串联反应器

化工设备中的设备

为了节约能源，提高经济效益，现代化工装置需要有较大规模和对产品进行深加工的能力，单台反应器很难满足要求。因而需要将相同或不同型式和大小的单个反应器串联组合起来使用，即需要串联反应器。

简介

反应器是各种化工设备中关键性的设备，在反应器中不仅发生物理变化，而且发生化学变化，由于它的作用，决定了反应的转化率、产率、副产品的生成量和三废的组成与数量，因此反应器的选型是十分重要的。

多釜串联反应器是化学反应工程中的基本反应器类型，广泛地运用于化学工业。通常活塞流反应器有着较高的转化率，但如物料的粘度大，停留时间要求较长，就需要采用连续搅拌釜式反应器在这种情况下，为了提高反应的推动力，有效办法是采用多釜串联反应器，即将多个反应器用串联的方式连接起来。其结构如图1所示。

串联反应器设计基础

设计要求

设计化工反应器要满足下述要求：

（1）化学因素：动力学数据，必须提供达到规定的转化率时反应所需要的停留时间。

（2）传质因素：对于非均相反应，反应过程速率可能是扩散控制，而不是化学动力学控制。

（3）传热因素：反应热的移出和加入。

（4）安全因素：危险的反应物和产品的限制，反应和过程条件的控制。

这些互相联系的有时是互相矛盾的因素使反应器的设计复杂化和困难，然而在许多情况是一个因素占优势，由它决定反应器的型式和设计方法的选择。

反应器设计的基本衡算式

在工业反应器中，发生化学反应时，总是伴随着传质、传热等物理过程。这些物理过程对化学反应速率都有直接的影响。所以设计反应器时，必须综合起来考虑，通常反应器设计的基本方程（或称反应器的数学模型）是由物料衡算式、热量衡算式和化学反应动力学方程式组成。

串联反应器的应用

混合多级串联反应器在草甘膦生产中的应用

草甘膦是有机磷类内吸传导性广谱灭生性除草剂，化学名称为N-（膦酸甲基）甘氨酸，其它名称有农达、镇草宁、膦干酸、草干磷、Roundup、Mon -0573等。草甘膦的使用范围较广泛,是目前农药使用量中最大吨位的一个产品，有着较好的市场前景,但随着国内厂家的增多，其竞争越将激烈，为此提高产品的生产效率、降低成本成为各生产企业竞相研究的重点。

目前，国内草甘膦的生产工艺仍以甘氨酸法为主，占目前国内草甘膦产量的60%以上。在甘氨酸法草甘膦生产工艺中，目前基本上都采用间歇化单反应器生产，有些企业为了扩大规模，采取单纯增加反应器个数，这必然会增大固定资产的投资和操作人员的增加等，不利于成本的竞争。生产率的提高和单位成本的降低（通常总是把它等同于规模经济）主要是来自通过能力在数量上和速度上的增加，而不是工厂或设备在规模上的扩大。因此有研究者通过对混合多级串联反应器设计的初步研究，并将其应用于草甘膦的生产，目的就是使生产连续化，提高生产率，降低产品成本。

结果证明：采用混合多级反应器,实现了生产连续化，不需要专职的作业人员实现单批操作（加料、滴加、保温、出料及伴随的升降温操作），连续化后，只要控制好两种物料的流量，实现连续进料、出料，不需要设置专门的操作人员。采用混合多级串联反应锅,其生产率得到很大的提高。

混合多级串联反应器的设计方法是解决农药草甘膦产品成本领先的方法之一。这种模式减少设备投资，大大降低了人工费用，使产品的成本得到明显的下降，形成市场竞争优势，同时，由于有了这种生产模式的理论设计方法，极大地缩短了工业化实现的周期，为产品尽快投放市场打下基础。

多级串联釜式反应器的优化设计

在工业生产中，使用多级串联釜式反应器操作的情况比较多，为了设计和制造方便，常采用等体积釜操作。优化设计时需要注意以下事项：

（1）串联釜式反应器中等温条件下进行一级不可逆反应，当各釜的反应体积相等时，则总反应体积最小。

（2）当反应级数a>1时，维持总反应器体积最小时，沿着物料流动方向各釜体积依次增大，即小釜在前，大釜在后；同理可以导出，当0

（3）反应的活化能越大，或各级反应器间的温差越大，则动力学曲线间的距离越大。

（4）当釜数及最终转化率确定的情况下，反应器内温度依次升高，反应器总体积比等温操作下的总体积减小。

（5）当各釜温度依次升高时，图解法更适用于最终转化率较高的情况。

串联反应器的性能检测

反应器是进行化学反应的关键设备，种类繁多。在反应器的设计放大过程中，流体流动是最不易确定的因素。因为反应过程是一个极其复杂的过程。由于物料粒子在流经反应器时，基于各种影响造成的涡流、短路、死区，以及速度分布等产生返混，形成停留时间分布（Residence Time Distribution简称 RTD），导致反应器的效率降低，而影响到反应产品的产量和质量，所以，要进行反应器的设计和实际操作，必须考虑物料粒子在反应器内的流动状况和停留时间分布问题。多釜串联等温反应系统及浓度控制系统模型适合于非稳态操作，更适合于稳态操作。稳态时，反应系统中各釜反应物浓度不随时间改变,模型将进一步得到简化。反应器结构和操作方法不同会造成不同程度的返混。根据反应过程的流动型式，寻求反应时间与转化率之间的数学关联。通过对反应速率常数的测定计算，以获得可用于反应器的选型、操作和便于开发放大的宏观动力学方程。物料粒子的返混程度不能采用函数形式予以表达，但是一定的返混会造成一定的 RTD，因此，可借助测定物料粒子的 RTD 检验反应器的性能，即其理想化的程度。

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