均相反应器设计

第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。

2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。

最根本任务—最高的经济和社会效益。

3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。

返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。

注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。

特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。

T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。

全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。

特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。

3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。

反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。

一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。

2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。

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。

第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。

2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。

最根本任务—最高的经济和社会效益。

3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。

返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。

注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。

特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。

T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。

全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。

特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。

3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。

反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。

一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。

2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。

第三章 理想流动均相反应器设计题解1、[间歇反应器与全混釜恒容一级]有一等温操作的间歇反应器进行某一级液相反应，13分钟后,反应物转化了70%.今拟将此反应转至全混流反应器,按达到相同的转化率应保持多大的空速?解:㏑CA 0CA =kt, CA0CACA0- =0.7 ， C A =0.3C A0 间歇釜中∴㏑0.3=－13k ， k=0.0926 min-1在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926⨯=25.2 min -1∴空速S=1τ=125.2=0.0397min -12、[平推流恒容一级]有一个活塞流管式反应器于555K,0.3MPa 压力下进行A →P 气相反应,已知进料中含30%A(mol)，其余70%为惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为r A =0.27C Amol/m 3·s,要求达到95%转化.试求⑴所需的空时? ⑵反应器容积?解: τP =VR V0=1k ㏑CA 0CA =1k ㏑PA0PA =1k ㏑A0Ay y =1k ㏑11Ax -=10.27㏑110.95-=11.1 S∴V R =τP ·v 0=τP 00A A FC而C A0=A P RT=30.30.082555⨯⨯=0.0198mol/L=19.8mol/m 3V R =11.1s ×36.3/19.8/mol s mol m =3.53m 33、[平推流变容过程一级]有一纯丙烷裂解反应方程式为C 3H 8→C 2H 4+CH 4.该反应在772℃等温条件下进行,其动力学方程式为-dP A /dt=kP A ,忽略存在的副反应,并已知k=0.4h -1 反应过程保持恒压0.1MPa.772℃和0.1MPa 下的体积进料量为800L/h,求转化率为0.5时所需的平推流反应器的体积.解: ∵εA =212-=0.5∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf0.4τP =－(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5∴τP =1.5ln 20.250.4-=1.974hV R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 34、[间歇釜变容一级]一级气相反应A →2R+S ,在等温等压间歇实验反应器中进行,原料中含75%A(mol),25%(mol)惰性气体,经8分钟后,其体积增加一倍.求此时达到了多大的转化率? 速率常数多大? 解: 膨胀因子 δA =3-11=2膨胀率 εA =y A0δA =0.75×2=1.5对应转化率X A 的反应体积 V=V 0(1＋εA ΧA ) 所以，ΧA =V V 0A1ε-=2-11.5=66.7%K=1t ㏑11Ax -=18㏑110.667-=0.0735 min -15、[全混流恒容二级反应]在全混流反应器中进行液相均相二级反应:A+B →C,在298K 下的动力学方程式为r A =0.6C A C B mol/(L.min),该反应的进料速率为ν0 =0.018m 3/min.A,B 的初始浓度相同,均为0.1mol/L,要求出口的转化率为90%,求需多大的全混釜? 解:R 0V v =A0Af AC x r =A0Af A BC x kC C =A02Af A C x kC =A0220(1)AfA Af C x kCx -=τmτm =20.90.60.1(10.9)⨯-=150 min∴V R =v 0τm =0.018 m 3/min ×150min=2.7 m 36、[多釜串联液相二级]某一液相反应A+B →R+S,其速率常数k=9.92m 3/(Kmol ·KS),初始浓度为0.08Kmol/m 3，在两个等体积的全混釜中进行反应,最终出口转化率0.875.进料体积流量为0.278m 3/KS .求全混釜的总体积? 解： τ1=10R V v =011A A C C r -=012201(1)A A A A C x kCx -τ2=20R V v =122A A A C C r -=021222()(1)A A A A A C xx kC x--∵ τ1=τ2 两釜相同所以， 121(1)A A x x -=2122(1)AA A xx x--, 而x A2 =0.875整理有 (1-0.875)2x A1=(0.875- x A1)(1- x A1)2试差解得 x A1=0.7251所以，V R1=0012201(1)A A A A v C xkC x ⨯-=20.2780.75219.920.08(10.7521)⨯⨯⨯-=4.16 m 3总反应器体积 V R =2V R1=2×4.16=8.33 m 37.【自催化反应优化】自催化反应 A+R →R+R ，速度方程为-r=kC A C R ，体系总浓度为C 0= C A +C R 。

均相催化反应器随着化学工业的不断发展，催化反应已经成为了化学工业中不可或缺的一部分。

催化反应可以提高反应速率，减少反应温度和压力，降低生产成本，同时还可以提高反应选择性和产物纯度。

而均相催化反应器则是一种在化学反应中广泛应用的重要催化剂。

均相催化反应器是一种将液相催化剂和气相反应物混合在一起的反应器。

在均相催化反应器中，催化剂以溶液或悬浮液的形式存在于反应体系中，与反应物混合并进行反应。

由于均相催化反应器中的催化剂与反应物处于同一相中，因此反应速率更快，反应效率更高，同时还能够减少催化剂的浪费和环境污染。

均相催化反应器的分类根据不同的反应条件和反应体系，均相催化反应器可以分为不同的类型，包括气液相均相催化反应器、液液相均相催化反应器、固液相均相催化反应器等。

其中，气液相均相催化反应器是应用最为广泛的一种反应器，涉及到许多化工领域，例如化学合成、环保、能源等。

气液相均相催化反应器气液相均相催化反应器是一种将气体反应物和液体催化剂混合在一起的反应器。

在气液相均相催化反应器中，气体反应物通常由氧气、氢气、二氧化碳等组成，催化剂则以溶液或悬浮液的形式存在于反应体系中。

气液相均相催化反应器的优点在于反应速率快、反应效率高、反应选择性好。

此外，气液相均相催化反应器还可以减少催化剂的浪费和环境污染，提高反应产物的纯度和质量。

液液相均相催化反应器液液相均相催化反应器是一种将两种液体混合在一起的反应器。

在液液相均相催化反应器中，催化剂和反应物都以液体的形式存在于反应体系中。

液液相均相催化反应器的优点在于反应速率快、反应效率高、反应选择性好。

此外，液液相均相催化反应器还可以减少催化剂的浪费和环境污染，提高反应产物的纯度和质量。

固液相均相催化反应器固液相均相催化反应器是一种将固体催化剂和液体反应物混合在一起的反应器。

在固液相均相催化反应器中，催化剂以固体的形式存在于反应体系中，与液体反应物混合并进行反应。

固液相均相催化反应器的优点在于反应速率快、反应效率高、反应选择性好。

化工原理课程设计说明书设计题目: 均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计。

设计时间： 2011.12.26——2012.01.搅拌装置设计任务书（夹套冷却机械搅拌装置设计）(一)设计题目均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计。

(二)设计任务及操作条件(1)处理能力（140000+500X）m3／a均相液体。

〖注：X代表学号最后两位数〗(2)设备型式机械搅拌夹套冷却装置。

(3)操作条件①均相液温度保持50℃。

②平均停留时间18min。

③需要移走热量105kW。

④采用夹套冷却，冷却水进口温度20℃，冷却水出口温度30℃。

⑤50℃下均相液物性参数：比热容Cp=1 012J／(kg·℃)，导热系数λ=0.622W／(m·℃)，平均密度ρ=930kg／m3，粘度μ＝2.733X10-2Pa·s。

⑥忽略污垢及间壁热阻。

⑦每年按300天，每天24小时连续搅拌。

(三)厂址：柳州地区。

(四)设计项目(1)设计方案简介：对确定的工艺流程及设备进行简要论述。

(2)搅拌器工艺设计计算：确定搅拌功率及夹套传热面积。

(3)搅拌器、搅拌器附件、搅拌槽、夹套等主要结构尺寸设计计算。

(4)主要辅助设备选型：冷却水泵、搅拌电机等。

(5)绘制搅拌器工艺流程图及设备设计条件图。

(6)对本设计评述(五)参考文献一、柴诚敬，张国亮等．化工流体流动与传热．北京：化学工业出版社，2000二、化工设备设计全书编辑委员会．搅拌设备设计．上海：上海科学技术出版社，1985三、王凯，冯连芳．混合设备设计．北京：机械工业出版社，2000目录第一章设计方案简介--------------------------------------------------------51.1 搅拌设备的选型---------------------------------------------------------------------5 1.2 搅拌器的组成及选择---------------------------------------------------------------5 1.3 电动机的选型------------------------------------------------------------------------6 1.4 减速机的选型------------------------------------------------------------------------6 1.5 密封装置的选择---------------------------------------------------------------------6 1.6 物料进口安置------------------------------------------------------------------------7 1.7 夹套进出口装置---------------------------------------------------------------------7 1.8 泵的选择------------------------------------------------------------------------------7 1.9 支座的选择---------------------------------------------------------------------------7 1.10 管子的选择--------------------------------------------------------------------------7 1.11 封头的选择--------------------------------------------------------------------------8第二章工艺流程草图及说明-----------------------------------------------8 第三章工艺计算及主要设备设计-----------------------------------------8 3.1均相液体和冷却水的物性数据----------------------------------------------------83.2搅拌设备的计算及选型-------------------------------------------------------------93.2.1搅拌设备选型---------------------------------------------------------------------------------93.2.2搅拌设备计算---------------------------------------------------------------------------------93.2.2.1搅拌槽的结构设计---------------------------------------------------------------------------------------93.2.2.2搅拌槽的设计计算---------------------------------------------------------------------------------------11 第四章辅助设备的计算和选型-------------------------------------------134.1电动机的选型---------------------------------------------------------------------------14 4.2支座的选择------------------------------------------------------------------------------14 4.3泵的选型---------------------------------------------------------------------------------14 4.3.1输料泵的选型计算-----------------------------------------------------------------------------14 4.3.2冷水泵的选型计算-----------------------------------------------------------------------------16第五章设计结果一览表----------------------------------------------------17第六章附图-------------------------------------------------------------------18第七章设计心得-------------------------------------------------------------18第八章主要符号说明-------------------------------------------------------19第九章参考资料-------------------------------------------------------------19第一章设计方案简介1.1搅拌设备的选型因为该设计所用搅拌设备主要是为了实现物料的均相混合，故可选的搅拌设备类型有：桨式，开启涡轮式，圆盘涡轮式，推进式，框式，螺带式，三叶后掠式等。

第三章理想流动均相反应器设计题解第三章理想流动均相反应器设计题解1、[间歇反应器与全混釜恒容⼀级]有⼀等温操作的间歇反应器进⾏某⼀级液相反应，13分钟后,反应物转化了70%.今拟将此反应转⾄全混流反应器,按达到相同的转化率应保持多⼤的空速?解:㏑CA 0CA =kt, CA0CACA0- =0.7 ， C A =0.3C A0 间歇釜中∴㏑0.3=－13k ， k=0.0926 min-1在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926?=25.2 min -1∴空速S=1τ=125.2=0.0397min -12、[平推流恒容⼀级]有⼀个活塞流管式反应器于555K,0.3MPa 压⼒下进⾏A →P ⽓相反应,已知进料中含30%A(mol)，其余70%为惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动⼒学⽅程为r A =0.27C Amol/m 3·s,要求达到95%转化.试求⑴所需的空时? ⑵反应器容积?解: τP =VR V0=1k ㏑CA 0CA =1k ㏑PA0PA =1k ㏑A0Ay y =1k ㏑11Ax -=10.27㏑110.95-=11.1 S∴V R =τP ·v 0=τP 00A A FC⽽C A0=A P RT=30.30.082555??=0.0198mol/L=19.8mol/m 3V R =11.1s ×36.3/19.8/mol s mol m =3.53m 33、[平推流变容过程⼀级]有⼀纯丙烷裂解反应⽅程式为C 3H 8→C 2H 4+CH 4.该反应在772℃等温条件下进⾏,其动⼒学⽅程式为-dP A /dt=kP A ,忽略存在的副反应,并已知k=0.4h -1 反应过程保持恒压0.1MPa.772℃和0.1MPa 下的体积进料量为800L/h,求转化率为0.5时所需的平推流反应器的体积.解: ∵εA =212-=0.5∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf0.4τP =－(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5∴τP =1.5ln 20.250.4-=1.974hV R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 34、[间歇釜变容⼀级]⼀级⽓相反应A →2R+S ,在等温等压间歇实验反应器中进⾏,原料中含75%A(mol),25%(mol)惰性⽓体,经8分钟后,其体积增加⼀倍.求此时达到了多⼤的转化率? 速率常数多⼤? 解: 膨胀因⼦δA =3-11=2膨胀率εA =y A0δA =0.75×2=1.5对应转化率X A 的反应体积 V=V 0(1＋εA ΧA ) 所以，ΧA =V V 0A1ε-=2-11.5=66.7%K=1t ㏑11Ax -=18㏑110.667-=0.0735 min -15、[全混流恒容⼆级反应]在全混流反应器中进⾏液相均相⼆级反应:A+B →C,在298K 下的动⼒学⽅程式为r A =0.6C A C B mol/(L.min),该反应的进料速率为ν0 =0.018m 3/min.A,B 的初始浓度相同,均为0.1mol/L,要求出⼝的转化率为90%,求需多⼤的全混釜? 解:R 0V v =A0Af AC x r =A0Af A BC x kC C =A02Af A C x kC =A0220(1)AfA Af C x kCx -=τmτm =20.90.60.1(10.9)?-=150 min∴V R =v 0τm =0.018 m 3/mi n ×150min=2.7 m 36、[多釜串联液相⼆级]某⼀液相反应A+B →R+S,其速率常数k=9.92m 3/(Kmol ·KS),初始浓度为0.08Kmol/m 3，在两个等体积的全混釜中进⾏反应,最终出⼝转化率0.875.进料体积流量为0.278m 3 /KS .求全混釜的总体积? 解：τ1=10R V v =011A A C C r -=012201(1)A A A A C x kCx -τ2=20R V v =122A A A C C r -=021222()(1)A A A A A C xx kC x--∵τ1=τ2 两釜相同所以， 121(1)A A x x -=2122(1)AA A xx x--, ⽽x A2 =0.875整理有 (1-0.875)2x A1=(0.875- x A1)(1- x A1)2试差解得 x A1=0.7251所以，V R1=0012201(1)A A A A v C xkC x ?-=20.2780.75219.920.08(10.7521)-=4.16 m 3总反应器体积 V R =2V R1=2×4.16=8.33 m 37.【⾃催化反应优化】⾃催化反应 A+R →R+R ，速度⽅程为-r=kC A C R ，体系总浓度为C 0= C A +C R 。