第五组_反应器计算与操作优化.ppt

1、1,化学设备过程与设备 反应器计算与操作优化,第五组,林长耀 王军 曹润虎 邵丹 徐建 黄逸,2,目录 一、反应器流动模型的介绍 二、反应动力学基础 三、均相反应速率及反应动力学 四、反应器计算的基本内容和基本方程 五、间歇操作釜式反应器体积和数量的计算 六、间歇操作釜式反应器的动力学计算法,3,非理想流动,理想混合 流动模型,（没有返混）,（返混达到极 限状态）,（存在不同程度混合）,一、反应器流动模型的介绍,4,1.理想置换流动模型,含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。与流动方向 相垂直的同一截面上所有的物料质点的年龄相同，各点流速、流向、浓度、温度完全相同，即物料是齐头并

2、肩向前运动的，所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。,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可视为理想置换流动。,（没有返混）,5,2. 理想混合流动模型（返混达到极限状态）,含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷大特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。,6,返混对反应过程的影响 反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。 返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。但是，这种浓度

3、分布的改变对反应的利弊取决于反应过程的浓度效应。 返混是连续反应器中的一个重要工程因素，任何过程在连续化时，必须充分考虑这个因素的影响，否则不但不能强化生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。,7,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。在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。 选择反应器的型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。因此，在分析各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混状况作为一项重要特征加以考虑。,8,降低返混程度的措施

4、降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。 连续操作的搅拌釜式反应器 为减少返混，工业上常采用多釜串联的操作。当串联釜数足够多时，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。(横向) 流化床 由于气泡运动造成气相和固相都存在严重的返混。为了限制返混，常在其内部装置横向挡板以减少返混。(纵向),9,二、反应动力学基础,1.化学反应速率定义：在反应系统中，某一物质在单位时间、单位反应区域内的反应量。,10,反应级数是指动力学方程式中浓度项的指数。反应级数的大小反应了该物料浓度对反应速率影响的程度。,总反应级数等于各组分反应级数之和， 即 n=1+2+

5、3+.,11,12,a.单一反应与复杂反应 单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程式便能代表的反应 复杂反应：有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述。 b.基元反应与非基元反应 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转化成为产物分子的反应，则称为非基元反应,13,C：空时，为反应器有效体积与物料初始进料的体积流量的比值，h ：停留时间，为反应器有效体积与反应器内物料的体积流量的比值。 SV：空速，对于均相反应，空速是空时的倒数，h-1 注意：由于反应过程物料的密度可能发生

6、变化，体积流量也将随之变化，只有在恒容过程，称为物料在反应器中的停留时间才是准确的。即 C =,14,求解方法 解析法 恒温恒容不可逆PFR的计算 零级反应： 一级反应：,15,二级反应： 就反应过程而言，PFR和BR两种反应器具有相同的效率。因BR是间歇过程，存在非生产时间，其生产能力低于PFR。,16,图解法：与BR相同,当（-rA）不能用解析式表达或表达式较复杂时,17,三、均相反应速率及反应动力学,1.均相反应是指在均一的液相或气相中进行的化学反应；均相反应速率的定义是指在均相反应系统中某一物质在单位时间、单位反应混合物总体积中的反应量。,反应速率的其他表示方式：,18,2. 均相反应

7、动力学,不计过程物理因素的影响，仅研究化学本身的速率规律。,不可逆化学反应,对于气相反应，由于分压与浓度成正比，也常常使用分压来表示。,19,均相单一反应等温等容过程的积分结果,20,由表中所列结果，可以得出以下几点结论： (1)对于任一级反应，当cA0、xA或cA确定后，kt即为定值：当k，t；当k，t。 (2)当转化率xA确定后，反应时间与初始浓度的关系和反应级数有关。,0级反应： ， 成正比 1级反应： ， 无关 2级反应： ， 成反比 利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数，例如确定xA，然后测定 的关系，判别反应级数。,21,四、反应器计算的基本内容和基本方程,1.选择合适的反应器类型 2.确定最优的操作条件 3.反应器体积的确定,22,反应时间 辅助时间0,反应体积单位时间所要处理的物料体积操作周期,由生产任务决定,装料 卸料 清洗,填充系数,沸腾或鼓泡的液体，可取0.40.6 不沸腾或不鼓泡的液体，可取0.70.85,五、间歇操作釜式反应器体积和数量的计算,由间歇釜式反应器的动力学方程求出,23,六、间歇操作釜式反应器的动力学计算法,间歇操作釜式反应器的特点: 1.由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响。 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题。 物料同时加