化学工程讲义3

1、主讲：张颖 Email: ,化学反应工程 基础,2,一、基本原理 1、反应器设计的基本内容： 选择合适的反应器形式；确定最佳的工艺条件；计算所需反应器体积。 2、反应器设计的基本方程：,1）、物料衡算方程 2）、热量衡算方程 3）、反应动力学方程,理想均相反应器的计算,3、基本方法： 在反应器体积范围内取一体积元，对该体积元做物料衡算或/和热量衡算，并结合反应的动力学方程进行相关计算。对所取体积元要求其中各处浓度、温度均匀一致。,3,4,六. 理想反应器的评比,评价反应器的指标有两个，一是生产强度，二是收率。反应器的生产强度是单位体积反应器所具有的生产能力。在相同条件下，反应器所需反应体积越小

2、，则表明其生产能力越大。在影响实际生产过程费用的诸因素中，除了反应器的投资外，更重要的是产品的收率。,对简单反应，不存在产品分布问题，只需从生产能力上优化。复杂反应则存在产品分布，且产品分布随反应过程条件的不同而变化，涉及这类反应时，应该考虑目的产物的产率和选择性。,5,间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器 在构造上和物料流况上都不相同，但它们却具有相同的反应时间或（有效）体积计算式。间歇搅拌釜式反应器内浓度随时间改变，活塞流反应器内的浓度则随空间位置（管长）而改变，两者反应推动力呈现出相同的分布。,（1）反应器体积或生产能力的比较,间歇操作反应器除了反应时间之外，还要有辅助时间。连续的活塞流反应

3、器比间歇的搅拌釜式反应器的生产能力要大，完成一定任务所需实际反应体积要小。,1单个理想反应器的评比,6,连续反应器的比较 全混流反应器的物料之间瞬间达到了完全混合，并等于出口浓度；而活塞流反应器中由入口到出口逐渐减少，在出口达到最小，于是活塞流反应器内的反应速率总是高于全混流反应器。因而，在相同生产条件和任务时，全混流反应器所需容积要大于活塞流反应器的容积。,：,7,设一反应体系，cA,0、cA,f分别为反应物A在反应器进、出口的浓度， cA*为反应物A的平衡浓度。 推动力为 cA- cA* dcA，,整个反应器中反应推动力即为任一位置处推动力的积分，即,下图是各种连续反应器浓度的变化曲线。,

4、（2）连续理想反应器的推动力比较,8,根据积分的物理意义，各自的浓度推动力即为阴影部分的面积。从图可以看出，在相同的生产任务下，活塞流反应器的浓度推动力大于全混流反应器的推动力，而多釜串联反应器的推动力介于二者之间。,为更好比较，在相同反应条件和完成同样任务的全混流反应器与活塞流反应器的有效容积之比为容积效率，记作:,9,一级反应,(-rA)=kcA=kcA,0(1-xA)代入上式并化简,得,n级反应(n1),(-rA)=kcAn,代入上式并化简,得,零级反应,(-rA)=k,即反应速率与浓度无关,有,图4-30显示了容积效率与转化率、反应级数之间的关系。,10,高x、高级 数连续釜 式反应器

5、 生产能力 非恒容也有影响。,连续釜式,理想管式,例：2级反应， x0.99 Vc100VP,xA,0.9,0.99,11,2.全混流反应器串联,小矩形面积总和比单个全混流反应器的大矩形面积小得多，釜数越多，容积效率越大，其总容积越接近活塞流反应器；当N时，容积比等于1，其性能与活塞流反应器完全一样。实际生产中，一般常用的釜数不超过4个。,在相同反应条件、反应转化率及物料处理量的情况下，所需反应时间以活塞流最小，全混流最大，多釜串联居中。如果要求反应时间及反应转化率相同，活塞流反应器生产能力最大，多釜次之，全混流最小。,12,七. 理想反应器的选择,1.简单反应 选择原则：总反应体积最小,曲线

6、上升，活塞流最佳,曲线下降，全混流最佳,出现极大值？,13,2. 复合反应 选择原则：提高目的产物选择性,（1）平行反应,瞬时选择性,14,最小,15,（2）串联反应,一级不可逆反应,（目的产物）,选择性,以物料浓度随时间变化作图,需要严格控制反应时间，应选用间歇操作的反应釜或活塞流反应器。 工业上在较低单程转化率下操作，把未反应的原料经分离回收后再循环使用。,16,八、非等温反应过程,热量衡算方程,对于间歇操作系统：、项为零。 对于定态连续流动反应器：项为零。 对半连续操作和非定态操作的连续流动反应器：五项均不为零。,对于非等温反应器 需要结合动力学方程、物料衡算和热量衡算求解。,放热反应：

7、,17,1、间歇釜式反应器,间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应小时，近似等温可以办到，如果热效应大时，很难做到。 以放热反应为例，在整个釜范围、dt时间内作衡算： 反应放热 = 体系向外传递热量 + 热量积累,(-Hr)反应的摩尔焓， J mol-1；K 传热系数，Wm-2K-1；A传热面积， m2；tm换热介质的温度 K；T反应体系的温度， K； mi反应物料中个组分的质量，kg；cpi i组分的比定压热容，Jkg-1K-1 。,与 联立求解，可得出非等温操作时的转化率、反应温度和反应时间的关系。,18,tm T向系统供热; tm T向外界移热。无论是吸热还是放热，开工时都需要先加热

8、。如果dT=0，则,温度T 的控制很重要，如果控制不住，反应热不能及时移走，会导致反应物系温度急剧上升，严重的会产生爆炸。如苯的硝化反应就是一例。,19,反应过程若在绝热条件下操作，则：,将 代入得,积分得,P200例题公式写错了,20,2、活塞流反应器,以qn,i表示各组分摩尔流量，cp,i表示各组分的比定压热容，取微元管段dl做热量衡算： 物料带入热量： 物料带出热量： 因反应放出热量： 与环境交换热量： 则： 即： 或,S管截面积，d 管径，qn,i各组分摩尔流量，Mi各组分摩尔质量,21,将上述两式整理得,以上两式表示变温操作过程，活塞流反应器内温度T随管长l或转化率xA的变化关系。

9、如反应器为绝热操作，则,积分得：,若可用T及T0算术平均值来计算比热容，上式积分结果为：,22,对于恒容过程，反应过程总摩尔流率不变，,如果xA,0=0； xA=1则,的物理意义为：在绝热条件下，反应物A全部转化后反应混合物温度变化的数值。给出了绝热反应器中化学反应所能引起物料温度变化的极值。,若xA0=0，反应过程中转化率与反应温度成线性关系：,23,间歇釜式反应器,活塞流反应器,注意： 尽管形式上基本一样，但实质上有很大区别：活塞流反应器-不同位置上的TXA关系；间歇釜式反应器-不同时间下的TXA关系。,24,绝热反应器的不足之处在于：反应器的进出口温差太大。,(1)如果为可逆放热反应，T

10、，平衡转化率 (2)产物分布的控制也不容易做到. (3)对于可逆吸热反应，T速率变慢 .,很多工业反应器要进行温度控制。使反应器在一定的温度下操作（优化和安全操作）。,例如：高温-烟道气、熔盐、高压蒸气等；低温-水、空气等。也可以适当安排利用产物的余热来加热原料。,换热介质的选定：根据所控制的温度范围确定，原则应保持温差不宜过大，以免传热速率太快，操作不稳定。,25,1、检查线路连接 2、打开加热开关前检查热电偶的位置 3、在温度稳定前密切观察系统温度及压力 4、对温度控制器使用带过温保护装置,实验室反应器温度控制装置及安全操作,26,爆炸案例,2012年2月28日上午9时4分左右，位于河北省

11、石家庄市赵县工业园区生物产业园内的河北克尔化工有限责任公司(以下简称河北克尔公司)生产硝酸胍的一车间发生重大爆炸事故，造成25人死亡、4人失踪、46人受伤。,经初步调查分析，事故直接原因是：河北克尔公司一车间的1号反应釜底部放料阀(用导热油伴热)处导热油泄漏着火，造成釜内反应产物硝酸胍和未反应完的硝酸铵局部受热，急剧分解发生爆炸，继而引发存放在周边的硝酸胍和硝酸铵爆炸。深层原因： 一是装置本质安全水平低、工厂布局不合理。装置自动化程度低，反应温度缺乏有效、快捷的控制手段；加料、出料、冷却等作业均需人工操作，现场操作人员多。一车间与二车间厂房均采用框架砖混结构，同向相距约25米布置，且中间建有硫

12、酸储罐。一车间爆炸后波及到二车间，造成厂房损毁和重大人员伤亡。 二是企业安全管理不严格，变更管理处于失控状态。河北克尔公司在没有进行安全风险评估的情况下，擅自改变生产原料、改造导热油系统，将导热油最高控制温度从210提高到255。 三是车间管理人员、操作人员专业素质低。,27,Texas City Refinery explosion,On the 23rd, March 2005, a hydrocarbon vapour cloud explosion occurred at the ISOM isomerization process unit at BPs Texas City ref

13、inery in Texas City, Texas, killing 15 workers and injuring more than 170 others. The Texas City Refinery was the third-largest in the United States. /wiki/Texas_City_Refinery_explosion,28,连续釜式反应器（CSTR）内物料的温度和浓度均一。若达到定态操作，T, C不再随时间变化，即此时CSTR内的T和C不随位置变化，也不随时间变化，为定值。 对放热反应，在单位时间内

14、对整个反应器做物料A的热量衡算： 物料带入热 + 反应热 = 物料带出热 + 传入环境热,3、全混流反应器,得,qm进料质量流量，kg/s； 进出口 物料在温度T与T0之间的平均比热容，Jkg-1K-1,29,例题：在全混流反应器中进行一级液相不可逆反应：AR，且 -rA=0.8cA kmolm-3 h-1, cA,0=3.5 kmol m-3,处理量为140 kg h-1,进料温度为20，反应过程要求维持在163 下操作，反应摩尔焓（-Hr) = 87085 kJ kmol-1, A与R的比热容均为2.36 kJ (kg K)-1, =850 kg m-3。求转化率达95%时，所需反应器体积

15、及传热量各为多大？,解,反应系统需移出的热量,30,全混流反应器的热稳定性,运转中的反应器在反应条件有微小波动时是否能自动恢复正常状态，表明其是否具有热稳定性。,反应放热速率Qge = 移热速率Qre,物料带出热 + 介质带出热,Qre是反应温度T的线性函数,31,对于一级不可逆恒容放热反应，有,Qge-T是一条S形曲线，如图。,T0,32,体系要保持定常态操作的必要条件之一为,Qre= Qge,两线交点a、b、c满足等式，因此是系统的操作状态点，该体系属于多定态。三个点的特征并不相同。 对于a点，温升,移热速率大于反应放热速率，外来干扰消失后，系统自动恢复原状。,a点具有热稳定性。C点同理。

16、,对于b点，温升,移热速率小于反应放热速率，外来干扰消失后，温度升至Ta。,若温降,外来干扰消失后，温度降至Tc 。,33,定常态操作不仅要满足 Qre= Qge，还应有,以上两式是全混流反应器热稳定操作的两个必要条件。,课本p204例题： 对强放热反应，为确保反应器稳定操作，可以通过采用过量溶剂蒸发带热的方法，可以有效降低换热面积。 对于其它放热反应，还可以考虑增大传热面积，强化传热系数，降低冷却介质的温度以及液相产品打回流等方法。,a点不仅具有热稳定性，而且反应温度和转化率都足够高，是实际生产期望的操作点。而c点温度偏低，转化率也低，无实际生产意义。,34,新型换热装置热管,封闭的管壳中充

17、以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。 典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.310-110-4 Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细或重力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。,35,着火点、熄火点,点4为着火点，温降可以恢复原状，温升导致反应器内温度自动升至点8，T0T04,反应在高于点8的

18、温度进行。,点6为熄火点，温升可以恢复原状，温降导致反应器内温度自动降至点2，T0T02,反应在低于点2的温度进行。,36,九、成本核算 从经济最优化角度权衡有关工艺参数,方法：根据有关条件列出成本核算平衡式，再结合反应器的基本关系式或物料衡算式进行求解。,￥h-1,1、对于连续操作反应器，以单位时间为基准，根据有关条件列出如下经济核算式。,37,举例,已知进料流量qn,A,0，欲使利润（E）最大，确定最佳反应器有效体积VR、转化率xA、及产品R的产量qn,R。则,已知反应器有效体积VR，欲使利润（E）最大，确定最佳进料流量qn,A,0 、转化率xA、及产品R的产量qn,R。则,已知产品R的产量qn,R，欲使总费用（M）最小，确定最佳反应器有效体积VR 、进料流量qn,A,0及转化率xA。则,38,2、若为间歇操作反应器，在一周期中每小时的利润率可用下式表示：,￥h-