化工基础ch反应器

2均相反应过程§2.1间歇反应器

§2.2

平推流反应器§2.3

全混流反应器§2.4

多釜串联全混流反应器§2.5反应器型式和操作方式的评选§2.6反应器的热衡算与热稳定性12/8/2022

主要讲述理想反应器的设计原理及反应器的选型。

1.理想反应器的设计计算方法要求掌握的内容：

2.根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器型式12/8/2022反应器操作中的几个术语

1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实际发生反应的时刻起，到反应达某个转化率时所需的时间。(主要用于间歇反应器)

2.停留时间：是指反应物料从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止所用的时间。(主要用于连续流动反应器)。12/8/20223.平均停留时间：

流体微元平均经历的时间称为平均停留时间。4.空时：反应器的有效体积VR与进料的体积流量v0之比。物理意义是处理一个反应器体积的物料所需要的时间。12/8/2022

5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可以处理多少个反应器体积的物料。6.返混：具有不同停留时间的流体微元之间的混合称为返混。※空时、空速用于连续流动反应器。进料体积流量按反应器入口处温度、压力求取。12/8/2022§2.1间歇反应器

分批式(又称间歇式)操作，是指反应物料一次加入反应器内，而在反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，待反应达到要求的转化率后再全部放出反应产物。

（间歇操作搅拌釜式反应器）12/8/2022图2.1-1带搅拌的釜式反应器12/8/2022一、间歇反应器特点1.反应物料一次加入，产物一次取出。2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。12/8/2022二、间歇反应器体积计算

1.反应时间的计算

即：00(2.1-1)

以反应物A为关键组分，A的反应速率记作（-rA），根据间歇反应器的特点，在单位时间内对整个反应器作物料衡算：12/8/2022

无论是等温变温等容变容(2.1-2)式均成立。或：(2.1-2)=积分得：恒容时：(2.1-3)(2.1-4)※间歇反应器的设计基础式※12/8/20222.反应应器器有有效效体体积积VR的计计算算由(2.1-2)式所所得得的的时时间间是是指指在在一一定定的的操操作作条条件件下下，，为为达达到到所所要要求求转转化化率率xA所需需的的反反应应时时间间,而而不不是是每每批批操操作作所所需需的的时时间间，，每每批批操操作作所所需需的的时时间间应应是是(t+t0)∴反应应器器的的有有效效体体积积为为VR=v0(t+t0)(2.1-5)式中中：：t0是辅辅助助生生产产时时间间，，包包括括加加料料、、出出料料、、清清洗洗反反应应器器和和物物料料的的升升温温、、冷冷却却。。v0是平平均均每每小小时时反反应应物物料料的的体体积积处处理理量量。。12/6/20223.反应器实实际体积积V的计算反应器器的实实际体体积是是考虑虑了装装料系系数后后的实际际体积积(不包括括换热热器搅搅拌器器的体体积)。(2.1-6)式中：：Ф是装料料系数数，一一般为为0.4～～0.85，不不起泡泡、不不沸腾腾物料料取0.7～0.85，，起泡泡、沸沸腾物物料取取0.4～～0.6。。12/6/2022生产乙乙二醇醇，产产量为为20kg／h。使用用15％(质量量)NaHCO3水溶液液及30％％(质质量)的氯氯乙醇醇水溶溶液作作原料料，反反应器器投料料氯乙乙醇和和碳酸酸氢钠钠的摩摩尔比比为1∶1，混混合液液相的的密度度为1.02。。该反反应对对氯乙乙醇和和碳酸酸氢钠钠均为为一级级，在在反应应温度度下反反应速速率常常数等等于5.2l／(mol·h)。要要求转转化率率达到到95％。。(1)若若辅助助时间间为0.5h，试计计算反反应器器的有有效体体积。。(2)若若装填填系数数取0.75，，试计计算反反应器器的实实际体体积。。[例2.1-1]在等温温间歇歇反应应器进进行氯氯乙醇醇的皂皂化反反应ClCH2CH2OH＋＋NaHCO3OHCH2CH2OH＋＋NaCl＋＋CO212/6/2022①各组组分的的分子子量MA=80.5MB=84MP=62②各组组分的的摩尔尔处理理量NP=20/62=0.3226mol/hNA0=NB0=NP/0.95=0.3396mol/h③求两两股物物料的的重量量流量量0.3WA/80.5=0.15WB/84=0.3396mol/h∴WA=91.126kg/hWB=190.167kg/hW=WA＋WB=281.239kg/hv0=W/ρ=281.239/1.02=275.78l/h解：计量方方程式可写写成：A＋＋BP＋D＋S12/6/2022VR=v0(t+t0)=275.78×(2.97+0.5)=956.92l④反应时间间⑤反应器有有效体积=1275.893l⑥反应器实实际体积12/6/2022§2.2平推流反应应器工业上的管管式反应器器其长径比比较大的可可近似地按按平推流反反应器处理。。一、平推流流反应器的的特征1.通过反反应器的物物料质点，，沿同一方方向以同一流流速流动，，在流动方方向上没有返混。2.所有物物料质点在在反应器中中的停留时时间都相同。。3.同一截截面上的物物料浓度相相同、温度度相同。4.物料的的温度、浓浓度沿管长长连续变化化。12/6/2022二、平推流反反应器设计1.平推流反应器器的设计方程程根据平推流反反应器的特点点，可取反应应器中一微元元段作物料衡衡算，然后沿沿管长对整个个反应器积分分，就可得到到平推流反应应器的设计基基础式。12/6/2022FA=FA＋dFA+（–rA）dVR+0即：12/6/2022积分得得或(2.2-1)※平推流流反应应器基基础设设计式式※恒容时时∴(2.2-2)12/6/2022恒容过过程，，平推推流反反应器器与间间歇釜釜式反反应器器的设设计方方程完完全一一致；；所以以只要要反应应是等等容的的，间间歇反反应器器所导导得的的积分分式均均适用用。对对于气气相变变容过过程，，用含含膨胀胀因子子的式式子表表示各各个浓浓度即即可。。如果果反应应速率率方程程过于于复杂杂，往往往需需要用用数值值积分分或如如图2.2-2所示示的图图解法法求解解。对于非非等温温反应应，式式(2.2-1)或或(2.2-2)应应结合合热量量衡算算式(又称称操作作方程程)联联立求求解。。12/6/2022图2.2-2平平推流反应应器的图解解计算示意意图2.图解解计算12/6/2022[例2.2-1]在215℃℃和5大气气压下，均均相气相反反应Ａ─→3Ｒ在在平推流反反应器中进进行。215℃时，，速率方程程式为：(–rA)=10-2CA0.5(mol/l·s)，原料气气中含有50％A和和50％惰惰性气体(CA0=0.0625mol/l)，求转化化率为80％时所需需的时间。。12/6/2022解：根据题题中所给出出的已知条条件有：yA0＝0.5δδA＝(–rA)＝10-2CA0.5＝10-2CA00.5τ＝＝100CA00.5式中积分项项可用图解解、数值解解或解析解解计算，下下面依次说说明这些解解法。12/6/2022①图解积积分首先计算被被积函数值值，再作图图令：面积＝用目测法计计算面积得得：面积＝1.70×0.8＝1.3xA0.00.20.40.60.8Y1.0001.2771.5282.0003.00012/6/2022②数值积积分辛普森公式式：n为偶数∴对于上表数数据，用辛辛普森公式式计算：=[1.000+4×1.227+2×1.528+4×2.000+3.000]×0.2÷3=1.331(※也可用用梯型公式式计算)12/6/2022③解析积积分所推荐的积积分方法要要取决于具具体情况，，在本题中中数值解可可能是最快快、最简单单的方法。。12/6/2022§2.3全混流反反应器实际生产产中的连连续搅拌拌釜式反反应器几几乎都是是在定常常态下操操作的。。反应物物料连续续不断地地以恒定定的流速速流入反反应器内内，而产产物也以以恒定的的速率不不断地从从反应器器内排出出。(连续操作搅搅拌釜式反应应器)12/6/2022图2.3-1全混流反反应器12/6/2022一、全混流反反应器特点1.物料连续以恒恒定的流速流流入、流出反反应器，稳态态操作。2.反应器内各空空间位置温度度均一，浓度度均一。3.反应器内浓度度、温度与出出口处浓度、、温度相同。。图2.3-2全混流反反应器的平衡衡12/6/2022二、全混流反反应器的设计计方程以反应物A为为关键组分，，A的反应速速率记作(–rA)，根据全混混流反应器的的特点，在单单位时间内对对整个反应器器作物料衡算算：FA0=FA+（–rA）VR+0FA0－FA=（–rA）VR(2.3-1)※全混流反应器器的设计基础础式※恒容时(2.3-2)12/6/2022[例2.3-1]在一体积为120升的全全混流反应器器中进行下列列液相反应：：式中k1=7[l/(mol·min)]，k2=3[l/(mol·min)]，两种种物料以等等体积加入入反应器，，一种含2.8molA/l，另一种含含1.6molB/l。假设系统统的密度不不变，希希望B组分分的转化率率为75％％，求每种种物料的流流量。12/6/2022解：在在混合合进料中各各组分的浓浓度为CA0=1.4mol/l,CB0=0.8mol/l,CR0=CS0=0。。当转化率率为75％％,δA=0时，反应器器内和出口口处物料的组成成为：CA=1.4－0.6=0.8mol/lCB=0.8－0.6=0.2mol/lCR=0.6mol/lCS=0.6mol/l12/6/2022全混流反应应器：而：(–rA)=(–rB)=k1CACB－k2CRCS=7×0.8×0.2－3×0.6×0.6=0.04mol/[l·min]因此流入反反应器的体体积流量为为:即每种物料料的流量为为4l/min。12/6/2022§2.4多釜串联全全混流反应应器工业生产中中常同时使使用数个釜釜式反应器器进行同样样的反应；；反应器设设计中也经经常出现用用一个大反反应器好，，还是用几几个小反应应器好的问问题。同时时使用几个个反应器时时，应该采采用什么样样的联结方方式效果最最好，这样样的反应器器组合应如如何去计算算，就是本本节所要讨讨论的中心心内容。如果采用几几个串联的的全混流反反应器来进进行原来由由一个全混混流反应器器所进行的的反应，则则除了最后后—个反应应器外的所所有反应器器都在比原原来高的反反应物浓度度下进行反反应。这样样势必减少少了混合作作用所产生生的稀释效效应。12/6/2022图2.4-1多多釜釜串串联联的的全全混混流流反反应应器器12/6/2022图2.4-1(b)中中给给出出这这种种多多釜釜串串联联的的全全混混流流反反应应器器，，图图2.4-1(a)给给出出每每个个全全混混流流反反应应器器所所需需的的空空时时ττi和总总的的空空时时∑∑ττi。可可以以看看出出，，用用的的釜釜数数N愈愈多多则则所所需需的的总总容容积积就就愈愈接接近近间间歇歇搅搅拌拌釜釜式式反反应应器器。。对对任任意意第第i个个釜釜作作组组分分A的的物物料料衡衡算算，，对对于于恒恒容容系系统统都都有有：：(2.4-1)将具具体体的的速速率率方方程程代代入入，，从从第第1釜釜开开始始逐逐釜釜的的计计算算下下去去。。对对于于n级级不不可可逆逆反反应应，，则则有有：：(2.4-2)12/6/2022当n=1时时：：即(2.4-3)若各各釜釜具具有有相相同同的的体体积积和和相相同同的的温温度度则(2.4-4)或(2.4-5)N个个反反应应釜釜的的总总体体积积为为VR=NVRi=Nττiv012/6/2022一、、图图解解计计算算法法图解解法法适适用用于于给给定定转转化化率率和和处处理理量量后后选选定定釜釜的的个个数数和和釜釜的的体体积积。。用用这这种种方方法法可可以以省省去去试试差差的的麻麻烦烦。。应应该该说说明明的的是是这这种种方方法法仅仅适适用用反反应应速速率率最最终终可可以以用用单单一一组组分分表表达达的的反反应应。。图解解步步骤骤：：1.根根据据实实验验数数据据(动动力力学学方方程程)作作操操作作温温度度下下的的(–rA)～CA(或xA)关系系曲线线图1。2.在在图1上作作相应应温度度下第第i釜釜的(–rAi)～CAi操作线线：(2.4-6)12/6/2022①从CA0点出发发作斜斜率为为(–rA1)/(CA1–CA0)的直直线，，直线线与速速率曲曲线的的交点点的横横座标标为第第一釜釜的出出口浓浓度CA1，交点点的纵纵座标标为第第一釜釜的反反应速速率(–rA1)。②从CA1点出发发作斜斜率为为(–rA2)/(CA2–CA1)的直直线，，直线线与速速率曲曲线的的交点点的横横座标标为第第二釜釜的出出口浓浓度CA2，交点点的纵纵座标标为第第二釜釜的反反应速速率(–rA2)。这样一一直作作到要要求达达到的的出口口浓度度，有有几个个梯级级就表表示需需要几几个釜釜串联联使用用。若若各釜釜体积积相同同，则则图上上各操操作线线平行行。若若各釜釜体积积不同同，图图上各各操作作线的的斜率率也不不同。。对于于多釜釜串联联，若若追求求整体体反应应器体体积最最小，，应增增加反反应器器的个个数，，但反反应器器体积积最小小是有有限的的，即即使反反应釜釜的个个数趋趋于无无穷，，反应应釜的的总体体积最最小为为速率率倒数数曲线线、起起始浓浓度、、最终终浓度度和横横座标标围成成的面面积（（见下下图中中绿影影部分分）与与进料料体积积流量量的乘乘积。。12/6/202212/6/2022二、串串联釜釜式反反应器器各釜釜的最最佳反反应体体积比比现设所所进行行的为为简单单反应应，则则总反反应体体积VR(2.4-7)将上式式分别别对xAi(i=1，2…N－1)求求偏导导：令则则有有：(i=1，，2……N－－1)(2.4-8)这是保保证总总反应应体积积最小小所必必须遵遵循的的条件件。求求解方方程组组(2.4-8)，可可得各各釜的的出口口转化化率，，从而而求出出各釜釜的反反应体体积，，此时时总和和为最最小。。12/6/2022例：对对于一一级不不可逆逆反应应，若若各釜釜温度度相同同，代入式式(2.4-8)化简后后得：：(i=1，，2……N)12/6/2022由此可可见串串联釜釜式反反应器器进行行一级级不可可逆反反应时时各釜釜体积积相同同时总总反应应体积积最小小。上式也也可写写成：：12/6/2022§2.5反反应应器型型式和和操作作方式式的评评选本节仅仅从反反应器器生产产能力力和产产品分分布这这两个个影响响过程程经济济性的的主要要因素素出发发，就就单一一反应应和复复合反反应来来分别别讨论论其反反应器器型式式和操操作方方法的的评选选。一、单单一反反应：：由于不不存在在副反反应，，所以以，在在反应应器选选型时时只需需考虑虑如何何有利利于反反应速速率的的提高高。对对于单单一反反应，，反应应速率率与反反应物物浓度度的关关系可可能有有下述述三种种性状状：12/6/2022(1)1/(–rA)随xA的增大呈单调调上升，如图图2.5-1所示。对于于n＞0的不可逆逆等温反应均均有图示的特特征。此时采采用平推流反反应器或间歇歇操作的完全全混合的反应应器所需的反反应容积最小小，其次是采采用多釜串联联的全混流反反应器，而单单一的全混流流反应器所需需的容积最大大。图2.5-1不同反反应器所需的的体积(τ=VR/v0)12/6/2022(2)1/(–rA)随xA的增大而单调调下降，如图图2.5-2所示，对于于n＜0的不不可逆等温反反应均具有此此性状。采用用具有返混的的全混流为最最佳，多釜串串联将导致反反应器容积增增大，且釜数数愈多容积就就愈大。平推推流将不利于于这类反应。。图2.5-2不同反反应器所需的的体积(τ=V/v0)12/6/2022(3)1/(–rA)对xA的曲线上存存在着极小小值，如图图2.5-3所示，，自催化反反应和绝热热操作的放放热反应具具有这种特特征。当反反应器出口口转化率大大于相应于于最小值的的xAM时，全混流流反应器最最佳，而平平推流反应应器所需的的反应容积积最大，若若反应物料料的起始转转化率xA0大于xAM应选用平推推流反应器器或多釜串串联的全混混流反应器器；而当xA0＜xAM而xA＞xAM的场合，则则全混流反反应器串联联平推流反反应器最优优。图2.5-3不不同反应器器所需的体体积(τ=V/v0)12/6/2022二、复合反反应以目的产物物选择性最最大为目标标函数，由由瞬时选择择性的定义义：(2.5-1)对于间歇反反应器或平平推流反应应器应用：：(2.5-2)(2.5-3)12/6/2022对于于全全混混流流反反应应器器，，瞬瞬时时选选择择性性与与总总选选择择性性相相同同：：(2.5-3)从上上述述讨讨论论看看，，复复合合反反应应的的产产物物分分布布不不仅仅与与反反应应的的型型式式、、反反应应动动力力学学特特性性有有关关，，而而且且还还与与反反应应器器的的型型式式有有关关。。12/6/20221.一一级级不不可可逆逆串串连连反反应应R是是目目的的产产物物对于于间间歇歇反反应应器器或或平平推推流流反反应应器器P的的最最大大浓浓度度：：(2.5-4)对于于全全混混流流反反应应器器R的的最最大大浓浓度度：：(2.5-5)将上上面面两两式式相相除除，，并并以以对对作作图图：：12/6/2022由图图2.5-4可可见见平平推推流流反反应应器器对对产产物物P来来说说总总是是优优于于全全混混流流反反应应器器。。图2.5-4平平推推流流反反应应器器与与全全混混流流反反应应器器的的比比较较12/6/20222.不不可可逆逆平平行行反反应应P是是目目的的产产物物P的的瞬瞬间间选选择择性性与与CA之间间可可能能有有三三种种变变化化形形状状：：(1)随随CA的增增大大而而单单调调地地增增大大，，此此时时由由图图2.5-5(a)的的图图解解示示意意图图可可看看出出，，反反应应器器内内的的返返混混作作用用将将是是不不利利的的，，应应选选用用无无返返混混的的平平推推流流反反应应器器。。图2.5-5(a)平平推推流流最最优优，，多多釜釜串串联联次次之之，，全全混混流流反反应应器器最最差差图2.5-5平平行行反反应应中中反反应应器器比比较较的的图图解解示示意意12/6/2022(2)φP随CA的增大而单调调地下降，从从图2.5-5(b)可可看出返混将将有利于收率率的提高，以以全混流反应应器为最优。。图2.5-5(b)全混混流最优，多多釜串联全混混流次之，平平推流最差图2.5-5平行反反应中反应器器比较的图解解示意12/6/202212/6/2022§2.6反应器器的热热衡算算与热热稳定定性(1)全混流流反应应器的的热衡衡算方方程(通常又又称为为操作作方程程式)若忽略略反应应流体体的密密度和和定压压比热热随温温度的的变化化，反反应器器在定常常态下下操作作时对对反应应器作作热量量衡算算有：：单位时时间单单位时时间单单位时时间单单位位时间间[物料料带入入热量量]-[物料料带出出热量量]-[传传给介介质热热量]+[反应应放热热]=0即：(2.6-1)12/6/2022当反应应器在在绝热热条件件下操操作，，上式式右端端的第第二项项为零零，即即：(2.6-2)将式(2.6-1)或(2.6-2)与全全混流流反应应器的的设计计方程程式(2.2-1)联立立求解解来确确定反反应器器容积积，传传热面面积或或有关关反应应温度度、流流体入入口温温度等等操作作参数数。12/6/2022[例2.6-1]有一有有效容容积为为0.75m3的搅拌拌釜反反应器器，其其内设设置有有换热热面积积为5.0m2的冷却却盘管管。现现欲利利用该该反应应器进进行的的一级级不可可逆液液相反反应，，其其速率率常数数k＝1.0788××109exp[–5525.9/T](h-1)，反应热热(–△HA)＝20921J／mol，原原料液液中A的浓浓度CA0=22mol/l，但但不含含R。。该原原料液液的密密度ρ＝1050g／／l，，定压压比热热CP=2.929(J／／g··℃)。要要求原原料液液的进进料速速率为为v0=3m3／h，，反应应器出出口的的反应应液中中CA＝0.04mol/l。。经实实测得得器内内换热热器的的总传传热系系数K=209.2kJ/[m2·h··℃]。所所用冷冷却介介质的的温度度为25℃℃。试试求满满足上上述反反应要要求所所需的的反应应温度度以及及料液液的起起始温温度T0。12/6/2022解：①计算所需反反应温度T全混流反应应器：一级不可逆逆液相反应应：(–rA)=kCA根据阿累尼尼乌斯方程程有∴所以，反应应应在308.6K(或35.4℃)下操作。。12/6/2022②原料液起始始温度T0的计算原料液的起起始温度为为297.4K(或或24.2℃)12/6/2022(2)全混流反反应器操操作的热热稳定性性分析连续釜式式反应器器内反应应物料温温度均匀匀一致，，若为定定态操作作，反应应是在等等温下进进行的。。如为非非定态操操作,属属变温过过程，即即反应温温度随时时间而变变，但不不随空间间而变。。无论是是定态操操作还是是非定态态操作，，反应过过程的温温度均需需由反应应器的热热量衡算算式和物物料衡算算式来决决定。对对于放热热反应，，这会出出现定态态不唯一一的问题题，即同同时存在在多个定定态，操操作温度度都能满满足反应应器的热热量及物物料衡算算式。这这些定态态中有些些定态具具有抗外外界干扰扰的能力力，即在在外界干干扰使其其偏离了了原来定定态，而而系统本本身具有有抑制这这种使其其发生偏偏离的干干扰的影影响并在在干扰因因素消失失后它又又能自动动回复到到原来的的定态操操作点，，这类定定态我们们称之为为稳定的的定态。。那些不不具有抗抗干扰能能力的定定态则称称为是不不稳定的的定态，，这就是是要讨论论的定态态稳定性性问题。。12/6/2022为了方便便地看出出反应器器内传热热过程的的这一特特点，将将式(2.6-1)改改写成如如下形式式：(2.6-3)令：生热速率率移移热热速率12/6/2022放热速率率线为一一曲线，，曲线的的形状和和k值与温度度的关系系有关。。以一级级不可逆逆反应为为例：(2.6-4)(2.6-4)式为S型曲线线。移热热速率Qr线为一直直线，QG线、Qr线的交点点为热平平衡点。。由于参参数的不不同，Qr线有不同同的斜率率和位置置，如图图2.6-1。。12/6/2022(b)图2.6-1T～Q的关系12/6/2022现在来看图2.6-1(b)中中QG线、Qr线的a、b、c三个个交点。三个个交点都满足足热平衡条件件QG=Qr，也都称做定定态操作点，，下面就分析析这三个点的的稳定情况及及操作态的选选择。a点：当有扰动使T略大于Ta时(dT＞＞0)，有QG＜Qr,移热速率大大于放热速率率，体系温度度下降，自动动恢复到a点点。当有扰动使T略小于Ta时，有QG＞Qr，移热速率小小于放热速率率，体系温度度上升，自动动恢复到a点点。12/6/2022b点：：当有扰扰动使使T略略大于于Tb时(dT＞＞0)，有有Qr＜QG，移热热速率率小于于放热热速率率，体体系温温度继继续上上升，，直至至到c点。。当有扰扰动使使T略略小于于Tb时，有有Qr＞QG，移热热速率率大于于放热热速率率，体体系温温度继继续下下降，，直至至到a点。。12/6/2022c点：：当有扰扰动使使T略略大于于Tc时(dT＞0)，，有QG＜Qr,移热热速率率大于于放热热速率率，体体系温温度下下降，，自动动恢复复到c点。。当有扰扰动使使T略略小于于Tc时，，有QG＞Qr，移热热速率率小于于放热热速率率，体体系温温度上上升，，自动动恢复复到c点从上面面的分分析可可知a、c点是是稳定定的定定态点点，b点点为不不稳定定定态态点。。设计计连续续釜式式反应应器时时，应应选择择在稳稳定的的定态态点操操作，，而且且一般般选择择上定定态点点，即即图2.6-1(b)中中的c点。。a点点虽稳稳定，，但转转化率率低，，失去去了实实际价价值。。。12/6/2022由图图可可见见，，在在稳稳定定的的定定态态点点a