化学反应器的动态.ppt

化学反应器的发展及各类反应器的介绍J化工08011.化学反应器n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。化学反应器用于现实液相单向反应过程和液液，气液，液固，气液固等多相反应过程。2.3.反应器的操作条件n主要指反应器的操作温度和操作压力。温度是影响反应过程的敏感因素，必须选择适宜的操作温度或温度序列，使得反应过程在优化条件下进行。例如对可逆放热反应应采用先高温后低温的温度序列以兼顾反应的速率和平衡转化率反应器可在常压、加压或负压下操作。加压操作的反应器主要用于有气体参与的反应过程，提高操作压力有利于加速气相反应，对于总摩尔数减小的气相可逆反应，则可提高平衡转化率，如合成氨、合成甲醇等。提高操作压力还4.n可以增加气体在液体中的溶解度，故许多气液相反应过程，气液固相反应过程采用加压操作，以提高反应效率，如二甲苯氧化等。5.反应器的选型n对于特定的反应过程，反应器的选择需综合考虑技术、经济和安全等诸多方面的因素。n 反应过程的基本特征决定了十一的反应器形式。例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器或移动床反应器。但是适宜的选型则需要考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别做出概念设计，进行技术和经济的分析后才能确定。除了反应器的形式以外，反应器的操作方式和加料方式也需要考虑。例如，对于有串联或平行副反应6.n的过程，分段进料可能优于一次进料。温度序列也是反应器选型的一个重要因素。例如，对于放热的可逆反应，应采用先高后低的温度序列，多级、级间换热式反应器可使反应器的温度序列趋于合理。反应器在过程工业生产中占有重要地位。就全流程的建设投资和操作费用而言，反应器所占的比例未必很大。但是其性能和操作的优劣却影像着前后处理级产品的产量和质量，对原料消耗、能源消耗和产品成本也产生重要的影响，因此，反应器的研究和开发工作对于发展各种过程工业有重要的意义。7.各类反应器的介绍8.1 1、釜式反应器 9.操作方式 n反应器按操作方式可分为：n间歇釜式反应器,或称间歇釜。n操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。n间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。10.n半连续操作反应器也称为半间歇操作反应器，介于上述两者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后连续加入另一种反应物。反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。n间歇反应器的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。另外，间歇反应器中不存在物料的返混，对大多数反应有利。缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。n连续釜式反应器,或称连续釜 n)。可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。11.釜式反应器n粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。n大规模生产应尽可能采用连续反应器。连续反应器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。n12.n半连续釜式反应器。n指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。13.连续釜式反应器14.加料方式 n对有两种以上原料的连续反应器，物料流向可采用并流或逆流。对几个反应器组成级联的设备，还可采用错流加料,即一种原料依次通过各个反应器,另一种原料分别加入各反应器。除流向外，还有原料是从反应器的一端(或两端)加入和分段加入之分。分段加入指一种原料由一端加入，另一种原料分成几段从反应器的不同位置加入，错流也可看成一种分段加料方式。采用什么加料方式，须根据反应过程的特征决定 15.换热方式n多数反应有明显的热效应。为使反应在适宜的温度条件下进行，往往需对反应物系进行换热。换热方式有间接换热和直接换热。间接换热指反应物料和载热体通过间壁进行换热，直接换热指反应物料和载热体直接接触进行换热。对放热反应，可以用反应产物携带的反应热来加热反应原料，使之达到所需的反应温度，这种反应器称为自热式反应器。n按反应过程中的换热状况，反应器可分为：n等温反应器反应物系温度处处相等的一种理想反应器。反应热效应极小，或反应物料和载热体间充分换热，或反应器内的热量反馈极大（如剧烈搅拌的釜式反应器）的反应器 16.n反应器n，这样可近似看作等温反应器。n绝热反应器反应区与环境无热量交换的一种理想反应器。反应区内无换热装置的大型工业反应器，与外界换热可忽略时，可近似看作绝热反应器。n非等温非绝热反应器与外界有热量交换，反应器内也有热反馈，但达不到等温条件的反应器，如列管式固定床反应器。n换热可在反应区进行，如通过夹套进行换热的搅拌釜，也可在反应区间进行，如级间换热的多级反应器。17.操作条件 n主要指反应器的操作温度和操作压力。温度是影响反应过程的敏感因素，必须选择适宜的操作温度或温度序列，使反应过程在优化条件下进行。例如对可逆放热反应应采用先高后低的温度序列以兼顾反应速率和平衡转化率（见化学平衡）。n反应器可在常压、加压或负压（真空）下操作。加压操作的反应器主要用于有气体参与的反应过程，提高操作压力有利于加速气相反应，对于总摩尔数减小的气相可逆反应,则可提高平衡转化率,如合成氨、合成甲醇等。提高操作压力还可增加气体在液体中的溶解度，故许多气液相反应过程、气液固相反应过程采用加压操作，以提高反应速率，如对二甲苯氧化等。18.选型 n对于特定的反应过程，反应器的选型需综合考虑技术、经济及安全等诸方面的因素。n反应过程的基本特征决定了适宜的反应器形式。例如气固相反应过程大致是用固定床反应器、流化床反应器或移动床反应器。但是适宜的选型则需考虑反应的热效应、对反应转化率和选择率的要求、催化剂物理化学性态和失活等多种因素，甚至需要对不同的反应器分别作出概念设计，进行技术的和经济的分析以后才能确定。n19.n除反应器的形式以外，反应器的操作方式和加料方式也需考虑。例如,对于有串联或平行副反应的过程,分段进料可能优于一次进料。温度序列也是反应器选型的一个重要因素。例如，对于放热的可逆反应，应采用先高后低的温度序列，多级、级间换热式反应器可使反应器的温度序列趋于合理。反应器在过程工业生产中占有重要地位。就全流程的建设投资和操作费用而言，反应器所占的比例未必很大。但其性能和操作的优劣却影响着前后处理及产品的产量和质量，对原料消耗、能量消耗和产品成本也产生重要影响。因此，反应器的研究和开发工作对于发展各种过程工业有重要的意义。20.全混流假定连续流动釜式反应器，其结构和间歇釜式反应器相同，但进出物料的操作是连续的，即一边连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应产物引出反应器，这样的流动状况称之谓全混流。这里要讨论的都限于定态操作范围，即假定反应器在稳定操作条件下，任何空间位置处物料浓度、温度和加料速度都不随时间而发生变化的定常状态。21.返混在连续釜式反应器中，反应原料以稳定的流速进入反应器，反应器中的反应物料以同样稳定流速流出反应器。由于强烈搅拌的作用，刚进入反应器的新鲜物料与已存留在反应器内的物料在瞬间达到完全混合，使釜内物料的浓度和温度处处相等。这种停留时间不同的物料之间的混合，称为逆向混合或返混。这里所说的逆向，是时间概念上的逆向，不同于一般的搅拌混合。22.连续釜式反应器的特点n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。n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。n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。23.连续釜式反应器24.连续搅拌釜中的浓度分布特征在连续釜式反应器中，釜内的物料浓度都与出口物料的浓度相同，因此反应器中反应物的浓度普遍下降，而产物的浓度则普遍上升。当反应器进行复杂反应时，过程的技术指标主要是反应选择率的高低。此时，连续釜中浓度分布对反应选择率的影响完全取决于各类反应的动力学特征，即反应速率和选择率的浓度效应。25.连续釜式反应器中的返混循环反应器中的物料混合作用是有组织的，而连续釜式反应器中的物料混合作用是由剧烈的搅拌引起设备内部强烈环流运动造成的。间歇釜和连续釜虽然同样存在有剧烈的搅拌与混合，但是，参与混合的物料是不相同的。前者是同一时刻进入反应器的物料之间的混合，也就是相同浓度、相同性质的物料之间的混合，并不改变原有的物料浓度；后者则是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，也就是不同浓度、不同性质物料之间的混合，这种混合，常称之为返混，以区别于前一种混合。26.返混的原因造成返混的原因是由于反应器内物料的环流运动，或者更一般地说由于物料在连续反应器中空间的反向运动造成的。造成返混的另一个原因是反应器中物料不均匀的流速分布。由此可见，返混产生的原因主要是二个：设备中存在有不同尺度的环流 不均匀的速度分布 27.限制返混的措施限制返混的主要措施是分割。通常有横向分割和纵向分割之分，其中重要的是横向分割。为了减少返混，工业上常采用多釜串连的操作，这是横向分割的典型例子。当串连釜数足够多时，这种连续多釜串连的操作性能就很接近平推流反应器的性能。为了限制返混，对高径比较大的流化床反应器，常在其内部装置横向挡板以减少返混。而对高径比较小的，则可设置垂直管作为内部构件，也就是纵向分割的一例28.单釜和多釜串连操作时的反应物浓度水平29.釜式反应器的搅拌器搅拌目的 使物料混和均匀,强化传热和传质。包括均相液体混合；液-液分散；气-液分散；固-液分散；结晶；固体溶解；强化传热等搅拌液体的流动模型 液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的“流动模型”，简称“流型”。30.釜式反应器的搅拌器打漩现象(a)轴向流(c)切线流(b)径向流31.常用搅拌器的型式、结构和特点在化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置，典型的机械搅拌装置包括1、搅拌器：包括旋转的轴和装在轴上的叶轮；2、辅助部件和附件：包括密封装置、减速箱、搅拌电机、支架、挡板和导流筒等。搅拌器是实现搅拌操作的主要部件，其主要的组成部分是叶轮，它随旋转轴运动将机械能施加给液体，并促使液体运32.桨式搅拌器由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。桨式搅拌器的转速较低，一般为2080rmin。桨式搅拌器直径取反应釜内径Di/32/3，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。桨式搅拌器适用于流动性大、粘度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。33.釜式反应器34.各式反应器35.酶反应器36.什么是酶反应器 酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。37.理想的酶反应器的要求n生物反应器设计的主要目标：使产品的质量最高，生产成本最低。n评价生物反应器的主要标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低。n(1)(1)所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。(2)(2)能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。(3)(3)应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。(4)(4)应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。38.常见的酶反应器类型n按结构区分p搅拌罐式反应器（Stirred Tank Reactor,STR）p鼓泡式反应器(bubble column reactor,BCR)p填充床式反应器(packed column reactor,PCR)p流化床式反应器(Fluidized Bed Reactor,FBR)p膜反应器(Membrane Reactor,MR)n按操作方式区分p分批式反应(batch)p连续式反应(continuous)p流加分批式反应(feeding batch)39.各种酶反应器的特点40.41.(1)(1)间歇式酶反应器n又称为批量反应器（Batch Reactor BSTRBSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。n优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。n缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶。42.(2)(2)连续式酶反应器n又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor,CSTRCSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。n优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。n缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。反应液出口 43.(3)(3)填充床反应器n填充床反应器（Packed Reactor,PBR）,又称固定床反应器。将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）。n优点是：高效率、易操作、结构简单等，因而，PBR是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。n缺点是：传质系数和传热系数相对较低。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PBR。44.(4)(4)流化床反应器n流化床反应器（Fluidized Bed Reactor,FBR）。n特点是：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶液，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。45.(5)(5)鼓泡式反应器n鼓泡式反应器(bubble column reactor,BCR)是利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器。也是一种无搅拌装置的反应器。n鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。在使用鼓泡式反应器进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。n鼓泡式反应器的结构简单，操作容易,剪切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给二氧化碳等。46.(6)(6)膜反应器n膜反应器（membrane reactor,MRMR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。n用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的一种生物反应器。n膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的是中空纤维反应器。47.酶反应器的选择和使用n影响酶反应器选择的因素很多，但一般可以从以下几个方面考虑：p酶的形式(游离/固定化.)p固定化酶的形状p底物的物理性质p酶反应动力学性质p酶的稳定性p操作要求p反应器制造、控制成本48.酶反应器使用中应注意的问题n酶的稳定性对酶反应器的功效是很重要的。在操作过程中，有时需要用酸或碱来调节反应液pH。如果局部的pH过高或过低，就会引起酶的失活，或者使底物和产物发生水解反应。这时，可用加快搅拌已促使混合均匀。n如果底物和产物在反应器中不够稳定的话，可以采用高浓度的酶，以减少底物和产物在反应器中的停留时间，从而减少损失。49.n防止微生物污染n酶反应器操作中，生产能力逐渐降低，主要原因是固定化酶活性降低或损失。造成固定化酶活性损失的原因：p（1）酶本身的失活；p（2）酶从载体上脱落；p（3）载体的破碎或溶解。50.酶反应器的设计n1 1、确定酶反应器的类型p酶反应器的设计，首先要根据酶、底物和产物的性质，按照上一节所述的选择原则，选择并确定反应器的类型。n2 2、确定反应器的制造材料p由于酶催化反应具有条件温和的特点，通常都是在常温、常压、pH近乎中性的环境中进行反应，所以酶反应器的设计对制造材料没有什么特别要求，一般采用不锈钢制造反应容器即可。51.n3 3、进行热量衡算p酶催化反应一般在3070的常温条件下进行，所以热量衡算并不复杂。温度的调节控制也较为简单，通常采用一定温度的热水通过夹套（或列管）加热或冷却方式，进行温度的调节控制，热量衡算是根据热水的温度和使用量计算。对于某些耐高温的酶，例如高温淀粉酶，可以采用喷射式反应器，热量衡算时，根据所使用的水蒸气热焓和用量进行计算。n4 4、进行物料衡算p酶反应动力学参数/底物用量/酶量/反应体积/反应器数量52.生物反应器53.生物反应器的概念提出n1 生物反应器设计特点与生物学基础生物反应器的设计除与化工传递过程因素有关外，还与生物的生化反应机 制、生理特性等因素有关。2生物反应器的特点及操作特性n生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点是生物（酶除外）反应都以“自催化”54.n（Autocalalysis)方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自身要 生长繁殖。另外，1、由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应速率不高；2、与其他相当生产规模的加工产品相比，规模较大；3、对于好氧反应，因通风 与混合等，动力消耗高；4、产物浓度低。55.生物反应器的作用n就是为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生 物体能更快更好地生长，得到更多需要的生物量或代谢产物。不同类型的工业用生物反应器中，基质、产物和生物体浓度会随时间和生物 反应器内的位置而变化。这些生物反应器的操作特性及其应用领域。高效生物反应器的特点是设备简单，结构严密，良好的液体混合性能，较高 的三传速率，能耗低，易于放大，具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。判断 生物反应器好坏的标准应是该装置能否适合工艺要求，以获得最大的生产效率。56.生物反应器的生物学基础n对生物反应器进行定量研究的基础是生物反应动力学。生物反应动力学研究n的目的是要定量描述反应过程速率及其影响因素。影响因素不仅包括生物体自 身、各反应组分的浓度、温度及溶液性质，还包括反应器的结构与形式、操作方 式、物料的流动与混合、传质和传热等。生物反应速率主要指细胞生长速率、基 质消耗速率和产物生成速率。57.生物反应器设计的基本原理n最大限制地降低成本，用最少的投资来最大限度地增加单位体积产率是生物 反应设计的主要目的。生物反应器的设计原理是基于强化传质、传热等操作，将 生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。58.59.n气升式和鼓泡式反应器n气升式和鼓泡式反应器与机械搅拌通风反应器的不同在于无机械搅拌。这类 反应器的特点是结构简单，氧传递效率高，耗能低，安装维修方便等。n气升式反应器n气升式反应器有多种形式，比较典型的两种形式如图 7-12。空气在喷嘴口以 250300m/s 的高速喷入环流管。由于喷射作用，气泡被分散于液体中，上升管 内的反应液比重较小，加上压缩空气的动能使液体上升，罐内液体下降进入上升管，形成气液混合流连续循环流动。罐内培养液中的溶解氧由于菌体的代谢而 逐渐减少，当其通过环流管时，由于气液接触而被重新达到饱和。60.n n 结束61.