化学反应器

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January 21, 2022

化学反应器是在其中发生化学反应的设备,在此期间原材料被转化为所需的产品。化学反应器的设计和运行是包括化学工程师在内的化学工业专业人员最重要的任务之一。化学反应器的设计需要对反应器中进行的化学反应有正确的理解,为此,有必要掌握化学热力学、化学动力学和数学等科学。化学反应器可以大规模制造用于工业用途,也可以小规模制造用于实验室和研究应用。经济方面也影响反应堆的优化设计。其中包括花费更少来设计更高效和更小的反应器,花费更少的能源生产更多的产品,使原材料达到最高的转化率,以及提高工艺效率。在反应器的设计中,许多参数如:停留时间(τ {\ displaystyle \ tau})、体积(V)、温度(T)、压力(P)、化学物质浓度(C1、C2、C3、. .., Cn )、传热系数 (U, h)、反应速率 (r) 和 دارند 都涉及。化学反应器是根据反应类型和不同形式的应用设计的,并具有增加其复杂性的特殊细节。然而,反应器可以分为几个大的和一般的类别,包括连续和不连续反应器、床或固定床反应器、管状和储层反应器,或均质和非均质反应器。反应器的行为通常用称为反应器方程的方程来表示,不同类型的反应器不同,表达了反应器中有效参数之间的数学关系。停留时间(τ {\ displaystyle \ tau}),体积(V),温度(T),压力(P),化学物质浓度(C1,C2,C3,...,Cn),传热系数(U , h), 反应速度 (r) 和 دارند 都涉及。化学反应器是根据反应类型和不同形式的应用设计的,并具有增加其复杂性的特殊细节。然而,反应器可以分为几个大的和一般的类别,包括连续和不连续反应器、床或固定床反应器、管状和储层反应器,或均质和非均质反应器。反应器的行为通常用称为反应器方程的方程来表示,不同类型的反应器不同,表达了反应器中有效参数之间的数学关系。停留时间(τ {\ displaystyle \ tau}),体积(V),温度(T),压力(P),化学物质浓度(C1,C2,C3,...,Cn),传热系数(U , h), 反应速度 (r) 和 دارند 都涉及。化学反应器是根据反应类型和不同形式的应用设计的,并具有增加其复杂性的特殊细节。然而,反应器可以分为几个大的和一般的类别,包括连续和不连续反应器、床或固定床反应器、管状和储层反应器,或均质和非均质反应器。反应器的行为通常用称为反应器方程的方程来表示,不同类型的反应器不同,表达了反应器中有效参数之间的数学关系。化学反应器是根据反应类型和不同形式的应用设计的,并具有增加其复杂性的特殊细节。然而,反应器可以分为几个大的和一般的类别,包括连续和不连续反应器、床或固定床反应器、管状和储层反应器,或均质和非均质反应器。反应器的行为通常用称为反应器方程的方程来表示,不同类型的反应器不同,表达了反应器中有效参数之间的数学关系。化学反应器是根据反应类型和不同形式的应用设计的,并具有增加其复杂性的特殊细节。然而,反应器可以分为几个大的和一般的类别,包括连续和不连续反应器、床或固定床反应器、管状和储层反应器,或均质和非均质反应器。反应器的行为通常用称为反应器方程的方程来表示,不同类型的反应器不同,表达了反应器中有效参数之间的数学关系。反应器的行为通常用称为反应器方程的方程来表示,不同类型的反应器不同,表达了反应器中有效参数之间的数学关系。反应器的行为通常用称为反应器方程的方程来表示,不同类型的反应器不同,表达了反应器中有效参数之间的数学关系。

化学反应的概念

化学反应是一种或多种物质转化为其他物质的过程。原材料是经济价值较低的材料,而产品是更有价值的材料。了解动力学和反应机理是设计工业反应器的重点之一。速度方程、平衡或非平衡、参与反应的物质的相(固体、液体、气体),是热还是热,以及催化剂对反应的影响,都在反应堆设计中最重要的一点。

反应动力学

化学反应的动力学是对化学反应发生机制的研究。化学动力学科学完全涉及反应如何进行、副反应、产生的中间体以及反应的许多细节。反应速率及其对参与反应的物质浓度的依赖性使用称为速度方程的关系来表示。一般来说,单位时间内反应中物种浓度的变化定义为相对于该物质的反应速率。例如,对于简单的反应A→B,速度方程如下,这是第一个-有序反应:r A d [A] d t {\ displaystyle r_ {A {{\ frac {d [A]} {dt}} واکنش 反应速度方程也可以改写如下。应该注意的是,在以下等式中,负号通常表示物种 A {\ displaystyle A..类似地,正号用于产生物种 B {\ displaystyle B..- r A k [A] n {\ displaystyle -r_ {A} k [A] {{n}} 在这个方程中 k {\ displaystyle k است 是一个被称为“反应速率常数”的常数,而数字 k { 较大的 \displaystyle k واکنش 表示响应更快。 N {\ displaystyle n 也表示反应速率取决于浓度 A {\ displaystyle A 的程度,即相对于物质 A {\ displaystyle A..此参数通常是 0 到 3 之间的数字。此外,如果存在不止一种反应物,则反应的总程度由反应物能力的总和得出。有多种方法可以获得这些方程;无论是理论方法还是实验室数据的使用。

反应的热力学

用能量来研究反应属于化学热力学领域。反应热和反应中交换的能量是这门科学的重点。这很重要,因为必须为反应堆设计加热或冷却系统,以确保良好的能量交换。能量交换系统中任何类型的故障或错误计算的存在都会破坏反应、产品质量、产品数量甚至人力和财务风险。例如,在极热反应中,如果反应中产生的热量没有很好地交换,反应器内部温度的异常升高会导致体积和压力增加,而在产气剧烈的反应中,可能会导致爆炸。

催化剂和抑制剂对反应的影响

催化剂是通过干扰反应和改变反应路径来提高反应速率的物质。催化剂用于通常以低速进行的反应。相比之下,还有其他称为抑制剂的物质类似于催化剂,只是将其添加到反应中会减慢甚至停止反应。抑制剂特别用于聚合物工业和控制化学反应器中的聚合过程。催化剂和抑制剂可以均匀地应用于反应材料的相,称为均相催化反应。催化剂和参与反应的材料不在同一相的反应称为非均相催化反应,这些材料通常在过程中以非常低的百分比和各种形式使用。催化剂或抑制剂可以永久地存在于化学反应器中并且反应物可以在接触时被除去。或者,可以将这些材料以粉末或其他形式注入反应器中,然后除去。例如,在床催化裂化过程中,沸石催化剂以粉末形式注入反应器。催化剂饱和后,与产物一起从工艺中取出,分离回收后注入反应器。这样,这个循环不断地继续,过程中的催化剂始终在循环中。催化剂饱和后,与产物一起从工艺中取出,分离回收后注入反应器。这样,这个循环不断地继续,过程中的催化剂始终在循环中。催化剂饱和后,与产物一起从工艺中取出,分离回收后注入反应器。这样,这个循环不断地继续,过程中的催化剂始终在循环中。

反应类型

注意反应的性质和类型在反应器设计中也非常重要。例如,在单向反应中,几乎所有反应物都以特定的化学计量比使用。但在封闭系统的平衡反应中,在一定的温度和压力下,原料和生产原料经过一段时间后相互平衡,即随着时间的推移,原料的浓度不变,有些原料不变。在系统中做出反应。仍然存在。使用称为 Loshatelie 原理的原理研究平衡反应的行为。在竞争反应中,一种或多种导致产生未使用材料的不良反应与主要反应同时发生。在这种类型的反应中,必须设计工艺参数以生产尽可能多的所需材料。在串联反应中,几个反应依次进行以产生最终产物。换句话说,一般反应是由几个反应的组合产生的。在这种类型的反应中,反应的总速度取决于最慢反应的速度。

反应堆的基本概念

局部化学反应器用于进行化学反应。反应器可用于大型工业装置中化学品、药品和石化产品的大规模生产,或用于小尺寸的研究和研究。反应器的设计根据反应机理以及反应类型和参与反应的材料的相而变化。在化学反应器的设计中,设计者可以改变一些参数,如进出口物料的温度、压力和流量。然而,一些参数,例如反应的性质,无论是热还是热,气体或材料体积的变化,都是与反应性质相关的东西,设计者无法获得.从所有这些情况可以得出结论,反应器设计为连续或封闭形式,固定床或湍流床,在压力或大气压下,或具有催化剂作用或不具有催化剂作用。几乎所有反应器中都存在并且对于理解反应器及其性能很重要的一些参数可以如下提及:

反应器方程

反应器方程是一种数学关系,它显示反应器参数,例如快速反应的停留时间和反应器体积。这些方程可以推广到特定类别的反应器或针对特定类型的反应器通过实验获得。

保留时间、半衰期和反应结束时间

在连续式反应器中,原料不断进口,产品不断出口,无法指定原料反应和转化为产品的具体时间。因此,使用了一个称为保留时间的量。平均停留时间是粒子进入反应器并在那里反应直到它离开的时间。这个量表示如下: 在这个方程中,V {\ displaystyle V} 代表反应器体积,q {\ displaystyle q حج 反应器的体积流量入口和出口,τ {\ displaystyle \ tau} 停留时间。保留时间是反应器方程中使用的参数之一,半衰期是注入反应器的原料的一半浓度转化为产物的时间段。例如,在简单的反应 A → B 中,反应的半衰期定义如下:- r A k [ 一 ] n ⟶ - d [ 一 ] d t k [ 一 ] n ⟶ - d [ 一 ] [ 一 ] nkdt {\ displaystyle -r_ {A} k [A] ^ {n} \ longrightarrow {\ frac {-d [A] {{dt}} \!k [A] ^ {n} \ longrightarrow {\ frac {- d [A] {{[A] {{n}}} \!kdt} 从这个关系中,我们通过考虑以下边界条件来取积分: Species concentration A {\ displaystyle A} from [A] 0 {\ displaystyle [A ] _ {0}} 更改为 [A] 1 2 {\ displaystyle [A] _ {\ frac {1} {2}} \!} 这是初始浓度的一半。时间从时刻 0 变化到半衰期 (t 1 2 {\ displaystyle t _ {\ frac {1} {2}} \!})。∫ [ 一 ] 0 [ 一 ] 1 2 - d [ 一 ] [ 一 ] n ∫ 0 t1 2 k d t ⟶ ( - [ 一 ] 0 2 ) 1 - n 1 - n + [A] 0 1 - n 1 - nkt 1 2 {{\ displaystyle \ int _ {[A] _ {0}} ^ A [A] _ {\ frac {1} {2}} \!} {\ Frac { -d [A] {{[A] ^ {n}}} \, \ int _ {0} ^ {t _ {\ frac {1} {2}} \!} k \, dt \ longrightarrow {\ frac , (- {\ frac {[A] _ {0}} {2}} \!) ^ {1-n}} {1-n}} \! + {\ frac {[A] _ {0} ^ ^ 1-n}} {1-n}} \!Kt _ {\ frac {1 {{2}} \!\Longrightarrow} 反应结束时间也可以通过类似的方式得到如下。需要注意的是,只有 n <1 {\ displaystyle n <1. 的反应才是最终反应,否则反应器中的某些原料始终未反应。- r A k [ 一 ] n ⟶ - d [ 一 ] d t k [ 一 ] n ⟶ - d [ 一 ] [ 一 ] nkdt {\ displaystyle -r_ {A} k [A] ^ {n} \ longrightarrow {\ frac {-d [A] {{dt}} \!k [A] ^ {n} \ longrightarrow {\ frac {- d [A] {{[A] {{n}}} \!kdt} 从这个关系中,我们通过考虑以下边界条件来取积分: Species concentration A {\ displaystyle A} from [A] 0 {\ displaystyle [A ] _ {0}} 变为 [A] 0 {\ displaystyle [A] 0},表示原料浓度为零。时间从时刻 0 变化到反应结束 (t e n d {\ displaystyle t_ {end}.)。∫ [ 一 ] 0 0 - d [ 一 ] [ 一 ] n ∫ 0 t e n d k d t ⟶ (0 ) 1 − n 1 − n + [ A ] 0 1 − n 1 − nktend ⟶ {\displaystyle \int _{[A]_{0}}^{0}{\frac {-d[A]}{ [A]^{n}}}\,\int _{0}^{t_{end}}k\,dt\longrightarrow {\frac {(0)^{1-n}}{1-n}}\!+{\frac {[A]_ {0}^{1-n}}{1-n}}\!kt_{end}\longrightarrow }

反应器中的传热

该过程的热传递在操作和安全方面都非常重要。大多数化学反应要么是放热的,要么是吸热的。结果,反应器的内容物可能在反应过程中被加热或冷却。反应堆中的过度温升会导致反应堆及其控制设备发生故障,最重要的是,会增加爆炸和材料泄漏的风险。此外,如果反应过热,反应器的内容物会随着反应的进行而变冷,并可能减慢反应速度或冻结反应器及其设备。因此,反应堆的温度必须始终保持安全无虞。转换器和传热设备用于此目的。控制反应器温度的最常见方法之一是使用热交换夹套或盘管。在夹套中,一层具有较高或较低温度以调节温度的流体在反应器周围不断旋转,而不会与反应器内容物发生质量接触。在盘管法中,含有较冷或较热流体的管子以螺旋或其他形状围绕反应器放置,以与反应器进行热交换。

反应器中的搅拌和传质

反应器中的搅拌和传质过程非常重要,因为如果反应器内的内容物不能很好地混合,有可能一些材料不会发生反应,从而导致产品质量下降。使用连接到轴和电动机的旋转搅拌器在罐形反应器中进行搅拌。在管式反应器(塞子)中,由于反应器的形状,混合沿管发生流体运动。搅拌器的形状、位置和转速取决于罐容积、罐形状、流体粘度等因素。此外,搅拌器材料和反应器主体的选择取决于反应器内部的材料。例如,如果反应器内部的材料具有腐蚀性,那么使用钢材和可以腐蚀的材料是不合理的。在这种情况下,选择替代材料或在设备上涂上陶瓷釉料或聚合物涂层是防止腐蚀和不良反应的好方法。

化学反应器的类型

化学反应器具有复杂的设计,有时针对特定过程已经发展了数年。许多参数影响反应器的设计和形状,从而导致反应器种类繁多。但是根据一些基本参数,反应堆可以分为几大类,我们将在下面讨论。

根据参与反应的相的类型的反应器

反应器中的反应可以是均相的(所有材料都在一个相中)或多相的(参与反应的材料在不同的相中)。这对反应堆的设计造成了限制。气体反应是通常在管式反应器中进行的均相反应的例子。多相反应器根据反应中涉及的相具有不同的形状,但这些反应器中的重点是在相之间产生适当的传质和接触以进行反应。下表按反应所涉及的相及其工业样品显示了化学反应器的类型:

封闭和半封闭反应器

封闭式反应器是一种简单类型的化学反应器,它是带有搅拌器和热交换系统的水库。在这些反应器中,原料填充在反应器内,然后发生反应。反应完成生成产物后,在反应器中打开,排出产物。这个过程可以一遍又一遍地重复。半封闭反应器也是如此,只是在这种类型的反应器中,原料缓慢加入罐中,但反应器没有输出。封闭式反应器主要用于生产小规模产品和具有横截面或季节性需求的产品。药物等物质属于封闭系统中产生的物质。使用封闭式反应器改变工艺形状比连续工艺更容易且更具成本效益。了解封闭反应器中过程的动力学和机理不太重要,这就是为什么制药过程的主要动力学未知的原因。封闭反应器的一般方程定义如下:− r A − d [ A ] dt ⟶ dtd [ A ] − r A ⟶ {\displaystyle -r_{A}{\frac {-d[A]}{dt}}\!\longrightarrow dt{\frac {d [A]}{-r_{A}}}\!\ longrightarrow} 通过在以下边界条件下积分高微分方程,我们得出反应器的一般方程取决于浓度。物种 A {\ displaystyle A تغییر 的浓度从 [A] 0 {\ displaystyle [A] _ {0}} 到 [A] 0 {\ displaystyle [A] _ {0}} 变化,即最终浓度。时间从时刻 0 变化到反应完成 (t {\ displaystyle t.)。物种 A {\ displaystyle A تغییر 的浓度从 [A] 0 {\ displaystyle [A] _ {0}} 到 [A] 0 {\ displaystyle [A] _ {0}} 变化,即最终浓度。时间从时刻 0 变化到反应完成 (t {\ displaystyle t.)。物种 A {\ displaystyle A تغییر 的浓度从 [A] 0 {\ displaystyle [A] _ {0}} 到 [A] 0 {\ displaystyle [A] _ {0}} 变化,即最终浓度。时间从时刻 0 变化到反应完成 (t {\ displaystyle t.)。

连续反应器

连续反应器是一种常见的反应器类型,其中一个或多个电流进入系统,将反应物带入反应器,反应后,产物离开反应器出口。通常,这些反应器的入口和出口流量是恒定的。否则有可能反应罐溢出或快速排放。以下是连续反应器的一般平衡方程: 这些类型的反应器主要用于生产大批量产品和市场需求量恒定的产品。其中包括燃料、石化产品、清洁剂和卫生产品。对连续反应器进行更改比封闭反应器要困难得多,因为在连续过程中,所有过程都必须协同工作。出于这个原因,这种类型的反应器用于生产彼此非常相似的一种或多种产品。两种常见类型的连续反应器是搅拌罐反应器和塞式(或管式)反应器: 塞式反应器 塞式反应器是一种连续反应器,其中使用管而不是罐进行反应。这些类型的反应器比它们的水库形式占用更少的空间。同时,由于管状结构,表面与环境的接触更多,热交换更容易。塞流是管道内的一种流体流动,其中流体的速度在管壁附近和管道中心处是均匀的。这允许反应物接触和反应均匀。这种类型的流动是由长而窄的管子产生的。螺旋管也有帮助。塞式反应器的一般方程定义如下: 在该方程中,q {\ displaystyle q} 表示体积流量,V P {\ displaystyle V_ {P}} 表示塞式反应器的体积。此外,该类型连续反应器中的停留时间关系如下:τ PCA 0 VPFA 0 VP q {\displaystyle {\tau }_{P}{C_{A}}_{0}{\frac {V_{P}}{{FA}_{0}}}\!{ \frac {V_{P}}{q}}\!} 在这方面 CA 0 {\ displaystyle {C_ {A}} _ {0}} 表示输入反应器的初始浓度,FA 0 {\ displaystyle {F_ {A}} _ {0}} 表示质量进料的流速是输入。搅拌罐反应器搅拌罐反应器,也称为CSTR反应器。这些反应器是罐的形式,带有输入和输出,通过轴和叶轮混合和搅拌材料。这些类型的连续反应器比插入式反应器需要更多的体积,但具有更大的生产量。这类反应器在浓度方面的一般方程定义如下: 在这个方程中,V m {\ displaystyle V_ {m}} 表示 CSTR 反应器的体积。需要注意的是,在这个关系中,方程的速度是在反应的终点计算的 (C A f) {\ displaystyle ({C_ {A}} _ {f})..该类反应器的停留时间与塞式反应器类似,可定义如下:τ m CA 0 V m FA 0 V mq {\displaystyle {\tau }_{m}{C_{A}}_{0}{\frac {V_{m}}{{FA}_{0}}} \!{\frac {V_{m}}{q}}\!}}}}}}}}}

固定床反应器和床液

其他类型的反应器是固定床反应器和床流体。在固定式反应器中,通常是催化剂的固体物料床永久位于反应器内部,反应物在通过这些物料后发生反应并离开反应器。填充反应器是这种类型的反应器的一个例子。这种类型的反应器的一个例子用于净化来自化石燃料发电厂的废气。在这种类型的发电厂中,在燃烧过程之后,含有有害氮化合物的气体通过含有催化剂的反应器,将有害化合物转化为危害较小的物质。在流体反应器中,固体床被反应器内的流体流动悬浮。这些固体可以是反应物、催化剂或抑制剂。这个过程增加了反应器中的质量和热传递以及更完全的组分混合。这种类型的反应器的另一个优点是可以从反应器中连续去除固体并将其转移到另一个单元中。例如,当需要再生器和催化剂时,可以将它们从反应器中取出并转移到回收单元。

画廊

依赖查询

生物反应器 反应器 核心浮式反应器 化学工程 膜 质量平衡

笔记

脚注

资源

贾法里·纳斯尔,穆罕默德·礼萨 (2010)。“模拟床流体的催化失效反应并研究汽油生产中的工艺参数”(PDF)。伊朗化学工程杂志。德黑兰:伊朗化学工程协会。9 (52)。沙巴 1735-5400。朗斯皮尔,八度(2005)。化学反应器的设计。莫尔特萨·索拉比翻译。德黑兰:阿米尔卡比尔科技大学圣战大学。国际标准书号 964-8737-02-9。莫蒂默,查尔斯(2004 年)。普通化学。第二。由帮助者耶稣翻译。德黑兰:大学科学出版社。国际标准书号 964-6186-33-5。霍伊尔,威廉 (2004)。半工业单位和化学过程的扩大。Mohsen Mohsen Nia 翻译。德黑兰:阿米尔卡比尔科技大学出版社。国际标准书号 964-463-233-8。

外部链接

在 MATLAB 软件中模拟 CSTR 反应器