釜式反应器二

釜式反应器任务二釜式反应器的设计、选型

二、均相反应动力学基础一、反应器流动模型三、釜式反应器的生产原理四、多个理想连续釜式反应器的串联操作五、连续操作釜式反应器的热稳定性一、反应器流动模型化工操作过程可分为间歇过程、连续过程和半连续过程。反应器中流体的流动模型是针对连续过程而言。由于真实反应器几何尺寸、操作条件、搅拌等的复杂性，使得反应器内流动十分复杂，而反应器中流体的流动直接影响反应器的性能，为此有必要讨论反应器内的流体流动。反应器流动模型理想流动模型非理想流动理想混合流动模型理想置换流动模型模块一釜式反应器模块一釜式反应器（一）理想流动模型1.理想置换流动模型理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。任一截面的物料如同气缸活塞一样在反应器中移动，垂直于流体流动方向的任一横截面上所有物料质点的年龄相同，是一种返混量为零的极限流动模型。加料产物长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动均可视为理想置换流动。模块一釜式反应器①沿流动方向，温度、浓度、反应速率随位置逐渐改变②稳定流动，各点温度、浓度、反应速率不随时间而变③各物料质点在反应器内的停留时间相同。④稳定状态下，单元时间、微元体积内，反应物积累量为零。理想置换流动模型的特点：模块一釜式反应器2.理想混合流动模型理想混合流动模型也为全混流模型。由于强烈搅拌，反应器内物料质点返混程度为无穷大，所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致。搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动均可视为理想混合流动。均匀混合加料产物模块一釜式反应器理想混合流动模型的特点：①物料在反应器内充分返混；②反应器内温度、浓度、反应速率处处均一，不随时间而变，且与出口相同。③物料粒子在反应器内的停留时间不同。④连续，稳定流动，物料的积累项为零。模块一釜式反应器3.返混及其对反应的影响（1）返混返混专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。返混是连续化后才出现的一种混合现象。（2）返混对反应的影响非理想流动反应器存在不同程度的返混，返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。①返混改变了反应器内的浓度分布，使反应器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。②返混的结果将产生停留时间分布，并改变反应器内浓度分布。③返混不但对反应过程产生不同程度的影响，更重要的示对反应器的工程放大所产生的问题。间歇操作釜式反应器中同样存在剧烈的搅拌与混合，但不会导致高浓度的消失，这是因为混合对象不同。间歇操作釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻进入反应器的，又在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间，因而具有相同的性质、相同的浓度，这种浓度相同的物料之间的混合不会使原有的高浓度消失。连续操作釜式反应器中存在的都是早先进入反应器并经历了不同反应时间的物料，其浓度已经下降，进入反应器的新鲜高浓度物料一旦与这种已经反应过的物料相混合，高浓度会随之消失。模块一釜式反应器（3）降低返混程度的主要措施降低返混程度的主要措施横向分割连续操作搅拌釜式反应器，其返混程度可能达到理想混合程度。为了减少返混，工业上采用多釜串联操作，这是横向分割的典型例子。当串联釜数足够多时，这种连续多釜串联的操作性能就很接近理想置换反应器的性能。纵向分割流化床反应器是气固相连续操作的一种工业反应器。流化床中由于气泡运动造成气相和固相存在严重的返混。为了限制返混，对高径比较大的流化床反应器常在其内部装置横向挡板以减少返混，而对高径比较小的流化床反应器则可设置垂直管作为内部构件。模块一釜式反应器（二）非理想流动实际工业反应器中的反应物料流动与理想流动有所偏离，过程介于两者之间。所有偏离理想流动模型的流动模式均称为非理想流动。1.非理想流动形成的原因1.滞留区的存在滞留区是指反应器内流体流动极慢以至几乎不流动的区域，也称死角、死区。由于滞留区的存在，使得部分流体的停留时间极长。滞留区主要产生于设备的死角中，如设备两端、挡板与设备壁的交接处以及设备设有的其他障碍物时，最易产生死角。若要减少滞留区的存在，主要通过合理的设计来保证。2.沟流和短路在固定床反应器、填料塔以及滴流床反应器中，由于催化剂颗粒或填料装填不匀，造成一低阻力通道，使得部分流体快速从此通道流过从而形成沟流。短路则是在设备设计不良时产生的现象，流体在设备内的停留时间极短，例如当设备的进出口离得太近时就会出现短路。3.循环流实际的釜式反应器、鼓泡塔和流化床中都存在着流体的循环流动。4.流体流速分布不均匀5.扩散由于流体在反应器内的径向流速分布不均匀，从而造成流体在反应器内的停留时间不同。当反应器内流体的流速较小时，形成滞流，此时流体在径向方向上的流速呈抛物线分布；当反应器内流体的流速较大时，形成湍流，此时流体在径向方向上的流速分布比较平坦。由于分子扩散及涡流扩散的存在而造成了物料质点之间的混合，使停留时间的分布偏离理想流动状况。模块一釜式反应器在实际工业反应器计算中，为了考虑非理想流动的情况，一般总是基于一个反应过程的初步认识，首先分析其实际流动状况，从而选择一较为切合实际的合理简化的流动模型，并用数学模型方法关联返混与停留时间分布的定量关系，然后通过停留时间分布的实验测定来检验假设的模型的正确程度，确定在假设模型时所引入的模型参数，最后结合反应动力学数据来感觉反应结果。2.非理想流动模型模块一釜式反应器均相反应：

参与反应的各化学组分处于同一相（气相或液相）内进行化学反应。包括气相均相反应液相均相反应特点：反应物系中不存在相界面

二、均相反应动力学基础模块一釜式反应器

均相反应动力学研究均相反应进行的速率以及温度、浓度、催化剂等因素对反应速率的影响。

均相反应动力学是研究均相反应过程的基础，也为工业反应装置的选型、设计计算和反应器的操作分析提供理论依据和基础数据。模块一釜式反应器1.化学计量方程

（1）化学反应式反应物经过化学反应生成产物的过程用定量关系式予以描述时，该定量关系式称为化学反应式。aA+bB+…

→

rR+sS+…

式中：

a、b、

r、s…

——计量系数。

注意：化学反应式不是方程式，不允许按方程式的运算规则加以运算。（一）基本概念及术语模块一釜式反应器（2）化学计量方程化学计量方程只表示反应物、生成物在化学反应过程中量的变化关系。aA+bB+…

＝

rR+sS+…

(－a)A+(－b)B+…+rR+sS+…

＝0aAA+aBB+…+aRR+aSS+…

＝∑aII＝0式中：

aA、aB、aR、aS

…

——化学计量系数。

注意：化学计量方程允许按方程式的运算规则加以运算。模块一釜式反应器2.反应程度ξ

引入“反应程度”来描述反应进行的深度。对于任一化学反应定义反应程度式中，nI为体系中参与反应的任意组分I的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩尔数。模块一釜式反应器3.转化率转化率是指某一反应物转化的百分率反应进行到一定时刻，各组分的物质的量与转化率的关系为：应用：nA=nA0(1-xA)CA=CA0(1-xA)关键组分：主要反应物（A），它的转化率直接影响反应过程的经济效益。

模块一釜式反应器转化率与反应程度的关系：（1）单程转化率：指原料一次通过反应器一次达到的转化率，即是以反应器入口物料为基准的转化率；（2）全程转化率：指新鲜物料进入反应系统到离开反应系统所达到的转化率，即以新鲜进料为基准的转化率。

全程转化率大于单程转化率。

模块一釜式反应器4.化学反应速率定义：单位时间内、单位反应体积、反应混合物料中某一组分的反应量。

用反应程度随时间的变化率表示用关键组分的消耗速率表示对于恒容过程：用产物的生成速率表示模块一釜式反应器5.几个时间概念（1）反应持续时间也叫反应时间，指间歇反应器反应物料进行反应达到所要求的转化率所需要的时间。其中不包括装料、卸料、升温等非生产时间。（2）停留时间t又称接触时间，指连续流动反应器流体微元从进入反应器到离开反应器所经历的时间。（3）平均停留时间各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间称为平均停留时间。模块一釜式反应器（4）空间时间：反应器有效容积V’R与流体特征体积流率V0之比值。式中V0——特征体积流率，即在反应器入口条件下及转化率为零时的体积流率；

——表示处理在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的时间,h。

空间时间反映了反应器的生产强度。空时越大，生产强度越小，空时越小，生产强度越大。模块一釜式反应器（5）空间速度SV：指单位有效反应器容积所能处理的反应混合物料的标准体积流率，式中——为进口流体在标准状态下的体积流率模块一釜式反应器空间速度通常用于比较设备生产能力的大小。对于气固相催化反应，空间速度定义为在单位时间内通过单位催化剂体积（或质量）的物料标准体积流率。空速中的是指反应器入口物料在标准状况下的体积流率空时中的是指反应器入口操作条件下的体积流率注意：空间速度不是空间时间的倒数。模块一釜式反应器（二）

反应动力学方程定量描述反应速率与影响反应速率的因素之间的关系式。对于不可逆反应：

式中cA，cB——A，B组分的浓度mol.m-3kc——以浓度表示的反应速率常数。模块一釜式反应器模块一釜式反应器大量实验表明，均相反应的速率是反应物系组成、温度和压力的函数。反应压力通常可由反应物系的组成和温度通过状态方程来确定，不是独立变量。所以主要考虑反应物系组成和温度对反应速率的影响。化学反应动力学方程有多种形式，对于均相反应，方程多数可以写为（或可以近似写为，至少在一定浓度范围之内可以写为）幂函数形式，反应速率与反应物浓度的某一方次呈正比。1.基元反应和非基元反应基元反应：化学反应的反应式能代表反应的真正过程的反应。非基元反应：有若干个基元反应综合而成的反应。例如反应：H2+Br2=2HBr

由实验可知该反应是由5个基元反应组成。

Br2→2Br·Br·+H2→HBr+H·H·+Br2→HBr+Br·H·+HBr→H2→Br·2Br·→Br2模块一釜式反应器每个基元反应有一个速率方程，总反应有一个总速率方程。所以化学反应方程只表示化学反应进行的方向，基元反应动力学方程可以利用质量作用定律直接写出；非基元反应动力学方程根据反应机理推断或通过实验测定。模块一釜式反应器2.反应级数

定义：动力学方程式中浓度项的指数，由实验确定。对基元反应：级数即为化学反应式的计量系数－aA、－aB对非基元反应：通过实验确定。而级数越高浓度对反应速率的影响越大；级数为零的反应，浓度对反应速率无影响。模块一釜式反应器3.反应速度常数不可逆反应

k=f(T)k=k0·e－E/RT（阿伦尼乌斯方程）式中：ko——频率因子

E——活化能J/molR——通用气体常数，8.314J/mol·K从阿伦尼乌斯方程看出：（1）活化能越大，温度对反应速率影响越显著（2）对一给定反应，反应速率常数与温度的关系在低温时比高温更敏感。模块一釜式反应器气相反应以分压表示浓度时（－rA）＝kppAmpBnkc与kp的关系kc=kP(RT)n+m模块一釜式反应器4.化学反应的分类单一反应过程：系统中仅发生一个不可逆的化学反应，简称简单反应过程aA+bB→

rR+sS式中：m、n——A、B组分的反应级数（m+n）——该反应的总反应级数模块一釜式反应器复合反应过程：系统中发生两个或两个以上化学反应过程分类：可逆反应aA+bB⇆

rR+sS自催化反应A→PA+P→P+P平行反应A→BA→C连串反应A→P→S模块一釜式反应器（三）单一反应动力学方程等温恒容过程对于不可逆反应A→P反应动力学方程：等温恒容过程，可表示为：式中t为达到某一转化率xA所需时间，可将上式分离变量积分模块一釜式反应器例：对于一级不可逆反应：A→P等温k＝常数；恒容c=n/V

分离变量积分，初始条件t＝0、cA=cA0

－㏑(cA/cA0)=㏑(cA0/cA)=kt因为xA=(nA0－nA)/nA=(cA0－cA)/cA0=1－cA/cA0

所以模块一釜式反应器若为二级反应：A+B→P（设cA0=cＢ0）反应速