《工学反应工程》PPT课件.ppt

1、4.1 活塞流假定,流体流动是非常复杂的物理现象，影响到系统的反应速率和转化程度。 一、 流动状况对反应过程的影响 1. 流速分布情况影响 空管中, 如图4.1 （a）(b) 内部各部分流体的停留时间不同，因此反应时间也不一样，反应速率和最终转化率也不一样 。 2. 混合情况的影响 完全混合时，C、T在反应器内均一；否则，各处T，C不一样。这两种混合情况对反应过程产生不同的影响，反应的结果也不一样。为了描述反应器的流动状况，要建立流动模型，定量描述反应器中的流动状况。最简单的流动模型是理想流动模型，包括：活塞流和全混流模型。,图 4.1 径向流分布,. 活塞流模型 径向流速分布均匀； 轴向不存

2、在混合。 所有流体粒子在反应器内的停留时间相同，与间歇釜式反应器中不一样，没有返混问题。（返混是不同停留时间的流体粒子之间的混合）。 2. 全混流模型（上一章详细描述过）无论轴向和径向，混合达到最大，C、T均一，返混最大。 应该注意的是：理想流动模型是两种极端情况，活塞流的返混为零，而全混流的返混最大，实际反应器中的流动状况介于两者之间。,二、 理想流动模型,4.2 等温管式反应器的设计,在管式反应器中进行的单一反应，取如图4.2所示的微元体（高为dZ） 在定态条件下 ： 由此得到 ：,假设RA =常数（=XAf下的值），则 ： 釜式反应器的设计方程 上式可以进一步变成： 注意：二者尽管形式上

3、相同，但一个是反应时间t，一个空时（与所选择的进口状态有关）。另外，间歇釜式反应器总是恒容的。如果管式反应器也在恒容下进行，则有=t；否则，t。,对于式（4-4），设反应器的截面积为A，则有dVr=AdZ，那么 对于恒容过程 CA=CAO（1-XA）则 时间变量转化为位置变量。,VpVm-3Vm-2Vm,VpVm-3Vm-2Vm,在处理量、组成、T、XAf相同的条件下进行对比。对于二级可逆反应，使用不同形式的理想反应器时所需要的反应体积如表4-1所示，即有 VpVm-3Vm-2Vm 一般来说，比较正常动力学和反常动力学两种情况讨论；,4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较,复杂反应的收率可以表

4、示为：,S-瞬时选择性,SO-总选择性 Ypf总收率,选择性随关键组分A转化率的变化关系也有正常和反常之分，相应的结果完全不同。,小结,间歇釜式 ：SXA（选择性随转化率变化） 管式反应器（同间歇反应器 ）SXA（CA，CB，），T有关 所以为了改善选择性S，有选择CA，CB的问题（即选择加料方式）。,釜式反应器 S0=S,4.4 循环反应器,对于很多反应过程，如合成氨、合成甲醇等过程，由于化学平衡的限制，单程转化率并不高，为了提高原料的利用率，将出口（含有大量的反应物）的物料进行循环。 图 4.6 循环反应器, 0 时， XAi=0 活塞流； 时，XAi XAf 全混流； 实际上， 当 25

5、时，即可认为反应器达到了全混状态。,循环反应器的设计方程,4.5 变温管式反应器,一、 管式反应器的热量衡算 对于等压过程,合并得：,工业上反应器很少等温下操作 ，原因： 难于作到等温操作 对可逆放热反应，等温并不一定好，有最佳温度分布 对于复杂反应，温度T影响产物分布（PD）,Tr-基准温度（与间歇釜式反应器的计算方法相同） TC-换热介质的温度,类似于间歇釜式反应器与热量衡算式（3-81）,存在的差别： 自变量：t 时间（间歇釜） 距离Z（管式反应器） 衡算范围：整个反应器（间歇釜） 微元体（管式反应器） wAO初始质量分率；G为质量流速，kg/s 带入热量衡算式得：,二、绝热管式反应器,

6、与间歇釜式反应器和连续釜式反应器完全一样，但实质上有很大区别。,如与外界无热交换（绝热过程），上式变成 ：,如果不考虑Cpt随组成和温度变化，则,TTo=（XA-XAO）,其中,图 4.7 绝热反应过程 转化率与温度的关系,用于管式反应器时，它反映了不同的轴向位置上温度与转化率的关系。 用于间歇式反应器时则反映不同时间下反应物料的转化率与温度的关系。 而连续釜式反应器无论是否与环境进行热交换，均为等温操作，所以，绝热方程式(4.30)反映的是绝热条件下与连续釜式反应器出口转化率相对应的操作温度。,可逆放热反应的情况,图4.8 可逆放热反应的转化率与温度的关系,图4.9 绝热管式反应 器的最佳进

7、料温度,三、非绝热变温管式反应器,当化学反应热效应很大时，无论是放热的还是吸热的，采用绝热操作会使反应器进出口的反应物料温差太大。 放热反应，反应温度沿轴向而升高； 反应是可逆的，温度升高则平衡转化率降低，应用绝热反应器就不可能得到较高的转化率； 吸热反应时，无论是可逆还是不可逆的，反应温度总是沿轴向而降低，使反应速率越来越慢 。 很多工业反应器要进行温度控制，与环境有热交换。控制反应器在一定的温度下操作（优化和安全操作） 高温换热介质多用燃烧液体或气体燃料产生的烟道气、熔盐和高压蒸汽等；常用的低温换热介质为水和空气。也可以适当安排利用产物的余热来加热原料,如：反应原料也可用作换热介质，既冷却

8、了反应器又预热了原料。 通常是采用列管式反应器以达到此目的,4.6 管式反应器的最佳温度序列,一、单一反应 等温操作：不可逆反应、可逆吸热高温有利； 可逆放热存在一最佳操作温度 。 对反应 A P （一级反应） 令dVr/dT=0，求出最佳操作温度。 变温操作： 不可逆反应、可逆吸热反应先低后高这一原则，也就是说管式反应器的反应温度从进口到出口逐渐升高； 可逆放热反应由高温到低温； 绝热操作：反应温度总是单调地改变 ，反应温度序列系随进入反应器的物料温度而改变。,等温反应：不存在最佳操作温度问题 ； 变温操作：应采取先高后低呈下降型的操作温度序列 ；,对第1与第2个反应而言，高温有利于P的生成

9、； 对第1与第3个反应而言，则低温有利，,二、复合反应,1、平行反应,从生产强度看：向低后高；从收率看：低温有利，但生产强度低。,3、复杂反应：,且E2E1E3,2、串联反应：,1、E1E4。 等温操作时达不到目的： 为了获得更多的P，必须生成更多的Q ，E1E4，低温不利于P生成 变温操作时：在管式反应器中只有保持由低到高的温度序列，才能获得较高的目的产物收率 。 2、E1E2及E3E4 时， 采用高温有利； 3、E1E2及E3E4时，采用由高到低的温度序列。,著名的化学反应工程优化问题,设P为目的产物,测试题,1. 管式反应器是符合活塞流模型的一类理想反应器，活塞流模型的假定包括： A.轴向的混合用费克定律描述 B.径向流速分布均匀 C.径向温度分布均匀 D.速度侧形与层流相同,2. 循环反应器可以通过在活塞流反应器上进行产物循环的办法实现。以下各选择中不能通过调节循环比实现的有： A.循环比为无限大 B.循环比为零 C.等温操作 D.提高反应器进口的转化率,测试题,3. 根据反应器的特征，管式反应器与釜式反应器中进行的化学反应因流动状况的差异而出现不同的反应结果。一般来说有如下的结论： A.完成同样的任务，需要的釜式反应器的体积总是大于管式反应器的体积 B.完成同样的任务，需要的釜式反应器的