化学反应工程课件 第三章1-2.pdf

概述概述 1 简单反应器简单反应器 2 讲授内容讲授内容 反应器类型和操作方法评选反应器类型和操作方法评选 4 组合反应器组合反应器 3 第三章理想均相反应器第三章理想均相反应器 非等温过程非等温过程 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 最终的目标 最终的目标 经济效益最大 实际上不应该仅仅针对反应系 统 应该包括整个过程 经济效益最大 实际上不应该仅仅针对反应系 统 应该包括整个过程 反应器设计的基本内容 反应器设计的基本内容 选择合适的反应器类型 选择合适的反应器类型 确定最佳操作条件 确定最佳操作条件 计算完成规定的生产任务所需的反应器体积 计算完成规定的生产任务所需的反应器体积 3 1 概述概述 一 反应器设计的基本内容一 反应器设计的基本内容 物料衡算 物料衡算 描述浓度的变化规律描述浓度的变化规律 对于反应关键组分 对于反应关键组分 对于反应产物组分对于反应产物组分 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 产物组分产物组分产物组分产物组分 输入速率生成速率输出速率累积速率 二 反应器设计的基本方程二 反应器设计的基本方程 能量衡算 能量衡算 描述温度的变化规律描述温度的变化规律 单位时间内单位时间内单位时间内单位时间内 输入的热量输出的热量的反应热累积的热量 动量衡算 动量衡算 描述压力的变化情况描述压力的变化情况 单位时间内单位时间内单位时间内单位时间内 输入的动量输出的动量消耗的动量累积的动量 动力学方程式 动力学方程式 描述反应的变化情况描述反应的变化情况 A AAB dn rkC C Vdt 首先要选择控制体首先要选择控制体 如果反应器内各处浓度均一 衡算的控制体可选 择整个反应器 如果反应区内存在两个或两个以 上相态 反应体积内各处的反应物组成未必相同 这时只能选择微元体积作为控制体 如果反应器内各处浓度均一 衡算的控制体可选 择整个反应器 如果反应区内存在两个或两个以 上相态 反应体积内各处的反应物组成未必相同 这时只能选择微元体积作为控制体 均相反应器的特征均相反应器的特征 物料在反应器内已达到物料在反应器内已达到分子尺度的均匀分子尺度的均匀 混合 时间远小于反应时间 混合 时间远小于反应时间 实现的途径 实现的途径 1 机械搅拌 机械搅拌 2 湍流脉动 湍流脉动 3 分子扩散 分子扩散 考察一个反应过程是否为均相反 应过程 不应仅仅着眼与反应物 系的相态 更重要的是考察微元 尺度的传递过程是否会影响反应 结果 考察一个反应过程是否为均相反 应过程 不应仅仅着眼与反应物 系的相态 更重要的是考察微元 尺度的传递过程是否会影响反应 结果 三 均相反应系统三 均相反应系统 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 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 理想管式反应器理想管式反应器 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 四 理想反应器的主要类型四 理想反应器的主要类型 一 一 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 二 二 理想管式反应器理想管式反应器 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 三 三 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 3 2 简单反应器简单反应器 一 间歇反应器一 间歇反应器 分批装 卸 分批装 卸 适用于不同品种和规格的产品 的生产 广泛用于医药 试剂 助剂等生产 适用于不同品种和规格的产品 的生产 广泛用于医药 试剂 助剂等生产 1 特点 特点 整个操作时间 反应时间 辅助时间 装 卸 清洗 整个操作时间 反应时间 辅助时间 装 卸 清洗 反应器内浓度及温度处处相等反应器内浓度及温度处处相等 控制体 控制体 整个反应器体积 整个反应器体积 非定态操作 非定态操作 反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变 反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变 可忽略压力变化 可忽略压力变化 描述反应器的数学模型应包括物料衡算和能量衡算方 程 由于两者间的偶联关系 必须联立求解 描述反应器的数学模型应包括物料衡算和能量衡算方 程 由于两者间的偶联关系 必须联立求解 2 物料衡算和能量衡算方程 物料衡算和能量衡算方程 对于简单反应 对于简单反应 ABCDH 物料衡算方程 物料衡算方程 的积累速度 在反应器内 的量反应掉 单位时间内 的量流出的 单位时间内 的量的物料 单位时间流入A AAA 00 dt VCd A VrA 0 0 1 AAAAA AA dnxd VCdndx nr V dtdtdtdt 初始条件 初始条件 0 0 A x 0 0 TT 0 A A A dx nVdt Vr 0 00 A xt A A A dx ndtt Vr A A A C C A A x A A A r dC r dx Ct 0 0 0等容过程 液相反应等容过程 液相反应 图解积分示意图图解积分示意图 sketch map of schema integral t cA0 rA 1 xxAxA0CA t rA 1 CACA0 A A A C C A A x A A A r dC r dx Ct 0 0 0 一级不可逆反应一级不可逆反应 1st Order Reaction irreversible AA rkC 0 A A C A C A dC t kC 0 ln A A C kt C ln 1 A ktx 1 kt A xe 0 kt AA CC e 3 理想间歇反应器中的反应结果 理想间歇反应器中的反应结果 反应级数反应速率残余浓度式转化率式 n 0 n 1 n 2 n级 n 1 AA rkC A rk 2 A A rkC A n A rkC 0A A C ktln C 0AA ktCC 0AA ktCx 0 kt AA CC e 1 kt A xe 1 1 A ktln x 0 11 AA kt CC 0 1 1 A AA x kt Cx 0AA CCkt 0 A A kt x C 0 0 1 A A A C C C kt 0 0 1 A A A kt x C C kt 11 0 1 1 nn AA ktCC n 11 0 11 1 nn AA xktnC 表表3 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式 4 实际反应器体积的计算 实际反应器体积的计算 对于沸腾或易发泡液体反应物料 在对于沸腾或易发泡液体反应物料 在0 4 0 6 V V 实 际 实际的反应器体积实际的反应器体积为 为装料系数 通常在 为 为装料系数 通常在0 4 0 85 对于一般的液体物料 在对于一般的液体物料 在0 7 0 85 实际操作时间实际操作时间 反应时间反应时间 t 辅助时间辅助时间 t 反应体积反应体积V是指反应物料在反应器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积 V v0 t t 例例1某厂生产醇酸树脂是使己二酸和己二醇以等摩尔 比在 某厂生产醇酸树脂是使己二酸和己二醇以等摩尔 比在70 用间歇釜并以 用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应 而生产的 实验测得反应的动力学方程式为 作催化剂进行缩聚反应 而生产的 实验测得反应的动力学方程式为 rA kCA2kmol L min k 1 97 L kmol min CA0 0 004 kmol L 求己二酸转化率分别为求己二酸转化率分别为xA 0 5 0 6 0 8 0 9所需的反 应时间为多少 所需的反 应时间为多少 若每天处理若每天处理2400kg己二酸 转化率为己二酸 转化率为80 每批操作 的非生产时间为 每批操作 的非生产时间为1hr 计算反应器体积为多少 设反应 器的装料系数为 计算反应器体积为多少 设反应 器的装料系数为0 75 解 1 达到所需要求的转化率所需的反应时间为 解 1 达到所需要求的转化率所需的反应时间为 AAA x A A A x AA A A x A A A x dx kCxkC dx C r dx Ct 0 2 0 0 2 2 0 0 0 0 1 1 1 A x A A A x xd kC 0 2 0 1 11 1 1 11 1 11 0 0 0AA x AA xkCxkC A A A A x x kC 1 1 0 hr x x kC tx A A A A 10 2 60 1 5 01004 0 5 0 97 1 1 1 1 5 0 0 可见随着转化率的增加 所需的反应时间将急剧增加 因此 在确定最终转化率时应该考虑这一因素 可见随着转化率的增加 所需的反应时间将急剧增加 因此 在确定最终转化率时应该考虑这一因素 hr x x kC tx A A A A 0 19 60 1 9 01004 0 9 0 97 1 1 1 1 9 0 0 hr x x kC tx A A A A 18 3 60 1 6 01004 0 6 0 97 1 1 1 1 6 0 0 hr x x kC tx A A A A 50 8 60 1 8 01004 0 8 0 97 1 1 1 1 8 0 0 2 反应器体积的计算 反应器体积的计算 hkmolFA 684 0 14624 2400 0 1 0 0 0 171 004 0 684 0 hL C F A A 3 17 2 75 0 63 1 mV 实 反应器体积反应器体积VR v0t总 总 171 9 5 1630L 1 63m3 装料系数为装料系数为0 75 t总 t t0 9 5 h 每批操作的非生产时间每批操作的非生产时间t0 1h xA 0 80 t 8 50h CA0 0 004 kmol L 例例2 用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应 每天生产 乙酸乙酯 用间歇反应器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 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 反应液体 的密度为 反应液体 的密度为1020kg m3 并假定在反应过程中不变 每批装料 卸 料及清洗等辅助操作时间为 并假定在反应过程中不变 每批装料 卸 料及清洗等辅助操作时间为1h 反应在 反应在100 下等温操作 其 反应速率方程如下 下等温操作 其 反应速率方程如下 100 时 平衡常数 时 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 根据反应物料的特性 若反 应器填充系数取 时所需的反应体积 根据反应物料的特性 若反 应器填充系数取0 75 则反应器的实际体积是多少 则反应器的实际体积是多少 min 1076 4 4 1 molLk 1 AABRS rk C CC CK 3253252 CH COOHC H OHCH COOC HH O ABRS hkmolFA 23 16 35 02488 12000 0 hmv 155 4 1020 35 4 6023 16 3 0 解 解 首先计算原料处理量首先计算原料处理量FA0 根据题给的乙酸乙酯产量 可算出每小时乙酸需用量为 由于原料液中 乙酸 根据题给的乙酸乙酯产量 可算出每小时乙酸需用量为 由于原料液中 乙酸 乙醇乙醇 水水 1 2 1 35 所以所以1 2 1 35 4 35kg原料液中含原料液中含1kg乙酸 由此可求单位时间的原料液量 乙酸 由此可求单位时间的原料液量 体积体积 为 原料液的起始组成如下 为 原料液的起始组成如下 0 16 23 3 908 4 155 A Cmol L 0 3 908 60 2 10 2 46 B Cmol L 0 3 908 60 1 35 17 59 18 S Cmol L 则有 则有 00BBAA CCCx 00SSAA CCCx 0 1 AAA CCx 0RAA CC x 3253252 CH COOHC H OHCH COOC HH O ABRS 代入速率方程 代入速率方程 1 KCCCCkr SRBAA 期中期中a CB0 CA0 2 61 b 1 CB0 CA0 CS0 CA0K 5 15 c 1 1 K 0 675 2 0 2 1 AAAA Ccxbxakr 则反应时间为 则反应时间为 代入上式 代入上式 434 4908 31076 4 1 4 t 所需反应体积为 所需反应体积为 3 00 38 12 160 8 118 155 4 mttvVR 反应器实际体积为 反应器实际体积为 3 51 1675 0 38 12mV 实 axacbb axacbb acbCk cxbxa dx Ck t A A A x AA A A A 2 4 2 4 ln 4 1 1 2 2 2 01 0 2 01 0 0 A x A A A dx tC r 例例3 在等温间歇釜式反应器中进行下列反应 在等温间歇釜式反应器中进行下列反应 PBA QA 2 2 3 hmkmolCr AP 5 0 32 hmkmolCr AQ 反应开始时反应开始时A和和B的浓度均为的浓度均为2 kmol m3 目的产物为 目的产物为P 试 计算反应时间为 试 计算反应时间为3 h时时A的转化率和的转化率和P的收率 的收率 解解 A的反应速率为 的反应速率为 dt dC CCrrr A AAQPA 2 22 则 则 AA A CC dt dC 2 2 移项积分移项积分 A A C C AA A t CC dC dt 02 2 0 2 2 ln 2 1 0 0 AA AA CC CC t A A C C 2 2 ln 2 1 3 33 10482 2mkmolCA 则组分则组分A的转化率为 的转化率为 88 99 2 10482 22 3 A x A P C dt dC 2 AA A CC dt dC 2 2 A P A C dC dC 2 1 1 A A P C C A A C P C dC dC 0 2 1 0 因此因此P的得率为 的得率为 1 3838 69 19 2 P X