化学反应工程学习第3章ppt课件VIP

第3章釜式及均相管式反应器 第一节间歇釜式反应器第二节连续流动均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器第四节理想流动反应器的组合第五节多重反应的选择率第六节半间歇釜式反应器第七节釜式反应器中进行的多相反应第八节讨论与分析 本章主要内容 化学动力学方程 物料衡算方程 热量衡算方程 动量衡算方程 第2章中讲过 计算反应体积 计算温度变化 计算压力变化 反应器设计的基本方程 反应器设计基础 物料衡算方程 某组分流入量 某组分流出量 某组分反应消耗量 某组分累积量 反应消耗累积 流入 流出 反应单元 反应器设计基础 3 1间歇釜式反应器 一 釜式反应器的特征 基本结构 3 1间歇釜式反应器 操作状态 3 1间歇釜式反应器 特点 1由于剧烈搅拌 反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀 且反应器内浓度处处相等 因而排除了物质传递对反应的影响 2具有足够强的传热条件 温度始终相等 无需考虑器内的热量传递问题 3物料同时加入并同时停止反应 所有物料具有相同的反应时间 3 1间歇釜式反应器 优点 操作灵活 适用于小批量 多品种 反应时间较长的产品生产精细化工产品的生产缺点 装料 卸料等辅助操作时间长 产品质量不稳定 3 1间歇釜式反应器 反应物料间歇加入与取出 反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变 不随空间位置而变 所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间应用 众多的有机化学反应 药物中间体合成反应 反应时间需要几个小时 3 1间歇釜式反应器 对整个反应器进行物料衡算 单位时间内反应量 单位时间内消失量 二 间歇釜式反应器的数学模型 温度浓度 均一 3 1间歇釜式反应器 入口物料中不含产物的情况 由于 等容条件下分离变量并积分 在没有任何假设的条件下导出 不论在等温条件和变温条件 还是在等容条件和变容条件下都是适用的 是间歇反应釜用于反应时间计算的一般公式 反应速率的单位是mol 时间 体积 3 1间歇釜式反应器 等容过程 液相反应 以转化率表示 主要是着眼于原料的利用率 或是减轻反应后的分离任务 以残余浓度表示 主要是为了适应后续工序的要求 如有害杂质的去除 3 1间歇釜式反应器 图解积分 3 1间歇釜式反应器 等温等容过程的积分结果 三 间歇釜的热量衡算 3 1间歇釜式反应器 3 1间歇釜式反应器 电加热 外盘管 3 1间歇釜式反应器 单位时间内由反应产生的热量 单位时间内通过冷却面传出的总热量 单位时间内由冷却介质带走的总热量 反应等温进行时 3 1间歇釜式反应器 四 间歇釜式反应器的工程放大及操作优化 1工程放大 反应物达到一定的转化率所需的反应时间 只取决于过程的反应速率 与反应器的大小无关 反应器的大小由反应物料的处理量决定 实验室结果 工业过程 反应条件相同 设备结构合理放大 前提条件理想间歇釜式反应器 3 1间歇釜式反应器 反应时间t辅助时间t0 反应体积 单位时间所要处理的物料体积 操作周期 由生产任务决定 装料卸料清洗 填充系数 沸腾或鼓泡的液体 可取0 4 0 6不沸腾或不鼓泡的液体 可取0 7 0 85 3 1间歇釜式反应器 为二级可逆反应 对丙酸钠和盐酸均为一级 在实验室中用间歇反应器于50 等温下进行该反应的实验 反应开始时两反应物的摩尔比为1 为了确定反应进行的程度 在不同的反应时间下取出10ml反应液用0 515mol L的NaOH溶液滴定 以确定未反应盐酸浓度 不同反应时间下 NaOH溶液用量如下表所示 例3 1 丙酸钠与盐酸的反应 3 1间歇釜式反应器 现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸 产量为500kg h 且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90 试计算反应器的实际体积 假定 1 原料装入以及加热至反应温度 50 所需的时间为20min 且在加热过程中不进行反应 2 卸料及清洗时间为10min 3 反应过程中反应物密度恒定 装料系数取0 8 3 1间歇釜式反应器 解 利用与NaOH的当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度 也就是丙酸钠的浓度 因为其计量比和投量比均为1 1 为 于是可求出A的平衡转化率 3 1间歇釜式反应器 由图中可以得出 当CA 0 757mol l时 所对应的反应时间为48min 由于在同样条件下 间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关 所以该生产规模反应器的反应时间也是48min 丙酸的产量为 500kg h 112 6mol min 所需丙酸钠的量为 112 6 0 72 156 4mol min 3 1间歇釜式反应器 3 1间歇釜式反应器 2反应时间的优化 反应时间延长 反应物浓度降低 产物生成速率降低 产量增加 单位操作时间的产品产量不一定增加 存在一最优操作时间 单位操作时间的产品产量最大 辅助时间15 3 1间歇釜式反应器 对于反应 若要求产物R最终的浓度为cR 则单位操作时间的产品产量为 将上式对反应时间求导 并令其等于0 3 1间歇釜式反应器 可得 若以单位质量产品生产费用最低为目标设单位时间内反应操作费用为a 辅助操作费用为a0 而固定费用为af 则单位质量产品总费用为 将上式对反应时间求导 并令其等于0 3 1间歇釜式反应器 3 1间歇釜式反应器 可得 3 1间歇釜式反应器 3配料比 为了使价格较高或在后续工序中较难分离的组分A的残余浓度尽可能低 提高反应速率 常采用使另一种反应物B过量的操作方法 定义配料比 配料比提高所带来的负面影响 降低反应器的容积利用率增加组分B的回收费用 3 1间歇釜式反应器 4反应温度 对于间歇釜式反应器 可以在不同反应时间的不同阶段 调节反应温度 改变反应温度时 应当注意 反应温度提高 液相组分蒸汽压上升很快 会增加冷凝负荷 反应温度过高 可使某些组分的腐蚀性增强 对于多重反应 反应温度增高 会使某些负反应加剧 3 2全混流反应器 一 全混釜的一般设计方程 3 2全混流反应器 全混流反应器特点 反应器中物料浓度和温度处处相等 并且等于反应器出口物料的浓度和温度 物料质点在反应器内停留时间有长有短 存在不同停留时间物料的混合 及返混程度最大 反应器内物料所有参数 温度 浓度等都不随时间变化 从而不存在时间这个自变量 进口中已有产物 3 2全混流反应器 空间时间 简称空时 其物理意义为在连续流动条件下按照反应器进口流量计算的反应物在反应器内的停留时间 当反应前后无分子数改变时就等于反应时间 空速 3 2全混流反应器 n 0时 n 1时 n 2时 3 2稳态全混流反应器 反应器特征时间的图解积分 间歇釜 全混流 矩形面积为全混流曲线下的面积为间歇釜 3 2稳态全混流反应器 给定物料的初始状态及反应器体积 求转化率或出口浓度给定物料的初始状态及出口浓度 求反应体积 二 简单反应单个全混釜设计 3 2稳态全混流反应器 例3 2 在反应体积为1m3的釜式反应器中 环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产1 2 丙二醇 该反应对环氧丙烷为一级 反应温度下反应速率常数等于0 98h 1 原料液中环氧丙烷的浓度为2 1kmol m3 环氧丙烷的最终转化率为90 1 若采用间歇操作 辅助时间为0 65h 则1 2 丙二醇的日产量是多少 2 有人建议改在定态下连续操作 其余条件不变 则丙二醇 1 2的日产量又是多少 3 为什么这两种操作方式的产量会有不同 3 2稳态全混流反应器 解 1 一级不可逆反应 丙二醇的浓度 丙二醇的产量 3 2稳态全混流反应器 2 采用定态下连续操作 丙二醇的产量 3 因连续釜在低的反应物浓度下操作 反应速率慢 故产量低 3 2稳态全混流反应器 平推流反应器的物料参数如浓度等沿流动方向变化 对于等温反应 很难控制整个反应器内物料温度均匀 对于全混流反应器 物料参数是均匀的 对于物料温度的控制比较容易 三 简单反应多釜串联 3 2稳态全混流反应器 在有机反应中 特别是多重反应 要求反应过程中物料浓度温度等参数保持稳定 否则极易发生副反应 所以一般选择全混流反应器 为了满足工艺要求 又要提高反应推动力 人们把一个大的反应器分割成m个小的全混流反应器 然后串联起来 称为 多级串联全混流反应器 3 2稳态全混流反应器 3 2稳态全混流反应器 3 2稳态全混流反应器 3 2稳态全混流反应器 全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物浓度的低速率状态 采用多级全混流反应器串联后 可以降低返混影响的程度 提高反应速率或减少反应器体积 多级全混流反应器串联级数越多 过程就越接近平推流反应器 那么 是不是级数越多越好呢 多级全混流反应器的串联的计算 3 2稳态全混流反应器 解析计算假设 稳定状态 等温 等容 对第i级作A的物料衡算 则有 则 或 3 2稳态全混流反应器 多级全混流反应器的级数一般为2 3级 所以可以按上式从第1级开始逐级计算 根据不同的已知条件来计算反应器体积 级数或者最终转化率 3 2稳态全混流反应器 A对于一级不可逆反应 可以直接建立级数m和最终转化率之间的关系 不必逐级计算 3 2稳态全混流反应器 3 2稳态全混流反应器 每级体积相等时 则公式可进一步简化为 或 总体积 3 2稳态全混流反应器 重排得 根据多釜串联反应器的设计方程 3 33 B对于多级不可逆反应 可以用图解法确定出口浓度或转化率 3 40 3 2稳态全混流反应器 式 3 40 的几何意义是 过点 cAi 1 0 斜率为 1 的直线 再结合动力学方程 rA 线 即可图解求出cAi M1 M2 M3 MN分别为第一釜 第二釜 第N釜的操作点 3 2稳态全混流反应器 一般而言 级数不能太多 可以事先确定 多级全混流反应器的串联的优化 当物料处理量 进料组成及最终转化率相同时 反应器串联级数m越多 反应的推动力越大 串联级数越多 设备 流程及操作控制越复杂 合理分配各级转化率 使总反应体积最小 优化问题 3 2稳态全混流反应器 3 2稳态全混流反应器 反应器的设计中常碰到类似这样的问题 物料处理量V0 进料组成CA0及最终转化率XAm均提前确定 反应器级数因受生产条件限制亦确定 如何分配各级反应器的转化率才合理呢 通常以总体积为目标函数来求解此类问题即使反应总体积为最小来确定各级反应釜的转化率 3 2稳态全混流反应器 各级反应体积不同 为使VR最小 将上式分别对xA1 xA2 xAm 1求偏导数 并令之为零 对于等温等容过程 计算总反应体积VR 则有 从以上共m 1个方程 可解出m 1个待定量 xA1 xA2 xAm 1 3 2稳态全混流反应器 以一级不可逆反应为例 化简后 3 2稳态全混流反应器 上式两边减1得 可见这时 上式表示 当一级不可逆反应时 各级的体积相等时 总反应体积最小 即 3 2稳态全混流反应器 例3 4以硫酸为催化剂 由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯 仓库里闲置两台反应釜 一台体积为3m3 另一台则为1m3 现拟将它们用来生产醋酸丁酯 初步决定采用等温连续操作 原料中醋酸浓度为0 15kmol m3 丁醇则大量过剩 该反应对醋酸为一级 在反应温度下反应速率常数为1 2h 1 要求醋酸的最终转化率为50 求两种连接方式的酯产量各为多少 3 2稳态全混流反应器 解 1 小反应器在前 大反应器在后联立以上二式 将xA2 0 5代入 化简得 3 2稳态全混流反应器 解得 丁酯的产量 3 2稳态全混流反应器 2 大反应器在前 小反应器在后联立以上二式 将 0 5代入 化简得 3 2稳态全混流反应器 解得 丁酯的产量同样为0 4182kmol h结果表明 对一级不可逆反应 多釜串联时连接方式对结果无影响 3 2稳态全混流反应器 3 3平推流管式反应器 一 平推流管式反应器特征 3 3平推流管式反应器 速度分布不均匀产生径向或轴向混合 为简化设计计算 平推流模型 管长远大于管径处于湍流状态 3 3平推流管式反应器 3 3平推流管式反应器 连续定态下 各个截面上的各种参数只是位置的函数 不随时间而变化 径向速度均匀 径向也不存在浓度分布 反应物料具有相同的停留时间 平推流反应器的特点 对于平推流反应器 可采用空时 3 3平推流管式反应器 流入量 流出量 反应量 累积量 二 一般设计计算方程 3 3平推流管式反应器 1 k与xA的关系 等温时k为常数 2 v与xA的关系 等分子反应 变分子反应 3 等容过程 与间歇反应器的公式相同 间歇反应器 或 3 3平推流管式反应器 对于n级不可逆反应 三 简单反应等温恒容过程 3 3平推流管式反应器 等温恒容平推流反应器计算式 3 3平推流管式反应器 例3 6在常压及800 等温下在平推流反应器中进行下列气相均相反应 反应的速率方程为 式中cT及cH分别为甲苯和氢的浓度 mol L 原料处理量为2kmol h 其中甲苯与氢的摩尔比等于1 若反应器的直径为50mm 试计算甲苯最终转化率为95 时的反应器长度 3 3平推流管式反应器 解 由题意知 甲苯加氢反应为恒容过程 原料甲苯与氢的进料比等于1 即 3 3平推流管式反应器 所需反应体积为 所以反应器的长度为 3 3平推流管式反应器 工业实际中 没有一个反应器是绝对等温的 热量衡算式 联立求解 浓度分布 温度分布 物料衡算式 四 简单反应变温过程 3 3平推流管式反应器 在稳定状态时 有物料衡算 热量衡算 对象为dVR 物料带入热量 物料带走热量 传向环境热量 反应热 3 3平推流管式反应器 物料带入热量 物料带走热量 传向环境热量 反应热 等温时 绝热时 3 3平推流管式反应器 1 等温过程 则有 积分 dA 3 3平推流管式反应器 2 绝热过程 热量衡算式简化为 则有 称为绝热温升 即为在绝热条件下组分A完全反应时物料的温升 3 3平推流管式反应器 积分得 当xA0 0 有 若略去反应焓及定压热容随温度的变化 则绝热温升为一定值 一 半间歇釜式反应器的特征 反应物B一次投入A在反应过程中连续加入 适用情况 1 要求严格控制器内A的浓度 防止因A过量而使副反应增加的情况 2 只有在低浓度下才能进行的放热反应 3 B浓度高 A浓度低对反应有利的情况 3 4半间歇釜式反应器 反应物A和B同时连续加入 适用情况 1 需严格控制A与B的浓度比例的情况 2 A和B浓度较低对反应有利的情况 3 4半间歇釜式反应器 反应物A和B一次按比例投入反应器连续移出产物 适用情况 1 要求A和B浓度均较高的情况 2 尤其适用于可逆反应 3 4半间歇釜式反应器 二 半间歇釜式反应器的数学模型 等温半间歇液相均相反应 设开始时向反应器中加入体积为VR0的反应物B 然后连续地输入浓度为cA0的反应物A 体积流量恒定为vA0 某一时刻时 反应器中液相反应物料的体积为VR 过程中不导出物料 则在时刻t时 若B组分大量过剩 3 4半间歇釜式反应器 单位时间内对整个反应釜作物料衡算 3 4半间歇釜式反应器 产物R的浓度随时间变化的计算设某时刻t时产物R的浓度为cR 则此时R的生成量应等于反应所消耗掉A的量 3 4半间歇釜式反应器 反应器生产操作特点常用物系适宜反应 间歇釜间歇 小批量 多品种液相或高粘液正级数 简单 复合 全混流连续 大批量 单品种液相低级数 自催化 平推流连续 大批量 单品种气 液相正级数 简单 复合 多釜串联连续 大批量 单品种液相任意级数 简单 复合 一 各类反应器综合比较 3 5理想流动反应器的组合和比较 二 理想流动反应器的组合 3 5理想流动反应器的组合和比较 全混流 一级不可逆等容单一反应设每个反应器的体积为VR 总体积流量为v0 3 5理想流动反应器的组合和比较 全混流 第一个釜出口 第二个釜出口 3 5理想流动反应器的组合和比较 平推流 全混流 平推流出口 全混流出口 3 5理想流动反应器的组合和比较 平推流 全混流 平推流出口 全混流出口 3 5理想流动反应器的组合和比较 平推流 3 5理想流动反应器的组合和比较 平推流 全混流 平推流出口 全混流出口 3 5理想流动反应器的组合和比较 3 5理想流动反应器的组合和比较 理想流动反应器的组合 工业生产中的应用 某个真实反应器的模型 3 5理想流动反应器的组合和比较 相同的反应 相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率 3 5理想流动反应器的组合和比较 相同条件下全混流 平推流 前者存在返混造成 1转化率越小 两者体积差别越小 采用低转化率操作 可减少返混带来的影响 但原料得不到充分利用 可采用循环流程 2反应级数越高 返混对反应的影响越严重 级数高的反应在生产中应注意减少返混 3采用多级全混流及反应器串联操作可以减少返混 提高反应推动力 使的差别减少 3 5理想流动反应器的组合和比较 3 5理想流动反应器的组合和比较 若以为纵坐标 以为横坐标 将上式作成曲线 1在串联级数m一定时 越大 之比也越大 2在最终转化率一定时 m越大 之比越小 接近平推流 当时 再增加级数所能减少的反应体积也很有限 但会增加设备投资 故应在经济上权衡 3 5理想流动反应器的组合和比较 3一定时 m不同 所得到的最终转化率也不同 对二级不可逆反应或可得到类似的结论 例3 8 生化反应工程中A R为自催化液相反应 反应速率式 产物R是过程的催化剂 因此进料产物中含有产物R 某温度 采用的原料中含A0 99kmol m3 含R0 01kmol m3 原料的进料量10m3 h 要求A的最终浓度降到0 01kmol m3 求 1 反应速率达到最大时 A的浓度是多少 2 采用全混流反应器 反应体积是多大 3 采用平推流反应器时 反应体积是多大 4 为使反应体积为最小 将全混流和平推流反应器组合使用 组合方式如何 其最小体积为多少 3 5理想流动反应器的组合和比较 解 1 2 在全混流反应器中 3 5理想流动反应器的组合和比较 3 在平推流反应器中 由于cA0到cAm和cAm到cAf时反应速率曲线是对称的 因此 4 反应器的组合形式及最小体积要使反应器体积最小 从cA0到cAm应该选用全混流反应器 而后从cAm到cAf应该串联一个平推流反应器 3 5理想流动反应器的组合和比较 全混流反应器的体积为 平推流反应器的体积为 所以最小总体积为 3 5理想流动反应器的组合和比较 1 平行反应 一个反应物 3 6多重反应的选择率 3 6多重反应的选择率 3 6多重反应的选择率 主副反应速率之比为称为对比速率瞬时选择率 imtantaneousfractional 总选择率 over allfractionalfield 二者的关系 S是反应过程中瞬时选择率s的平均值 平推流反应器中 总选择率是反应过程中或反应器中瞬时选择率的平均值 全混流反应器中 因浓度处处相等 总选择率即为瞬时选择率 3 6多重反应的选择率 1 温度效应 提高温度对活化能高的反应有利降低温度对活化能低的反应有利 若E1 E2 则在较高温度下进行若E1 E2 则在较低温度下进行若E1 E2 温度变化对选择性无影响 反应器型式无影响 3 6多重反应的选择率 2 浓度效应 若n1 n2 较高反应物浓度对主反应有利 若n1 n2 较低反应物浓度对主反应有利 若n1 n2 反应物浓度对选择性无影响 平推流反应器 低的单程转化率 全混流反应器 加入稀释剂 反应后物料循环 反应器型式无影响 3 6多重反应的选择率 3 6多重反应的选择率 所以 对于平行反应 当主反应级数大于副反应级数时 提高CA 对s有利 可采用平推流反应器 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 降低CA对s有利 可采用全混流反应器 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 平行反应两个反应物 3 平行反应加料方式的选择 3 6多重反应的选择率 n1 n2 m1 m2cA cB都高 n1 n2 m1 m2cA高 cB低 n1 n2 m1 m2cA cB都低 间歇操作 开始时A B同时加入 A B缓慢滴入 B向A中缓慢滴入 3 6多重反应的选择率 连续流动操作 n1 n2 m1 m2要求CA CB都高 n1 n2 m1 m2要求CA CB都低 n1 n2 m1 m2要求CA高 CB低 A B在入口处同时进料 A B同时加入全混流反应器 A进口加入 B分段加入 3 6多重反应的选择率 2 连串反应 一级反应 cL0 cM0 0 3 6多重反应的选择率 组分A 单调下降 产物L 先升后降 有极大值 产物M 单调上升连串反应的瞬时选择率s可表示为 3 6多重反应的选择率 若E1 E2 则在较高温度下进行若E1 E2 则在较低温度下进行若E1 E2 温度变化对选择性无影响 瞬时选择率s 1 温度效应 3 6多重反应的选择率 2 浓度效应 若n1 n2 增加初浓度cA0若n1 n2 降低初浓度cA0若n1 n2 初浓度的变化对选择性无影响 3 6多重反应的选择率 3 流动类型的影响 3 6多重反应的选择率 CL CA随xA的增大而增大 L的瞬时选择性下降 转化率过高 选择性降低 工业上