反应器基础知识 第一讲
化学反应工程知识点1~3讲义
知识点1. 绪论
一、主要讲解内容
介绍化学反应工程相关的基本知识，包括化学反应工程的定义、化学反应工程学科的发展、化学反应工程的任务、化学反应工程和其他学科的关系。
二、学习要求
本章要求学生能够掌握化学反应工程的定义，明确化学反应工程的任务。
三、视频（已录制完成）
四、讲义
1.1化学反应工程的定义
在工业规模上开发和应用化学反应的工程活动。
1.2化学反应工程学科的发展
自然界的物质的运动或变化过程由物理或化学的两类，物理过程不牵涉化学反应，但化学过程却总是与物理因素有着紧密联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素综合体。
远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺，但直到本世纪五十年代一直还未形成一门专门研究的独立学科，到1957年举行的第一次欧洲反应工程会议上确立了这一学科的名称。
1.3 化学反应工程的任务
化学反应工程学是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以化学反应作为研究对象，又以工程问题为研究对象，把二者结合起来的学科体系。其主要任务包括：分析化学反应的特点、确定合适的反应条件；选择合适的反应器并对其进行最优化设计；对反应器进行最优操作和控制。
1.4 化学反应工程和其他学科的关系
a. 数学，微积分、方程的解析求解和数值求解、极值问题等，均是化学反应工程问题求解的基础。
b. 反应动力学：专门阐明学反应速率与各项物理因素（如温度、压力、催化剂等）之间的定量关系。为实现某一反应，要选定合易的条件及反应器的结构型式、尺寸和处理能力等，这些都依赖于对反应动力学特性的认识。
c. 化工热力学：确定物系的各种物性常数（热容、研所引资、反应热等），看化学反应是否能进行及其反应程度。为化学反应工程提供反应热、反应平衡常数等基础数据。
d. 催化作用
e. 传递工程和流体力学：装置中有动量、热量、质量传递（三传），当规模放大时，出现放大效应。“三传一反”是三传和反应动力学。
五、小结
本章介绍了化学反应工程的定义、学科的发展、任务极其与数学、化工热力学、催化作用及传递工程等学科之间的密切关系。
反应釜的基础知识
- 1 - 反应釜的基础知识
反应釜普遍应用于石泊化工、橡胶、农药、燃料、医药等工业，用来完成化工工艺过程的反应。反应釜内进行化学反应的种类很多，操作条件差异特别大，物料的聚集状态也各不一样。反应釜具备如下的特点：操作灵活方便。可以按工艺要求进行间歇式、半间歇式及连续操作；温度易于控制。根据生产需要，可以控制生产的时间，易于控制反应速率。
由于工艺条件，介质不同，反应釜的材料选择及结构也不一样，但基本组成是相同的，它包括釜体、工艺接管、传动装置等。这里主要介绍机械釜式反应器的结构。
机械搅拌式反应器适用于各种物性和各种操作条件的反应过程，在工业生产工应用非常广泛。搅拌反应器由搅拌器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。
一、搅拌容器
搅拌容器的作用是为物料反应提供合适的空间。搅拌容器的筒体基本上是圆筒，封头常采用椭圆形封头、锥形封头和平盖，其中椭圆形封头应用最广。根据工艺需要，容器上装有各种接管，以满足进料、出料、排气等要求。设置外加套或内盘管，以便于加热物料或取走反应热。上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。容器上还设置有温度、压力传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其他参数。支座选用时应考虑容器的大小和安装位置，小型的反应器一般用悬挂式支座，大型的用裙式支座或支承式支座。
- 2 - 二、反应釜的传热元件
反应釜的传热元件可以维持反应的最佳温度，反应釜设置夹套的换热面积能满足传热要求时，优先采用夹套，这样可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效容积。常用的换热元件有夹套和内盘管。
三、反应釜的夹套结构
反应釜的夹套是在容器的外侧，用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。在此空间内通人加热或冷却介质，可加热或冷却容器内的物料。反应釜夹套的主要结构型式有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等。
管式反应器
管式反应器
除了上一章的两类理想反应器，管式反应器也是一类理想反应器模型（活塞流模型）。与间歇釜式反应器不同，全混流和活塞流模型用于流动过程。
根据上一章所学的知识，物料在反应器中的停留时间是决定化学反应转化程度和产物分布的一个重要因素。全混流和活塞流模型均是根据特定的停留时间分布规律建立起来的（这部分内容将在下一章中详细阐述），是两种极端的情况，是分析许多问题的出发点，也是各种实际反应器设计的理论基础。本章将涉及到如下的具体内容：
活塞流模型的基本假定
等温管式反应器设计与分析
管式反应器与釜式反应器的性能比较
循环管式反应器的分析计算
管式反应器的变温操作
第一节 活塞流假定
流体流动是非常复杂的物理现象，影响到系统的反应速率和转化程度。
一、 流动状况对反应过程的影响
1. 流动情况影响
例1. （1）空管中, 图4.1 （a）(b) 内部各部分流体的停留时间不同，因此反应时间也不一样，反应速率和最终转化率也不一样
第二节 等温管式反应器的设计 一、 单一反应
在管式反应器中进行的单一反应，取如图4.2所示的微元体（高为dZ）
图 4.2 管式反应器示意图
在定态条件下，
由此得到
或
∴ （4-4）
∴ （4-5）
假设 =常数（=XAf下的值），则
--釜式反应器的设计方程
式（4-5）可以进一步变成：
（间歇釜式的设计的方程为 ）
注意：二者尽管形式上相同，但一个是反应时间t，一个空时τ（与所选择的进口状态有关）。另外，间歇釜式反应器总是恒容的。如果管式反应器也在恒容下进行，则有τ=t；否则，τ≠t。
对于式（4-4），设反应器的截面积为A，则有dVr=AdZ，那么
3酶反应器教学基本内容：介绍常见的酶反应器及其分类，提出理想型酶...
*3 酶反应器 教学基本内容：
介绍常见的酶反应器及其分类，提出理想型酶反应器的概念，连续全混流酶
反应器（CSTR）的特点和操作方程的建立；连续活塞流酶反应器（BCFR）的特点
和操作方程的建立；分批式全混流酶反应器（BSTR）的特点和操作方程的建立。
CSTR型酶反应器和CPFR型酶反应器性能的比较。固定化酶反应器的选择。
3.1 酶反应器的分类
3.2 理想型酶反应器
3.3 酶反应器操作方程
3.4 酶反应器设计和操作参数
3.5 PFR和CSTR型酶反应器性能比较
3.6 固定化酶反应器的选择 授课重点：
1. 理想型酶反应器的概念。CSTR型酶反应器、CPFR型酶反应器、BSTR型酶
反应器的特点。 2. CSTR型酶反应器、CPFR型酶反应器、BSTR型酶反应器的操作方程。
难点：
1.理想的酶反应器的概念。
2.CSTR型酶反应器和CPFR型酶反应器的操作方程。
3.返混的概念。 本章主要教学要求：
1. 了解常见的酶反应器，熟悉酶反应器的分类。
2. 掌握理想型酶反应器的概念。 3. 理解CSTR、CPFR和BSTR型酶反应器操作方程的推导过程。能够熟练
运用操作方程进行酶反应器的设计。
4. 熟悉CSTR、CPFR和BSTR型酶反应器的性能，能够合理选择酶反应器。 3 酶反应器
生物反应器的概念提出： 20世纪70年代，Arkinson 提出生化反应器（biochemical reactor）一词。 同时，0llis提出另一术语—生物反应器（biological reactor）。 80年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊和书籍中大量出现 。 生物反应器（bioreactor）是指有效利用生物反应机能的系统（场所）。既包
括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用生物反应器和光合生物反应器。 3.1 酶反应器的分类：
仪器与操作
1 第一讲 仪器与操作
【知识要点】
一、仪器的使用
1. 反应器
仪器 主要用途 使用方法及注意事项
试管 ① 少量试剂的溶解；
② 少量试剂的反应；
③ 收集少量气体；
④ 装配小型气体发生器。 ① 可直接加热，加热时外壁要擦干；
② 加热固体时，管口略向 倾斜；
③ 加热液体时，管口向 倾斜，与桌面成45°，液体量不超过试管容积的 。
烧杯 ① 配制、浓缩、稀释溶液；
② 反应容器、水浴加热器。 加热时垫 ，液体不超过容积 ，
不可蒸干。
烧瓶 用作较多液体参加的反应容器 ① 可以分为： ；
② 平底烧瓶一般不做加热仪器，圆底烧瓶加热要垫 ，或水浴加热。。
蒸馏烧瓶 ① 作液体混合物的蒸馏；
② 装配气体发生器。 ① 加热要垫 ，要加 防止暴沸；
② 蒸馏时，温度计水银球置于 。
锥形瓶 ① 用于滴定的反应器；
② 做反应容器；
③ 收集液体；
④ 做洗气瓶。 不可直接加热
集气瓶
① 收集气体；
② 装配洗气瓶；
③ 气体发生器；
④固体在气体中燃烧的容器。 ① 不能加热；
② 作固体在气体中燃烧的容器时，要在瓶底加少量水或一层细沙。 2 坩埚 用于灼烧固体使其反应 可直火加热至高温，放在泥三角上，用
夹取，不可骤冷。
启普发生器 不溶性块状固体与液体常温下制取气体 ① 随开随用，随关随停；
② 不能加热，不能用于强烈放热或反应剧烈的气体制备。
2. 计量仪器
仪器 主要用途 使用方法及注意事项
酸式 碱式
滴定管 滴定管
① 中和滴定（也可用于其它滴定）的反应；② 可准确量取液体体积 ① 酸式滴定管盛
反应器及催化剂基本知识
反应器及催化剂基本知识
加氢反应器的分类
按制造方法分：锻焊、板焊
按本体结构分：单层、多层
按隔热形式分：冷壁、热壁
反应器内构件
1、入口扩散器
防止高速流体直接冲击液体分配盘，影响分配效果，从而起到预分配的作用。
2、汽液分配盘
使进入反应器的物料均匀分散，与催化剂颗粒有效地接触，充分发挥催化剂的作用。 目前国内外所用的分配器按其作用机理大致可分为溢流型和(抽吸)喷射型两类或二者机理兼有的综合型。
注意事项：应保证分配盘上不漏夜,可采用有关填料垫密。安装后充水100mm高，在5分钟内液位降低小于25mm为合格；
控制安装水平度。对于喷射型，包括制造公差和梁在荷载作用下的挠度在内可按±5mm~±6mm控制，对于溢流型，要求还应稍严；
配盘的设计荷载，应包括通过分配盘的压力降△P、盘上的液量及分配盘自重(按最大的操作温度考虑)。
此外，还要考虑到检修的工况，其支承件至少同时要满足常温下承受120kg集中荷载的要
求
3、积垢篮
积垢篮置于催化剂床层的顶部，系由各种规格不锈钢金属丝网与骨架构成的篮框。它为反应器进入物料提供更多的流通面积，使催化剂床层可聚集更多的锈垢和沉积物而不致引起床层压降过分地增加。
注意：积垢篮在装入反应器内时，其篮内应是空的。在装填催化剂时一定要注意这一点；积垢篮按三角形排列，安装时用链条将其连在一起，并栓到上面的分配器支承梁上，其栓紧链条要有足够的长度裕量以适应催化剂床层的下沉(按下沉5％考虑) 4、冷氢箱
用以控制加氢放热反应引起的催化剂床层温升，图示的冷氢箱结构由冷氢管、冷氢盘、再分配盘组成，可使来自上面床层的反应物料和起冷却作用的冷氢充分混合，而又将具有均匀温度的气液混合物再均匀分配到下部的催化剂床层上。
注意：冷氢管内设置的隔档板应使从两个开孔中喷出的氢气量是相当的；
为发挥冷氢的作用效果，冷氢盘和冷氢箱部分应用填料填密，以保证不漏液，可按气液分配盘的试漏标准验收
反应器分析阶段练习三答案
反应器分析课程阶段练习
（第4章）
一、填空题
1. 按照传热方式分，固定床反应器可以分为 绝热床反应器,换热式反应器 。
2. 列管式固定床反应器的传热载体可以使用 热水,联苯,烟道气 等。
3. 绝热式系指床层与外界环境的 热交换
可以忽略不计。
4. 固定床反应器中床层高度L与颗粒直径dp之比 >100 时，可以不计返混的影响。
5. 可逆放热反应最优温度序列的实施，可采用多段绝热，而 段间冷却,段间冷激
等方法。
6. 线速度 是绝热反应过程放大中唯一的工程因素。
7. 固定床反应器最基本的一维模型主要应用于 在线计算, 过程控制研究 。
8. 列管式固定床反应器中存在 热稳定性,参数灵敏性 等操作特性。
9. 列管式固定床反应器中的最小冷却介质温度与 反应温度,反应活化能 有关。
10. 绝热式固定床反应器有 厚床层 薄床层 等类型。
二、简述题
1．空隙率
答：空隙率是指颗粒间自由体积与整个床层体积之比，可用下式计算。
1BP 其中B—催化剂床层堆积密度，P—催化剂颗粒密度。
2．绝热温升
答：λ为绝热温升。它表示反应气体中的关键组分完全反应时，所释放的热量用来加热气体混合物自身所能提高的温度数值。
PAAcHc)(0
3．拟均相的含义
答：不考虑流体与催化剂间的差别，即不考虑流体和催化剂间的传热和传质阻力，认为流体和催化剂颗粒具有相同的温度和浓度。
三、综合题
1．分析说明拟均相一维模型和拟均相二维模型的区别和应用。
拟均相模型不考虑流体与催化剂间的差别，即不考虑流体和催化剂间的传热和传质阻力，认为流体和催化剂颗粒具有相同的温度和浓度。按床层是否存在径向梯度又进一步分为一维模型和二维模型。
1 反应器基本理论
1 第一章 反应器基本理论
第一节 理想反应器
一、基本反应器形式
反应器的种类很多，但最主要的为间歇操作搅拌釜，连续操作搅拌釜和管式反应器等。在药厂的反应器中，以间歇釜最为常用。
(一) 间歇釜
间歇釜：具有装置简单，操作方便灵活，适应能力强，基本上能适应与药厂生产的规模小，品种多，原料多，工艺条件复杂的实际情况，因此，间歇釜是药厂最常见的反应釜。
特点：1、物料一次加入，反应后一起排出。
2、如果搅拌良好，则釜内各点的T、Ci基本一致。
3、釜内物料浓度(Ci)和反应速度(ri) ，随时间而变化。
(二) 管式反应器
物点：1、物料从一端进，另一端引出。
2、反应时间是管长的函数 t = t (ℓ)
3、稳定物料，反应速度沿流动方向逐渐降低。
4、稳定操作时，管内某一点的物料浓度、温度、反应速度、压力等工艺参数，不随时间而发生变化。
(三) 连续反应釜
间歇釜、连续釜的设备结构是一致的，主要是工艺操作过程不同而致。
物点：1、反应器内各点的温度、浓度一致。
2、总体物料量进出平衡，出口物料中物料性质与釜内物料性质一致。
3、稳态时，釜内物料性质不随时间而变化。
除自催化反应外，连续反应不随时间而变化内的物料浓度与出料浓度一致，即物料浓度很低，因此，反应速度很慢，因此，需要更长的反应时间，或更大的反应器体积。多不随时间而变化串联的情况较为常见。
对于自催化反应， A + P 2 P，由于存在一个最大的反应速度，如果控制在此处进行反应，则所需的反应器体积为最小，连续釜式反应器，可以满足这一要求。
CAf CA* CA0 (-rA)
二、返混
返混是连续操作反应器的固有流动物性，管式反应器和连续釜式反应器，均存在这一现象。
连续操作反应器的容积 VR
_第一节 反应器
第一节 反应器
第一小节 反应器的分类介绍
一、反应器按制造材质的分类：
反应器按制造材质可分为热壁反应器和冷壁反应器两种。
1. 热壁反应器：
采用能抗高温氢腐蚀的鉻钼钢制造筒体，这种反应器结构简单，制造方便，便于安装。国外鉻钼钢较多，因此多采用热壁反应器。
2. 冷壁反应器：
采用隔热混凝土衬在反应器内壁，使反应器筒体壁温由530-570℃降到 200℃以下，这样使氢气达到筒体时的温度大为降低，可避免高温氢腐蚀的出现，筒体材质可选用碳钢，常用16Mn钢。冷壁反应器在隔热混凝土之内应加一个1Cr18Ni9Ti的不锈钢衬筒，以防混凝土破落污染催化剂。
二、反应器按油气的流动方向分类：
反应器按油气的流动方向可分为轴向反应器和径向反应器。
1. 轴向反应器：
轴向反应器是指流体通过催化剂床层沿轴向方向流动，它是柱型筒体，入口有入口分配器，出口设有油气收集器。它的优点是结构比较简单，缺点是床层压降较大。
2. 径向反应器：
径向反应器是指流体通过催化剂床层沿半径方向流动。它的内壁均布扇形筒，使油气在反应器内形成径向流动，中心管是径向反应器的重要组成部分。它是由内管、定距圆钢和外包丝网或外包冲孔板构成。因为在径向反应器中，油气的流通面积是比轴向反应器横截面积大得多的环形通道，且床层厚度也比轴向反应器薄，所以它的床层压降较小，这是径向反应器的最大优点。
三、轴向反应器的主要零部件：
1. 衬里：通常用0Cr25Ni13不锈钢抗H2S腐蚀材质做成。
2. 入口扩散器：作用是使油气均匀分配，防止冲分配盘。
3. 分配盘：通常用泡帽盘分块形式。
4. 除垢篮筐：作用是去除积垢，如FeS等杂质。
5. 催化剂支承盘：通常采用T型结构。
6. 急冷箱：由冷氢盘、再分配盘和连通管组成。
7. 催化剂卸料口及反应产物的出口：
8. 附属设施：包括裙座、壁温测点及热电偶口。
收藏：化工反应器的基本知识
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F-T合成反应器
F-T合成反应器 呼跃军 摄
化工装置反应设备是发生化学反应或生物质变化等过程的场所，是流程性材料产品生产中的核心设备。广泛应用于化工、炼油、冶金、轻工等工业部门。在化工生产中，化学反应的种类很多，操作条件差异很大，物料的聚集状态也各不相同，使用反应器的种类也是多种多样。本期内蒙古化工小编就与大家分享一篇文章，了解反应器的基本知识。
一般可按用途、操作方式、结构型式等进行分类。最常见的是按结构型式分类，可分为机械搅拌式反应器，釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器，移动床反应器，电极式反应器和微反应器。
内蒙古化工小编接下来就就带你认识了解各类反应器和它们的特点。 机械搅拌式反应器
机械搅拌式反应器可以用于均相反应，也可用于多相（液-液，气-液，液-固）反应，可以间歇操作，也可以连续操作。可在常压，加压，真空下生产操作，可控制范围大。同时在生产结束后，出料容易，反应器清洗方便，机械设计也已经成熟，因此用途十分广泛。 搅拌反应器主要由搅拌容器和搅拌机两大部分组成，搅拌容器包括筒体，换热元件及内构件。搅拌器，搅拌轴及密封装置，传动装置等统称为搅拌机。
釜式反应器
釜式反应器也称槽式、锅式反应器。
特点：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。 反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。
优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。
缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。
管式反应器
管式反应器主要用于气相、液相、气—液相连续反应过程，由单根(直管或盘管)连续或多根平行排列的管子组成，一般设有套管或壳管式换热装置。 其结构简单，制造方便。