《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》

1、3.均相理想反应器,反应器内流体的流动与混合状态,返混：不同停留时间的流体微团之间的混 合称之为返混。 停留时间： 空时和空速：,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。 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。,根据流动模型，理想反应器分为：,3.1 间歇操作的完全混合反应器,特点 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,1. 反应物料一次加入，产物一次取出。需要一定非生产性

2、时间； 2.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； 3.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,内外盘管式加热不锈钢反应釜,装配式热电偶,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,1.反应时间的计算 根据物料衡算,即：,0 0,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。,积分得(1)：,恒容时：,间歇反应器的 设计方程（1）,间歇釜反应器图解,CA,CAf,CA0,xA,xA0,xAf,2. 反应器有效体积VR的计算,一个操作周期时间：

3、(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)。,是装料系数，一般为0.40.85， 不起泡、不沸腾物料取0.70.85， 起泡、沸腾物料取0.40.6。,理想间歇反应器中简单反应的结果,例3-1 拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反应：ClCH2CH2OHNaHCO3 OHCH2CH2OH NaClCO2 乙二醇产量为20kgh。使用15的N

4、aHCO3水溶液及30(均为质量)的氯乙醇水溶液作原料，摩尔比为11，混合液密度为1.02kg/L。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(molh)。要求氯乙醇转化率达到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。,3.2 平推流反应器（丙烷分解）,一、平推流反应器的特征 1.通过反应器的物料质点，轴向上以同一流速流动，在流动方向上没有返混。 2.径向上物料浓度、温度相同。 3.所有质点在反应器中 的停留时间都相同。,二、平推流反应器时间的计算,流入量流出量反应量累积量,0,平推流反应器图解

5、计算,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？,例2 应用管径为12.6cm的管式反应器进行一级不可逆气体热解反应：AR+S，速率方程为 rA=kCA;k=7.80109exp-19220/RT; 原料为纯气体A，反应压力为5atm，反应温度为500，等温恒压反应。若要转化率为0.9，原料气处理量为1.55kmol/h。试计算所需反应器管长。,3.3 理想连续搅拌釜式反应器全混流反应器一、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、温度与出口处浓度、温度相同。,全混流反应器浓度-时间图,t,CA,CA0,t0,t,二、全

6、混流反应器的设计方程,FA0 FA rAVR 0,全混流反应器设计方程,恒容时,FA0 FA = rAVR,全混流反应器图解计算,CA,CA0,间歇釜和全混流反应器比较,C,例3 有液相反应 ，在120 时正、逆反应速率常数分别为k1=8L/（molmin)，k2=1.7L/（molmin)。若反应在全混流反应器中进行，有效反应体积为100L，两股流量相等，一股含A3.0mol/L，另一股含B2.0mol/L，求B转化率为0.8时，每股料液的进料流量。,3.4 组合反应器,平推流反应器组合 全混釜反应器串联 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，

7、则 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V的单个反应器反应 结果相同。,2.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,CAf,CA0,CA1,CA2,CA3,CA0,CA1,CA2,CA3,CA4,（横向切割限制返混）,解析计算（逐釜计算法）：,当n=1时,当各釜容积相同且在相同的温度下操作时,单釜空时，V=NVi=Nv0i,稳态 定容,b.根据动力学方程做rA CA关系曲线,rA,CA,CA1,CA2,CA3,CA0,图解法,例 应用串联全混流釜式反应器进行一级不可逆反应，假设各釜的容积和操作温度相同，已知在该温度下的速率常数为0.92h-1,原料的进料

8、速率v0=10m3/h，要求最终转化率为0.90。试计算当串联釜数N分别为1、2、3、4、5、10、50、100时反应器总体积。如果用间歇反应器操作，计算不考虑辅助时间条件下所需间歇釜体积。,间歇釜： t=2.503h V=25.03m3,例 在恒密度下进行一级不可逆连串反应，AR S，k1=2.510-3s-1, k2=8.3310-4 s-1，A起始浓度CA0，原料体积流量为2.3610-2m3/s,为获得R最高生产速率，下列哪个反应器较好？ 1. 单个全混流反应器，反应体积为2.83m3 ； 2. 两等容全混流反应器串联，每个体积为 1.415m3； 3. 将2中两个反应器并联，进料流量

9、相等； 4. 单个有效容积为2.83m3的平推流反应器。,1.单个全混流反应器： CR=0.21CA0 2.两个等容全混流串联：CR=0.23CA0 3.两个等容全混流并联：CR=0.21CA0 4.平推流反应器： CR=0.25CA0,答案：,反应速率方程为,物料衡算式为：,A+B R （CB0 CA0 ，2级反应）,3.5 半连续操作的釜式反应器,VCR=vCA0t-VCA,A,B,半连续操作的釜式反应器,CA / CA0,CR / CA0,C / CA0,3.6 反应器非等温过程分析,基本概念和原理 非等温反应器设计 全混流反应器的热稳定性分析,一、基本概念和原理 反应热Hr，J/mol

10、。吸热为正，放热为负。,cp-生成物与反应物之差。,平衡常数K（范-霍夫方程）,温度对不可逆反应的影响,反应速率随温度的升高而增大； 最优操作温度取决于系统可允许的最高操作温度。,温度对可逆反应的影响,允许最高温度,最优操作温度,r1,r2,r3,r4,反应速率随温度的升高而增大； 最优操作温度取决于系统可允许的最高操作温度。,最优温度分布,允许最高操作温度,反应速率存在一最大值，其对应温度为最佳温度；,如何求解最优温度？,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；,Hr

11、A-反应热，J/molA。,对于恒容过程，rA=CA0dxA/dt,对于间歇操作，温度与转化率的大小有关。,间歇反应器恒温操作计算,反应放出(或吸收)的热量必须等于体系与换热介质交换的热量。,反应器绝热操作计算,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,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,对于绝热操作，DU（T-Tm)=0：,对于非绝热操作,1.设计方程：,2.热量衡算式：,3.试差求解以上两式,四、全混流反应器的热量衡

12、算与热稳定性,换热器的选择与计算 考察反应器操作的热稳定性实现稳定的定常态操作,(1)全混流反应器的热量衡算方程,v0CpT0,vCpT,rAVR（-Hr）,UA(T-Tm),恒容反应,放热速率，与反应温度呈非线性关系，S形曲线。,移热速率（热交换速率），与反应温度呈线性关系。,形状？,（2）全混流反应器操作的热稳定性分析 （一级放热反应）,Qr,Q,T,Qg,1,2,3,在哪点 操作？,放热反应,Qr,Q,T,Qg,1,2,可逆放热反应,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定操作点。反之称为假稳定操作点。,多重定常态：,判据：,具有一个以上定常态点。,Q,T（反应温度）

13、,Qg,2,3,4,Qr,调节定常态点的方法：1.改变T0或Tm,5,6,7,8,9,1,A BCDE,进料温度,进料温度T0对定常态操作点的影响,1,2,3,4,6,7,8,9,5,T,T0,A B C D E,着火点,熄火点,着火 温度,熄火 温度,调节定常态点的方法：2.改变U或A,Q,Qg,Qr,T,增大U或A,降低U或A,a,调节定常态点的方法：3.改变进料流量v0,增加流量,流量由A增大时，定态点如何变化？ 流量由D下降时，定态点如何变化？,可逆放热反应最适宜操作点,a、b、c哪个操作点合适？,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。,T,例 纯组分A以4.210

14、-6m3/s的流量进入一全混釜反应器，反应器体积为0.378m3，进料温度为20。全混流后串联一活塞流反应器，两反应器均为绝热操作。若反应为AB，已知 k=7.251010exp(-14570/T) s-1 H=-346.9J/g cp=2.09J/(gK) 若要求总转化率为0.97，计算活塞流反应器体积。,3.6 反应器形式和操作方式评选,1.单一反应,xA,xA0,xAf,转化率很低时，平推和全混体积相差不大；转化率越高，返混对反应影响越大，平推的体积远小于全混。而且反应级数越高，影响越大。,同一反应不同反应器性能比较,xA,xA0,xAf,不同反应级数的反应反应器性能比较,xA0,xAf

15、,n=1,n=2,A,B,C,D,E,F,xAM,xAf,不同形式反应器的组合,复合反应： 1.平行反应 2.串联反应 两反应组分平行反应加料方式选择,单一反应组分平行反应瞬间收率与浓度关系,p,CA0,CA,CA,CA0,CA0,CA,平推流,多釜串联,全混流,正常动力学,p,CA0,CA,CA,CA0,CA0,CA,平推流,多釜串联,全混流,反常动力学,p,CA0,CA,CA,CA0,CA0,CA,哪种反应器型式P的收率最大？,串联反应（APS）,掌握三种理想反应器的基本概念、特点； 掌握建立基本设计方程的方法； 记住零级反应、一级反应、二级反应的积分式（浓度和转化率） 能够利用反应器流动

16、模型方程计算反应体积和所需反应时间。,习题5 丙烷热解生成乙烯反应为：,在772等温反应时，动力学方程为 -dpA/dt=kpA 其中k=0.4h-1。若系统保持恒压，p=1kgf/cm2，v0=800L/h，求当xA=0.5时，所需平推流反应器的大小。,习题7 气相反应 ，反应动力学方程为 式中,已知PA0=PB0=0.5kgf/cm2，PP0=0，P=1kgf/cm2，求最优温度与转化率的关系。,例 乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳，0.1kg/s乙醛蒸气在520，0.1MPa于管式反应器内分解，已知反应对乙醛为二级不可逆反应，k=4.3m3/(kmols),计算 1. 35%和90%乙醛分解所需反应器体积； 2.若在全混流反应器中进行该反应，则35%和90%乙醛分解所需反应器体积。,某液相自催化反应： 已知rA=kcAcB mol/(Lh)。在等温恒容反应器中测定反应速率，cA0=0.95mol/l， cB0=0.05mol/l，1h后反应速率达到最大值，求该温度下的反应速率常数k。,已知某均相反应，速率式为rA=kcA2，k=17.4mL/min，cA0=7.14mol/L，加料速率为7.14L/min，假定物料密度恒定，其值