反应工程第三章第四、五、六、七节PPT课件

第三章釜式及均相管式反应器,.,2,本章内容,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和比较第五节多重反应的选择性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,.,3,第四节理想流动反应器的组合和比较,讨论等温下两个体积相同的理想反应器组合，进行一级不可逆等容单一反应的几种情况。,一、理想流动反应器的组合,a.两个全混釜并联,b.两个全混釜串联,c.平推流全混流(串联),d.全混流平推流(串联),e.平推流反应器并联,f.平推流反应器串联,g.平推流全混流(并联),.,5,当反应温度、流量Vo、初始浓度cA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。,a.两个全混釜并联,反应器所能达到的出口浓度为混合后的出口浓度。,.,6,当反应温度、流量Vo、初始浓度cA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。,b.两个全混釜串联,.,7,当反应温度、流量Vo、初始浓度cA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。,c.平推流全混流(串联),.,8,当反应温度、流量Vo、初始浓度cA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。,d.全混流平推流(串联),.,9,当反应温度、流量Vo、初始浓度cA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。,e.平推流反应器并联,.,10,当反应温度、流量Vo、初始浓度cA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。,f.平推流反应器串联,.,11,当反应温度、流量Vo、初始浓度cA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。,g.平推流全混流(并联),.,12,a.两个全混釜并联,b.两个全混釜串联,c.平推流全混流(串联),d.全混流平推流(串联),e.平推流反应器并联,f.平推流反应器串联,g.平推流全混流(并联),.,13,以上几种组合方式中，(c)与(d)等效，(e)与(f)等效。各种组合反应器的最终浓度的大小依次为:,各种组合反应器的最终转化率的大小依次为:,.,14,解：n=2，间歇反应器中,(1)在单个CSTR中,即,【例题】CSTR的操作特点。某二级液相反应，已知cA0=cB0，在间歇反应器中达到x=0.99，需反应时间10min。问：(1)在全混流反应器中进行时，应为多少？(2)在两个串联全混流反应器中进行时，又为多少？,.,15,解：(2)两个CSTR串联,第一级,【例题】CSTR的操作特点。某二级液相反应，已知cA0=cB0，在间歇反应器中达到x=0.99，需反应时间10min。问：(1)在全混流反应器中进行时，应为多少？(2)在两个串联全混流反应器中进行时，又为多少？,第二级,将xA1代入第一级的等式，得,.,16,解：n=2，在PFR中,在CSTR中,若CSTR在前，PFR在后,【例题】PFR与CSTR的串联。反应物A按二级反应机理进行分解，依次经过体积相等的PFR和CSTR，CSTR出口物料中反应物A的浓度为原料液中A浓度的0.01，若将二反应器改换次序，问PFR出口流体中反应物A的浓度将是原料液浓度的多少？忽略物料的温度和浓度的变化。,.,17,若CSTR在前，PFR在后,当PFR在前，CSTR在后时,要求,已知cA2=0.01cA0，,以为整体，解方程得，,.,18,所以CSTR在前，PFR在后时：,.,19,二、理想流动反应器的体积比较,基本条件：等温、等容过程，且V0、cA0、xAf相同。,VR表示间歇反应器体积；VRp表示平推流反应器体积；VRM表示全混流反应器体积；VRm表示多级全混流反应器体积。,间歇反应器,.,20,平推流反应器,全混流反应器,间歇反应器,.,21,1/rA对xA作图，即曲线AB。,xA,xAf,O,A,B,D,C,1/rA,1/rAf,矩形OCBD的面积,曲线下边OABD的面积,所以,.,22,两者的差距为图形ACB的面积，因此转化率越大，两者的差距越大，可采用低转化率操作减少返混的影响，但原料不能充分利用。可采用循环操作将未反应的物料从反应产物中分离出来，返回到反应系统中。,即V0、cA0、xAf相同时，全混流反应器所需的体积大于平推流反应器的体积。这是由于前者存在返混造成的。,对反应级数越高以及反应过程中增加越多的反应，返混的影响越严重，两者的体积差别越大。,.,23,例如对于一级不可逆单一等容反应，全混釜串联的总体积与单个平推流体积之比为。,多级全混釜串联操作可以减少返混，提高反应推动力，使全混流反应器所需的体积与平推流反应器所需的体积的差别减小。,以VRm/VRP为纵坐标，(1-xAf)为横坐标，将上式作图如下。,.,24,例如对于一级不可逆单一等容反应，全混釜串联的总体积与单个平推流体积之比为,1-xA,1,1.0,以VRm/VRP为纵坐标，(1-xAf)为横坐标，m为参变量，将上式作图如下。,VRm/VRP,0.1,m=1,m=2,m=4,m=6,k=50,20,10,5,2,1,0.01,.,25,结论如下：,(1)当m一定时，xAf越大，则VRm/VRP越大，远离平推流。,1-xA,1,1.0,VRm/VRP,0.1,m=1,m=2,m=4,m=6,k=50,20,10,5,2,1,0.01,(2)当xAf一定时，m越大，则VRm/VRP越小，接近平推流。,(3)当k一定时，m越大，则1-xAf越小。,.,26,一、平行反应,A,L(主反应),M(副反应),或A+B,L(主反应),M(副反应),令rL为主反应速率，rM为副反应速率，两者之比为对比速率,瞬时选择率为关键组分A在总反应速率中生成主产物的反应速率，即,总选择率定义为,第五节多重反应的选择率,.,27,如果知道瞬时选择率与浓度的变化关系，就可以确定它的总选择率。总选择率是反应过程中或反应器中瞬时选择率的积分值，对于平推流反应器,总选择率定义为,对于全混流反应器,.,28,A,L(主反应，n1级，活化能为E1),M(副反应，n2级，活化能为E2),由选择率定义，可得,温度对选择率的影响由k2/k1所确定，由阿罗尼乌斯方程可知,(1)选择率的温度效应,E1E2，温度增高有利于选择率的增大。,E1=E2，选择率与温度无关。,E1n2，浓度升高，选择率的增大。,n1=n2，选择率与浓度无关。,n1n2m1m2,cA、cB都高,A、B同时加入的间歇反应器；A、B同时加入的平推流反应器；多段全混釜，A、B同时加入第一级,n1n2m1n2m1k2,cL,cM,k1E2，温度增高有利于选择率的增大。,E1=E2，选择率与温度无关。,E1n2，增加初浓度有利于选择率的增大。,n1n2，降低初浓度有利于选择率的增大。,转化率的影响：随着转化率的增大，瞬时选择率下降。,所以，对连串反应，不能过渡追求高的转化率。,可以通过适当选择反应物的初浓度和转化率来提高选择率。,.,38,(3)连串反应的最佳反应时间与最大收率,平推流或间歇反应器,Ymax,k2/k1,将此式对t求导，令其为0，得主产物浓度最大的反应时间,得主产物最大的出口浓度,最大收率为,最大收率与初浓度无关,.,39,全混流反应器，一级不可逆反应，且进料只含有组分A的等容液相反应，根据物料衡算,对产物L做物料衡算,可得,.,40,(3)连串反应的最佳反应时间与最大收率,最大收率为,求导,最大收率与初浓度无关,Ymax,k2/k1,平推流,全混流,.,41,k1/k2=10,以Sf与xA作图如下,k1/k2=1,k1/k2=0.1,xA=1-(cAf/cA0),当xA、k1/k2相同，间歇操作或平推流操作时，主产物的选择率Sf比全混流操作高；,平推流,全混流,若k1/k2远小于1，要使主产物的选择率Sf高，必须在低的转化率下操作；,若k1/k2远大于1，即使转化率较高，也可以得到较高的选择率Sf。,1,1,0,.,42,一、半间歇釜式反应器的特征,a：反应物B一次加入，A连续加入，反应结束后一次出料。,A,A,BR,a,b,B,R,R,AB,c,b：反应物A、B同时连续加入，反应结束后一次出料。,c：反应物A、B一次按比例加入，R连续出料。,第六节半间歇釜式反应器,.,43,a：反应物B一次加入，A连续加入，反应结束后一次出料。,A,BR,a,要求严格控制A的浓度，防止因为A过量而使副反应增加的情况；低温下进行的放热反应；A浓度低，B浓度高对反应有利的情况。,.,44,b：反应物A、B连续加入，反应结束后一次出料。,可严格控制A、B的加料比例，保持A和B在较低的浓度下进行；A、B浓度低对反应有利的情况。,A,b,B,R,.,45,能满足A、B的比例要求；保持反应过程中A和B的高浓度；对可逆反应尤其合适。,R,AB,c,c：反应物A、B一次按比例加入，R连续出料。,.,46,二、半间歇釜式反应器的数学模型,反应物B加入的体积为VR0，然后连续加入浓度为cA0的物料A，体积流量恒定为VA0。过程中不导出物料，,如果B大量过剩，可以按一级反应处理,代入物料衡算式，可得,.,47,初始条件为t=0时，VRcA=0，解得,上式即为反应物A的浓度与反应时间的关系。,.,48,由上述两个式子可以计算不同反应时间反应物A和产物R的浓度。,产物R的浓度cR与反应时间的关系为,反应物A的浓度与反应时间的关系为,.,49,0123456,0.7,0.5,0.3,0.2,0.1,相对浓度,时间/h,反应物A、产物R的浓度与反应时间的关系为,如k=0.2h-1，VR0/VA0=0.5h，计算结果如下图所示,0.6,0.4,cR/cA0,cA/cA0,.,50,【例3-7】,解：反应物B一次加入，A连续加入，反应结束后一次出料。,VA0=1/3m3/h，VR0=1m3。任意反应时间t下的反应体积为,.,51,【例3-7】,解：反应物B一次加入，A连续加入，反应结束后一次出料。,VA0=1/3m3/h，VR0=1m3。任意反应时间t下的反应体积为,cA0=4kmol/m3。,将VR、VA0及cA0代入上式得,求解上式，当A加料完毕时，cA=0.2886kmol/m3。,.,52,【例3-7】,解：产物R的浓度，对R做物料衡算可得,当A加料完毕时，cR=1.46kmol/m3。,.,53,一、釜式反应器中进行的液-液相反应,考虑以下工程问题,第七节釜式反应器中进行的多相反应,液-液两相的分散与混合,分散相：被分散的一相，液滴越小，两相接触面积越大。液滴不断地凝并和分裂，影响两相的接触面积；分散与混合过程搅拌浆的形式和转速有关。连续相：除分散相外的另外一相,连续相和分散相中的有关反应组分在另一液相中的溶解度。,连续相和分散相之间的传质过程。,有关反应组分在另一液相中的传质和反应耦合过程。,.,54,二、釜式反应器中进行的液-固非均相反应,所涉及的工程问题有,固相颗粒是否悬浮在反应器中,液-固两相之间的传质速率，,釜式反应器处于间歇、连续或半连续的操作方式。,三、釜式反应器中进行的气-液相络合催化反应,有些分子或离子与金属络合使某一特征反应更容易进行，称为络合催化反应。络合催化剂以分子状态存在，有效浓度高，具有高活性、高选择性和反应条件温和等优点。缺点是催化剂不易分离导致回收困难。,.,55,第三章小结一、基本概念返混；平推流模型；全混流模型；间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器的特点。二、核心内容1间歇反应器计算；2平推流反应器计算；3全混流反应器计算；,.,56,反应时间txA的关系在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间变化，可以通过物料衡算求出反应时间t和xA的关系式。衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（VR）在dt时间内对A作物料衡算：A流入量=A流出量+A反应量+A累积量,第一节间歇釜式反应器性能的数学描述,.,57,积分,等容过程,上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。,已知反应动力学方程和组分A的浓度变化，就能按此式计算反应时间。,.,58,表31间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的动力学计算结果p79,.,59,稳定状态，在单位时间内对A作物料衡算：,等温平推流反应器,第二节平推流均相管式反应器计算的数学模型,反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：微元体积dVR,A流入量A流出量A反应量A累积量,反应速率在微元体积dVR内是均匀的,.,60,积分上式，得,上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等温、非等温、等容和非等容等过程。,(318),(319),.,61,间歇反应器，由式(3-3)可知,所以间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器！,平推流反应器,间歇反应器和平推流反应器的关系,如果为等温等容过程,.,62,表3-4等温等容液相单一不可逆平推流反应器计算式p85,.,63,反应器体积：VR衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（VR）,第三节全混流反应器计算的基本公式,稳定状态：A流入量A流出量A反应量0