化工基础ch6(反应器)学习

化工基础ch6(反应器)学习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7/4/2023

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7/4/2023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)。7/4/20233.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。7/4/2023

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。7/4/2023§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）7/4/2023图2.1-1带搅拌的釜式反应器7/4/2023一、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。7/4/2023二、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：7/4/2023

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※7/4/20232.反应器有效体积VR的计算

由(2.1-2)式所得的时间是指在一定的操作条件下，为达到所要求转化率xA所需的反应时间,而不是每批操作所需的时间，每批操作所需的时间应是(t+t0)∴反应器的有效体积为

VR=v0(t+t0)

(2.1-5)式中：t0是辅助生产时间，包括加料、出料、清洗反应器和物料的升温、冷却。v0是平均每小时反应物料的体积处理量。7/4/20233.反应器实际体积V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)。

(2.1-6)式中：Ф是装料系数，一般为0.4～0.85，不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85，起泡、沸腾物料取0.4～0.6。7/4/2023

生产乙二醇，产量为20kg／h。使用15％(质量)NaHCO3水溶液及30％(质量)的氯乙醇水溶液作原料，反应器投料氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1∶1，混合液相的密度为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l／(mol·h)。要求转化率达到95％。(1)若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。(2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。[例2.1-1]

在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反应ClCH2CH2OH＋NaHCO3OHCH2CH2OH＋NaCl＋CO27/4/2023①各组分的分子量MA=80.5MB=84MP=62②各组分的摩尔处理量NP=20/62=0.3226mol/hNA0=NB0=NP/0.95=0.3396mol/h③求两股物料的重量流量0.3WA/80.5=0.15WB/84=0.3396mol/h∴WA=91.126kg/hWB=190.167kg/hW=WA＋WB=281.239kg/h

v0=W/ρ=281.239/1.02=275.78l/h解：计量方程式可写成：A＋BP＋D＋S7/4/2023VR=v0

(t+t0)=275.78×(2.97+0.5)=956.92l④反应时间⑤反应器有效体积=1275.893l⑥反应器实际体积7/4/2023§2.2平推流反应器

工业上的管式反应器其长径比较大的可近似地按平推流反应器处理。一、平推流反应器的特征1.通过反应器的物料质点，沿同一方向以同一流速流动，在流动方向上没有返混。2.所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。3.同一截面上的物料浓度相同、温度相同。4.物料的温度、浓度沿管长连续变化。7/4/2023二、平推流反应器设计

1.

平推流反应器的设计方程

根据平推流反应器的特点，可取反应器中一微元段作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得到平推流反应器的设计基础式。7/4/2023

FA=FA＋dFA+（–rA）dVR+0

即：

7/4/2023积分得

或

(2.2-1)

※平推流反应器基础设计式※恒容时

∴(2.2-2)7/4/2023

恒容过程，平推流反应器与间歇釜式反应器的设计方程完全一致；所以只要反应是等容的，间歇反应器所导得的积分式均适用。对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。如果反应速率方程过于复杂，往往需要用数值积分或如图2.2-2所示的图解法求解。

对于非等温反应，式(2.2-1)或(2.2-2)应结合热量衡算式(又称操作方程)联立求解。7/4/2023图2.2-2平推流反应器的图解计算示意图2.图解计算7/4/2023[例2.2-1]

在215℃和5大气压下，均相气相反应Ａ─→3Ｒ在平推流反应器中进行。215℃时，速率方程式为：(–rA)=10-2CA0.5(mol/l·s)，原料气中含有50％A和50％惰性气体(CA0=0.0625mol/l)，求转化率为80％时所需的时间。

7/4/2023

解：根据题中所给出的已知条件有：yA0＝0.5δA＝(–rA)＝10-2CA0.5＝10-2CA00.5

τ＝

＝100CA00.5式中积分项可用图解、数值解或解析解计算，下面依次说明这些解法。7/4/2023①图解积分首先计算被积函数值，再作图令：面积＝用目测法计算面积得：面积＝1.70×0.8＝1.3xA0.00.20.40.60.8Y1.0001.2771.5282.0003.0007/4/2023②数值积分辛普森公式：

n为偶数∴对于上表数据，用辛普森公式计算：=[1.000+4×1.227+2×1.528+4×2.000+3.000]×0.2÷3=1.331(※也可用梯型公式计算)7/4/2023

③解析积分所推荐的积分方法要取决于具体情况，在本题中数值解可能是最快、最简单的方法。7/4/2023§2.3全混流反应器

实际生产中的连续搅拌釜式反应器几乎都是在定常态下操作的。反应物料连续不断地以恒定的流速流入反应器内，而产物也以恒定的速率不断地从反应器内排出。

(连续操作搅拌釜式反应器)7/4/2023

图2.3-1全混流反应器

7/4/2023一、全混流反应器特点

1.物料连续以恒定的流速流入、流出反应器，稳态操作。

2.反应器内各空间位置温度均一，浓度均一。

3.反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。图2.3-2全混流反应器的平衡7/4/2023二、全混流反应器的设计方程

以反应物A为关键组分，A的反应速率记作(–rA)，根据全混流反应器的特点，在单位时间内对整个反应器作物料衡算：

FA0=FA+（–rA）VR+0FA0－FA=（–rA）

VR

(2.3-1)

※全混流反应器的设计基础式※

恒容时

(2.3-2)7/4/2023

[例2.3-1]

在一体积为120升的全混流反应器中进行下列液相反应：

式中k1=7[l/(mol·min)]，k2=3[l/(mol·min)]，两种物料以等体积加入反应器，一种含2.8molA/l，另一种含1.6molB/l。假设系统的密度不变，希望B组分的转化率为75％，求每种物料的流量。

7/4/2023解：在混合进料中各组分的浓度为CA0=1.4mol/l,CB0=0.8mol/l,CR0=CS0=0。当转化率为75％,δA=0时，反应器内和出口处物料的组成为：CA=1.4－0.6=0.8mol/l

CB=0.8－0.6=0.2mol/lCR=0.6mol/lCS=0.6mol/l7/4/2023全混流反应器：而：(–rA)=(–rB)=k1CACB－k2CRCS

=7×0.8×0.2－3×0.6×0.6=0.04mol/[l·min]因此流入反应器的体积流量为:即每种物料的流量为4l/min。7/4/2023§2.4多釜串联全混流反应器

工业生产中常同时使用数个釜式反应器进行同样的反应；反应器设计中也经常出现用一个大反应器好，还是用几个小反应器好的问题。同时使用几个反应器时，应该采用什么样的联结方式效果最好，这样的反应器组合应如何去计算，就是本节所要讨论的中心内容。如果采用几个串联的全混流反应器来进行原来由一个全混流反应器所进行的反应，则除了最后—个反应器外的所有反应器都在比原来高的反应物浓度下进行反应。这样势必减少了混合作用所产生的稀释效应。7/4/2023图2.4-1多釜串联的全混流反应器

7/4/2023

图2.4-1(b)中给出这种多釜串联的全混流反应器，图2.4-1(a)给出每个全混流反应器所需的空时τi和总的空时∑τi。可以看出，用的釜数N愈多则所需的总容积就愈接近间歇搅拌釜式反应器。对任意第i个釜作组分A的物料衡算，对于恒容系统都有：(2.4-1)将具体的速率方程代入，从第1釜开始逐釜的计算下去。对于n级不可逆反应，则有：(2.4-2)7/4/2023当n=1时：即(2.4-3)若各釜具有相同的体积和相同的温度则(2.4-4)或(2.4-5)N个反应釜的总体积为VR=NVRi=Nτiv07/4/2023一、图解计算法

图解法适用于给定转化率和处理量后选定釜的个数和釜的体积。用这种方法可以省去试差的麻烦。应该说明的是这种方法仅适用反应速率最终可以用单一组分表达的反应。图解步骤：1.根据实验数据(动力学方程)作操作温度下的(–rA)～CA(或xA)关系曲线图1。2.在图1上作相应温度下第i釜的(–rAi)

～CAi操作线：

(2.4-6)7/4/2023①从CA0点出发作斜率为(–rA1)

/(CA1–CA0)的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第一釜的出口浓度CA1，交点的纵座标为第一釜的反应速率(–rA1)

。②从CA1点出发作斜率为(–rA2)

/(CA2–CA1)的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第二釜的出口浓度CA2，交点的纵座标为第二釜的反应速率(–rA2)

。这样一直作到要求达到的出口浓度，有几个梯级就表示需要几个釜串联使用。若各釜体积相同，则图上各操作线平行。若各釜体积不同，图上各操作线的斜率也不同。对于多釜串联，若追求整体反应器体积最小，应增加反应器的个数，但反应器体积最小是有限的，即使反应釜的个数趋于无穷，反应釜的总体积最小为速率倒数曲线、起始浓度、最终浓度和横座标围成的面积（见下图中绿影部分）与进料体积流量的乘积。7/4/20237/4/2023二、串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比

现设所进行的为简单反应，则总反应体积VR(2.4-7)将上式分别对xAi(i=1，2…N－1)求偏导：令则有：(i=1，2…N－1)(2.4-8)这是保证总反应体积最小所必须遵循的条件。求解方程组(2.4-8)，可得各釜的出口转化率，从而求出各釜的反应体积，此时总和为最小。7/4/2023

例：对于一级不可逆反应，若各釜温度相同，

代入式(2.4-8)化简后得：(i=1，2…N)

7/4/2023

由此可见串联釜式反应器进行一级不可逆反应时各釜体积相同时总反应体积最小。

上式也可写成：7/4/2023§2.5反应器型式和操作方式的评选

本节仅从反应器生产能力和产品分布这两个影响过程经济性的主要因素出发，就单一反应和复合反应来分别讨论其反应器型式和操作方法的评选。一、单一反应：由于不存在副反应，所以，在反应器选型时只需考虑如何有利于反应速率的提高。对于单一反应，反应速率与反应物浓度的关系可能有下述三种性状：7/4/2023

(1)1/(–rA)随xA的增大呈单调上升，如图2.5-1所示。对于n＞0的不可逆等温反应均有图示的特征。此时采用平推流反应器或间歇操作的完全混合的反应器所需的反应容积最小，其次是采用多釜串联的全混流反应器，而单一的全混流反应器所需的容积最大。图2.5-1不同反应器所需的体积(τ=VR/v0)7/4/2023

(2)1/(–rA)随xA的增大而单调下降，如图2.5-2所示，对于n＜0的不可逆等温反应均具有此性状。采用具有返混的全混流为最佳，多釜串联将导致反应器容积增大，且釜数愈多容积就愈大。平推流将不利于这类反应。图2.5-2不同反应器所需的体积(τ=V/v0)7/4/2023

(3)1/(–rA)对xA的曲线上存在着极小值，如图2.5-3所示，自催化反应和绝热操作的放热反应具有这种特征。当反应器出口转化率大于相应于最小值的xAM时，全混流反应器最佳，而平推流反应器所需的反应容积最大，若反应物料的起始转化率xA0大于xAM应选用平推流反应器或多釜串联的全混流反应器；而当xA0＜xAM而xA＞xAM的场合，则全混流反应器串联平推流反应器最优。图2.5-3不同反应器所需的体积(τ=V/v0)7/4/2023二、复合反应以目的产物选择性最大为目标函数，由瞬时选择性的定义：(2.5-1)对于间歇反应器或平推流反应器应用：(2.5-2)(2.5-3)7/4/2023

对于全混流反应器，瞬时选择性与总选择性相同：(2.5-3)从上述讨论看，复合反应的产物分布不仅与反应的型式、反应动力学特性有关，而且还与反应器的型式有关。7/4/20231.一级不可逆串连反应

R是目的产物对于间歇反应器或平推流反应器P的最大浓度：(2.5-4)对于全混流反应器R的最大浓度：(2.5-5)将上面两式相除，并以对作图：7/4/2023

由图2.5-4可见平推流反应器对产物P来说总是优于全混流反应器。图2.5-4平推流反应器与全混流反应器的比较7/4/20232.不可逆平行反应

P是目的产物

P的瞬间选择性与CA之间可能有三种变化形状：(1)随CA的增大而单调地增大，此时由图2.5-5(a)的图解示意图可看出，反应器内的返混作用将是不利的，应选用无返混的平推流反应器。

图2.5-5(a)平推流最优，多釜串联次之，全混流反应器最差图2.5-5平行反应中反应器比较的图解示意7/4/2023

(2)φP随CA的增大而单调地下降，从图2.5-5(b)可看出返混将有利于收率的提高，以全混流反应器为最优。图2.5-5(b)全混流最优，多釜串联全混流次之，平推流最差图2.5-5平行反应中反应器比较的图解示意7/4/20237/4/2023§2.6反应器的热衡算与热稳定性(1)全混流反应器的热衡算方程(通常又称为操作方程式)若忽略反应流体的密度和定压比热随温度的变化，反应器在定常态下操作时对反应器作热量衡算有：单位时间单位时间单位时间单位时间[物料带入热量]-[物料带出热量]-[传给介质热量]+[反应放热]=0即：

(2.6-1)7/4/2023

当反应器在绝热条件下操作，上式右端的第二项为零，即：

(2.6-2)将式(2.6-1)或(2.6-2)与全混流反应器的设计方程式(2.2-1)联立求解来确定反应器容积，传热面积或有关反应温度、流体入口温度等操作参数。7/4/2023[例2.6-1]

有一有效容积为0.75m3的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为5.0m2的冷却盘管。现欲利用该反应器进行的一级不可逆液相反应，其速率常数k＝1.0788×109exp[–5525.9/T](h-1)，反应热(–△HA)＝20921J／mol，原料液中A的浓度CA0=22mol/l，但不含R。该原料液的密度ρ＝1050g／l，定压比热CP=2.929(J／g·℃)。要求原料液的进料速率为v0=3m3／h，反应器出口的反应液中CA＝0.04mol/l。经实测得器内换热器的总传热系数K=209.2kJ/[m2·h·℃]。所用冷却介质的温度为25℃。试求满足上述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度T0。

7/4/2023解：①计算所需反应温度T全混流反应器：

一级不可逆液相反应：(–rA)=kCA

根据阿累尼乌斯方程有∴所以，反应应在308.6K(或35.4℃)下操作。7/4/2023②原料液起始温度T0的计算原料液的起始温度为297.4K(或24.2℃)7/4/2023(2)

全混流反应器操作的热稳定性分析

连续釜式反应器内反应物料温度均匀一致，若为定态操作，反应是在等温下进行的。如为非定态操作,属变温过程，即反应温度随时间而变，但不随空间而变。无论是定态操作还是非定态操作，反应过程的温度均需由反应器的热量衡算式和物料衡算式来决定。对于放热反应，这会出现定态不唯一的问题，即同时存在多个定态，操作温度都能满足反应器的热量及物料衡算式。这些定态中有些定态具有抗外界干扰的能力，即在外界干扰使其偏离了原来定态，而系统本身具有抑制这种使其发生偏离的干扰的影响并在干扰因素消失后它又能自动回复到原来的定态操作点，这类定态我们称之为稳定的定态。那些不具有抗干扰能力的定态则称为是不稳定的定态，这就是要讨论的定态稳定性问题。

7/4/2023

为了方便地看出反应器内传热过程的这一特点，将式(2.6-1)改写成如下形式：(2.6-3)令：

生热速率移热速率7/4/2023

放热速率线为一曲线，曲线的形状和k值与温度的关系有关。以一级不可逆反应为例：(2.6-4)(2.6-4)式为S型曲线。移热速率Qr线为一直线，QG线、Qr线的交点为热平衡点。由于参数的不同，Qr线有不同的斜率和位置，如图2.6-1。7/4/2023(b)

图2.6-1T～Q的关系

7/4/2023

现在来看图2.6-1(b)中QG线、Qr线的a、b、c三个交点。三个交点都满足热平衡条件QG=Qr，也都称做定态操作点，下面就分析这三个点