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工业反应过程分析导论-绪论讲义

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第四章 工业化学反应过程 及反应器
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反

催化反应工程华东理工大学工业反应过程分析导论1ppt课件

催化反应工程华东理工大学工业反应过程分析导论1ppt课件

平行射线投影法
反应过程分析
虚拟直线反应轨迹可用平行射线投影法求得。平行 射线投影法是将衰减的组成向量，用平行于射线向量Xr 的平行向量投影到〔1，1，1〕平面上，得到虚拟直线反 应轨迹，如图1－12所示。
虚拟组成向量
反应过程分析
采用平行射线方法，组 成向量 a(t)可用如下方程转化为
（1，1，1）平面上的虚拟组成向 量 aˆ(t )：
速率常数矩阵
反应过程分析
da 1
dt da 2 dt da 3 dt
(k 21 k 21 k 31
k 31
)
k12 (k12 k32 )
k 32
k13
a1
k 23 a 2
( k13 k 23 ) a 3
列矩阵
a a
1 2
为组成向量，可用
a 3
用公式求逆矩阵利用线性代数方法即可矩阵于是求得的特征向量关系求出另一个特征向类似的方法用正交进而可采用可逆系统求出的利用迹求出一个特征向量通过求虚拟直线反应轨33第20页共23页特征根比可求出相对速率常数矩再用矩阵从而求得相对特征根率分别得两根直线直线的斜等号两边取对数作图得两个方程
反应过程分析
八 多重反应体系动力学
c3
e3
1
1t
c32e32t
其中c、λ为与速率常数有关的常参数。
在上述三组元系统中，有15个待定的c、λ参数，需要大 量的试验数据才能进行拟合，拟合的结果仍不准确，而 且不能外推到其它初始组成的反应浓度。
由于速率常数k和c、λ之间无明确的关系，所以即使求 得c、λ再求k也不能求出。
如果按式〔1〕由纯组分i生成各组分j 的初速来求k，则 也因为转化率低使分析误差较大，而无法正确求取k。

化学反应工程课件1绪论

化学反应工程课件1绪论

搅拌釜式反应器
10
邻二甲苯气 液 塔 式 反 应 器
12
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
13
化学反应工程的基本研究方法
• 化学反应工程的基本研究方法是数学模 型法。数学模型法是对复杂的难以用数 学全面描述的客观实体，人为地做某些 假定，设想出一个简化模型，并通过对 简化模型的数学求解，达到利用简单数 学方程描述复杂物理过程的目的。
14
数学模型法
• 1．建立简化物理模型 • 对复杂客观实体，在深入了解基础上，
进行合理简化，设想一个物理过程(模型) 代替实际过程。简化必须合理，即简化 模型必须反映客观实体，便于数学描述 和适用。
15
• 2．建立数学模型 • 依照物理模型和相关的已知原理，写出
描述物理模型的数学方程及其初始和边 界条件。 • 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律
间
7
• 四、按传热条件分类，分为 • 1． 等温反应器，整个反应器维持恒温，
这对传热要求很高。 • 2． 绝热反应器，反应器与外界没有热量
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
8
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
9
后，经过一定时间的反应再取出的操作 方法。 • 2 ．连续操作，指反应物料连续地通过反 应器的操作方式。 • 3 ．半连续操作，指反应器中的物料，有 一些是分批地加入或取出，而另一些则 是连续流动通过反应器。
6
• 三、按反应器型式来分类，分为 • 1． 管式反应器，一般长径比大于30 • 2． 槽式反应器，一般高径比为1—3 • 3． 塔式反应器，一般高径比在3—30之
4

催化反应工程(华东理工大学) 工业反应过程分析导论(1)

催化反应工程(华东理工大学) 工业反应过程分析导论(1)

Si
反应过程分析
（三）气固催化反应控制步骤 kg、(Se)、ks、(Si)、ζ 的值不同，则 过程控制而具有不同特征 1. 反应(动力学)控制
1 1 k g Se k s Si ，ζ →1，(kg>>ks)
CAg≈CAS≈CAC>>CA*， rA＝ksSi [CAg (CAS)－CA*]
2. 内扩散控制 ζ
反应过程分析
3. 内表面利用率(内扩散效率因子) ζ 由于内扩，CA↓，rA↓； 由于平衡Δ CA↓，rA↓，S内未全利用，故有ζ
k f ( C ) dS s A 实际反应量 0 按C AS，Si 计的反应量 k s f (C AS ) Si
ζ =1，(化学动力学)本征过程，CA=CAS 一般：0<ζ <1，CA<CAS， 内扩散影响严重(CAc<<CAS，ζ <<1)
反应过程分析
第六章 气固相催化反应 和反应器
一 二 三 四 五 传递过程与宏观动力学 粒内传质与ζ 粒外传质与η 多段换热式催化反应器 连续换热式催化反应器
反应过程分析
一 传递过程与宏观动力学
（一）气－固相催化反应过程剖析 过程分析与浓度分布(深入颗粒内部分析) 1. 过程历程：
1) 外扩散 ( 2 )内扩散 固 体 外 表 C A S 颗 粒内 部 气 流 主 体 C A g ( ( 3)吸附 ( 4 ) 反应 ( 5 ) 脱附 活性中心(A ) 活性中心(B ) 颗粒内 5 )内扩 (7 ) 外扩 固体外表 C B S 气流主体 C B g。 部 C B ( 宏观过程：外扩((1) 、(7))+ 内扩((2) 、(6))+ 反应 ((3) 、(4) 、(5)) 或外扩散＋( 内扩散/ 反应) ＋外扩散

化工基础理论第6章 工业化学反应过程及反应器

化工基础理论第6章 工业化学反应过程及反应器

对于任一反应器，其物料衡算表达式为：
引入速率=引出速率+反应消耗速率+积累速率
(6-1)
根据反应器的操作方法不同，上式可简化为下列两种情况。
①间歇操作
反应消耗反应物的速率+反应物积累速率= 0
(6-2)
②连续稳定操作
引入速率=引出速率+反应消耗速率
(6-3)
反应器中的物料衡算，往往选定某一组分为基准。而衡算范围要
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。即使在强烈搅拌存在下，当反应器 的体积比较大时，搅拌的效果也达不到实验室那样的 理想状况；
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。如放热反应，在实验室 可以比较容易地通过冷却、水浴等手段使反应体系的热量 移出，从而保持温度恒定且处处相等；而生产规模时，通 过换热方式移走放出的热量，反应体系内部仍存在较大的 温度梯度，反应只能控制在相对的一个温度范围内进行。 由此，致使工业反应器内的浓度也表现出非均匀性；
⑥鼓泡床反应器 这是一种塔式结构的气一液反应器，在充满液体的床层中， 气体鼓泡通过，气液两相进行反应，如乙醛氧化制醋酸。
工业反应器型式各异，其中进行的反应更是多种多样， 限于篇幅，本章主要讨论恒温的均相反应器的特点、设计、 优化及选型等问题，并对工业中常用的非均相反应器一气 固相催化反应器的结构、特征及选择进行简介。
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 备内的反应-传递藕合规律，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，以实现反应过程的最优操作和 控制。

工业化学反应过程及反应器.ppt

工业化学反应过程及反应器.ppt
宏观动力学方程：未排除传递过程影响直接测得的动力学方程。 本征动力学方程：排除传递过程的影响而得到的动力学方程。
在化学反应工程的研究中，要求能把反应过程本身的规律和物理 因素的影响区分开来。在设计反应器时，测定化学反应的本征动 力学方程是必要的条件。
注意：在实验室中测定反应速率方程式时，要十分注意排除传 递过程（主要是传热和传质）的影响。
ri
1 V
dni dt
[mol /(m3 s)]
化学反应速率
2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动 状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统中 的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而变 化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，对连 续系统，物系中各参数是空间位置的函数。
连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物 或产物的摩尔流量的变化。即：
ri
dqn,i dVR
[mol /(m3 s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积；
理想反应器及其 设计计算
理想流动和理想反应器
在连续操作的反应器中，流体流动的两种极端情况：
理想排挤：当物料在反应器内流动通过时，沿着物料 的流动方向（轴向），由于发生了化学反应，物料的 浓度，流速,转化率等都随着轴向距离的延伸不断地发 生变化，但在不同截面上并没有任何物料的混合；而 在与流动方向垂直的截面上（径向），各质点的流速 完全相同、温度均匀、浓度均匀、流速相等，即径向 混合均匀。也叫做平推流或活塞流。
是固定反应器的一种，但反应物还包括 气液两种
应用范围 多用于均相反应过
程 均相、多相反应过 程均可
用于多相反应过程
用于多相反应系统

工业反应过程

工业反应过程





空间混合的程度越高，物质在空间的传递越快， 流体的对流传热越好，反应器内各位置的浓度、 温度的差异越小。 返混的程度越大，产物对反应物的冲稀作用越 显著，因而显著地降低了反应物浓度。 一般来说，返混是一个有害的因素，因为它改 变了反应器内的浓度分布，造成停留时间分布， 影响了反应器的生产能力。 对某些复杂反应，返混可使选择性提高。 返混是连续操作反应器中存在的一个重要的工 程因素，它不仅对反应过程产生影响，而且给 反应器的放大设计带来很大的困难。因此必须 充分考虑这个因素的影响。
第六章

工业化学反应过程及反应器
6.1概述 6.2理想反应器的计算 6.3理想反应器的评比与选择 6.4非理想流动 6.5气固相催化反应器
1、工业化学反应过程的特征
工业化学反应过程与实验室化学反
应的区别: 实验室中所遇到的化学反应基 本上都属于或近似可看作理想条件 下的反应过程,一个化学反应在实验 室或小规模进行时，可以达到相对 比较高的转化率或产率，但在大规 模的工业反应器中进行、维持相同 反应条件时，所得转化率却往往低 于实验室结果。

（3）反应器体积的比较 ①间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器 这两种反应器在构造上和物料流况上都 不相同，但它们却具有相同的反应时间 或（有效）体积计算式。 两反应器中浓度的变化相同，间歇搅拌 釜式反应器内浓度随时间改变，活塞流 反应器内的浓度则随空间位置（管长） 而改变，两者反应推动力分布一样、反 应速率相同。因此，相同生产条件下， 完成一定的任务，所需反应时间或（有 效）体积相同。

1、理想反应器的评比 （l）流动混合情况

（2）连续理想反应器的推动力比较
（3）反应器体积的比较 2、理想反应器的选择 （1）收率与选择性 （2）平行反应 （3）连串反应

最新2019-催化反应工程华东理工大学工业反应过程分析导论0-PPT课件

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反应过程分析
反应过程分析
三相床中颗粒催化剂上反应过程为
1)气相反应物从气相主体扩散到气—液界面的传递过程; 2)气相反应物从气—液界面扩散到液相主体的传递过程; 3)气相反应物从液相主体扩散到颗粒外表面的传质过程; 4)颗粒催化剂内同时进行反应和内扩散的宏观反应过程; 5)产物从催化剂颗粒外表面扩散到液相主体的传质过程; 6)产物从液相主体扩散到气—液界面的传质过程; 7)产物从气—液界面扩散到气相主体的传质过程;
k ke 1 e C k kBS AS TC Ag
kTCAgCBL keCAS
r k S C C k S C C B , g e e AS BS T e Ag BL
CBS
反应过程分析
三 床层宏观动力学
1 一般情况下 kAg→∞，→
但是kAL，kAS必须考虑。 整个床层的宏观动力学。
反应过程分析
第七章 气—液—固三相反应器
§1
§2
气液固三相反应 三相催化反应器
反应过程分析
§1
气—液—固三相反应
气—液—固三相催化反应,固相为催化剂.
1) 固定床气—液—固反应器 涓流床反应器 不同的流向 2) 悬浮床气—液—固反应器 a)机械搅拌式反应器 c)三相流化床反应器 d)三相携带床 e)内环流反应器 b)鼓泡反应器
k S C C k S C C AS e AL AS e e AS BS
r k S C C k S C C B , g BS e BL BS e e A BS S
r r k S C C A , g B , g T e Ag BL

反应过程分析
S K 1S 1 1 1 e e GL K GL k k k C T S L AgS Lk AL ASk e BS

工业分析化学绪论PPT文档共24页

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四、 工业分析的发展
随着科学技术水平的提高，工业分析将向着准 确、高速、自动化、在线分析以及与计算机结合以 实现过程质量控制分析的方向发展。
学习要求 一、注意理论联系实际，掌握工业分析的基 本知识； 二、通过单项实验—综合实验—设计实验
的实践环节培养自己观察、分析问题的能 力及综合素质的 提高； 三、积极参加开放实验，使自己得到全方位 的科学素养训练 —思维方式和研究方法 ，以论文的形式写出实验报告； 四、通过听课、专家讲座、查阅资料完成专题性的综述。
•
网上资源
• 可以了解各种工业分析仪器性能和市场信息， 学习各类仪器的分析方法，查阅多种相关期刊 。
• 仪器信息网 ： • instrument/ • 计量仪器信息网： • chinameasure/show/index.asp • 中国科学器材网： • sciequip/ • 中国化学化工网： • sinocnet/
三、 工业分析的方法
1、方法分类： 按照原理、任务、对象、要求等分类。
快速分析法Fast analytical method：
快
主要用以控制生产工艺过程中最关键的阶段，要求能迅
速得到分析结果，而对准确度则允许在符合生产要求的限
度内适当降低，此法多用于车间生产控制分析。
பைடு நூலகம்
准
标准分析法Standard analytical method：
标准分析法是用来测定生产原料及其产品的化学组 成，并以此作工艺计算、财务核算和评定产品质量的 依据，所以此法必须准确度高，完成分析的时间可适 当长些。此项工作通常在中心试验室进行。该类方法 也可用于验证分析和仲裁分析。 允许误差：
或允许差又称公差，允许误差是指某一分析方法所 允许的平行测定值间的绝对偏差。标准分析法都注有 允许误差，允许误差是根据特定的分析方法统计出来 的，它仅反映本方法的精确度，而不适用于另一种方 法。一般工业分析只做两次平行测定，若两次平行测 定的绝对偏差超出允许差，称为超差，则必须重新测 定。

《化工反应原理与设备》课件—01绪论

《化工反应原理与设备》课件—01绪论

内
容
反应器的操作
化工反应原理与设备与相邻学科的关系
传递工程
流体流动
传质与传热
学化
物 理 化 学
热学 力动 学力
学
化学反应 工程
化
测
态 特 性
量 与 控 制
工 程 控 制
动
工艺路线
催化剂 反应条件
流程、设备
最佳化
化学工艺
化工反应原理与设备的研究方法
数学模型法
１模型方法：建立简化物理模型，建立数学模型 讨论特性规律
反应速率与影响反应 速率的影响因素之 间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程 非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:某一时刻单位量的反应体系中反应程度随时间 的变化率。或单位时间单位体积物料数量的变化。
反应速率
变化量
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
nt= ∑ ni = nA +nB+ nR+ ns
反应器计算中常用的几个物理量
3、膨胀因子和膨胀率
生
nA
nA0
A ( A )
nA0 xA
nB
nB0
B ( A)
nA0 xA
产
中 的 三
nR
nR0
R ( A )
nA0 xA
nS
nS 0
S ( Aபைடு நூலகம்
)
nA0
x
A
率
nt
nt 0
( A
B R ( A )
S ) nA0 xA
当且仅当基元反应时，反应级数=化学计量系数总反
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反应物流和烟道气之 间的总传热系数 K 是否必 须准确测定？
文献报道：K=15~30kcal/(m2·℃·hr)
取 K=20 kcal/(m2·℃·hr)进行设计计算，得
x=70%
β=96.2%
若实际上，K=15 kcal/(m2·℃·hr)，得
x=62.5%
β=96.7%
若实际上，K=30 kcal/(m2·℃·hr)，得
合理简化是数学模型方法的核心。其特点为：
（1） 先于数学描述 （2） 对过程物理实质进行概括和抽象 （3） 某一方面和实际过程具有等效性
固定床的流动
d 2C dc De u (r) 0
dz2 dz
dP (1 ) u2
f
dz
3 dP
难以获得模型参数(如：De)的准确数值是 数学模型方法应用的难点。
1920年，美国麻省理工学院化学工程系脱离化学系成为一 个独立的系，由W.K. Lewis任系主任，这是世界上第一个 化工系。1920年夏天，麻省理工学院的W. K. Lewis, W. H. McAdams 完成了“化工原理”讲稿，并于1923年正式出 版，这本著作首次提出了因次分析、相似论等概念，标志 着学科理论已达到一定的深度。
化学工程传统方法： 相似方法与因次分析方法 缺陷：已经证明不可能同时满足物理相似
和化学相似，经验归纳不适合化学反应工程
反应工程研究方法 数学模型方法—立足于对过程的深刻理解 →分解简化→定性定量描述；
工作重点是充分剖析过程特征， 探索规律，建立模型，确定模型参数
数学模型方法的特征
广义地说，数学模型方法就是用一组数学方程式 去描述所研究的过程中有关参数和变量间的相互关 系，并通过方程组的求解对过程的特性进行分析。
等效性是相对的。简化程度不同，模型参 数数目不同，所得模型的等效性也不同，可根 据应用目的和所具备的技术条件进行选择。在 满足应有需求的条件下，模型应尽可能简单。
乙苯脱氢列管式固定床反应器的设计
乙苯脱氢是一吸热可 逆反应，除主产物苯乙烯， 还会生成苯、甲苯等副产 物，反应结果可用转化率、 选择性二指标衡量。
化学反应工程的研究核心：
工程因素→对反应的影响（ x、 ）
•有无影响？ •影响多大？ •如何改善或利用？
•反应与传递的相互作用
传递过程 (宏观因素、 工程因素)
返混 微观混合 内外扩散 传热 …
浓度分布、温度分布
化学反应 (微观因素)
化学计量学 化学热力学 化学动力学
反应结果
反应体系的特性
• (1)化学计量学 简单反应还是复杂反应； 主反应和副反应间的关系；每一反应中 各组分变化量之间的相互关系 (2) 化学热力学 反应过程中的能量转化； 反应体系的平衡性质
1961年O.Levenspiel出版第一本反应工程教材。
1. 化学反应工程研究对象与目的 工业反应过程的优化
对象—工业反应过程、工业反应器 目的—优化
优化—在一定范围 内（约束条件）选 择一组合适的变量， 使系统对评价标准 （优化指标）达到 最优。
优化类型
设计型 操作型
约束条件
予处理，后处理能力等
建立数学模型的三种途径
如实描述 （1）
实际过程
简化
数学描述
物理模型
数学方程
（2）
经验关联（3）
狭义的数学模型方法：在深入研究过程的本质特 征后，设法对复杂的实际过程进行必要的合理的简 化，在此基础上重新勾画过程的物理图像，即建立物 理模型（可包含化学反应），然后对此物理模型进行 数学描述，得到过程中各参数和变量间的相互关系。
•反应类型——简单、复杂反应 包括 •浓度效应——反应级数
•温度效应——反应活化能
工程因素 •流体流动 •质量传递 对反应过程的影响 •热量传递
工程因素
反应场所
C、T
反应结果
物理因素
化学因素
化学反应工程的研究内容： •反应→动力学 •反应+流体流动→返混 •反应+传质→效率 •反应+传热→热稳定性、灵敏度 物理化学与化工原理的 “结合”
上下游约束
技术约束
安全、材料等
结构变量—结构、型式、尺寸
决
策 变
操作方式—连续性、加料方式
量
工艺条件—T、C、t、Sv、ug等
常用工业反应器类型
气相—管式反应器
均相
液相—管式、釜式、塔式 气固相—固定床、流化床、 移动床 非均相 气液相—搅拌釜式、塔式 气液固—涓流床、淤浆床
优化指标
经济指标 技术指标
1913年，哈伯－博施法高压合成氨装置成功建成。 1920年，从炼厂气中分离的丙烯合成出异丙醇。 1923年，费－托合成成功。 …… 1957年第一届欧洲化学反应工程学术会议（阿姆斯特丹） 化学反应工程二级学科诞生；化学工艺的发展，特别是石 油化工的发展和生产的大型化，对反应过程的开发与反应 装置的可靠性提出了更高要求，孕育了反应工程的诞生。
(3) 反应动力学 研究化学反应进行的速率以及 温度、浓度等因素对反应速率的影响
（4）反应物和生成物的物化性质;对人体是否有 毒，是否为易燃、易爆物
（5）催化剂的特性 ，除动力学特性外，还应了 解催化剂的使用温度范围，可能导致催化剂失活 的毒物或污染物，催化剂的使用寿命、操作周期 和再生方法
3. 化学反应工程研究方法
绪论
引言
化学转化
化学反应 化学脱除 获得能量
工业反 应过程
原料 予处理
化学 反应
产物 后处理
核心：化学反应器—进行化学反应的场所
化工过程设计的洋葱模型
反应器 分离与再循环系统
换热网络 公用工程
历史沿革： 1901年，英国的G.E.戴维斯出版了第一本化学工程专著 “化学工程手册”，首先提出了单元操作的概念，标志了 化学工程一级学科诞生。
反应速率—反应器大小
技
术 指
选择性—原料消耗，成本
标
能耗—操作费用
转化率 x、选择性 、收率
2. 化学反应工程研究内容与任务化学过程—Biblioteka 化学因素工动力学因素
业
化
学 过
物理过程——工程因素
程
宏观动力学因素
化学因素
—温度、浓度等操作条件对反应过程的影响 —着重研究反应选择性(本质上是研究速率) —化学因素(反应规律)
x=79%
β=95.3%
K 必须准确测定？有无调节措施？
可调节烟道气温度！
K=15 kcal/(m2·℃·hr)，Tg 升至 786.6℃，得
x=70%
β=96.1%
K=30 kcal/(m2·℃·hr)，Tg 降至 715.7℃，得