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文档简介

第五章 化学反应器1.了解反应器的设计基础2.掌握间歇反应器和连续反应器的有关计算3.了解化学反应器的种类和流动特征。 1. 概述一、反应器与反应工程学化学反应工程学以化学反应器为研究对象的学科,它是使化学反应实现工业化的一门科学。主要任务:、正确选择反应器的型式;、合理设计反应器的结构和尺寸;、确定最适宜的温度、浓度和流动状态等操作条件。反应器设计的基本内容:选择合适的反应器类型 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(尺寸)最终的目标是经济效益最大(实际上不应该仅仅针对反应系统,应该包括整个过程) 基本方程:物料衡算-描述浓度的变化规律对任何反应器系统,其物料衡算可用以下普通式表示:反应物的加入速度=引出反应物的速度+由反应而消耗反应物速度+反应物积累速度能量衡算-描述温度的变化规律动量衡算-描述压力的变化情况研究对象:选择最合理、最经济的化学工艺路线,确定最适宜操作条件以及设计和控制反应设备为研究对象。本章主要介绍反应器的特点,操作原理及其在化工生产中的应用。二、化学反应器的分类1.按操作方法分类 操作特点:P112生产特征:反应程度和物质组成随时而变,而任一瞬间组成均匀 间歇反应器半间歇反应器生产特征:反应程度和物质组成随反应器位置而变,但不随时而变变.(但釜式又不同)连续反应器(流动式反应器) 2.按反应器的形状分类 p112 釜式(搅拌反应器)管式(活塞流反应器)物料在轴向没有混合,但组成、温度沿流向而变塔式这种分类法对于反应器的设计很有意义,因为形状相同的反应器其质量和热量传递过程情况相同。均相反应器非均相反应器3.按反应混合物的相态分类 (同一相态反应,其动力学规律相同) 4.按温度条件分类 等温反应器不等温反应器绝热反应器注意:同种反应器根据不同分类法可有不同的名称,就是同种的反应器适当地改变操作也可变成为另一种类型的反应器。各反应器结构型式、适应相态及其特点见表5-1反应器的类型很多,如果按反应器的工作原理来分,可以概括为以下几种类型种类特点应用范围管式反应器长度远大于管径,内部没有任何构件多用于均相反应过程釜式反应器高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板均相、多相反应过程均可塔式 (填料塔板式塔)高度远大于直径,内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积用于多相反应过程固定床底层内部装有不动的固体颗粒,固体颗粒可以是催化剂或是反应物用于多相反应系统流化床反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动,提高反应器内液体的混合性能多相反应体系,可以提高传热速率移动床固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触用于多相体系,催化剂可以连续再生滴流床是固定反应器的一种,但反应物还包括气液两种属于固定床的一种,用于使用固体催化剂的气液反应过程图: 反应器的类型和特点(a)管式反应器(b)规整填料塔反应器(c)喷雾塔式反应器(d)板式塔反应器(e)鼓泡塔反应器(f)气液搅拌釜式反应器(g)移动床反应器(h)循环式浆态反应器(i)半连续浆态床反应器(j)机械搅拌浆态床反应器 (k)固定床鼓泡床反应器(l)滴流床反应器基本反应器间歇操作反应釜、管式反应器、连续操作反应釜。三、流体在反应器内的流动1.两种理想流动状态及其特征(符合这两种情况反应器都是理想反应器)理想置换流动(挤出流动或柱塞流动)(物料在设备中完全没有混合)加料产物a特征:质点在垂直方向任一截面的浓度及在器内停留时间相等,在流向上没有混合扩散(没有返混),但反应物浓度不断改变。例:固定床反应器的流动;管式反应器内流体流动。理想混合流动(完全混合流动) 图见教材流体流入反应器后,一瞬间就在整个反应器分散均匀、完全混合。特征:整个反应器内各部分物料组成温度都一样,且器内连续流出的流体,其浓度和温度与器内完全一样,但是物料粒子(分子)在设备中停留时间不相同。返混-组成流体的各粒子微团在其中的停留时间长短不一,有的流体微团停留时间很长,最长可为无限,有的则瞬间离去,最短几乎为零。通常把这种先后进入反应器,具有不同停留时间的物料粒子之间的混合,称为返混例:一般流体连续通过带有搅拌机的釜式反应器时的流动状态;鼓泡塔内流体的流动、流化床内固体粒子的流动。了解:非理想流动介于两者之间,存在部分返混现象(全混流和活塞流模型对应着不同的停留时间分布,是两种极端的情况,实际反应器中的流动状况介于上述两种极端情况之间。)2.流体在反应器内的停留时间理想置换反应器:质点:没有时间分布 当体积不变(恒容)时: VR反应器的体积, (qv)-流体的体积流量,体积/时间F流体的摩尔质量流量,摩尔/时间, C-浓度,摩尔/体积。理想混合釜式反应器:质点:时间分布为 只有平均停留时间(对于连续操作的反应器,组成流体的各粒子微团在其中的停留时间长短不一,有的流体微团停留时间很长,有的则瞬间离去,从而形成了停留时间的分布。)四、反应器的物料衡算反应器基本设计方程是通过物料衡算、热量衡算并结合反应动力学方程而导得的,所以物料衡算是反应器设计基础。对任何反应器系统,其物料衡算可用以下普通式表示:(2)反应物的加

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