第三章-理想流动反应器.ppt

1,第三章理想流动反应器,第一节流动模型概述第二节理想流动反应器第三节思考题第四节计算题,欣赏,3-1反应器中流体的流动模型3-2反应器设计的基本方程,3-3间歇反应器3-4平推流反应器3-5全混流反应器3-6多级全混流反应器的串连及优化3-7理想流动反应器的组合与反应体积比较3-8理想流动反应器中多重反应的选择性3-9全混流反应器的热稳定性,2,第一节流动模型概述,3-1反应器中流体的流动模型,反应器类型：1、间歇反应器：不存在停留时间分布2、平推流反应器：不存在停留时间分布3、全混流反应器：存在停留时间分布,一、理想流动模型,由流体的流动状态分类：,作业,3,图3-1间歇反应器与理想流动反应器,作业,4,1、平推流模型(活塞流、理想置换),指反应物在反应器中流体流动方向的垂直截面上，各点的流速、流向相同。,特点：(1)物料的停留时间相同；(2)在同一截面上浓度、温度相同；(3)返混程度最小。用PFR表示。,作业,5,2、全混流模型(理想混和模型),理想化的条件：(1)假定反应器搅拌完全良好；(2)物料完全混和均匀；(3)反应器内各处物料的浓度、温度相同。,指刚进入反应器的物料与已存在的物料达到瞬间混和。,特点：(1)反应器内各点的温度、浓度均相同；,作业,6,(2)返混程度最大；(3)各粒子的停留时间不同，具有停留时间分布。用CSTR表示。,二、非理想流动模型,非理想流动：凡是流体流动状态偏离PFR和CSTR两种理想情况的流动，称为非理想流动。,非理想流动模型介于PFR和CSTR之间；非理想流动停留时间介于PFR和CSTR之间。,作业,7,图3-2反应器的推动力,作业,8,图3-3偏离平推流的几种情况,作业,9,图3-4偏离全混流的几种情况,作业,10,非理想流动产生的影响：(1)影响化学反应的转化率、选择性等；(2)各种参数不同。,非理想流动的形成：(1)流体流动速度发生变化；(2)分子的扩散效应。,年龄：流体粒子在反应器内停留的时间。返混：指不同年龄的粒子之间的混和。,作业,11,3-2反应器设计的基本方程,基本方程包括：,1、物料衡算,进入量出去量+反应量+累积量,(1)连续系统：累积量0。(2)间歇系统：进入量0；出去量0,2、热量衡算,进入热量出去热量+反应热+累积热量+热损失,反应热：放热为负；吸热为正。,作业,12,3、动量衡算,以动量守恒定律为基础。,实际计算时应联立三个方程求解。,第二节理想流动反应器,3-3间歇反应器,对A组分作物料衡算：,作业,13,其中：,此式表示了,的关系。,作业,14,图3-7间歇反应过程反应时间t的图解积分,作业,15,对于恒容系统：,作业,16,图3-6间歇反应过程t/CA0的图解积分,作业,17,表3-1理想间歇反应器中反应结果,作业,18,实际操作时间包括：反应时间t和辅助时间t。,反应器的有效体积：,例3-1以醋酸A和正丁醇B为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B，已知反应速率,试求醋酸转化率分别为0.5、0.9、0.99时所需的反应时间。已知醋酸和正丁醇的密度分别为960,和740,解：加入物料的体积,作业,19,作业,20,作业,21,例题：用间歇反应器生产乙酸乙酯50t/d，反应方程式为：,C2H5OH(A)+CH3COOH(B)CH3COOC2H5(P)+H2O(S),原料质量配比为A:B:S=0.46:0.23:0.31，反应在100等温下进行，反应速率为：,反应液密度为1020kg/m3，求乙酸转化率达到35时所需的反应器体积，每批物料的辅助操作时间为1h。,解：分子量：,进料中各组分的含量：,作业,22,假定进料为100kg(混合物)，则物料的总体积为：,则各组分的初始浓度为：,作业,23,各组分与转化率的关系：,作业,24,反应时间：,每批物料的生产时间为2.97小时。,乙酸乙酯单位时间产量：,作业,25,乙酸的投入量为：,乙酸的体积流量：,反应器的体积：,作业,26,例题：如反应：A+B产物，动力学方程：,恒容，,初始浓度分别为0.1和0.08,，间歇反应，A、B的,为95时所需的反应时间。,试求B的转化率,解：,令：,对于恒容过程：,作业,27,作业,28,例题：某气相分解反应可按二级动力学方程进行：2AB+C，已知,1atm下进行反应，反应开始时反应器中全部为A，试计算在间歇反应器中反应时间为1s、10s和10min时的转化率。,，在850和,解：由题条件：,作业,29,当t1s时，,当t=10s时，,作业,30,当t=10min，,例题：醋酐浓度为,反应混合物密度为,反应速率为,，求：,(1)说明为什么二级反应速率可写成如上式表示的表达式；(2)当醋酐转化率达70时需多少时间；(3)物料的条件流量为多少。,作业,31,解：(1),B组分的浓度在反应过程中基本不变，所以动力学方程：,(2),(3),作业,32,3-4平推流反应器,应满足三个条件：1、正常情况下，连续稳定操作；2、反应器内轴向各点的浓度不同；3、反应器径向速度分布均匀，不存在浓度梯度。,作业,33,对A组分作物料衡算：,进入量出去量+反应量+累积量,化简后得：,由,作业,34,反应时间：,一、等温平推流反应器,动力学方程：,1、反应过程中无体积变化,浓度与转化率的关系：,作业,35,当n1时：,当n1时：,作业,36,2、反应过程中有体积变化,定义化学膨胀率：,化学膨胀率的意义：当反应物A全部转化后系统体积的变化分率。,气相反应：,化学膨胀因子：,作业,37,化学膨胀率：,其中：Ci0初始反应混合物的浓度(包括惰性组分),反应物体积的变化：,浓度与转化率的关系：,作业,38,当n=1时：,作业,39,当n2时：,例题：在平推流反应器中进行某等温二级不可逆分解反应，反应过程中无体积变化，物料体积流率,，反应物A的初始浓度,，反应速率常数,求转化率为70时所需的反应器体积为多少？,解：对于二级反应：,作业,40,例题：在等温下进行丙烷裂解反应：C3H8C2H4+H2，若忽略副反应，系统保持恒压P=0.1MPa，V0=800l/h，当丙烷转化率达到50时所需平推流反应器体积。已知动力学方程为：,，该温度下,作业,41,解：,动力学方程为：,化学膨胀率：,作业,42,例题：在平推流反应器中进行气相反应：,和50惰性物料组成，物料流量为4000,，进料由50A,，A与,惰性物料的分子量分别为40和20，反应速率常数为,器体积。,，试求当A的转化率达到35时的反应,作业,43,解：动力学方程：,化学膨胀率：,作业,44,作业,45,例题：某气相一级不可逆反应：,，在等温平,推流反应器中进行，加入原料为含A50，惰性物料为50，反应时间为10min，出口处的体积流体为进口处的1.5倍，求此时A的转化率及该反应条件下的反应速率常数。,解：化学膨胀率：,其中：,作业,46,对一级反应：,作业,47,例题：在平推流反应器中进行丁烯脱氢反应生产丁二烯：C4H8C4H6+H2，反应速率方程为：,，原料气为丁烯和水蒸汽的混,合物，丁烯含量体积百分比为0.5，操作压力为0.10133MPa，在650时,试求丁烯转化率为90时的空速为多少？,作业,48,解：,作业,49,表3-2等温恒容平推流反应器计算式,作业,50,二、变温平推流反应器,物料衡算式：,热量衡算：,进入热量出去热量+反应热+累积热量+传递热量,由物料衡算式：,作业,51,代入热量衡算式中：,作业,52,讨论：,1、绝热操作,此时：,物料衡算式：,称为绝热温升,作业,53,绝热温升的意义：在绝热条件下，A组分完全反应使物系温度升高的数值。,2、等温操作,作业,54,3-5全混流反应器,对全混流反应器作物料衡算：,进入量出去量+反应量+累积量,作业,55,图3-9全混流反应器反应时间的图解法,作业,56,表3-3平推流反应器和全混流反应器反应结果,作业,57,如果反应器入口转化率不等于0。,例题：在全混流反应器中进行液相可逆反应：,，反应速率,A与B分别进入反应器，其体积流量均等于4l/min，加入的物料中A与B的浓度分别为,作业,58,与,，现要求B的转化率为75，试反应器,的体积多大？设物料密度恒定不变。,解：,作业,59,例3-2：生化工程中酶反应AR为自催化反应，反应速率式为,，某温度下k=1.512,原料中含有A0.99kmol/m3，含R为0.01kmol/m3，要求A的最终浓度降到0.01kmol/m3，当原料的进料量为V010m3/h时，试求：(1)反应速率达到最大时，A的浓度为多少；(2)采用全混流反应器时，反应器体积是多大；(3)采用平推流反应器时，反应器体积是多大；,作业,60,(4)为使反应器体积为最小，将全混流和平推流配合使用，组合方式如何，其最小体积为多少。,解：,(1),为使反应速度最大，应有：,即：,作业,61,(2)全混流反应器的体积,(3)平推流反应器体积：,作业,62,(4)反应速度达最大，反应器体积可达最小,假定先用全混流，后用平推流：,全混流反应器：,作业,63,平推流反应器：,假定先用平推流，后用全混流。,平推流反应器：,作业,64,全混流反应器：,作业,65,例题：由醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，化学反应为：,CH3COOH(A)+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O,，每小时处理原料量为735kg，,反应混合物密度为0.75kg/l，原料配比为醋酸:丁醇1:4.97(mol)，动力学方程为,求反应器的有效容积：(1)用一个全混流反应器；(2)用两个全混流反应器串连，已知：,，(3)用一个平推流反应器。,解：进料中醋酸含量：,进料中丁醇含量：,作业,66,进料的平均分子量：,作业,67,(1)全混流反应器：,(2)全混流反应器串连：,作业,68,(3)平推流反应器：,3-6多级全混流反应器的串连及优化,对于平推流反应器的串连：,设,1、2、N时的转化率。,为组分A离开反应器,作业,69,对于反应器1：,同样对于反应器i：,对于N个平推流反应器的串连：,作业,70,如果系统的温度相同，则有：,即对于N个平推流反应器串连，相当于总体积和为VRS的一个平推流反应器所能获得的转化率相同。,对于平推流反应器的并联，可按上述方法简化为一个反应器的情况。但为使反应器的总体积和最小，应使每个反应器的体积相同。,一、多级全混流反应器串连的计算,推动力：平推流反应器全混流反应器,提高推动力：全混流反应器采用串连方式，如图3-10。,作业,71,图3-10多级串连全混流反应器的推动力,作业,72,2、多级全混流反应器串连的解析计算,多级串连情况：,对第i个全混流反应器A组分作物料衡算：,进入量出去量+反应量+累积量,作业,73,或,对于一级反应：,或,作业,74,作业,75,如果各反应器的容积与温度均相同，则有：,作业,76,3、多级全混流反应器串连的图解计算,由物料衡算式：,图解法的步骤：,(1)作出,动力学方程或实验数据)；,的曲线(由,(2)由式作出操作线；,作业,77,(3)以,为起点，作斜率为,的直线，与,线交点，再作横轴垂线，即得,一直达到要求为止。,值，依次作下去，,例题：在全混流反应器中用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：,CH3COOH(A)+C4H9OH(B)CH3COOC4H9(C)+H2O(D),反应在100下进行，动力学方程为,以少量硫酸为催化剂，反应物密度为0.75kg/l，每天生产2400kg醋酸丁酯，当醋酸的转化率为50，求：(1)用单个全混流反应器的体积；(2)用解析法计算,，配料摩尔比为A:B1:4.97，,作业,78,两个等体积串连的全混流反应器的体积；(3)用图解法计算三个等体积串连的全混流反应器的总体积。,解：投入的醋酸量：,投入的丁醇量：,投入的物料总量：634.1+103.45737.6kg,作业,79,(1)一个全混流反应器,(2)两个等体积全混流反应器串联,作业,80,作业,81,(3)图解法三个等体积全混流反应器串联,由动力学方程式计算出,的关系，作图；,假定,，计算,，作图，如果,小于给定值即可。,二、多级全混流反应器串连的优化,对一级反应：,作业,82,使反应器总体积和为最小，则应有：,则有：,作业,83,即m个全混流反应器串连，体积应相等，总体积和最小。,结论：(1)当n=1时，反应器体积相等；(2)当n1时，较小的反应器在前；(3)当n1，平推流反应器在前，全混流反应器在后；3、当n全混流反应器的选择性；,相同时，,(2),时，,(3),时，,例题：一级不可逆反应,进料流量为0.5m3/min，CA0=1kmol/m3，CL0=CM0=0，试求：(1)采用单个VR=1m3的全混流反应器，(2)采用两个VR=0.5m3的全混流反应器串联，(3)采用单个VR=1m3的平推流反应器时，反应器出口主产物L的浓度。,作业,143,解：(1)单个全混流反应器,(2)两个全混流反应器串联,第一反应器出口处：,作业,144,第二反应器出口处：,对L作物料衡算：,作业,145,(3)平推流反应器,例题：一级连串反应,求：(1)在单个全混流反应器，(2)在单个平推流反应器中的最大收率及相应的最优转化率。,解：(1)全混流反应器,作业,146,(2)平推流反应器,作业,147,3-9全混流反应器的热稳定性,热稳定性：指操作条件偏离定常态扰动时，反应器能否恢复或保持定常态所规定的操作状态。,作业,148,图3-19化学反应器稳定性和灵敏性的区别,作业,149,操作条件变化会出现两种情况：1、扰动消除后，能较快恢复到稳定状态；2、微小干扰后，使反应器的操作状态失控，偏离原来的操作状态，干扰消除后，系统不能恢复原来的状态。,一、全混流反应器的多态,对于一级反应：AP,物料衡算式：,作业,150,其中：,A组分的摩尔分数,混合物摩尔流率,反应器内的放热量：,其中：,如图3-20(曲线)。,作业,151,图3-20全混流反应器放热与移热曲线,155,153,156,作业,152,如果物系密度恒定，则有：,移热速率：,如图3-20(直线)。,多态：QR与QC交点即为定常态操作点，多个交点即为全混流反应器的多态。,作业,153,讨论：(图3-20),1、稳定操作点：,对于,，温度下降；,，温度上升；,即温度无论怎样变化，都能自动恢复到稳定点称为真稳定操作点。,对于,，温度上升；,，温度下降；,假稳定操作点。,作业,154,2、原因：,对于,当发生扰动时，系统温度升高，即,此时：,如果系统温度降低，即,此时：,作业,155,稳定操作点条件：,(1)、必要条件：,(2)、充分条件：,二、操作参数对热稳定性的影响,1、进口温度的影响,对于4点：温度升高，迅速达到8点起燃点，装置开车时利用此点，使反应器内的温度迅速升到所需要的温度。,作业,156,对于6点：降低温度，迅速降到2点熄火点，装置停车时利用此点，使反应器内的温度迅速降低。,2、进料流量的影响(图3-22),作业,157,：当,，仍为直线，斜率下降。,：当,，仍为曲线，斜率下降。,3、可逆放热反应(图3-21),操作点应放在曲线的最高点附近。,作业,158,4、可逆吸热反应,与,只有一个交点稳定点。,第三章总结,一、反应器的类型,1、间歇反应器,反应时间：,恒容：,反应器体积：,作业,159,2、平推流反应器,(1)恒温下：,一级反应：,二级反应,作业,160,二级反应,其中：,(2)非恒容下,膨胀因子：,膨胀率：,作业,161,一级反应：,二级反应：,(3)变温过程,绝热操作：,绝热温升：,任一转化率下的温度：,等温操作：,作业,162,3、全混流反应器,反应器体积：,反应时间：,如果反应器入口转化率为,二、多级全混流反应器的串联,解析计算：,作业,163,对一级反应(各反应器体积相同)：,平推流反应器串联，可按一个平推流反应器处理。,三、多级全混流反应器的优化,作业,164,1、当n=1时，反应器体积相等；2、当n1时，较小的反应器在前；3、当n1，平推流反应器在前，全混流反应器在后；3、当n副反应级数时，,可采用平推流反应器；,(2)当主反应级数副反应级数时，,可采用全混流反应器,3、加料方式,当,时，A、B同时加入；,A,B,A,B,PFR,CSTR,作业,166,当,时，A、B同时缓慢加入；,当,时，A一次性加入，B缓慢加入。,A,B,CSTR,A,A,B,B,B,B,PFR,CSTR,4、选择性(1)平推流反应器,作业,167,瞬时选择性：,总选择性：,连串反应最佳反应器时间：,连串反应最大浓度：,最大收率：,作业,168,当,时，,最大收率：,(2)全混流反应器,最佳反应时间：,最大浓度：,作业,169,最大收率：,当,时，,最大收率：,六、热稳定性,1、必要条件：,2、充分条件：,作业,170,第三节思考题,1、间歇釜反应器有何特点?它与活塞流反应器有何异同?2、活塞流反应器有何特点?3、全混流反应器有何特点?它与间歇釜反应器有何异同?4、返混的含义是什么?返混是否总是有害的?5、造成非理想流动的主要因素有哪些?其根本原因是什么?6、返混能造成非理想流动,对否?非理想流动是由返混造成的?对否?7、反应器设计的基本方程包括哪些内容?8、间歇釜反应器体积计算时应考虑哪些问题?为什么？它与CSTR的计算有何异同?,171,9绝热温升的物理含义是什么?该数值的大小反映了什么工程概念?10、串、并连操作各有何特点?工业上何时采用串联操作?何时采用并联操作?两者是否可以互相代替?为什么?11、一般情况下返混对反应结果都有不利影响,对否？为何工业上常选用CSTR?12、CSTR串联为何好于单个大体积的CSTR?是否工业上都用多个CSTR串联来代替单个CSTR?多釜串联时是否串联级数越多越好?为什么?13、对一级不可逆反应,在相同的反应条件下完成相同的任务时,两个体积相同的CSTR串联、并联的结果是否相同?如果不相同，哪种结果好？14、多釜串联时,如各釜体积相同,其操作线有何特点?,172,15、CSTR与PFR串联操作时,其顺序的变化是否影响反应结果?为什么?16、CSTR与PFR并联操作是否合理?为什么?17、什么条件下串联操作与单个反应器操作的结果完全相同?为什么?18、反应体积的变化是否影响反应结果?它是通过什么途径起的作用?对于不同反应级数的反应影响程度是否相同?19、转化率与体积变化相比哪个对反应结果影响大?为什么？20、反应体积增大与减少对反应结果有何影响?对不同反应级数的反应影响程度是否相同?为什么?21、如果主反应级数大于副反应级数,体积增大对反应是否有利?为什么？22、如果反应温度提高后,目的产物的选择性明显增加,从中可以得出什么结论?,173,23、提高某指定反应物浓度的操作方法有哪些?说明其理由?24、返混对串联反应是否总是不利的?为什么?25、反应物的初始浓度对反应的选择性、收率是否有影响?为什么?26、瞬时选择性与总选择性有何关系?两者是否可以相等?为什么?27、反应器多态的物理含义是什么?数学含义是什么?28、对吸热反应讲,有无多态问题?对不可逆放热反应讲,有无多态问题?对可逆放热反应是否一定有多态问题?为什么?29、采用什么措施可以调整着火温度?着火点有何特点?30、采用什么措施可以调整息火温度?息火点有何特点?31、热稳定点有何特点？一个反应是否可以有多个稳定点?工业上应选择什么样的点作为操作点？32、惰性组分是否对热稳定点有影响？为什么？,174,第四节计算题,1、在平推流反应器中进行气相反应：A3B，,反应器进口,含65，其余为惰性组分(mol)，反应是在550K和kg/cm2下进行反应，已知进料中的流量为10molmin，为使转化率达80，试求：所需的空速为多少；反应器的有效容积为多少？,2、某气相反应：,，已知物料的体积流量,，转化率,(纯进料)：单个平推流反应器；单个全混流反应器；两个等体积全混流反应器串联。,计算下列各情况的反应器的体积,3、某气相反应：，已知：,体积各为多少？若进料中含75，其余为惰性物料（mol）。,试求当xA0.85时，平推流反应器和全混流反应器的,175,4、某气相不可逆反应：AB2C，在60，5atm下的平推流反应器内进行,原料气中含75的A和25的惰性物料（mol），物料的质量流量为,分别为60和40，反应速度常数为0.11s-1，转化率控制为75,A和惰性物料的分子量,5、在一体积为升的全混流反应器中进行如下液相可逆反应：,正反应速率常数,逆反应速率常数,比3:4的体积流量同时加入反应器，加入的物料中与的浓度分别为,，和两种原料以体积,与,的转化率为65，试求每种原料的体积流量。,，假设系统密度不变，限制组分,6、在一平推流反应器中进行某一级不可逆反应：AP，已知的转化率为85，在此基础上再串联一个相同的反应器，试求：(1)串联后的总转化率；(2)若出口转化率仍保持为85，则物料的体积流量如何改变。,176,7、在平推流反应器中，以乙烷气体为原料进行裂解制乙烯：C26C242；动力学方程式为：,压力为1.4atm(绝压)，反应速度常数k=16.45s-1，进料为乙烷与水的混合物，其配比乙烷:水1:0.5(体积)，乙烷进料速度为20吨时，乙烷的转化率为60，设反应器在恒压下进行，试计算反应时间和反应器的体积。,，反应温度为900，,8、在平推流反应中进行如下气相反应：ABS，反应温度为500，系统的总压为10atm,进料由50的和50的惰性物料组成（mol），进料流量为657molh，反应速度常数k0.1182min-1，当的转化率为75时，试求：所需的空速为多少？所需的反应器的有效容积为多少？,177,名曲欣赏,笛子二胡琵琶小提琴,萨克斯钢琴小号笛子,178,1、异丙苯在某催化剂上裂解生成苯，如催化剂为微球状，已知P1.06gcm3,颗粒孔隙率0.52,Sg350m2g，求在500，atm，异丙苯在催化剂微孔中的有效扩散系数。异丙苯的分子量为120，微孔的曲节因子，异丙苯苯的分子扩散系数为0.155cm2s。,2、用直径为6毫米的球形催化剂进行一级不可逆反应AR+P,气相中的摩尔分数