第三章的讨论与分析.docx

釜式及均相管式反应器 姓名:李兴隆 学号:1303081041 班级:13能源化工班 指导老师：高大明 第三章的讨论与分析 连续流动均相管式反应器，由于长、径比较大，呈湍流流动，可以视为平推流反应器。强烈搅拌的连续流动釜式反应器中，刚进入反应器的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬时达到完全混合，可视为物料质点的停留时间分布极宽的全混流反应器。 在强烈搅拌的间歇及连续流动釜式反应器中，完全互溶的液相中物系的混合达分子尺度，不存在物质传递过程对反应的影响，即其反应动力学是本征反应动力学。如果在强烈搅拌的釜式反应器中进行液-液、液-固、气-液等非均相反应和气-液-固非催化及催化的三相反应，都存在液相与液相、固相或气相之间的相际传质过程，传质过程与搅拌情况有关，其反应动力学是包含传质的宏观反应动力学。 釜式反应器的特征 ：釜式或槽式反应器都设置搅拌装置。釜式反应器大都用于完全互溶的液相或呈两相的液-液相及液-固相反应物系在间歇状态下操作，与化学实验室内装有电动搅拌器的玻璃三口烧瓶极为类似。间歇操作时，反应物料按一定配料比一次加入反应器中，容器的顶部有一可拆卸的顶盖，以供清洗和维修用。在容器内部设置搅拌装置，经过一定的时间，反应达到规定的转化率后，停止反应并将物料排出反应器，完成一个生产周期。反应器内液相均相和气-液相反应的物料浓度处处相等。反应器内具有足够强的传热条件，无需考虑反应物料内的热量传递问题。反应器内物料同时开始和停止反应，所有物料具有相同的反应时间。间歇反应器的优点是操作灵活，适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇反应器缺点是，装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间。 间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的动力学及积分结果均相管式反应器的特征：在连续管式反应器中，在流速较大的湍流状态时，虽然径向速度分布较均匀，但在边界层中速度仍然因壁面的阻滞而减慢，使径向和轴向都还存在一定程度的混合，人们设想了一种理想流动，即认为物料在反应器内具有严格均匀的径向速度分布，物料像活塞一样向前流动，反应器内没有返混。这种流动称为平推流，亦称活塞流，当管式反应器的管长远大于管径且物系处于湍流状态时接近于平推流流动，习惯用PFR，即Plug Flow Reactor来表示。 平推流反应器具有以下特点：在连续定态条件下操作时，反应器的径向截面上物料的各种参数，如浓度、温度等只随物料流动方向变化，不随时间而变化；由于径向具有均匀的流速，也就是在径向不存在浓度分布，反应速率随空间位置的变化只限于轴向；由于径向速度均匀，反应物料在反应器内具有相同的停留时间。如果反应物系是液相，在等温反应过程中，无论摩尔流量有无变化，物系的密度均可视为不变，即等容过程，定态下平均停留时间tm可用反应器体积VR与液相物系进口体积流量V0之比来确定，即tm=VR/V0。如果反应物系是气相，例如低碳烃热裂解反应，由于变温和摩尔流量不断增加，即变容过程，物系的体积流量沿反应器轴向长度而变，定态下平均平均停留时间不能用VR/V0来计算。根据平推流反应器的特点，应取反应器内一微元体积dVR进行物料衡算。在微元体内反应物料的浓度、温度均匀一致。微元中单一反应物料衡算如下 进行积分时，需知道(rA)V与xA的函数关系。为此，要注意两点：反应是等温还是变温，等温时反应速率常数为常数，变温反应时要结合热量衡算式建立k与xA的关系；如化学计量式中，对于气相反应，过程中气体混合物的摩尔流量和体积流量不断地变化，需建立反应物系体积流量xA的关系连续流动釜式反应器的特征及数学模型：连续流动釜式反应器在强烈搅拌情况下可视为全混流反应器，反应物料连续地加入和流出反应器，不存在间歇操作中的辅助时间问题。在定态操作中，容易实现自动控制，操作简单，节省人力，产品质量稳定，可用于产量大的产品生产过程。 由于强烈搅拌，反应器内物料达到全釜均匀的浓度和温度。这种连续流动反应器的流动状况称为全混流反应器，常用CSTR表示。 这种全混流也是一种理想化的假设，实际工业生产中广泛使用连续搅拌釜式反应器进行液相反应，只要达到足够的搅拌强度，其流型很接近于全混流。根据全混流的定义，进入反应器的反应物料与存留于反应器中的物料达到瞬间混合，而且在反应器出口处即将要流出的物料也与釜内物料浓度相等。全混流反应器的特点是反应器中反应物料的浓度处于出口状态的低浓度，而反应产物浓度则处于出口状态的高浓度。全混流反应器的反应速率由釜内的浓度和温度所决定。 根据全混流反应器的特征，可对整个反应器作物料衡算。定态下，反应器内反应物料的累积量为零，V0和cA0分别为液相物料进口流量和反应组分A的浓度，反应物料充满整个反应器，其体积为VR。对关键反应组分A作物料衡算 化简得 式中(rA)f表示按出口浓度计算的反应速率。当反应器进口 物料中已含反应产物，即如果已知反应速率rA与反应物浓度cA（或转化率xA）的动力学关系，可以标绘成1/rAcA的曲线；全混流反应器中进行反应的接触时间为图中的矩形面积，而相同条件等温平推流反应器所需接触时间为1/rAcA曲线下面的面积，明显低于全混流反应器。多级全混釜的串联及优化：1. 多级全混釜的浓度特征平推流反应器是无返混的反应器，全混流反应器是返混最大的反应器。从反应过程的推动力来比较，平推流反应器的反应推动力比全混流反应器的反应推动力大得多，平推流反应器的反应速率沿物料流动方向有一个由高到低的变化过程，全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物料低浓度的低速率状态。为此，为了降低返混影响的程度，提高全混流反应过程的推动力，常采用多级全混流反应器串联的措施。 一个体积为VR的全混流反应器改用m个体积为VR/m的全混流反应器串联来代替，若两者的初始浓度和最终浓度相等，则后者的平均推动力大于前者。当只用一个全混流反应器时，整个反应器中反应物浓度均为cAf，反应过程的平均推动力比例于浓度cAf与平衡浓度之间的矩形面积； 若采用多级串联，各级全混流反应器中的浓度分别是cA1、cA2、cA3、cAf，除最后一级外，其余各级都在高于单级操作时的浓度下进行，因此平均推动力提高。级数越多，过程就越接近平推流反应器。从图还可看出，对多级全混釜，每一级内浓度是均匀的，等于该级的出口浓度，而各级之间浓度是不同的。 理想流动反应器的组合：工业生产常将平推流与全混流反应器按一定方式加以组合。以下讨论等温下两个体积相同的理想反应器组合进行一级不可逆等容单一反应的几种情况。其中各反应器中反应温度，进料流量V0、反应物浓度cA0都相同、且各个反应器体积VR均相同(a) 为两个全混流反应器并联，每只全混流反应器出口浓度即为混合后的出口浓度 (b) 为两个全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为 式中cA1为第一反应器组分A出口的浓度。平行反应：反应物同时独立地进行两个或两个以上的反应称为平行反应。化工生产中许多取代、加成及分解反应过程存在着平行反应。 若各反应组分的化学计量数均相等，典型的平行不可逆液相反应可表示：L (主反应) L (主反应） M (副反应) M (副反应)选择率的温度效应 设反应物A在两个平行竞争的反应中，生成主产物L和副产物M，主、副反应的级数分别为n1、n2，主、副反应的活化能分别为E1、E2，由选择率定义温度对选择率的影响由比值k2k1所确定，由动力学可知当n1n2，即主反应级数大于副反应级数，s随cA的升高而增大；当n1n2，即主反应级数小于副反应级数，s随cA的升高而减小；当n1=n2时，s与cA无关由此可知，对于平行反应，当主反应级数大于副反应级数，即需要cA高时，可以采用平推流反应器(或间歇反应器)；或使用浓度高的原料，或采用较低的单程转化率等。反之，当主反应级数小于副反应级数，即需要cA低时，可以采用全混流反应器；或使用浓度低的原料(也可加入惰性稀释剂，也可用部分反应后的物料循环以降低进料中反应物的浓度)；或采用较高的转化率等。连串反应是指反应主产物能进一步反应生成其他副产物的过程，许多卤化、水解反应都属连串反应。（1）间歇及平推流反应器中连串反应的选择率 对于等温间歇反应器中进行连串一级不可逆液相反应，进料中只有组分A，并且各反应组分的化学计量数均相等，提高连串反应选择率可以通过适当选择反应物的初浓度和转化率来实现。初浓度对连串反应选择率的影响，取决于主、副反应级数的相对大小。主反应级数高时，增加初浓度有利于提高选择率；反之，主反应级数低时，降低初浓度才能提高选择率。连串反应的最佳反应时间与最大收率 多重反应中主产物的收率定义为 在连串反应中，由于总选择率总是随转化率的增大而减低，