串聯反應器

為了節約能源，提高經濟效益，現代化工裝置需要有較大規模和對產品進行深加工的能力，單台反應器很難滿足要求。因而需要將相同或不同型式和大小的單個反應器串聯組合起來使用，即需要串聯反應器。

基本介紹

• 中文名：串聯反應器
• 外文名：series reactor

簡介

反應器是各種化工設備中關鍵性的設備，在反應器中不僅發生物理變化，而且發生化學變化，由於它的作用，決定了反應的轉化率、產率、副產品的生成量和三廢的組成與數量，因此反應器的選型是十分重要的。

多釜串聯反應器是化學反應工程中的基本反應器類型，廣泛地運用於化學工業。通常活塞流反應器有著較高的轉化率，但如物料的粘度大，停留時間要求較長，就需要採用連續攪拌釜式反應器在這種情況下，為了提高反應的推動力，有效辦法是採用多釜串聯反應器，即將多個反應器用串聯的方式連線起來。其結構如圖所示。

串聯反應器設計基礎

設計要求

設計化工反應器要滿足下述要求：

（1）化學因素：動力學數據，必須提供達到規定的轉化率時反應所需要的停留時間。

（2）傳質因素：對於非均相反應，反應過程速率可能是擴散控制，而不是化學動力學控制。

（3）傳熱因素：反應熱的移出和加入。

（4）安全因素：危險的反應物和產品的限制，反應和過程條件的控制。

這些互相聯繫的有時是互相矛盾的因素使反應器的設計複雜化和困難，然而在許多情況是一個因素占優勢，由它決定反應器的型式和設計方法的選擇。

反應器設計的基本衡算式

在工業反應器中，發生化學反應時，總是伴隨著傳質、傳熱等物理過程。這些物理過程對化學反應速率都有直接的影響。所以設計反應器時，必須綜合起來考慮，通常反應器設計的基本方程（或稱反應器的數學模型）是由物料衡算式、熱量衡算式和化學反應動力學方程式組成。

串聯反應器的套用

混合多級串聯反應器在草甘膦生產中的套用

草甘膦是有機磷類內吸傳導性廣譜滅生性除草劑，化學名稱為N-（膦酸甲基）甘氨酸，其它名稱有農達、鎮草寧、膦乾酸、草乾磷、Roundup、Mon -0573等。草甘膦的使用範圍較廣泛,是目前農藥使用量中最大噸位的一個產品，有著較好的市場前景,但隨著國內廠家的增多，其競爭越將激烈，為此提高產品的生產效率、降低成本成為各生產企業競相研究的重點。

目前，國內草甘膦的生產工藝仍以甘氨酸法為主，占目前國內草甘膦產量的60%以上。在甘氨酸法草甘膦生產工藝中，目前基本上都採用間歇化單眼應器生產，有些企業為了擴大規模，採取單純增加反應器個數，這必然會增大固定資產的投資和操作人員的增加等，不利於成本的競爭。生產率的提高和單位成本的降低（通常總是把它等同於規模經濟）主要是來自通過能力在數量上和速度上的增加，而不是工廠或設備在規模上的擴大。因此有研究者通過對混合多級串聯反應器設計的初步研究，並將其套用於草甘膦的生產，目的就是使生產連續化，提高生產率，降低產品成本。

結果證明：採用混合多級反應器,實現了生產連續化，不需要專職的作業人員實現單批操作（加料、滴加、保溫、出料及伴隨的升降溫操作），連續化後，只要控制好兩種物料的流量，實現連續進料、出料，不需要設定專門的操作人員。採用混合多級串聯反應鍋,其生產率得到很大的提高。

混合多級串聯反應器的設計方法是解決農藥草甘膦產品成本領先的方法之一。這種模式減少設備投資，大大降低了人工費用，使產品的成本得到明顯的下降，形成市場競爭優勢，同時，由於有了這種生產模式的理論設計方法，極大地縮短了工業化實現的周期，為產品儘快投放市場打下基礎。

多級串聯釜式反應器的最佳化設計

在工業生產中，使用多級串聯釜式反應器操作的情況比較多，為了設計和製造方便，常採用等體積釜操作。最佳化設計時需要注意以下事項：

（1）串聯釜式反應器中等溫條件下進行一級不可逆反應，當各釜的反應體積相等時，則總反應體積最小。

（2）當反應級數a>1時，維持總反應器體積最小時，沿著物料流動方向各釜體積依次增大，即小釜在前，大釜在後；同理可以導出，當0<a<1時，即為大釜在前，小釜在後。

（3）反應的活化能越大，或各級反應器間的溫差越大，則動力學曲線間的距離越大。

（4）當釜數及最終轉化率確定的情況下，反應器內溫度依次升高，反應器總體積比等溫操作下的總體積減小。

（5）當各釜溫度依次升高時，圖解法更適用於最終轉化率較高的情況。

串聯反應器的性能檢測

反應器是進行化學反應的關鍵設備，種類繁多。在反應器的設計放大過程中，流體流動是最不易確定的因素。因為反應過程是一個極其複雜的過程。由於物料粒子在流經反應器時，基於各種影響造成的渦流、短路、死區，以及速度分布等產生返混，形成停留時間分布（Residence Time Distribution簡稱 RTD），導致反應器的效率降低，而影響到反應產品的產量和質量，所以，要進行反應器的設計和實際操作，必須考慮物料粒子在反應器內的流動狀況和停留時間分布問題。多釜串聯等溫反應系統及濃度控制系統模型適合於非穩態操作，更適合於穩態操作。穩態時，反應系統中各釜反應物濃度不隨時間改變,模型將進一步得到簡化。反應器結構和操作方法不同會造成不同程度的返混。根據反應過程的流動型式，尋求反應時間與轉化率之間的數學關聯。通過對反應速率常數的測定計算，以獲得可用於反應器的選型、操作和便於開發放大的巨觀動力學方程。物料粒子的返混程度不能採用函式形式予以表達，但是一定的返混會造成一定的 RTD，因此，可藉助測定物料粒子的 RTD 檢驗反應器的性能，即其理想化的程度。