化學反應器設計原理

化學反應器設計(shèjì)原理精品資料一、課程性質、目的與任務化學反應(fǎnyìng)器是化工工藝過程的核心，是工程設計和工業(yè)生產操作的關鍵。通過本課程的學習，了解幾種典型反應(fǎnyìng)器的基本特點，掌握反應(fǎnyìng)器的基本設計原則和計算方法，能夠結合具體反應(fǎnyìng)過程進行反應(fǎnyìng)器的工程分析和設計計算，為反應(fǎnyìng)過程的工程設計和實際工業(yè)反應(fǎnyìng)器的優(yōu)化操作奠定基礎。二、教學基本內容與基本要求精品資料闡述了釜式、管式、流化床等反應器的基本特點、設計基本原則和計算(jìsuàn)方法；反應器的強度、剛度、穩(wěn)定性計算(jìsuàn)及結構設計等內容。要求能夠根據具體反應過程進行反應器的工程分析和設計計算(jìsuàn)，為未來實際工作和科研工作打下堅實的基礎。第一章緒論本章要求：精品資料一、了解(liǎojiě)化學反應器的三種操作方式和特點。二、了解(liǎojiě)化學反應器的主要類型、結構和工作原理。化工產品、醫(yī)藥產品（化學合成）等工業(yè)過程均采用化學方法將原料加工成為有用的產品。生產過程包括三個組成部分。原料預處理過程(物理(wùlǐ)、化學處理)

化學加工過程(物質轉化)反應產物分離、提純(物理處理)目的產物副產物原料未反應原料圖1.1典型的化學加工過程精品資料第一、三兩部分屬于單元操作的研究范圍；第二部分是化學反應工程的研究對象，是生產過程的核心。1.1化學反應工程1、化學反應工程的研究對象化學反應工程主要包括兩個方面的內容，即反應動力學和反應器設計(shèjì)分析。反應動力學－研究化學反應進行的機理和速率，獲得反應器設計(shèjì)與操作所需的知識與信息。精品資料如反應模式、速率方程及反應活化能等，其中速率方程可表示為：對于一定的反應物系而言，r隨時間、空間變化。其中，r為反應系統(tǒng)中某一組分的反應速率，代表濃度的矢量，P為系統(tǒng)的總壓。反應器設計(shèjì)－研究反應器內上述因素的變化規(guī)律，確定最優(yōu)工況和適宜的反應器型式和尺寸。注意：前者研究反應本身的規(guī)律，與反應器內各局部的狀況有關（從點上著眼）；后者的設計(shèjì)與分析則從面上（體上）著手。精品資料2、化學反應的分類（反應工程(gōngchéng)學科）為了便于研究和應用，需將化學反應進行分類。常見的化學反應分類、方法和種類見下表，一些可能同時屬于兩個或者更多的反應種類。精品資料例如：為氣－固相催化反應3、反應過程反應過程一般包括:物理現象－傳遞現象(熱量、動量和能量傳遞過程)；化學現象－化學反應(huàxuéfǎnyìng)；例如，利用氫氣和氮氣合成氨的反應包括下列過程：①氫氣、氮氣的加熱；②氫氣、氮氣向催化劑內外表面的擴散；③氫氣、氮氣在催化劑表面的吸附；④氫氣、氮氣在催化劑表面的反應；精品資料⑤氫氣、氮氣、氨氣在催化劑表面的解析；⑥產物的擴散；⑦產物的冷卻。4、化學反應工程的作用在化學產品生產和加工過程的開發(fā)、反應器的設計、放大起著重要的作用。運用化學反應工程知識可以：①提高反應器的放大倍數，減少試驗次數和開發(fā)周期(zhōuqī)；②對現有反應裝置操作工況進行優(yōu)化，提高生產效率；精品資料③開發(fā)環(huán)境優(yōu)良的綠色生產(shēngchǎn)路線和工藝。5、反應器的操作方式間歇操作反應器、半間歇半連續(xù)操作反應器、連續(xù)操作反應器。液體(yètǐ)氣體氣體氣體液體液體液體氣體氣體間歇式半連續(xù)式連續(xù)式精品資料1.2化學反應器的類型反應器的類型很多，按工作原理來分，可分為以下幾種類型。(1)管式反應器特點：反應器的長度遠大于內徑(nèijìnɡ)、且內部無零部件。應用范圍：多用于均相反應過程。原料(yuánliào)產物原料產物原料原料管式反應器精品資料(2)釜式反應器特點(tèdiǎn)：高度與直徑比約為2-3內設攪拌裝置和檔板。應用范圍：均相、多相反應過程均可。(3)塔式反應器特點(tèdiǎn)：高度遠大于直徑，內部設有填料、塔板等以提高相互接觸面積。應用范圍：用于多相反應過程。液體(yètǐ)氣體產物釜式反應器精品資料填料(tiánliào)塔反應器噴霧塔反應器板式(bǎnshì)塔反應器精品資料(4)固定床反應器特點：底層內部裝有不動的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?。應用范圍：用于多相反應系統(tǒng)。(5)流化床反應器特點：反應過程中反應器內部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運動，提高反應器內液體的混合(hùnhé)性能。固定床鼓泡反應器精品資料應用范圍：多相反應體系，可以提高傳熱速率。(6)移動床反應器特點：固體顆粒(kēlì)自上而下作定向移動與反應流體逆向接觸。應用范圍：用于多相體系，催化劑可以連續(xù)再生。(7)滴流床反應器特點：是固定反應器的一種，但反應物還包括流化床反應器移動(yídòng)床反應器精品資料包括氣液兩種。應用范圍：屬于固定床的一種，用于使用固體催化劑的氣液反應過程。(8)交流磁場流化床反應器特點：床內的固體顆粒在交流磁場作用下做旋轉運動，進入(jìnrù)床內液體中的離子做不規(guī)則的螺旋運動，可以極大地提高反應速率。滴流床反應器精品資料磁場(cíchǎng)流化床反應器固定床旋轉(xuánzhuǎn)床磁固定床精品資料第二章釜式反應器本章要求：一、熟練掌握(zhǎngwò)等溫間歇釜式反應器反應時間和體積的計算（單一反應、平行與連串反應）；二、熟練掌握(zhǎngwò)連續(xù)釜式反應器反應時間和體積的計算；三、掌握(zhǎngwò)連續(xù)釜式反應器的串聯和并聯；四、掌握(zhǎngwò)釜式反應器中平行與連串反應選擇性的分析，連接和加料方式的選擇；五、了解串聯釜式反應器最佳體積的求取方法。

精品資料反應器設計的任務是確定進行化學反應的最佳操作條件和完成規(guī)定的生產(shēngchǎn)任務所需的反應器體積和主要尺寸。2.1釜式反應器的物料衡算方程反應器設計的基本內容：選擇合適的反應器類型、確定最佳操作條件、計算完成規(guī)定的生產(shēngchǎn)任務所需的反應器體積（尺寸）?；痉匠?物料衡算－描述濃度的變化規(guī)律精品資料能量衡算－描述(miáoshù)溫度的變化規(guī)律動量衡算－描述壓力的變化(biànhuà)情況精品資料注意：首先要選擇控制體,如果反應器內各處濃度均一，衡算的控制體選擇整個反應器。如果反應區(qū)內存在兩個或兩個以上相態(tài)，反應體積內各點的反應物料組成未必相同，這時只能選擇微元體積作為控制體。對于復雜反應，方程數將大大增多。2.2等溫間歇釜式反應器的計算（單一反應）特點：分批裝、卸；適用于不同品種和規(guī)格產品的生產，廣泛用于精細化工(jīnɡxìhuàɡōnɡ)產品、醫(yī)藥、助劑等生產。精品資料操作時間=反應時間+輔助時間（裝+卸+清洗）一、反應時間和體積的計算A—關鍵組分（單一反應）若整個(zhěnggè)反應器中濃度均一,將整個(zhěnggè)反應器作為控制體,根據物料衡算方程有：

精品資料初值條件為：該式可用于均相、多相，等溫或非等溫過程。對于(duìyú)間歇反應器，由于，若為均相則（否則不行），反應時間可為：設反應速率方程為（不可逆反應），則，在等溫下有:精品資料

當溫度T↑時，反應速率常數k↑，導致達到規(guī)定轉化率所用的反應時間t↓。對于可逆放熱反應，是上面的結論仍然(réngrán)正確嗎？注意:，與、無關；與有關。與操作時間、單位時間內處理反應物料的體積之間的關系為：

精品資料實際的反應器體積為：沸騰或易發(fā)泡液體物料：一般流體(liútǐ)：二、最優(yōu)反應時間對于間歇釜式反應器，總操作時間可以表示為：當反應時間時，，但。而比值不總是增加的，存在最優(yōu)值。如將目標函數定義為：精品資料通過求解得最佳反應時間。2.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）一、平行反應在等溫間歇反應器中，設進行(jìnxíng)的反應為一級平行反應：P為目的產物根據物料衡算可以得到：Q為副產物精品資料其中只有兩個獨立(dúlì)反應。對于均相，恒容過程方程進一步變?yōu)椋涸O初值條件為：，則方程的解為:將代入上式得：；；精品資料反應物系的組成隨時間的變化關系如圖2-1所示，由圖可見，因為兩個反應均是一級反應，于是有：由于P是目的產物，為了(wèile)得到更多的P，則希望k1>k2。圖2-1組成隨時間(shíjiān)的變化關系精品資料二、連串(liánchuàn)反應設在等溫間歇反應器中進行如下的連串(liánchuàn)反應：假設反應均為一級，根據物料衡算得：設初值條件為：首先可以解出：將該式帶入方程，有：解方程得：精品資料反應物系組成隨時間的變化關系如圖2-2所示，如果P是目的產物(chǎnwù)，其值有最優(yōu)解。通過對時間求導，可以得到：如果，則:圖2-2連串反應組分隨時間的變化(biànhuà)關系精品資料2.4連續(xù)釜式反應器的反應體積連續(xù)釜式反應器：基本在定態(tài)下操作，物料有進有出。一、連續(xù)釜式反應器的特點反應器的參數不隨時間變化(biànhuà)，不存在時間自變量，也沒有空間自變量，多用于液相反應，恒容操作出口處的C、T反應器內的C、T相同。根據物料衡算方程得:圖2-3連續(xù)(liánxù)釜式反應器精品資料對于一級反應：對于恒容過程(guòchéng)，有，即，由此得到：注意：①反應器內C、T恒定，內部各點處的反應速率相同，連續(xù)釜式反應器是等速反應器。②當同時進行多個反應時，只要進、出口組成和QO已知，就可以針對一個組分求出反應體積Vr。二、兩個重要的物理量——空時、空速精品資料(1)空時—衡量生產能力（對連續(xù)反應器而言）其定義為：τ↓，生產能力↑；τ↑，生產能力↓。（比較(bǐjiào)時QO應在相同的T，P下求得，即在同一基準下進行比較(bǐjiào))(2)空速—單位反應體積、單位時間內所處理的物料量可表示為空時的倒數，即：s↑時，生產能力↑。比較(bǐjiào)基準“標準情況下的體積流量”，對于有固體精品資料催化劑參與的反應，用催化劑空速（往往以催化劑質量或體積衡量）。2.5連續(xù)釜式反應器的串聯與并聯實際(shíjì)生產中，將會遇到使用多個釜式反應器的問題。如何聯接使用是需要解決的問題，基本原則是應盡可能使反應器的總體積最小。正常(zhèngcháng)動力學反常動力學圖2-4釜式反應器的體積比較

精品資料根據可知：越大，則體積越大；反之則越小。由圖中看出，對于正常動力學，多釜串聯有利；對于反常動力學，則使用單釜有利，如使用多釜，采用并聯的方式(fāngshì)。對于釜式反應器的并聯，如圖所示。操作中加入每個反應器中物料量的分配按下列方法進行。圖2-5并聯(bìnglián)的釜式反應器精品資料通?？梢圆扇?cǎiqǔ)，這時整個反應系統(tǒng)最優(yōu)。即要：這時有：一、串聯釜式反應器的計算假設N個串聯的釜式反應器如下圖所示。通過對每個釜進行物料衡算，得到系統(tǒng)的計算方程。精品資料針對一級不可逆反應進行計算（其它級數反應的計算方法相同），動力學方程為：設每個釜的體積(tǐjī)相同，即，那么每一個釜的空時相同，若反應器中的溫度T相同（保證k一樣），針對第p個釜進行物料衡算，有：整理后得：精品資料將每一個釜的衡算方程相乘，得到：，整個系統(tǒng)的空時為：，總的反應體積為：

對于非一級反應，沒有解析(jiěxī)解，需要進行逐釜計算。根據已知條件，可以將逐釜計算過程分精品資料成如下兩種。(1)已知每一個單釜的體積此時每個釜的空時τ已知，逐一計算出或，直至(zhízhì)求出達到所需的釜數N。

精品資料(2)已知釜數N需要先假設空時τ，按①的方法逐釜計算出第N個釜出口的轉化率，并與要求的轉化率對比，如果不一致需要重新(chóngxīn)假設空時τ，重復進行計算，直到兩者吻合。精品資料二、串聯(chuànlián)釜式反應器各釜的最佳反應體積優(yōu)化的目標函數為：對于級反應，，得到的結論為：精品資料計算舉例一：在釜式反應器內進行醋矸的水合反應：該反應可視為不可逆反應，關鍵組分醋矸A在不同溫度下的反應速率如下(rúxià)表。若要求原料的處理量為500Kg/h，原始料醋矸的濃度為，反應在30℃下等溫精品資料進行，假定反應過程中反應混合物的密度恒定為，當醋矸的轉化率為0.88時，試分別計算下列情況下所需的反應體積。(1)一個全混流反應器(2)兩個全混流反應器串聯并保持(bǎochí)體積最小。解：[1]30℃下速率常數k的確定由表可知，速率常數k僅是反應溫度T的函數，應遵循阿累尼烏斯方程：將表中的值代入可得：精品資料解方程(1)(2)(3)得：30℃下速率常數(chángshù)k:[2]全混流反應器體積的設計全混流反應器體積為：其中：體積流量代入已知值得：精品資料[3]反應器串聯的最小體積(tǐjī)對于一級不可逆反應，當兩個反應器體積(tǐjī)相等時反應器體積(tǐjī)最小。第一臺反應器的體積(tǐjī)為：第二臺反應器的體積(tǐjī)為：解得：，，精品資料計算舉例二：在例一中，若全混流反應器的裝料系數為，反應器的長徑比按下表確定，介質(jièzhì)的操作壓力，試解決下列問題：

精品資料(1)確定(quèdìng)釜體的DN、PN解：反應器容積為：取將釜體視為筒體，且取由得：代入已知值得：

，?。篋N=800mm由查公稱壓力標準知：精品資料公稱直徑DN標準(biāozhǔn)（mm）公稱壓力PN標準(biāozhǔn)()精品資料(2)若釜體的筒體采用0Cr18Ni10Ti制造，且釜體上裝有爆破膜，試初步設計(shèjì)筒體的壁厚；筒體采用冷卷時，原始投料壁厚為多少。解：[1]設計(shèjì)參數的確定設計(shèjì)壓力：＝(1.15～1.3)?。?.3=1.3×0.7液體靜壓：

故：精品資料設計溫度：70℃焊縫系數(xìshù)：＝0.85（局部無損探傷）許用應力：根據材料0Cr18Ni10Ti、設計溫度70℃，查文獻得知＝137。[2]筒體壁厚的強度計算由得：圓整：，考慮到加工的要求取：[3]原始投料壁厚精品資料原始投料壁厚不小于：(4)若采用標準碟形封頭，試確定封頭的壁厚。解：[1]設計參數的確定設計壓力：取設計溫度：70℃焊縫系數：（整板沖壓成型）許用應力：根據材料0Cr18Ni10Ti、設計溫度70℃，查文獻(wénxiàn)得知。精品資料[2]封頭壁厚的強度計算由得：圓整：，考慮到加工的要求取：(5)確定(quèdìng)筒體的長度H。標準碟形封頭的容積為：根據得：精品資料?。骇?005675Ф8005r138R72025筒體的結構(jiégòu)與尺寸封頭的結構(jiégòu)與尺寸200精品資料(5)若筒體與上封頭采用法蘭聯接，設計(shèjì)法蘭的聯接結構。解：法蘭聯接結構的設計(shèjì)包括：法蘭的設計(shèjì)、密封面得選型、墊片的設計(shèjì)、螺栓和螺母的設計(shèjì)。[1]法蘭的設計(shèjì)及密封面選型根據DN=800mm，PN=1.0MPa查法蘭選用表可知，選用甲型平焊法蘭。由于操作介質無毒，且溫度為常溫，故選平面型密封面，代號為RF標記：法蘭RF800-1.0JB/T4701-2002材料：16MnR，螺栓規(guī)格：M20精品資料法蘭的結構與尺寸如下：螺栓數量(shùliàng)：40[2]墊片的設計PN=1.0MPa﹤1.6MPa,設計溫度﹤200℃，故選用Ф930Ф890Ф855Ф800543×45oФ2360o法蘭的結構(jiégòu)與尺寸精品資料耐油墊片，材料為：耐油橡膠石棉板(JB/T539)，結構及尺寸見圖。[3]螺栓和螺母的設計螺栓和螺母的規(guī)格：M20螺栓選用普通六角頭半精制(jīngzhì)螺栓，長度為：其中：Ф844Ф8043精品資料代入已知值得：(6)對釜體進行液壓試驗強度校核(xiàohé)。解：[1]試驗壓力的確定[2]強度校核(xiàohé)液壓試驗時釜體產生的最大應力為：

因為，故強度足夠精品資料(7)若采用夾套對反應物料(wùliào)進行加熱，試確定夾套的DN、PN。解：[1]夾套的DN確定由于操作溫度t<100℃,故采用水加熱，為降低水在夾套內的流動阻力，夾套內徑按國家標準取=800+300=1100，故夾套的=1100[2]夾套的PN確定夾套內的導熱水為常壓操作，＜0.1，取PN＝0.25。(8)若夾套采用Q235-B制造，試設計夾套的壁厚。解：夾套由筒體和封頭構成，上封頭采用無折邊精品資料錐形、下封頭與釜體相同，即標準碟形封頭。[1]筒體壁厚的設計由于＜0.1，此時強度(qiángdù)條件已不是確定筒體壁厚的主要因素，須按剛度條件確定筒體壁厚。因為：＜3800mm,所以：且≥3mm，另加。取，則：為了減少使用的鋼板規(guī)格，取。[2]筒體長度的初步設計根據DN=1100，查表可知，每米高筒體的容積，則筒體高度的估算值為：精品資料≥=；取[3]無折邊錐形封頭的設計封頭的上端與釜體的筒體焊接，下端與夾套的筒體焊接，故其上、下端的內徑分別為、、壁厚。結構(jiégòu)與尺寸見下圖。Ф810Ф1100150545o上封頭的結構(jiégòu)與尺寸精品資料[4]標準碟形封頭的設計碟形封頭的結構與尺寸(chǐcun)見下圖。(9)設計釜體與夾套的主要焊縫結構25Ф11005R990r190碟形封頭的結構(jiégòu)與尺寸275精品資料解：釜體與夾套的結構(jiégòu)如下圖。ⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡDi=800Dj=1100ⅢⅣⅤ精品資料精品資料精品資料精品資料(10)若電動機的功率、轉速，材料的許用剪應力按下表確定。試初步設計攪拌軸的尺寸和攪拌槳的尺寸。解：[1]攪拌軸的強度(qiángdù)計算選用1Cr18Ni9Ti制造攪拌軸，圓軸受到的外力偶矩為：常用(chánɡyònɡ)軸材料的剪應力

精品資料攪拌軸產生(chǎnshēng)的最大扭矩為：由強度條件得：由于軸徑已系列化，取d=35mm。[2]攪拌軸的剛度校核最大單位長度的扭轉角：精品資料其中：代入已知值得：在一般攪拌軸的計算中，取，故滿足剛度要求?？紤]到攪拌軸與聯軸器配合，d＝35mm可能需要(xūyào)進一步調整。[3]攪拌軸臨界轉速校核計算由于攪拌軸轉速，故無需作臨界轉速校核計算。精品資料攪拌軸工作轉速與振幅(zhènfú)之間的關系如圖。當≤（0.75-0.8）時，攪拌軸為剛性軸；反之，攪拌軸為撓性軸。當攪拌軸轉速時，軸需要進行臨界轉速校核計算。轉速振幅精品資料[3]攪拌(jiǎobàn)軸的長度設計攪拌(jiǎobàn)軸的長度近似由釜外長度、釜內未浸入液體的長度、浸入液體的長度三部分構成。即：其中：(機架高、減速機輸出軸長度)；(液體裝填高度)。筒體液體裝填高度的確定：H1HiL2L1L精品資料浸入液體攪拌軸的長度(chángdù)的確定：攪拌槳浸入液體內的最佳深度為：液體總裝填高度當時為最佳裝填高度；需要設置一層攪拌槳；當＜時，需要設置兩層攪拌槳。的計算：精品資料由于＜，故選一層攪拌槳。攪拌槳浸入液體內的最佳深度為：

故浸入液體的長度(chángdù)：攪拌軸的長度(chángdù)為：?。篬4]攪拌槳的選型與尺寸設計精品資料攪拌(jiǎobàn)槳的型式如圖。

槳式

齒片式

彎葉開啟(kāiqǐ)渦輪

錨式

框式

螺帶式

螺桿式

布魯馬金式

折葉開啟渦輪

彎葉圓盤渦輪

推進式

平直葉圓盤渦輪

精品資料攪拌器型式適用(shìyòng)條件表精品資料攪拌的作用是迅速、均勻地混合物料，強化傳質傳熱過程，從而加快反應速率。根據反應物料的性質(xìngzhì)，攪拌槳的型式選用槳式。結構與尺寸如下圖。標記:攪拌器600-40HG5-220-65Ф40Dj=6001101402-M121-M126012槳式攪拌(jiǎobàn)槳的結構與尺寸3精品資料(11)若在釜體上封頭設置兩個視鏡，試確定視鏡的型式及尺寸。視鏡主要用來觀察設備內物料及其反應情況，也可以作為液面指示(zhǐshì)鏡。常用的視鏡有視鏡、帶頸視鏡和壓力容器視鏡(分別有帶頸與不帶頸兩種)幾種，它們的結構型式見圖。精品資料由于釜體內徑較小，故選用DN=80的帶頸視鏡，由DN=80、PN=1.0MPa查有關(yǒuguān)標準可知視鏡的標記為：視鏡ⅡPN1.0DN80,HGJ502-86-14。尺寸及材料如表。視鏡尺寸(chǐcun)視鏡的材料

精品資料(12)設計(shèjì)軸封的結構與尺寸反應釜常用的軸封形式如圖。選型參見表。202型

204型

205型

206型

207型

212型

222型

精品資料

根據PN=1.0MPa、轉速n=80r/min、Ф35mm，由表可知，選用222型的軸封形式。由于222型軸封的直徑(zhíjìng)為Ф40mm，故攪拌軸直徑(zhíjìng)的設計尺寸為Ф40mm。222型軸封的結構及主要尺寸如圖和表。精品資料222型軸封結構(jiégòu)222型軸封的主要(zhǔyào)尺寸精品資料(13)繪制(huìzhì)出反應釜的俯視圖。abcdihggfe1430137095060045o45o200精品資料精品資料(14)填寫技術(jìshù)特性表及管口表技術(jìshù)特性表及管口表如下表技術(jìshù)特性表精品資料管口表精品資料2.6釜式反應器中復合反應的收率(shōulǜ)和選擇性對于復雜反應，目的產物的收率(shōulǜ)和選擇性非常重要，反映了原料的有效利用程度。收率(shōulǜ)和選擇性與反應器的型式，操作方式和操作條件密切相關。收率(shōulǜ):—目的產物生成量；—關鍵組分的起始量；選擇性：精品資料一、平行(píngxíng)反應的選擇性設在釜式反應器中進行平行(píngxíng)反應：假設P為目的產物，則瞬時選擇性為:反應組分A和B的濃度CA、CB，以及溫度T均對選擇性S有影響。精品資料根據和的相對大小，選擇適當的反應組分濃度和溫度，來提高反應的選擇性S。反應器中各組分的濃度與反應器型式、操作方式、加料濃度、原料配比，加料方式等因素密切相關。提高反應選擇性的方法(fāngfǎ)：(1)如果要求選擇間歇釜或多釜串聯，若體積不等，則從小到大排列；ABAB精品資料(2)要求選擇(xuǎnzé)單釜連續(xù)操作；如果串聯最好從大→小排列。(3)要求選擇(xuǎnzé)A先加入，B流加。ABABBBBA精品資料另外，要得到較高的生產強度，反應過程需要在較高的溫度下進行。當或時，溫度高對過程有利；但當時，溫度降低有利于選擇性的提高，但應盡能使反應在較高的溫度下進行，實際上存在一個最佳溫度值。二、串聯反應的選擇性（均為一級反應）P、Q的反應速率(sùlǜ)為：

假設P為目的產物，則瞬時選擇性為:精品資料在等溫間歇反應器中，最佳(zuìjiā)反應時間為:

目的產物P的最佳(zuìjiā)收率:精品資料在連續(xù)釜式反應器進行(jìnxíng)上述連串反應，最佳空時（不是反應時間）和最佳收率。根據物料衡算式，有:

精品資料由導數得：最佳收率(shōulǜ)為：為提高收率(shōulǜ)，采?。孩俑淖儾僮鳒囟?，使發(fā)生改變，一般采用較高的反應溫度，提高生產能力。圖2－7連串反應時的收率(shōulǜ)精品資料②使用催化劑改變。2.6變溫間歇釜式反應(fǎnyìng)器間歇釜式反應(fǎnyìng)器做到等溫操作很困難，當熱效應小時，近似等溫可以辦到，如果熱效應大時，很難做到。溫度會影響到和反應(fǎnyìng)器的生產強度等，很多情況變溫的效果更好。熱量恒算：

單位時間傳入的熱量；－單位時間反應(fǎnyìng)的熱量；－單位時間熱量的累積速率。精品資料對于恒容過程有：代入熱量衡算式得：上式通常稱為操作方程，若物料的定容比熱隨溫度的變化較明顯，則采用(cǎiyòng)其平均值。聯立和熱量衡算式可求解出反應時間。2.7絕熱間歇釜式反應器在反應過程中無熱量交換，故有:精品資料對于恒容過程有:根據初始條件將上式積分得：2.8連續(xù)釜式反應器(CSTR)的定態(tài)操作一、CSTR的物料衡算連續(xù)釜式反應器內物料的溫度和濃度均一。若達到定態(tài)操作，T、C不隨時間變化(biànhuà)，CSTR的定態(tài)點，由操作的T和C由物料平衡和熱量平衡確定精品資料。物料衡算式為:由此可見，達到定態(tài)下的濃度CA取決于反應動力學方程(fāngchéng)本身和溫度的影響。二、CSTR的熱量衡算若忽略流體的密度和定壓比熱隨溫度的變化，CSTR在定常狀態(tài)下工作時，熱量衡算式為：精品資料當CSTR無換熱面的絕熱條件下，則：聯立物料衡算、熱量衡算式，可確定CSTR的容積、傳熱面積或反應溫度、流體入口溫度。三、CSTR的熱穩(wěn)定分析若保持CSTR定常態(tài)操作，則應滿足：放熱速率與反應溫度的關系基本上由阿累尼烏斯公式(gōngshì)（）控制。移熱速率與反應溫度的關系呈線性關系[]。放熱速率線與移熱速率線可能相交時可能不只是一個交點精品資料即出現多個定常操作態(tài)。有些定常操作態(tài)具有抗外界干擾的能力，即在外界干擾下使其偏離原來的定常態(tài)，而系統(tǒng)本身具有抑制這種使其發(fā)生偏離的干擾的能力，外界干擾消失可以自動恢復原來的定常態(tài)。此類定常態(tài)稱之為穩(wěn)定的定常態(tài)。反之，稱之為不穩(wěn)定的定常態(tài)。將熱量衡算式(suànshì)：改寫成下列形式：精品資料令：,對于n級不可逆放熱反應有：式中是反應溫度的函數，由釜式反應器設計方程求得。為簡單起見，僅討論n=1的場合(chǎnghé)。一級不可逆反應的設計方程為：精品資料應用上式將對溫度T作圖如下（圖中綠色(lǜsè)曲線）。精品資料當溫度T很大時，上式中的可以忽略，其漸近線如圖中綠線。應用將對溫度T

作圖可得一直線(zhíxiàn)，其斜率為，截距為:線的討論：①提高反應物料的初始溫度To和冷卻液溫度Tm,截距增大，線將向T增大的方向移動。精品資料②增大反應器內的換熱面積A或傳熱系數K，斜率增大，線將向T減小的方向移動。定常操作態(tài)時應滿足(mǎnzú)：，但并非是線性關系，因此，滿足(mǎnzú)條件的定常態(tài)不只一個。圖中和有三個交點(2、3、4)，但只有2，4兩點具有抗外界干擾的能力。外界干擾導致反應溫度產生的溫度波動ΔT有兩種情況：ⅰ)ΔT＞0時，有使系統(tǒng)溫度下降而恢復原來的狀態(tài)。ⅱ)ΔT＜0時，有精品資料使系統(tǒng)溫度回升到原來的溫度。3點不具有抗外界干擾的能力。因為當ΔT＞0時，有，將使系統(tǒng)溫度上升，使操作點向4點移動，直至達到4點的操作態(tài)。操作點向2點移動，直至達到2點的操作態(tài)。因此，可以通過改變操作變量實現CSTR在穩(wěn)定的定常態(tài)下操作。四、CSTR熱穩(wěn)定性的判據所有處于(chǔyú)穩(wěn)定的定常態(tài)點均具有一共同特征，在這些點處有：精品資料對于n級不可逆反應(kěnì-fǎnyìng)有：近似地將視為不隨溫度T改變，則有：由此可得n級不可逆反應(kěnì-fǎnyìng)的穩(wěn)定條件為：精品資料對于無換熱面得絕熱操作（A=0），則有：第三章管式反應器管式反應器也是一類理想反應器模型(活塞流模型)。與間歇釜式反應器不同，全混流和活塞流模型用于流動過程。本章將涉及到如下(rúxià)的具體內容：一、活塞流模型的基本假定二、等溫管式反應器設計與分析精品資料三、管式反應器與釜式反應器的性能比較四、循環(huán)管式反應器的分析計算五、管式反應器的變溫操作流體流動(liúdòng)是非常復雜的物理現象，影響到系統(tǒng)的反應速率和轉化程度。3.1流動(liúdòng)狀況對反應過程的影響流體在空管中流動(liúdòng)的狀態(tài)見圖。內部各部分流體的停留時間不同，反應時間不同,反應速率和最終轉化率也不一樣。精品資料

空管中流體狀況3.2等溫管式反應器的設計一、管式反應器的物料衡算式(suànshì)在管式反應器中進行的單一反應，取如圖所示的微元體（高為dZ）。在定態(tài)條件下：

管式反應器示意圖

精品資料在定態(tài)條件下：將反應速率方程兩邊積分有：假設=常數（=下的值），則:——管式反應器的設計(shèjì)方程對于恒容過程，上式為：精品資料注意：管式反應器與釜式反應器的設計方程形式上相同，但一個是反應時間t，一個空時τ（與所選擇的進口狀態(tài)有關）。另外(lìnɡwài)，間歇釜式反應器總是恒容的。如果管式反應器也在恒容下進行，則有τ=t；否則，τ≠t。設反應器的截面積為A，則有，那么：對于恒容過程，，則：精品資料3.3管式與釜式反應器反應體積的比較在處理量、組成、T、xAf相同的條件(tiáojiàn)下進行對比。對于不可逆等溫反應，使用不同形式的理想反應器時所需要的反應體積如圖所示。理想(lǐxiǎng)反應器體積示意圖精品資料對于正常動力學反應：管式反應器與間歇釜式反應器的體積最大；連續(xù)釜式反應器的體積最??；多釜串聯釜式反應器的體積居中。對于反常動力學反應：管式反應器與間歇釜式反應器的體積最小；連續(xù)釜式反應器的體積最大；多釜串聯釜式反應器的體積居中。3.4管式反應器的熱量衡算管式反應器的熱量衡算見圖。由于溫度沿軸線方向是變化的，因此在管內取一段容積為dV的微元為研究(yánjiū)對象。精品資料熱量(rèliàng)衡算示意圖在定態(tài)條件下有：（單位時間內dV微元與外界的換熱量）=（單位時間內通過dV微元的反應(fǎnyìng)混合物的焓變）數學表達式(操作方程)為：精品資料其中：—為dV微元與外界的換熱量；—第i組分的定壓熱容；—進入dV微元的反應物從To加熱到T的焓變；—出dV微元的反應物從T至T+dT的焓變;—反應物在To下由入口此微元的物料組成到出口此微元的物料(wùliào)組成所發(fā)生的焓變。當時,熱量衡算式可簡化為：精品資料若在dT區(qū)間隨溫度(wēndù)的變化可忽略，則直接應用溫度(wēndù)為的T定壓比熱值，上式又可簡化為：上述熱量衡算的表達式，即為變溫操作的操作方程。聯立設計方程求解可得物料組成與溫度(wēndù)沿管內軸線上的分布。首先將設計方程和操作方程寫成差分的形式，對于可寫成：操作方程寫成：精品資料根據上述操作方程逐段進行(jìnxíng)計算，過程如下：①從第N段的出口組成和溫度的值來計算；②用①的值，取步長由計算出;將其代入操作方程計算出。傳熱推動力近似用；然后分別用下式求出(N+1)段出口的組成和溫度的近似值；③由近似算出的值計算出，然后取算術平均值，來重新計算精品資料，在計算時應采用(cǎiyòng)來代替計算溫差，而；④重復③的步驟直至得到滿意的收斂的為止；⑤用最后得到的值重復①～④的步驟進行N+1段的計算，如此逐段計算直至滿足所要求的出口轉化率為止，反應器的長度為。若采用(cǎiyòng)等步長，則反應器的長度為。計算舉例三：用一內徑為Di=250mm的管式反應器進行一級精品資料不可逆的氣體A熱分解(fēnjiě)反應，其計量方程為：；速率方程為：；；原料為純氣體A，反應壓力；反應溫度為T=480℃（等溫反應），反應過程中壓力恒定。原料氣的處理速率為：，試設計要求原料A的分解(fēnjiě)率達到0.94時需要的反應器長度、停留時間及空時。（假設原料氣為理想氣體）解：[1]原料氣A進料體積流率的計算由可得：精品資料=15.934(m3/h)=4.42×10-3(m3/s)[2]原料氣A摩爾濃度的確定原料氣A在管內的體積流速(liúsù)是轉化率的函數，其中：-原料氣A起始摩爾分率；-原料氣A的膨脹因子。將已知值代入得：原料氣A摩爾濃度為：精品資料[3]設計方程的確定(quèdìng)由可得：將已知值代入得：[4]反應器長度的設計由