环境工程反应动力学和反应器的设计与操作

内容简介

本书是针对环境工程专业的特点，为天津大学环境工程专业研究生课程“高级环境工程原理”编写的一本配套教材。本教材主要对环境工程中的反应动力学和反应器的设计与操作两部分内容进行系统、深入的阐述，具有较强的理论性和系统性，体现了环境工程专业的特色。其中，反应动力学部分首先概述了一 般反应动力学的概念和基本解析方法，在此基础上详细介绍了环境工程中常见的反应过程，固相催化反应、多相催化反应、气液相化学反应、光化学反应和微生物反应等过程的基本概念和动力学解析方法。反应器的设计与操作部分主要讲述了均相化学反应器、固相催化反应器、气液相反应器和微生物反应器的基本理论及设计、操作方法等。本教材从环境工程的实际需求出发，通过与环境工程实践紧密结合的例题，对基本原理进行深入浅出的阐述，注重分析问题和解决问题能力的培养，能满足不同学科背景的环境工程专业学生的需求。

沸腾床加氢反应器由于其独特的结构和操作模式使其具有如下优点：

①操作灵活，可以在高或低转化率下操作；

②可以周期性地从反应器中回收或添加催化剂，在不停工的情况下可以保持催化剂的反应活性；

③通过循环泵使催化剂床层膨胀30%～50%，保证催化剂固体颗粒之间有足够大的自由空间；可以避免由原料夹带或反应过程产生的固体微粒在穿越催化剂床层过程中产生累积、床层堵塞或床层压力降增加的问题；

④使用小粒径催化剂能显著降低扩散的限制，提高了反应速率，也不易发生金属沉积堵塞催化剂孔道的情况；

⑤良好的热转移，使催化剂床层的过热最小化，并能减少焦炭形成；

⑥沸腾床反应器近似于等温操作，在工业化的沸腾床装置中，反应器中任何两点的温度差都低于5℃，可以避免局部过热。

但国外的沸腾床加氢反应器也存在如下缺点：

①沸腾床为全返混反应体系，与固定床的活塞流反应体系相比，转化率低，这可以通过将几个沸腾床反应器串联得到部分改善；

②催化剂易发生磨损，所以要求催化剂必须具有较强的机械稳定性和抗磨损能力；

③由于沸腾床使用较小尺寸的催化剂颗粒，并且反应器中催化剂的固含率较低，使得沸腾床反应器的体积大于固定床和移动床的反应器；

④催化剂消耗量较大；

⑤需要密切监测反应器停滞区域，阻止该区域的扩大，它会导致操作不稳定；

⑥沸腾床反应通常在高温下操作，所以容易形成沉积物；

⑦沸腾床反应器的设计和工业放大要比其他反应器更加困难，因为这涉及多种因素：原料组成、催化剂性质、催化作用和反应动力学、流体力学、催化剂小球与床层之间的热量和质量传递等。 2100433B

反应器按操作方式可分为：

①间歇釜式反应器,或称间歇釜。

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。

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。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。

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。

②连续釜式反应器,或称连续釜

)。可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体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。

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。

③半连续釜式反应器。

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。

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）。

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。