第一章均相反应器设计ppt课件

1、第一章第一章 均相反应器均相反应器l反应器内流体的流动与混合状态反应器内流体的流动与混合状态u 返混：不同停留时间的流体微团之间的混返混：不同停留时间的流体微团之间的混 合称之为返混。合称之为返混。u 停留时间：停留时间：u 空时和空速：空时和空速：u返混无穷大： 理想混合，是指反应流体在反应器内的混合瞬间完成，混合所需的时间可以忽略。反应器内各点的物料具有相同的温度和浓度且等于反应器出口物料的温度和浓度。u返混为零： 反应物料在反应器内以同一流速和沿同一方向流动，所有的物料质点在反应器内的停留时间都相同，不存在返混。 全全混混流流反反应应器器 平推流反应器理理想想反反应应器器l根据流动模型，

2、理想反应器分为：根据流动模型，理想反应器分为：3.1 3.1 间歇操作的完全混合反应器间歇操作的完全混合反应器n特点n釜式反应器结构： 加热方式 搅拌器形式 温度测量一、间歇反应器特点一、间歇反应器特点n1. 反应物料一次加入，产物一次取出。需要一定非生产性时间；n2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化，产品质量不易稳定；n3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。夹套式蒸汽加热反应釜夹套式蒸汽加热反应釜内外盘管式加热不锈内外盘管式加热不锈钢反应釜钢反应釜装配式热电偶装配式热电偶铠装热电偶铠装热电偶WRNK仿进口杆式传感器仿进口可调节压簧螺钉式热电偶二、间歇反应器计算二、间歇

3、反应器计算1.反应时间的计算 根据物料衡算的积累速度反应器中的反应量单位时间的流出量单位时间的流入量单位时间AAAARAVrAdndtRAVrAdndt 即：即：对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器的大小由处理量决定。AxRAAAVrdxnt0000AfAxAAxAdxtCr积分得积分得(1)：恒容时：恒容时：间歇反应器的间歇反应器的设计方程设计方程（1）间歇釜反应器图解间歇釜反应器图解CACAfCA0AfACCAArdCt0Ar1Ar1xAxA0 xAfAfAxxAAArdxCt00/2. 反应器有效体积反应器有效体积VR的计算的计算 一个操作周期

4、时间：(tt0) 物料处理量为v0(m3/h)反应器的有效体积 VR=v0 (tt0)式中：t0 辅助生产时间，包括加料、排料、 洗反应器和物料的升温、冷却。v0 平均每小时反应物料的体积处理量。3.反应器实际体积反应器实际体积V的计算的计算 反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实际体积(不包括换热器搅拌器的体积)。RVV 是装料系数，一般为是装料系数，一般为0.40.85，n不起泡、不沸腾物料取不起泡、不沸腾物料取0.70.85，n起泡、沸腾物料取起泡、沸腾物料取0.40.6。n理想间歇反应器中简单反应的结果反应级数反应速率式转化率式零级rA=kkt=cA0 xA一级rA=kcA二级rA=k

5、cA21ln11ktAAktxex或 00011AAAAAAc ktxc ktxxc kt或 +3.2 平推流反应器平推流反应器（丙烷分解丙烷分解）CA CA0 CAout 管长 Z/2 Z CA CA0 0 Z/2 CAout Z 时间 图 3.4-1 平推流反应器图示 一、平推流反应器的特征一、平推流反应器的特征1.通过反应器的物料质点，通过反应器的物料质点，轴向上以同一流速流动，轴向上以同一流速流动，在在流动方向上没有返混流动方向上没有返混。2.径向上物料径向上物料浓度、温度浓度、温度相同相同。 3.所有质点在反应器中所有质点在反应器中 的的停留时间都相同停留时间都相同。二、平推流反应器

6、时间的计算二、平推流反应器时间的计算流入量流出量反应量累积量流入量流出量反应量累积量AFAAdFFdARrV0ddAARFrVAA0AddFFxA2A1RAA00AdxxVxcvr平推流反应器图解计算平推流反应器图解计算若在平推流反应器中进行摩尔数增加的气相反若在平推流反应器中进行摩尔数增加的气相反应，则平均停留时间是否与空时相等？应，则平均停留时间是否与空时相等？Ar1xAxA0 xAf00/AfAxAAxAdxCr3.3 理想连续搅拌釜式反应器理想连续搅拌釜式反应器全混流反应器全混流反应器一、特点一、特点1. 反应器内各空间位置温度、浓度均一。2. 返混无穷大3.反应器内浓度、温度与出口处

7、浓度、温度相同。CA0 FA0 v0 T0 CA FA v Tm，out Tout G Tm，in G VR T=Tout Ci=Ci，out 全混流反应器浓度全混流反应器浓度-时间图时间图tCACA0t0t二、全混流反应器的设计方程二、全混流反应器的设计方程 FA0 FA rAVR 0 的积累速度反应器中的反应量单位时间的流出量单位时间的流入量单位时间AAAAAAARrvFFvV000AAArCC0AAArxC0全混流反应器全混流反应器设计方程设计方程恒容时恒容时 FA0 FA = rAVRA0AAC-C =r全混流反应器图解计算全混流反应器图解计算CACA0Ar1CCACA0AfA0CAC

8、AdCt = -r间歇釜和全混流反应器比较间歇釜和全混流反应器比较Ar1CA0AAC-C =r3.4 组合反应器平推流反应器组合平推流反应器组合全混釜反应器串联全混釜反应器串联不同形式反应器的组合不同形式反应器的组合1.平推流反应器的串、并联操作特点：若忽略物料在管线中的停留，则特点：若忽略物料在管线中的停留，则并联反应器，每个支线应保证空时相等；并联反应器，每个支线应保证空时相等；串联反应器，与总体积为串联反应器，与总体积为V V的单个反应器反应的单个反应器反应 结果相同。结果相同。2.2.多釜串联组合的全混流反应器多釜串联组合的全混流反应器多级全混流反应器串联的特点多级全混流反应器串联的特

9、点CAfCA0Ar1CA1CA2CA3CA0CA1CA2CA3CA4（横向切割（横向切割限制返混）限制返混）解析计算（逐釜计算法）：解析计算（逐釜计算法）：iAiAiAiAiAiAAiRirCCrxxCVV)()()(,1,1,00,当当n=1n=1时时AiiAiAiiCkCC1iiAiAikCC111当各釜容积相同且在相同的温度下操作时当各釜容积相同且在相同的温度下操作时NiAANkCC)1 (10单釜空时，单釜空时，V=NVi=Nv0 i稳态稳态 定容定容)11(.11,1 ,2,01 ,0,miimAmAAAAAAmAkCCCCCCCC)(111AiAiiAiAiAiAiiCCrrCCb

10、.根据动力学方程做根据动力学方程做rA CA关系曲线关系曲线rACACA1CA2CA3CA0 图解法图解法 反应速率方程为反应速率方程为物料衡算式为：物料衡算式为：A+B R （CB0 CA0 ，2级反应）级反应） 3.5 3.5 半连续操作的釜式反应器半连续操作的釜式反应器VCR=vCA0t-VCAAB半连续操作的釜式反应器半连续操作的釜式反应器CA / CA0CR / CA0C / CA03.6 反应器非等温过程分析基本概念和原理基本概念和原理非等温反应器设计非等温反应器设计全混流反应器的热稳定性分析全混流反应器的热稳定性分析一、基本概念和原理n反应热Hr，J/mol。吸热为正，放热为负。

11、21Tr2r1pTHHc dT cp-生成物与反应物之差。n平衡常数平衡常数K（范（范-霍夫方程）霍夫方程）r2HdlnKdTRTn温度对不可逆反应的影响允许最允许最高温度高温度 最优操最优操作温度作温度 r1r2r3r4n反应速率随反应速率随温度的升高温度的升高而增大；而增大；n最优操作温最优操作温度取决于系度取决于系统可允许的统可允许的最高操作温最高操作温度。度。n温度对可逆反应的影响允许最允许最高温度高温度 最优操最优操作温度作温度 r1r2r3r4n反应速率随反应速率随温度的升高温度的升高而增大；而增大；n最优操作温最优操作温度取决于系度取决于系统可允许的统可允许的最高操作温最高操作温

12、度。度。最优温最优温度分布度分布 允许允许最高操最高操作温度作温度 n 反应速率存在反应速率存在一最大值，其一最大值，其对应温度为最对应温度为最佳温度；佳温度；如何求解最如何求解最优温度？优温度？二、间歇反应器热量衡算二、间歇反应器热量衡算U-总括传热系,w/(m2K)； A-传热面积,m2；cp-反应流体的比热，J/(kgK)；-密度,kg/m3 ;Tm-换热介质温度，K；量积累速度反应器中热传给环境的热量单位时间内体系反应的放热量单位时间内p()()()RAARmdc TVHr VUA TTdtHrA-反应热，反应热，J/molA。对于恒容过程，rA=CA0dxA/dtp()AmRdxdT

13、UATTdtdtc Vr0p()AAHCcp()()()RAARmdc TVHr VUA TTdt对于间歇操作，温度与转化率的大小有关。对于间歇操作，温度与转化率的大小有关。n间歇反应器恒温操作计算0dtdT()()AARmHr VUA TT反应放出反应放出( (或吸收或吸收) )的热量必须等于体系与换热介质交的热量必须等于体系与换热介质交换的热量。换的热量。p()AmRdxdTUATTdtdtc Vn反应器绝热操作计算0000p()c)(AAAAAATTxHCxxx三、平推流反应器热量衡算设管径为D，流体在微元段中恒压热容为CP(J/molK)：流体流入微元段带入的热量 流体流出微元段带出的

14、热量 流体在微元段反应放出的热量 从微元段传给换热介质的热量 tptFc TtptFc (T+dT)0ARrATr dV (-H)mU(T-T )(D)dldln带入的热量+反应放出的热量= 带出的热量传给换热介质的热量 T00T0A()()dd()d()/dAr AmtptmAr AtptAr SHDU TTTlFcDU TTTFHFcxr S0T0dd()()dtptAArAmFcTFxHDU TTl对于绝热操作，对于绝热操作，DU（T-Tm)=0：A2A1x00T0 x()dAr AAtptFTTHxFcn对于非绝热操作1.设计方程：设计方程：2.热量衡算式：热量衡算式：A2A1RAA0

15、0AdxxVxcvr0T00A0T0Add()()d() ddd()tptAAr AmAmtptAAr AFcTFxHDU TTlFDU TTxFcTFxHSr3.试差求解以上两式试差求解以上两式四、全混流反应器的热量衡算与热稳定性四、全混流反应器的热量衡算与热稳定性n换热器的选择与计算n考察反应器操作的热稳定性实现稳定的定常态操作(1)(1)全混流反应器的热量衡算方程全混流反应器的热量衡算方程v0 CpT0v CpTrAVR（-Hr）UA(T-Tm)00()()()ARAPmr VHvCTTUA TT恒容反应 g()ARAQr VH00m000m()()()()rPPPQvc TTUA TT

16、T vcUAvc TUAT放热速率，放热速率，与反应温度呈与反应温度呈非线非线性关系，性关系，S形曲线。形曲线。移热速率（热交换速率），移热速率（热交换速率），与与反应温度呈反应温度呈线性关系。线性关系。00()()()ARAPmr VHvCTTUA TT形状？形状？（2 2）全混流反应器操作的热稳定性分析）全混流反应器操作的热稳定性分析 （一（一级放热反应）级放热反应）QrQTQg123在哪点在哪点操作？操作？放热反应QrQTQg12可逆放热反应稳定操作点（真稳定）：稳定操作点（真稳定）： 具有抗外界干扰能力的操作点称之为稳具有抗外界干扰能力的操作点称之为稳定操作点。反之称为假稳定操作点。定

17、操作点。反之称为假稳定操作点。多重定常态：多重定常态：判据：判据：GrdQdQdTdT具有具有一个以上一个以上定常态点。定常态点。QT（反应温度反应温度）Qg234Qr调节定常态点的方法：调节定常态点的方法：1.改变改变T0或或Tm567891 A BCDE000m()()rPPQT vcUAvTcATU进料温度进料温度进料温度进料温度T0对定常态操作点的影响对定常态操作点的影响123467895T T0A B C D E 着火点着火点 熄火点熄火点 着火着火 温度温度 熄火熄火 温度温度 调节定常态点的方法：调节定常态点的方法：2.改变改变U或或AQQgQrT增大增大U或或A降低降低U或或A

18、000m()()rPPQT vcvc TTUAUAa调节定常态点的方法：调节定常态点的方法：3.改变进料流量改变进料流量v0000m0m000 ()()/(1)()rPPPPPQT vcUAvc TUATvcUATUATTcvcv g0()/ARAPQr VHvc （）增加流量增加流量n流量由流量由A A增大增大时，定态点如时，定态点如何变化？何变化？n流量由流量由D D下降下降时，定态点如时，定态点如何变化？何变化？n可逆放热反应最适宜操作点a a、b b、c c哪个操作哪个操作点合适？点合适？n吸热反应的热稳定性： 只有一个定态点，不存在热稳定性问题。TQQgQr3.6 3.6 反应器形式和操作方式评选反应器形式和操作方式评选1.单一反应Ar1xAxA0 xAf00/AfAxAAxAdxCr0AfA0A/()/ACxxr00/AiACC转化率很低时，平推和全转化率很低时，平推和全混体积相差不大；转化率混体积相差不大；转化率越高，返混对反应影响越越高，返混对反应影响越大，平推的体积远小于全大，平推的体积远小于全混。而且反应级数越高，混。而且反应级数越高，影响越大。影响越大。同一反应不同反应器性能比较同一反应不同反应器性能比较xA