间歇式反应器简介：基础知识和应用

您有没有想过制造药物和燃料等物质的化学反应是如何发生的？

您知道这些反应不会自行发生，因为您是工科学生或工程师。

他们需要精确的条件、仔细测量的反应物和催化剂的量以及正确类型的反应器。

间歇式反应器有助于此。

间歇式反应器是任何化学工程师的重要工具，因为它可以处理范围广泛的反应，并且可以非常精确地控制这些反应的条件。

在本文中，我将详细介绍间歇式反应器，讨论它们的组成部分、优点和用途。

无论您是经验丰富的工程师还是新手，本文都将为您提供了解间歇式反应器以及它们在化学工程领域的重要性所需的信息。

间歇式反应器简介

正式定义：

一种化学反应器，其中反应物和催化剂以所需的量引入，然后容器关闭以输送额外的材料。

间歇式反应器是灵活的机器，可用于许多不同的工艺操作。

间歇式反应器做的一些最常见的事情是：

借助间歇式反应器，固体可以溶解在液体中。

将固体和溶剂放入反应器中，搅拌混合物直至所有固体溶解。

• 混合产品：间歇式反应器用于将不同的产品混合在一起，制成您想要的混合物。

这在食品和饮料行业很有用，在该行业中，将不同的成分混合在一起制成某种产品。

• 化学反应：大多数化学反应是在间歇式反应器中完成的。

将反应物加入反应器后，让混合物反应一定时间。

在批次结束时，然后取出物品。

• 分批蒸馏：分批反应器也可用于分批蒸馏，这是一种根据沸点分离混合物各部分的方法。

间歇式反应器的优缺点

间歇式反应器有很多好处，例如：

间歇式反应器用途广泛，因为它们可以在一个容器中做不止一件事情而不会破坏容器。

间歇式反应器可以在同一个反应器中生产不同的产品，因为它们可以用于不止一件事。

• 转化率高：试剂可以在反应器中停留很长时间，转化率高。
• 易于制作和更改：间歇式反应器非常容易制作和更改。

但是间歇式反应器也存在一些问题，例如：

• 返混：当材料直到反应结束才取出时，就会发生返混。

这会缩短催化剂的使用寿命并造成大量浪费。

• 数量有限：间歇式反应器不是一次生产大量产品的最佳方式。
• 产品的可变性：间歇式反应器生产的产品一批批次可能不同。
• 大规模生产的困难：间歇式反应器不适合一次生产很多东西。
• 运行成本高：间歇式反应器需要经常开启和关闭，这使得它们的运行成本很高。

间歇式反应器的设计特点

间歇式反应器由一些类似的部件制成，例如：

• 用于注入反应物和移除产物的端口：间歇式反应器具有用于注入反应物和移除产物的端口。
• 换热器或搅拌系统：可以将换热器或搅拌系统添加到间歇式反应器中。
• 恒定体积：间歇式反应器通常具有恒定的体积，但有些反应器可以改变体积以保持恒定的压力。

简而言之，间歇式反应器是加工工业中用于执行各种任务的简单容器。

它们用途广泛，可用于多种用途，转化率高，易于制作和更换。

但它们也存在一些问题，如反混、数量有限、产品不同、难以大量生产、催化剂寿命短、浪费等。

间歇式反应器通常用于小规模工作、测试新方法和制造昂贵的商品。

它们还经常在实验室中用于小规模生产和启动饮料发酵过程。

拥抱不可预测性：间歇式反应器的兴奋和风险

还是很难理解？让我稍微改变一下观点：

化学家请注意！想让你的工作更有趣吗？厌倦了同样的事情一遍又一遍地发生？间歇式反应器就是您所需要的。

间歇式反应器非常适合混乱、不可预测，甚至可能有点兴奋，因为您可以添加所需数量的反应物和催化剂，然后关闭容器以阻止更多材料进入。

谁在乎控制和一致性？接受间歇式反应器难以预测的事实，看看它会把你带到哪里。

好吧，那只是一个看起来像电视广告的笑话。

现在让我们回到解释。

间歇式反应器的组件

间歇式反应器是加工工业中用于溶解固体、混合产品、进行化学反应和分批蒸馏等操作的容器。

反应器容器、反应介质、顶部空间和搅拌器是四个主要部分。

反应容器

间歇式反应器的主要部件是反应容器，通常由钢、不锈钢、搪玻璃钢、玻璃或稀有合金制成。

它可能小于 1 升或大于 15,000 升。

大多数时候，液体和固体通过顶盖上的孔进入反应器。

蒸汽和气体从顶部的孔中流出，液体从底部的孔中流出。

反应介质

发生反应的物质称为反应介质。

根据进行的反应类型，它可以是气相、液相或液-固相。

顶空

顶空是介质上方的空白空间。

它为反应过程中产生的气体或蒸汽提供了空间。

搅拌器

需要搅拌器来混合不同的部分并从反应中添加或移除热量。

根据反应的类型，它可以制成轴流式叶轮或径向流式叶轮，以提供不同类型的混合。

间歇式反应器的优势和挑战

间歇式反应器最好的地方之一就是它们的灵活性。

一艘船可以在不破坏安全壳的情况下完成一系列不同的任务。

这在处理有毒材料时很有用，因为它可以降低工人受伤的风险。

但是间歇式反应器有一些问题，比如反混，这会使产品质量变差，因为反应物在容器中分布不均匀。

间歇式反应器的设计和选型

在为特定反应设计和确定间歇式反应器大小时，需要考虑几件事。

这些包括反应动力学、传热、传质、混合和相行为。

设计必须确保反应器能够安全高效地进行反应，满足产品的规格要求，并尽可能降低生产成本。

大多数时候，计算出间歇式反应器的尺寸意味着计算出以某种方式转化反应物并允许充分混合和传热所需的反应器体积。

为了从反应器中获得最佳性能，设计和选型过程可能涉及实验、模拟和模型。

在间歇式反应器中，达到一定转化率所需的时间取决于反应进行的速度和您想要的转化率。

因此，要为特定反应找出合适的间歇式反应器体积，您必须考虑反应速度、反应物的初始浓度、所需的转化率以及反应器的时间等因素将运行。

该信息可用于通过计算反应速率常数和化学计量系数等参数来确定间歇式反应器的正确尺寸。

与可以随时间连续处理大量反应物的 CSTR 和 PFR 相比，间歇式反应器一次只能处理一定数量的反应物。

因此，间歇式反应器可能无法每天处理与连续流式反应器相同数量的物质 A。

但是间歇式反应器对于小规模操作、测试尚未完全开发的新工艺以及制造昂贵的产品仍然有用。

简而言之，间歇式反应器有反应器容器、反应介质、顶部空间和搅拌器几个重要部分。

它们具有灵活性和能够用于多种用途等优点，但它们也存在反向混合等问题。

要为特定反应设计和确定间歇式反应器的大小，您必须考虑反应动力学、传热、传质、混合和相行为等问题。

间歇式反应器中的计算

摩尔平衡方程和串联反应

对于串联反应的间歇式反应器，我们需要使用摩尔平衡方程来计算反应器中有多少物质。

摩尔平衡方程用于计算反应器中每个摩尔量的变化速度。

间歇式反应器的摩尔平衡方程为：

dN_i/dt = r_i*V

其中 N_i 是物质 i 的摩尔数，t 是时间，r_i 是物质 i 的反应速率，V 是反应器的体积。

每当我们想知道在串联反应过程中每个物种在间歇式反应器中有多少时，我们都可以使用这个方程。

为热工艺选择间歇式皂化反应器

皂化是一种将脂肪和碱液变成肥皂的化学过程。

对于皂化的热过程，使用间歇式反应器。

对于热工艺，间歇式皂化反应器的大小将取决于需要制皂的量和制皂的种类。

除了反应器的大小，反应器表面的面积也可以改变反应发生的速度。

如果您使用带挡板的反应器或具有更高纵横比的反应器，则可以使表面积更大。

对于热皂化过程，反应器的温度应保持在70℃至85℃之间。

反应需要多长时间取决于您要制作多少肥皂。

它可能需要几个小时到几天的时间。

间歇式反应器可用于研究皂化的动力学。

使用带磁力搅拌和玻璃夹套的间歇式反应器，学生可以计算出不同温度下二级反应的速率常数。

皂化反应也可用于计算填充床管式反应器中的反应转化率。

间歇式反应器的测试和优化

使用固体进行批次反应器测试

当用固体进行间歇式反应器试验时，固体和液体反应物通常在带有搅拌器的容器中混合。

然后让混合物反应一定时间。

之后，通常通过过滤或离心将固体与液体分离。

然后，为了了解反应进行了多远，测量了液相中目标物质的浓度。

在计划对固体进行间歇式反应器测试时，您还应该考虑固体颗粒的大小、反应物的初始浓度以及您想要的转化率。

改进的实验室间歇反应器试验

活性污泥中挥发性有机化合物的生物降解已经在实验室的间歇式反应器中进行了测试。

该测试已更改为包括用于气相采样的固相微萃取 (SPME) 纤维。

这消除了对导流管的需要，并使其更易于与固体一起使用。

序批式反应器 (SBR) 系统

序批式反应器 (SBR) 是一种活性污泥系统，通过填充然后排放来处理废水。

在该系统中，废水被放入单个间歇式反应器中。

按设定顺序使用两个或多个间歇式反应器，以获得系统的最佳性能。

SBR 系统已被用于处理来自城市和工厂的废水。

物质平衡方程

物料平衡方程可用于计算发生化学反应时间歇式反应器中发生的情况。

例如，等式 d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V。Rj dV 可用于搅拌良好的间歇式反应器，因为反应器内的良好混合使积分易于评估。

半间歇式反应器

半间歇式反应器兼有间歇式反应器和全天候运行的搅拌釜反应器（CSTRs）的特点。

它们可以在反应进行时添加进料，如 CSTR，但它们在开始时就充满了反应物，如间歇式反应器。

大多数时候，当反应需要缓慢添加一种试剂或反应太热而无法在间歇式反应器中完成时，会使用半间歇式反应器。

间歇式反应器概述

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用例

结论

最后，间歇式反应器是许多不同领域的化学工程师的重要工具。

它可以让您非常精确地控制反应条件，这对于生产一致的高质量产品非常重要。

但即使间歇式反应器是一项伟大的技术，它也不是万灵药。

它不能用于各种反应，因为它有一些缺陷。

作为工程师，我们的工作是不断提出新想法并尝试新技术，以帮助我们解决这些问题并使制造复杂的化学产品变得更加容易。

如果我们突破可能的极限，我们就能为自己和地球创造更美好的未来。

因此，让我们继续寻找和尝试新事物，以找到更好、更有效和更长期的解决方案。

链接和参考

摩尔平衡：

https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf

过程工程中的反应器：

https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering