反应器设计

要得到温度为T下的反应热
可以利用焓变只与始态、终态有关，与途径无关的特性 从25 °C的反应热求取其他温度的反应热 假设的热力学途径：反应物料在t升高（降低）到25 °C ，
在25 °C下进行化学反应，反应后的物料再从25 °C升高 （降低）到t下
H1和H3是物料温度变化的焓变，只要有热容数据就可以计算出来 H2是25 °C下的反应焓变，可从标准生成热或25燃烧热数据计算得到
反应器设计
化环学院 晋梅
1. 工业反应过程优化
反应器设计的优化 反应器设计研究的重点
根据给定的生产能力，确定反应器的型式和适宜的 尺寸及其相应的操作条件
使反应过程有最大受益
反应器操作的优化
根据各种因素和条件的变化做出相应的修正 修正的目的是使反应器处于最优的条件下操作
设计优化是工业反应过程优化的基础
选择计算基准
时间 对间歇操作，采用一次操作的批量 选已知的物流为质量基准 用mol为基准比以重量为基准的计算更容易些 对气体而言，如果组成用气体计，则采用体积为基准
物料衡算的步骤：
选择物理化学及工艺常数以源自文库计算所必要的数据
由已知数据列出物料衡算式，进行计算 列出物料衡算表格，将相应的数据填在表格内
使用生产现场或中间试验得到收率做物料衡算 串联反应
平行反应
物料衡算的步骤：
画出物料衡算示意图并在图上标注与物料衡算有关的已知量和 未知量
写出化学反应方程式（包括主副反应），由此可知反应前后的 物料组成之间的摩尔比
明确计算对象，搞清哪些是已知量，哪些是未知量，他们之间 有什么关系，通过计算得到生产能力、纯度、得率等
2. 反应器设计的基本内容
选择合适的反应器型式和结构
根据反应系统的动力学特性，结合反应器的流动特征和传递 特征，选择合适的反应器以满足反应过程的需要，使反应结 果达到最佳
动力学特性：反应过程的浓度效应，温度效应和热效应 流动特征和传递特性：反应器的返混程度 反应器结构是指为保证一定的传递特性，反应器所必须的整
非绝热操作： 小搅拌釜：夹套传热 大容积釜：盘管、外循环和溶剂挥发冷凝等。
利用联系物料做物料衡算
联系物料--生产过程中不参加反应的物料为惰性物料 数量在反应器进口、出口物料中没有变化 计算时可以利用设备进、出口数量不变的关系列物料衡算方
程 不适用于：当惰性物数量很少，组分分子的相对误差又很大
的时候
复杂反应体系使用产物、副产物各自的收率数据
收率数据是对应于一定的生产条件的 所涉及的项目，生产条件与实测收率的生产条件相近，可以
以质量守恒定律为基础，计算反应器体积的基本方程 采用整个反应器作物料衡算
间歇反应器和全混流反应器 反应器中浓度均匀
采用反应器中微元体积作物料衡算
反应器中物料浓度沿反应器长度具有分布 假定微元体积中浓度和温度均匀 微元相加，可以得到整个反应器的物料衡算方程
物料衡算的基本公式：
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分积累量
体结构和相应的部件结构
确定最佳的工艺条件
操作工艺条件直接影响反应器的反应结果 影响反应器的生产能力 操作工艺条件指反应器的进口物料配比、流量、反应温度、
压力和最终转化率等 反应器要满足操作稳定性的要求 操作稳定性指：在一定的操作范围内具有良好的运转特性；
满足一定的抗干扰能力
计算所需要的反应器体积
Notice：反应热与温度和压力有关，压力不太大的时候，不用考虑压力的变化，压力 若是较高，则压力的变化要考虑； 反应物和生成物的聚集状态不同，反应热的数值也不同，使用时一定要注意物质的聚 集状态。
3.3 动量衡算方程式
以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化 当气相流动反应器的压降大时，需要考虑压力对反应速
根据操作工艺条件，针对选定的反应器类型，计算完成规定 生产能力所需要的反应体积
确定优化的反应器结构和尺寸
3. 反应器设计基本方程
反应器设计的基本方程内容
反应动力学方程式—化学反应工程原理 物料衡算方程式—化工原理 热量衡算方程式—化工热力学、化工原理 动量衡算方程式---化工原理
3.1 物料衡算方程式
3.2 热量衡算方程式
以能量守恒与转化定律为基础，通过热量衡算计算反应器中温度的变化 热量衡算的基本公式：
带入的热焓=流出的热焓+反应热+热量的积累+传向环境的热量 反应热项：放热反应为负值；吸热反应为正值 根据不同的情况，物料衡算公式可进行相应的简化 间歇过程
反应过程中带入和流出的热焓为0
连续流动过程
定态下，热量积累项为0
等温流动反应器
定态条件下，带入的热焓与流出的热焓两项相等
绝热反应器
传向环境的热量为0
反应热的计算
有些反应可以从有关资料中直接查到反应热数据 查不到反应热数据的怎么办？
通过标准生成热数据和燃烧热数据来计算反应热 标准生成热和燃烧热数据可在一般手册上查到
对较短的反应选用管式反应器。 气、液反应：鼓泡式反应器、逆流塔式反应器 气、固反应：固定床反应器、流化床反应器
二、根据传热要求选择反应器型式
绝热操作： 反应热效应小 绝热操作用在具有较大热效应的均相反应时，要求反应器结构 能使物料造成一定程度的返混，反应所需的温度，依靠反应后 热物料的返混来实现。
率的影响 活塞流管式反应器和固定床催化反应器中会用到
物料衡算方程式和反应速率方程式是描述反应器性能 的最基本方程式 物料衡算方程式
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分积 累量
反应速率方程式
如何选择反应器？
一、根据物料相态选择反应器型式
均液相反应：间歇或连续操作搅拌釜或活塞流管式反应器。 气相反应：选用管式反应器，对于反应速率要求快，停留时间相
根据不同的情况，物料衡算公式可进行相应的简化 间歇过程
由于分批加料、卸料 反应过程中某组分的流入量和流出量为0
连续流动过程
定态下，某组分的积累量为0 非定态下，所有量都需要考虑
物料衡算的分类：
元素的原子平衡方法
化学反应前后各元素的原子数是相等的 依据是物质不灭定律
直接使用反应计量方程式的方法