化学反应工程知识点7~10讲义.doc

知识点7. 反应器设计概述一、主要讲解内容本讲主要介绍三种理想反应器理想的间歇式反应器、全混流反应器及平推流反应器的含义及基本设计思路。二、学习要求 掌握三种理想反应器的内涵，理解各种反应器理想型的联系与区别。三、视频（已录制完成）四、讲义本章主要给大家介绍的是如何进行反应器的设计，何种反应器又是最优的反应器？反应器按照其操作方式可分为间歇式反应器、连续流动式反应器及半连续（或半间歇式）反应器，而从反应器理想性的角度分，可将反应器分为理想反应器及实际反应器，本讲要介绍的就是三种理想反应器的概念，包括理想的间歇式反应器（BR）、平推流反应器（PFR）及全混流反应器（MFR）。1. 理想的间歇式反应器理想的间歇式反应器如图1所示，物料一次性投入反应器中，其特点为在任何时刻反应器中均具有均一的温度和均一的浓度，但是温度和浓度可能会随时间而变，属于一种非稳态操作。图1 理想的间歇式反应器2. 全混流反应器全混流反应器是一种连续流动式反应器，物料连续流入流出，反应器中具有均一的温度和均一的浓度，且不随时间而变，反应器中温度和浓度与出口一致。 温度和浓度相同图2 全混流反应器提到全混流反应器需要介绍一个新的概念返混，指的是不同停留时间物料之间的混合。对于全混流反应器，其返混是一种极端的情况，刚刚进入反应器的物料和停留时间无限长的物料之间存在混合，且反应器中物料的状态和出口完全一致，其返混记为。全混流具有温度浓度恒定的特性，所以其中反应速率是一个常数。3. 平推流反应器平推流反应器是一种管式反应器，物料连续流动，流体在管内作平推流流动具有如下两特征：（1）在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布，在同一轴向位置具有均一的温度和浓度。浓度和温度等会随轴向位置而变，因此反应速率是轴向位置的函数。（2）在流体流动的方向不存在流体质点间的混合，即无返混现象，或者返混为0。因此，各质点具有相同的停留时间，等于反应时间t。图3平推流反应器对于各类反应器，进行反应器的设计需要反应器的设计方程，设计方程主要来源于两个方面，物料衡算方程和热量衡算方程。恒温反应只需物料衡算方程，变温反应需要两者相结合。物料衡算方程：反应物流入某微元的速率反应物流出的速率反应物由于反应而消失掉的速率反应物在微元中累积的速率=+热量衡算方程，能量流入某微元的速率能量量流出的速率由于反应而消失的能量的速率在微元中能量累积的速率=+五、小结本讲主要介绍了三种理想反应器理想的间歇式反应器、平推流反应器、全混流反应器的含义，要求掌握三种理想反应器理想的内涵，其中的区别与相似之处.六、自测题 （无）知识点8. 理想的间歇式反应器及其设计计算一、主要讲解内容本部分主要讲解理想的间歇式反应器的设计方程、特定反应在间歇式反应器中进行时反应器的设计计算、反应器设计方程的图解表示。二、学习要求掌握间歇式反应器的设计方程，掌握恒容和变容反应在间歇式反应器中进行时的不同，掌握间歇式反应器设计方程的图解表示。三、视频（已录制完成）四、讲义物料衡算方程，流入=流出+因反应而消失+累积对于间歇式反应器，在正常操作的条件下，流入=流出=0，以反应物A为着眼组分，则因反应而消失的速率=(-rA).V；累积的速率=。从而可得，分离变量得，从0时刻到t时刻积分，得， （1）又，则（1）式可变形为， （2）（1）式及(2)式即理想的间歇式反应器的设计方程。若 t=0时, A的摩尔数为NAi转化率为XAi，则，（1）式及(2)式分别成为如下形式： （3） （4）注意，流体的体积和反应速率都不可以从积分号中提出，这是由于随着反应的进行二者可能都会逐渐发生变化。对于恒容反应，A=0，V=Const.，则，设计方程可写作， （5）特殊地，对于1级不可逆恒容反应，带入（5）式得，对于变容反应，V=V0 (1+eA XA)， （6）特殊地，如果为1级不可逆变容反应，带入（6）式得，=可以发现，对于在间歇式反应器中进行的一级不可逆反应，若速率常数一致，不论反应是恒容还是变容，达到相同的转化率所需的时间是一样的。由（4）式可得，表示在图上，XA曲线下方0XA之间的面积即，如图1所示。XA0XA图1 间歇式反应器设计方程的图解表示对于恒容的情况，设计方程如（5）式所示，则同样可将此设计方程以图解的方式表示，参见图2。XA0XACACACA0图2 恒容间歇式反应器设计方程的图解表示需要注意：间歇式反应器中进行的反应，反应器的体积大小不影响转化率，影响转化率的主要因素是反应时间。间歇式反应器的生产能力主要取决于反应器的有效体积。五、小结1. 间歇式反应器的设计方程为：或2. 在间歇式反应器中进行的恒容一级不可逆反应和变容一级不可逆反应均满足：。3. 图上表示间歇式反应器的设计方程XA0XA恒容时，XA0XACACACA0六、自测题 1. 理想的间歇式反应器的设计方程为或。2. 在间歇式反应器中进行的恒容反应：CA0=1 mol/L, 若最终CA=0.2mol/L (XA=0.8), 所需反应时间t=3.22min。3. 间歇式反应器中的变容反应 (恒温恒压的气相反应) CA0=1 mol/L, 若 XA达到0.8, 所需反应时间t=3.22min。知识点9. 平推流反应器及其设计计算一、主要讲解内容主要介绍了平推流反应器的设计方程及其图解表示。二、学习要求掌握平推流反应器的设计方程、其推导过程及其图解表示方法，掌握平推流反应器和间歇式反应器设计方程的区别与联系。三、视频（已录制完成）四、讲义平推流反应器和全混流反应器属于连续流动式反应器，对于连续流动式反应器首先需要定义两个新的量空时和空速s，这两个量仅适用于流动反应器。有体积空时/空速和质量空时/空速之分，二者是不等同的，在本课程中指的是体积空时/空速。空时定义为，时间单位其中V为反应器有效体积，v0为反应器入口处的进料的体积流率。空时指处理一个反应器体积的进料所需的时间。空时并非简单的时间，它可以表达流动反应器的处理量。越小，处理量越大.空速s和空时之间互为倒数，时间-1空速也不是一个简单的速度，指单位时间内可以处理几个反应器体积进料。和反应时间t不等同。例如,对于平推流反应器,若为恒容反应, ，若为变容反应, 。通过对平推流反应器做物料衡算可推得其设计方程，本章只考虑等温反应的情况，如图1所示，反应器中物料的浓度随着轴向位置的不同而不同，对平推流反应器列物料平衡方程，只能选择其中的一个微分段，如图1中所给的体积为dV或者说长度为dl的微分段进行物料衡算，这个小微元中浓度可视为一恒定值，即反应速率为一恒定值，根据物料衡算方程，流入 =流出 + 因反应而消失+ 累积考虑稳态流动的情况，则累积速率为0。即，得，分离变量，从反应器入口到出口积分，得，又因为，则， (7)此即平推流反应器的设计方程。图1 平推流反应器示意图对于恒容反应，则，带入（7）式中得，回顾恒容的间歇式反应器的设计方程,可以发现，对于恒容反应，达到一定的转化率在间歇式反应器中所需的反应时间和平推流反应器中所需的空时是相等的。跟据平推流反应器的设计方程，也可将其表示在图上，如图2所示。CA0CACA0XAXA一般情况恒容情况图2 平推流反应器设计方程的图解表示五、小结1. 平推流反应器的设计方程恒容时，2. 对于恒容反应，达到一定的转化率在间歇式反应器中所需的反应时间和平推流反应器中所需的空时相等。3. 平推流反应器设计方程的图解表示CA0CACA0XAXA一般情况恒容情况六、自测题1. 某液相反应于50下在间歇反应器中进行，反应物A转化80需要8min，如果于相同条件下在平推流反应器中进行，则达到同样的转化率需要的空时为 8min ；2. 纯气体A (浓度2 mol/L，摩尔流率100mol/min)在平推流反应器里分解生成一系列产物，其动力学为 在一个22 L的反应器里进行反应所能达到的转化率为 90%。知识点10. 全混流反应器及其设计计算一、主要讲解内容本讲主要介绍全混流反应器设计方程及其推导过程，以及设计方程的图解表示，讲述了利用全混流反应器进行动力学数据求取的方法，对平推流及全混流反应器进行了对比。二、学习要求掌握全混流反应器设计方程及其推导，会利用全混流反应器实验数据分析计算反应动力学数据。三、视频（已录制完成）四、讲义全混流反应器示意于图1中，其中FA0为入口处的摩尔流率, mol/hr，mol/min；CA0为入口处A的浓度，mol/Liter, mol/m3；v0入口处物料的体积流率, m3/hr； m3/min, Liter/hr, Liter/min。CA0 , v0CAFA0CA0CA图1 全混流反应器示意图根据物料平衡关系，流入 =流出 + 因反应而消失+ 累积考虑稳态流动的情况，则累积速率为0。则：其中，得，或：变形得，或者，这就是全混流反应器的设计方程。特殊地，对于恒容反应，其设计方程可写作，。说明，根据全混流反应器的特性，全混流反应器设计方程中的反应速率-rA即等于出口处的反应速率-rAf。若在入口处反应物已经发生转化，设转化率为XAi，则设计方程应写为,这是全混流反应器设计方程的通用形式。根据其设计方程，可以知道在XA图上，XAiXAf之间高度为的矩形的面积，如图2所示。XAXAfXAi图2全混流反应器设计方程的图解表示根据全混流反应器的设计方程，可以依据具体的转化率要求计算处理一定量原料所需的反应器大小，对反应器进行设计，或者计算一定体积反应器所能实现的处理能力。另一方面，全混流反应器的特性使其成为一种进行动力学研究的很好的反应器，由其设计方程可推得，通过改变v0或 CA0 进行一系列的实验，可以得到一系列的rAf，如表1所示。表1 全混流反应器动力学实验数据v0CA0XAiXAfCAf-rAf利用全混流反应器进行动力学求取方面的例题参见课件。对于给定的反应可比较全混流反应器和平推流反应器的优劣，对于单一反应，选择反应器的标准主要是达到反应要求的条件所需反应器的大小，或者空时的大小。如图3所示，反应级数n0时，平推流反应器优于全混流反应器，反应级数n=0时，两种反应器效果相当。XAXAfXAiMFRPFRn0图3 平推流反应器与全混流反应器对比五、小结1. 全混流反应器的设计方程，恒容时可写作，2. 利用全混流反应器的设计方程可得，由此可进行动力学数据的求取。3. 对于单一反应，选择反应器的标准主要是达到反应要求的条件所需反应器的大小，或者空时的大小。反应级数n