化学反应工程--第2章-理想反应器VIP

第二章理想反应器IdealFlowReactor,第一节间歇反应器(BR)第二节平推流反应器(PFR)第三节全混流反应器(CSTR),2020年6月6日星期六,2020年6月6日星期六,反应器设计的基本内容1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式；2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化的操作设计；3）根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行某些经济评价。,2020年6月6日星期六,（无返混）,（返混程度最大）,理想反应器,全混流反应器（理想混合）,（完全混合）,平推流反应器（活塞流、理想置换反应器）,PlugFlowReactor(PFR)（无返混）,间歇式完全混合,连续式完全混合,BatchReactor(BR),ContinuousStirredTankReactor(CSTR),2020年6月6日星期六,返混：不同停留时间的粒子间的混合平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，所有的物料在器内具有相同的停留时间。,2020年6月6日星期六,4间歇反应器的最优操作时间,1物料衡算,第一节间歇反应器,2热量衡算,3反应容积的计算,2020年6月6日星期六,间歇式完全混合反应器,2020年6月6日星期六,特点：反应器内各处温度始终相等，无需考虑反应器内的热量传递问题所有物料具有相同的反应时间优点：操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量，多品种，反应时间较长的产品生产缺点：装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定,2020年6月6日星期六,对于间歇釜式反应器：,假设釜的有效反应容积为VR，单位时间内反应掉的A量为：,积累,1物料衡算,单位时间输入的物料A量,单位时间输出的物料A量,单位时间内反应掉的A量,A在反应器内积累速率,_,_,=,输入=输出=0,2020年6月6日星期六,积分得：,间歇完全混合反应器的设计方程,等温操作,等温操作（动力学k为常数）可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解t。,例1：一级反应A产物，单位时间需处理的物料体积为v，动力学方程为：（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)求反应所需时间（转化率为xA）t及反应器的有效容积。,Return,2热量衡算,变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热）要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反应器进行热量衡算：,UA(Tm-T)(-Hr)(-rA)V,UA(Tm-T)+(-Hr)(-rA)V=,符号说明：U-总括传热系数（KJ/m2.h.）；A-传热面积(m2)；Cv、-分别为反应流体的定容比热和密度(KJ/Kg.、Kg/m3)；Hr-反应焓变(KJ/Kmol)；Tm-冷却（或加热）介质的温度（K）,对于恒容过程：,（操作方程）,式中：（物理意义：最大温升）,对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方程、操作方程及动力学方程式求解的过程。即：,一般采用图解法或数值法求解。,特例：绝热操作（与外界的热交换为零）：UA（Tm-T）=0则：(-Hr)(-rA)V=即：初始条件：t=0T=T0 xA=xA0将上式积分得：T=T0+(xA-xA0)（使对t的积分变为单参数）将上式代入动力学方程式，再代入设计方程即可采用图解法或数值法求解。,Return,2020年6月6日星期六,3反应容积的计算,：反应时间,：辅助时间,：单位时间内处理的反应物料的体积,2020年6月6日星期六,实际反应器的体积,装填系数，0.4-0.85。一般由实验确定，也可根据反应物料的性质不同而选择。对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85,2020年6月6日星期六,例题2-1,2020年6月6日星期六,100时：,平衡常数K=2.92，试计算乙酸转化35%时所需的反应体积，根据反应物料的特性，若反应器填充系数为0.75，则反应器的实际体积是多少？,2020年6月6日星期六,分析：,求,求,已知,2020年6月6日星期六,解：,首先计算原料处理量,每小时的乙酸用量为：,由于原料液中A:B:S=1:2:1.35,原料液中含1kg乙酸,原料液量为：,2020年6月6日星期六,原料液的起始组成：,2020年6月6日星期六,先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：,式中：,2020年6月6日星期六,2020年6月6日星期六,所需的反应体积为：,反应器的实际体积为：,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,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。,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：,计算结果xA=0.5t=2.10hxA=0.6t=3.18hxA=0.8t=8.47h,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,练习题试计算转化率达到90%时，所需间歇反应器的有效容积是多少?,例题2-3在间歇反应釜中进行下列液相一级不可逆反应：AB，其反应速率方程为（-rA）=kCA，反应初始温度为163,求绝热操作下，日产150kg（B）所需反应器的体积。已知数据如下：163下,k=0.8h-1，反应的活化能E=121.25kJ/mol，反应热：Hr=-347.5kJ/kg，A与B的定容比热均为2.093J/kg.K，A与B的密度均为900kg/m3，A的最终转化率xAf=0.97，非生产性操作时间为1h。,解：绝热操作时有:T=T0+(xA-xA0)xA0=0所以，T=T0+xA=T0+=(273+163)-,T=436+166xA,T=436+166xA（操作方程）（1）（设计方程）（2）-rA=kCA0(1-xA)（动力学方程）（3）式中k是温度的函数，与温度的关系式可用下式表示：,（4）,联立（1）-（4）式可得反应时间t。,求解过程：用式（1）给定xA后求T，用参数计算式求k，然后将（2）（3）式联立即得：其中：利用数值法求解（梯形公式）：列表作图：,t=0.12hVR=v(t+t0)=,Return,2020年6月6日星期六,4间歇反应器的最优操作时间,一定,目标函数,2020年6月6日星期六,以单位时间的产品产量为目标,2020年6月6日星期六,单位时间产物产量最大所必须满足的条件,2020年6月6日星期六,图解法,2020年6月6日星期六,2.以生产费用最低为目标,：辅助操作费用,：单位时间内反应操作费用,：固定费用,：单位质量产品的总费用,2020年6月6日星期六,生产费用最小所必须满足的条件,2020年6月6日星期六,用图解法求解,2020年6月6日星期六,第二节平推流反应器(PFR),平推流反应器的特征：,2020年6月6日星期六,对于恒容反应：,平均停留时间反应时间和空时是一致的,2020年6月6日星期六,1物料衡算-设计方称,输入：,输出：,积累=0,A的反应量：,2020年6月6日星期六,分离变量积分:,2020年6月6日星期六,即：,平推流反应器的设计方程,对于恒容过程有：,代入设计方程：,2020年6月6日星期六,或：,可见，恒容时平推流反应器与分批式完全混合反应器的设计方程一致,2020年6月6日星期六,2热量衡算操作方程,输入,输出,注：A为周长,2020年6月6日星期六,积累,反应放热,两边除l，求极限,取平均摩尔热容,2020年6月6日星期六,若反应器为直径为D的圆柱形,2020年6月6日星期六,对于绝热过程,由设计方程得,即：,若以平均组成下的热容表示,注：P86绝热温升或绝热温降,2020年6月6日星期六,若为等分子反应,时，,55,例题2-4条件同例题2-2，计算转化率分别为80、90时所需平推流反应器的大小。解：对PFR,56,代入数据xA=0.8时：,xA=0.9时：,3变容反应过程,活塞流反应器是一种连续流动反应器，可以用于液相反应，也可以用于气相反应。用于气相反应时，有些反应，反应前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反应会引起系统物流体积发生变化。物流体积的改变必然带来反应物浓度的变化，从而引起反应速率的变化。,57,4膨胀因子和膨胀率（ExpandedFactorandExpandedRatio),膨胀因子和膨胀率的作用：为了表征由于反应物系体积变化给反应速率带来的影响。,58,膨胀因子,59,反应式：,计量方程：,60,定义膨胀因子：,即关键组份A的膨胀因子等于反应计量系数的代数和除以A组分计量系数。,膨胀因子是由反应式决定的，一旦反应式确定，膨胀因子就是一个定值，与其它因素无关。,61,膨胀因子的物理意义,关键组分A消耗1mol时，引起反应物系摩尔数的变化量。对于恒压的气相反应，摩尔数的变化导致反应体积变化。,A=0是摩尔数不变的反应，反应体积不变。,62,A0是摩尔数增加的反应，反应体积增加。,A0是摩尔数减少的反应，反应体积减小。,膨胀率,63,物系体积随转化率的变化不仅仅是膨胀因子的函数，而且与其它因素，如惰性物的存在等有关，因此引入第二个参数膨胀率。,64,膨胀率的概念：,即A组分的膨胀率等于物系中A组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初始体积。,膨胀因子与膨胀率的关系,可以推导出：,65,其中：,5变容过程转化率与浓度的关系,66,恒压变容体系中各组分浓度、摩尔分率可以由以下推导得到。,67,对于A组分：,例题2-5均相气相反应A3R，其动力学方程为-rA=kcA，该过程在185，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1，进料量FA0=30kmol/h，原料含50惰性气，为使反应器出口转化率达80，该反应器体积应为多大?,68,69,解：该反应为气相反应A3R,已知yA0=0.5，因此A=yA0A=1平推流反应器设计方程,70,71,例2-6在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制乙烯。年设计生产能力为14万吨乙烯。反应是不可逆的一级反应，要求乙烷转化率达到80，反应器在1100K等温，恒压600kPa下操作，已知反应活化能为347.3kJmol-1，温度1000K时，k=0.0725s-1。设计工业规模的管式反应器。,72,反应器流出的乙烯的摩尔流率是：,73,解：设A为乙烷，B为乙烯，C为氢气,74,进料乙烷的摩尔流率是：,75,计算1100K时反应速率常数：,76,膨胀因子：,膨胀率：,进口体积流量：,77,平推流反应器设计方程,78,6流体在平推流反应器中的真实停留时间,由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。,79,如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间时间。,80,恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间不同。,如果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；,81,恒容条件下，A=0，上式还原为：,82,第三节全混流反应器（CSTR),全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。,83,84,1全混流反应器特性,连续、稳定流动，是一定态过程。,85,物料在反应器内充分返混；,反应器内各处物料参数均一；,反应器的出口组成与器内物料组成相同；,2020年6月6日星期六,2、反应器中其他时间表示方法,反应物料进入反应器后，从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度的时间。,指反应物粒子从进入到离开反应器的时间,对于间歇反应器和平推流反应器，反应时间和停留时间相同对于全混流反应器，由于可能有短路，死区和循环流，物料在器内停留时间不同，具有停留时间的分布，此时常用平均停留时间来表征。,1）反应时间：,2）停留时间：,2020年6月6日星期六,反应器的有效容积与器内物料的体积流速之比。,3）平均停留时间与空时,非恒容过程，两者不同。,平均停留时间：,3设计方程,全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积VR为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。,88,89,整理得到：,恒容条件下又可以简化为：,90,例题2-7条件同例题2-2的醇酸树脂生产，若采用CSTR反应器，求己二酸转化率分别80、90时，所需反应器的体积。,91,解：由例题2-2已知：,92,由设计方程,代入数据，xAf=0.9时,93,代入数据，xAf=0.8时,94,将例题2-2，2-4，2-7的结果汇总,（2）CSTR比PFR、BR