[工学]第八章 典型反应器.ppt

第八章 典型反应器,何心伟安徽师大化材学院 ,概述,化工过程：一个特定的化工产品,从原料到产品的生产过程。,原料,预处理,化学反应,后处理,产品,化学反应这一步是化工过程的核心，起着主导作用，它的要求和结果决定着预处理的程度和后处理的难度。,化学反应器的定义：用于化学反应的设备，是化工企业的关键装置。,对反应器的要求,第一节 化学反应器的类型,一、化学反应器的分类：,1.按物料相态分类,均相反应器 非均相反应器,2.按操作状况分类,间歇反应器 半间歇或半连续反应器 连续反应器。,3.按反应器的结构形式分类,反应器,回转筒式反应器 (蒸气煅烧炉),回转筒式反应器,喷嘴式反应器,釜式反应器,换热装置,釜式反应器,管式反应器,基本结构,主要用于气固相反应,由一根或多根管子串联或并联构成的反应器，长度与直径之比一般大于。,固定床反应器,换热式固定床反应器 (列管式),流化床反应器,二、理想流动和理想反应器 在连续操作的反应器中，流体流动存在两种极端情况： 理想排挤式（平推流） 理想混合式（全混流）,理想排挤：当物料在反应器内流动通过时，沿着物料的流动方向（轴向），由于发生了化学反应，物料的浓度、流速、转化率等都随着轴向距离的延伸不断地发生变化，但在不同截面上并没有任何物料的混合；而在与流动方向垂直的截面上（径向），各质点的流速完全相同、温度均匀、浓度均匀、流速相等，即径向混合均匀。也叫做平推流或活塞流。,理想混合：在一连续操作的反应器中，由于有良好的搅拌，致使进入反应器的物料立即与反应器内的物料充分混合，反应器内各点处处均匀，而且出口物料的浓度与器内的浓度也完全一样。 如：强烈搅拌的连续釜式反应器,第二节 间歇釜式反应器(BSTR),一、结构与操作特点,反应物料一次加入； 充分搅拌，整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀； 常配有夹套或蛇管，以控制反应温度； 间歇反应器操作的一个生产周期包括加料、反应、出料、清洗；,由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的均匀，且浓度、温度处处相等并随时间变化。,1.由于剧烈搅拌，反应器中任一几何位置的物料浓度都相同，排除了物质传递对化学反应影响。 2.当反应器具有足够快的传热效率时，可使反应器内温度都相同，排除了热量传递对化学反应的影响。 3.物料在反应器中停留时间都相同。 4.浓度随时间延长而降低,二、物料在反应器内流动状况,所以物料是一个混合均匀(混合程度 )的间歇不稳定过程。 这种反应器的构造与操作特点与实验室常用的附搅拌器的烧瓶基本上是相同的。,三、反应时间的计算,对间歇操作的釜式反应器进行物料衡算：,输入的物料量=输出的物料量+反应掉的物料量+物料的积累量,对于着眼组分A：,单位时间内由于反应而消耗的A物料量 = 单位时间内A物料的积累量,间歇反应器基本方程式,对于定容过程：,对于不能表达成简单整数级的复杂的化学反应，可采用作图法求解。,四、反应器容积的计算,1. 有效容积(VR)：,t为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。(计算关键),t 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。(经验给定),V每小时处理的物料体积,2. 总容积(VT),：装料系数 ，由经验确定，一般为 0.40.85,装料系数：是反应器有效容积占总容积的比值，通常根据经验选定。对不发生泡沫不沸腾的液体，采用0.70.85，反之，只可采用0.40.6。,例8-1：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：,该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02 mol/L，反应速率常数等于4.6L/(molmin)。试求乙酸乙酯转化率分别达到 80、90和 95时的反应时间。,得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min,解：,例8-2：在间歇釜式反应器中,己二酸与己二醇以等物质的量比,在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以硫酸为催化剂，其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB。在343K时，k=1.97Lkmol-1min-1。己二酸的起始浓度cA0= 0.004 kmol.L-1。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80%，每批操作的辅助时间为1h，试计算反应器的总容积。装料系数取0.75。,解： rA =kcAcB=kcA2,平均每小时要处理的物料体积为：,则间歇反应器的反应体积为：,间歇反应器的实际容积为：,间歇反应器的总容积为2.16m3。,第三节 管式反应器,一、结构与操作特点,1. 2.无搅拌器，但可附设加热、冷却器； 3.连续投料，连续出料； 4.物料在反应器中高速流动。,主要用于气固相反应,二、物料流动状况 1.物料在反应器中依次前进，象活塞推进一样流动； 2.反应器中物料完全不混合，混合程度=0； 3.任一截面上有关参数（如c, rA, x）都相等； 4.物料的c, rA, x等均随反应器长度的改变而变化； 5.物料在反应器中停留的时间都相等。,反应物A,反应物B,生成物R,活塞流反应器,三、反应容积的计算,定态操作时，对关键组分A进行物料衡算: 单位时间内物料A的进入量(qn,A ) =单位时间内物料A的引出量(qn,A+dqn,A )+单位时间内反应掉的A的量(-rAdVR)+累积量(连续操作条件下为0 ),对整个反应器，其边界条件为：,空间时间t：反应器的有效容积与进口处的体积流量之比。,若反应过程中流体体积流量不发生变化,活塞流反应器基本计算式,注：理想管式反应器中简单级数的反应表达式与间歇釜式反应器的结果完全一样,理想管式反应器中简单级数的反应的表达式,理想管式反应器的反应结果与理想间歇反应器的反应结果完全相同，只是在理想管式反应器中，t是空间时间，而间歇反应器中，t为反应时间。为什么在两种结构和操作情况都不相同的反应器中，它们的表达式却是一致的呢？,在理想管式反应器中浓度和转化率随空间时间（管长）而变，在间歇反应器中浓度和转化率随时间而变。他们的变迁史是相同的，反应的推动力也是一致的。,五、BSTR与PFR比较 （1）停留时间的表达式相同； （2）物料操作方程形式类似； （3）反应器内物料浓度、反应速度、转化率变迁过程相同（变迁史相同），反应推动力一致。,1.共同点,BSTR PFR 混合程度= 混合程度=0 非稳态过程 稳态过程 （诸参数随时间变化） （诸参数随空间变化）,2.不同点,例8-3：己二酸(A)与己二醇(B)以等物质的量比，在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB，在343K时，k=0.1182m3kmol-1h-1。A的分子量为146， A的起始浓度cA0=4 kmol.m-3。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80%和90%时，试计算使用理想管式反应器所需的容积。并与间歇釜式反应器进行比较。,解：根据平推流反应器中二级反应的公式：,t VR VT,转化率80%,间歇反应釜 9.46 1.62 2.16 理 想 管 式 8.46 1.45 1.45,转化率90%,间歇反应釜 20.04 3.43 4.57 理 想 管 式 19.04 3.25 3.25,两类反应器所需容积：VR间VR平。,间歇反应器有辅助时间和装料系数的影响。,例8-4：已知某均相反应，反应速率-rA=0.0174cA2，cA0=7.14kmolm-3，物料密度=750kgm-3，加料速率为qv=7.1410-3m-3min-1，反应在等温下进行，试计算串联两个0.25m3的活塞流反应器时的转化率时多少？ 解：物料分别流经两个活塞流反应器的空间时间为：,对于二级反应，物料流经第一个活塞流反应器后，转化率xA1为：,第四节 全混流反应器,一、全混流,特点： 反应器内物料的参数处处均匀，且等于流出物料的参数； 但物料质点在反应器中停留的时间各不相同，即形了成停留时间分布； 物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。,是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混合流。,二、物料流动状况 1. 反应器内的混合程度= 任一位置上的c, x, (-rA), T都相同 2. 连续加料又高速搅拌 反应器内各参数c, x, (-rA), T等都定值 3. 高速搅拌，连续出料 出料的各参数c, x, (-rA), T等都与反应器内相同 4. 物料在反应器内停留时间从0都存在 不同停留时间的物料在反应器中混合得很好,返混：不同停留时间物料间的混合 混合：物料在空间几何位置上的混合 BSTR 混合= 返混=0 PFR 混合=0 返混=0 CSTR 混合= 返混= CSTR，它是一个混合均匀，返混严重的稳态过程。,三、物料衡算,在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算：,设反应过程中，物料体积不变,进入量=引出量+反应量+累积量,t为停留时间，由于物料微粒在反应器中停留时间不等，故t应称为平均停留时间。,间歇釜式反应器和平推流反应器的计算方程式都是微分形式；而全混流反应器的计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应器内，反应物的温度、浓度、转化率均不随时间而变(定态过程)也不随空间位置而变(整个反应器内是均匀的)。,与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成同样的反应任务(即流量相等，反应物的转化率相等)，全混流反应器所需的空间时间远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应的时间。,BSTR和CSTR反应时间的比较,平推流反应器与全混流反应器的比较,例8-4：己二酸(A)与己二醇(B)以等物质的量比，在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB，在343K时，k=0.1182m3kmol-1h-1。A的分子量为146， A的起始浓度cA0=4 kmol.m-3。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80%，试计算使用全混流反应器所需的容积。,解：根据全混流反应器中二级反应的公式：,比前面几类反应器所需容积都大。,一、两种反应器内的浓度分布,同样是连续流动，为什么全混流反应器与平推流反应器的结果会不一样呢？如果上述反应是在等温条件下进行的，则引起差别的原因就只能是反应物的浓度。,第五节 返混及其对化学反应的影响,PFR反应器 反应物浓度从进口的 CSTR反应器：因釜内反应物浓度与出口物料浓度相同，加上高速搅拌作用使反应物浓度始终都处在cA,f 这一最低值 因此完成相同任务，达到相同的最终转化率，全混流反应器就要用更长的时间或需要更大的反应器容积。,CSTR中，由于强烈搅拌，具有高反应物浓度的新鲜物料刚刚进入反应器，就立即同反应器内已充分反应的低反应物浓度的物料均匀混合，正是这种混合，使反应物浓度水平一下子下降到了cA,f。 我们把这种先进入反应器，经历了不同反应时间的物料间的混合称为返混。,注意区别返混与混合,BSTR中，物料搅拌均匀，是指物料在空间不同的位置上，它们是均匀的，物料是一次性加入，物料在反应器中停留时间相等，这样的混合不是返混。,例如,PFR中，假定物料在流动过程中任一截面上v, c, xA都均匀，因而它不存在不同停留时间的物料之间的混合，返混为0。连续反应器中的一种极端情况。 CSTR中，假定新鲜物料一旦进入反应器中，即与反应器中物料（都经历了不同的反应时间）瞬间混合，因此它的返混极大，是连续反应器中的另一极端。,实际反应器中一般都有一定程度的返混，返混程度介于两者之间，称为非理想流动。 返混的结果：降低了过程的推动力，从动力学角度讲，这是一种不利的因素。,第六节 多釜串联反应器,一、特点 如果生产过程中所需的全混流反应器体积比较大，会采用几个较小的全混流反应器串联。,特点 每一级反应器都是全混流反应器； 反应器之间，流体不相互混合； 前一级反应器出口的物料浓度为后一级反应器入口的浓度； 串联级数越多，各级之间反应物浓度差别越小，整个多釜串联反应器越接近平推流反应器。,二、物料衡算,对于第i釜，进行反应组分A的物料衡算,xA,i，cA,i离开第i釜的组分A的转化率、浓度 qn,A,i-1和qn,A,i进入第i釜和离开第i釜的物料流量,xA,i-1，cA,i-1进入第i釜的组分A的转化率、浓度,两边同除以qV，则有：,四、多釜串联反应器的计算,1. 求有多少反应釜； 2. 已知釜数，求可达到多大转化率； 3. 已知釜数，已知cA,0、cA,N或xA,N，求 每釜(VR)i及总VR。,方法：1、代数法 2、图解法,1. 代数法,在多釜串联情况下，前一釜出口物料就是后一釜进口物料，因此可用单釜理想混合反应器的计算方法逐釜计算，直算到要求的转化率为止,如：在多釜串联反应器中进行的一级反应 ，则第一釜内,同理，对第二釜,生产中往往各级反应器的体积相等,反应条件相同,有,则有：,2. 图解法,对等温等容过程，且各反应釜容积相等 则 改写为 表示第i釜进口转化率xA,i-1一定时，出口转化率与rA,i的关系，称为操作线方程。,在 rAxA图上为一直线，斜率cA,0/t，截距为-cA,0xA,i-1/t 出口转化率不仅要满足物料衡算式，而且还要满足动力学方程式rA=f(xA)，将两式绘在rAxA图上，两条线交点所对应的xA值即为该釜的出口转化率。,图解步骤： （1）由动力学方程或实验数据作出rAxA曲线，如图曲线MN。 （2）按计算式作第一釜的物料衡算线，如OP1线。以A物质为计算基准，起始xA=0，rA=0，OP1线过原点，OP1线与MN交点P1的横坐标xA1，即为第一釜出口反应物A的转化率。,（3）因为各釜的容积相等，所以停留时间相等，各线直线斜率亦相等。如图作图，过xA1作平行OP1的线交MN于P2点，依次类推，直到所得的xA值等于或大于所要求的最终转化率xAN为止。所得斜率线之数目即为反应釜数N。最后（xAxAN）,M,N,O,P3,xA,xA,1,xA,2,xA,3,P1,P2,rA,用图解法求最终转化率是容易的。,如果各个釜的容积不等，则斜率也不等，各操作线亦不平行。,优点：既可用于已知动力学方程式的反应，也可以用于动力学方程式形式复杂而必须直接利用实验数据作图的场合。,局限性：只有当反应速率能用单一组分的浓度来表示时才能画出xA对rA的曲线。对于平行、联串等复杂反应，图解法不适用。,小结,生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08s-1，最终转化率达98.9，试计算苯酚的产量。（1）如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15 min；（2）如果是全混反应器；（3）试比较上述两问的计算结果；（4）若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？,例8-5：在一个体积为300L的反应器中，86等温下将浓度为3.2mol/L的过氧化氢异丙苯溶液分解：,t=ln1/(1-xA)/k=56.37s=0.94min Vr= Q0(t+t0)=300L Q0=300/15.94=18.