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第四章 化学反应工程学 — 反应器基本原理 本章重点：几种典型的基本反应器类型，物料在反应器内的流动模型，理想流动模型和理想反应器，基本反应器有效容积计算，反应器型式和操作方法评选。 难 点：物料停留时间分布及基本反应器有效容积计算。 同一个化学反应，在完全相同的反应条件下，在生产规模的反应器里进行与在实验室规模的反应设备里进行，其结果可以差别很大。 其原因： 首先，因为在生产规模的反应器里化学反应的条件很难做到像在实验室规模的反应设备里那样均匀。比如，在实验室的烧瓶或管式反应器里，所有物料的反应时间可以认为都是相同的，而在生产规模的连续反应釜里虽然平均反应时间和实验室一样，但是每个物料微团的反应时间并不相同：有的微团一进釜就很快出来了，有的则停留时间比平均时间长得多。同时，在生产规模的反应器里，各处的温度也可能不完全一致。 其次，在生产规模上化学反应的条件比在实验室里更难于“稳定”。在实验室里，反应条件稍有波动，很容易使之恢复正常；而在生产规模的反应器里，必须事先创造一定的条件，允许反应条件可以在一定的范围内波动，如果考虑不周，则反应条件即使有微小的波动，反应也会发展到不可控制的程度。例如，一个强放热反应，若反应温度比正常操作温度稍有提高，反应速度就要增加，并放出更多的热量，此时反应器如果不能及时地、很快地散走这些热量，温度就会继续升高，反应速度继续加快，直到不可控制。因此，生产规模的化学反应器，其稳定性问题比实验室里的反应装置更为重要。 第三，将实验室里进行的化学反应“放大”到生产规模时，并不是所有的条件都能按同一比例放大的。例如一个沸腾床反应器，在实验室里的直径为d，高度为L，若将d和L都放大10倍，结果沸腾床的体积V/增加为原来的1000倍，因为 ，但沸腾床的表面积A/却只放大为原来的100倍，因为 。该反应器几何尺寸按上述加大以后，在其他反应条件完全相同时，反应放热量要增加1000倍，而反应器的散热量仅能增加100倍。因此，将实验室条件下进行的化学反应放大到生产规模，不能仅仅通过设备尺寸的加大，还必须另外采取适当的措施，才能得到相同的结果。 长期以来，一个新的化学反应在实验室取得成功后，往往要通过若干次低倍数（一般是十倍左右）的放大，逐步探索反应器尺寸放大后出现的问题和适宜的工艺条件，需要经过很长时间才能“放大”到生产规模。 目前，为了降低生产成本，提高劳动生产率，化工生产的规模越来越趋向于大型化。在这种发展趋势下，化学反应器的放大问题就更为突出，因而研究生产规模下的化学反应过程已成为一门新的学科－化学反应工程学。 由于该学科研究工作的深入及计算技术的发展，现在可以在实验室工作做深、做透的基础上，通过数学计算的方法实现化学反应器的高倍数放大。这样，就大大缩短了放大的时间，也能在较宽广的范围里寻找最佳的工艺条件和设备条件。但与此同时，对小试的工作提出了更高要求，对于以实验室规模进行的化学反应，通过小试不但要找到合适的工艺条件，更重要的是要建立该化学反应的动力学模型（反应级数、活化能、频率因子等等），还要对反应器的传递过程进行研究，建立物料在反应器里的流动模型以及获得有关传递过程的参数。 本章拟对化学反应工程学的基础知识作简单的介绍。 §1 反应器的类型及其选择 1-1 反应器的类型 化工生产中的反应器是多种多样的，按操作情况和物料在反应器里的流动情况不同，大致可以分成以下几种。 间歇操作的搅拌釜 间歇操作搅拌釜的示意图见图4-1（a）。 在间歇操作的搅拌釜里，物料一次加进去，反应结束以后物料一次放出来，所以所有物料的反应时间是相同的；只要选择适当的搅拌器，就可以使釜内各点的温度，浓度均匀一致。但是，釜内反应物浓度随反应时间而变化（见图4-1b），因此釜内的化学反应速度也随反应时间而变化。 这是最早使用的一种反应器，它和实验室所用的三口烧瓶在本质上没有差别。对于小批量生产的单一液相反应，如精细的有机合成，制药，油漆等生产，仍大量使用这种反应器。 对于这种釜式反应器，要注意到，釜的尺寸越大，单位体积所具有的换热面积越小，表4-1列出几种搅拌釜体积和换热面积的数据。所以在大体积的搅拌釜中要有加热或冷却盘管或采用其他有利于传热的措施。 对于这种釜式反应器，要注意到，釜的尺寸越大，单位体积所具有的换热面积越小，表4-1列出几种搅拌釜体积和换热面积的数据。所以在大体积的搅拌釜中要有加热或冷却盘管或采用其他有利于传热的措施。 连续操作的管式反应器 连续操作的管式反应器示意图见图4-2。 随着化工生产越来越趋向于大