项目2任务2.5 - 孙ppt课件

化学反应过程与设备 主讲教师 孙肖媛 化学反应过程与设备 主讲教师 孙肖媛 1 化学反应过程与设备 1 用石灰浆抹的墙壁 日久会变硬 CO2 Ca OH 2 CaCO3 H2O 2 水壶和热水瓶胆使用久了会产生水垢用食醋可以除掉水垢 CaCO3 2CH3COOH CH3COOH 2Ca H2O CO2 3 胃酸过多的人可服用胃舒平 3HCl Al OH 3 AlCl3 3H2O 4 在汽油中加入酒精可得乙醇汽油 乙醇汽油的使用既可以缓解石油供应紧张的局面又可以减轻大气污染 C2H5OH 3O2 2CO2 3H2O 例 日常生活化学反应 2 化学反应过程与设备 请问 他们在哪反应 又如何控制他们反映 3 化学反应过程与设备 化学反应器 进行化学反应的场所 4 化学反应过程与设备 反应器选择 设计和操作教学目标P42 5 任务2连续操作釜式反应器 CSTR 的计算 工作任务 根据化工产品的生产条件和工艺要求进行连续操作釜反应器的工艺设计 6 连续操作釜式反应器的结构和间歇操作釜式反应器相同 进出物料的操作是连续的 即一边连续恒定地向反应器内加入反应物 同时连续不断地把反应产物引出反应器 这样的流动状况很接近理想混合流动模型或全混流模型 图 2 9 技术理论 7 釜式反应器 8 tresidencetime 在连续釜式反应器内 过程参数与空间位置 时间位置无关 反应器内 物料的组成和温度处处相等 且等于出口处的组成和温度 图 2 10 一 单个连续操作釜式反应器的计算 1 CSTR 9 流入量 流出量 反应量 累积量 0 取整个反应器为衡算对象 基础设计式 重点 FAO FA rA VR V0CAO V0CA rA VR 10 解析法由于反应器中的反应速率恒等于出口处值 因此结合反应动力学方程 将出口处的浓度 温度等参数代入得到出口处反应速率 将其代入基础设计式即得 如 恒温恒容不可逆反应P53页 表2 3n 0 11 n 1n 2 12 单个连续操作釜式反应器的计算例2 7 2 8例2 5与例2 7计算结果比较 13 二 多个串联连续操作釜式反应器 N CSTR 为什么要采用N CSTR代替1 CSTR 由于1 CSTR存在严重的返混 降低了反应速率 采用N CSTR 可以使物料浓度呈阶梯状下降 降低逆向混合的程度 有效提高反应速率 同时还可以在各釜内控制不同的反应温度和物料浓度以及不同的搅拌和加料情况 以适应工艺上的不同要求 串联釜数一般不大于4 14 一 解析法 流入量 流出量 反应量 累积量 FAi 1 FAi rA iVRi 15 解析法按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算 直至达到要求的转化率为止 例题讲解2 9 16 二 图解法原理 第i釜的反应物出口浓度CAi应同时满足物料衡算式与动力学方程式 故两线交点的横坐标即为CAi步骤 5步 17 任务3釜式反应器配套设施的设计与选择 工作任务 根据化工产品的生产条件和工艺要求 为釜式反应器配套搅拌器和换热装置等进行设计与类型的选择 技术理论 釜式反应器配套设施主要是搅拌器 换热装置 各种工艺配管等 18 一 搅拌目的使物料混和均匀 强化传热和传质 包括 均相液体混合 互溶 加液顺序 液 液分散 不互溶气 液分散 固 液分散 结晶 固体溶解 强化传热等 一 搅拌装置的设计与选择 19 二 搅拌液体的流动特性 三种扩散作用 主体对流扩散 宏观混合 破碎分裂成微团涡流对流扩散 宏观混合 最小尺寸为几十微米分子扩散 微观混合 流型 循环流的方向 涡流的程度 20 液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的 流动模型 简称 流型 a 轴向流 b 径向流 c 切线流打漩现象 21 a 轴向流 沿搅拌轴 夹角小于90度 适用于均相液体的混合 沉降速度低的固体悬浮 b 径向流 半径方向 局部涡流运动 适用于气液分散 液液分散和固体溶解 c 切线流 搅拌轴圆周运动 平桨式搅拌器提高对流传热系数 但形成打漩 22 搅拌器两方面性能 产生强大的液体循环流量 产生强烈的剪切作用 基本原则 在消耗同等功率的条件下 低转速 大直径的叶轮 可增大液体循环流量 同时减少液体受到的剪切作用 有利于宏观混合 反之 高转速 小直径的叶轮 结果与此恰恰相反 23 三 常用搅拌器的型式 结构和特点化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置 包括搅拌器 包括旋转的轴和装在轴上的叶轮 辅助部件和附件 包括密封装置 减速箱 搅拌电机 支架 挡板和导流筒等 搅拌器是实现搅拌操作的主要部件 其主要的组成部分是叶轮 它随旋转轴运动将机械能施加给液体 并促使液体运动 24 1 桨式搅拌器由两块平桨叶构成 桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造 平直叶桨式搅拌器低速时主要产生切线流 转速高时以径向流为主 折叶桨式会产生轴向流 宏观混合效果较好 桨式搅拌器适用于流动性大 粘度小的液体物料 也适用于纤维状和结晶状的溶解液 物料层很深时可在轴上装置数排桨叶 25 2 涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器 前者的循环速度低于后者 按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶 弯叶的叶轮不易磨损 功率消耗低 涡轮搅拌器速度较大 300 600r min 涡轮搅拌器既产生很强的径向流 又产生较强的轴向流 26 3 推进式搅拌器推进式搅拌器的循环速度高 当转速高时 能产生很强的轴向流 上下翻腾效果良好 剪切作用也大 当需要有更大的流速时 反应釜内设有导流筒 推进式搅拌器直径与搅拌釜内径之比为0 2 0 5 搅拌转速为100 500r min 适用于低粘度液体的搅拌 27 4 框式和锚式搅拌器框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形 其结构比较坚固 搅动物料量大 如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时 通常称为锚式搅拌器 框式搅拌器直径较大 一般取反应器内径的0 9 0 98 1 100r min 框式搅拌器的循环速度及剪切作用都较小 主要产生切线流 当物料粘度高时 可产生一定的径向流和轴向流 适用于高粘度物料的搅拌和传热 28 5 螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器螺带式搅拌器 常用扁钢按螺旋形绕成 直径较大 常做成几条紧贴釜内壁 与釜壁的间隙很小 所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来 螺带的高度通常取罐底至液面的高度 螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低 通常不超过50r min 主要产生轴向流 用于高粘度液体的搅拌 29 四 搅拌器的选型主要根据物料性质 搅拌目的及各种搅拌器的性能特征来进行 1 按物料粘度选型对于低粘度液体 应选用小直径 高转速搅拌器 如推进式 涡轮式 对于高粘度液体 就选用大直径 低转速搅拌器 如锚式 框式和桨式 30 2 按搅拌目的选型对低粘度均相液体混合 主要考虑循环流量 各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序排列 推进式 涡轮式 桨式 对于非均相液 液分散过程 首先考虑剪切作用 同时要求有较大的循环流量 各种搅拌器的剪切作用按从大到小的顺序排列 涡轮式 推进式 桨式 31 对于气 液分散过程 如何考虑选择搅拌器 对于固体悬浮操作 如何考虑选择搅拌器 对于溶解过程 如何考虑选择搅拌器 对于结晶过程 如何考虑选择搅拌器 对于以传热为主的搅拌操作 如何考虑选择搅拌器 32 五 搅拌附件搅拌附件通常指在搅拌罐内为了改善流动状态而增设的零件 如挡板 导流筒等 1 挡板 目的是为了消除切线流和 打漩 一般为2 4块 且对于低速搅拌高粘度液体的锚式和框式搅拌器安装挡板无意义 33 2 导流筒目的是控制流型 加强轴向流 及提高混合效果 不同型式的搅拌器的导流筒安置方位不同 34 一 换热装置 换热装置是用来加热或冷却反应物料 使之符合工艺要求的温度条件的设备 其结构型式主要有夹套式 蛇管式 列管式 外部循环式等 也可用直接火焰或电感加热 P8 二 釜式反应器的换热装置的设计与选择 35 1 夹套式夹套是套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器 既简单又方便 当反应器的直径大或者加热蒸汽压力较高 0 6MPa 时 夹套必须采取加强措施 分支撑短管加强的 蜂窝夹套 冲压式蜂窝夹套 角钢焊在釜的外壁上夹套 36 2 蛇管式当工艺需要的传热面积大 单靠夹套传热不能满足要求时 或者是反应器内壁衬有橡胶 瓷砖等非金属材料时 可采用蛇管 插入套管 插入D形管等传热 37 3 列管式对于大型反应釜 需高速传热时 可在釜内安装列管式换热器 4 外部循环式当反应器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足工艺要求 或无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不能满足工艺要求时 可以采用外部循环式 5 回流冷凝式反应在沸腾下进行或蒸发量大的场合 冷凝的方式散热 可以得到很高的传热系数 38 二 换热介质的选择 一般的低压饱和水蒸汽加热时最高只能达到150 160 需要更高温度时则需考虑高温热源的选择问题 1 高温热源有以下几种 1 压力高的饱和水蒸汽压力可达一至数MPa 来源有高压蒸汽锅炉 利用反应热的废热锅炉或热电站的蒸汽透平 缺点 需高压管道输送蒸汽 费用高 且远距离输送时热损失大 39 2 高压汽水混合物 图2 28 个别设备需高温加热时 较经济可行 是一个封闭的循环系统 管内充满70 的水和30 的蒸汽 形成汽水混合物 可用于温度为200 250 的加热要求 40 3 有机载热体联苯26 5 与联苯醚73 5 的低共沸点混合物以及以烷基萘为主的石油馏分 利用其常压沸点高 熔点低 热稳定性好等特点可提供高温的热源 优点 能在较低的压力下得到较高的加热温度 温度范围 能用于200 350 的范围 41 4 熔盐硝酸钾 硝酸钠及亚硝酸钠的混合物 可用于300 400 的情况 42 5 电加热操作方便 热效率高 便于实现自控和遥控的一种高温加热方法 电加热法有以下三种 a 电阻加热法 根据结构型式分为辐射加热 电阻夹布加热 插入式加热法 b 感应电流加热法 c 短路电流加热法 43 6 烟道气加热用煤气 天然气 石油加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟道气作热源加热设备 缺点 是热效率低 给热系数小 温度不易控制 可用于300 以上的高温加热 44 2 低温冷源的选择 1 冷却用水 冷却效果好 也最为常用 常温 出水温度不超过60 2 空气 常温 水资源缺乏地 但传热系数低 3 低温冷却剂直接冷却方式 利用制冷剂的蒸发直接冷却 制冷剂 液氨 液氮等 但成本较高 间接冷却方式 被冷却对象的热量通过中间介质传送给在蒸发器中蒸发的制冷剂 中间介质为载冷剂 水 盐水及有机载冷剂 水 比热大 传热性能好 只能0 以上 盐水 最低可 55 氯化钠及氯化钙等盐的水溶液 冷冻盐水 加入缓蚀剂 调节PH到7 0 8 5 有机载冷剂 适用于比较低的温度 乙二醇 丙二醇 甲醇 最便宜 乙醇水溶液等 需用制冷机制冷 45 任务4连续操作管式反应器 PFR 的计算 简介 连续理想管式反应器这种反应器又称平推流反应器 活塞流反应器或反应管 PlugFlowReactor 以PFR表示 工作任务根据化工产品的生产条件和工艺要求进行连续操作管式反应器的设计与计算 46 技术理论 连续操作管径比较大的管式反应器可以近似看成理想置换流动反应器 即适用于液相也适用于气相反应 液相及气相反应无摩尔数变化的可视为恒容过程 热效应不大 反应的选择性受温度的影响较小时 可采用没有换热措施的绝热操作 多数采用连续操作 少数采用半连续操作 只讨论连续操作 47 PFR特点连续定态下 各处截面上的各种参数只是位置的函数 不随时间而变化 浓度 温度等参数随轴向位置变化 故反应速率随轴向位置变化 径向速度均匀分布 也就是在径向不存在浓度分布 反应物料具有相同的停留时间 48 一 基础计算方程式 49 50 51 三 恒温变容管式反应器的计算 分析 反应温度变化 引起物料密度改变或物料的分子总数改变 导致物料的体积发生变化 因此一起的容积 浓度变化在计算时要考虑进去 例题 2 14 理解 52 四 绝热连续操作管式反应器的计算 理论分析 1 绝热式反应器2 绝热 反应器的特点 因为管截面上各点的温度不同 所以反应速率不仅与转化率有关 且也是温度的函数 需对反应系统列出热量衡算式 然后与物料衡算式 反应动力学方程联立求解 计算 了解 53 就反应过程而言 PFR和BR两种反应器具有相同的效率 因BR是间歇过程 存在非生产时间 其生产能力低于PFR PFR的优缺点 优点 具有容积小 比表面大 返混少 反应参数连续变化 易于控制的优点 缺点 对于慢速反应 则有需要管子长 压降大的不足 适用 液相反应和气相反应 由于PFR能承受较高的压力 用于加压反应尤为合适 54 任务5反应器计算与操作的优化 工作任务 根据化工产品的生产条件和工艺要求进行间歇操作釜式反应器 连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器计算与操作的优化 55 技术理论 化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型 化学反应过程的技术目标有 反应速率 生产能力 涉及设备尺寸 亦即设备投资费用 选择性 涉及生产过程的原料消耗费用 能量消耗 生产过程操作费用的重要组成部分 不同类型反应的优化目标 对简单反应 只需考虑反应速率 对复杂反应 优先考虑选择性 所占比重可达70 选择性的本质 主反应速率与副反应速率的相对比重 56 技术理论 1 从工程的角度看 优化就是如何进行反应器类型 操作方式和操作条件的选择并从工程上予以实施 2 反应器类型 管式 釜式及返混特性操作条件 物料的初始浓度 转化率 即最终浓度 反应温度或温度分布操作方式 间歇 连续 半间歇及加料方间歇 连续 半间歇及加料方式的分批或分段加料等 优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合 化学因素包括反应类型及动力学特性 57 一 简单反应的反应器生产能力的比较 简单反应的优化目标只需考虑反应速率 即 对同一简单反应 在相同操作条件下 为达到相同转化率 要求反应器有效体积最小 换句话说 若反应器体积相同 反应器所达到的转化率更高 比较三种反应器的返混程度 间歇操作釜式反应器 连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器 58 一 单个反应器 看书中公式和图片进行对比分析 1 间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器的比较比较书中公式 2 83 和 2 84 仅从反应时间而言 在间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器中进行时 所需反应时间是相同的 但由于间歇操作需要辅助时间 需要的反应器体积比连续操作管式反应器的体积要大 2 连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较若干重要影响因素 图2 33 2 34 a 转化率 转化率越高 体积差别越大 b 反应级数 级数越高 体积差别越大 c 串联级数 级数越多 体积差别越小 59 二 多只串联连续操作釜式反应器 60 三 组合反应器的优化1 nCSTR的优化 continuousstirredtankreactor 任务 不同大小的多只连续操作釜式反应器串联操作时 若最终转化率已经给定 如何确定其最优组合 规律 两釜串联时 对于一级反应 各釜大小相同时是最优的 对于反应级数n 1 n 0 较小的反应器在前面 而对于n 0应先用较大的反应器 61 求解方法 1 解析法 按多只串联连续操作釜式反应器计算公式直接求取 2