reactor-design — 化工反应器设计与选型

能力概述

本 Skill 覆盖化工反应器从选型到详细设计的全流程，核心能力包括：

1. 反应器选型：根据反应特性（动力学、热力学、相态、放热量等）推荐最优反应器类型
2. 设计计算：完成反应体积、传热面积、催化剂装填量、压降等关键参数计算
3. 催化剂选型：匹配反应类型推荐催化剂体系，给出活性温度窗口、空速范围等关键参数
4. 安全设计：反应热风险评估、泄放面积计算、安全联锁逻辑、防爆设计

标准依据

> 开发前已通过 standards-registry 注入验证，以下标准均为✅现行版本。

必引标准（Mandatory）

可选标准（Conditional）

工作流程

graph TD
    A[反应特性分析] --> B[反应器选型]
    B --> C[工艺设计计算]
    C --> D[安全设计评估]
    D --> E[输出设计文件]

    A --> A1[反应动力学]
    A --> A2[热力学数据]
    A --> A3[相态与传质]
    A --> A4[放热/吸热特性]

    B --> B1[釜式反应器]
    B --> B2[管式反应器]
    B --> B3[固定床反应器]
    B --> B4[流化床反应器]
    B --> B5[浆态床反应器]

    C --> C1[反应体积计算]
    C --> C2[传热面积计算]
    C --> C3[压降计算]
    C --> C4[催化剂装填量]

    D --> D1[反应热风险评估]
    D --> D2[泄放面积计算]
    D --> D3[安全联锁逻辑]
    D --> D4[防爆区域划分]

步骤1：反应特性分析

收集并分析以下关键参数：

步骤2：反应器选型

根据反应特性矩阵选择最优反应器类型，详见 references/01_reactor_types.md。

选型决策树：

1. 慢反应 + 需精确控温 → 釜式反应器（CSTR）
2. 快速反应 + 连续生产 → 管式反应器（PFR）
3. 气固催化反应 + 高转化率 → 固定床反应器
4. 强放热 + 需均匀温度 → 流化床反应器
5. 三相反应（气液固） → 浆态床反应器

步骤3：工艺设计计算

执行核心设计计算，详见 references/02_design_calculation.md：

• 反应体积：基于停留时间/转化率要求
• 传热面积：基于反应热移除/供给需求
• 压降：基于催化剂颗粒/床层特性
• 催化剂装填量：基于空速/时空产率

步骤4：安全设计评估

完成反应器专项安全设计，详见 references/04_safety_design.md：

• 反应热风险评估（绝热温升、失控判定）
• 泄压装置设计（安全阀/爆破片面积计算）
• 安全联锁逻辑（温度/压力/液位高高联锁）
• 防爆区域划分（GB 3836 系列）

场景识别模板

场景1：釜式反应器（CSTR/间歇釜）

识别关键词：
- "搅拌釜"、"反应釜"、"间歇反应"、"半间歇"、"批次生产"
- "慢反应"、"需精确控温"、"液相反应"、"均相催化"

典型应用：
- 精细化工中间体合成
- 聚合反应（乳液聚合、悬浮聚合）
- 制药API合成
- 低温反应（-80℃~200℃）

设计要点：
- 传热：夹套 + 内盘管组合
- 搅拌：根据粘度选择桨型（桨式/涡轮式/锚式/螺带式）
- 长径比：H/D ≈ 1.0~1.5
- 装料系数：0.6~0.8

场景2：管式反应器（PFR/列管式）

识别关键词：
- "管式反应器"、"列管"、"连续管式"、"塞流"
- "快速反应"、"气相反应"、"裂解"、"氧化"

典型应用：
- 乙烯裂解炉
- 合成氨转化炉
- 甲醇合成（管壳式）
- 光气合成

设计要点：
- 管径：20~150mm（受传热限制）
- 管长：3~15m
- 管数：按产能和传热面积确定
- 压降：通常 < 0.5 MPa

场景3：固定床反应器

识别关键词：
- "固定床"、"催化床"、"填充床"、"气固催化"
- "合成氨"、"合成甲醇"、"催化重整"、"加氢"

典型应用：
- 合成氨（铁基催化剂）
- 合成甲醇（Cu/ZnO/Al2O3）
- 催化重整（Pt-Re/Al2O3）
- 加氢精制（Ni-Mo/Al2O3）

设计要点：
- 空塔气速：0.1~1.0 m/s
- 床层高径比：L/D ≈ 2~6
- 催化剂颗粒：2~6mm（球形/条形/三叶草）
- 压降：Ergun方程计算

场景4：流化床反应器

识别关键词：
- "流化床"、"沸腾床"、"循环流化床"、"CFB"
- "强放热"、"需均匀温度"、"催化剂再生"、"FCC"

典型应用：
- 催化裂化（FCC）
- 丙烯腈合成（Sohio工艺）
- 聚乙烯气相法（Unipol工艺）
- 费托合成

设计要点：
- 最小流化速度：umf（Wen-Yu关联式）
- 操作气速：2~10 × umf
- 床层膨胀比：1.1~1.4
- 分离高度：TDH（输送分离高度）

场景5：浆态床反应器

识别关键词：
- "浆态床"、"浆料反应器"、"三相反应器"、"气泡塔"
- "气液固三相"、"悬浮催化"、"费托合成"、"加氢"

典型应用：
- 费托合成（铁基/钴基浆态床）
- 重油加氢裂化
- 煤直接液化
- 生物柴油合成

设计要点：
- 固含率：10~40 vol%
- 气泡直径：2~10mm
- 气含率：0.1~0.4
- 传质系数：kLa = 0.01~0.1 s^-1

输入条件清单

开发或咨询前，请用户提供以下信息：

输出文件清单

使用示例

示例1：快速选型咨询

用户输入：
> "我有一个液相放热反应，反应时间约4小时，需要在0~5℃下精确控温，年产量500吨，应该选什么反应器？"

Skill响应：
1. 识别场景：釜式反应器（间歇操作）
2. 分析：慢反应（4h）+ 精确低温控温 → CSTR间歇釜
3. 初步建议：
- 推荐：搪玻璃反应釜或不锈钢夹套釜
- 传热：夹套 + 内盘管（-15℃乙二醇水溶液）
- 搅拌：涡轮式或推进式，转速60~120 rpm
- 估算体积：~3.5 m³（单釜批产~1.5吨）
- 台数：2台（1用1备）

示例2：固定床设计计算

用户输入：
> "合成甲醇固定床反应器，年产10万吨，操作温度250℃、压力5.0MPa，Cu/ZnO/Al2O3催化剂，空速8000 h^-1，计算反应器直径和高度"

Skill响应：
1. 调用 scripts/reactor_calc.py
2. 输入参数：产能、温度、压力、空速
3. 输出：反应器直径、高度、催化剂装填量、压降估算

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