组合反应器设计
化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
理想反应器CSTR-1..
各釜的容积与温度可以不同，如对于n级不可逆反应：
x A,i x A,i 1 Vi C A,i 1 C A,i i n n n 1 v0 k i C A,i k i C A0 1 x A,i
若n=1，则：
Vi C A,i 1 C A,i i v0 k i C A,i
若 A 0 C A0 C A xA C A0 A C A
或
C A0 1 x A CA 1 A xA
将上式代入设计方程得 : C A0 (C A0 C A ) C A0 x A (1 A ) 或 k (C A0 A C A ) k (1 A x A )
CA0 xA0=0 (或xA1) v0 FA0 CA xA (或xA2) VR CA xA (或xA2) v FA
试问化学反应速率 是固定不变的吗？ 为什么？
进入量=FA0=v0CA0
排出量=FA=FA0(1-xA)= v0CA0(1- xA) 反应量=（-rA）VR
FA0-FA0(1-xA) -（-rA）VR=0 或：v0CA0- v0CA0(1- xA) -（-rA）VR=0 可以导出下列式子
对于0级反应，η=1，其物理意义是什么？请思考！
t
对于n>0的不可逆反应，CSTR的容积效率η均小于1，这是 由于“返混”造成的稀释效应使全混流的反应器的容积效 率小于1，也就是说全混流反应器的有效容积将是分批式 反应器的1/η倍，但要注意分批式操作的非生产性时间t0在 计算η时并没有考虑，若考虑之，则η’=（t+t0）/τ，有可能 η=t /τ小于1的情况，而η’=（t+t0）/τ大于1，这是完全可能 的。见陈甘棠教材P54例3-3-1。
化学反应器设计、操作与控制
压力控制
压力是化学反应的重要参数，通过调节进料流量和压力调 节系统，将压力控制在适当的范围内，以保证反应的顺利 进行。
流量控制
进料流量对化学反应的影响较大，通过流量计和调节阀， 精确控制进料流量，以保证反应物料的均匀投入。
反应过程监控
温度监测
实时监测反应器内的温度变化 ，确保温度在预设范围内波动
。
研究反应的动力学性质，如反应速率 常数、活化能等，以优化反应过程。
02 化学反应器操作
操作参数控制
温度控制
保持反应器内的温度稳定，是实现化学反应的重要条件。 通过加热和冷却系统，将温度控制在适宜的范围内，以获 得最佳的反应效果。
液位控制
保持反应器内的液位稳定，对于化学反应的稳定性和安全 性至关重要。通过液位传感器和调节阀，实时监测和控制 液位高度。
反应器材料选择
根据反应条件选择耐 腐蚀、耐高温、耐高 压的材料。
对于特殊反应，如强 氧化、还原等，需选 用具有特殊性能的材 料。
考虑材料的机械性能、 加工性能和经济性。
反应器热力学与动力学基础
分析反应的热力学性质，如反应平衡 常数、熵变等，以确定最佳反应条件。
利用热力学和动力学数据，进行反应 器模拟和优化。
预防措施
加强设备维护和巡检，制定应急预案，提高员工安全意识。
案例分析
某化工厂反应器爆炸事故的调查与预防措施。
05 未来展望与挑战
新材料与新技术的应用
新材料的研发
随着科技的发展，新型的高性能材料如纳米材料、复合材料 等在化学反应器中的应用越来越广泛。这些新材料具有优异 的物理和化学性能，可以提高反应器的效率、降低能耗和减 少环境污染。
环保要求
严格控制三废（废气、废水和固 废）的排放，采用环保材料和工 艺，降低能耗和资源消耗，实现 绿色生产。
化学工程中的反应器设计
化学工程中的反应器设计反应器是化学工程中至关重要的设备，它用于控制和促进化学反应的进行。
反应器设计需要考虑多个因素，包括反应物的特性、反应条件、反应速率等。
下面将讨论在化学工程中进行反应器设计的一些关键考虑因素。
1. 反应物的特性在设计反应器之前，首先需要了解反应物的特性。
这包括反应物的化学性质、物理性质以及反应的机理。
通过对反应物特性的了解，可以确定反应的类型和可能发生的副反应。
2. 反应条件确定适当的反应条件对于反应器设计至关重要。
反应条件包括温度、压力、物料的浓度等。
这些条件将直接影响反应的速率和选择性。
因此，在进行反应器设计时，需要根据反应条件来选择和确定反应器的类型和尺寸。
3. 反应速率了解反应的速率对于确定反应器的尺寸和反应时间非常重要。
反应速率可以通过实验室实验或者基于反应物特性进行估算。
反应速率的了解将有助于确定反应器的体积和反应物的进料速率。
4. 混合效应反应器中的混合效应对于反应的进行至关重要。
混合效应决定了反应物之间的接触程度，从而影响反应速率。
不同的反应器类型和设计方式会导致不同的混合效应，如完全混合反应器和不完全混合反应器。
5. 均质反应器和非均质反应器均质反应器是指反应物在体积上是均匀分布的反应器，例如连续搅拌槽反应器。
而非均质反应器是指反应物在体积上不均匀分布的反应器，例如流化床反应器。
在进行反应器设计时，需要确定是使用均质反应器还是非均质反应器。
6. 安全性考虑在进行反应器设计时，安全性是一个重要的考虑因素。
需要考虑反应物的毒性、易燃性等特性，并采取相应的安全措施。
此外，还需要考虑反应过程中可能发生的意外情况，如压力突然增加或温度失控等，并设计相应的安全系统。
综上所述，化学工程中的反应器设计需要综合考虑反应物的特性、反应条件、反应速率、混合效应等多个因素。
通过合理设计反应器，可以提高反应的效率、选择性并确保反应的安全进行。
6 第二章 反应器内流体流动与混合 (1)--梁斌 97-2003
反应器内物料的流动方向和速度分布的不
同，造成物料粒子在反应器内的停留时间 不同，从而引起各粒子反应程度的差异， 造成物料浓度分布不同，这降低了反应效 率，影响了产品质量和产量。 流动状况对化学反应的影响有两方面：物 料的浓度和停留时间。
物料在反应器内存在浓度和温度分布，使
器内物料处于不同的温度和浓度下进行化
处理量和实际操作时间来决定的。
• 根据生产任务求得物料在单位时间内的物 料处理量 V′。 • 每批实际操作时间由反应时间 t 和辅助 时间 t0 组成。辅助时间包括加料、调温、 缷料和清洗等时间。
1.每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间
t R t t0
2.反应器有效体积 VR ：
VR V (t t0 )
x
x+△x
管式反应器
管径较小、管子较长
和流速较大的管式反应器
可近似地按平推流来处理。
一、平推流反应器特性 (1)属连续定态操作，反应器各个截面上的参 数(浓度、温度、转化率等)相同，且不随时 间而变化； (2)器内参数(浓度、温度、压力等)沿流动方 向连续变化，反应速率也随轴向位置变化；
动量衡算方程
在列出上述基本方程时，需要知道动力学
方程和流动模型。 2.反应器设计的基本内容
(1) 选择合适的反应器形式
(2) 确定最佳的工艺条件
(3) 计算所需反应器体积
2.2 简单反应器
简单反应器分为： 1.间歇釜式反应器 2.平推流管式反应器 3.全混流釜式反应器
讨论等温恒容过程，只需结合动力学方
适用于经济价值高、批量小的产物，如药
品和精细化工产品等的生产。
一.间歇釜式反应器传递特性(装置特性)
污水处理反应器
污水处理反应器引言概述：污水处理是一项重要的环境保护工作，而污水处理反应器是其中的核心设备。
本文将从反应器的类型、工作原理、应用领域、优势和发展趋势等方面进行详细阐述。
一、反应器的类型1.1 生化反应器：生化反应器是利用微生物降解有机物质的一种设备。
其主要类型包括曝气式活性污泥法、厌氧消化池和固定床生物反应器等。
1.2 物化反应器：物化反应器主要利用化学方法去除废水中的污染物。
常见的物化反应器包括混凝沉淀池、活性炭吸附器和氧化还原反应器等。
1.3 组合反应器：组合反应器是将生化反应器和物化反应器结合起来，以达到更高效的废水处理效果。
常见的组合反应器有混合式反应器和序列反应器等。
二、反应器的工作原理2.1 生化反应器的工作原理：生化反应器通过微生物降解废水中的有机物质，将其转化为无害的物质。
曝气式活性污泥法利用曝气系统供氧，促使微生物进行降解作用；厌氧消化池则在无氧条件下进行废水处理；固定床生物反应器则利用固定的生物膜降解废水中的有机物。
2.2 物化反应器的工作原理：物化反应器通过化学方法去除废水中的污染物。
混凝沉淀池通过添加混凝剂使污染物凝结成团，然后沉淀下来；活性炭吸附器则利用活性炭吸附废水中的有机物质；氧化还原反应器则通过氧化或者还原反应去除废水中的污染物。
2.3 组合反应器的工作原理：组合反应器将生化反应器和物化反应器结合起来，通过不同的工艺步骤进行废水处理。
混合式反应器将生化反应器和物化反应器同时进行；序列反应器则将生化反应器和物化反应器进行分步处理。
三、反应器的应用领域3.1 工业废水处理：污水处理反应器在工业废水处理中起着至关重要的作用，能够有效去除废水中的污染物，保护环境。
3.2 城市污水处理：城市污水处理需要大规模的反应器设备，以处理大量的污水，保障城市环境的卫生和健康。
3.3 农村污水处理：农村地区的污水处理需要适合于小规模处理的反应器设备，能够有效地处理农村地区的废水。
四、反应器的优势4.1 高效性：污水处理反应器能够高效去除废水中的污染物，提高废水处理效率。
3-3平推流管式反应器-化学反应工程
第三章理想均相反应器设计本章核心内容：从间歇釜反应器、稳态全混流反应器和平推流管式反应器这三种理想反应器的结构和流动特性出发，给出了它们数学模型的建立方法、不同反应过程中的反应体积设计公式和热量计算式以及具体的应用实例。
对这三种理想反应器性能进行了比较，特别是对稳态全混流反应器和平推流管式反应器及其组合内容进行了详细叙述。
针对不同反应过程讲述了优化设计方法。
化学反应工程学的主要目的是设计不同型式和大小的反应器，实现最佳的操作与控制，取得最佳的经济效益。
在用数学模型法来设计放大反应器的过程中，首先要了解进行化学反应的动力学特征、反应物的性质、产物的性质与分布，才能进行反应器的选型、操作方式的选择，进而进行反应器设计和计算。
由于生产中的化学反应器都很大，都或大或小存在着温度的差异和浓度的差异，都存在着动力消耗和反应器的各种结构的差异，对于实际生产中的化学反应过程一般很难做到反应物的温度、压力和流速完全均一，即非理想化。
这些差异给实际反应器的设计和放大带来了很大的困难。
实际反应过程的理想化是研究生产实践中千变万化的各种反应器的基础和前提，也是均相反应过程接近实际的反应器模型。
间歇釜式反应器（BSTR）、稳态全混流反应器(CSTR)和活塞流（平推流）管式反应器(PFR)，这三种理想反应器的设计原理具有普遍意义和广泛的应用性。
3-1 间歇釜式反应器3-2间歇釜示意图图3-1间歇釜式反应器如图3-1所示，间歇釜式反应器简称间歇釜，它的最大特点是分批装料和卸料。
因此，其操作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同规格的液态产品生产，尤其适合于多品种而小批量的化学品生产，它在医药、助剂、添加剂、涂料、应用化学品等精细化工生产部门中经常得到应用，很少用于气相过程。
间歇釜的结构主要有釜体、搅拌装置、加热和冷却装置、进出料口和管件、温度和压力测量装置以及视孔、排污口和液位计等。
釜体上部釜盖用法兰与釜体连接，釜体上一般不开孔，都在釜盖上开孔用以安装管阀件，釜体上有四个吊耳用于固定反应釜，釜体外部是换热夹套。
三元乙丙橡胶聚合反应器的设计
三元乙丙橡胶（EPDM）是一种广泛应用于汽车、建筑、电力等领域的合成橡胶材料。
EPDM具有优异的耐热性、耐候性和化学稳定性，因此在各种恶劣环境下都能保持良好的性能。
EPDM的生产主要通过聚合反应器进行，而聚合反应器的设计对于EPDM的生产过程至关重要。
本文将从反应器的工作原理、设计要点、操作注意事项等方面进行深入探讨。
一、三元乙丙橡胶（EPDM）聚合反应器的工作原理1. 聚合反应器是EPDM生产过程的核心设备之一，其主要功能是在高温、高压、特定催化剂的作用下，将乙烯、丙烯、非对称二烯等单体进行聚合反应，最终形成EPDM聚合物。
2. 聚合反应器通常由反应釜、加料系统、升温系统、搅拌系统、冷却系统、产品收集系统等组成。
其中，反应釜是聚合反应的关键部分，其内部需要能够承受高温高压环境，同时具有良好的密封性和传热性能。
3. 在聚合反应过程中，催化剂的选择、反应温度、反应压力、溶剂的选择等因素都会对最终产品的质量产生重要影响。
聚合反应器的设计需要考虑到这些因素，并进行合理的优化。
二、EPDM聚合反应器的设计要点1. 反应釜的选择和设计（1）材料选择：反应釜通常采用不锈钢、钛合金等耐高温、耐腐蚀的材料制成，以保证其在高温、高压环境下能够安全、稳定地运行。
（2）结构设计：反应釜的结构设计要考虑到内部的搅拌系统、加料系统、冷却系统等部件的布置，以保证反应过程中能够充分混合、控制温度，并确保反应釜能够方便地进行清洗、维护等操作。
2. 加料系统的设计（1）加料系统需要根据反应物料的性质和使用要求进行设计，以保证反应过程中能够精确控制各种原料的进料量和比例，保证反应的稳定性和产品的质量。
（2）加料系统还需要考虑到原料的储存、输送、计量等环节，以避免原料在加料过程中发生积聚、挥发等不良情况。
3. 温度控制系统的设计（1）在EPDM聚合反应过程中，温度控制是非常关键的，需要保证温度能够在一定范围内精确控制，以避免过高或过低对反应产物的影响。
化学反应工程-《化学反应工程》课程教学(自学)基本要求文档
注意结合对实际工业反应器的观察，加深对课程中一些抽象概念的理解。另外，由于本课程的研究方法是建立在对大量数学模型的求解基础上，所以必须要在课下多做习题，以加强自己的计算能力和逻辑推理能力。
各章节主要学习内容及要求
第一章绪论
学时要求
主要内容
一、教学基本要求
【了解】化学反应工程的定义，研究目的和内容，明确化学反应工程与其它学科的关系。
3.5反应器类型与操作方法的评选：【掌握】单一、复合反应的反应器的评选方法。
3.6全混流釜式反应器的热稳定性：【掌握】全混流反应器热稳定性的分析方法；并能选择适宜的操作点。
※【了解】3.6搅拌釜中的流动与传热
备注
前面有※者对专科不做要求
第四章非理想流动
学时要求
主要内容
一、核心知识点
E、F函数的测定方法和计算
5.3气－固催化反应动力学：【重点掌握】气－固相催化反应的过程；【掌握】根据L-H机理和反应机理推导速率方程；【掌握】内、外扩散的排除方法。【掌握】扩散系数的计算方法；【重点掌握】等温、非等温条件下催化剂有效系数的计算方法；※【了解】催化剂失活动力学的表示方法。※【了解】气－固相非催化反应的几种模型。
2.2.等温恒容过程：【掌握】单一反应积分法实验数据的处理；不可逆反应、可逆反应、均相催化反应和自催化反应速率方程的表示方法；复习高等数学中有关微积分方面的内容，能够熟练地将零级、一级、二级可逆与不可逆反应的速率方程的微分表达式转换成积分式。【掌握】微分法处理实验数据的方法。【掌握】复合反应所包括的反应的种类；【掌握】收率、得率和选择性的概念；【掌握】平行反应的速率方程表示方法、产物分布的特点、及影响产物分布的因素；【掌握】串联反应的速率方程的表示方法、产物分布的特点、及影响产物分布的因素，【掌握】一级不可逆两产物串联反应中间产物为理想产物时理想产物的最大收率和达到最大收率所需要的时间；【了解】平行－串联反应的处理方法。
组合式折流板反应器启动程序的研究
１ ４ 试 验 内容 ．
Ｃ Ｒ的启 动分 为 ３个 阶段 ， Ｂ 首先 进 行 厌 氧段 反 应
器 的启 动 ， 直到 Ｃ Ｄ去 除 率稳 定 在 ８ ％ 左 右 ； Ｏ ５ 然后 进 行好 氧 段 的启 动 ， 氨 氮 去 除率 稳 定 在 ９ ％ 以上后 ， 当 ０ 认 为好 氧微 生物 培 养 成功 ； 最后 通 过 回流进 行 缺 氧 段 反 硝化 过程 培养 。
中厌 氧微 生物 在 各个 格 室 中得 到 了 良好 的驯 化 ， 个 整 厌 氧 段 Ｃ Ｄ 去 除 率 维 持 在 ９ ％ 以 上 。 从 启 动 Ｏ ０
的第３ 开 始 ， 积 Ｃ Ｄ负荷 从 １ ５ｋ ／ ｍ ｄ 逐 渐 ３ｄ 容 Ｏ ． ｇ （ ・ ）
５０ ０
●
￣ ｕ ｒ ， 隔 室 ３
试 验 初 期 ， 先 启 动 厌 氧 段 ， 水 Ｃ Ｄ 浓 度 为 首 进 Ｏ ３００ｍ ／ 进水 ｐ ０ ｇＬ， Ｈ为 ７ ０～ ． ， 度 控 制 在 ３ ． ８０ 温 ５℃ 左右 。最 初 Ｃ Ｄ 容 积 负荷 为 １５ｋ／ Ｉ ｄ ， 力 Ｏ ． ｇ （ ・ ） 水 ｎ 停 留时 间 ｔ ＝ ４ ； 后保 持 Ｃ Ｄ浓度 不 变 提高 进 ８ｈ 然 Ｏ
水流 量 ， 将 首先 缩 短 为 ３ ， 缩 短 到 ２ ， 后 ６ｈ 再 ４ｈ 最 是 ２ ， ０ｈ 相应 的 Ｃ Ｄ容 积 负 荷 从 ２ ０ ｇ （ 。・ ） Ｏ ． ６ ｋ／ ｍ ｄ ， 升高 到 ３ｋ／ ｍ ｄ ， 后 是 ３ ６ ｋ／ ／。・ ） ｇ （ 。・ ） 最 ． ｇ （１ ｄ 。各 ３
提高 到 ２ ０ 、．０ ３ ６ ｇ （ｎ ｄ ， 况 改 变 的最 ．６３ ０ 、．０ｋ／ ｉ ・ ）工 初２～３ｄ 去 除 效果 略 微 下 降 ， ， 但很 快 Ｃ Ｄ 的去 除率 Ｏ 就恢 复到 了 ９ ％ 左右 ， ０ 可见厌 氧 折 流板 反应 器 对 于容 积负 荷 的变化 具有 良好 的适应 能力 。 当反应 器稳 定后 ， 图 ３可 以看 出 ，０ ～ ０ 的 从 ４ ％ ６％ Ｃ Ｄ去 除发生 在第 １ 室 ， ３个格 室 的 Ｃ Ｄ去 除率 Ｏ 格 后 Ｏ 维 持 在 ２ ％左 右 。这 说明在 低 负荷 条件 下 ， １格 室 ０ 第
化学反应工程 3.4 理想反应器的组合
V1 V1 1 xA dxA
FA0 vT cA0 cA0 0 rA 1
Vi Vi i xA,i dxA
FA0 vT cA,i1 cA,i1
r xA,i1
A
N
V
Vi
i 1
到，随着串联反应器的数量的增加，总体积最终会达到
PFR
5
Vi
vT k
cA0 cA1 cA1
vT k
cA1 cA2 cA2
...vT k
cAi1 cAi ... cAi
vT k
cAN 1 cAN cAN
cA0 cA1 ...cAi1 ... cAN1
cA1 cA2
cAi
cAN
cAi1 cAi
• 对此有两种例外， – 对于一级反应，CSTR与PFR串联反应器的总转化率不依赖连续反应器的 排列顺序，即每个反应器转化率并不依赖于入口浓度一样； – 对于零级反应，总的转化率也不依赖连续反应器的排列顺序，而更关系 反应器总体积。
13
ek PFR
1 x 1 x 1 x A
A,CSTR
3
• （a）计算一级反应，转化率为90%时PFR与CSTR的体积；（b）计算转化率 为90%时两CSTR反应器（等体积）的总体积
A B;rA kcA;vT k 1m3
4
两个CSTR反应器的总体积要低于一个CSTR反应器而高 于PFR反应器。
四个CSTR串联反应器在相同转化率下操作情况，可以看
FAN FA0 1 xA,R1 1 xA,R2 ...1 xA,RN
8
xA
1
FAN FA0
反应器控制系统设计
Keywords:temperature,reactor,cascade PID,Siemens S7-200 PLC,Force Control
1
1.1
1.1.1
反应器，是任何化学品生产过程中的关键设备，主要给化学反应的介质提供场所，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。不同的生产过程和生产工艺所使用的反应器类型也不同，因此反应器种类很多。就结构形式看，有釜式、管式、塔式、固定床、流化床反应器等；按传热情况看，分为绝热式和非绝热式反应器。釜式反应器有两种操作方式：连续生产和间歇生产。
6251组态软件选择6252组态界面设计6353系统仿真设计68参考文献69致谢70附录71附录a外文文献71附录b中文翻译81山东科技大学学士学位论文绪论绪论11课题研究背景及意义111反应器概述反应器是任何化学品生产过程中的关键设备主要给化学反应的介质提供场所决定了化工产品的品质品种和生产能力
一种蜂巢式三相化学反应器组合结构[实用新型专利]
![一种蜂巢式三相化学反应器组合结构[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1ad6b4c8192e45361166f5d9.png)
专利名称：一种蜂巢式三相化学反应器组合结构
专利类型：实用新型专利
发明人：吴方见,于长杰,洪程,何俐臻,田艳红,孙霞,朱爱民,颜长宁,万平益
申请号：CN202021474363.6
申请日：20200723
公开号：CN212740853U
公开日：
20210319
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开一种蜂巢式三相化学反应器组合结构，由若干反应器相互拼接构成蜂巢状，根据处理量和处理程度需求反应器可串联也可并联；每个反应器均包括正六边形筒体、气固催化反应装置、出水管、顶板、排气孔、底板、出水孔道、进水孔道和进气孔道，出水孔道与其他反应器的进水孔道或筒体外部连通；进水孔道和进气孔道用于通入反应液相和反应气，反应液相和反应气通入后由下往上运动，与反应器中催化填料接触后，在催化反应装置作用下发生三相催化反应，反应最终产物经由出水管排入至其他反应器的进水孔道或反应器外部，废气经由顶板上的排气孔排出。
本实用新型提升了三相反应处理量(并联)和处理效果(串联)，并延长了反应器的整体使用寿命。
申请人：四川聚汇兴源建筑工程设计有限公司,四川省冶金地质勘查局六0五大队
地址：610000 四川省成都市金牛区一环路北三段1号1栋2单元34楼3403号
国籍：CN
代理机构：成都众恒智合专利代理事务所(普通合伙)
代理人：王育信
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组合反应器
•2. 什么叫热稳定性？全混釜稳定操作的必要条件是什么？ 答：当操作参数受外界干扰，偏离正常值，出现微小变化时，反应能否正常进行；当外界 干扰取消时，操作状态能否自动恢复到规定的正常值。 稳定操作点的必要条件：
•3. 画图表示开车操作线，停车操作线，着火点，熄火点。
•4. 画图说明进料流量对操作点的影响。
1 2
1.V
yL
R
1m 3 ,
k 1 1 , 2, CA 0 1 1 k 1 1 k 2 0.5 CL 0.15 2 yL CA 0 1 0.15 21 0.05 2 解得CL 0.21kmol / m 3
2V
• 3. 液相自催化反应A→P，反应速率 -rA=kCACP，k =10-2m3/(kmol· s)，进料体 3 积流率v0= 0.002m /s，进料浓度 3 CA0=2kmol/m ，CP0=0，问当xA=0.98时， 下列各种情况下的反应器体积。 ⑴ 单个平推流反应器； ⑵ 单个全混流反应器； ⑶ 两个等体积全混流反应器串联。
该反应器是由夹套冷却剂冷却的，试分析原因 • 答：搅拌釜的单位传热面积随容积的放大而降低，因为釜内的液 体 而夹套的传热面积 ，故单位体积的夹套传热 面积 。这样当搅拌釜放大以后，在总的传热系数变化不 大的情况下，势必达不到原来的传热效果。在很多情况下，设备 放大以后需要设法增大传热面积，或内置螺旋管或在釜外设置一 个换热器，是被处理的物料在搅拌釜与换热器之间循环，是被处 理的过程仍能满足传热要求.
1. dcA k1 k 1cA k 2cA , 令 d k2 cA dcA cA0 k 1cA k 2cA 0 d k 1 e 1 cA k 1 1 e 1 dcL k 1cA d cL yL cAO dyL In 1 令 0时，yL d
化学反应器设计、操作与控制
反应器温度检测及控制方案的确定
• 精细1111班 • 第二组
换热装置及热载体的分析选择
换热装置---夹套
• 双卫控制系统结构简单、成本低、容易实现，但 质量控制较差，大多应用于允许被控制变量上下 波动的场合。如原料储罐、恒温箱、空调、电冰 箱中的温度控制，为气动仪表提供气源的压缩空 气罐中的压力控制等。 • 利用浮球阀控制水箱水位的控制系统也属于双卫 控制。
• 2、比例（P）控制 • 如果控制系统能使执行机构的行程变化与被控制变量偏差 的大小成一定比例关系的话，就可能使上述贮槽的物料流 入量等于流出量，从而使液位能稳定在某一值上，即系统 在连续控制下达到平衡状态。这种控制器输出的变化与输 入控制器的偏差大小成比例关系的控制规律，称为比例控 制规律。 • 比例控制规律 • 控制器输出变化与输入偏差成正比。 • 在时间上没有延迟。 • 在相同的偏差下，Kc越大，输出也越大，因此Kc是衡量比 例作用强弱的参数。 • 工业上用比例度来表示比例作用的强弱。 • 单纯的比例控制适用于扰动不大、滞后较小、负荷变化小、 要求不高、允许有一定余差存在的场合。
乙酸丁酯反应器用测温仪表
• 选用压力式温度仪表 • 理由：乙酸丁酯反应温度在120℃左右，在压力式 温度仪表（—50~600℃）测量范围之内，具有价 廉，最易就地集中监测的优点。
自动控制系统组成及其分类
• 自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行 机构和变送器四个环节组成 • 分类方法 • 自动控制系统有几种分类方法 • 按控制原理的不同，自动控制系统分为开环 控制系统和闭环控制系统。 • 开环控制系统 • 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控 制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环 控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺 序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行 机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、 化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和 生产自动线。
化学工程中的反应器设计原则
化学工程中的反应器设计原则反应器设计是化学工程中至关重要的一环，它涉及到反应器的选择、设计和运行等方面。
一个合理的反应器设计可以提高反应的效率和产率，减少能耗和废物的生成，有助于工艺流程的稳定运行。
本文将介绍化学工程中的反应器设计原则，以帮助读者更好地了解和应用于实践。
一、反应器选择在进行反应器设计之前，首先需要根据反应的特性和工艺要求选择合适的反应器类型。
常见的反应器类型包括混合反应器、管式反应器、分散相反应器等。
选择反应器时需要考虑以下几个因素：1. 反应特性：不同的反应有不同的特性，如反应速率、反应平衡等。
对于快速反应，需要选择具有较高传质速率的反应器，以保证反应物充分接触；对于平衡型反应，需要选择具有较大反应体积的反应器，以提高反应转化率。
2. 原料特性：原料的性质和浓度对反应器的选择有一定的影响。
例如，对于具有高浓度的反应物，可以选择管式反应器，以提高反应的传质速率。
3. 产品特性：对于生成气体的反应，需要选择具有较好扩散性能的反应器，以减小气体的滞留时间。
二、反应器设计反应器设计涉及到反应器的尺寸、催化剂载体的选择、传质装置的设计等方面。
以下是一些反应器设计的原则：1. 反应器尺寸：反应器的尺寸应根据反应物料的质量平衡、热平衡等因素进行合理选择。
尺寸过小会导致物料接触不充分，尺寸过大则会增加设备投资和运行成本。
2. 催化剂载体选择：催化反应常使用催化剂来提高反应速率。
催化剂应选择具有高活性、稳定性和选择性的材料，并具有较大的比表面积，以提高反应效率。
3. 传质装置设计：传质过程对反应速率有着重要的影响。
在反应器设计中，需要考虑传质的方式和速率，以保证反应物料的充分混合。
4. 热平衡：在反应过程中，往往伴随着放热或吸热反应。
反应器设计时需要考虑热平衡的问题，以保证反应温度的稳定和安全运行。
三、反应器运行反应器运行涉及到反应条件的控制和反应物料的供应等方面。
以下是一些反应器运行的原则：1. 反应条件控制：反应条件对反应速率和选择性有着重要的影响。
化学反应工程 第三章 理想反应器(3)
a( )
d
d
其中，
f (, x) 1 rA
(1 )
f ( , x) rA 1
rA
f [ , b( )] 1
rA2
db( ) dxA2 0 d d
d[ ,a( )] 1
rA1
da( ) d
d
d
[ 1
xA2]
xA2
(1 )2
dx xA2
A
r xA1
解：分别计算两种联结方式下出口反应 物浓度
–若CSTR在前，PFR在后时
对CSTR
对PFR
1
C A0 C A1 kC A1
C A1
C A0
1 k1
2
dC C A1
A
1
ln CA1
kC C A 2
A
k
C A2
CA2 CA1 exp(k 2 )
由此，出口反应物A的浓度为
C A2
A
1
rA1
(1
xA2
)2
0
–即：
dx x A 2
A
r xA1
A
1 rA1
xA2
(1 )
–而， xA2
1
xA2
x A1
–由此，可得：
1
dx xA2
A
r x A1
A
rA1 x A2 x A1
–或者，
1
rA1 ( xA2 xA1 )
dx xA2 A
r xA1
A
1
rA1 ( xA2 xA1 )
为理想气体)
解：
V
v0
C A0
xA dx A 0 rA
–而
反应1-3
框式和锚式搅拌器
框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅动物料量大。如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。
框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/3～9/10，50～70r／min。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的搅拌器能产生良好的热传导。这类搅拌器常用于传热、晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌。
《化学反应工程》通关任务
项目说明书
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目录
1组合反应器1
1.1平推流反应器的串联、并联或并串联1
1.2具有相同或不同体积的N个全混釜的串联1
1.3不同形式反应器的串联2
2全混流反应器的热稳定性3
2.1放热速率3
2.2移热速率3
2.3真稳定和假稳定操作点4
2.4改变进口温度的影响5
2.4
图2-2 改变进口温度得到不同的操作状态
如果其他参变量保持恒定而逐渐改变进料温度Ti（或冷却介质温度Tm），则 线保持不变，而 线将发生平移，如图2-2所示。最左边的A线，表示进料温度较低，当进料温度逐渐提高而是 线移到D时，它与 线相交于6、7两点，此时，只要再略超过D线一点，反应器内温度就将迅速骤增至点7，这时只有一个定常态。根据这一特点，若反应要求的温度是点7处的温度，我们可以使反应器的开车操作沿D线迅速达到反应所要求的温度，故在D线时的进料温度一般称为着火温度或者起然温度，相应地称点6为着火点或者起燃点。
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化学反应工程论文组合理想反应器的进展目录前言 (2)第一章理想反应器的基本模型 (3)1.1间歇反应器（BR） (3)1.2全混流反应器（CSTR） (4)1.3活塞流反应器（PFR） (5)第二章组合理想反应器模型 (6)2.1理想反应器的串联 (6)2.2 理想反应器的并联 (9)2.3理想反应器的各种组合 (10)第三章理想反应器的选择应用 (11)3.1单一反应 (11)3.2自催化反应 (11)3.3复合反应 (12)3.3.1平行反应 (12)3.3.2连串反应 (14)第四章小结 (15)参考文献 (16)前言化学工业中的工艺过程一般包括原料预处理、化学反应、产物分离和精制等操作。
化学过程的典型流行图为：原料→分离过程→反应过程→分离过程→产品+副产品显然，在此过程中，反应过程是实现增值的关键步骤，最重要的部分是反应系统。
但是，在一般的化工过程中，反应器极其附属设备的总投资和运行成本只占过程总成本的10%～25%，分离单元的设备投资和运行成本则占较大比重。
所以，如果反应过程过程能使用含杂质原料而无需提纯或者反应过程中不产生副产物，就比使用高效分离设备在经济上更合算。
另外，反应器运行的好坏会明显影响分离单元的运行情况和运行成本。
因此反应器设计和操作的好坏在很大程度上会左右全过程的经济性。
工业反应过程的优化包括反应器的优化设计和优化操作两方面。
在化工生产装置中，反应器的投资虽只占装置总投资的一小部分，但却是化工生产的核心。
化工过程开发的研究工作，在一定程度上往往是针对化学反应过程进行的，如反应器的选型，条件的优化和放大等等。
开发设计反应器主要以下三个任务：（1）优化动力学特性，选择合适的反应器类型。
（2）结合动力学和反应器的特性，确定操作方式和优化操作条件。
（3）根据产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸，进行评价。
反应器设计涉及以下基础方程式：1.动力学方程式：描述反应器内体系的温度、浓度（或压力）与反应速率的关系；2.物料衡算方程式；3.热量衡算方程式。
衡算方程可写出下式：累积量=输入量-输出量-反应量[1]化学反应器的类型很多。
由于反应物料的性质、反应条件及生产规模不同，反应器的型式、形状、大小也各异。
工业生产上，由于化学反应的复杂性，为了满足不同反应的要求，有时采用相同或不相同的基本反应器组合起来，构成组合反应器。
从总体上看，组合反应器可使反应在最佳的状态下进行，从而使反应器的有效容积尽量达到最大利用效率。
本文从简单、理想的反应器入手，然后推广到比较复杂一些的理想反应器组合的情况。
第一章理想反应器的基本模型对于均相反应，因为反应过程中不存在相间传递过程，影响反应速率的物理因素只有物料的混合和流动状态两个方面。
均相反应所用的反应器按完全混合和完全不混合分为两类理想反应器，理想混合反应器和活塞流反应器。
理想混合反应器是指在复式反应器内反应物料的温度和浓度完全相同。
根据操作方式不同，理想混合反应器可以分为间歇反应器（BR），和全混流反应器（CSTR）。
活塞流反应器（PFR）是连续流动的管式反应器，反应器内反应物料完全不混合，所有反应物流体粒子以相同的流速和方向流动，在反应器内停留时间完全相同[1]。
三种理想反应器的示意图如下：a间歇反应器b全混流反应器c活塞流反应器图1.1 三种理想反应器示意图1.1间歇反应器（BR）间歇反应器是最简单、最常用的一种反应器，广泛应用于医药、染料等精细化学品生产、高分子聚合反应和生物化工等领域。
一般适用于小批量、多品种、反应速率慢的场合。
该反应器的优点是灵活性大、设备费用低、产量可大可小，并可用于生产不同品种的化学品。
其缺点是设备利用率低、人工费用高并难以实现自动化控制。
间歇反应器的操作特点为：（1）一次加料；（2）一次出料；（3）定时反应，即停留时间相同；（4）强烈搅拌，及浓度和温度处处相同[1]。
其操作方程为：或图1.2 间歇式反应器的图解法示意图可见，在间歇反应器中进行反应时，达到一定转化率所需的时间只与反应速率有关，而与反应器大小无关。
1.2全混流反应器（CSTR）全混流反应器又称连续搅拌理想反应器。
这类反应器实际上是连续操作的理想槽式反应器。
由于流动过程中，反应物料的停留时间存在一定分布，因而会影响反应过程的进行，从而表现出于间歇反应器不同的特点。
在定常态下全混流反应器的基本操作特点为：（1）整体始终均一；即无浓度和温度梯度。
（2）瞬间实现均一，即物料加入后瞬间实现混合。
它的重要特性为：（1）反应物出口温度和浓度与反应器内物料的温度和浓度相同且不发生变化。
（2）因反应过程中温度和浓度均不变，所以反应恒速进行[1]。
其操作方程为：或图1.3 全混流反应器图解计算示意图1.3活塞流反应器（PFR）工业上很多反应式在管式反应器中进行的。
活塞流反应器是一种理想流动的管式反应器，它假定流体粒子像活塞一样向前流动，及所有流体粒子均以相同的速度从进口向出口流动，径向不存在流速分布，整个反应器不存在返混现象。
PFR的操作方程如下：V R=；或t==;图1.4 活塞流反应器图解示意图因此，在恒容过程中的活塞流反应器的操作方程与间歇反应器的操作方程完全相同。
对于任何n级反应而言（n>0）,在工艺条件及转化率相同时，活塞流反应器所需要的体积恒小于全混流反应器的体积。
换句话说，若反应体积相同，活塞流反应器可得到的转化率大于全混流反应器的转化率[2]。
第二章 组合理想反应器模型对于活塞流反应器和全混流反应器，这两类理想反应器可以各种串联和平行的方式连接成为组合反应器，与理想反应器相比，组合反应器的性能通常介于其间[3]。
有时组合反应器只是一种概念，被用作实际反应器的模型，有时，组合反应器是实际存在的。
有许多采用组合反应器的充分理由。
温度控制可能是重要的动机。
采用标准设计有时也是一个因素，因为在增加装置能力时能使装置继续运转。
2.1理想反应器的串联串联装置是比较普遍的。
搅拌釜式反应器后串联一个管式反应器的组合也是常见的。
当反应器串联时，一个反应器的出口用作另一个反应器的入口。
对于串联反应器，只有体积可以分配[3]。
图2.1 多段全混流反应器串联稳态，定容时，m 段全混流反应器串联，对于1级不可逆反应：)1(0A A A A x kC kC r -==)1...11(,1,,2,1,2,1,01,0,1mA m A m A A A A A A A i R m i R x x x x x x x x x k V V V --++--+--=∑=-= 0)11)1(1(1,2,1,0,=----=∂∂+-i A i A i A i A R x x x k V x V ； i=1,2,…,m -1 0)11)1(1(1,2,1,0,=----=∂∂+-i A i A i A i A R x x x k V x V 即： 1,,1,,1,,11++---=--i A i A i A i A i A i A x x x x x x1,,+=i R i R V V可见，当在多段全混流反应器中进行1级不可逆反应时，各段的反应体积相等时，总反应体积最小。
i A i A i A iA i A i A A iR i r C C r x x C v V t )()()(,1,1,,00,-=-==-- i A i A i A i kC C C t ,,1,-=-，i i A i A kt C C +=-111,, )11(...11,,1,2,01,0,∏=-+==m i im A m A A A A A A mA kt C C C C C C C C 因为 0,,1A mA m A C C x -=所以 )11(11,∏=+-=N i i m A kt x当各段反应体积相等时， tt t t m ==== (21)m m A ktx )11(1,+-=或]1)1(1[1/1,--=m m A x k t 反应总体积 ]1)1(1[/1,00,--===m m A i R R x k mv t mv mV V 当各段反应体积不同时，如图2-2所示，在生产任务(C A0、C Af 、v 0)和段数给m 给定时，总是希望反应体积越小越好，这就涉及各段反应体积的最优分配问题。
图2.2 不等体积全混流反应器串联图示非1级反应在多段全混流反应器中进行反应时，若按照总体积最小的条件式确定反应体积时，确定的各段反应体积将不是相等的，但是与等体积设计时，总体积一般差别不会超过10%。
而体积不等时，对设备的购置和维修等会带来许多困难，所一般都选用等体积方案。
对于不同大小的全混流反应器串联操作时，对于反应级数n>0的反应，较小的反应器应在前面；而对于n<0的反应，较大的反应器应在前面[1]。
图2.3 多级平推流反应器的串联⎰-==i A x i A x Ar A dx A C v i R V i t ,1,00, )...(...,1,2110021⎰⎰⎰-+++=+++=N A N A A A A A x x A A x x A A x x A A A n r dx r dx r dx C t t t t ⎰=N A A x x AA A r dx C ,00 由以上计算可知，多级平推流反应器的串联与单一平推流反应器相同 。
图2.4 全混流反应器与活塞流反应器的混合串联2.2 理想反应器的并联全混流反应器的并联放大是不常见的，但有时它们被用于增加能力。
与串联体系相比，并联体系有一个额外的自由度。
总体积和流量都可在两并联单元间任意分配[3]。
尽管理想流动反应器的组合与反应体积比较并联有额外变量，与具有同样总得V和Q的单个反应器相比，只要并联反应器的温度相同，在性能上并无优点。
在必须向物料传递或由反应物料取出大量热量时，多个相同的小反应器并联可能较为有利，以为比较容易达到要求的操作温度。
图2.5 理想反应器的并联2.3理想反应器的各种组合图2.6 各种理想反应器的组合[2]对于活塞流反应器： 01,,V V k i A i A Re C C --=对于全混流反应器： ii A i A k C C τ+=-11,,当反应体积相同，反应为一级反应时； （a ） kt C v V kC C A R A a Af 212/1000,+=+=（b ） 2020001,)1()1(1kt C v V k C v V k C C A R A R A a Af +=+=+=（c ） kt e C v V k C C kt A R A cAf +=+=-11001, （d ） kte C eC C ktA v V k A d Af R +==--101,0（e ） kt A v V kA e Af e C eC C R202/0,0--==（f ） kt A v V kA f Af e C e C C R 201,0--==（g ） ]21[21020,ktC e C C A kt A g Af ++=-第三章理想反应器的选择应用反应器的生产强度是单位体积反应器所具有的生产能力。