理想反应器整章教案免费.doc

齐齐哈尔大学化学反应工程教案第三章 理想反应器（Ideal Reactor）所谓反应器的特性主要是指器内反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性能等，它们又将随反应器的几何结构和几何尺寸而异。反应器内不仅存在浓度和温度分布，还存在流速分布。理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。完全混合反应器是指器内反应流体处于完全混合状态，在反应器内的混合是瞬间完成的，以致在整个反应器内各处物料的浓度和温度完全相同。且等于反应器出口处物料浓度和温度，返混达最大限度。平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，完全不存在不同停留时间的物料的混合。不存在返混。具有良好搅拌装置的釜式反应器近似按完全混合反应器处理，而管径小，管子较长和流速大的管式反应器按平推流反应器处理。3.1 分批式操作的完全混合反应器所谓分批式（又称间歇）操作，是指反应物料一次投入反应器内，而在反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，待反应达到要求的转化率后再全部放出反应产物。分批式操作的缺点：非生产性的操作时间长（即每次投料、放料、清釜和加热的时间），产物的损失较大且控制费用较大。= 0 0 （-r）V 可得A的衡算式： 写成转化率的形式x： =（-r）V积分得： 或 t= =(V恒定)t为使A反应达到所要求转化率x所需时间，非生产时间t,每批操作所需时间为t+t。对于等温分批式操作直接将r代入积分可得t。但大多数是非等温操作（绝热操作和变温操作）。3.11变温操作用夹套内蒸汽加热，用冷却盘管放热。反应器内热量衡算：UA（TT） (-H)(-r)V 即 UA（TT）+ (-H)(-r)V=式中：U为总括传热系数， A为传热面积， c和为反应流体的定容比热和密度， H反应的焓变， T冷却（或加热）介质的温度。对于恒容过程，将=-rV代入上式 （TT） 式中（H）上式为变温操作热量衡算式，要求反应时间要将 t= =联立求解。3.12 绝热操作 (-H)(-r)V=对于恒容过程有 或 （H）t=0,T=T,=。积分得 T= T=（- ）注：当原始物料中不含产物则=0，如含有产物p（若为）,则须按计量系数换算。=式中为原始物料中A的浓度，= + 表示当原料按无产物基准来换算的组分。利用T= T+（- ）代入t= =求所需时间t。例1.一级不可逆液相反应A=2R 其中：k=9.5210exp(h)，已知：H=，A（吸热反应）；=反应物料=0,R的分子量M=60，=2.30要求反应终了A的转化率x为0.7，装置生产能力为50000kg产物R天。所提供的加热蒸汽可在所不惜110至180之间调节。根据估算t=0.75h，试求：1） 50下进行等温操作所需的有效容积？传热系数为1799.2kJ/mh。2） 温操作所需的容积？初温50，最高温超过65，相应的传热面积？解：1）等温操作(i)反应时间t的计算t= =lnk=0.92t=1.13h 每批操作时间为（t+t）=1.31+0.75=2.06h(ii) 反应器容积确定： 终了时的浓度，C=2x=3.22 = V=22.2m(iii)加热面积和蒸汽湿度控制反应初期C最大，传热速率应最大，开始采用180蒸汽加热，0，即 A（r）为CC2.3kmol/m时的速率。A10.25m反应速率渐小，蒸汽温度也下降，最低110，首先确定T110，A10.25m的条件下仍在50的转化率x,(1-=1=0.46当反应进行到x=0.46时，温度降至下限，只能靠降低传热面积。 =6.653.1-3 分批式操作的优化分析用两种目标进行优化:1.着眼于反应器的平均生产速率Y为最大的优化 上式对t求导: 也可以 可用图解法求得使反应器平均生产率最大时的转化率和反应时间 。例:计算上题中等温操作反应器的平均生产速率为最大时的转化率和反应时间。解: 微分得 或 用试差法解满足Y为最大的=1.066h. 平均生产速率2.以生产经费最低为目标的优化若以a表示反应时的操作费用(元/小时)；a为非生产费用(元/小时)，a固定消费(元)，单位生产量的总费用T.C.为:T.C.=用上式可求满足生产费用最小的条件。例:P48页 C解: ( i )反应容积 t=利用表中数据t=1.79hV=51.4m (ii)计算Y最大的反应时间计算所得x标绘，t=的点对x曲线作切线，该切点x和t即为和。=0.31 =1.6h(iii)由横坐标的点向x-t曲线引切线，相应的切点的时间即为所要求的最优时间。=0.42 =2.9h (T,C)最小=元/Rmol.R3.2 半分批式操作的釜式反应器所谓半分批式操作是指在反应过程中某一反应组份连续地缓慢地加入反应器，或某一产物连续不断排出，而其他组份则分批操作一次投入或一次排出。 A+BR,反应物B大大过量A一次性投入，C恒定。即就反应器对A作物料衡算v为A的加料速度，假定恒定，反应流体容积: V=且 得VCt=0，VC=0代入上式积分常数I=/kVC=则R的浓度可按下式计算: 或 C/在反应中有极大值。操作过程中放热速率为:,应用可得：t=0时，Q=0，反应进行时，Q趋于，对于放热反应，控制A的加入速度控制放热速率。3.3 连续操作的完全混合流反应器反应物连续不断恒速流入，产物以恒定速率不断流出称为全混流。或上式为全混流反应器设计方程，为空时，其定义是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。反应时间t：是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度时所需的反应时间。停留时间：是指反应物从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止在反应器内共停留了多少时间。对于分批式、连续操作的平推流反应器的反应时间和停留时间一致。平均停留时间:为反应器的有效容积与器内物料的体积流速之比（即,v是流体在器内的体积流速）。一级不可逆串联反应： A t=0时，则 和以代入得 或以及 C存在最大值,求 3.3-1 分批式反应器和全混流反应器比较分批式反应器:一次性投料，物料具有相同反应时间，随反应时间t增长降至C。全混流反应器:连续投料，瞬间降至C，在反应器中以低反应速率进行。AB下面的阴影面积为分批式反应器的反应时间t，而面积为全混流反应器的空时:=( - C)=Y-不考虑非生产性操作时间满足Y的反应器有效容积.V-表示速率等于Y时全混流反应器所需有效容积。为全混流反应器的容积效率。可求不同级数的,对于n级不可逆反应。由上图表明：随C增大而增大时，全混流反应器的”返混”将导致小于1.0，且随x增大而减小；当反应物浓度不影响速率时，返混也不影响反应速率，所以=1.0且不随x变；反应对于浓度效应为负时，返混将导致速率增大，则大于1，且随x增大而增大。例1： A B C该反应在全混合反应器中进行，以AlCl为cat，反应温度20,液料的体积流速0.5m/h,丁二烯和丙烯酸甲酯的初始浓度分别为，cat的浓度，速率方程，式中k=1.15.若要求丁二烯转化率为40%，求反应器体积，求。解：A+BC对于全混合流反应器 V=或例2：全混流反应器进行例3-1-1反应，求其有效容积和它的容积效率。解：（1）进料速度v （2）反应器有效容积V(3)=因此，当非生产性操作时间t所占比例愈大，分批式有效容积愈接近于全混流反应器，甚至会有1的情况。3.3-2全混流反应器的热衡算与热稳定性1. 全混流反应器的热衡算方程（又称操作方程式）忽略反应流体的密度和定压比热随温度的变化 当无热面的绝热条件下 联立求反应器容积，传热面积或有关反应温度，流体入口温度。例3-3-2现有一有效容积为0.75m3的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为5.0m2的冷却盘管。欲利用改反应器来进行AR的一级不可逆的液相反应，其速率常数，反应热，原料液中A的浓度，但不含反应产物R。此原料液的密度=1050g/l；定压比热（J/g）。要求原料液的进料流率为，反应器出口的反应液中。总传热系数U=209.2（KJ/m2h）。所用的冷却介质的温度为25。试求满足上述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度T0。解：1)计算反应温度T 根据 2）2全混流反应器操作的热稳定性分析将反应器传热过程写为： 令 相当于反应器内的放热速率，相当于撤热速率。对于n级不可逆放热反应有： 当n=1时 或 3. 全混流反应器热稳定性的判据定常态操作点判据。所有处于稳定的定常态点有一共同点，这些点均有：全混流反应器最多有3个定常态操作点，有2个稳定的定常态操作点，其判据为： 对于n级不可逆反应 近似地将堪称不随T而变 稳定性条件为： 因此判据安全。 对于不设置传热面绝热操作的全混流反应器 而（定常态） 所以，对于绝热操作，其温差超过，操作不稳定。例1 用全混流反应器热稳定性判据例3-3-2的定常态操作是否稳定。解：操作是稳定的。3.4 多釜串联组合的全混流反应器总的空时 用的釜数N愈多所需的总容积愈接近分批式反应器。对任意第i个釜作A的物料衡算： 从第一釜可依次计算下次，各釜容积、温度可不同。对于n级不可逆反应： 当n=1时， 或 若个釜具有相同容积且在相同温度下操作： N个反应釜的总容积为： 例3-4-1串联全混流反应器进行一级不可逆反应，假定各釜容积、温度相同，试计算N为1，2，3的反应有效容积，如不考虑非生产性操作时间的条件下分批式反应器的有效容积。解：利用 N(个) 1 2 3V（） 97.8 47.0 37.6若采用分批式从上例中可看出：串联的釜数N越多，总容积愈小，N50近于分批式所需容积，N5后，降低容积的效果不明显。图解计算法：1.任意第i釜的物料衡算式关系式；2.计算值，作图；3.对角线，从点出发，做线直至。如速率式复杂时，将其改为 计算出一系列下的，作图，从点出发求。3-4-2 多釜串联全混流反应器的最优容积比存在着一个使反应器总容积为最小的最优容积比，对于N釜串联的系统中存在最优容积比问题。 总空时 为满足使为最小的最优容积比的条件，将上式分别对求偏导，令其等于零，可得N-1个方程。 对于任何而言 （i=1,2N）上式为满足总容积为最小的条件。例1： A B C 乙酸酐发生水解，反应温度25%，采用三个等体积的串联全混釜进行反应，每个釜体积为1800。求使乙酸酐的总转化率为60%时，进料速度。 解： 初始离开第一釜，依次 对第二釜 等体积 例2：用两串联全混流反应器进行一个二级不可逆等温反应，已知在操作温度下要求出口，计算该操作最优容积比和总容积V。解： 代入 总容积 3.5 平推流反应器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；2） 在流体流动的方向不存在流体质点间的混气，即无返混现象。因此，各质点具有相同的停留时间，等于反应时间t。U表流体器内流速，l表示轴内距离。 若在整个过程中 对于恒容反应过程平均停留时间，反应时间和空时一致。对于液相反应，均可视为恒容过程。对气相反应，恒温，恒压等分子反应上式也适用，对于非等温非等分子的，以着眼组分A。 若为恒温，恒压过程； 3.5-1 设计方程列出组份A的物料衡算式： 得 或 此式还可写成 或 恒容过程平推流与分批式完全混合反应器设计方程完全一致，因此其速率式适用于平推流。变容采用表3-5-1的速率式。非等容过程，应结合热量衡算式联立求解。例 3-5-1 题应用管径为D=12.6cm的管式反应器来进行一级不可逆的气体A的热分解反应，其计量方程为A=R+S；速率方程为；而k=7.8109exp-19220/T,原料为纯气体A,反应压力P=5atm下恒压反应,T=5000C。0.9,=1.55kmol/h,求所需反应器的管长L,停留时间t，空时（理想气体）。解：反应气体的进料体积流率：反应流体在管内的体积流速是的函数。此处 写出设计方程 例：液相原料中反应物A进入平推流反应器中进行的反应，已知。求：1)当出口浓度时的进料流。2)当进料流量时出口浓度解：1）2）3.5-2 操作方程 在定常态下应有:上式也可形成当时若在间可忽略。上式为变温操作方程。由得 或 利用上式按段计算，步骤如下：从第n短的出口组成和温度的数值算值。用取步长用算，并求出分别用;求得段出口组成，温度。计算，取重新算和时应采用来代替来计算温度差，而=。重复上步直到得满意的和。用最后所得的，值重复的步骤进行段的计算。2.如果将平推流反应器出口的产物部分地返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为循环操作的平推流反应器。在定常态下应有：循环操作的平推流反应器的设计方程:对于一级不可逆反应,代入上式，积分得：当时，有 =(平推流)当时,有 得极限值 (完全混合反应器)对于恒容过程=-(1+为使V最小,存在对求导令其为零令 F(= 3.6 反应器型式与操作方法的评选3.6-1单一反应的评选1. 反应器的选型只考虑如何有利于反应速率的提高。对于单一反应，反应速率和反应物浓度的关系可能有三种性状：。平推流，串联全混流的容积小。的增大而单调下降，全混流为佳。的曲线上线存在着极小值，自催化绝热操作的放热反应，当小于最小的值的时，全混流最佳，若大于，则具有（1）的特性，平推流或串联全混流；当时，全混流串平推流最佳，循环操作的平推流次之；平推流反应器；全混流最差。例3-6-1自催化反应在70下等温反应,k=1.512,当,求全混流；平推流；在下平推流所需容积。解: a=0.01/0.99=0.0101 全混流 平推流 =试差法:=0.177ln=全混流串接平推流=串-平推流，ln=30.462.最优操作温度的选定不可逆反应，尽可能提高温度。可逆吸热反应，尽可能提高温度。可逆放热反应，存在最优的操作温度。对于 一级可逆反应，原料为存物质A，恒容。其中 为参比温度因此 是T的函数如图所示 等温操作的最优温度代入平推流设计方程 若固定则，对于给定=，可选定使时最大的操作温度。 变温操作的最优温度分布对于可逆放热反应，存在使反应速率最大的反应温度， 正反应速率常数, 逆反应速率常数对对T求导时,为平衡温度 绝热操作的最优温度3.6-2复合反应总收率，对于恒容过程。 当 =对于分批式操作的完全混合反应器或平推流放应器:=对于全混流反应器:= 时 对于多釜串联的全混流反应器:=总收率用记=1 串联反应 , 为一级不可逆 相应的上两式适用于平推流反应器或间歇式全混流反应器,对于全混流反应器来说:对作用,平推流优于全混流,时两者偏差最大。2 平行反应 对于单一反应组份的平行反应a.随的增大而单调增长，应该无返混有利。b. 随的增大而单调下降，返混有利。c. 对曲线存在最大值，反应前期返混有利，后期不利。对于, P的瞬间选择性 为提高产物P收率，应使增大。a 如果，应选择无返混反应器。b 如果a1a2，应采用本身返混最大的。c 如果，在高和低有利P的反应，则在反应器后串接一个分离器提高P的收率。d 若，应在高温，反之应在低温。例3-6-2. (A) (P) (S)反应速度；，在恒温恒容下求(a)平推流(b)全混流和(c)容积两釜串联全混流进行反应时,其中,。解:(a)()=(=0.477mol/=0.155mol/l=3.08(b)= = ()=0.5mol/l =0.333mol/l =0.167mol/l=2.0(c) 对第二个全混流反应器作物料衡算= 对于P:+ CA2=0.444mol/l +=1-(0.444+0.391)=0.165mol/l=2.37第三章 总 结1. CSTR和PFR的区别：CSTR：存在返混，混合瞬间完成。PFR：无返混，具有相同的停留时间。2. 分批式操作的CSTR非生产性操作时间t长设计方程：- =（-）V n=（-）V t= n 恒容 t= n= - 操作方程：变温操作 绝热操作 优化分析：平均生产速率 求导 或 生产费用最低 求导3. 半分批式操作的釜式反应器 4. 全混流反应器设计方程 空时、反应时间t、停留时间分批式反应器和全混流反应器的比较： 分批式：一次性投料，CA0逐渐降至CA 全混流：连续投料，CA0瞬间降至CA 容积效率 或热恒算及稳定性： 操作方程： 稳定性： 放热速率 移热速率 热稳定的判据：稳定点具有一共同点 5. 多釜串联组合的全混流 具有相同容积 总容积 图解计算法最优容积比 6. 平推流反应器： 时， 设计方程 操作方程 7. 反应器型式与操作方法的评选单一反应的评选：1）和呈单调上升 n0选用平推流反应器，串联全混流反应器2）和呈下降 n0全混流反应器，多釜串联3）对的曲线上有极小值当时，全混流最佳；当时，平推流或多釜串联当而时，选全混流