传热速率
用于多相体系，催 化剂可以连续再生 属于固定床的一种， 用于使用固体催化 剂的气液反应过程
（a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式塔；（d）填料塔；（e） 鼓泡塔；（f）喷雾塔；（g）固定床反应器；（h）流化床反应器；（i） 移动床反应器；（j）滴流床反应器