第三章-均相理想反应器(1).ppt

1、1,第三章 理想流动反应器,本章主要讨论三种理想反应器的设计及评价 间歇反应器(BR)(Batch Reactor) 全混流反应器(CSTR)(Continuously Stirred Tank Reactor) 平推流反应器(PFR)(Plug (or Piston) Flow Reactor),2,反应器设计主要包括以下几项内容 根据化学反应的动力学特性及设备的传递特性选择合适的反应器型式。 结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操作设计。 根据给定的产量对反应器进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行某些经济评价。 设计的基本方法：经验方法与数学模型方法。 具体的数学模型包括：

2、物料衡算式，热量衡算式，动量衡算式及动力学方程。,第一节 反应器设计的基本内容与方法,3,一、反应器的物料衡算方程,1.物料衡算-描述浓度的变化规律,4,2.能量衡算-描述温度的变化规律,3.动量衡算-描述压力的变化情况,4.动力学方程-描述反应速率随温度、浓度的变化情况,5,一 几个重要的时间概念 1.反应持续时间tr在间歇反应器中反应达到一定转化率所需时间（不包括辅助时间）。 2.停留时间t连续流动反应器中流体微元从入口到出口所经历的时间。 3.平均停留时间tc各物料微元从反应器入口至出口所经历的平均时间。,第二节 反应器内流体的流动,6,4.空间时间（空时）反应器有效体积VR和反应流体入

3、口条件下体积流率V0之比。 5.空间速度（空速）Sv时间1单位时间内投入到反应器中的物料的体积流量与反应器有效容积之比。,7,6 空时与反应时间和平均停留时间的区别 （1）空时与反应时间： 空时用于连续流动反应器，反映生产强度的大小； 反应时间用于间歇反应器，反映化学反应进行快慢的量度，并不反映反应器的生产强度。,8,（2）空时与平均停留时间： 空时是人为规定的参量，可以看作是过程的 自变量，可以用空时来表示连续流动反 应器的基本设计方程式； 平均停留时间不是人为规定的参量，不能认为 是过程的自变量，而只有当知道 了反应器中所发生的变化后才能 确定的一个参量。 即：当等温恒容时 当等温变容时,

4、9,二、流动状况对反应过程的影响,1.理想流动和非理想流动 （1）平推流流动 轴向上完全不混合，各微元在反应器中齐头并进，停留时间相同（同进同出）； 径向上剧烈混合，且同一截面上各微元速度、浓度、温度均相同。,10,径向流分布,平推流与层流的区别 平推流：同一截面上各微元具有相同的速率，径向剧烈混合； 层流：同一截面上各微元具有不同的速率，径向没有混合。,11,（2）全混流流动,物料加入反应器瞬间完全混合（最大混合）； 反应器中物料的温度、浓度均匀，且等于出口物料的温度、浓度； 停留时间不同，形成确定的停留时间分布。,由上面讨论可以看出，平推流和全混流流动 是物料在反应器中的两种极端流动状况。

5、,（3）理想流动 平推流流动 全混流流动,12,（4）非理想流动 流体流动介于平推流流动和全混流流动之间，即偏离理想流动。 起因： A.径向流速不匀； B.流体的轴向扩散效应； C.反应器的结构； D.搅拌不充分。,13,2.理想反应器,在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。 从本质上讲，反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。,14,返混,（1）混合： 简单混合相同停留时间的粒子的混合。 返混 (Back mixing) 不同停留时间的粒子的混合。 任何实际的流

6、动都存在返混。 管内流体的流动返混较小。 容器内流体的流动返混较大。,15,按物料在反应器内返混情况作为反应器分类的依据将能更好的反映出其本质上的差异。 按返混情况不同反应器被分为以下四种类型,16,间歇反应器,间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。,17,平推流反应器,理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。,18,全混流反应器,连续操作的充分搅

7、拌槽型反应器（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。,19,非理想流反应器,非理想流反应器。物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。,20,一、 间歇反应器（BR，Batch Reactor）,间歇操作的充分搅拌槽式反应器。 用于液相反应。 在反应过程中没有进出料。 反应器内物料充分混合，器内各点温度浓度相同。 间歇操作，需要辅助生产时间。,第三节 均相理想反应器的基本计算,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,27,设计方程 1. 反应时间的计算 物料衡算：,28,恒容条件下（多数情况），

8、上式可以简化成： 二者相同。这说明，在充分混合的间歇反应器中，反应是依照它的动力学特征进行的。流动过程对反应没有影响。,间歇釜反应器图解,CA,CAf,CA0,xA,xA0,xAf,理想间歇反应器中简单反应的结果,2. 反应器有效体积VR的计算,一个操作周期时间：(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

9、， 不起泡、不沸腾物料取0.70.85， 起泡、沸腾物料取0.40.6。,34,例1 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为： cA0=4 kmol.m-3,35,若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求： (1)转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少? (2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?,36,解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为： xA=0.5 xA=0.6 tr=3.18h xA=0.8 tr=8.

10、5h xA=0.9 tr=19.0h,37,(2)反应器体积的计算 xA= 0.8时：tt=tr+t=8.5+1=9.5h 每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为146，则有： 处理体积为： 实际反应器体积VR：,38,反应器有效容积VR： 实际反应器体积VR： 当xA=0.9时： tt=19+1=20h VR=0.17120=3.42m3 V=3.420.75=4.56m3,二、平推流反应器(PFR)(Plug (or Piston) Flow Reactor),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。

11、 3.所有质点在反应器中 的停留时间都相同。,40,设计方程 取长度为dl，体积为dVR的微元体系，以反应组份A作物料衡算。 注意：微元体系固定在反应器上，不随物料流动。,41,进入dVR量=排出量反应量积累量 FA =（FAdFA）(-rA)dVR0 由于FA=FA0(1xA)，dFA=FA0dxA 得物料衡算微分式：FA0dXA=(-rA)dVR 对整个反应器积分：,42,对恒容过程，,43,理解： 如果把每个流体微元看作从入口到出口流动的小的间歇反应器，由于没有返混，每个微元的停留时间都相等，且等于间歇反应器的反应时间。 因此，平推流反应器可以作为间歇反应器的替代，而且节省非生产时间。但是，停留时间过长的反应器还是采用间歇式的好。,44,平推流反应器图示：,三、全混流反应器(CSTR)(Continuously Stirred Tank Reactor)1、特点,a. 反