化学反应工程学习第3章罗2.ppt

第3章均相反应过程 3 1概述 基本概念流体单元 反应器中物料温度和浓度均相等的流体团停留时间 在连续流动反应器中 流体单元从反应器入口到出口经历的时间 返混 停留时间不同的流体单元之间的混合 反应时间 实际进行反应的时间 平均停留时间 进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短 形成一个时间分布 称为停留时间分布 常用平均停留时间来描述 空速 在规定条件下 单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积 或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积 空时 进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间 化学动力学方程 物料衡算方程 热量衡算方程 动量衡算方程 第2章中讲过 计算反应体积 计算温度变化 计算压力变化 反应器设计的基本方程 3 2间歇釜式反应器 一 釜式反应器的特征 基本结构 操作状态 特点 1 由于剧烈搅拌 反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀 且反应器内浓度处处相等 因而排除了物质传递对反应的影响 2 具有足够强的传热条件 温度始终相等 无需考虑器内的热量传递问题 3 物料同时加入并同时停止反应 所有物料具有相同的反应时间 4 反应物料间歇加入与取出 反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变 不随空间位置而变 所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间 优点 操作灵活 适用于小批量 多品种 反应时间较长的产品生产精细化工产品的生产缺点 装料 卸料等辅助操作时间长 产品质量不稳定 对整个反应器进行物料衡算 单位时间内反应量 单位时间内累积量 二 间歇釜式反应器的数学模型 温度浓度 均一 由于 等容条件下分离变量并积分 在没有任何假设的条件下导出 不论在等温条件和变温条件 还是在等容条件和变容条件下都是适用的 是间歇反应釜用于反应时间计算的一般公式 等容过程 液相反应 以转化率表示 主要是着眼于原料的利用率 或是减轻反应后的分离任务 以残余浓度表示 主要是为了适应后续工序的要求 如有害杂质的去除 图解积分 三 间歇釜式反应器的工程放大及操作优化 1工程放大 反应物达到一定的转化率所需的反应时间 只取决于过程的反应速率 与反应器的大小无关 反应器的大小由反应物料的处理量决定 实验室结果 工业过程 反应条件相同 设备结构合理放大 反应时间t辅助时间t0 反应体积 单位时间所要处理的物料体积 操作周期 由生产任务决定 装料卸料清洗 填充系数 沸腾或鼓泡的液体 可取0 4 0 6不沸腾或不鼓泡的液体 可取0 7 0 85 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70 用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的 实验测得反应动力学方程为 cA0 4kmol m 3若每天处理2400kg己二酸 每批操作辅助生产时间为1h 反应器装填系数为0 75 求 1 转化率分别为xA 0 5 0 6 0 8 0 9时 所需反应时间为多少 2 求转化率为0 8 0 9时 所需反应器体积为多少 例3 1 解 1 达到要求的转化率所需反应时间为 由上述结果可见 随转化率的增加 所需反应时间急剧增加 因此 在确定最终转化率时应该考虑到这一情况 2 反应器体积的计算xA 0 8时 tt tr t 8 5 1 9 5h每小时己二酸进料量FA0 己二酸相对分子质量为146 则有 处理体积为 实际反应器体积VR 反应器有效容积V R 实际反应器体积VR 当xA 0 9时 tt 19 1 20hV R 0 171 20 3 42m3VR 3 42 0 75 4 56m3 2反应时间的优化 反应时间延长 反应物浓度降低 产物生成速率降低 产量增加 单位操作时间的产品产量不一定增加 存在一最优操作时间 单位操作时间的产品产量最大 辅助时间15 对于反应 若要求产物R最终的浓度为cR 则单位操作时间的产品产量为 将上式对反应时间求导 并令其等于0 可得 若以单位质量产品生产费用最低为目标设单位时间内反应操作费用为a 辅助操作费用为a0 而固定费用为af 则单位质量产品总费用为 将上式对反应时间求导 并令其等于0 可得 3 2 2平推流管式反应器 第四章管式反应器 层流 湍流 活塞流 基本概念 活塞流模型 平推流 基本假定 1 径向流速分布均匀 所有粒子以相同的速度从进口向出口运动 2 轴向上无返混符合上述假设的反应器 同一时刻进入反应器的流体粒子必同一时刻离开反应器 所有粒子在反应器内停留时间相同 特点 径向上物料的所有参数都相同 轴向上不断变化 连续定态下 各个截面上的各种参数只是位置的函数 不随时间而变化 径向速度均匀 径向也不存在浓度分布 反应物料具有相同的停留时间 平推流反应器的特点 对于平推流反应器 可采用空时 设计方程 dl 平推流反应器的设计方程 图3 5平推流反应器图解计算示意图 一级不可逆反应在一平推流反应器中进行 求在50 反应转化率达70 所需的空时 若v0 10m3 h 求反应器体积V 已知 例题2 解 50 的反应速率常数反应空时和反应器体积 在常压及800 等温下在平推流反应器中进行下列气相均相反应 反应的速率方程为 式中cT及cH分别为甲苯和氢的浓度 mol L 原料处理量为2kmol h 其中甲苯与氢的摩尔比等于1 若反应器的直径为50mm 试计算甲苯最终转化率为95 时的反应器长度 例题 解 由题意知 甲苯加氢反应为恒容过程 原料甲苯与氢的进料比等于1 即 所需反应体积为 所以反应器的长度为 2 在555K及3kgf cm2下 在平推流管式反应器中进行A P 已知进料中含30 A 摩尔数 其余为惰性物料 A加料流量为6 3mol s 动力学方程为 rA 0 27cA mol m3 s 为达到95 的转化率 试求 1 所需空速为多少 2 反应器体积大小 解 全混流模型 基本假定 径向混合和轴向返混都达到最大符合此假设的反应器 物料的停留时间参差不齐 特点反应物系的所有参数在径向上均一 轴向上也均一 即 各处物料均一 均为出口值 管径较小 流速较大的管式反应器 可按活塞流处理 剧烈搅拌的连续釜式反应器 可按全混流处理 3 2 3全混流反应器 CSTR ContinuousStirredTankReactor 全混流反应器图 进口中已有产物 n 0时 n 1时 n 2时 反应器特征时间的图解积分 间歇釜 全混流 矩形面积为全混流曲线下的面积为间歇釜 在反应体积为1m3的釜式反应器中 环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产1 2 丙二醇 该反应对环氧丙烷为一级 反应温度下反应速率常数等于0 98h 1 原料液中环氧丙烷的浓度为2 1kmol m3 环氧丙烷的最终转化率为90 1 若采用间歇操作 辅助时间为0 65h 则1 2 丙二醇的日产量是多少 2 有人建议改在定态下全混流连续操作 其余条件不变 则丙二醇 1 2的日产量又是多少 3 为什么这两种操作方式的产量会有不同 例题 解 1 一级不可逆反应 丙二醇的浓度 丙二醇的产量 2 采用定态下全混流连续操作 丙二醇的产量 3 因连续釜在低的反应物浓度下操作 反应速率慢 故产量低 管式与釜式反应器反应体积的比较 前提条件 进行相同的反应 采用相同的进料流量与进料浓度 反应温度与最终转化率相同 分三种情况1 正常动力学2 反常动力学3 反应速率有极大值的情况 达到相同的转化率 管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器 正常动力学 对反常动力学情况 结论与正常动力学相反 反常动力学 3 3组合反应器 3 3 1平推流反应器的串联 并串或并串联 平推流反应器的串联 对于平推流反应器的串联 把管式反应器中间截断 再把两个反应器串联 其效果是相同的 实际生产中 限于厂房 有时平推流反应器的串联还是很有必要 例如将一个很高的反应器A 分为两个较短的反应器A B的串联方式便于运输和安装 反应器A 反应器A B的串联 平推流反应器的并联 根据实际的需要 有时因单个平推流反应器的管径太粗加工运输不便等实际情况 要用到平推流反应器的串并联 但应满足 此时总的反应器的效率最高 2 具有相同或不同体积的N个全混釜的串联 图3 8多釜串联操作示意图 对于一级不可逆恒容反应 速率方程为 根据全混流反应器的设计方程 变形得 对于单个反应器 将N个反应器串联每个反应器的体积都是V 每个反应器的空时都是 第1个反应器 第2个反应器 若想求最终出口浓度CAN与第一个反应器入口浓度的关系 令N个关系式左右相乘得 1 2 N 或 这样就得到了转化率 反应器开始和最终的浓度 反应器的个数及单个反应器的空时的关系 根据平推流反应器的设计方程 对一级不可逆反应有 N个全混流反应器串联 当N越大 反应器总体接近平推流 图3 9多釜串联操作的图解计算 对给定了处理量和转化率要需选釜数和釜容积时 避免求解的试差 r是c的函数 得到以空时负倒数为斜率的直线 与x轴的交点为入口的浓度 为斜率 作图直到所要求的出口浓度为止 有n个阶梯 即代表所需的釜数 斜率不同表示釜的大小不同 图解计算只适用于反应速率最后能以单一组分的浓度来表达的简单反应 3 不同型式反应器的串联 在全混混流反应器后连接两个平推流反应器 然后再接另一个全混流反应器 图3 10不同型式反应器串联的图