化学反应器理论大作业
二氧化硫转换器最优化
班级: 化研1612
学号: 2016200162
指导教师: 文利雄
姓名: 闫晓宇
二氧化硫转换器最优化
反应方程式：SO 2＋1/2O 2=SO 3 （放热反应）
四段绝热反应器，级间间接换热，常压下反应。 1. 基础数据
? 混合物恒压热容Cp ＝0.2549 [kcal/kgK] ? －ΔH =23135 [kcal/kmol] ? 催化剂堆密度 ρb ＝554 [kg/m 3]
? 进口SO 2浓度8.0 mol%，O 2浓度9.0 mol%，其余为氮气 ? 处理量131 [kmol SO 2/hr]，要求最终转化率98％
2..动力学方程 式中：
3. 基本要求
? 在T －X 图上，做出平衡线；至少4条等速率线。
? 以一维拟均相平推流模型为基础，在催化剂用量最少的前提下，求总的及各段的催化剂装量，进出口温度、转化率并在T －X 图上标出折线。
()
()()
[]
sec ./11－2
2
3
232
322
2
gcat mol P P K P P
B B P P K P k R SO SO SO SO SO SO O eff SO +-+-=ξ()()
987
.1，3.11295exp 1026203.227200exp 103.25.7355exp 48148600475，35992exp 105128.1475420，
76062exp 106915.7521
8718
223
=?
??
?
???=??
? ??=?
??
? ???=???
?
??-=-?
??
?
??-?=-???
?
??-?=--R T K P P K P RT K T B C RT k C RT k P O SO P SO
o
eff o
eff
ξ
?程序用C、Fortran、BASIC语言之一编制。
4.讨论
?要求的最终转化率从98％变化到99％对催化剂用量的影响；
?y o2＋y SO2＝21％，SO2进口浓度在7－9％之间变化，对催化剂装量的影响。
一．T-X图绘制平衡线与等反应速率线
本次大作业计算程序，使用MATlab编程实现。
表1.平衡线所需数据
使用matlab导出的数据作平衡线图，如图所示。
图1 T-X平衡线图
图2. 完整范围内的T—X图
图中Rso2的适宜反应范围是420~600℃，但在更高的温度范围内也是会有反应的，即使反应曲线在适宜温度范围以外精确度低，或者反应体系发生变化，此图权当得到更加美观、完整的图，以期反映出整个T-X图的趋势。
计算数据如下表：
表2 等反应速率线数据
二.四段反应器数据的计算及优化
在工业实践中，对于任何化学反应，要保证反应在尽量高的反应速率下进行，即意味着减小反应器的体积，减少设备投资，减少催化剂的填量，即意味着减少操作费用，更快的反应速率对应着更小的反应器体积，也意味着更大的收益。对于放热反应，反应所放热量抑制反应向正方向进行。随着温度的升高，虽然正反应速率增大，但逆反应速率增大更快，整个反应便在更低的转化率下达到平衡，放热反应高温对应着低转化率。而且随着反应温度升高，会出现反应体系高温下出现的问题、能耗、设备要求等其他方面，一般不在过高的温度下进行生产。从多方面考虑，但反应放热到一定温度，会使物料抽出与冷源换热降低物料温度，以达到更快的反应速率、更大的转化率。多级反应器的级间换热即是出于这个目的。
对于四级反应器，若使反应所需催化剂用量最少。由
把Wcat分别对各段求x和T的微分，使其等于0；即
即下一段入口温度点的反应速率和上一段出口的反应速率相等。
假设第一段入口温度Tin(1),进行操作线计算。
1.操作线线斜率：
已知入口温度、组成，出口组成，求出口温度：so2反应所放出的热量
nso2*Δxso2 * (-ΔH) =M*cp*ΔT
Δxso2/ ΔT= M*cp/ nso2* (-ΔH)
?操作线斜率即可求得。
?由function [ t1] = TXXtoT (t0,x0,x1 )实现
?Δxso2/ ΔT=1/232.3045
2.求反应器出口转化率Xout(i)、出口温度Tout(i)和所用催化剂的量
Wcat(i)：
已知Tout（i-1）,Xout（i-1）,求Tin（i）
当满足条件
（1）
时，反应器催化剂用量在此条件下取得极值，求微分、积分可以用matlab中的求偏导函数diff、积分函数int，亦可用其他高精度的微积分函数，但我所使用对(1/r)的Ti偏导数计算时间长，计算一万次可花费数分钟（本人所使用的计算机），对偏微分的积分耗时更长，一次可达数分钟。因此选用梯形法求微分、积分也可以用一x的微小偏差，获得的y的增量，用(（y+Δy）-y）/Δx即为此处导数，求积分则用梯形法，选取足够小的步长，算出每一步长对应的面积，作为积分值。用梯形法计算对偏微分的积分，十万次只需数秒，具有实践性。求出口T见函数function daera.求催化剂用量见函数 function dWcat.
应当注意的是，Xso2满足条件（1）时，不可大于600℃对应的转化率，如果大于600时的转化率，则此段出口转化率为600℃对应的转化率，出口温度即为600℃。
已知入口温度，出口转化率，已知操作线斜率，即可算出出口温度、出口时的反应速率r.见函数function TXXtoT。
3．求反应器入口温度
已知上一段出口转化率Xout（i-1）、出口温度Tout(i-1)、反应速率
rout(i-1)。下一段入口转化率Xin（i）=Xout（i-1）,由条件
可知r(i)=r(i-1). 已知Xso2、r，求T。
已知第二段入口反应速率r(Tin(2),Xin(2)
利用function [T] = RXtoT2( r,x)（变步长搜索）
或者 function [T] = RXtoT( r,x)（割线法）
对于求第二段入口温度时，如果使用割线法/牛顿法，因为在420~475时，导数值很大，而且有重根的情况（因为 r(Tin(2),Xin(1)=r(Tout(1)，Xin(1)）），有时候所得不是想要的解，甚至得到不到解。有时需手动改变初值。比较麻烦在已知温度在420℃到Tout(i-1)之间情况下，考虑采用变步长依次搜索法，计算50次，即可达到T的7位小数的精确度，且屡试不爽。见函数 function RXtoT2.
function [ dw ] = dWcat (xd,tin,xin)
已知入口温度，出口转化率，已知操作线斜率，即可算出出口温度、出口时的反应速率r.见函数 function TXXtoT。
给定一个第一入口温度，求得四级反应器的数据，xso2步长0.0001如果
使用matalb，（从0~0.98，计算9800次）积分计算一次需要数分钟，如果使用梯形法计算微分积分，步长选择0.00001（计算近10万次），计算一次四级反应器数据只需不到两秒。梯形法虽然简单，但计算速率高了2、3个数量级。给定第一段进口温度，运行一次即可在excel中得到四段反应器数据，例子中当第一段进口温度设为444.65℃时，计算四段反应器数据如下：表3初设第一段进口温度设为444.65℃，反应器数据
４.对第一段入口温度的优化
对第一段入口温度Tin（1）的优化,现在温度范围内得到Tin（1）对催化剂总量和最终转化率的影响趋势，再在小范围内搜索最优值。
根据以上程序，使第一段入口温度Tin(1)从４２０～４５０℃变化，得到第一段入口温度Tin(1)对催化剂总量和最终转化率的影响，得到数据列表如下
表4不同第一段进口温度反应器数据
matlab源程序见附录2.1。
根据上表数据作图如下，
图4最终转化率和催化剂总量随着Tin(1)变化趋势图
由上图可以看出，在420~450℃范围内，存在第一段入口温度使得最后转化率大于0.98，并且在440~445℃之间。下一步从第一段入口温度445℃向440℃依次搜索，步长为0.1℃。所得结果如下
表5转化率达标、催化剂最少用量时，反应器数据
Xin Tin/℃ Xout Tout/℃ Wcat/kg 总ＷＣＡＴ／ｋｇ
1 0. 443.800 0.67239 600. 4254.61 44798.42
2 0.67239 448.751 0.90746 503.359 5995.59
3 0.90746 442.555 0.96290 455.43
4 10707.01 4 0.96290
420.255
0.98015
424.262
23841.21
matlab 程序见附录2.2
由上表可知满足最终转化率0.98时，所有催化剂量为44798.42kg.根据上表数据用Origin 作操作折线图如下：
最优值区间
论述化学反应器的分类和化学反应的基本类型 <一>化学反应的基本类型 摘要 一提到化学反应类型，不少学生都认为是“化学反应基本类型”，答案只能在化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应四种情况里选一种，除此之外的答案都是错的，这给学生带来很大困惑。本文探讨了“化学反应基本类型”的本质和局限性，并探讨了复分解反应的两个疑难问题。本文还详细介绍啦化学反应器的分类，让大家更详细的了解到在化学应用中化学反应器的分类 关键词；化学反应器化学反应基本类型原理 一、问题的提出 化学反应的基本类型有四种，即化合反应，分解反应，置换反应，复分解反应。在对化学反应进行分类时，学生常遇到以下困惑： 1.氧化还原反应、中和反应等反应为什么不属于反应基本类型？ 2.有很多反应为什么没有相应的反应基本类型？ 3.非金属氧化物与碱的反应为什么不属于复分解反应？ 4.碳酸盐与酸的反应被认为是复分解反应，这是为什么？ 对于这些问题，机械地利用概念来解释，缺乏说服力，而且第四个问题用概念无法解释，因为复分解反应的概念是两种化合物相互交换成分，生成另外两种化合物的反应，第四种反应有三种化合物生成。 欲解决这些问题，需要弄清楚“反应基本类型”内涵和外延。 二问题的解决 （一）探究所描述的化学反应信息 从具体实例来探究“反应基本类型”所描述的化学反应信息。 1. 3Fe+2OFeO，化合反应——几种成分（Fe和O）结合在一起。 2. 2Fe(OH)=FeO+3HO，分解反应——结合在一起的几种成分（Fe、O、H）分开。 3. Fe+CuSO=FeSO+Cu，置换反应——一种成分（Fe）替换另一种成分（Cu）。 4. 2Fe(OH)+6HCl=2FeCl+6HO，复分解反应——正价态成分（Fe和H）或负价态成分（OH 根和Cl）相互交换。 四种基本类型都是通过成分组合方式的变化来描述化学反应过程的，这就是“反应基本类型”的内涵。而氧化还原反应是通过电子的转移来描述化学反应过程的，中和反应是通过酸碱性的相互消除来描述化学反应过程的，它们的内涵与“反应基本类型”不相符合，所以都不把它们列入“反应基本类型”的范畴。 （二）反应基本类型外延 “反应基本类型”的外延只有四种，面对纷繁复杂的化学反应，这样的外延太窄了，部分反应特别是很多的有机化学反应被排除在“反应基本类型”之外。如同很多观众到了一个小剧场，位子不够，一部分人无法对号入座。所以像这样的情况，并不意味着它们根本上没有相应的反应类型，只是目前还不能对它们变化的特点进行恰当描述罢了。 查现代汉语词典，“基本”的含义有：①根本：人民是国家的～。②根本的：～矛盾。③主要的：～条件∣～群众。④大体上：大坝工程已经～完成。用“基本”来修饰反应类型，是哪种含义呢？是“根本”（最重要的意思）的反应，其它反应都不重要？是“主要的”反应，其它反应都是次要的反应？无论选择那种含义，都不合适。
MCR-3型微波化学反应器 一、加热原理 微波是一种波长极短的电磁波，它和无线电波、红外线、可见光一样，都属于电磁波，微波的频率范围从300MHz到300KMHz，即波长从1毫米到1米的范围。 微波加热的原理： 微波加热就是将微波作为一种能源来加以利用，当微波与物质分子相互作用，产生分子极化、取向、摩擦、碰撞、吸收微波能而产生热效应，这种加热方法就称为微波加热。微波加热是物体吸收微波后自身发热，加热从物体内部、外部同时开始，能做到里外同时加热。 不同的物质吸收微波的能力不同，其加热的效果各不相同，这主要取决于物质的介质损耗。 微波加热的特点： 1、快速加热。微波能以光速（3×1010cm/s）在物体中传播，瞬间（10-9 秒以内）就能把微波能转换为物质的热能，并将热能渗透到被加热物质中，无需热传导过程。 2、快速响应能力。能快速启动、停止及调整输出功率，操作简单。
3、加热均匀。里外同时加热。 4、选择性加热。介质损耗大的，加热后温度高，反之亦然。 5、加热效率高。由于被加热自身发热，加热没有热传导过程，因此周围的空气及加热箱没有热损耗。 6、加热渗透力强。透热深度和波长处于同一数量级，可达十几厘米，而红外加热为表面加热，渗透深度仅为微米数量级。 二、产品特点 MCR-3型微波化学反应器采用了最新科技，确保您的实验顺利进行。 1.微波连续输出方式：研究表面，脉冲微波在“开”和“关”的瞬间会产生高阈值电磁脉冲，出现温度大幅震荡现象，也极易破坏有机分子形态，从而影响实验结果的一致性。微波连续输出方式确保在实验进行过程中时刻存在微波。克服了脉冲微波给实验带来的不利影响。 2.微型计算机自适应PID调节技术：有效克服超调现象的发生。PID参数可以自适应整定，灵活适应不同的操作环境，当环境温度，反应物质容积，极性，热熔发生改变，MCR-3型微波化学反应器可以适应由此带来的影响，自动修改PID参数，使机器适应于新的环境，保持控温精度不降低。 3.采用镀四氟铂电阻温度传感器：镀四氟温度直接插入发热体系内部，采集反应体系内部温度，可靠的屏蔽装置有效消除任何电磁波的干扰和自热效应，使采集数据更为可靠。四氟乙烯温度传感器有效抵御酸、碱，有机溶液的腐蚀。 4.采用多段工作模式：您可以设置5工作时段工作。一般工作结束后，化学反应器自动转向下一段连续工作。每个时段下都可独立设置最高功率，温度，时间，MCR-3型微波反应器将在每段中都达到最优状态。 5.显示实时曲线功能：让您可以更直观的查看温度变化的情况。只需要按下翻页键，就可以看到温度曲线。 6.存储参数功能：您的输入参数将保持在闪存中，方便您下次开机操作，不用再重复输入。本机采用Flash 存储器可以在关机或者停电时永久保存数据。 7.采用大面积触摸面板：按键分布符合操作习惯，分部间隔合理，操作手感更为舒适。并有声音提示功能。 8.采用大屏幕液晶显示：有效像素320×240，屏幕尺寸高达123mm×94mm。同步显示，五个时段所设置工作条件，以及微波工作状态，微波功率，实时温度，工作时间。使视野更广阔，观看更为舒适。 9.温度误差修正功能，若显示温度与实际温度出现误差，可通过微型计算机采取修改。 10.具有安全的连锁开关：在任何情况下打开炉门都会停止微波辐射，保障使用者的安全。 11.磁控管过热保护功能：当一次使用时间过长或者异常情况导致磁控管温度高时，本机可自动切断磁控管电源，避免磁控管的损伤。
第6章工业化学反应过程及反应器 6.1 概述 1．工业化学反应过程的特征 在化工生产中，大部分都包含化学反应，而化学反应有关的工序的设计问题，都是属于化学反应工程学的问题。 化学反应工程的概念是在1957年第一次欧洲化学反应工程会议上首先提出的。六十多年来，化学反应工程得到了迅速的发展，逐步形成了一门独立的学科，成为化学工程的一个分支。化学反应工程学，它是以工业反应器为主要对象，研究工业规模的化学反应过程和设备的共性规律的一门学科。 大家知道，化工产品的生产都涉及到化学反应工程，然而化学反应过程，特别是在工业规模下进行的化学反应过程，其影响因素是错综复杂的，它不仅受化学热力学和化学动力学的制约，还与化学反应器的类型、结构和尺寸有很大的关系。 实践证明，同一化学反应在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，其原因有以下几方面： ①大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实验室那么均匀。 ②生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易控制，体系内温度和浓度并非均匀。 ③生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反应过程有极大的影响。工业反应器内存在一个停留时间分布。 工业反应器中实际进行的过程不但包括化学反应，还伴随有各种物理过
程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程。 2．化学反应工程学的任务和研究方法 化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设备内的传递规律，它应用化学热力学和动力学知识，结合流体流动、传热、传质等传递现象，进行工业反应过程的分析、反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究最佳的反应操作条件，以实现反应过程的优化操作和控制。①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力②开发新的技术和设备。③指导和解决反应过程开发中的放大问题。④实现反应过程的最优化。⑤不断发展反应工程学的理论和方法。 化学反应工程学有着自身特有的研究方法。在一般的化工单元操作中，通常采用的方法是经验关联法，例如流体阻力系数、对流传热系数的获得等等，这是一种实验-综合的方法。但化学反应工程涉及的内容、参数及其相互间的影响更为复杂，研究表明，这种传统的方法已经不能解决化学反应工程问题，而采用以数学模型为基础的数学模拟法。 所谓数学模拟法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和，一般是各种形式的联立代数方程、微分方程或积分方程。 建立数学模型的过程采用了分解-综合的方法，它将复杂的反应工程问题先分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法予以描述。
第6章工业化学反应过程及反应器 概述 1．工业化学反应过程的特征 在化工生产中，大部分都包含化学反应，而化学反应有关的工序的设计问题，都是属于化学反应工程学的问题。 化学反应工程的概念是在1957年第一次欧洲化学反应工程会议上首先提出的。六十多年来，化学反应工程得到了迅速的发展，逐步形成了一门独立的学科，成为化学工程的一个分支。化学反应工程学，它是以工业反应器为主要对象，研究工业规模的化学反应过程和设备的共性规律的一门学科。 大家知道，化工产品的生产都涉及到化学反应工程，然而化学反应过程，特别是在工业规模下进行的化学反应过程，其影响因素是错综复杂的，它不仅受化学热力学和化学动力学的制约，还与化学反应器的类型、结构和尺寸有很大的关系。 实践证明，同一化学反应在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，其原因有以下几方面： ①大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实验室那么均匀。 ②生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易控制，体系内温度和浓度并非均匀。 ③生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反应过程有极大的影响。工业反应器内存在一个停留时间分布。 工业反应器中实际进行的过程不但包括化学反应，还伴随有各种物理过
程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程。 2．化学反应工程学的任务和研究方法 化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设备内的传递规律，它应用化学热力学和动力学知识，结合流体流动、传热、传质等传递现象，进行工业反应过程的分析、反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究最佳的反应操作条件，以实现反应过程的优化操作和控制。①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力②开发新的技术和设备。③指导和解决反应过程开发中的放大问题。④实现反应过程的最优化。⑤不断发展反应工程学的理论和方法。 化学反应工程学有着自身特有的研究方法。在一般的化工单元操作中，通常采用的方法是经验关联法，例如流体阻力系数、对流传热系数的获得等等，这是一种实验-综合的方法。但化学反应工程涉及的内容、参数及其相互间的影响更为复杂，研究表明，这种传统的方法已经不能解决化学反应工程问题，而采用以数学模型为基础的数学模拟法。 所谓数学模拟法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和，一般是各种形式的联立代数方程、微分方程或积分方程。 建立数学模型的过程采用了分解-综合的方法，它将复杂的反应工程问题先分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法予以描述。
依据反应器的操作方法，可分为： 间歇式反应器（Batch reactor） 连续式反应器（Continuous reactor） 半间歇式反应器（Semi－batch reactor） 依据反应器的热力学条件，可分为： 等温反应器（Isothermal reactor） 非等温反应器（Nonisothermal reactor）绝热式反应器（Adiabatic reactor） 非绝热式反应器（Non-adiabatic reactor） 依据反应器外型与结构，可分为： 槽（釜）式反应器（Tank reactor） 管式反应器（Tubular reactor） 塔式反应器（Column reactor） 依据反应物料的相态，可分为： 均相反应器（Homogeneous reactor） 非均相反应器（Heterogeneous reactor） 依据反应物料流动特性，可分为： 塞流反应器（Plug flow reactor） 层流反应器（Laminar flow reactor） 紊流反应器（Turbulent flow reactor） 依据反应物料的输送方式，可分为： 固定床反应器（Fixed-bed reactor） 流体化床反应器（Fluidized-bed reactor）
间歇式反应器的特点是所有的操作流程都是以分批方式进行，因此在每一批次的反应过程中均不受前后批次操作的影响。在反应系统方面，批式反应器最常用于液相反应，固相及液－固混合相也适用，但气相反应则较不适合，因为其所能处理的量少，而且反应过程中操作不易，只有在像是气体成分分析时，样品量少且需要精确数据的情况下，才会使用精密的批式反应装置（如气相层析仪）来进行分析，一般在处理大量气体反应时，则大多以连续式反应器为主。 另外，间歇式反应器的操作过程中包含进料、卸料以及清理设备等步骤，有相当长的非反应时间以及劳动力需求，因此，批式反应器通常应用于规模与产量较小的产业，如食品、药品、精密化学品等产品的制造。 连续式反应器 连续式搅拌槽反应器（英语：Continuously Stirred Tank Reactor，简称CSTR）连续式搅拌槽反应器，是一种广泛应用于化工生产中的反应器，其结构与一般批式反应器有些类似，但最主要的不同是反应器中的反应物与生成物都是连续的进入与输出。 平推流反应器 平推流反应器是指反应器内的物料流动满足塞流模型的反应器，塞流是描述流体的一种理想流动状态，将每一个截面视为一个单元，在每一单元中所有反应物初始浓度均相同，同时，所有的反应物料都假定沿着同一方向流动，而且没有返回混合的情况，另外，所有物料在反应器中的停留时间都相同，最终流出的物料转化率也一致，因此每一单元都可假设为一个微型的批式反应器，以整体来说，塞流反应器的性能，也类似于间歇式反应器。 依据塞流流动的定义，可得知塞流反应器应具有以下特点： 为连续式操作，所以在反应器的每一截面中，物料浓度不随时间改变。 反应器内的径向流动速度分布是均匀的，这是一种理想流动。因为在实际操作中，管内的流体无论是呈紊流或层流，其径向流速分布都是不均的。由此上述假设可推得塞流反应器中，物料浓度与反应速度在径向是均匀分布，仅沿着轴向逐渐变化。 在一般的化工生产中，管径较小、流速较快、长度较长的管式反应器或者固定床反应器通常会以塞流反应器模型来作设计。
反应器结构及工作原理图解 小7：这里给大家介绍一下常用的反应器设备，主要有以下类型：①管式反应器。由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。②釜式反应器。由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。③有固体颗粒床层的反应器。气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。④塔式反应器。用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。 一、管式反应器 一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。
分类： 1、水平管式反应器 由无缝钢管与U形管连接而成。这种结构易于加工制造和检修。高压反应管道的连接采用标准槽对焊钢法兰，可承受1600-10000kPa压力。如用透镜面钢法兰，承受压力可达10000-20000kPa。
2、立管式反应器 立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、液相氧化反应等工艺中。
3、盘管式反应器 将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间。但检修和清刷管道比较困难。
化学反应器的分类及特点 秦财德 （中南大学、化学化工学院、化工1002班） 摘要: 反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样。化学反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。本文主要介绍化学反应器的分类和特点 关键词：化学反应器特点典型反应 现在的化工反应器在向高精端方向发展，在化工反应中处于主要地位，化学反应器是化学反应的载体,是化工研究、生产的基础,是决定化学反应好坏的重要因素之一,因此反应器的设计、选型是十分重要的。反应器的种类很多，设计和选型很重要，座椅应该按照实际情况来设计制造。 一．釜式反应器 （一）反应器的简介 一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。 （二）反应器的特点 反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。 优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。 缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。 （三）典型反应： 在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应： CH3COOC2H5+NaOH CH3COONa+ C2H5OH 二．管式反应器 （一）反应器的简介 管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），
化学反应工程习题 第一部分：均相反应器基本理论 1、试分别写出N 2+3H 2=2NH 3中用N 2、H 2、NH 3的浓度对时间的变化率来表示的该反应的速率；并写出这三种反应速率表达式之间的关系。 2、已知某化学计量式为 S R B A 2 121+=+的反应，其反应速率表达式为B A A C C r 5 .02=，试求反应速率B r =？；若反应的化学计量式写成S R B A +=+22，则此时反应速率A r =？为什么？ 3、某气相反应在400 o K 时的反应速率方程式为2 21061.3A A P d dP -?=- τ h kPa /，问反应速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为2 1A A A kC d dn V r =?-=τ h l mol ./，该反应速率常数k 的数值、单位如何？ 4、在973 o K 和294.3×103Pa 恒压下发生下列反应：C 4H 10→2C 2H 4+H 2 。反应开始时，系统中含丁烷为116kg ，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa /s 的速率发生变化， 试求下列项次的变化速率：（1）乙烯分压；（2）H 2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。 5、某溶液反应：A+B →C ，开始时A 与B 摩尔数相等，没有C ，1小时后A 的转化率为75%，当在下列三种情况下，2小时后反应物A 尚有百分之几未反应掉？ （1）对A 为一级、B 为零级反应； （2）对A 、B 皆为一级反应； （3）对A 、B 皆为零级反应。 6、在一间歇反应器中进行下列液相反应： A + B = R A + R = S 已知原料组成为C A0 = 2 kmol/m 3，C B0 = 4 kmol/m 3，C R0 = C S0 = 0。反应混合物体积的变化忽略不计。反应一段时间后测得C A = 0 .3 kmol/m 3，C R = 1.5 kmol/m 3。计算这时B 和S 的浓度，并确定A 的转化率、生成R 的选择性和收率。 7、一级可逆反应A = R 在等温下进行。已知C A0 = 500mol/m 3，C R0 = 0。若该反应在一间歇反应器中进行，且在反应温度下667.0=Ae x 。经480 s 后测得333.0=A x 。（1）试确定此反应的动力学方程；（2）计算A x 分别达到0.6和0.65所需的反应时间；（3）比较计算结果，你有什么体会？
第一章 1. 化学反应工程是一门研究 (化学反应个工程问题)的科学。 2. 所谓数学模型是指 (用数学方法表达各变量间的关系)。 3. 化学反应器的数学模型包括 （动力学方程式、 物料横算式子、 热量衡算式、 动量衡算式 和 参数计算式） 4. 所谓控制体积是指 （能把反应速率视作定值的最大空间范围）。 5. 模型参数随空间而变化的数学模型称为 （ 分布参数模型）。 6. 模型参数随时间而变化的数学模型称为 （非定态模型）。 7. 建立物料、热量和动量衡算方程的一般式为 (累积量=输入量-输出量)。 第二章 1. 均相反应是指 (在均一的液相或气相中进行的反应)。 2. 对于反应aA + bB → pP + sS ，则r P =( p/a )r A 。 3.着眼反应物A 的转化率的定义式为(转化率Xa=转化了的物料A 的量/反应开始的物料A 的量)。 4. 产物P 的收率ΦP 与得率ХP 和转化率x A 间的关系为( Xp/Xa )。 5. 化学反应速率式为r A =k C C A αC B β，用浓度表示的速率常数为k C ，假定符合理想气体状态方 程，如用压力表示的速率常数k P ，则k C =[ (RT)的a+B 次方]k P 。 6.对反应aA + bB → pP + sS 的膨胀因子的定义式为 （P+S ）-(A+B))/A 。 7.膨胀率的物理意义为 (反应物A 全部转化后系统的体积变化率)。 8. 活化能的大小直接反映了 (反应速率) 对温度变化的敏感程度。 9. 反应级数的大小直接反映了(反应速率) 对浓度变化的敏感程度。 10.对复合反应，生成主产物的反应称为 (主反应)，其它的均为(副反应)。 11. 平行反应A → P 、A → S 均为一级不可逆反应，若E 1＞E 2，选择性S p 与 (A 的浓度) 无关，仅是 (A 的浓度) 的函数。 12. 如果平行反应A → P 、A → S 均为一级不可逆反应，若E 1＞E 2，提高选择性S P 应(提到 温度)。 13. 一级连串反应A → P → S 在平推流反应器中，为提高目的产物P 的收率，应(降 低)k 2/k 1。 14. 产物P 的收率的定义式为 (生成的全部P 的物质的量/反应掉的全部A 的物质的量) 15. 产物P 的瞬时收率φP 的定义式为(生成的物质的量/反应的A 的物质的量) 16. 产物P 的选择性S P 的定义式为(单位时间内产物P 的物质的量/单位时间内生成产物S 的物质的量) 17. 由A 和B 进行均相二级不可逆反应αA A+αB B = αS S ，速率方程为： r A =－dC A /dt=kC A C b 。 求： （1）当C A0/C B0=αA /αB 时的积分式 （2）当C A0/C B0=λ≠αA /αB 时的积分式 18. 反应A → B 为n 级不可逆反应。已知在300K 时要使A 的转化率达到20%需，而在340K 时达到同样的转化率仅需，求该反应的活化能E 。 第三章 1. 理想反应器是指(理想混合反应器 平推流反应器)。 2. 全混流反应器的空时τ是 (反应器容积) 与(进料的体积流量)之比。 3. 全混流反应器的放热速率Q G ={ 00()A A Hr Ft y x ? }。 4. 全混流反应器的移热速率Q r ={ 012()pm Ft C T T - } 5. 全混流反应器的定常态操作点的判据为{ G r Q Q = }。 6. 全混流反应器处于热稳定的定常态操作点的判据为{ G r Q Q = G r dQ dQ dT dT > }。
存档日期：存档编号: 北京化工大学 研究生课程论文 课程名称：化学反应器理论 课程代号：ChE540 任课教师：文利雄 完成日期：2013 年04 月13 日 专业：化学工程与技术 学号： 姓名： 成绩：
摘要 近年来，微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道，因此，微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础，对其进行系统深入的研究具有重要意义。 本文综合概括了微通道反应器的基本概念及主要优点，讲述了微通道反应器的发展历程，详细介绍了微通道反应器的分类及结构，重点讲述微通道反应器的流体力学性能，接着介绍了微通道反应器所使用的体系，最后介绍了目前微通道反应器的工业应用实例。 关键词：微通道反应器 Abstract In recent years, micro-chemical technology has become a new developing direction and research focus for chemical engineering. Microchannels with diameter ranging from nanometer to micron are main sections of the micro-chemical equipments, therefore, the characteristics of fluid flow and mass and heat transfer in microchannels are of key importance for the design and application of micro-chemical processes. The article firstly summarizes the basic conception and major advantages of Microchannel Reactor, as well as its development history. Meanwhile, it introduces the classification and structure of Microchannel Reactor in deatails, which forcusing on its hydrodynamics performance. Then the text explains the system that applied to Microchannel Reactor. And lastly, it describes the application examples of Microchannel Reactor in industry. Keywords：Microchannel Reactor
目录 摘要.............................................................................................................................III 1 关于化学反应 (1) 2 关于化学反应器 (2) 2.1 反应器的类型 (2) 2.2 反应器的性能指标 (2) 2.3 反应器的控制要求 (2) 3 反应器的控制方案 (4) 3.1 反应器常用的控制方式 (4) 3.2 温度被控变量的选择 (5) 3.3 控制系统的选择 (6) 4 反应器串级系统的控制原理 (9) 4.1 系统方框图 (9) 4.2 系统原理分析 (9) 5 反应器的部分实现 (11) 5.1 原料的比值控制 (11) 5.2 仪器仪表的选择 (12) 6 设计总结与展望 (13) 参考文献 (14)
化学反应器自动控制系统设计 1 关于化学反应 化学反应的本质是物质的原子、离子重新组合，使一种或者几种物质变成另一种或几种物质。化学反应过程具备以下特点： 1) 化学反应遵循物质守恒和能量守恒定律。因此，反应前后物料平衡，总热量也平衡； 2) 反应严格按反应方程式所示的摩尔比例进行； 3) 化学反应过程中，除发生化学变化外，还发生相应的物理等变化，其中比较重要的有热量和体积的变化； 4) 许多反应应需在一定的温度、压力和催化剂存在等条件下才能进行。 此外，反应器的控制方案决定于化学反应的基本规律： 1．化学反应速度 化学反应速度定义为：单位时间单位容积内某一部分A 生成或反应掉的摩尔数，即 t A A Vd dn r 1± = (1-1) 若容积V 为恒值，则有 dt dC dt V dn r A A A ±=± =/ (1-2) 式中 r A ——组分A 的反应速度，mol/m 3·h ； n A ——组分A 的摩尔数，mol ； C A ——组分A 的摩尔浓度，mol/m 3； V ——反应容积，m 3。 2．影响化学反应速度的因素 实验和理论表明，反应物浓度(包括气体浓度，溶液浓度等)对化学反应速度有关键作用。温度对化学反应速度影响较为复杂，最普遍的是反应速度与温度成正比。而对于气相反应或有气相存在的反应，增大压力(压强)会加速反应的进行。化学反应还受催化剂，反应深度等因素的影响，这些都是要在设计反应器是需要考虑的。
反应器的类型： 自从1913年德国的Berg ius发明煤直接液化技术以来, 德国、美国、日本、前苏联等国家已经相继开发了几十种煤液化工艺, 所采用的反应器的结构也各不一样。总的来说, 迄今为止, 经过中试和小规模工业化的反应器主要有3种类型: 鼓泡式反应器 鼓泡床反应器结构简单, 其外形为细长的圆筒, 其长径比一般为18~ 30, 里面除必要的管道进出口外, 无其他多余的构件。为达到足够的停留时间,同时有利于物料的混合和反应器的制造, 通常用几个反应器串联。氢气和煤浆从反应器底部进入, 反应后的物料从上部排出。由于反应器内物料的流动形式为平推流(即活塞流) , 理论上完全排除了返混现象, 实际应用中大直径的鼓泡床反应器液相有轻微的返混, 因此也有称该种反应器为活塞流反应器。日本液化工艺和德国液化工艺鼓泡床反应器是典型的液化鼓泡床反应器, 其结构如图1和图2所示。德国在二战前的工艺( IG ) 和新工艺( IGOR )、日本的NEDOL工艺、美国的SRC和EDS以及俄罗斯的低压加氢工艺等都采用了这种反应器。相对而言它是3种反应器中最为成熟的一种。日本新能源开发机构组织了10家公司合作开发了NEDOL液化工艺, 在日本鹿岛建成了150t /d中试厂[ 8 ] 。该厂于1996 年7 月投入运行, 至1998年完成了1个印尼煤种和1个日本煤种的连续运行试验。NEDOL 工艺反应器底部为半球形,由于长期运转后, 反应器底部有大颗粒的沉积现象, 因此反应器底部有定期排渣口, 定期排除沉积物。德国IG 公司二战前通过工业试验发现, 用某些褐煤做液化试验时, 第一反应器运行几个星期后, 反应器就会因为堵塞而停下来, 里面积聚了大量的2~ 4 mm 的固体。经过分析, 发现固体主要是矿物质, 而没有新鲜煤, 后来他们在反应器的圆锥底部进料口的旁边安装了排渣口, 才解决了堵塞问题。另外他们也发现, 鼓泡床反应器内影响流体流动的内构件, 特别是其形状易截留固体的构件越少, 反应器操作就越平稳。因此, 工业化鼓泡床反应器实际上是空筒。 强制循环悬浮床反应器： 因H - Coal工艺反应器内催化剂呈沸腾状态, 因此也称之为沸腾床反应器。美国HR I公司借用H - O il重油加氢反应器的经验将其用于H - Coal煤液化工艺, 使用Co /Mo催化剂, 只要催化剂不粉化, 就呈沸腾状态保持在床层内, 不会随煤浆流出, 解决了煤炭液化过去只能用一次性铁催化剂, 不能用高活性催化剂的难题。为了保证固体颗粒处于流化状态, 底部可用循环泵协助。
摘要: 反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样,例如:冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器。化学反应器用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。本文主要介绍化学反应器的分类和设计选择。 关键词：化学反应器，密闭，换热，自控 Abstract: the application of ancient reactors started, making pottery kiln is a primitive reactor. Modern industry in various forms, such as: reactor metallurgical industry of blast furnace and converter, Biological engineering of fermentation tank and various burner, are different forms of the reactor. Chemical reactors are used to implement the liquid single-phase reaction process and liquid liquid, gas and liquid, solid-liquid, gas liquid-solid etc multiphase reaction process. Containers have standing stirring (mechanical agitation, air mixing etc) devices. In high diameter is large, usable multilayer mixing blades. In the reaction process materials to heating and cooling, may in the reactor wall of setting clip, or in the device equipped with displacement heat surface, also through the heat
化学化工学院 化工专业课程设计 设计题目：管式反应器设计 化工系
化工专业课程设计——设计文档质量评分表（100分） 评委签名: 日期：
目录 绪论 .........................................................错误!未定义书签。1设计内容与方法介绍..........................................错误!未定义书签。 反应器设计概述............................................错误!未定义书签。 设计内容..................................................错误!未定义书签。 生产方法介绍..............................................错误!未定义书签。 反应器类型特点............................................错误!未定义书签。 反应器选择及操作条件说明..................................错误!未定义书签。2工艺计算....................................................错误!未定义书签。 主要物性数据..............................................错误!未定义书签。 计算，确定管长，主副反应收率.............................错误!未定义书签。 管数计算..................................................错误!未定义书签。3压降计算公式................................................错误!未定义书签。4催化剂用量计算..............................................错误!未定义书签。5换热面积计算................................................错误!未定义书签。6反应器外径计算..............................................错误!未定义书签。7壁厚计算....................................................错误!未定义书签。 8 筒体封头计算................................................错误!未定义书签。9管板厚度计算................................................错误!未定义书签。10设计结果汇总...............................................错误!未定义书签。11设计小结...................................................错误!未定义书签。
化学反应器的分类及特点 1 2 秦财德 3 （中南大学、化学化工学院、化工1002班） 摘要: 反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。4 5 近代工业中的反应器形式多样。化学反应器，用于实现液相单相反应过程6 和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅7 拌、气流搅拌等）装置。本文主要介绍化学反应器的分类和特点 8 9 关键词：化学反应器特点典型反应 10 11 现在的化工反应器在向高精端方向发展，在化工反应中处于主要地位，化学12 反应器是化学反应的载体,是化工研究、生产的基础,是决定化学反应好坏的重13 要因素之一,因此反应器的设计、选型是十分重要的。反应器的种类很多，设14 计和选型很重要，座椅应该按照实际情况来设计制造。 15 一．釜式反应器 16 （一）反应器的简介 一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、 17 18 液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装19 置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。 20 21
（二）反应器的特点 22 反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。 23 物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返24 混程度最大。反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而25 不存在时间这个自变量。 26 优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。 27 缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有28 液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。 29 30 （三）典型反应： 31 在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应： 32 CH 3COOC 2 H 5 +NaOH CH 3 COONa+ C 2 H 5 OH 33 34 二．管式反应器 35 （一）反应器的简介 36 管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很37 长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是38 多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的39 填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于40 湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200 41 （液体），物料的流动可近似地视为平推流. 42
习题１－１：银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 2CH3OH+O2→2HCHO+2H2O 2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O 进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸气＝2：4：。反应后甲醇转化率为72％，甲醛的收率为％。试计算：（１）选择率；（２）出口组成。 解：（１） 69.2% 96.1% 72% Y S x === (2) 设原料中甲醇、空气、水蒸气的物质的量分别是2mol、4mol和.则生成甲醛所耗的甲醇的物质的量为2×= 副反应消耗的甲醇为:2×由反应计量方程式可知: n（H2O）=++2×=（mol） n（CO2）= ; n(HCHO)= n(CH3OH)=2×=（mol） n(O2)=4×（mol） n(N2等)=4×=（mol） 则总的物质量为n= ++++＋=（mol） y(CH3OH) ==% y(O2) ==% y(HCHO) ==% y(H2O) ==% y(CO2) ==%
y(N2) = =%
习题1—６：丁烯制丁二烯48462C H C H H +?，已知反应的步骤为 484848462 4646()()()()()()()()() A C H C H B C H C H H C C H C H +++??? （１）请分别导出（A ）（C ）为控制步骤的均匀吸附动力学方程。 （２）请分别导出（B ）为控制步骤的均匀吸附动力学方程,若反应物和产物的吸附都很弱，问此时反应对丁烯是几级反应 解：记 A=C 4H 8 B=C 4H 6 C=H 2 (A) 为控制步骤： 00B C B C A A B C B C (1) 1(2) 11(3) (4) 1A A A A aA dA aA A dA A A A A B B A B B p p aA A dA A p A A B B p r r r k p k b p b p b p b p b p p p p p K p p K p p k p k b K r p p b b p K θθθθ*****--=＝＝＝,＝＋＋＋＋，＝－＝ ＋＋ (C) 为控制步骤 0 0**A C B C A B C A C (1) 1(2) 11(3) (4) 1B B B dB aB dB B aB B B B A A B B A A B p B p A p dB B aB A p A A B r r r k k p b p b p b p b p b p K p p p K p p p K p k b k p p r K p b p b p θθθθ** *--=＝＝＝,＝＋＋＋＋，＝－＝＋＋ （B ） ''1A A B B c A A B c A A B B kb p k b p p r k k p b p b p θθ-=-=++ 的情况，当反应物和产物的吸附都很弱时，即11A A B B b p b p ++≈ 故'A A A B B c r kb p k b p p =- 可见，反应对于A 为一级。