连续陶瓷膜反应器的研制与工程应用

2011年度国家科学技术进步奖二等奖。

主要完成人：邢卫红，徐南平，范益群，陈日志，金万勤，景文珩，仲兆祥，漆 虹，刘 飞，杨 刚

主要完成单位：南京工业大学，南京九思高科技有限公司

连续换热研究背景

反应器是食品添加剂、芳香除臭剂、脂肪酸及其衍生物等行业生产中的关键设备，是生产过程中一系列设备中的核心设备，反应器的型式、尺寸大小等，在很大程度上决定着产量和质量，因此反应器的选型、设计计算和选择最优化的操作条件，是化工生产中极为重要的课题。

反应器多种多样，根据结构型式可分为塔式反应器、管式反应器和釜式反应器。根据操作方式可分为间歇、连续、半连续(或半间歇)三种方式。管式反应器是应用较多的一种连续操作反应器，常用的管式反应器有水平管式反应器、立管式反应器、盘管式反应器和U形管式反应器等型式。由于管式反应器结构简单、加工方、便耐高压、传热面积大，特别适用于强烈放热和加压下的反应，易实现自动控制、节省动力、生产能力高等特点，因此广泛用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应。为保证式反应器内具有良好的传热与传质条件，使之接近于理想置换反应器，一般要求流体在管内作高速湍流运动。管式连续换热催化反应器设计的基本内容是：选择合适的反应器型式；确定最佳的工艺条件；计算需要的反应器体积。设计计算中所应用的基本方程式是物料衡算式、热量衡算式和反应动力学方程式，反应过程如有较大的压力降并影响反应速度时，还要加上动量衡算式。管式连续换热催化反应器的设计计算也就是上述方程组的求解。

连续换热物料衡算

由于反应器内温度和反应物浓度等参数随空间或时间而变，化学反应速度也随之改变，因而必须选取上述参数不变的微元体积和微元时间作为物料衡算的空间基准和时间基准。

对理想管式流动反应器建立物料衡算式，可以得到理想管式流动反应器的基础设计方程式。物料在管式流动反应器内进行理想置换流动时，物料衡算式有如下特点：

（1）物料流动处于稳定状态，反应器内各点物料浓度、温度和反应速度均不随时间而变，故可取任意时间间隔进行衡算。

（2）沿流动方向物料浓度、温度和反应速度的改变。

（3）稳定状态下，微元时间、微元体积内反应物的积累量为零。

物料衡算式给出了反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。

连续换热热量衡算

反应均有显著的热效应，因此随着化学反应的进行，物系的温度也有所变化，而温度变化又会影响反应速度，必须通过热量衡算计算反应器内各点温度(或各个时间的温度)，进而确定该点(或该时间)的化学反应速度。

与物料衡算一样，应选取温度和浓度等参数不变的微元时间和微元体积为基准。计算热量时，同一热量衡算式内各项热量应取同一基准温度。

热量衡算式给出了温度随反应器内位置或时间变化的函数关系式。物料衡算式、热量衡算式和反应动力学方程式是相互依存、紧密联系的。在物料衡算和热量衡算联立方程时，必须知道反应器内物料流动混合状况，因为

流动混合状况影响着反应器内的浓度和温度分布。生产实际中，细长型的管式流动反应器，可以近似地看成理想置换反应器。

连续换热研究结论

进行一个特定的化学反应，采用数学模拟法完成反应器的放大设计后，还需结合反应特点通过对反应器的性能进行比较而选择适宜的反应器型式和操作方式。比较的依据为：第一，生产能力，即单位时间单位体积反应器所能得到的产物量，也就是在得到同等产物量时所需反应器体积大小的比较。第二，反应的选择性，即主副反应产物的比例。副产物的多少影响着原料的消耗量、分离流程的选择及分离设备的大小，因此应选择能提高主反应产物的操作方式。反应的选择性往往是复杂反应的主要矛盾，采用数学模拟法可使这一反复过程变得相对简单些。 必须指出，采用数学模拟法并不是说可以完全脱离实验数据，相反，它需要更为精确的实验数据验证模拟计算过程和结果正确性，只是需要的实验量较小。 2100433B

连续搅拌槽反应器continuous stirred tank reartnr:CSTR又称连续搅拌反,}j釜。操作方式为连续进料、连续反应、连续出料，为带有搅拌桨11}的槽式反应设备。

在稳态操作时，反应器}aJ一部位的操作参数不随时间而变，有利干产品质量控制和过程自动控制。与间歇反应器操作方式不同，没有装料、卸料、升温等不发生化学反应的辅助时间，因而生产能力较大，