《冶金反应工程》PPT课件.ppt

三、理 想 反 应 器,反应器分类,反应器按操作连续性分类,不稳定反应器,间歇反应,半连续式反应,（一）间歇操作（分批操作）,将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。,浓度 CA,物质量 nA,体积V,操作特点反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的输出，不存在物料的进与出。 基本特征间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内组成随时间变化而变化。,主要优点操作灵活，设备费低，适用于小批量生产或小规模废水的处理。 主要缺点设备利用率低，劳动强度大，每批的操作条件不易相同，不便自动控制。,间歇操作的主要特点,连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器,（二）连续操作,反应量 -rAV,浓度CA 体积V,A的流入量,A的流出量,操作特点物料连续输入，产物连续输出，时刻伴随着物料的流动。 基本特征连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可能随位置变化而变化。） 主要优点便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条件的场合，多采用连续操作。 主要缺点灵活性小，设备投资高。,连续操作的主要特点,操作：原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出，而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或半连续操作。,（三）半间歇操作/半连续操作,主要特点：半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反应器内的组成随时间变化而变化。,应用：生物反应器的分批补料操作 (fedbatch operation)，又称“补料分批操作”，俗称“流加操作”,流化床反应器,移动床反应器 a-竖式炉；b-石油裂解炉；c-回转炉；d-移动床,工业反应器内进行的过程十分复杂，可以分解为化学反应过程和包含三传在内的物理过程。 化学反应过程的本征规律是化学热力学和化学动力学研究的范畴；三传过程不改变化学反应的本征规律，但影响化学反应的条件及其反应结果。 三传过程中，流动起着关键性作用，影响传热和传质。反应器内物料的流动状态是实际反应过程最重要的动力学因素之一。,理想排挤流、平推流或活塞流,理想流动模型（1）,理想流动模型（2）,理想混合流或完全混合流,理想反应器分类,理想反应器研究揭示的规律和解析方法是研究复杂反应器的基础,完全混合流（亦称全混流、理想混合）(complete mixing)：反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，反应器内的浓度、温度等处处相同。全混流可以认为返混为无限大。,（平）推流（亦称活塞流、挤出流）(Plug/ piston flow)：反应物以相同的流速和一致的方向移动，即反应物在反应器内齐头并进。在径向充分混合，但不存在轴向混合，即返混为零。,理想流动状态：全混流和推流是两种极端的流动状态，通称为理想流。介于全混流和推流之间的流态为非理想流态。,反应器内反应物的流动与混合状态,在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分布，从而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和反应速率。(例子：同时进场以班为单位顺序出场；跳球抽号机),返混(back mixing)： 处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。 混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团” 不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器的反应特性。,反应器设计原则,简称反应时间，主要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。,亦称接触时间，指连续操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际时间。 平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元”的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。,反应持续时间 (Reaction time)：,有关反应器设计与操作的几个工程概念,停留时间 (Retention time)：,空间时间（空时、空塔接触时间）(Space time),反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。 空间时间 (11.1.1),注意： 具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间 可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。,30秒 表示了什么？,每30秒处理与反应器有效体积相等的流体,空间速度（空速）(Space velocity),单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。 空间速度,注意： 单位为时间的倒数。 表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料，反映了一个反应器的强度。（SV2 h-1表示1h处理2倍于反应体积的流体。） 空速越大，反应器的负荷越大。,停留时间,基本假设,理想反应器模型（1）,间歇反应器模型,理想反应器模型（2）,完全混合反应器模型,基本假设,理想反应器模型（3）,活塞流反应器模型,理想反应器串联组合,全混流多级串联,理想反应器比较,操作特性比较（1）,操作特性比较（2）,操作特性比较（3）,转化率比较,理想反应器数学模型的启示,反应器选择的原则,全混流反应器设计关联的参数有：xA、(-rA)、VR、FA0,注意：上图中矩形可求出出口转化率xA或出口浓度为CA所需空时，一定要明确上图黑点所代表的意义。,釜式反应器,管道化浸出系统,多槽串联分解系统,思考题： 如果有一个地方正在采用单槽连续作业方式，而且过程进行的反应为非零级，为了提高设备的使用效果，你认为在槽的结构上宜作哪些改进？,例题 工厂采用全混槽以A与B以等摩尔比在70下进行反应生产C，实验测得该反应的速率方程式为：（-rA）=kCACB 式中： （-rA）-以A组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k-反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分别为A和B的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004kmol.L-1 若每天处理A 2400kg，转化率为80%，按间断作业和连续作业两种操作方式，试计算确定反应器的体积大小。 若采用两釜串联，第一釜转化率60%，第二釜转化率80%，试计算确定反应器的总体积大小。,请思考：为何间歇釜式反应器所需反应体积要小得多？,间歇反应器所需的体积仅为：2.16m3,解：根据连续作业全混槽反应器的设计方程可知，,反应速率方程可转化为：(-rA)=,第一釜有效容积的计算：,总有效容积：VR=VR1+VR2=3170L。,很明显，达到相同转化率时，两釜串联的