①什么是反應(yīng)的更優(yōu)溫度？

②怎樣達(dá)到更優(yōu)溫度或至少在實(shí)際上接近此更優(yōu)溫度？

③由實(shí)驗(yàn)室或中試裝置得到的結(jié)果怎樣進(jìn)行放大？

首先來(lái)了解一下反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系。

1 反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系

大多數(shù)反應(yīng)的速率對(duì)溫度是敏感的，而大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室研究都把溫度作為改善反應(yīng)收率和選擇性的重要手段。對(duì)于基元反應(yīng)速率常數(shù)幾乎總可以表示為：

 

式中，m=0,1/2或1，取決于所用的特定的理論模型。

實(shí)際上對(duì)等溫反應(yīng)器，溫度的影響也應(yīng)該考慮，因?yàn)椴僮鳒囟缺仨氉鳛樵O(shè)計(jì)的一部分予以規(guī)定。對(duì)非等溫反應(yīng)器，其中溫度是逐點(diǎn)變化的，溫度的影響將直接進(jìn)入設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.1 等溫反應(yīng)器的更優(yōu)溫度

反應(yīng)速率幾乎總是隨溫度增加的。于是，對(duì)單一不可逆反應(yīng)，不論是基元反應(yīng)還是復(fù)雜反應(yīng)，更優(yōu)溫度是可能的更高溫度。實(shí)際的反應(yīng)器設(shè)計(jì)必須考慮設(shè)備材質(zhì)的限制和加熱費(fèi)用與產(chǎn)率之間的經(jīng)濟(jì)上的權(quán)衡，但從嚴(yán)格的動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看來(lái)不存在更優(yōu)溫度。當(dāng)然，在足夠的溫度下，將出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)或可逆反應(yīng)。

多重反應(yīng)和可逆反應(yīng)，對(duì)需要產(chǎn)物的產(chǎn)率通常會(huì)顯示一個(gè)更優(yōu)溫度。必須規(guī)定操作等溫線。考慮基元可逆反應(yīng)；如下

 

設(shè)此反應(yīng)是在一個(gè)固定體積的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器中進(jìn)行。要求確定使產(chǎn)物B的產(chǎn)率更大的反應(yīng)溫度。設(shè)Ef＞Er，這通常為正反應(yīng)吸熱的情況。溫度升高對(duì)正反應(yīng)更有利。平衡向需要方向移動(dòng)和反應(yīng)速率增加。更優(yōu)溫度是可能的更高溫度，不存在內(nèi)部?jī)?yōu)化問(wèn)題。

對(duì)于Ef＜Er，溫度升高平衡將向不利方向移動(dòng)，但正反應(yīng)速率依然隨溫度升高而增加。對(duì)這種情況存在一個(gè)更優(yōu)溫度。溫度很低時(shí)，因?yàn)檎磻?yīng)速率低，B的產(chǎn)率低。溫度很高時(shí)，因?yàn)槠胶庀蜃笠苿?dòng)，B的產(chǎn)率也低。

設(shè)物性衡定和bin=0，攪拌釜的出口濃度為bout=kfaint/(1+kft+krt)，假定正反應(yīng)和逆反應(yīng)都服從上述溫度關(guān)系式，且Ef＜Er。令dbout/dT=0，得到

 

為由動(dòng)力學(xué)決定的更優(yōu)溫度。

1.2 非等溫反應(yīng)器的放大

熱效應(yīng)可能是反應(yīng)器放大中須予以關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器中，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量與反應(yīng)器體積成正比。注意式qgenerated  =  -V?HRR中V這個(gè)因子。對(duì)保持幾何相似的放大，表面積只隨V2/3增加?；蜻t或早，將不再能對(duì)溫度進(jìn)行控制，于是反應(yīng)器將接近絕熱操作。很少有反應(yīng)能承受全部絕熱溫升。吸熱反應(yīng)將使產(chǎn)量大大減少。放熱反應(yīng)會(huì)造成飛溫，產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。反應(yīng)器設(shè)計(jì)者的任務(wù)就是避免因裝置規(guī)模而產(chǎn)生的種種限制，或至少能理解這些限制，以利于生成需要的產(chǎn)物。

2 反應(yīng)器放大應(yīng)注意的問(wèn)題

2.1 避免放大問(wèn)題

放大問(wèn)題有時(shí)是可以避免的。幾種簡(jiǎn)單的可能性是：

（1）使用足夠的稀釋劑，使絕熱溫升降到可接受的數(shù)值

（2）并聯(lián)放大，例如列管式設(shè)計(jì)。

（3）放棄幾何相似，使V和Aext都與通過(guò)量的放大因子S成正比地增加。對(duì)不可壓縮流體，一種可能性是通過(guò)增加長(zhǎng)度進(jìn)行管式反應(yīng)器的放大。

（4）采用本能地隨S放大的溫控技術(shù)，例如冷進(jìn)料進(jìn)入連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器，或采用自冷技術(shù)。

（5）有意降低小裝置的性能，使同樣的性能和產(chǎn)物質(zhì)量能在放大過(guò)程中達(dá)到。

（6）采用連續(xù)流微通道反應(yīng)器技術(shù)。

2.2 間歇式反應(yīng)釜放大

間歇反應(yīng)釜放大時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：

(1) 在保持放大后的反應(yīng)釜與放大前模型反應(yīng)釜幾何相似的情況下，應(yīng)保持?jǐn)嚢杷a(chǎn)生的物料混合狀態(tài)相同。放大判據(jù)：?jiǎn)挝蝗莘e物料的攪拌功率（攪拌強(qiáng)度N/V）相等。

(2) 反應(yīng)釜放大時(shí)，由于容積放大，單位容積所具有的釜壁傳熱面積相應(yīng)減小，應(yīng)采用釜內(nèi)添加傳熱內(nèi)盤(pán)管、物料外循環(huán)冷卻和溶劑揮發(fā)冷凝等結(jié)構(gòu)。

(3) 不同體系和工藝要求的物料，應(yīng)選擇不同形式的攪拌器。對(duì)于低粘度互溶液體的混合，一般采用渦輪式攪拌釜，為了促進(jìn)釜內(nèi)物料和釜壁間的傳熱，出去粘附于釜壁的沉淀或粘稠液體，則可采用錨式或框式攪拌釜。對(duì)于高粘度液體的混合，采用錨式、螺帶式、螺桿式。

2.3 連續(xù)釜式反應(yīng)器放大                                                   釜式放大時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：

(1) 設(shè)計(jì)方程的依據(jù)是釜內(nèi)物料的流動(dòng)與混合達(dá)到理想狀態(tài)，運(yùn)用設(shè)計(jì)方程進(jìn)行放大時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)該滿足這一條件。

(2) 連續(xù)操作攪拌釜放大的相似條件是平均停留時(shí)間相等、停留時(shí)間分布函數(shù)相同。

(3) 對(duì)于連續(xù)操作攪拌釜放大，保持停留時(shí)間相等而且要保持空速相等；為了維持反應(yīng)溫度，應(yīng)使傳熱面積能和容積的增大相適應(yīng)，則放大后不一定能保持幾何相似。

(4) 多釜串聯(lián)反應(yīng)器的相似條件應(yīng)當(dāng)是每一釜的停留時(shí)間分布相同、溫度相同和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率相同而且反應(yīng)速率不受攪拌速率的影響。

(5) 對(duì)于非均相系統(tǒng)，放大判據(jù)為相界面相同，但要測(cè)定實(shí)際系統(tǒng)的相界面很難，一般用單位容積輸入功率相等取代。

2.4 管式反應(yīng)器的放大

對(duì)圓管內(nèi)流體的對(duì)流傳熱取決于三個(gè)量綱的數(shù)組：Reynolds數(shù)，Re=duρ/μ；Prandtl數(shù)，Pr=CPμ/λ，其中λ是熱導(dǎo)率，L/D是長(zhǎng)徑比；這兩數(shù)組可結(jié)合為Graetz數(shù)，Gz=RePrd1/Lo

管式反應(yīng)器的放大應(yīng)該注意的問(wèn)題：

(1) 為了保持反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)狀態(tài)在放大后與放大前相同，無(wú)論是層流還是作湍流流動(dòng)，都應(yīng)保持兩系統(tǒng)物料流動(dòng)的雷諾數(shù)相等。

(2) 在保持大小兩反應(yīng)系統(tǒng)幾何相似的前提下，應(yīng)使兩反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)物料流動(dòng)的停留時(shí)間分布函數(shù)相同。

(3) 反應(yīng)器內(nèi)物料流動(dòng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化與總壓相比，如能忽略不計(jì)，則放大后的平均停留時(shí)間可用t=VR/Qv,0計(jì)算。

(4) 對(duì)于氣相反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)管的管長(zhǎng)遠(yuǎn)大于管徑，而產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化又影響到反應(yīng)器的總壓強(qiáng)時(shí)。除了保證放大前后兩反應(yīng)系統(tǒng)具有相同的平均停留時(shí)間和相同的停留時(shí)間分布函數(shù)外，還必須保證壓強(qiáng)的變化值相同。要滿足這一要求，則不一定能滿足大小兩反應(yīng)系統(tǒng)的幾何相似條件，此時(shí)可以暫時(shí)不考慮幾何相似。

2.5 連續(xù)流微通道反應(yīng)器的放大

從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化裝置的化工放大過(guò)程中，往往會(huì)遇到一系列未曾預(yù)料的問(wèn)題。這些問(wèn)題可能屬于化學(xué)方面，也可能屬于物理方面，或兼有兩個(gè)方面，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室成果通常是在理想條件、小規(guī)模、有限運(yùn)行條件下取得的，消除了一些相互關(guān)聯(lián)、錯(cuò)綜復(fù)雜的影響因素。簡(jiǎn)單地將實(shí)驗(yàn)室的操作條件和設(shè)備結(jié)構(gòu)條件移植到工業(yè)規(guī)模裝置中，完成工藝條件的復(fù)制。通過(guò)基于微化工技術(shù)的混合，傳熱過(guò)程強(qiáng)化方面的基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)了物料停留時(shí)間、混合時(shí)間以及換熱時(shí)間的優(yōu)化匹配，直接完成了實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究到工業(yè)化應(yīng)用的無(wú)縫銜接。連續(xù)流微通道反應(yīng)器由于具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，操作全自動(dòng)化，自動(dòng)記錄等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)追朔性，非常便于品質(zhì)管理。