化学反应器设计原理

化学反应器设计(shèjì)原理精品资料一、课程性质、目的与任务化学反应(fǎnyìng)器是化工工艺过程的核心，是工程设计和工业生产操作的关键。通过本课程的学习，了解几种典型反应(fǎnyìng)器的基本特点，掌握反应(fǎnyìng)器的基本设计原则和计算方法，能够结合具体反应(fǎnyìng)过程进行反应(fǎnyìng)器的工程分析和设计计算，为反应(fǎnyìng)过程的工程设计和实际工业反应(fǎnyìng)器的优化操作奠定基础。二、教学基本内容与基本要求精品资料阐述了釜式、管式、流化床等反应器的基本特点、设计基本原则和计算(jìsuàn)方法；反应器的强度、刚度、稳定性计算(jìsuàn)及结构设计等内容。要求能够根据具体反应过程进行反应器的工程分析和设计计算(jìsuàn)，为未来实际工作和科研工作打下坚实的基础。第一章绪论本章要求：精品资料一、了解(liǎojiě)化学反应器的三种操作方式和特点。二、了解(liǎojiě)化学反应器的主要类型、结构和工作原理。化工产品、医药产品（化学合成）等工业过程均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括三个组成部分。原料预处理过程(物理(wùlǐ)、化学处理)

化学加工过程(物质转化)反应产物分离、提纯(物理处理)目的产物副产物原料未反应原料图1.1典型的化学加工过程精品资料第一、三两部分属于单元操作的研究范围；第二部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。1.1化学反应工程1、化学反应工程的研究对象化学反应工程主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计(shèjì)分析。反应动力学－研究化学反应进行的机理和速率，获得反应器设计(shèjì)与操作所需的知识与信息。精品资料如反应模式、速率方程及反应活化能等，其中速率方程可表示为：对于一定的反应物系而言，r随时间、空间变化。其中，r为反应系统中某一组分的反应速率，代表浓度的矢量，P为系统的总压。反应器设计(shèjì)－研究反应器内上述因素的变化规律，确定最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。注意：前者研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关（从点上着眼）；后者的设计(shèjì)与分析则从面上（体上）着手。精品资料2、化学反应的分类（反应工程(gōngchéng)学科）为了便于研究和应用，需将化学反应进行分类。常见的化学反应分类、方法和种类见下表，一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。精品资料例如：为气－固相催化反应3、反应过程反应过程一般包括:物理现象－传递现象(热量、动量和能量传递过程)；化学现象－化学反应(huàxuéfǎnyìng)；例如，利用氢气和氮气合成氨的反应包括下列过程：①氢气、氮气的加热；②氢气、氮气向催化剂内外表面的扩散；③氢气、氮气在催化剂表面的吸附；④氢气、氮气在催化剂表面的反应；精品资料⑤氢气、氮气、氨气在催化剂表面的解析；⑥产物的扩散；⑦产物的冷却。4、化学反应工程的作用在化学产品生产和加工过程的开发、反应器的设计、放大起着重要的作用。运用化学反应工程知识可以：①提高反应器的放大倍数，减少试验次数和开发周期(zhōuqī)；②对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产效率；精品资料③开发环境优良的绿色生产(shēngchǎn)路线和工艺。5、反应器的操作方式间歇操作反应器、半间歇半连续操作反应器、连续操作反应器。液体(yètǐ)气体气体气体液体液体液体气体气体间歇式半连续式连续式精品资料1.2化学反应器的类型反应器的类型很多，按工作原理来分，可分为以下几种类型。(1)管式反应器特点：反应器的长度远大于内径(nèijìnɡ)、且内部无零部件。应用范围：多用于均相反应过程。原料(yuánliào)产物原料产物原料原料管式反应器精品资料(2)釜式反应器特点(tèdiǎn)：高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板。应用范围：均相、多相反应过程均可。(3)塔式反应器特点(tèdiǎn)：高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积。应用范围：用于多相反应过程。液体(yètǐ)气体产物釜式反应器精品资料填料(tiánliào)塔反应器喷雾塔反应器板式(bǎnshì)塔反应器精品资料(4)固定床反应器特点：底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物。应用范围：用于多相反应系统。(5)流化床反应器特点：反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混合(hùnhé)性能。固定床鼓泡反应器精品资料应用范围：多相反应体系，可以提高传热速率。(6)移动床反应器特点：固体颗粒(kēlì)自上而下作定向移动与反应流体逆向接触。应用范围：用于多相体系，催化剂可以连续再生。(7)滴流床反应器特点：是固定反应器的一种，但反应物还包括流化床反应器移动(yídòng)床反应器精品资料包括气液两种。应用范围：属于固定床的一种，用于使用固体催化剂的气液反应过程。(8)交流磁场流化床反应器特点：床内的固体颗粒在交流磁场作用下做旋转运动，进入(jìnrù)床内液体中的离子做不规则的螺旋运动，可以极大地提高反应速率。滴流床反应器精品资料磁场(cíchǎng)流化床反应器固定床旋转(xuánzhuǎn)床磁固定床精品资料第二章釜式反应器本章要求：一、熟练掌握(zhǎngwò)等温间歇釜式反应器反应时间和体积的计算（单一反应、平行与连串反应）；二、熟练掌握(zhǎngwò)连续釜式反应器反应时间和体积的计算；三、掌握(zhǎngwò)连续釜式反应器的串联和并联；四、掌握(zhǎngwò)釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择；五、了解串联釜式反应器最佳体积的求取方法。

精品资料反应器设计的任务是确定进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产(shēngchǎn)任务所需的反应器体积和主要尺寸。2.1釜式反应器的物料衡算方程反应器设计的基本内容：选择合适的反应器类型、确定最佳操作条件、计算完成规定的生产(shēngchǎn)任务所需的反应器体积（尺寸）。基本方程:物料衡算－描述浓度的变化规律精品资料能量衡算－描述(miáoshù)温度的变化规律动量衡算－描述压力的变化(biànhuà)情况精品资料注意：首先要选择控制体,如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体选择整个反应器。如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能选择微元体积作为控制体。对于复杂反应，方程数将大大增多。2.2等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）特点：分批装、卸；适用于不同品种和规格产品的生产，广泛用于精细化工(jīnɡxìhuàɡōnɡ)产品、医药、助剂等生产。精品资料操作时间=反应时间+辅助时间（装+卸+清洗）一、反应时间和体积的计算A—关键组分（单一反应）若整个(zhěnggè)反应器中浓度均一,将整个(zhěnggè)反应器作为控制体,根据物料衡算方程有：

精品资料初值条件为：该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。对于(duìyú)间歇反应器，由于，若为均相则（否则不行），反应时间可为：设反应速率方程为（不可逆反应），则，在等温下有:精品资料

当温度T↑时，反应速率常数k↑，导致达到规定转化率所用的反应时间t↓。对于可逆放热反应，是上面的结论仍然(réngrán)正确吗？注意:，与、无关；与有关。与操作时间、单位时间内处理反应物料的体积之间的关系为：

精品资料实际的反应器体积为：沸腾或易发泡液体物料：一般流体(liútǐ)：二、最优反应时间对于间歇釜式反应器，总操作时间可以表示为：当反应时间时，，但。而比值不总是增加的，存在最优值。如将目标函数定义为：精品资料通过求解得最佳反应时间。2.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）一、平行反应在等温间歇反应器中，设进行(jìnxíng)的反应为一级平行反应：P为目的产物根据物料衡算可以得到：Q为副产物精品资料其中只有两个独立(dúlì)反应。对于均相，恒容过程方程进一步变为：设初值条件为：，则方程的解为:将代入上式得：；；精品资料反应物系的组成随时间的变化关系如图2-1所示，由图可见，因为两个反应均是一级反应，于是有：由于P是目的产物，为了(wèile)得到更多的P，则希望k1>k2。图2-1组成随时间(shíjiān)的变化关系精品资料二、连串(liánchuàn)反应设在等温间歇反应器中进行如下的连串(liánchuàn)反应：假设反应均为一级，根据物料衡算得：设初值条件为：首先可以解出：将该式带入方程，有：解方程得：精品资料反应物系组成随时间的变化关系如图2-2所示，如果P是目的产物(chǎnwù)，其值有最优解。通过对时间求导，可以得到：如果，则:图2-2连串反应组分随时间的变化(biànhuà)关系精品资料2.4连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器：基本在定态下操作，物料有进有出。一、连续釜式反应器的特点反应器的参数不随时间变化(biànhuà)，不存在时间自变量，也没有空间自变量，多用于液相反应，恒容操作出口处的C、T反应器内的C、T相同。根据物料衡算方程得:图2-3连续(liánxù)釜式反应器精品资料对于一级反应：对于恒容过程(guòchéng)，有，即，由此得到：注意：①反应器内C、T恒定，内部各点处的反应速率相同，连续釜式反应器是等速反应器。②当同时进行多个反应时，只要进、出口组成和QO已知，就可以针对一个组分求出反应体积Vr。二、两个重要的物理量——空时、空速精品资料(1)空时—衡量生产能力（对连续反应器而言）其定义为：τ↓，生产能力↑；τ↑，生产能力↓。（比较(bǐjiào)时QO应在相同的T，P下求得，即在同一基准下进行比较(bǐjiào))(2)空速—单位反应体积、单位时间内所处理的物料量可表示为空时的倒数，即：s↑时，生产能力↑。比较(bǐjiào)基准“标准情况下的体积流量”，对于有固体精品资料催化剂参与的反应，用催化剂空速（往往以催化剂质量或体积衡量）。2.5连续釜式反应器的串联与并联实际(shíjì)生产中，将会遇到使用多个釜式反应器的问题。如何联接使用是需要解决的问题，基本原则是应尽可能使反应器的总体积最小。正常(zhèngcháng)动力学反常动力学图2-4釜式反应器的体积比较

精品资料根据可知：越大，则体积越大；反之则越小。由图中看出，对于正常动力学，多釜串联有利；对于反常动力学，则使用单釜有利，如使用多釜，采用并联的方式(fāngshì)。对于釜式反应器的并联，如图所示。操作中加入每个反应器中物料量的分配按下列方法进行。图2-5并联(bìnglián)的釜式反应器精品资料通常可以采取(cǎiqǔ)，这时整个反应系统最优。即要：这时有：一、串联釜式反应器的计算假设N个串联的釜式反应器如下图所示。通过对每个釜进行物料衡算，得到系统的计算方程。精品资料针对一级不可逆反应进行计算（其它级数反应的计算方法相同），动力学方程为：设每个釜的体积(tǐjī)相同，即，那么每一个釜的空时相同，若反应器中的温度T相同（保证k一样），针对第p个釜进行物料衡算，有：整理后得：精品资料将每一个釜的衡算方程相乘，得到：，整个系统的空时为：，总的反应体积为：

对于非一级反应，没有解析(jiěxī)解，需要进行逐釜计算。根据已知条件，可以将逐釜计算过程分精品资料成如下两种。(1)已知每一个单釜的体积此时每个釜的空时τ已知，逐一计算出或，直至(zhízhì)求出达到所需的釜数N。

精品资料(2)已知釜数N需要先假设空时τ，按①的方法逐釜计算出第N个釜出口的转化率，并与要求的转化率对比，如果不一致需要重新(chóngxīn)假设空时τ，重复进行计算，直到两者吻合。精品资料二、串联(chuànlián)釜式反应器各釜的最佳反应体积优化的目标函数为：对于级反应，，得到的结论为：精品资料计算举例一：在釜式反应器内进行醋矸的水合反应：该反应可视为不可逆反应，关键组分醋矸A在不同温度下的反应速率如下(rúxià)表。若要求原料的处理量为500Kg/h，原始料醋矸的浓度为，反应在30℃下等温精品资料进行，假定反应过程中反应混合物的密度恒定为，当醋矸的转化率为0.88时，试分别计算下列情况下所需的反应体积。(1)一个全混流反应器(2)两个全混流反应器串联并保持(bǎochí)体积最小。解：[1]30℃下速率常数k的确定由表可知，速率常数k仅是反应温度T的函数，应遵循阿累尼乌斯方程：将表中的值代入可得：精品资料解方程(1)(2)(3)得：30℃下速率常数(chángshù)k:[2]全混流反应器体积的设计全混流反应器体积为：其中：体积流量代入已知值得：精品资料[3]反应器串联的最小体积(tǐjī)对于一级不可逆反应，当两个反应器体积(tǐjī)相等时反应器体积(tǐjī)最小。第一台反应器的体积(tǐjī)为：第二台反应器的体积(tǐjī)为：解得：，，精品资料计算举例二：在例一中，若全混流反应器的装料系数为，反应器的长径比按下表确定，介质(jièzhì)的操作压力，试解决下列问题：

精品资料(1)确定(quèdìng)釜体的DN、PN解：反应器容积为：取将釜体视为筒体，且取由得：代入已知值得：

，取：DN=800mm由查公称压力标准知：精品资料公称直径DN标准(biāozhǔn)（mm）公称压力PN标准(biāozhǔn)()精品资料(2)若釜体的筒体采用0Cr18Ni10Ti制造，且釜体上装有爆破膜，试初步设计(shèjì)筒体的壁厚；筒体采用冷卷时，原始投料壁厚为多少。解：[1]设计(shèjì)参数的确定设计(shèjì)压力：＝(1.15～1.3)取＝1.3=1.3×0.7液体静压：

故：精品资料设计温度：70℃焊缝系数(xìshù)：＝0.85（局部无损探伤）许用应力：根据材料0Cr18Ni10Ti、设计温度70℃，查文献得知＝137。[2]筒体壁厚的强度计算由得：圆整：，考虑到加工的要求取：[3]原始投料壁厚精品资料原始投料壁厚不小于：(4)若采用标准碟形封头，试确定封头的壁厚。解：[1]设计参数的确定设计压力：取设计温度：70℃焊缝系数：（整板冲压成型）许用应力：根据材料0Cr18Ni10Ti、设计温度70℃，查文献(wénxiàn)得知。精品资料[2]封头壁厚的强度计算由得：圆整：，考虑到加工的要求取：(5)确定(quèdìng)筒体的长度H。标准碟形封头的容积为：根据得：精品资料取：Ф8005675Ф8005r138R72025筒体的结构(jiégòu)与尺寸封头的结构(jiégòu)与尺寸200精品资料(5)若筒体与上封头采用法兰联接，设计(shèjì)法兰的联接结构。解：法兰联接结构的设计(shèjì)包括：法兰的设计(shèjì)、密封面得选型、垫片的设计(shèjì)、螺栓和螺母的设计(shèjì)。[1]法兰的设计(shèjì)及密封面选型根据DN=800mm，PN=1.0MPa查法兰选用表可知，选用甲型平焊法兰。由于操作介质无毒，且温度为常温，故选平面型密封面，代号为RF标记：法兰RF800-1.0JB/T4701-2002材料：16MnR，螺栓规格：M20精品资料法兰的结构与尺寸如下：螺栓数量(shùliàng)：40[2]垫片的设计PN=1.0MPa﹤1.6MPa,设计温度﹤200℃，故选用Ф930Ф890Ф855Ф800543×45ºФ2360º法兰的结构(jiégòu)与尺寸精品资料耐油垫片，材料为：耐油橡胶石棉板(JB/T539)，结构及尺寸见图。[3]螺栓和螺母的设计螺栓和螺母的规格：M20螺栓选用普通六角头半精制(jīngzhì)螺栓，长度为：其中：Ф844Ф8043精品资料代入已知值得：(6)对釜体进行液压试验强度校核(xiàohé)。解：[1]试验压力的确定[2]强度校核(xiàohé)液压试验时釜体产生的最大应力为：

因为，故强度足够精品资料(7)若采用夹套对反应物料(wùliào)进行加热，试确定夹套的DN、PN。解：[1]夹套的DN确定由于操作温度t<100℃,故采用水加热，为降低水在夹套内的流动阻力，夹套内径按国家标准取=800+300=1100，故夹套的=1100[2]夹套的PN确定夹套内的导热水为常压操作，＜0.1，取PN＝0.25。(8)若夹套采用Q235-B制造，试设计夹套的壁厚。解：夹套由筒体和封头构成，上封头采用无折边精品资料锥形、下封头与釜体相同，即标准碟形封头。[1]筒体壁厚的设计由于＜0.1，此时强度(qiángdù)条件已不是确定筒体壁厚的主要因素，须按刚度条件确定筒体壁厚。因为：＜3800mm,所以：且≥3mm，另加。取，则：为了减少使用的钢板规格，取。[2]筒体长度的初步设计根据DN=1100，查表可知，每米高筒体的容积，则筒体高度的估算值为：精品资料≥=；取[3]无折边锥形封头的设计封头的上端与釜体的筒体焊接，下端与夹套的筒体焊接，故其上、下端的内径分别为、、壁厚。结构(jiégòu)与尺寸见下图。Ф810Ф1100150545º上封头的结构(jiégòu)与尺寸精品资料[4]标准碟形封头的设计碟形封头的结构与尺寸(chǐcun)见下图。(9)设计釜体与夹套的主要焊缝结构25Ф11005R990r190碟形封头的结构(jiégòu)与尺寸275精品资料解：釜体与夹套的结构(jiégòu)如下图。ⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡDi=800Dj=1100ⅢⅣⅤ精品资料精品资料精品资料精品资料(10)若电动机的功率、转速，材料的许用剪应力按下表确定。试初步设计搅拌轴的尺寸和搅拌桨的尺寸。解：[1]搅拌轴的强度(qiángdù)计算选用1Cr18Ni9Ti制造搅拌轴，圆轴受到的外力偶矩为：常用(chánɡyònɡ)轴材料的剪应力

精品资料搅拌轴产生(chǎnshēng)的最大扭矩为：由强度条件得：由于轴径已系列化，取d=35mm。[2]搅拌轴的刚度校核最大单位长度的扭转角：精品资料其中：代入已知值得：在一般搅拌轴的计算中，取，故满足刚度要求。考虑到搅拌轴与联轴器配合，d＝35mm可能需要(xūyào)进一步调整。[3]搅拌轴临界转速校核计算由于搅拌轴转速，故无需作临界转速校核计算。精品资料搅拌轴工作转速与振幅(zhènfú)之间的关系如图。当≤（0.75-0.8）时，搅拌轴为刚性轴；反之，搅拌轴为挠性轴。当搅拌轴转速时，轴需要进行临界转速校核计算。转速振幅精品资料[3]搅拌(jiǎobàn)轴的长度设计搅拌(jiǎobàn)轴的长度近似由釜外长度、釜内未浸入液体的长度、浸入液体的长度三部分构成。即：其中：(机架高、减速机输出轴长度)；(液体装填高度)。筒体液体装填高度的确定：H1HiL2L1L精品资料浸入液体搅拌轴的长度(chángdù)的确定：搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：液体总装填高度当时为最佳装填高度；需要设置一层搅拌桨；当＜时，需要设置两层搅拌桨。的计算：精品资料由于＜，故选一层搅拌桨。搅拌桨浸入液体内的最佳深度为：

故浸入液体的长度(chángdù)：搅拌轴的长度(chángdù)为：取：[4]搅拌桨的选型与尺寸设计精品资料搅拌(jiǎobàn)桨的型式如图。

桨式

齿片式

弯叶开启(kāiqǐ)涡轮

锚式

框式

螺带式

螺杆式

布鲁马金式

折叶开启涡轮

弯叶圆盘涡轮

推进式

平直叶圆盘涡轮

精品资料搅拌器型式适用(shìyòng)条件表精品资料搅拌的作用是迅速、均匀地混合物料，强化传质传热过程，从而加快反应速率。根据反应物料的性质(xìngzhì)，搅拌桨的型式选用桨式。结构与尺寸如下图。标记:搅拌器600-40HG5-220-65Ф40Dj=6001101402-M121-M126012桨式搅拌(jiǎobàn)桨的结构与尺寸3精品资料(11)若在釜体上封头设置两个视镜，试确定视镜的型式及尺寸。视镜主要用来观察设备内物料及其反应情况，也可以作为液面指示(zhǐshì)镜。常用的视镜有视镜、带颈视镜和压力容器视镜(分别有带颈与不带颈两种)几种，它们的结构型式见图。精品资料由于釜体内径较小，故选用DN=80的带颈视镜，由DN=80、PN=1.0MPa查有关(yǒuguān)标准可知视镜的标记为：视镜ⅡPN1.0DN80,HGJ502-86-14。尺寸及材料如表。视镜尺寸(chǐcun)视镜的材料

精品资料(12)设计(shèjì)轴封的结构与尺寸反应釜常用的轴封形式如图。选型参见表。202型

204型

205型

206型

207型

212型

222型

精品资料

根据PN=1.0MPa、转速n=80r/min、Ф35mm，由表可知，选用222型的轴封形式。由于222型轴封的直径(zhíjìng)为Ф40mm，故搅拌轴直径(zhíjìng)的设计尺寸为Ф40mm。222型轴封的结构及主要尺寸如图和表。精品资料222型轴封结构(jiégòu)222型轴封的主要(zhǔyào)尺寸精品资料(13)绘制(huìzhì)出反应釜的俯视图。abcdihggfe1430137095060045º45º200精品资料精品资料(14)填写技术(jìshù)特性表及管口表技术(jìshù)特性表及管口表如下表技术(jìshù)特性表精品资料管口表精品资料2.6釜式反应器中复合反应的收率(shōulǜ)和选择性对于复杂反应，目的产物的收率(shōulǜ)和选择性非常重要，反映了原料的有效利用程度。收率(shōulǜ)和选择性与反应器的型式，操作方式和操作条件密切相关。收率(shōulǜ):—目的产物生成量；—关键组分的起始量；选择性：精品资料一、平行(píngxíng)反应的选择性设在釜式反应器中进行平行(píngxíng)反应：假设P为目的产物，则瞬时选择性为:反应组分A和B的浓度CA、CB，以及温度T均对选择性S有影响。精品资料根据和的相对大小，选择适当的反应组分浓度和温度，来提高反应的选择性S。反应器中各组分的浓度与反应器型式、操作方式、加料浓度、原料配比，加料方式等因素密切相关。提高反应选择性的方法(fāngfǎ)：(1)如果要求选择间歇釜或多釜串联，若体积不等，则从小到大排列；ABAB精品资料(2)要求选择(xuǎnzé)单釜连续操作；如果串联最好从大→小排列。(3)要求选择(xuǎnzé)A先加入，B流加。ABABBBBA精品资料另外，要得到较高的生产强度，反应过程需要在较高的温度下进行。当或时，温度高对过程有利；但当时，温度降低有利于选择性的提高，但应尽能使反应在较高的温度下进行，实际上存在一个最佳温度值。二、串联反应的选择性（均为一级反应）P、Q的反应速率(sùlǜ)为：

假设P为目的产物，则瞬时选择性为:精品资料在等温间歇反应器中，最佳(zuìjiā)反应时间为:

目的产物P的最佳(zuìjiā)收率:精品资料在连续釜式反应器进行(jìnxíng)上述连串反应，最佳空时（不是反应时间）和最佳收率。根据物料衡算式，有:

精品资料由导数得：最佳收率(shōulǜ)为：为提高收率(shōulǜ)，采取：①改变操作温度，使发生改变，一般采用较高的反应温度，提高生产能力。图2－7连串反应时的收率(shōulǜ)精品资料②使用催化剂改变。2.6变温间歇釜式反应(fǎnyìng)器间歇釜式反应(fǎnyìng)器做到等温操作很困难，当热效应小时，近似等温可以办到，如果热效应大时，很难做到。温度会影响到和反应(fǎnyìng)器的生产强度等，很多情况变温的效果更好。热量恒算：

单位时间传入的热量；－单位时间反应(fǎnyìng)的热量；－单位时间热量的累积速率。精品资料对于恒容过程有：代入热量衡算式得：上式通常称为操作方程，若物料的定容比热随温度的变化较明显，则采用(cǎiyòng)其平均值。联立和热量衡算式可求解出反应时间。2.7绝热间歇釜式反应器在反应过程中无热量交换，故有:精品资料对于恒容过程有:根据初始条件将上式积分得：2.8连续釜式反应器(CSTR)的定态操作一、CSTR的物料衡算连续釜式反应器内物料的温度和浓度均一。若达到定态操作，T、C不随时间变化(biànhuà)，CSTR的定态点，由操作的T和C由物料平衡和热量平衡确定精品资料。物料衡算式为:由此可见，达到定态下的浓度CA取决于反应动力学方程(fāngchéng)本身和温度的影响。二、CSTR的热量衡算若忽略流体的密度和定压比热随温度的变化，CSTR在定常状态下工作时，热量衡算式为：精品资料当CSTR无换热面的绝热条件下，则：联立物料衡算、热量衡算式，可确定CSTR的容积、传热面积或反应温度、流体入口温度。三、CSTR的热稳定分析若保持CSTR定常态操作，则应满足：放热速率与反应温度的关系基本上由阿累尼乌斯公式(gōngshì)（）控制。移热速率与反应温度的关系呈线性关系[]。放热速率线与移热速率线可能相交时可能不只是一个交点精品资料即出现多个定常操作态。有些定常操作态具有抗外界干扰的能力，即在外界干扰下使其偏离原来的定常态，而系统本身具有抑制这种使其发生偏离的干扰的能力，外界干扰消失可以自动恢复原来的定常态。此类定常态称之为稳定的定常态。反之，称之为不稳定的定常态。将热量衡算式(suànshì)：改写成下列形式：精品资料令：,对于n级不可逆放热反应有：式中是反应温度的函数，由釜式反应器设计方程求得。为简单起见，仅讨论n=1的场合(chǎnghé)。一级不可逆反应的设计方程为：精品资料应用上式将对温度T作图如下（图中绿色(lǜsè)曲线）。精品资料当温度T很大时，上式中的可以忽略，其渐近线如图中绿线。应用将对温度T

作图可得一直线(zhíxiàn)，其斜率为，截距为:线的讨论：①提高反应物料的初始温度To和冷却液温度Tm,截距增大，线将向T增大的方向移动。精品资料②增大反应器内的换热面积A或传热系数K，斜率增大，线将向T减小的方向移动。定常操作态时应满足(mǎnzú)：，但并非是线性关系，因此，满足(mǎnzú)条件的定常态不只一个。图中和有三个交点(2、3、4)，但只有2，4两点具有抗外界干扰的能力。外界干扰导致反应温度产生的温度波动ΔT有两种情况：ⅰ)ΔT＞0时，有使系统温度下降而恢复原来的状态。ⅱ)ΔT＜0时，有精品资料使系统温度回升到原来的温度。3点不具有抗外界干扰的能力。因为当ΔT＞0时，有，将使系统温度上升，使操作点向4点移动，直至达到4点的操作态。操作点向2点移动，直至达到2点的操作态。因此，可以通过改变操作变量实现CSTR在稳定的定常态下操作。四、CSTR热稳定性的判据所有处于(chǔyú)稳定的定常态点均具有一共同特征，在这些点处有：精品资料对于n级不可逆反应(kěnì-fǎnyìng)有：近似地将视为不随温度T改变，则有：由此可得n级不可逆反应(kěnì-fǎnyìng)的稳定条件为：精品资料对于无换热面得绝热操作（A=0），则有：第三章管式反应器管式反应器也是一类理想反应器模型(活塞流模型)。与间歇釜式反应器不同，全混流和活塞流模型用于流动过程。本章将涉及到如下(rúxià)的具体内容：一、活塞流模型的基本假定二、等温管式反应器设计与分析精品资料三、管式反应器与釜式反应器的性能比较四、循环管式反应器的分析计算五、管式反应器的变温操作流体流动(liúdòng)是非常复杂的物理现象，影响到系统的反应速率和转化程度。3.1流动(liúdòng)状况对反应过程的影响流体在空管中流动(liúdòng)的状态见图。内部各部分流体的停留时间不同，反应时间不同,反应速率和最终转化率也不一样。精品资料

空管中流体状况3.2等温管式反应器的设计一、管式反应器的物料衡算式(suànshì)在管式反应器中进行的单一反应，取如图所示的微元体（高为dZ）。在定态条件下：

管式反应器示意图

精品资料在定态条件下：将反应速率方程两边积分有：假设=常数（=下的值），则:——管式反应器的设计(shèjì)方程对于恒容过程，上式为：精品资料注意：管式反应器与釜式反应器的设计方程形式上相同，但一个是反应时间t，一个空时τ（与所选择的进口状态有关）。另外(lìnɡwài)，间歇釜式反应器总是恒容的。如果管式反应器也在恒容下进行，则有τ=t；否则，τ≠t。设反应器的截面积为A，则有，那么：对于恒容过程，，则：精品资料3.3管式与釜式反应器反应体积的比较在处理量、组成、T、xAf相同的条件(tiáojiàn)下进行对比。对于不可逆等温反应，使用不同形式的理想反应器时所需要的反应体积如图所示。理想(lǐxiǎng)反应器体积示意图精品资料对于正常动力学反应：管式反应器与间歇釜式反应器的体积最大；连续釜式反应器的体积最小；多釜串联釜式反应器的体积居中。对于反常动力学反应：管式反应器与间歇釜式反应器的体积最小；连续釜式反应器的体积最大；多釜串联釜式反应器的体积居中。3.4管式反应器的热量衡算管式反应器的热量衡算见图。由于温度沿轴线方向是变化的，因此在管内取一段容积为dV的微元为研究(yánjiū)对象。精品资料热量(rèliàng)衡算示意图在定态条件下有：（单位时间内dV微元与外界的换热量）=（单位时间内通过dV微元的反应(fǎnyìng)混合物的焓变）数学表达式(操作方程)为：精品资料其中：—为dV微元与外界的换热量；—第i组分的定压热容；—进入dV微元的反应物从To加热到T的焓变；—出dV微元的反应物从T至T+dT的焓变;—反应物在To下由入口此微元的物料组成到出口此微元的物料(wùliào)组成所发生的焓变。当时,热量衡算式可简化为：精品资料若在dT区间随温度(wēndù)的变化可忽略，则直接应用温度(wēndù)为的T定压比热值，上式又可简化为：上述热量衡算的表达式，即为变温操作的操作方程。联立设计方程求解可得物料组成与温度(wēndù)沿管内轴线上的分布。首先将设计方程和操作方程写成差分的形式，对于可写成：操作方程写成：精品资料根据上述操作方程逐段进行(jìnxíng)计算，过程如下：①从第N段的出口组成和温度的值来计算；②用①的值，取步长由计算出;将其代入操作方程计算出。传热推动力近似用；然后分别用下式求出(N+1)段出口的组成和温度的近似值；③由近似算出的值计算出，然后取算术平均值，来重新计算精品资料，在计算时应采用(cǎiyòng)来代替计算温差，而；④重复③的步骤直至得到满意的收敛的为止；⑤用最后得到的值重复①～④的步骤进行N+1段的计算，如此逐段计算直至满足所要求的出口转化率为止，反应器的长度为。若采用(cǎiyòng)等步长，则反应器的长度为。计算举例三：用一内径为Di=250mm的管式反应器进行一级精品资料不可逆的气体A热分解(fēnjiě)反应，其计量方程为：；速率方程为：；；原料为纯气体A，反应压力；反应温度为T=480℃（等温反应），反应过程中压力恒定。原料气的处理速率为：，试设计要求原料A的分解(fēnjiě)率达到0.94时需要的反应器长度、停留时间及空时。（假设原料气为理想气体）解：[1]原料气A进料体积流率的计算由可得：精品资料=15.934(m3/h)=4.42×10-3(m3/s)[2]原料气A摩尔浓度的确定原料气A在管内的体积流速(liúsù)是转化率的函数，其中：-原料气A起始摩尔分率；-原料气A的膨胀因子。将已知值代入得：原料气A摩尔浓度为：精品资料[3]设计方程的确定(quèdìng)由可得：将已知值代入得：[4]反应器长度的设计由