【正文】 對(duì)液相，由氣液兩相的物料平衡： 液相連續(xù)： ——?dú)庀酀舛扰c液相轉(zhuǎn)化率的關(guān)系 液相間歇：這時(shí) （氣體出口濃度）隨 而變化， 要利用 與 之間的變化關(guān)系， 對(duì)氣相： 一． 理想模型： 1．連續(xù)操作： 氣 鼓泡塔的特點(diǎn)： 1）相界面為通過塔的氣泡表面組成； 2）氣液混合為氣泡運(yùn)動(dòng)所致，液相返混較大； 注意：某一截面的反應(yīng)發(fā)生在何處，應(yīng)該用該截面處的 判別， 2．快速一級(jí)（或擬一級(jí)）反應(yīng)： 1）一級(jí)反應(yīng)或 不變的擬一級(jí)反應(yīng) 2） 變化的擬一級(jí)反應(yīng) 由于填料塔僅適用于瞬間、快速反應(yīng)，故這里僅討論相應(yīng)的結(jié)果。 與平推流反應(yīng)器計(jì)算式形式一致 根據(jù)各種不同狀態(tài)的宏觀動(dòng)力學(xué)表達(dá)式 ，可求得填料塔之高。被認(rèn)為是單位能耗所取得傳質(zhì)效果最好的一類反應(yīng)器，且流行穩(wěn)定，利于放大。如連串反應(yīng)，中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)物時(shí)，為避免主副反應(yīng)同時(shí)在膜內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)選用 ，使副反應(yīng)或主副反應(yīng)移到液相主體中進(jìn)行。半連續(xù)操作的機(jī)械攪拌鼓泡釜?jiǎng)t液相不流動(dòng)，濃度分布均一，氣相全混流或平推流 。 從反應(yīng)體系看：物性為HA，DLA， DGA 反應(yīng)性能如反應(yīng)速率常數(shù)k 操作條件如PAG，CBL，T等 將影響反應(yīng)發(fā)生的場所（液膜、液相主體和相界面）和反應(yīng)過程主要阻力所在。表中值適用于流體性質(zhì)與空氣和水差別不大、液體不起泡的情況。由于氣液逆流接觸，氣體要穿過各塔板上的液層，所以壓降大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 三． 板式塔 軸向返混可以忽略，故液相轉(zhuǎn)化率高。 氣液反應(yīng)器 氣液反應(yīng)器常見氣液反應(yīng)器的特點(diǎn)：一． 填料塔 2）為使標(biāo)繪盡可能精確些，要求 的變化范圍大。 在此轉(zhuǎn)速以上，釜內(nèi)氣、液都趨于完全混合，傳質(zhì)系數(shù)主要受攪拌速度所支配，氣速大小已無直接影響。 （1）與本征動(dòng)力學(xué)型式有關(guān)，即與 有關(guān)，對(duì)溫度敏感； （2） ，與VL無關(guān)； （3） 一級(jí)與 kLA 無關(guān)，二級(jí)與 kLA 有關(guān)。 宏觀動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究 一. 宏觀動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)判別 1．不同狀態(tài)的宏觀動(dòng)力學(xué)特征 一般表達(dá)式： 1） 瞬間不可逆反應(yīng)： a) 反應(yīng)面在液膜內(nèi)： (RA)宏=(RA)本= kCAL 擬一級(jí)反應(yīng)，（RA）=kCA.，擴(kuò)散－反應(yīng)方程式仍為： 對(duì)該微層作A組分的物衡：在定常態(tài)下：擴(kuò)散進(jìn)入的量擴(kuò)散出去的量=反應(yīng)掉的量（二）各種情況下的A、B組分濃度分布和宏觀反應(yīng)速率瞬間不可逆反應(yīng)A 反應(yīng)面在液膜內(nèi)：（1）本征反應(yīng)速率〉〉擴(kuò)散速率（2）A,B組分不共存；（3）反應(yīng)發(fā)生在液膜內(nèi)的某一個(gè)面上。目前應(yīng)用廣泛的是填料塔、噴霧塔、鼓泡塔。B 有機(jī)合成反應(yīng)：氧化反應(yīng)；氯化反應(yīng)： C 生化反應(yīng)：如好氧發(fā)酵。b、流體導(dǎo)熱系數(shù)（與流體導(dǎo)熱系數(shù)的n次方成正比）c、（床層直徑、床層內(nèi)管子直徑，管子位置，橫向擋板。三、流化床中的傳熱和傳質(zhì)流化床的傳熱主要包括：（1）顆粒之間的傳熱；導(dǎo)熱系數(shù)較大 （2）氣體與顆粒之間傳熱，主要以對(duì)流方式進(jìn)行，主要在氣體分布板極短區(qū)域上才存在誤差。氣泡暈與氣泡體積之比為：（4）氣泡所占床層的體積分率，則：（5）固體顆粒的分布?xì)馀葜校汉苄。?~；氣泡暈中：乳相： 公式7132流化床中的乳相固體顆粒和在粒子間流動(dòng)的氣體組成?？珊戏Q為泡暈。在氣泡上升途中，不斷有一部分粒子離開這一區(qū)域，另一部分粒子又補(bǔ)充進(jìn)去?？梢娦☆w粒的流化床具有較寬的適應(yīng)范圍及操作靈活性，使用大顆粒的操作線速范圍較窄。（2）粒子帶出速度當(dāng)流化床中氣流速度大于固體粒子在靜止氣流中的沉降速度時(shí)，粒子將被帶出床層，這個(gè)速度即為帶出速度。臨界流化點(diǎn)為固定床與流化床的分界點(diǎn)。床層內(nèi)的顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)。散式流態(tài)化(膨脹床)：對(duì)于液固系統(tǒng)，由于流體與固體粒子密度相差不大，床層膨脹均勻且波動(dòng)較小。流化床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：在流化床中，固體粒子可以象流體一樣進(jìn)行流動(dòng)，這種現(xiàn)象就是所謂的流態(tài)化。 數(shù)學(xué)模型的建立由于生產(chǎn)中固定床反應(yīng)器一般均為圓柱形而且是軸對(duì)稱的，可用徑向及軸向這二維來加以描述。缺點(diǎn)：前期升溫較慢。比較3條曲線，發(fā)現(xiàn)無論哪條，在反應(yīng)初期離最佳溫度線較遠(yuǎn)，但對(duì)反應(yīng)過程不會(huì)造成很大影響，因反應(yīng)初期速率較大，因而此時(shí)偏離造成的影響遠(yuǎn)小于中后期；評(píng)價(jià)TX曲線的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)主要看中后期接近最佳溫度線的程度，可見DEF優(yōu)于ABD。 開始： 與流化床相比,具有:催化劑磨損小,返混小,催化劑生產(chǎn)能力高，放大容易。載熱體在殼程的流動(dòng)循環(huán)方式有沸騰式、外加循環(huán)泵的強(qiáng)制循環(huán)式和內(nèi)部循環(huán)等幾種形式。五、換熱式固定床反應(yīng)器換熱式反應(yīng)器,又稱非絕熱變溫反應(yīng)器,其結(jié)構(gòu)大部分類似于列式換熱器。既然段數(shù)有限,原料組成一定時(shí),為了達(dá)到所要求的最終轉(zhuǎn)化率,當(dāng)?shù)谝欢蔚倪M(jìn)口轉(zhuǎn)化率和最后一段出口轉(zhuǎn)化率一定外，其余各段進(jìn)出口轉(zhuǎn)化率和溫度可以有多種配置方案,需要作一最佳的選擇, 使總的催化劑用量最少。 多段絕熱式按換熱方式不同,可分為:間接換熱式；直接換熱式（原料氣冷激；非原料氣冷激） 單層絕熱式單段絕熱反應(yīng)器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，空間利用率高，造價(jià)低。但是隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，放出的熱量逐漸增多，反應(yīng)物系的溫度趨勢是升高的，因此要使反應(yīng)沿著最佳溫度進(jìn)行就必須不斷從催化劑中移出熱量。以A+B=R+S反應(yīng)為例。徑向混合有效彌散系數(shù)Er及軸向混合有效彌散系數(shù)Ez。因此．若只需要計(jì)算固定床與外界換熱所需的傳熱面積時(shí)，將床層的徑向傳熱與通過床層內(nèi)壁的滯流邊界層的傳熱合并成整個(gè)固定床對(duì)壁的傳熱。圖5—24(b)指出熱流3和4是并聯(lián)的．并且與熱流5串聯(lián)，再與熱流6并聯(lián)．并組成靜止流體有效導(dǎo)熱系數(shù)．最后其和流動(dòng)流體徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)并聯(lián)組成整個(gè)固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)。這就是有流體通過的固定床與外界進(jìn)行換熱的問題。流體的質(zhì)量流率和床層的高度及流通截面積是密切聯(lián)系的。（2）壓力降計(jì)算計(jì)算單相流體通過固定床壓力降的方法很多，其中有許多都是利用流體在空?qǐng)A管中流動(dòng)時(shí)的壓力降公式，加以合理地修改而成。二、床層壓降流動(dòng)特性流體在固定床中的流動(dòng)比在空管內(nèi)的情況要復(fù)雜得多。將混合顆粒用標(biāo)準(zhǔn)篩組進(jìn)行篩析，分別稱量留在各號(hào)篩上的顆粒質(zhì)量，然后根據(jù)顆粒的總質(zhì)量分別算出各種顆粒所占的分串。 固定床中的傳遞過程一、顆粒層的若干物性參數(shù)顆粒密度顆粒密度 顆粒重量/顆粒表體積（包括孔體積）真密度 顆粒重量/顆粒真實(shí)體積（去除孔體積）床層密度 粒子質(zhì)量/床層體積固體顆粒的相當(dāng)直徑及形狀系數(shù)(1) 固體顆粒的相當(dāng)直徑非中空固體顆粒的相當(dāng)直徑可以用許多不同的方法來表示。措施：在進(jìn)口處安裝篩網(wǎng)、多孔板、擋板和裝填惰性填料等。徑向反應(yīng)器：徑向流動(dòng)催化床中氣體在垂直于反應(yīng)器軸的各個(gè)橫截而上沿半徑方向流動(dòng)，如圖4—11所示。d、 應(yīng)用舉例（見186頁，圖613）a、 乙炔法合成氯乙烯b、 萘氧化 同時(shí)用空氣與熔鹽帶走反應(yīng)熱c、 乙苯脫氫制苯乙烯 用煙道氣提供反應(yīng)熱。 多段式絕熱床反應(yīng)器（見p185）（間接換熱、原料冷激、非原料冷激） a． 兩絕熱反應(yīng)器串聯(lián)，中間加一換熱器。B、催化劑的更換必須停產(chǎn)進(jìn)行。包括以下內(nèi)容：物料衡算輸入=輸出+反應(yīng)消耗+累積熱量衡算式輸入=輸出+反應(yīng)熱+傳給外界的+累積動(dòng)量衡算式輸入動(dòng)量=輸出動(dòng)量+動(dòng)量損失動(dòng)力學(xué)方程式前面3個(gè)方程均含有反應(yīng)速率項(xiàng)，當(dāng)物理過程對(duì)反應(yīng)無影響時(shí)，采用本征反應(yīng)速率式；若有影響時(shí)，采用宏觀反應(yīng)速率式。半連續(xù)式 非穩(wěn)態(tài)連續(xù)式 穩(wěn)態(tài)三、反應(yīng)器設(shè)計(jì)放大方法經(jīng)驗(yàn)法、相似法、本法的基礎(chǔ)是將質(zhì)量、動(dòng)量與能量守恒法則應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)并推導(dǎo)出若干無量綱數(shù)群．為了演示這一方法的原理，作了如下的簡化假定， (1)著眼的反應(yīng)是d*2B類型的氣相一級(jí)反應(yīng)， (2)守恒法則的分析都以半徑為R、長度為l的圓柱形反應(yīng)器的單位體積作為基準(zhǔn)； (3)定常狀態(tài)，即沒有質(zhì)量、動(dòng)量及能量的積累。（2）可用于氣液、液固、氣液固催化或非催化反應(yīng)；固相加工。研究內(nèi)容及目標(biāo)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：選擇反應(yīng)器形式的選擇和操作方法、然后根據(jù)反應(yīng)和物料的特點(diǎn)，計(jì)算所需要的加料速度、操作條件（溫度、壓力、組成）以及反應(yīng)器體積，并以此確定反應(yīng)器的尺寸，同時(shí)還應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)效益和物環(huán)保等方面的要求?；瘜W(xué)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)教學(xué)講義第一節(jié)、緒論一、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要性、目標(biāo)及任務(wù)重要性我們知道，化學(xué)反應(yīng)是反應(yīng)過程的主體，而反應(yīng)裝置是實(shí)現(xiàn)這種反應(yīng)的客觀環(huán)境。研究反應(yīng)器內(nèi)這些因素的影響規(guī)律，探求反應(yīng)器的最大優(yōu)化和操作時(shí)的最佳工況，獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。例：催化裂化裝置、黃鐵礦、閃鋅礦的焙燒、石灰石的煅燒。在向描述質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒的偏微分方程組中引入這些假定后，導(dǎo)出了七個(gè)無量綱數(shù)群，為了滿足相似的條件，一個(gè)模型反應(yīng)器的這些數(shù)群的值必需與原形反應(yīng)器的相同。模型中的模型參數(shù)，可來自實(shí)驗(yàn)測定或經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。移動(dòng)床二、各種固定床型式簡介（以換熱方式為依據(jù)）固定床催化反應(yīng)器按催化床的換熱方式可分為絕熱式（單段絕熱和多段絕熱式）和連續(xù)換熱式。b． 段間加換熱器，將原料引出換熱后引入。自熱式反應(yīng)器（內(nèi)冷自熱式、外冷自熱式）自熱式固定床反應(yīng)器是采用催化床上部為絕熱層，下部為催化劑裝在冷管間而連續(xù)換熱的催化床。徑向流動(dòng)床的氣體流道短，流速低。流體流動(dòng)狀況目的：保證管內(nèi)流動(dòng)盡量接近平推流。在流體力學(xué)研究中，常常采用與非中空顆粒體積相等的球體的直徑來表示顆粒的相當(dāng)直徑。在某一號(hào)篩上的顆粒，其直徑通常為該號(hào)篩孔凈寬及上一號(hào)篩孔凈寬的幾何平均值(即兩相鄰篩孔凈寬乘積的平方根)。在固定床中，流體在顆粒物料所組成的孔道中流動(dòng)，這些孔道相互交錯(cuò)聯(lián)通，而且是彎曲的；床層中孔道的特性主要取決于構(gòu)成床層的顆粒特性：粒度、粒度分布、形狀及粗糙度，即影響床層空隙宰的因素都與孔道的特性有關(guān)。下面介紹其中一種使用廣泛的方法。對(duì)于一定的催化床體積，在可能范圍內(nèi)采用加大床層直徑，同時(shí)相應(yīng)地減小床層高度的方法，有利于降低床層壓力降。確定固定床對(duì)壁的結(jié)熱系數(shù)，以計(jì)算反應(yīng)器所需要的傳熱而積，是研究固定床傳熱問題的任務(wù)之一。如果固定床被冷卻，則固定床中的熱量通過上述七種方式傳至床層器壁內(nèi)流體滯流膜．再通過滯流膜傳向器壁．這個(gè)過程的給熱系數(shù)稱為壁給熱系數(shù)根據(jù)上述傳熱過程分析，研究固定床的傳熱問題常用下列兩種不同的處理方法：①分別測定床層的有效導(dǎo)熱系數(shù)和壁給熱系數(shù)；2是將和合成一起，測定整個(gè)固定床層對(duì)壁的給熱系數(shù)。這時(shí)就要以固定床中同一截面處流體的平均溫度Tm與換熱面內(nèi)望溫度TW之差作為傳熱推動(dòng)力．而相應(yīng)的給熱系數(shù)就稱為固定床對(duì)壁的給熱系數(shù)。一般用比克列準(zhǔn)數(shù)Pe表示，徑向Per在513之間，故多數(shù)反應(yīng)器，流體處于充分湍流時(shí)，Per=10；軸向Pez小于徑向，對(duì)于氣體。反應(yīng)速率為 低溫時(shí) 溫度升高，和均增大，主反應(yīng)速率占主導(dǎo)；繼續(xù)升溫時(shí) 增加，迅速增加，總反應(yīng)速率增加逐漸減小，到某一時(shí)刻，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為，即最佳操作溫度。工業(yè)生產(chǎn)中，從催化劑移出熱量方法通常有多段換熱和連續(xù)換熱兩種方式。缺點(diǎn)：①對(duì)一些熱效應(yīng)大的反應(yīng)，溫差太大，不太適合。優(yōu)化問題：在一定數(shù)目床層內(nèi)，對(duì)一定進(jìn)料及最終轉(zhuǎn)化率，選定各段的進(jìn)出口溫度和轉(zhuǎn)化率，以求總催化劑用量為最小。 取任意第i段,求其催化劑用量催化劑總用量 第一條件: 只有這兩項(xiàng)包含了XAi，其它項(xiàng)都不含XAi對(duì)積分限求導(dǎo)上式說明,第i段出口處反應(yīng)速度=第i+1段進(jìn)口處反應(yīng)速度 R(XAi,Ti)=R(XAi,Ti+1)要使上式成立,有兩種可能: a)Ti+1 = Ti 是不希望的；b)Ti+1 Ti 是可能的由上式可確定下一步的進(jìn)口溫度。催化劑大多放在管內(nèi),原料氣大多從頂部流入催化劑床層。反應(yīng)器直徑都比較小,多為2035 mm。 換熱式固定床反應(yīng)器進(jìn)行單一反應(yīng)時(shí)的分析換熱式固定床反應(yīng)器的