理想流动反应器精选幻灯片PPT课件.ppt

第3章理想流动均相反应器设计,理想反应器,间歇（搅拌）釜式反应器（BSTR）,全混流（连续搅拌釜式）反应器（CSTR）,平推流（活塞流）反应器（PFR）,1,.,引言,反应器的开发设计，主要有三个任务：1）根据化学反应动力学特性，选择合适的反应器型式；2）结合动力学和反应器两方面特性，确定操作方式和优化操作条件；3）根据给定的生产任务进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行评价。本章的目的：讨论各类理想反应器模型，理想反应器的设计分析，讨论复杂反应系统等温及非等温反应器的选择性和最佳化问题。,1,3.1.1反应器的分类,本质上讲，反应器的类型不会影响化学反应动力学，但不同类型的反应器，物料在其中的流动情况不同，物料在反应器内的流动必然引起物料之间的混合。简单混合：若相互混合的两部分物料在相同时间进入反应器，则这两部分物料的组成是相同的，混合后形成的新物料其组成必然与原物料的组成相同，这种混合称简单混合。返混：若处于不同进料时间的两股物料之间发生混合，两者的组成不同，混合后形成的新物料其组成与原物料的组成不同，化学反应的速率亦随之变化，这种混合称为返混。,1,3.1.1反应器的分类,反应器：发生化学反应过程的装置根据化学反应的要求，反应器的形式和操作方式有很大差异，在反应器的分类上也存在不同的方案。从反应器的外形：管式、釜式、塔式、列管式换热反应器等从操作方式：间歇、半间歇半连续、连续操作反应器从物料受热情况：等温、非等温、绝热反应器等,1,3.1.1反应器的分类,根据返混情况，反应器又可分为：1）间歇反应器：简单混合，不返混反应器2）活塞流反应器：径向简单混合、轴向无返混3）全混流反应器：最大返混4）非理想反应器：一定程度返混,1,反应器选型、设计和优化,反应器中的流动状况影响反应结果,数学模型,流动模型,对实际过程的简化,理想模型,非理想模型,第一节流动模型概述,建立模型的基本方法,理想气体状态方程,1,.,间歇反应器,平推流反应器,全混流反应器,连续流动反应器,完全没有返混,返混极大,(a),(b),(c),1,间歇搅拌反应器BatchStirredTankReactor(BSTR)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。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,1,BSTR结构特点釜式结构,电动机,减速箱,夹套,排料口,疏水阀,桨叶,搅拌轴,测温管,档版,固体进料,液体进料,加热蒸气入口,1,平推流反应器PistonFlowReactor(PFR),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。,1,全混流反应器ContinuedStirredTankReactor(CSTR),连续搅拌槽式反应器或理想混合反应器假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。,1,第一节流动模型概述,反应器中流体的流动模型物料质点、年龄、寿命及其返混物料质点物料质点是指代表物料特性的微团。物料由无数个质点组成。,年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。,1,寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。,返混：又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合,在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年龄的质点混合在一起，所以有返混。,1,返混的原因（1）机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起；（2）反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性。在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。,1,BSTRPFRCSTR1投料一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)2年龄年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同3寿命寿命相同(中止)寿命相同(出口)寿命不同(出口)4返混全无返混全无返混返混极大,反应器特性分析,1,浓度分布-推动力,反应器特性分析,反应推动力随反应时间逐渐降低,反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低,反应推动力不变，等于出口处反应推动力,1,非理想流动模型实际反应器存在着程度不一的工程因素，造成流动状况不同程度的偏离理想流动，称为非理想流动。非理想流动模型在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型，称为非理想流动模型。,1,偏离平推流的情况,非理想流动模型,漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料,截面上流速不均匀,沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀,1,非理想流动模型,偏离全混流的情况,死角,短路,搅拌造成的再循环,1,流动状况对化学反应的影响-由物料停留时间不同所造成,非理想流动模型,短路、沟流,停留时间减少,转化率降低,死区、再循环,停留时间过长,A+BP：有效反应体积减少A+BPS产物P减少,停留时间的不均,1,反应器设计的基本方程,反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性确定最佳的工艺条件最大反应效果+反应器的操作稳定性进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积规定任务+反应器结构和尺寸的优化,1,简单反应器,1,反应器设计的基本方程,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,1,反应器设计的基本方程,热量衡算方程,带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量,反应热累积,带入,带出,反应单元,传给环境,1,反应器设计的基本方程,动量衡算方程,气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。,1,间歇操作指物料一次投入反应器，待反应完成后，物料一次卸出的操作过程。,最常用釜式反应器，主要结构由筒体、搅拌装置、夹套组成。器内还可以根据需要设置盘管。,间歇反应器,第二节理想流动反应器,1,间歇反应器特点: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。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,1,理想化条件反应物料在反应器内搅拌均匀；反应物料各参量只随时间改变。如果是非理想工业规模反应器，则经理想化后的浓度、温度函数则为,Design,equation,1,间歇反应器的数学描述,对整个反应器进行物料衡算：,流入量=流出量+反应量+累积量,0,0,单位时间内反应量=单位时间内消失量,等容过程，液相反应,1,间歇反应器的数学描述,实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(t),反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积VR=V(t+t),1/rAxA,t/CA0,1/rACA,t,1,图解积分示意图,1,间歇反应器中的单反应,1,表31理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式,1,k增大(温度升高）t减少反应体积减小,间歇反应器中的单反应,2.反应浓度的影响,1.k的影响,零级反应：t与初浓度CA0正比一级反应：t与初浓度CA0无关二级反应：t与初浓度CA0反比,3.残余浓度,零级反应：残余浓度随t直线下降一级反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降,反应后期的速度很小；反应机理的变化,1,第三章均相反应过程,简单反应器,间歇反应器所需的实际操作时间包括反应时间t与辅助时间t0,t0包括加料、调温、卸料、清洗等时间。则间歇反应器的体积为：式中，v0为单位时间需要加工的物料量；为反应器的装料系数，一般在0.650.85间。,1,（3）BSTR一般设计方程应用举例,【例3-1】在拟等温间歇釜中进行氯乙醇的皂化反应CH2Cl-CH2OH+NaHCO3CH2OH-CH2OH+NaCl+CO2生产乙二醇，产量为20kg/h。以15%（质量分数）的NaHCO3水溶液及30%（质量分数）的氯乙醇水溶液为原料，反应釜装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1:1，混合液的相对密度为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在该反应温度下反应速率常数为：5.2L/(molh)。要求转化率达到98%，若辅助时间为0.5h，装填系数取0.75。试计算反应釜的实际体积。,1,（3）BSTR一般设计方程应用举例,【问题思考】（1）该反应过程是等容还是变容过程？（2）该反应是几级反应？（3）反应级数与速率常数单位有何联系？（4）该物料体系是难发泡体系还是易发泡体系？（5）该反应的动力学方程有几种表达形式？（6）各反应物的初始浓度是多少？,1,根据动力学方程计算反应时间：因氯乙醇的初始浓度为1.232kmol/m3，所以,【设计计算步骤】,（3）BSTR一般设计方程应用举例,1,查阅辅助时间计算每批次的操作时间，即操作时间根据物料处理量计算单位时间内处理物料的体积量，即计算反应体积,（3）BSTR一般设计方程应用举例,1,根据物料特性确定装料系数，计算反应器体积,对于沸腾或鼓泡的物料：,对于不沸腾或不鼓泡的物料：,对设备结构如搅拌装置进行合理放大（化工原理）。依据反应物系的腐蚀性能、操作压强的大小和环保要求，选用不同材质的反应器（设备与防腐）。作业：P61，T3-1.,（3）BSTR一般设计方程应用举例,1,（4）BSTR反应时间优化,问题分析,单位时间产量,最优操作时间,不变；,延长；,降低,减小；,1,建立目标函数,存在极值的必要条件：,即:,（最优条件式）,对于反应：,（4）BSTR反应时间优化,1,根据确定A点，由A点作直线与曲线相切，得切点M，由M点作D点，由D点确定最佳操作时间。,图解法优化,（4）BSTR反应时间优化,1,若以生产费用最低为目标，设单位时间内操作费用为，辅助操作费用为，固定费用为，则单位质量产品的总费用设为，则,注意：目标函数不同，结果也不同,极值条件：,（4）BSTR反应时间优化,1,图解法优化,根据确定B点，由B点作直线与曲线相切，得切点N，由N点坐标确定E，从而确定最佳操作时间t。,（4）BSTR反应时间优化,同样用图解法确定最优操作时间,1,第三章均相反应过程,平推流反应器,1,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,一.特点：,1,轴向无混合，无返混；径向达全混,均相管式反应器内物料的流动特点：,与BSTR比较：相同于无返混；不同点于无混合且连续操作,与CSTR比较：相同于连续操作；不同点于无混合，无返混,1,3.3.1一般设计方程,流入量=反应量+流出量+累积量,微元法：在一不均匀体系中取一微小单元dVR作为衡算范围，以建立微分方程的方法。,1,二.基本公式：,1.k与xA的关系,等温时k为常数,2.V0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,1,等温平推流反应器的计算,与BSTR一般方程比较：在方程左边存在空间时间与反应时间的区别；在方程右边不存在任何差异。,1,空时（），平均停留时间，反应时间（t）间的区别对于返混为0的反应器，停留时间等于反应时间对于返混不为0的反应器，停留时间不等于反应时间对于平推流反应器，平均停留时间等于反应时间（恒容的时候两者相等）即，空时，平均停留时间和反应时间相同,平推流反应器,1,1.比较恒容条件下进行某一反应，要达到同一转化率，在间歇釜中经历的时间长，还是平推流？2.比较恒容条件下进行某一反应，要在相同的反应时间达到同一转化率，所需的平推流反应器体积大，还是间歇釜？（反应器的处理能力）,平推流反应器,1,表32等温等容平推流反应器计算式,1,全混流反应器ContinuedStirredTankReactor(CSTR),连续搅拌槽式反应器或理想混合反应器假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。,连续搅拌釜式反应器ContinuousStirredTankReactor(CSTR),1,连续操作搅拌均匀温度、浓度等既不随时间改变，也不随空间位置点的改变。,3.2稳态全混流反应器操作特点,（示意图）,1,全混流反应器,反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。,流入量=流出量+反应量+累积量,0,进口中已有产物（或者进口转化率不为零）,1,全混流反应器,衡算范围：VR衡算对象：反应物A输入量：FA0=V0CA0输出量：FA反应量：rAfVR累积量：0,根据物料衡算方程，得：,1,全混流反应器,恒容条件下，全混流的设计方程,1,全混釜一般设计方程讨论,动力学特征,（全混釜）,矩形面积,（间歇釜）,梯形面积,60,平推流反应器与全混流反应器的比较,1,用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为,原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100下等温操作，其反应速率方程为,已知100时，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。,=,例题：,1,分析：,求,求,已知,1,由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为,首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为,其次计算原料液的起始组成。,通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为,1,将题给的速率方程变换成转化率的函数。因为,代入速率方程，整理后得,式中,所以,1,用间歇式反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为,原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100下等温操作，其反应速率方程为,已知100时，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。,=,例题：,1,由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为,解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为,其次计算原料液的起始组成。,通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为,1,然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。,代入速率方程，整理后得,代入到基本公式中,式中,得：t=118.8min,实际反应器体积：12.38m3/0.7516.51m3,1,用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为,原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100下等温操作，其反应速率方程为,已知100时，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。,=,例题：,1,由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等容过程。等容下平推流反应器的空时与条件相同的间歇反应器反应时间相等，已求出达到题给要求所需的反应时间为t=118.8min。改用平推流反应器连续操作，如要达到同转化率，要求应使空时=t=118.8min。原料处理理为V0=4.155m3/h因此，反应体积VR=4.155(118.8/60)=8.227m3,解：,1,例题中三种反应器体积比较,BSTR：VR12.38m3(实际体积为16.51m3）PFR：VR8.227m3CSTR：VR14.68m3反应器体积:BSTRCSTRPFR,间歇反应器平推流反应器全混流反应器,1,例题2-2：工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在70下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：（-rA）=kCACB式中：（-rA）-以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1k-反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1CA、CB-分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1CA0、CB0均为0.004kmol.L-1,1,求：已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反应时间分别为多少？若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积大小，装填系数=0.75，单釜生产。,1,解：求达到一定的转化率所需时间：计量方程式中，A、B的初始浓度相同，则反应动力学方程可写为：由于反应为液相等温过程，故可按恒容处理，可将已知数据代入设计方程求解：,1,计算结果xA=0.5t=2.10hxA=0.6t=3.18hxA=0.8t=8.47h,1,反应器体积的计算VR=v(t+t0)FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/hv=0.685/0.004=171L/h生产周期=反应时间+辅助时间=t+t0=8.47+1=9.47h反应有效体积：VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考虑装填系数，则反应器的实际体积：V=VR/=1619/0.75=2160L=2.16m3,1,全混釜设计方程应用举例,3.2.2简单反应单个全混釜设计,【例3-2】P35，过氧化异丙苯在全混流反应器中分解生产苯酚和丙酮（AB+C），反应温度为50，初始过氧化异丙苯溶液浓度为3.2kmol/m3。该反应为一级，反应温度下的反应速率常数为810-3s-1，最终转化率为98.9%。若加料速率为10kmol/h，则需多大体积的全混流反应器？若在一个体积为1m3的等温间歇釜中进行，辅助操作时间为30min，求苯酚的产量和处理10kmol/h过氧化异丙苯时的反应体积？并与全混釜比较。【思考123】恒容过程？变容过程？求反应器体积？反应体积?怎样从设计方程到反应体积？,b.p=97.4；b.p=182；b.p=56.48,1,全混釜设计方程应用举例,【解】（1）CSTR由分析可知，选用恒容过程设计方程求解其中:,78,全混釜设计方程应用举例,（2）BSTR间歇釜恒容过程设计方程,79,全混釜设计方程应用举例,（3）结果比较,（返混程度最大）,（不存在返混现象）,体积比较：,产量比较：产量单位时间单位反应体积的转化量CSTR：BSTR：,80,【例3-3】在一个全混流反应器中，进行下述平行反应，,rD和rR分别为产物D和R的生成速率，反应用的原料为A与B的混合液，其中B的量足够，A的初始浓度等于2kmol/m3，R为目的产物。（1）计算A转化率达95%时所需的空时；（2）A转化率达95%时，R的收率是多少？（3）若进料体积流速为3m3/h，所需的体积至少多大？【思考123】B的量足够说明什么？A的消耗速率怎么表达？,全混釜设计方程应用举例,1,全混釜设计方程应用举例,【解】根据题意，建立A组分的平行反应速率方程（1）计算A转化率达95%时所需的空时将转化率达95%代入，得,（恒容过程）,1,全混釜设计方程应用举例,（2）计算A转化率达95%时R的收率，由收率定义知其中：将其代入定义式，得（注意:产物R浓度的求解）,83,全混釜设计方程应用举例,（3）若进料体积流速为3m3/h，所需的体积至少多大？根据空间时间定义式：由前面的计算结果可知题给数据所以，所需的体积至少为,1,多级平推流反应器的串联,1,2,i,n,与单一平推流反应器相同,1,多级全混流反应器的串联,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？,1,稳态，定容,多级全混流反应器串联的计算(解析法),一级反应，m级反应器串联,由于,故,1,组合反应器,具有相同或不相同体积的N个全混釜的串联,1,多级全混流反应器串联的计算,各级反应器体积相同时：,或,反应总体积可见，已知和最终转化率，可求出每级反应釜体积。,1,具有相同或不相同体积的N个全混釜的串联由设计方程得：,1,多级全混流反应器串联的计算（图解法）,对非一级反应，图解计算更方便以为纵坐标，CA为横坐标作图，每一级均为直线关系，直线斜率为，并经过点。又该级的出口浓度亦满足动力学方程式，若各级反应釜动力学方程相同，反映到图上就是同一曲线，由此曲线和上述直线即可确定出口浓度。,1,各级反应体积相等时，即相同，各级直线平行。若各级反应釜内温度不相同，则需作出不同温度下的动力学曲线。若各级体积不同，各条直线的斜率不同，但仍可求出各釜的出口浓度。,1,多级全混流反应器串联-图示,各级反应体积不同,1,根据全混流反应的设计方程，对于恒容反应,问题一：不同体积全混釜串联的容积优化,1,对CA1求导，并令d/dCA1=0,从而解出CA1。再将CA1分别代入,解出V1、1和V2、2，从而得到V、,1,1,结论：对于一级不可逆反应，串联体积相同的全混流反应器得