6.1 工业化学反应过程及反应器.ppt

化学反应工程 6 1工业化学反应过程及反应器 教学目的 了解化学反应工程要解决的主要问题了解化学反应器的主要类型 结构掌握化学反应器的操作方式和特点掌握化学反应速率 转化率 选择性和收率的概念和应用 重点难点 化学反应器的主要类型 结构和操作特点化学反应速率 转化率 选择性和收率的概念和应用 参考文献 梁斌等编 化学反应工程 科学出版社 朱炳辰主编 化学反应工程 化学工业出版社 郭锴等编 化学反应工程 化学工业出版社 张濂等编 化学反应工程原理 华东理工大学出版社 化学反应工程是一门研究在生产装置 反应器 中进行化学反应的工程学科 它把反应的化学特性和反应器的传递特性结合起来 形成了化学工程学科的一个重要分支 一 化学反应工程概述 研究内容包括两个方面的内容 即反应动力学和反应器设计分析 图1典型的化学加工过程 化学反应工程的研究对象 是生产过程的核心 工业反应过程 工业生产实践和实验室研究均表明 化学反应的结果不仅取决于化学反应自身的规律 而且在很大程度上还取决于工业反应器中物料的混合与流动 传质与传热等一系列带有共性的工程技术问题 这被称为反应器的传递特性 1 反应动力学 研究化学反应的速率和反应机理 以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息 如反应模式 速率方程及反应活化能等 2 反应器设计分析 研究反应器内上述因素的变化规律 找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸 宏观动力学方程 未排除传递过程影响直接测得的动力学方程 本征动力学方程 排除传递过程的影响而得到的动力学方程 在化学反应工程的研究中 要求能把反应过程本身的规律和物理因素的影响区分开来 在设计反应器时 测定化学反应的本征动力学方程是必要的条件 注意 在实验室中测定反应速率方程式时 要十分注意排除传递过程 主要是传热和传质 的影响 二 化学反应器的类型 a 管式反应器 b 釜式反应器 c 板式塔 d 填料塔 e 鼓泡塔 f 喷雾塔 g 固定床反应器 h 流化床反应器 i 移动床反应器 j 滴流床反应器 三 化学反应的分类 均相反应与非均相反应 均相反应 反应仅在单一的相内发生 均相反应的速率取决于反应物的温度和浓度 非均相反应 至少需要两个相的存在 反应在两个相的界面上发生 非均相体系的化学反应速率与两相之间的接触情况有关 反应器的操作方式 间歇操作 一次性投料 卸料 反应物系参数 浓度或组成等 随时间变化 连续操作 原料不断加入 产物不断引出 反应器内物系参数均不随时间变化 半连续 或半间歇 兼有以上两种过程的特点 情况比较复杂 四 化学反应速率概念 化学反应速率 单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量 其表示方法因反应在间歇或连续系统中进行而不同 1 间歇系统 反应物一次加入反应器 经历一定的反应时间达到所要求的转化率后 产物一次卸出 生产是分批进行的 若搅拌系统效果良好 则反应物系的组成 温度 压力等参数在每一瞬间都是一致的 但随反应的进行 其值随时间而变 故独立变量为时间 在间歇系统中 反应速率可以表示为单位反应时间内单位反应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量 即 转化率 组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA 0之比 当反应体积不变时 用转化率表示反应速率 一个化学反应如有两种或两种以上的反应物 不同的反应物的转化率是不等的 一般常选用限制组分 着眼组分 的转化率进行计算 化学反应速率 2 连续系统 反应物和产物在整个反应器内处于连续流动状态 系统达到定态后 物料在反应器内没有积累 系统中的浓度 温度等参数在一定位置处是定值 即不随时间而变化 但在反应器中不同位置这些参数是不同的 因此 对连续系统 物系中各参数是空间位置的函数 连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物或产物的摩尔流量的变化 即 对于均相反应 反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积 对于气 固相催化反应 反应体积指反应器中催化剂床层的体积 影响化学反应速率的因素很多 温度 浓度和催化剂等是最主要的影响因素 反应速率方程式 或称动力学方程式 定量地描述了反应速率与温度及浓度等影响因素的关系 由于温度和浓度对反应速率的影响最直接 常将反应速率表示为温度和浓度的函数 目前主要使用实验的方法来确定化学反应的速率方程式 四 反应速率 动力学 方程式 反应速率方程式 A 指前因子或频率因子 其单位与反应速率常数相同 E 化学反应的活化能 J mol R 气体常数 8 314J mol K 温度效应f T 常表示为反应速率常数k Arrhenius经验方程 浓度效应可用幂级数的形式表示 注意 反应级数的高低不能独立预示反应速率的大小 但反映了反应速率对浓度的敏感程度 对于基元反应 化学方程式中的计量系数就是反应速率式中各浓度项的指数 简单反应和复杂反应 简单反应 反应过程只需用一个化学计量方程式和一个速率方程表示的化学反应 复杂反应 反应速率需要用两个或两个以上的速率方程式来表示 如平行反应 连串反应等 简单反应的速率方程式 1 一级反应 一级反应是工业上常见的一种反应 许多有机化合物的热分解和分子重排反应都属于一级反应 一级反应的动力学方程 根据化学反应速率的定义 对于反应前后体积基本不变的反应 2 二级反应 工业上常见的二级反应 乙烯 丙烯的二聚反应 烯烃的加成反应等 反应速率与反应物浓度的乘积成正比 当cA0 cB0 并在反应过程中A B消耗的物质的量也相等 则 对于间歇操作 反应开始时 t 0 cA0 cB0 对于二级反应 2 二级反应 对于二级反应 分离变量并积分得 三 可逆反应 可逆反应 是指正方向和逆方向同时以显著速率进行的化学反应 一级可逆反应 A P k1 k2 当反应达到平衡时 简单反应和复杂反应 简单反应 反应过程只需用一个化学计量方程式和一个速率方程表示的化学反应 复杂反应 反应速率需要用两个或两个以上的速率方程式来表示 如平行反应 连串反应等 二 复杂反应的速率方程式 1 平行反应 反应物完全相同 但产物不相同或不完全相同的一类反应 A B P S A B k1 k2 平行反应的速率之比 2 连串反应 A P S k1 k2 P为目的产物 假设每一步都是一级反应 1 选择性 是指转化掉的反应物的量与转化成目的产物的反应物的量之比 选择性会随着反应的条件 如温度 压力 反应物的组成 转化程度等因素的改变而改变 选择性与收率 2 收率 也称产率或得率 yield 收率表示了原料的有效利用程度 反应速率控制步骤 当一个过程由若干连续的步骤串联而成时 不管这些步骤是化学反应还是扩散 其中速率最慢的步骤将控制整个过程的速率 这一步骤就称为总的过程的反应速率控制步骤 注 并不是每一个由若干子步骤组成的总过程都必然存在反应速率控制步骤 有时会有两个或几个速率控制步骤 反应速率控制步骤也不是一成不变的 由于反应条件的变化 使控制步骤也发生变化 理想反应器及其设计计算 理想流动和理想反应器 在连续操作的反应器中 流体流动的两种极端情况 理想排挤 当物料在反应器内流动通过时 沿着物料的流动方向 轴向 由于发生了化学反应 物料的浓度 流速 转化率等都随着轴向距离的延伸不断地发生变化 但在不同截面上并没有任何物料的混合 而在与流动方向垂直的截面上 径向 各质点的流速完全相同 温度均匀 浓度均匀 流速相等 即径向混合均匀 也叫做平推流或活塞流 理想混合 在一连续操作的反应器中 由于有良好的搅拌 致使进入反应器的物料立即与反应器内的物料充分混合 反应器内各点处处均匀 而且出口物料的浓度与器内的浓度也完全一样 间歇釜式反应器 一 理想间歇操作釜式反应器 BSTR 的特点 理想的间歇操作釜式反应器中的反应结果 唯一地由化学反应本征动力学所确定 由于釜式反应器是间歇操作 釜内的物料的组成和反应进程均随时间而变 如果没有严格的操作规程可能使不同批次的反应产物的质量不一 二 反应器容积的计算 对间歇操作的釜式反应器进行物料衡算 对于着眼组分A 单位时间内由于反应而消耗的A物料量 单位时间内A物料的积累量 输入的物料量 输出的物料量 反应掉的物料量 物料的积累量 对于定容过程 0 t cA cA0 0 t xA xA 1 0 t rA 0 cA0 1 rA cA 面积 t 0 xA 1 rA 面积 t cA0 间歇反应器基本方程式 理想间歇操作釜式反应器中简单级数的反应的表达式 间歇操作 除反应所需的时间t 还有加料 出料和清洗等操作步骤所需的辅助时间t 每小时处理的物料体积为v 反应器的有效容积为VR 装料系数为 它是反映器有效容积占总容积的比值 通常根据经验选定 对不发生泡沫不沸腾的液体 采用0 7 0 85 反之 只可采用0 4 0 6 理想管式反应器 一 理想管式反应器 PFR 的特点 理想的管式反应器也称作平推流反应器 plugflowreactor PFR 在反应器轴向不同位置上 物料浓度 反应速率 转化率等均不相等 在轴向的每一个截面上 物料浓度 反应速率 转化率均相等 且不随时间而变化 在径向不存在浓度差 二 反应器容积的计算 在等温定态条件下 对反应物A进行物料衡算 单位时间内A的输入量 单位时间内A的输出量 单位时间内反应掉A的量 对整个反应器 其边界条件为 若反应过程中流体体积流量不发生变化 空间时间 反应器的有效容积与进口处的体积流量之比 平推流反应器基本方程式 0 cA cA0 0 xA xA 1 0 rA 0 cA0 1 rA cA 面积 VR qV 0 0 xA 1 rA 面积 cA0 VR qn A0 理想管式反应器中简单级数的反应的表达式 理想管式反应器的反应结果与理想间歇反应器的反应结果完全相同 只是在理想管式反应器中 是空间时间 而间歇反应器中 t为反应时间 为什么在两种结构和操作情况都不相同的反应器中 它们的表达式却是一致的呢 在理想管式反应器中浓度和转化率随空间时间 管长 而变 在间歇反应器中浓度和转化率随时间而变 他们的变迁史是相同的 反应的推动力也是一致的 全混流反应器 0 0 进料 出料 全混流 理想混合 反应器 ContinuousStirredTankReactior CSTR 的特点 1 物料连续地流入和流出反应器 操作为定态过程 2 由于充分的搅拌 反应釜内物料的浓度 温度处处相等并且等于反应器出口物料的浓度和温度 0 在等温 定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算 设反应过程中 物料体积不变 进入量 引出量 反应量 累积量 qn A0 qn A0 1 xA rA VR qV0cA0 qV0cA0 1 xA rA VR 0 cA0 1 rA cA 面积 VR qV0 0 xA 1 rA 面积 cA0 VR qn A0 物料出口时情况 间歇釜式反应器和平推流反应器的计算方程式都是微分形式 而全混流反应器的计算式却是一个代数方程 这是因为全混流反应器内 反应物的温度 浓度 转化率均不随时间而变 定态过程 也不随空间位置而变 整个反应器内是均匀的 与间歇釜式反应器和平推流反应器比较 为完成同样的反应任务 即流量相等 反应物的转化率相等 全混流反应器所需的空间时间远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应的时间 全混流反应器中简单级数的反应的表达式 同样是连续流动 为什么全混流反应器与平推流反应器的结果会不一样呢 某液相反应A BR S 其反应动力学表达式为 rA k1CACB k2CRCS 式中k1 7m3 kmol 1 min 1 k2 3m3 kmol 1 min 1 今要完成一生产任务 采用有效体积为0 12m3的全混流反应器 物料A B两股物流等体积加入 进料浓度为CA0 2 8kmol m 3 CB0 1 6kmol m 3 要求B的转化率达到75 试求反应物A B的进料流量 多釜串联反应器 1 多釜串联反应器中的每一个釜都是一个连续操作的全混流反应器 2 反应器之间流体不相互混合 忽略釜间物料流动所需的时间 可按全混流反应器处理