化工第五章教案公开课一等奖课件省课获奖课件

第五章化学反应器内容提纲：本章首先介绍了流体在反应器内流动模型和反应器内物料衡算，在此基础上主要讨论了基本反应器即间歇操作反应釜、管式反应器、连续操作反应釜在均相反应中应用，重点介绍了这几个反应器体积和物料在其中达成一定转化率所需时间计算。第一节概述一、化学反应工程介绍：1.化学反应工程发展概况：远在古代，人们就开始利用化学反应，如陶器制作、酒与醋酿造、金属冶炼以及炼丹、造纸等等，然而，这些生产过程直到上世纪五十年代尚未形成一门独立学科，其原因是由于人类还没有能够从种类繁多、看起来似乎毫不相干而又变化多端反应过程中，认清它们共同规律。科学技术发展，尤其是二战后石油化工发展，对化学反应器设计产生了迫切要求，而化学动力学研究进展和化工单元操作方面理论和实践经验日趋成熟，才使此类问题系统处理有了也许，因而于1957年在欧洲荷兰Amsterdan城，召开了初次化学反应工程会议，确定这一学科名称为：ChemiCalReaCtionEngineering即化学反应工程，英文缩写为CRE。第1页2.CRE研究对象和内容：CRE研究是工业规模化学反应过程及其设备共同规律。工业规模化学反应，与试验室研究中化学反应存在不可忽视、有时甚至是非常大差异。工业规模化学反应，必须与传递规律结合起来研究，因而才显得复杂而困难。CRE研究内容：

（1）研究化学反应器基本理论；

（2）反应器设计、放大、控制；

（3）反应器设计、操作优化。3.CRE研究办法：化工生产过程中物理变化规律，即单元操作，是用因次分析法或经验归纳法伎俩去研究。但对于化学反应工程，这样办法是不行。由于在反应器中，现有物理过程，又有化学过程，相同物理过程，不一定能造成相同化学过程。因此，在化学反应工程研究中，必须采取另外研究办法，也就是数学模拟法或称为数学模型法。二、化学反应器分类：1.按反应器构造型式分类：这种分类实质是按传递特性分类，反应出不一样反应器中最基本传递过程差异。按反应器构造特性，常见工业反应器可分为釜式、管式、塔式。112第2页均相反应器中又能够分为气相反应器、单一液相反应器，非均相反应器分为气-液相、气-固相、液-液相、液-固相、气-液-固相反应器等等。均相反应器中，由于反应过程不受扩散情况影响，因此它构造就比较简单，一般就采取管式、釜式反应器。非均相反应器中，两相接触情况对反应有极大影响，因此，反应器设计时就要考虑改善接触状态原因。因此它构造就要复杂某些。如113页。3.按物料聚集状态分类这种分类实质是按动力学特性分类。不一样聚集状态物质，其反应有不一样动力学规律。按物料聚集状态，可分为均相反应器和非均相反应器两大类。2.按操作办法分类：可分为间歇、半间歇、连续式三种。生产特性：反应程度和反应物性质均随时间而变化。操作特点：原料一次加入，通过一定期间后，反应产物一次卸出。间歇反应器半间歇反应器生产特性：反应程度和反应物性质均随时间而变化。操作特点：一种原料一次加入，另外反应物以一定速度连

连续操作反应器操作特点：反应物和产物都是连续稳定地加入和引出。生产特性：反应进行程度也许随反应器位置而变化，但不伴随时间而变。续地加入，反应后将产物所有卸出。第3页4.按温度条件分类：可分为等温、不等温、绝热反应器等三种。在以上很多分类中，我们本章将要学习是基本反应器，它包括间歇操作反应釜、管式反应器、连续操作反应釜。第4页三、流体在反应器内流动：(1)抱负置换流动(活塞流或柱塞流)：是指物料以稳定流量由反应器一端流入反应器后，各物料微元沿流动方向齐头并进，完全没有轴向混合与扩散，即没有返混，就仿佛活塞在气缸里向前平推同样。因此又称为“活塞流”。活塞流模型特点是：（1）在与流动方向垂直任意截面上各点，物料流速、浓度、温度及停留时间等完全同样；（2）物料浓度、温度等各参数沿流动方向递变；（3）在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。细长型连续流动管式反应器内物料流况就近似这种流动模型。在长径比较大固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反应器内，当气相流速达成一定值后，其气相流动情况一般亦能够以为是活塞流。凡器内物料呈抱负置换流动反应器就称为抱负置换反应器。其典型代表是连续操作活塞流管式反应器，也称为平推流反应器，以PFR表达。1.两种抱负流动状态：(2)抱负混合流动反应器：是指物料以稳定流量进入反应器后，瞬间就在整个反应器内分散均匀并与器内原存留物料完全混合。第5页抱负混合流动特点是：（1）整个反应器内以及出口物料组成和温度等参数均匀一致，且不随时间、空间而变化；（2）各物料微元在器内停留时间不尽相同，存在停留时间分布。在实际反应器中，带强烈搅拌连续釜式反应器内物料流况就近似于这种流动模型。另外，沸腾床中固相颗粒运动，长径比比较大鼓泡塔中液相流动，大循环量连续反应器流体流动等等，也都趋近于这种流动模型。凡是器内物料呈抱负混合流动反应器，就称为抱负混合反应器。一般用连续搅拌釜式反应器代表抱负混合反应器，也称为全混釜，以CSTR表达。上述抱负流动，是抱负流动模型两种极端情况。实际反应器中物料流况总是或多或少地偏离抱负状态，而是介于抱负混合和抱负置换两种流动模型之间，这种流动统称为非抱负流动。造成这种偏离原因主要是反应器型式、操作条件和物料性质。2.流体在反应器内停留时间：1.抱负置换流动停留时间：由于没有返混，所有质点在反应器内停留时间都相等，设流体在通过反应器时，体积不发生变化，第6页τ------流体在反应器内停留时间，VR------反应器体积，v------流体体积流量，F-----流体摩尔流量，C-------流体浓度，则τ=VRv=VRF/C2.抱负混合流动停留时间：抱负混合流动中，物料在反应器内停留时间分布在0和无穷之间，一般就用平均停留时间来表达。τ=VRv=VRF/C四、反应器物料衡算：进入反应器物料量=引出反应器物料量+反应消耗物料量+积累物料量

（1）

（2）

（3）

（4）

对于不一样操作反应器，可作如下简化。

间歇反应器：（3）+（4）=0

连续稳定反应器：（1）=（2）+（3）

半连续反应器：（1）=（2）+（3）+（4）

第7页第二节间歇操作反应釜一、反应时间计算：对间歇操作反应釜，一种生产周期由两部分，一部分为化学反应时间τ，另一部分为装料、清洗等辅助时间τ‘。间歇反应釜内物料是一种完全混合流动，釜内物料组成和温度是均匀，因此可选择整个反应器内组分A为物料衡算范围，则反应消耗物料量=-积累物料量设反应釜有效容积，即反应混合物所占体积为VR，一定温度下反应速度为rA，则A消耗速度=rA

VR又设A初始量为nA0，反应后任一时刻量为nA，此时转化率为xA，则该时刻A积累速度为：nA=nA0(1-xA),dnA/dτ

=-nA0dxA/dτ

代入衡算式并整顿-rAVR=nA0dxA/dτdτ=nA0dxArAVRτ=nA0dxArAVR∫0xAf对等温恒容过程，VR保持不变，设CA0为A初始浓度，则CA0=nA0VRCA0=CA(1-xA)，代入τ计算公式，可得τ=-∫CA0CAdCArA第8页若A浓度与反应速度间函数关系rA=f(xA)已知，则反应时间就可求出。对一级反应，AR，rA

=kCA=kCA0(1-xA)τ=k1lnCACA0=k1ln1-xA1对二级反应：A+AB，rA

=kCA2=kCA0(1-xA)2τ=1()kCA1CA01=xAkCA0(1-xA)二、反应器实际体积计算：设反应器装料系数为φ=VR/VT,每批物料反应时间为τ，辅助时间为τ’，一种生产周期内平均每单位时间处理物料体积为v，则v=VRτ+τ’vVR=(τ+τ’)vVT=(τ+τ’)φ1三、间歇操作反应釜特点及应用：1.釜内物料温度、浓度均匀，能够采取多种方式调节反应温度，可达成较高转化率；2.适应性强，可用于小批量多品种生产；3.设备利用率低，难以实现自动化，不宜大规模生产。第9页第三节管式反应器管式反应器一般采取连续操作办法进行生产，管内液体流动接近于抱负转换流动，适用于气相反应和均一液相反应。下列我们主要讨论等温恒容情况。一、空间速度、空间时间：1.空间速度：就是反应物体积流量与反应器有效体积之比，用Sv来表达。Sv=v/VR[1/时间］物理意义：单位体积反应器在单位时间内体积。对恒容过程，当体积流量与反应器内状态相同步，它表达单位时间内反应器内通过液体体积是反应器体积多少倍。但对非恒容过程，则不能这样以为。空间时间能够表达反应器生产能力，它值越大，反应器生产能力越大。2.空间时间：空间时间是空间速度倒数，一般用τs来表达。τs=VR/

v[时间］物理意义：物料连续流过反应器所需要时间。也就是在一定条件下，处理一反应器体积物料需要时间。它也是表达反应器特性一种量，它值越小，反应器生产能力越大。第10页二、恒容过程管式反应器体积计算：dVRCA0v0xA

=0xAxA+dxACAf

XAf对连续操作反应器，组分A积累速度为0，因此它物料衡算式为：进入反应器物料量=引出反应器物料量+反应消耗物料量对微元体积dVR，进入时转化率为xA，导出时为xA+dxA，则组分A加入速度=(1-xA

)

v0CA0=

v0CA导出速度=

v0(

CA-

dCA)=

v0CA0(1-xA-dxA)消耗速度=rAdVR代入物料衡算式并整顿，得：dVR=

v0CA00XAfdxArA积分：VR=

v0CA0dxArA对于我们讨论等温恒容过程，xA=CA0-CA第11页二、恒容过程管式反应器体积计算：dVRCA0v0xA

=0xAxA+dxACAf

XAf对连续操作反应器，组分A积累速度为0，因此它物料衡算式为：进入反应器物料量=引出反应器物料量+反应消耗物料量对微元体积dVR，进入时转化率为xA，导出时为xA+dxA，则组分A加入速度=(1-xA

)

v0CA0=

v0CA导出速度=

v0(

CA-

dCA)=

v0CA0(1-xA-dxA)消耗速度=rAdVR代入物料衡算式并整顿，得：dVR=

v0CA00XAfdxArA积分：VR=

v0CA0dxArA对于我们讨论等温恒容过程，xA=CA0-CACA0dxA=-dCA/

CA0因此，CA0CAdCArAVR=-

v0第12页三、管式反应器特点：1.易于实现自动控制；由于没有辅助生产时间，设备利用率高；没有返混现象，能够达成较高转化率；适用于热交换量较大反应。第四节连续操作反应釜连续操作反应釜特性：1.釜内物料情况接近于抱负混合流动，且釜内各处组成和温度都相同；2.液体内各质点在釜内停留时间不尽相同；3.反应物浓度、转化率以及反应速度(等温时)不随时间、空间而变化。一、连续操作反应釜体积：物料衡算范围：整个反应器物料衡算组分：组分A物料衡算基准：单位时间进料量第13页进入反应器物料量=引出反应器物料量+反应消耗物料量+积累物料量

连续操作反应器：进入反应器物料量=引出反应器物料量+反应消耗物量

v0CA0vfCArAVR对等温恒容过程：v0=vfCA0=CA(1-xA)v0CA0=v0CA0(1-xA)+rAVRVR=v0CA0xArA物料在反应釜内平均停留时间：τ=VRv0=CA0xArA=CA0-CArA对一级反应：VR=v0CA0xAkCArA=kCA=

xAk(1–xA)对二反应：rA=kCA2VR=v0CA0xAkCA2τ=τ=CA0xArA=CA0-CAkCA2二、连续操作单级反应釜特点：1.达成相同转化率，所需时间比间歇反应釜或管式反应器长得多；2.单位时间内处理相同物料及达成相同转化率时，它体积要最大。第14页三、多级串联反应釜：第一釜：τ1

=VR1v0=CA0–CA1rA1τ1

=VR2v0=CA1–CA2rA2第二釜：第n釜：τn=VRnv0=CAn-1–CAn-2rAn对于在n级串联釜中进行一级反应，假如各个釜中操作温度和有效容积不变，则各釜及k都同样。ττ=CAn-1-CAnkCAn=xAn-xAn-1k(1–xAn)CAn-1CAn=kτ+1CA0CAn整顿，得=11–xAn=CA0CA1CA1CA2CA2CA3CAn-1CAn……=(1+kτ)n第15页AS副反应rs=dCs/dτ=k2CAn2第五节均相反应器性能比较与选择作为反