反应工程PPT演示课件

第二章,复合反应与反应器选型,1,化学反应动力学关联温度及单位反应体积内反应物的摩尔数（浓度）与反应速率的函数关系反应速率讲的是单位反应体积内反应物（或产物）摩尔数随时间的变化率二者都涉及到“单位反应体积”化学反应工程学强调在反应器中不同时间、不同位置上的局部浓度可能不相同，这就造成了同一个反应发生在不同反应器中会有不同的结果,复合反应与反应器选型,2,平推流反应器与间歇反应器,平推流反应器间歇反应器没有搅拌有搅拌连续操作间歇操作管式釜式没有返混没有返混没有不同停留时间（即不同转化率，不同浓度）物料的混合，两种反应器在相同的进口（初始）条件和反应时间下，可以得到相同的反应结果,3,间歇反应器与全混流反应器,间歇反应器与全混流反应器在结构上大体相同间歇反应器完全没有返混，而全混流反应器的返混达到了极大的程度。因而，二者的设计方程不同，同一个反应在这两种反应器中进行，产生的结果也就不一样,4,单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较,2.1单一不可逆反应过程和反应器,5,对于平推流反应器，在恒温下进行，其设计式为：对于全混流反应器，在恒温下进行，其设计式为：二式相除，当初始条件和反应温度相同时：,2.1单一不可逆反应过程和反应器,6,7,结论：(1).对于简单反应，为达到相同的转化率，PFR所需体积最小，CSTR所需体积最大；(2).当转化率越大，则PFR和CSTR体积的差距越大，所以可CSTR常在低转化率下操作(3).转化率较高，返混影响较大，采用PFR反应器；(4).反应级数增加，达到同样转化率，CSTR反应器比PFR反应器所需体积大得多；(5).确定反应器形式，需考虑级数和转化率的高低；(6)级数越高，采用PFR反应器最优,2.1单一不可逆反应过程和反应器,8,2.1.2理想流动反应器的组合,(1)平推流反应器的并联操作VR=VRl+VR2因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和：V0=V01+V02由平推流反应器的设计方程,9,尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件如果各支路之间的转化率不同，会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物流的混合（返混）因此，当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。是应当遵循的条件,2.1.2理想流动反应器的组合,10,思考题,请考虑要使并列的两路得到相同的转化率，则两路的流量比是多少？,由于,2.1.2理想流动反应器的组合,11,(2)全混流反应器的并联操作多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并联操作同样道理，必须满足的条件相同。,2.1.2理想流动反应器的组合,12,(3)平推流反应器的串联操作考虑N个平推流反应器的串联操作对串联的N个反应器而言,2.1.2理想流动反应器的组合,与单一平推流反应器相同,13,(4)全混流反应器的串联,除了最后一个反应器，其反应速率和原来相同，其它反应器的反应速率均高于原反应速率。因此，N个全混流反应器串联降低了反应速率,14,对于n级不可逆反应,当n1，,或,恒容时,(4)全混流反应器的串联,15,由于釜与釜之间不存在返混，故总的返混程度小于单个全混釜的返混。,16,若各釜的容积和操作温度相同，上式可化成：,或,N个反应釜的总容积为：,(4)全混流反应器的串联,17,图解计算法,从i1N进行逐步计算，计算繁琐；简化方法：反过来，从iN1进行逐步计算。,(1)从第i个反应釜的物料衡算式导出CA,i-1和CA,i的关系式；,步骤：,(2)从关系式计算一系列CA,i下的CA,i-1值；,(4)全混流反应器的串联,18,作图:,CA,i-1,CA0,CA,i,CA1,CA2,CA3,从原点作一条与横轴成45的对角线，然后从纵坐标等于CA0处出发，按箭头方向求得CA1，CA2，直到出口浓度为止。,CA,i-1CA,i,(4)全混流反应器的串联,19,等温、等容情况的图解计算,斜率-1/1,CA1,CA0,CA,-rA,CA2,CA3,-rA=f(CA),CA1,CA2,CA3,CAm,对于速率解析式不易得到时，将速率式改写为：,若不等容，则斜率不等。,(4)全混流反应器的串联,20,CA,CA0,CA,CA0,N越大，则串联釜的总体积就越接近BR反应器。,(4)全混流反应器的串联,21,(4)全混流反应器的串联,各级反应体积不同,22,(4)全混流反应器的串联（优化）,优化,总反应体积最小,一级不可逆反应,i=1,2,m-1,23,(4)全混流反应器的串联（优化）,两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应AP，假定各釜的容积和操作温度都相同，已知速率常数k=0.92h-1，原料液的进料速度v0=10m3/h，求最终转化率xA=0.9，试求V1、V2和总容积V。,24,解：对于一级不可逆反应有,即：,(4)全混流反应器的串联（优化）,得出：,整理得,25,总容积：,(4)全混流反应器的串联（优化）,26,2.1.3不同型式反应器的组合,物料衡算：,（1）,（2）,（3）,（4）,27,2.1.3不同型式反应器的组合,28,2.1.4循环反应器,V,M,循环反应器的基本假设：反应器内为理想活塞流流动；管线内不发生化学反应；整个体系处于定常态操作,29,反应器体积可按下式计算：设循环物料体积流量与离开反应系统物料的体积流量之比为循环比，即,2.1.4循环反应器,30,对图中M点作物料衡算：对整个体系而言，有：可以推导出：,2.1.4循环反应器,31,平推流反应器转化率的基准应当与反应器入口处体积流量及这一体积流量下转化率为0时的A组分的摩尔流率对应：式中，FA0由两部分组成，新鲜进料FA0和循环回来的物流V3中当转化率为0时应当具有的A的摩尔流率。即：,2.1.4循环反应器,32,由此得到循环反应器体积：当循环比为0时，还原为普通平推流反应器设计方程。当循环比时，变为全混流反应器设计方程。当00，随着温度的上升，选择性SP上升，可见高温有利于提高瞬时选择性；当E1b2时，升高浓度，使选择性增加，若要维持较高的cA、cB，则应选择平推流反应器、间歇反应器或多釜串联反应器,2.4平行反应特性与反应器选型,65,2.4平行反应特性与反应器选型,66,2.4平行反应特性与反应器选型,67,有一分解反应其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0=5kmolm-3，cP0=cS0=0，体积流速为5m3h-1，求转化率为90时：(1)全混流反应器出口目的产物P的浓度及所需全混流反应器的体积。(2)若采用平推流反应器，其出口cP为多少?所需反应器体积为多少?(3)若采用两釜串联，最佳出口cP为多少?相应反应器体积为多少?,例2-2,68,(1)全混流反应器全混流反应器平均选择性等于瞬间选择性,例2-2,69,(2)平推流反应器,例2-2,70,例2-2,71,(3)两个全混釜串联为使cP最大，求，得cA1=1.91kmolm-3,例2-2,72,例2-2,73,拟设计以反应装置等温进行下列液相反应：目的产物为R，B的价格远较A高且又不易回收，试问：（1）如何选择原料配比；（2）若采用多段全混流反应器串联，何种加料方式最好？（3）若用半间歇反应器，加料方式又如何？,例题：,74,例题：,75,2.5连串反应特性与反应器选型,一个反应的产物是另一个反应的反应物三个组分的生成速率为：设开始时各组分的浓度为cA0，cP0=cS0=0，则由第一式积分得：,76,将此结果代入第二式得：为一阶线性常微分方程，其解为：由于总摩尔数没有变化，所以cA0=cA+cP+cS,2.5连串反应特性与反应器选型,77,2.5连串反应特性与反应器选型,若k2k1时，若k1k2时，组分A、P、S随时间的变化关系以浓度-时间标绘得图,78,中间产物P浓度的最大值及其位置由前面式子可以求出：为了提高目的产物的收率，应尽可能使k1/k2比值增加，使cA浓度增加，cP浓度降低。反应速率常数k与浓度无关，只有改变温度能够影响k1/k2。,2.5连串反应特性与反应器选型,79,对连串反应瞬时选择性定义为：如果是一级反应且a=p=1,2.5连串反应特性与反应器选型,80,提高cA浓度，降低cP浓度，有利于提高瞬间选择性，显然平推流反应器(或间歇反应器)比全混流反应器易满足这一条件，应选用平推流反应器。,当E1E2时，升高温度对生成中间目的产物有利。当E1E2时，降低温度对生成中间目的产物有利。与平行反应一致。,2.5连串反应特性与反应器选型,81,(计算最佳空间时间op和相应的cPmax值)。以最简单一级反应为例：在原料中，cA=cA0，cP0=cS0=0在恒容过程中，在CSTR中对A作物料衡算：,全混流反应器的计算,82,对P作物料衡算：当时，cP值最大，为最佳值op。,全混流反应器的计算,83,op为反应速率常数的几何平均值的倒数。,全混流反应器的计算,84,平推流反应器的计算。仍为一级恒容反应过程。在平推流反应器中，任取一微元体，对A组分进行物料衡算：,全混流反应器的计算,85,同样对组分P进行物料衡算：,全混流反应器的计算,整理得到：,86,情况1：当kl=k2=k，而且cP0=0；当时，相应为最佳值