①什么是反應的更優(yōu)溫度？

②怎樣達到更優(yōu)溫度或至少在實際上接近此更優(yōu)溫度？

③由實驗室或中試裝置得到的結(jié)果怎樣進行放大？

首先來了解一下反應速率與溫度的關(guān)系。

1 反應速率與溫度的關(guān)系

大多數(shù)反應的速率對溫度是敏感的，而大多數(shù)實驗室研究都把溫度作為改善反應收率和選擇性的重要手段。對于基元反應速率常數(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。

實際上對等溫反應器，溫度的影響也應該考慮，因為操作溫度必須作為設計的一部分予以規(guī)定。對非等溫反應器，其中溫度是逐點變化的，溫度的影響將直接進入設計計算。

1.1 等溫反應器的更優(yōu)溫度

反應速率幾乎總是隨溫度增加的。于是，對單一不可逆反應，不論是基元反應還是復雜反應，更優(yōu)溫度是可能的更高溫度。實際的反應器設計必須考慮設備材質(zhì)的限制和加熱費用與產(chǎn)率之間的經(jīng)濟上的權(quán)衡，但從嚴格的動力學觀點看來不存在更優(yōu)溫度。當然，在足夠的溫度下，將出現(xiàn)競爭反應或可逆反應。

多重反應和可逆反應，對需要產(chǎn)物的產(chǎn)率通常會顯示一個更優(yōu)溫度。必須規(guī)定操作等溫線?？紤]基元可逆反應；如下

 

設此反應是在一個固定體積的連續(xù)攪拌釜式反應器中進行。要求確定使產(chǎn)物B的產(chǎn)率更大的反應溫度。設Ef＞Er，這通常為正反應吸熱的情況。溫度升高對正反應更有利。平衡向需要方向移動和反應速率增加。更優(yōu)溫度是可能的更高溫度，不存在內(nèi)部優(yōu)化問題。

對于Ef＜Er，溫度升高平衡將向不利方向移動，但正反應速率依然隨溫度升高而增加。對這種情況存在一個更優(yōu)溫度。溫度很低時，因為正反應速率低，B的產(chǎn)率低。溫度很高時，因為平衡向左移動，B的產(chǎn)率也低。

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

 

為由動力學決定的更優(yōu)溫度。

1.2 非等溫反應器的放大

熱效應可能是反應器放大中須予以關(guān)注的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)釜式反應器中，反應產(chǎn)生的熱量與反應器體積成正比。注意式qgenerated  =  -V?HRR中V這個因子。對保持幾何相似的放大，表面積只隨V2/3增加。或遲或早，將不再能對溫度進行控制，于是反應器將接近絕熱操作。很少有反應能承受全部絕熱溫升。吸熱反應將使產(chǎn)量大大減少。放熱反應會造成飛溫，產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物。反應器設計者的任務就是避免因裝置規(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 反應器放大應注意的問題

2.1 避免放大問題

放大問題有時是可以避免的。幾種簡單的可能性是：

（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，例如列管式設計。

（3）放棄幾何相似，使V和Aext都與通過量的放大因子S成正比地增加。對不可壓縮流體，一種可能性是通過增加長度進行管式反應器的放大。

（4）采用本能地隨S放大的溫控技術(shù)，例如冷進料進入連續(xù)攪拌釜式反應器，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)量能在放大過程中達到。

（6）采用連續(xù)流微通道反應器技術(shù)。

2.2 間歇式反應釜放大

間歇反應釜放大時應注意的問題：

(1) 在保持放大后的反應釜與放大前模型反應釜幾何相似的情況下，應保持攪拌所產(chǎn)生的物料混合狀態(tài)相同。放大判據(jù)：單位容積物料的攪拌功率（攪拌強度N/V）相等。

(2) 反應釜放大時，由于容積放大，單位容積所具有的釜壁傳熱面積相應減小，應采用釜內(nèi)添加傳熱內(nèi)盤管、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，應選擇不同形式的攪拌器。對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)釜式反應器放大                                                   釜式放大時應注意的問題：

(1) 設計方程的依據(jù)是釜內(nèi)物料的流動與混合達到理想狀態(tài)，運用設計方程進行放大時，實際系統(tǒng)應該滿足這一條件。

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

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

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

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

2.4 管式反應器的放大

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

管式反應器的放大應該注意的問題：

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

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

(3) 反應器內(nèi)物料流動所產(chǎn)生的壓強變化與總壓相比，如能忽略不計，則放大后的平均停留時間可用t=VR/Qv,0計算。

(4) 對于氣相反應，當反應管的管長遠大于管徑，而產(chǎn)生的壓強變化又影響到反應器的總壓強時。除了保證放大前后兩反應系統(tǒng)具有相同的平均停留時間和相同的停留時間分布函數(shù)外，還必須保證壓強的變化值相同。要滿足這一要求，則不一定能滿足大小兩反應系統(tǒng)的幾何相似條件，此時可以暫時不考慮幾何相似。

2.5 連續(xù)流微通道反應器的放大

從實驗室研究到工業(yè)化裝置的化工放大過程中，往往會遇到一系列未曾預料的問題。這些問題可能屬于化學方面，也可能屬于物理方面，或兼有兩個方面，這是因為實驗室成果通常是在理想條件、小規(guī)模、有限運行條件下取得的，消除了一些相互關(guān)聯(lián)、錯綜復雜的影響因素。簡單地將實驗室的操作條件和設備結(jié)構(gòu)條件移植到工業(yè)規(guī)模裝置中，完成工藝條件的復制。通過基于微化工技術(shù)的混合，傳熱過程強化方面的基礎研究，實現(xiàn)了物料停留時間、混合時間以及換熱時間的優(yōu)化匹配，直接完成了實驗室基礎研究到工業(yè)化應用的無縫銜接。連續(xù)流微通道反應器由于具有相當?shù)姆€(wěn)定性，操作全自動化，自動記錄等優(yōu)點，具有很強的數(shù)據(jù)追朔性，非常便于品質(zhì)管理。