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1、第三章理想均相反应器设计本章核心内容：从间歇釜反应器、稳态全混流反应器和平推流管式反应器这三种理想反应器的结构和流动特性出发，给出了它们数学模型的建立方法、不同反应过程中的反应体积设计公式和热量计算式以及具体的应用实例。对这三种理想反应器性能进行了比较，特别是对稳态全混流反应器和平推流管式反应器及其组合内容进行了详细叙述。针对不同反应过程讲述了优化设计方法。化学反应工程学的主要目的是设计不同型式和大小的反应器，实现最佳的操作与控制，取得最佳的经济效益。在用数学模型法来设计放大反应器的过程中，首先要了解进行化学反应的动力学特征、反应物的性质、产物的性质与分布，才能进行反应器的选型、操作方式的选择
2、，进而进行反应器设计和计算。由于生产中的化学反应器都很大，都或大或小存在着温度的差异和浓度的差异，都存在着动力消耗和反应器的各种结构的差异，对于实际生产中的化学反应过程一般很难做到反应物的温度、压力和流速完全均一，即非理想化。这些差异给实际反应器的设计和放大带来了很大的困难。实际反应过程的理想化是研究生产实践中千变万化的各种反应器的基础和前提，也是均相反应过程接近实际的反应器模型。间歇釜式反应器（BSTR）、稳态全混流反应器(CSTR)和活塞流（平推流）管式反应器(PFR)，这三种理想反应器的设计原理具有普遍意义和广泛的应用性。3-1间歇釜式反应器3-2间歇釜示意图图3-1间歇釜式反应器如图3
3、-1所示，间歇釜式反应器简称间歇釜，它的最大特点是分批装料和卸料。因此，其操作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同规格的液态产品生产，尤其适合于多品种而小批量的化学品生产，它在医药、助剂、添加剂、涂料、应用化学品等精细化工生产部门中经常得到应用，很少用于气相过程。间歇釜的结构主要有釜体、搅拌装置、加热和冷却装置、进出料口和管件、温度和压力测量装置以及视孔、排污口和液位计等。釜体上部釜盖用法兰与釜体连接，釜体上一般不开孔，都在釜盖上开孔用以安装管阀件，釜体上有四个吊耳用于固定反应釜，釜体外部是换热夹套。釜的材质一般要防腐，常用的是碳钢制作搪瓷挂衬或不锈钢制作，后者稍贵些。釜内搅拌装置由搅拌浆、电
4、机、变速器和连轴器组成。若换热面积只用釜外夹套够用釜内可不安装换热管，否则，就要在釜内安装内换热器。进料口常安装在靠近搅拌浆位置，而出料口安装在边壁，排污口安装在釜底最底部，其它仪表的安装在盖上任意位置。对于高压反应釜，应尽量少开孔或开小孔。间歇釜结构的选择由反应物系和反应特性甚至通过计算来定。而对1于反应釜体积、换热面积大小、实际转化效果和生产能力的计算则要靠间歇釜的设计模型来完成。因在生产过程中是分批操作的，其整个生产时间应分为两部分：一部分是反应时间，即从装完反应物料后开始搅拌进行化学反应起到停止搅拌；另一部分是从反应停止后将反应产物卸出反应釜、清洗釜和下一釜反应前物料的装入等这些除用于
5、反应以外的辅助操作时间。反应时间可由动力学计算给出，而辅助时间主要根据经验和具体生产情况来确定。下面就该类反应器的一般设计原理和公式进行阐述，针对不同的反应动力学方程给出具体的设计公式，然后结合实际例题进行应用介绍。3-1-1间歇釜的一般设计计算公式在推导出设计计算公式之前，先归纳一下理想间歇釜的反应特点：第一，物料是一次全部加入反应釜，反应结束后反应产物一次全部取出，也就是说在间歇釜中所有的物料具有相同的反应时间；第二，间歇釜中带有搅拌浆，在强烈的搅拌下可达到反应釜中的浓度和温度均一。在实际的间歇反应器中，反应时间可完全均一，反应物各物质浓度和温度很难达到完全均一，但作为理想的间歇釜反应器认
6、为是均一的。在消除了体系中影响化学反应速率物质的浓度差和温度差后，在同一时刻，间歇釜中各个部位的化学反应速率都相同；在不同反应时间下，反应速度是不相同的。对于正级数的反应，在开始时，反应物的浓度最高，反应速度最快，而越在后期反应物浓度越低反应速度就越慢。如图3-2所示。对已知速率方程的某化学反应，在反应到某一时刻时，可利用反应物的守恒原理对釜中的限定组分A作物料衡算，并给出如下关系：（单位时间内釜中A减少的mol量）=（单位时间内釜中反应掉A的mol量）用数学公式表示，则有：dNArAV（3-1）dt代入NA=NA0（1-XA），则有：dxArAV（3-2）NA0dt代入积分上下限（时间从0到
7、t，转化率从0到xA）积分（3-2）式，有：tNA0xAfdxA（3-3）0rAV3-3）式是在没有作任何假设的条件下导出的，不论在等温条件和变温条件，还是在等容条件和变容条件下都是适用的，是间歇反应釜用于反应时间计算的一般公式。反应速率的单位是mol/(时间体积)。这个公式与这里规定的反应速率定义式rA1dNA的变形后积Vdt分是完全一样的，也就是说在第二章均相动力学一章中积分所导出的各种计算公式完全可用于间歇釜的计算。反过来说，间歇釜中反应时间的计算可直接用动力学计算解决。从式（3-3）中可知，该式有五个变量，即间歇反应时间t、反应体积V、加入的初始摩尔数NA0、反应最终转化率要求xAf和
8、反应速率）A的初始摩rA。当动力学方程、最终转化率要求、反应物尔数NA0给定后，反应体积就可对应求出反应时间和反应器的体积。显然，对于不易积分的速率方程可用图3-3求面积的办法先计算出反应时间。图3-3间歇釜任意过程反应时间图解积分计算23-1-2等温等容过程对于大多数液相反应都可看作等容过程，即使分子数在反应前后有变化，反应体积也变化不大，这是本章研究的重点内容，也是应用最多的体系。此时，对于式（3-3），可将V可移到积分号外，根据A物质的浓度概念NA0/V=CA0和代入等容时的CA=CA0(1-XA)关系式，则有：dCtCA0xAdxACA0A（3-4）0rA(xA)CArA(CA)对于给
9、定反应级数常见的容易积分反应过程，在等温等容条件下代入反应速率rA表达式积分，获得反应时间的具体计算公式。当求得间歇反应的时间t以后，再给定辅助工作时间为t0，那么单位时间内处理的物料体积为v0时所需间歇釜的反应体积为：V=v0(t+t0)(3-5)从(3-5)式可看出，辅助时间t0对生产能力和反应釜体积也有较大的影响，它的存在和增加使一定生产能力的反应体积增加和一定反应体积的生产能力下降，这是间歇釜的弱点。 (3-5)式求出的反应体积并不是反应器体积，需要考虑反应物料在反应器内的装填比例。我们将反应体积和反应器的体积之比称为装填系数，=V/VR。对不发泡体系一般可取=0.7-0.8，而对于易
10、发泡物系应取=0.4-0.6。反应釜体积计算的关键和难点是反应时间的计算，是动力学的问题。例3-1拟在等温间歇釜中进行氯乙醇的皂化反应：CH2Cl-CH2OH+NaHCO3CH2OH-CH2OH+NaCl+CO2以生产乙二醇，产量为20kg/h，使用15%(w)的NaHCO3水溶液及30%(w)的氯乙醇水溶液作原料，反应釜装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为11，混合液的比重为1.02，该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在该反应温度下的反应速度常数等于5.2L/molh。要求转化率达到98%。若辅助时间为0.5h，装填系数取0.75，试计算反应釜的实际体积。解：依题意，该反应的主要物质在反应过程中
11、无损失，且为体积不变过程，反应当中两种原料按等摩尔消耗，两种反应物始终保持反应过程的等浓度，因此，二级反应速率方程为：rA=kCA2而依达到一定的转化率的反应时间的计算公式为：1111CA0CAf1xAft(CA0)kCA0(1xAf)kCAfkCA0CAf计算初始反应物和最终反应物的浓度：乙二醇的分子量为62、氯乙醇分子量为80.5、NaHCO3的分子量84。依产量，20kg/h的乙二醇生产能力，可转化为20/62=0.3226kmol/h。按98%转化率应需：加入纯氯乙醇的量为:(0.3226/0.98)80.5=26.499kg/h；加入30%的氯乙醇水溶液为:26.499/0.3=88
12、.331kg/h；加入纯NaHCO3的量为:(0.3226/0.98)84=27.653kg/h；加入15%的NaHCO3水溶液为:27.653/0.15=184.353kg/h；混合液原料加入反应釜的总重量为：88.331+184.353=272.684kg/h单位时间处理原料的总体积为：272.684/1.02=.267.3L/h=0.2673m3/h计算限定组分氯乙醇的初始浓度CA0：3CA00.3226kmol/m30.26731.2320.9810.987.649hh所以，t1.23215.20.98V=v0(t+t0)=0.2673(7.649+0.5)=2.178m33关于间歇釜
13、中的复合反应选择性、最佳反应时间、最佳目的产物浓度及收率计算问题，与第二章介绍的完全相同。3-1-3间歇釜的热量衡算任何的化学反应过程都有热效应，与外界的热交换通过热量衡算计算就可解决，随着反应物料量的增加与外界交换的热量就越大。若反应过程是放热的，外界就要冷却撤热；若反应是吸热过程，就需要外界加热。不论是吸热还是放热，初始启动反应的热量都需要外界供给。随着反应釜体积的增大和热效应的增加使整个反应釜达到温度完全一致是相当困难的，可通过改善搅拌和换热条件使釜内的最大温差控制在允许范围。当反应在等温操作时，要通过计算设计出足够的换热面积。可利用反应釜的外夹套和釜内另置换热管进行换热。当外夹套能够满
14、足要求时，应首选夹套，这时釜内结构简单，便于清洗和维修。在换热面积计算时，应首先根据反应温度范围选择换热介质，然后在最大反应速率（初始）放（吸）热量下，由冷却（加热）介质的条件（温度、流量）计算所需的换热面积。对于放热反应，只会使物料温度升高，其计算方法如下：单位时间内反应从釜内放出的总热量=单位时间内通过冷却面传出的总热量=单位时间内由冷却介质带走的总热量用数学符号来表示为：rA(-HAr)V=KqA(T-TWa)=CpvVTW,(J/s)(3-6)式中：TWa是冷却介质的平均温度，TWa=(T出-T入)/2,KTW是冷却介质进出冷却器的温差，T出-T入，K(3-6)式只用于等温热量计算，不用于变温计算。对在间歇釜进行的放热反应，因开始时反应物浓度最高，对多数的正级数反应，速率最快，放热速率最大，因此撤热速率往往也最大，需要的换热面积最大，冷却介质流量也最大。随着反应的进行，放热速率逐渐减慢，在反应釜结构特别是冷却器固定以后，应调节冷却水流量，使之逐渐变小，以维持釜内温度恒定。当反应在绝热时，反应釜与外界无热交换，KqA(T-TWa)=0，代入rAV=nA0xA,(3-6)式可化为TW=nA0(-HAr)xA/VCpv=CA0(-HAr)xA/Cpv（3-7）定义：绝热温升=nA0(-HAr)/VCpv=CA0(-HAr)
