化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)原理

化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)(shèjì)原理精品資料一、課程性質(zhì)、目的與任務(wù)化學(xué)反應(yīng)(fǎnyìng)器是化工工藝過程的核心，是工程設(shè)計(jì)和工業(yè)生產(chǎn)操作的關(guān)鍵。通過本課程的學(xué)習(xí)，了解幾種典型反應(yīng)(fǎnyìng)器的基本特點(diǎn)，掌握反應(yīng)(fǎnyìng)器的基本設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法，能夠結(jié)合具體反應(yīng)(fǎnyìng)過程進(jìn)行反應(yīng)(fǎnyìng)器的工程分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，為反應(yīng)(fǎnyìng)過程的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際工業(yè)反應(yīng)(fǎnyìng)器的優(yōu)化操作奠定基礎(chǔ)。二、教學(xué)基本內(nèi)容與基本要求精品資料闡述了釜式、管式、流化床等反應(yīng)器的基本特點(diǎn)、設(shè)計(jì)基本原則和計(jì)算(jìsuàn)方法；反應(yīng)器的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性計(jì)算(jìsuàn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。要求能夠根據(jù)具體反應(yīng)過程進(jìn)行反應(yīng)器的工程分析和設(shè)計(jì)計(jì)算(jìsuàn)，為未來實(shí)際工作和科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第一章緒論本章要求：精品資料一、了解(liǎojiě)化學(xué)反應(yīng)器的三種操作方式和特點(diǎn)。二、了解(liǎojiě)化學(xué)反應(yīng)器的主要類型、結(jié)構(gòu)和工作原理?；ぎa(chǎn)品、醫(yī)藥產(chǎn)品（化學(xué)合成）等工業(yè)過程均采用化學(xué)方法將原料加工成為有用的產(chǎn)品。生產(chǎn)過程包括三個組成部分。原料預(yù)處理過程(物理(wùlǐ)、化學(xué)處理)

化學(xué)加工過程(物質(zhì)轉(zhuǎn)化)反應(yīng)產(chǎn)物分離、提純(物理處理)目的產(chǎn)物副產(chǎn)物原料未反應(yīng)原料圖1.1典型的化學(xué)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(xué)反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心。1.1化學(xué)反應(yīng)工程1、化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象化學(xué)反應(yīng)工程主要包括兩個方面的內(nèi)容，即反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)(shèjì)分析。反應(yīng)動力學(xué)－研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理和速率，獲得反應(yīng)器設(shè)計(jì)(shèjì)與操作所需的知識與信息。精品資料如反應(yīng)模式、速率方程及反應(yīng)活化能等，其中速率方程可表示為：對于一定的反應(yīng)物系而言，r隨時間、空間變化。其中，r為反應(yīng)系統(tǒng)中某一組分的反應(yīng)速率，代表濃度的矢量，P為系統(tǒng)的總壓。反應(yīng)器設(shè)計(jì)(shèjì)－研究反應(yīng)器內(nèi)上述因素的變化規(guī)律，確定最優(yōu)工況和適宜的反應(yīng)器型式和尺寸。注意：前者研究反應(yīng)本身的規(guī)律，與反應(yīng)器內(nèi)各局部的狀況有關(guān)（從點(diǎn)上著眼）；后者的設(shè)計(jì)(shèjì)與分析則從面上（體上）著手。精品資料2、化學(xué)反應(yīng)的分類（反應(yīng)工程(gōngchéng)學(xué)科）為了便于研究和應(yīng)用，需將化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分類。常見的化學(xué)反應(yīng)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(yīng)種類。精品資料例如：為氣－固相催化反應(yīng)3、反應(yīng)過程反應(yīng)過程一般包括:物理現(xiàn)象－傳遞現(xiàn)象(熱量、動量和能量傳遞過程)；化學(xué)現(xiàn)象－化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng)；例如，利用氫氣和氮?dú)夂铣砂钡姆磻?yīng)包括下列過程：①氫氣、氮?dú)獾募訜?；②氫氣、氮?dú)庀虼呋瘎﹥?nèi)外表面的擴(kuò)散；③氫氣、氮?dú)庠诖呋瘎┍砻娴奈?；④氫氣、氮?dú)庠诖呋瘎┍砻娴姆磻?yīng)；精品資料⑤氫氣、氮?dú)?、氨氣在催化劑表面的解析；⑥產(chǎn)物的擴(kuò)散；⑦產(chǎn)物的冷卻。4、化學(xué)反應(yīng)工程的作用在化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)和加工過程的開發(fā)、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大起著重要的作用。運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程知識可以：①提高反應(yīng)器的放大倍數(shù)，減少試驗(yàn)次數(shù)和開發(fā)周期(zhōuqī)；②對現(xiàn)有反應(yīng)裝置操作工況進(jìn)行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率；精品資料③開發(fā)環(huán)境優(yōu)良的綠色生產(chǎn)(shēngchǎn)路線和工藝。5、反應(yīng)器的操作方式間歇操作反應(yīng)器、半間歇半連續(xù)操作反應(yīng)器、連續(xù)操作反應(yīng)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(xué)反應(yīng)器的類型反應(yīng)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(yīng)器特點(diǎn)：反應(yīng)器的長度遠(yuǎn)大于內(nèi)徑(nèijìnɡ)、且內(nèi)部無零部件。應(yīng)用范圍：多用于均相反應(yīng)過程。原料(yuánliào)產(chǎn)物原料產(chǎn)物原料原料管式反應(yīng)器精品資料(2)釜式反應(yīng)器特點(diǎn)(tèdiǎn)：高度與直徑比約為2-3內(nèi)設(shè)攪拌裝置和檔板。應(yīng)用范圍：均相、多相反應(yīng)過程均可。(3)塔式反應(yīng)器特點(diǎn)(tèdiǎn)：高度遠(yuǎn)大于直徑，內(nèi)部設(shè)有填料、塔板等以提高相互接觸面積。應(yīng)用范圍：用于多相反應(yīng)過程。液體(yètǐ)氣體產(chǎn)物釜式反應(yīng)器精品資料填料(tiánliào)塔反應(yīng)器噴霧塔反應(yīng)器板式(bǎnshì)塔反應(yīng)器精品資料(4)固定床反應(yīng)器特點(diǎn)：底層內(nèi)部裝有不動的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?yīng)物。應(yīng)用范圍：用于多相反應(yīng)系統(tǒng)。(5)流化床反應(yīng)器特點(diǎn)：反應(yīng)過程中反應(yīng)器內(nèi)部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運(yùn)動，提高反應(yīng)器內(nèi)液體的混合(hùnhé)性能。固定床鼓泡反應(yīng)器精品資料應(yīng)用范圍：多相反應(yīng)體系，可以提高傳熱速率。(6)移動床反應(yīng)器特點(diǎn)：固體顆粒(kēlì)自上而下作定向移動與反應(yīng)流體逆向接觸。應(yīng)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(yīng)器特點(diǎn)：是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還包括流化床反應(yīng)器移動(yídòng)床反應(yīng)器精品資料包括氣液兩種。應(yīng)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(yīng)過程。(8)交流磁場流化床反應(yīng)器特點(diǎn)：床內(nèi)的固體顆粒在交流磁場作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)入(jìnrù)床內(nèi)液體中的離子做不規(guī)則的螺旋運(yùn)動，可以極大地提高反應(yīng)速率。滴流床反應(yīng)器精品資料磁場(cíchǎng)流化床反應(yīng)器固定床旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)床磁固定床精品資料第二章釜式反應(yīng)器本章要求：一、熟練掌握(zhǎngwò)等溫間歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)時間和體積的計(jì)算（單一反應(yīng)、平行與連串反應(yīng)）；二、熟練掌握(zhǎngwò)連續(xù)釜式反應(yīng)器反應(yīng)時間和體積的計(jì)算；三、掌握(zhǎngwò)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)；四、掌握(zhǎngwò)釜式反應(yīng)器中平行與連串反應(yīng)選擇性的分析，連接和加料方式的選擇；五、了解串聯(lián)釜式反應(yīng)器最佳體積的求取方法。

精品資料反應(yīng)器設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的最佳操作條件和完成規(guī)定的生產(chǎn)(shēngchǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積和主要尺寸。2.1釜式反應(yīng)器的物料衡算方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：選擇合適的反應(yīng)器類型、確定最佳操作條件、計(jì)算完成規(guī)定的生產(chǎn)(shēngchǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)各處濃度均一，衡算的控制體選擇整個反應(yīng)器。如果反應(yīng)區(qū)內(nèi)存在兩個或兩個以上相態(tài)，反應(yīng)體積內(nèi)各點(diǎn)的反應(yīng)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(fù)雜反應(yīng)，方程數(shù)將大大增多。2.2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（單一反應(yīng)）特點(diǎn)：分批裝、卸；適用于不同品種和規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)，廣泛用于精細(xì)化工(jīnɡxìhuàɡōnɡ)產(chǎn)品、醫(yī)藥、助劑等生產(chǎn)。精品資料操作時間=反應(yīng)時間+輔助時間（裝+卸+清洗）一、反應(yīng)時間和體積的計(jì)算A—關(guān)鍵組分（單一反應(yīng)）若整個(zhěnggè)反應(yīng)器中濃度均一,將整個(zhěnggè)反應(yīng)器作為控制體,根據(jù)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(yīng)器，由于，若為均相則（否則不行），反應(yīng)時間可為：設(shè)反應(yīng)速率方程為（不可逆反應(yīng)），則，在等溫下有:精品資料

當(dāng)溫度T↑時，反應(yīng)速率常數(shù)k↑，導(dǎo)致達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所用的反應(yīng)時間t↓。對于可逆放熱反應(yīng)，是上面的結(jié)論仍然(réngrán)正確嗎？注意:，與、無關(guān)；與有關(guān)。與操作時間、單位時間內(nèi)處理反應(yīng)物料的體積之間的關(guān)系為：

精品資料實(shí)際的反應(yīng)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(yīng)時間對于間歇釜式反應(yīng)器，總操作時間可以表示為：當(dāng)反應(yīng)時間時，，但。而比值不總是增加的，存在最優(yōu)值。如將目標(biāo)函數(shù)定義為：精品資料通過求解得最佳反應(yīng)時間。2.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)）一、平行反應(yīng)在等溫間歇反應(yīng)器中，設(shè)進(jìn)行(jìnxíng)的反應(yīng)為一級平行反應(yīng)：P為目的產(chǎn)物根據(jù)物料衡算可以得到：Q為副產(chǎn)物精品資料其中只有兩個獨(dú)立(dúlì)反應(yīng)。對于均相，恒容過程方程進(jìn)一步變?yōu)椋涸O(shè)初值條件為：，則方程的解為:將代入上式得：；；精品資料反應(yīng)物系的組成隨時間的變化關(guān)系如圖2-1所示，由圖可見，因?yàn)閮蓚€反應(yīng)均是一級反應(yīng)，于是有：由于P是目的產(chǎn)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(guān)系精品資料二、連串(liánchuàn)反應(yīng)設(shè)在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行如下的連串(liánchuàn)反應(yīng)：假設(shè)反應(yīng)均為一級，根據(jù)物料衡算得：設(shè)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(yīng)物系組成隨時間的變化關(guān)系如圖2-2所示，如果P是目的產(chǎn)物(chǎnwù)，其值有最優(yōu)解。通過對時間求導(dǎo)，可以得到：如果，則:圖2-2連串反應(yīng)組分隨時間的變化(biànhuà)關(guān)系精品資料2.4連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積連續(xù)釜式反應(yīng)器：基本在定態(tài)下操作，物料有進(jìn)有出。一、連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)反應(yīng)器的參數(shù)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(yīng)，恒容操作出口處的C、T反應(yīng)器內(nèi)的C、T相同。根據(jù)物料衡算方程得:圖2-3連續(xù)(liánxù)釜式反應(yīng)器精品資料對于一級反應(yīng)：對于恒容過程(guòchéng)，有，即，由此得到：注意：①反應(yīng)器內(nèi)C、T恒定，內(nèi)部各點(diǎn)處的反應(yīng)速率相同，連續(xù)釜式反應(yīng)器是等速反應(yīng)器。②當(dāng)同時進(jìn)行多個反應(yīng)時，只要進(jìn)、出口組成和QO已知，就可以針對一個組分求出反應(yīng)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(chǎn)能力（對連續(xù)反應(yīng)器而言）其定義為：τ↓，生產(chǎn)能力↑；τ↑，生產(chǎn)能力↓。（比較(bǐjiào)時QO應(yīng)在相同的T，P下求得，即在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行比較(bǐjiào))(2)空速—單位反應(yīng)體積、單位時間內(nèi)所處理的物料量可表示為空時的倒數(shù)，即：s↑時，生產(chǎn)能力↑。比較(bǐjiào)基準(zhǔn)“標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，用催化劑空速（往往以催化劑質(zhì)量或體積衡量）。2.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)實(shí)際(shíjì)生產(chǎn)中，將會遇到使用多個釜式反應(yīng)器的問題。如何聯(lián)接使用是需要解決的問題，基本原則是應(yīng)盡可能使反應(yīng)器的總體積最小。正常(zhèngcháng)動力學(xué)反常動力學(xué)圖2-4釜式反應(yīng)器的體積比較

精品資料根據(jù)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(xué)，多釜串聯(lián)有利；對于反常動力學(xué)，則使用單釜有利，如使用多釜，采用并聯(lián)的方式(fāngshì)。對于釜式反應(yīng)器的并聯(lián)，如圖所示。操作中加入每個反應(yīng)器中物料量的分配按下列方法進(jìn)行。圖2-5并聯(lián)(bìnglián)的釜式反應(yīng)器精品資料通常可以采取(cǎiqǔ)，這時整個反應(yīng)系統(tǒng)最優(yōu)。即要：這時有：一、串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計(jì)算假設(shè)N個串聯(lián)的釜式反應(yīng)器如下圖所示。通過對每個釜進(jìn)行物料衡算，得到系統(tǒng)的計(jì)算方程。精品資料針對一級不可逆反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算（其它級數(shù)反應(yīng)的計(jì)算方法相同），動力學(xué)方程為：設(shè)每個釜的體積(tǐjī)相同，即，那么每一個釜的空時相同，若反應(yīng)器中的溫度T相同（保證k一樣），針對第p個釜進(jìn)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(yīng)體積為：

對于非一級反應(yīng)，沒有解析(jiěxī)解，需要進(jìn)行逐釜計(jì)算。根據(jù)已知條件，可以將逐釜計(jì)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(jì)算出或，直至(zhízhì)求出達(dá)到所需的釜數(shù)N。

精品資料(2)已知釜數(shù)N需要先假設(shè)空時τ，按①的方法逐釜計(jì)算出第N個釜出口的轉(zhuǎn)化率，并與要求的轉(zhuǎn)化率對比，如果不一致需要重新(chóngxīn)假設(shè)空時τ，重復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到兩者吻合。精品資料二、串聯(lián)(chuànlián)釜式反應(yīng)器各釜的最佳反應(yīng)體積優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：對于級反應(yīng)，，得到的結(jié)論為：精品資料計(jì)算舉例一：在釜式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行醋矸的水合反應(yīng)：該反應(yīng)可視為不可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分醋矸A在不同溫度下的反應(yīng)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(yīng)在30℃下等溫精品資料進(jìn)行，假定反應(yīng)過程中反應(yīng)混合物的密度恒定為，當(dāng)醋矸的轉(zhuǎn)化率為0.88時，試分別計(jì)算下列情況下所需的反應(yīng)體積。(1)一個全混流反應(yīng)器(2)兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)并保持(bǎochí)體積最小。解：[1]30℃下速率常數(shù)k的確定由表可知，速率常數(shù)k僅是反應(yīng)溫度T的函數(shù)，應(yīng)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(shù)(chángshù)k:[2]全混流反應(yīng)器體積的設(shè)計(jì)全混流反應(yīng)器體積為：其中：體積流量代入已知值得：精品資料[3]反應(yīng)器串聯(lián)的最小體積(tǐjī)對于一級不可逆反應(yīng)，當(dāng)兩個反應(yīng)器體積(tǐjī)相等時反應(yīng)器體積(tǐjī)最小。第一臺反應(yīng)器的體積(tǐjī)為：第二臺反應(yīng)器的體積(tǐjī)為：解得：，，精品資料計(jì)算舉例二：在例一中，若全混流反應(yīng)器的裝料系數(shù)為，反應(yīng)器的長徑比按下表確定，介質(zhì)(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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)知：精品資料公稱直徑DN標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)（mm）公稱壓力PN標(biāo)準(zhǔn)(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(shè)計(jì)(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(shè)計(jì)(shèjì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)(shèjì)壓力：＝(1.15～1.3)?。?.3=1.3×0.7液體靜壓：

故：精品資料設(shè)計(jì)溫度：70℃焊縫系數(shù)(xìshù)：＝0.85（局部無損探傷）許用應(yīng)力：根據(jù)材料0Cr18Ni10Ti、設(shè)計(jì)溫度70℃，查文獻(xiàn)得知＝137。[2]筒體壁厚的強(qiáng)度計(jì)算由得：圓整：，考慮到加工的要求?。篬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(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，試確定封頭的壁厚。解：[1]設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)壓力：取設(shè)計(jì)溫度：70℃焊縫系數(shù)：（整板沖壓成型）許用應(yīng)力：根據(jù)材料0Cr18Ni10Ti、設(shè)計(jì)溫度70℃，查文獻(xiàn)(wénxiàn)得知。精品資料[2]封頭壁厚的強(qiáng)度計(jì)算由得：圓整：，考慮到加工的要求?。?5)確定(quèdìng)筒體的長度H。標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭的容積為：根據(jù)得：精品資料?。骇?005675Ф8005r138R72025筒體的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與尺寸封頭的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與尺寸200精品資料(5)若筒體與上封頭采用法蘭聯(lián)接，設(shè)計(jì)(shèjì)法蘭的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。解：法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(shèjì)包括：法蘭的設(shè)計(jì)(shèjì)、密封面得選型、墊片的設(shè)計(jì)(shèjì)、螺栓和螺母的設(shè)計(jì)(shèjì)。[1]法蘭的設(shè)計(jì)(shèjì)及密封面選型根據(jù)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(zhì)無毒，且溫度為常溫，故選平面型密封面，代號為RF標(biāo)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(jié)構(gòu)與尺寸如下：螺栓數(shù)量(shùliàng)：40[2]墊片的設(shè)計(jì)PN=1.0MPa﹤1.6MPa,設(shè)計(jì)溫度﹤200℃，故選用Ф930Ф890Ф855Ф800543×45oФ2360o法蘭的結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)及尺寸見圖。[3]螺栓和螺母的設(shè)計(jì)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(jìn)行液壓試驗(yàn)強(qiáng)度校核(xiàohé)。解：[1]試驗(yàn)壓力的確定[2]強(qiáng)度校核(xiàohé)液壓試驗(yàn)時釜體產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：

因?yàn)?，故?qiáng)度足夠精品資料(7)若采用夾套對反應(yīng)物料(wùliào)進(jìn)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(nèi)的流動阻力，夾套內(nèi)徑按國家標(biāo)準(zhǔn)取=800+300=1100，故夾套的=1100[2]夾套的PN確定夾套內(nèi)的導(dǎo)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(shè)計(jì)夾套的壁厚。解：夾套由筒體和封頭構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)碟形封頭。[1]筒體壁厚的設(shè)計(jì)由于＜0.1，此時強(qiáng)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?yàn)椋海?800mm,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(shè)計(jì)根據(jù)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(shè)計(jì)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(nèi)徑分別為、、壁厚。結(jié)構(gòu)(jiégòu)與尺寸見下圖。Ф810Ф1100150545o上封頭的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與尺寸精品資料[4]標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭的設(shè)計(jì)碟形封頭的結(jié)構(gòu)與尺寸(chǐcun)見下圖。(9)設(shè)計(jì)釜體與夾套的主要焊縫結(jié)構(gòu)25Ф11005R990r190碟形封頭的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與尺寸275精品資料解：釜體與夾套的結(jié)構(gòu)(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(jī)的功率、轉(zhuǎn)速，材料的許用剪應(yīng)力按下表確定。試初步設(shè)計(jì)攪拌軸的尺寸和攪拌槳的尺寸。解：[1]攪拌軸的強(qiáng)度(qiángdù)計(jì)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(yīng)力

精品資料攪拌軸產(chǎn)生(chǎnshēng)的最大扭矩為：由強(qiáng)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(zhuǎn)角：精品資料其中：代入已知值得：在一般攪拌軸的計(jì)算中，取，故滿足剛度要求。考慮到攪拌軸與聯(lián)軸器配合，d＝35mm可能需要(xūyào)進(jìn)一步調(diào)整。[3]攪拌軸臨界轉(zhuǎn)速校核計(jì)算由于攪拌軸轉(zhuǎn)速，故無需作臨界轉(zhuǎn)速校核計(jì)算。精品資料攪拌軸工作轉(zhuǎn)速與振幅(zhènfú)之間的關(guān)系如圖。當(dāng)≤（0.75-0.8）時，攪拌軸為剛性軸；反之，攪拌軸為撓性軸。當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)速時，軸需要進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速校核計(jì)算。轉(zhuǎn)速振幅精品資料[3]攪拌(jiǎobàn)軸的長度設(shè)計(jì)攪拌(jiǎobàn)軸的長度近似由釜外長度、釜內(nèi)未浸入液體的長度、浸入液體的長度三部分構(gòu)成。即：其中：(機(jī)架高、減速機(jī)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(nèi)的最佳深度為：液體總裝填高度當(dāng)時為最佳裝填高度；需要設(shè)置一層攪拌槳；當(dāng)＜時，需要設(shè)置兩層攪拌槳。的計(jì)算：精品資料由于＜，故選一層攪拌槳。攪拌槳浸入液體內(nèi)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(shè)計(jì)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(jìn)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(qiáng)化傳質(zhì)傳熱過程，從而加快反應(yīng)速率。根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)(xìngzhì)，攪拌槳的型式選用槳式。結(jié)構(gòu)與尺寸如下圖。標(biāo)記:攪拌器600-40HG5-220-65Ф40Dj=6001101402-M121-M126012槳式攪拌(jiǎobàn)槳的結(jié)構(gòu)與尺寸3精品資料(11)若在釜體上封頭設(shè)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(shè)備內(nèi)物料及其反應(yīng)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(jié)構(gòu)型式見圖。精品資料由于釜體內(nèi)徑較小，故選用DN=80的帶頸視鏡，由DN=80、PN=1.0MPa查有關(guān)(yǒuguān)標(biāo)準(zhǔn)可知視鏡的標(biāo)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(shè)計(jì)(shèjì)軸封的結(jié)構(gòu)與尺寸反應(yīng)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(jù)PN=1.0MPa、轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)尺寸為Ф40mm。222型軸封的結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖和表。精品資料222型軸封結(jié)構(gòu)(jiégòu)222型軸封的主要(zhǔyào)尺寸精品資料(13)繪制(huìzhì)出反應(yīng)釜的俯視圖。abcdihggfe1430137095060045o45o200精品資料精品資料(14)填寫技術(shù)(jìshù)特性表及管口表技術(shù)(jìshù)特性表及管口表如下表技術(shù)(jìshù)特性表精品資料管口表精品資料2.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率(shōulǜ)和選擇性對于復(fù)雜反應(yīng)，目的產(chǎn)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(yīng)器的型式，操作方式和操作條件密切相關(guān)。收率(shōulǜ):—目的產(chǎn)物生成量；—關(guān)鍵組分的起始量；選擇性：精品資料一、平行(píngxíng)反應(yīng)的選擇性設(shè)在釜式反應(yīng)器中進(jìn)行平行(píngxíng)反應(yīng)：假設(shè)P為目的產(chǎn)物，則瞬時選擇性為:反應(yīng)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(jù)和的相對大小，選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)組分濃度和溫度，來提高反應(yīng)的選擇性S。反應(yīng)器中各組分的濃度與反應(yīng)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(guān)。提高反應(yīng)選擇性的方法(fāngfǎ)：(1)如果要求選擇間歇釜或多釜串聯(lián)，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(lián)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(chǎn)強(qiáng)度，反應(yīng)過程需要在較高的溫度下進(jìn)行。當(dāng)或時，溫度高對過程有利；但當(dāng)時，溫度降低有利于選擇性的提高，但應(yīng)盡能使反應(yīng)在較高的溫度下進(jìn)行，實(shí)際上存在一個最佳溫度值。二、串聯(lián)反應(yīng)的選擇性（均為一級反應(yīng)）P、Q的反應(yīng)速率(sùlǜ)為：

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

目的產(chǎn)物P的最佳(zuìjiā)收率:精品資料在連續(xù)釜式反應(yīng)器進(jìn)行(jìnxíng)上述連串反應(yīng)，最佳空時（不是反應(yīng)時間）和最佳收率。根據(jù)物料衡算式，有:

精品資料由導(dǎo)數(shù)得：最佳收率(shōulǜ)為：為提高收率(shōulǜ)，采取：①改變操作溫度，使發(fā)生改變，一般采用較高的反應(yīng)溫度，提高生產(chǎn)能力。圖2－7連串反應(yīng)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(yīng)(fǎnyìng)器間歇釜式反應(yīng)(fǎnyìng)器做到等溫操作很困難，當(dāng)熱效應(yīng)小時，近似等溫可以辦到，如果熱效應(yīng)大時，很難做到。溫度會影響到和反應(yīng)(fǎnyìng)器的生產(chǎn)強(qiáng)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(yīng)(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(lián)立和熱量衡算式可求解出反應(yīng)時間。2.7絕熱間歇釜式反應(yīng)器在反應(yīng)過程中無熱量交換，故有:精品資料對于恒容過程有:根據(jù)初始條件將上式積分得：2.8連續(xù)釜式反應(yīng)器(CSTR)的定態(tài)操作一、CSTR的物料衡算連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度和濃度均一。若達(dá)到定態(tài)操作，T、C不隨時間變化(biànhuà)，CSTR的定態(tài)點(diǎn)，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(dá)到定態(tài)下的濃度CA取決于反應(yīng)動力學(xué)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(dāng)CSTR無換熱面的絕熱條件下，則：聯(lián)立物料衡算、熱量衡算式，可確定CSTR的容積、傳熱面積或反應(yīng)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(yīng)滿足：放熱速率與反應(yīng)溫度的關(guān)系基本上由阿累尼烏斯公式(gōngshì)（）控制。移熱速率與反應(yīng)溫度的關(guān)系呈線性關(guān)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(diǎn)精品資料即出現(xiàn)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(fù)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(yīng)有：式中是反應(yīng)溫度的函數(shù)，由釜式反應(yīng)器設(shè)計(jì)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(yīng)的設(shè)計(jì)方程為：精品資料應(yīng)用上式將對溫度T作圖如下（圖中綠色(lǜsè)曲線）。精品資料當(dāng)溫度T很大時，上式中的可以忽略，其漸近線如圖中綠線。應(yīng)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(yīng)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(yīng)器內(nèi)的換熱面積A或傳熱系數(shù)K，斜率增大，線將向T減小的方向移動。定常操作態(tài)時應(yīng)滿足(mǎnzú)：，但并非是線性關(guān)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(diǎn)(2、3、4)，但只有2，4兩點(diǎn)具有抗外界干擾的能力。外界干擾導(dǎo)致反應(yīng)溫度產(chǎn)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(fù)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(diǎn)不具有抗外界干擾的能力。因?yàn)楫?dāng)ΔT＞0時，有，將使系統(tǒng)溫度上升，使操作點(diǎn)向4點(diǎn)移動，直至達(dá)到4點(diǎn)的操作態(tài)。操作點(diǎn)向2點(diǎn)移動，直至達(dá)到2點(diǎn)的操作態(tài)。因此，可以通過改變操作變量實(shí)現(xiàn)CSTR在穩(wěn)定的定常態(tài)下操作。四、CSTR熱穩(wěn)定性的判據(jù)所有處于(chǔyú)穩(wěn)定的定常態(tài)點(diǎn)均具有一共同特征，在這些點(diǎn)處有：精品資料對于n級不可逆反應(yīng)(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(yīng)(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(yīng)器管式反應(yīng)器也是一類理想反應(yīng)器模型(活塞流模型)。與間歇釜式反應(yīng)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(nèi)容：一、活塞流模型的基本假定二、等溫管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析精品資料三、管式反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器的性能比較四、循環(huán)管式反應(yīng)器的分析計(jì)算五、管式反應(yīng)器的變溫操作流體流動(liúdòng)是非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，影響到系統(tǒng)的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化程度。3.1流動(liúdòng)狀況對反應(yīng)過程的影響流體在空管中流動(liúdòng)的狀態(tài)見圖。內(nèi)部各部分流體的停留時間不同，反應(yīng)時間不同,反應(yīng)速率和最終轉(zhuǎn)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(yīng)器的設(shè)計(jì)一、管式反應(yīng)器的物料衡算式(suànshì)在管式反應(yīng)器中進(jìn)行的單一反應(yīng)，取如圖所示的微元體（高為dZ）。在定態(tài)條件下：

管式反應(yīng)器示意圖

精品資料在定態(tài)條件下：將反應(yīng)速率方程兩邊積分有：假設(shè)=常數(shù)（=下的值），則:——管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)(shèjì)方程對于恒容過程，上式為：精品資料注意：管式反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程形式上相同，但一個是反應(yīng)時間t，一個空時τ（與所選擇的進(jìn)口狀態(tài)有關(guān)）。另外(lìnɡwài)，間歇釜式反應(yīng)器總是恒容的。如果管式反應(yīng)器也在恒容下進(jìn)行，則有τ=t；否則，τ≠t。設(shè)反應(yīng)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(yīng)器反應(yīng)體積的比較在處理量、組成、T、xAf相同的條件(tiáojiàn)下進(jìn)行對比。對于不可逆等溫反應(yīng)，使用不同形式的理想反應(yīng)器時所需要的反應(yīng)體積如圖所示。理想(lǐxiǎng)反應(yīng)器體積示意圖精品資料對于正常動力學(xué)反應(yīng)：管式反應(yīng)器與間歇釜式反應(yīng)器的體積最大；連續(xù)釜式反應(yīng)器的體積最?。欢喔?lián)釜式反應(yīng)器的體積居中。對于反常動力學(xué)反應(yīng)：管式反應(yīng)器與間歇釜式反應(yīng)器的體積最?。贿B續(xù)釜式反應(yīng)器的體積最大；多釜串聯(lián)釜式反應(yīng)器的體積居中。3.4管式反應(yīng)器的熱量衡算管式反應(yīng)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(nèi)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(nèi)dV微元與外界的換熱量）=（單位時間內(nèi)通過dV微元的反應(yīng)(fǎnyìng)混合物的焓變）數(shù)學(xué)表達(dá)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(jìn)入dV微元的反應(yīng)物從To加熱到T的焓變；—出dV微元的反應(yīng)物從T至T+dT的焓變;—反應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(dá)式，即為變溫操作的操作方程。聯(lián)立設(shè)計(jì)方程求解可得物料組成與溫度(wēndù)沿管內(nèi)軸線上的分布。首先將設(shè)計(jì)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(jù)上述操作方程逐段進(jìn)行(jìnxíng)計(jì)算，過程如下：①從第N段的出口組成和溫度的值來計(jì)算；②用①的值，取步長由計(jì)算出;將其代入操作方程計(jì)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(jì)算出，然后取算術(shù)平均值，來重新計(jì)算精品資料，在計(jì)算時應(yīng)采用(cǎiyòng)來代替計(jì)算溫差，而；④重復(fù)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(fù)①～④的步驟進(jìn)行N+1段的計(jì)算，如此逐段計(jì)算直至滿足所要求的出口轉(zhuǎn)化率為止，反應(yīng)器的長度為。若采用(cǎiyòng)等步長，則反應(yīng)器的長度為。計(jì)算舉例三：用一內(nèi)徑為Di=250mm的管式反應(yīng)器進(jìn)行一級精品資料不可逆的氣體A熱分解(fēnjiě)反應(yīng)，其計(jì)量方程為：；速率方程為：；；原料為純氣體A，反應(yīng)壓力；反應(yīng)溫度為T=480℃（等溫反應(yīng)），反應(yīng)過程中壓力恒定。原料氣的處理速率為：，試設(shè)計(jì)要求原料A的分解(fēnjiě)率達(dá)到0.94時需要的反應(yīng)器長度、停留時間及空時。（假設(shè)原料氣為理想氣體）解：[1]原料氣A進(jìn)料體積流率的計(jì)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(nèi)的體積流速(liúsù)是轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，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(shè)計(jì)方程的確定(quèdìng)由可得：將已知值代入得：[4]反應(yīng)器長度的設(shè)計(jì)由