化学反应工程课件 第三章2.pdf

第三章理想均相反应器第三章理想均相反应器 概述概述 1 简单反应器简单反应器 2 讲授内容讲授内容 非等温过程非等温过程 4 组合反应器组合反应器 3 反应器类型和操作方法评选反应器类型和操作方法评选 5 全混流反应器热稳定性分析全混流反应器热稳定性分析 6 3 2 简单反应器 间歇釜式反应器 分批加料的釜式反应器 间歇釜式反应器 分批加料的釜式反应器 Batch Stirred Tank Reactor BSTR 平推流平推流反应器反应器 连续加料的管式反应器 连续加料的管式反应器 Piston Plug Flow Reactor PFR 理想釜式反应器 连续加料的釜式反应器 理想釜式反应器 连续加料的釜式反应器 Continued Stirred Tank Reactor CSTR 由于层流等原因导致在于流体流 动方向垂直的截面上流速分布不 均匀 呈现抛物线状的速度分 布 由于层流等原因导致在于流体流 动方向垂直的截面上流速分布不 均匀 呈现抛物线状的速度分 布 流速较大的湍流运动 虽然速度 分布均匀 但在边界层中因为壁 面的阻滞而使速度减慢 造成了 速度分布的不均匀性 流速较大的湍流运动 虽然速度 分布均匀 但在边界层中因为壁 面的阻滞而使速度减慢 造成了 速度分布的不均匀性 由于涡流和湍流运动 径向和轴 向有一定程度的混合 由于涡流和湍流运动 径向和轴 向有一定程度的混合 问题 反应器如何设计 问题 反应器如何设计 层流层流 湍流湍流 平推流平推流 二 二 二 二 平推流反应器平推流反应器平推流反应器平推流反应器 Piston Plug Flow Reactor PFR 1 连续流动反应器的基本概念 连续流动反应器的基本概念 流动模型 流动模型 反应器中流体流动与返混情况的描述 这一状况对 反应结果有非常重要的影响 反应器中流体流动与返混情况的描述 这一状况对 反应结果有非常重要的影响 停留时间停留时间 流体粒子在反应器中的滞留时间 平均停留时间 流体粒子在反应器中的滞留时间 平均停留时间 返混 在流体流动方向上不同停留时间的流体粒子之间的 混合称为返混 也称为逆向混合 平推流反应器 返混 在流体流动方向上不同停留时间的流体粒子之间的 混合称为返混 也称为逆向混合 平推流反应器返混程度为零返混程度为零 V t v 反应器中 反应期的容积 的体积流量物料 空时 空时 衡量反应器的生产能力 其定义为 在规定 条件下 衡量反应器的生产能力 其定义为 在规定 条件下 进入反应器的物料进入反应器的物料通过反应器体积所需的 时间 通过反应器体积所需的 时间 0 V v 反应器的容积 进料的体积流量 在恒容条件下 物料在反应器内的停留时间等于空时在恒容条件下 物料在反应器内的停留时间等于空时 空速 空速 单位时间 单位反应反应器体积所处理的 物料量 可表示为空时的倒数 单位时间 单位反应反应器体积所处理的 物料量 可表示为空时的倒数 1 s 生产能力 生产能力 生产能力 生产能力 s 时 生产能力 时 生产能力 应用较多的一种连续操作的反 应器 应用较多的一种连续操作的反 应器 结构简单 加工方便 结构简单 加工方便 单位容积的生产能力高 单 位面积传热面积大 长径比大 单位容积的生产能力高 单 位面积传热面积大 长径比大 耐压高 易于控制 耐压高 易于控制 2 工业管式反应器的特点 工业管式反应器的特点 3 3 平推流反应器平推流反应器平推流反应器平推流反应器 Plug Flow Reactor PFR Plug Flow Reactor PFR 1 平推流模型的基本假定和特点平推流模型的基本假定和特点 反应物料以稳定的流率进入反应器 在流动方向 上 象活塞一样有序向前移动 称之为平推流 反应物料以稳定的流率进入反应器 在流动方向 上 象活塞一样有序向前移动 称之为平推流 特点 特点 连续定态下 垂直于物料流动方向的各个截面上 的各种参数是 连续定态下 垂直于物料流动方向的各个截面上 的各种参数是位置位置的函数 物料的温度 浓度不 断变化 的函数 物料的温度 浓度不 断变化 垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参 数 如温度 浓度 压力 流速都相同 径向速 度均匀 径向也不存在浓度分布 垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参 数 如温度 浓度 压力 流速都相同 径向速 度均匀 径向也不存在浓度分布 所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间 反应器中不存在 所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间 反应器中不存在返混返混 反应物料具有相同的停留 时间 反应物料具有相同的停留 时间 轴向不存在流体的混合 轴向不存在流体的混合 dVrdFFF AAAA dVrdF AA AAAAA dxFxFddF 00 1 dVrdxF AAA 0 2 物料衡算 物料衡算 dl dV 000 0AAA F C x v AA F x AA xdx AAA F C x v AA FdF L 关键组分 输入速率 关键组分关键组分关键组分 输出速率转化速率累积速率 dVrdxF AAA 0 dl dV 0000AAA F Cx v AA F x AA xdx AAA F C x v AA FdF L 00 0 A Vx A A AA dxdV dx Fr 0 0 0 A x A A A dxV C vr 0 0000 A x A AAAA dxVV Frv CC 2 1 0 0 A A x A A x A dxV C vr 2 1 0000 A A x A x AAAA dxVV Frv CC 例例4 均相气体反应在均相气体反应在185 和表压 和表压4kgf cm2下按照反应式下按照反应式 A 3P 在平推流反应器中进行 已知其在此条件下的在平推流反应器中进行 已知其在此条件下的 动力学方程为动力学方程为 21 2 10 mol L S AA rC 0 0 0 A x A A A dxV C vr 当进料为当进料为50 惰性气体时 求惰性气体时 求A的转化率为的转化率为80 时所需 要的反应时间 时所需 要的反应时间 解解21 2 10 mol L S AA rC 0 3 1 20 5 1 AA y 00 0 1 1 1 1 AA AAA AAAA xx CCC yxx 0 0 4 2 0 0533 0 082 185273 A A P Cmol L RT 001 2 00 21 2 0 0 1 2 1 2 0 8 1 2 0 1 2 0 1 10 1 1 100 1 AA xx AA AA AA A A A AA A dxdxV CC xvr C x x Cdx x 1 2 21 221 2 0 1 2 1 10 mol L S 10 1 A AAA A x rCC x 图解积分图解积分 1 2 0 8 1 2 0 1 1 A A A x dx x xA 1 2 1 2 1 1 A A x x 0 20 40 60 8 面积 1 35 0 0533 100 1 357 15s 数值积分法数值积分法 0135 0 246 4 3 2 n x n x IdxIIII IIII 1 2 1 2 1 1 A A x x 3 009 00 2 004 00 1 5252 33 1 2241 50 1 001 00 1 1 A A x x 0 8 0 6 0 4 0 2 0 xA 1 2 0 8 1 2 0 1 1 34 1 7 15 A A A x dx x s 1 2 0 80 8 1 2 200 0 8 2 0 1 1 1 1 arcsin1 1 328 AA AA A A AA xx dxdx x x xx 7 15s 分析积分法分析积分法 例例5 应用管径为应用管径为D 12 6 cm的管式反应器来进行一级不可 逆的气体 的管式反应器来进行一级不可 逆的气体A的热分解反应 其计量方程为的热分解反应 其计量方程为A R S 速 率方程为 速 率方程为 rA kCA k 7 8 109 exp 19220 T s 1 原 料为纯气体 原 料为纯气体A 恒压 恒压P 5atm T 500 0C 恒温反应 反应过程中压力恒定 要求 恒温反应 反应过程中压力恒定 要求A的分解率达到的分解率达到 0 9 原料 气体的处理速率为 原料 气体的处理速率为FA0 1 55 kmol h 求所需反应器的管长求所需反应器的管长L 停留时间 停留时间t 空时 空时 理想气 体 理想气 体 解解 A g R g S g rA kCA k 7 8 109 exp 19220 T s 1 00 0 1 1 1 1 AA AAA AAAA xx CCC yxx 0 0 A x A AA dxV Fr 0 1 55 1 55 4 30 3600 A Fkmolhkmol s 1 1 12 A 0 1 A y PA0 5 atm 0 9 A x 0 5 0 079 0 082 500273 A nP Cmol L VRT PVnRT 0A nP C VRT k 7 8 109 exp 19220 773 s 1 0 27 s 1 T 500 273 773K 0 90 90 9 0000 00 0 1 1 1 1 A x AAAAA A AAAAA A A dxdxdxxdxV x FrkCkCx kC x 0 9 0 9 00 0 0 00 1 1 2ln 1 1 AAAA A AAAA FFxdx Vx kCxkCx 2 4 13 0 V Lm D 0 90 9 0 00 00 111 2ln 2ln 0 0083 11 A AA AAA FV xxh vkCxkx 3 00 0 00 1 55 0 082 773 19 99 5 AA AA FF RT vmh CP 0 V dV t v 0 A A A F dVdx r 00 1 1 AAAA FxRTFxFF v nP CP VRT 0 000 000 1 1 A VVx AA AAAAAA F dxdVPdV t vRTFxr C Fx FFRTF v n CP V 0 000 000 1 A AAAAAA A gR gS g tF tt FxF xF x 0 00 00 00 0 1 1 1 1 111 lnln1018 57 1 10 124 AA A xx AAA A AAAA AAA A x A AA F dxdx x r C Fx kCCx x dx s kxkx 例例6 某气体的二聚反应正反应是二级反应 反应速率常数可用下式表达 1 2 2 k k AP 2 1 5470 log8 063 kmolL h cm T 逆反应是一级反应 当温度为638 时 12 1 27Kkk 在内径为10 cm的管式反应器内进行此反应 总进料为 F 10 kmol h 其中组分A与惰性气体摩尔比为1 0 5 反应温度保持在638 p 1kgf cm2 求组分A的转化 率为50 时反应管的长度 00 2 3 ppAA A p ttA nnn x x ppp nnx 1 2 2 k k AP 2 1 mol L h AAp rk pp K 0 0 A x A AA dxV Fr 解解 00 001 5 Adt tnnn 0 1 2 1 3 AAAA A ttA nxnx ppp nnx 22 2 1 11 33 AA AAp AA xx rk ppk KxKx 00 31 1 22 A AAAAdt x tt nxn xnn 1 54705470 log8 0638 063 638273 k T 12 1 27Kkk 1 116k 0 0 2 0 5 2 0 3 73 6 0813 165 08 A x A A A A AA dx VF r x dx xx 33 0 10 106 67 10 1 5 A Fmol h 22 11 2 2 2 1 11 33 6 0813 165 08 91 4 3 AA AAp AA AA A xx rkppk KxKx xx x 2 4 12 86 V Lm D xAI 01 77 0 051 98 0 102 21 0 152 50 0 202 90 0 253 50 0 304 28 0 355 72 0 408 40 0 4517 20 0 50312 5 0135 0 246 4 3 2 1 38 n x n x IdxIIII IIII 2 73 1 38101101000VLcm Example 7 A homogenous 均相 gas reaction A 3P has a reported rate at 215 rA 0 01CA1 2mol liter sec Find the space time needed for 80 conversion of a 50 A 50 inert 惰性气体 feed to a plug flow reactor operating at 215 and 5 atm CA0 0 0625 mol liter 解解 Solution For this stoichiometry 计量计量 and with inerts A 3 P 0 0 0 A x A A A dxV C vr 0 1 2 0 21 2 0 1 2 1 2 0 8 1 2 0 1 2 0 1 10 1 1 100 1 A x A A A A A A AA A dx C x C x x Cdx x The integral can be evaluated in any one of three ways graphically numerically analytically 0 3 1 20 5 1 AA y rA 0 01CA1 2mol liter sec CA0 0 0625 mol L 1 2 1 2 1 1 A A x x 3 009 00 2 004 00 1 5252 33 1 2241 50 1 001 00 1 1 A A x x 0 8 0 6 0 4 0 2 0 xA Graphical Integration xA 1 2 1 2 1 1 A A x x 0 20 40 60 8 面积 1 35 0135 0 246 4 3 2 n x n x IdxIIII IIII 1 2 0 8 1 2 0 1 1 34 1 33 75 A A A x dx x s 1 2 0 8 1 2 0 1 1 A A A x dx x 1 2 0 0625100 1 3533 8s Numerical Integration Analytical Integration 1 2 0 8 1 2 0 0 8 20 0 8 2 0 1 1 1 1 arcsin1 1 328 A A A A A A AA x dx x x dx x xx 1 2 0 0625100 1 32833 8s The homogenous gas decomposition of phosphine 4 PH3 g P4 6H2 Proceeds at 649 with the first order rate Fig 5 5 on page 106 Example 8 What size of plug flow reactor operating at 649 and 460 kPa can produce 80 conversion of feed consisting of 40 mol of pure phosphine per hour rPH3 10 CPH3 h Solution 4A R 6S 0 0 A x A AA dxV Fr 0 0 0 0 0 000 0 0 1 10 1 1 11 1 ln 10 1 1 A A A x A A A A AAA x x AAA AAAAAAA AAA dxV x F C y x y x dxy xy x Cxx 0 0 1 1 A AA AAA x CC yx 3 0 460000 60 8 314 649273 A nP Cmol m VRT 0 6 143 1 44 AA y rA 10CA h 0 40 A Fmol h 0 0 0 0 1 10 1 A x A A A A AAA dx VF x C yx 00 0 0 1 10 1 A x AAAA A AA Fyx dx Cx 0 00 0 3 1 1 ln 101 0 148 A AAAAAA AA F yxyx Cx m 2009 5 3 用平推流反应器用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应 每天生 产乙酸乙酯 进行乙酸和乙醇的酯化反应 每天生 产乙酸乙酯12000 kg 其化学反应式为 其化学反应式为 AABRS rk C CC CK 1 2 3263252 k k CH COOH AC H OH BCH COOC H RH O S 原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A B S 1 2 1 35 反应液 的密度为 反应液 的密度为1020 kg m3 并假定在反应过程中不变 反 应在 并假定在反应过程中不变 反 应在100 下等温操作 其反应速率方程为 下等温操作 其反应速率方程为 已知已知100 时 时 k 4 76 10 4 L mol min 平衡常数 平衡常数 K 2 92 试计算乙酸转化 试计算乙酸转化35 时所需的反应体积 时所需的反应体积 例例9 2009 5 3 由于乙酸与乙醇的反应为液相反应 故可认为是由于乙酸与乙醇的反应为液相反应 故可认为是等 容过程 等 容过程 等容下平推流反应器的空时与条件相同的 间歇反应器反应时间相等 等容下平推流反应器的空时与条件相同的 间歇反应器反应时间相等 已求出达到题给要求所 需的反应时间为 已求出达到题给要求所 需的反应时间为 t 118 8 min 改用平推流反应器连续操作 如要达到同转化率 要求应使空时 改用平推流反应器连续操作 如要达到同转化率 要求应使空时 t 118 8 min 原料处理理为 原料处理理为 v0 4 155 m3 h 因此 反应体积因此 反应体积 VR 4 155 118 8 60 8 227 m3 假定 假定 反应物料以稳定流量流入反应器 在反应器中 刚进入的新鲜物 料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合 反应物料以稳定流量流入反应器 在反应器中 刚进入的新鲜物 料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合 三 全混流反应器三 全混流反应器 CSTR Continuous stirred tank reactor CSTR 1 基本假定和特点 基本假定和特点 全混流反应器的特点 全混流反应器的特点 定态操作 定态操作 反应器中的各操作参数反应器中的各操作参数 C T 不随时间变化 也不随位置变 化 不随时间变化 也不随位置变 化 反应速率在各点处相同 且不随时间变化反应速率在各点处相同 且不随时间变化 等速反应器等速反应器 出口处的出口处的C T的等于反应器内的的等于反应器内的C T 多用于液相反应 恒容操作多用于液相反应 恒容操作 关键组分关键组分关键组分关键组分 输入速率输出速率转化速率累积速率 0 AAA FFVr 00 0 AAAA AA CCCxV vrr 000AAA rVCvCv 2 物料衡算 物料衡算 0 AAA F xVr 0 A AA xV Fr 00 0 A AA vC xF AA AA v C x Fr A AA VC xr 1 A r A C 0A C 0 面积 2009 5 3 在全混合反应器中进行 以在全混合反应器中进行 以AlCl3为催化剂 反应温度为催化剂 反应温度 20 液料的体积流速 液料的体积流速0 5 m h 丁二烯和丙烯酸甲酯 的 初 始 浓 度 分 别 为 丁二烯和丙烯酸甲酯 的 初 始 浓 度 分 别 为 CA0 96 5 mol m3和和 CB0 184 mol m3 催化剂浓度 催化剂浓度CP 6 63 mol m3 速率方程 速率方程 rA kCACP 式中 式中k 1 15 10 3 m3 mol ks 若要求丁二 烯转化率为 若要求丁二 烯转化率为40 求反应器体积 求反应器体积 例10例10 H2CC H H CCH2 H2CC H COOCH3 COOCH3 A B C 2009 5 3 解 解 0 1 A AAPAAP dC rkC CkCx C dt 0 0 AA A CxV rv PA A PAA AA A AA Cxk x CxkC xC r xC 1 1 0 00 28 24 4 87 63 6 4 01 1015 1 40 0 3 hks 3 0 14 125 028 24mvV 2009 5 3 在全混流反应器中一级不可逆反应 液相反 应 在全混流反应器中一级不可逆反应 液相反 应A 2 R rA kCAkmol m3 h k 9 52 109 exp 7448 4 T h 1 CA0 2 3 kmol m3 MR 60 CR0 0 若转化率 若转化率xA 0 7 装置的 生产能力为 装置的 生产能力为50000 kg产物产物R 天 求天 求50 等温 操作时进料容积流速 等温 操作时进料容积流速v0 所需反应器的有效 容积 所需反应器的有效 容积 用于非生产性操作时间用于非生产性操作时间t0 0 75 h 例例11 2009 5 3 解解 1 进料速度 1 进料速度v0 0 2 RAA CCx 60 7 0 3 2 0 RAA MxC以 hmv 78 10 7 03 226024 50000 3 0 2 反应器有效容积反应器有效容积V 1 0 0A A A AA xk x kC xC v V 30 34 27 1 m xk xv V A A 00 50000 24 RR R Fv C M 2009 5 3 例例12 1 2 k k ABPR 液相反应液相反应 在在120 时正逆反应速率常数分别为 时正逆反应速率常数分别为k1 8 L mol min k2 1 7 L mol min 若反应在全 混釜反应器中进行 其中物料容量为 若反应在全 混釜反应器中进行 其中物料容量为100L 两股 进料流同时等流量倒入反应器 其中一股含 两股 进料流同时等流量倒入反应器 其中一股含A 3 0mol L 另一股含 另一股含B 2 0mol L 求当组分 求当组分B的转 化率为 的转 化率为80 时 每股料液的进料流量应为多少 时 每股料液的进料流量应为多少 2009 5 3 解 假定在反应过程中物料的密度恒定不变 当B的转 化率为0 8时 在反应器中和在反应器出口流中各 组分的浓度应为 0 0 1 5 1 0 A B Cmol L Cmol L 0 00 1 1 0 0 20 2 1 5 1 0 0 80 7 BBB AABB CCxmol L CCCxmol L 0 8 0 8 p R Cmol L Cmol L 2009 5 3 对于连续流动釜式反应器 00 0 0 00 1000 04 5 min 0 8 AABB AB AB AABB CCCCV vrr VrVr vL CCCC 由于是可逆反应 有 12 80 70 21 70 80 8 0 04 min ABABps rrk C Ck C C mol L 12 2 5 minvvL 2009 5 3 用全混流反应器用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应 每天生 产乙酸乙酯 进行乙酸和乙醇的酯化反应 每天生 产乙酸乙酯12000kg 其化学反应式为 其化学反应式为 AABRS rk C CC CK 3263252 CH COOH A C H OH B CH COOC H R H O S 原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A B S 1 2 1 35 反应 液的密度为 反应 液的密度为1020kg m3 并假定在反应过程中不变 反应在 并假定在反应过程中不变 反应在100 下等温操作 其反应速率方程为 下等温操作 其反应速率方程为 已知已知100 时 时 k 4 76 10 4L mol min 平 衡常数 平 衡常数K 2 92 试计算乙酸转化 试计算乙酸转化35 时所需的 反应体积 时所需的 反应体积 例例13 2009 5 3 通过乙酸的起始浓度和原料中各组