第八章 典型反应器.ppt

1、第八章 典型反应器,反应器设计的基本内容 选择合适的反应器型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性 确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率 计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化,8-1 化学反应器的类型,可分为均相反反应器与非均相反应器。 均相反应特性是，无相界面，反应速率只与浓度或温度有关。 非均相反应特征是，有相界面，反应速率与相界面大小及相间扩散速率有关。,8-1.1 按物料的相态分类,8-1.2 按反应器的结构形式分类,按反应器的结构型式不同，可分为: 反应釜（包括多釜串联）， 管式反应器， 鼓泡塔

2、， 固定床， 流化床， 回转筒式反应器， 喷嘴式反应器等 。,单级反应釜,多釜串联,管式反应器,鼓泡塔,固定床,流化床,回转筒式反应器,喷嘴式反应器,按操作方不同，可分为间歇式，连续式，半连续式 间歇式反应器物料一次投入，反应达到要求的转化率之后，物料一次放出。 连续反应器进料，反应和出料都连续进行。 半连续反应器是间歇与连续操作的组合。,8-1.3 理想流动和理想反应器,理想反应器： 理想混合(又称完全混合)反应器（CSTR)； 平推流(又称活塞流或挤出流)反应器(PFR),完全混合反应器,反应流体完全混合，混合瞬间完成。 完全相同的温度和浓度。 返混无限大。,平推流反应器,反应物料以相同的

3、流速和一致的方向进行移动，返混为零。 所有的物料在反应器内具有相同的停留时间。 垂直同一截面上，各质点的状态一样（流速、温度、浓度相等），径向混合均匀。 而不同截面之间的物料的状态不同。,具有良好搅拌装置的釜式反应器均可近似地按理想混合反应器处理； 管径较小，管子较长和流速较大的管式反应器均可近似地按平推流来处理。,8-2 间歇釜式反应器,8-2.1 间歇釜式反应器的结构与操作特点,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； 2 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； 3 物料同时加入并同时

4、停止反应，所有物料具有相同的反应时间。,优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产、精细化工产品的生产 缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定,8-2.2 反应器容积的计算,(1) 根据化学反应的动力学特性选择合适的反应器型式； (2)结合动力学和反应器两方面特性确定操作方式和优化的操作设计； (3) 根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行某些经济评价。,1.反应时间的计算,间歇反应器的设计基础式，等温变温等容变容均适用,恒容：,一级反应：,二级反应：,复杂的化学反应：实验的方法，数值积分法求曲线下的面积 ，得反应时间。,t,t,0,xA

5、,面积=t/nA,0,0,xA,面积=t/cA,0,0,cA,0,面积=t,cA,2.反应器有效体积VR的计算,间歇釜式反应器每批操作需时间 (tt) 反应器的有效体积 VR=v (tt) t辅助生产时间，包括加料、排料、清洗反应器和物料的升温、冷却。 v 平均每小时反应物料的体积处理量。,3.反应器实际体积VT的计算,j装料系数（0.40.85）； 不起泡、不沸腾物料： j 0.70.85； 起泡、沸腾物料： j 0.40.6。, 8-3 间歇反应釜中的搅拌,化工生产，为保证流体的均匀混合，必须进行有效的搅拌。, 8-4 管式反应器,8-4.1 管式反应器的特点 L/D较大（大于30），流体

6、的粘度较小，流速又较大 按平推流反应器处理,平推流反应器的特点：,(1)在反应器轴向不同位置上，物料浓度、反应速率、转化率等均不相等； (2)在轴向的每一个截面上，物料浓度、反应速率、转化率等均相等，且不随时间而变化； （3）在径向不存在浓度差。,8-4.2 反应器容积的计算,物料衡算,对整个反应器积分，其边界条件为：,定态操作时，qn,A,0为常数,恒容时，,t0称为空间时间，是反应器有效容积与进口处的体积流量之比。,l,cA,cA,0,l-cA,l,xA,l-cA,rA,l-rA,xA=1,l,0,xA,面积=t/cA,0,0,cA,0,面积=t,cA,恒容过程，平推流反应器与间歇釜式反应

7、器的设计方程完全一致 理想管式反应器，t指空间时间； 间歇反应器，t指反应时间。,理想管式反应器中浓度和转化率随空间（管长）而变； 间歇反应器中这两个变量则随时间而变。,一、全混流反应器的特点,1. 物料连续以恒定的流速流入、流出反应器，稳态操作。 2. 反应器内各空间位置温度均一，浓度均一。 3. 反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。, 8-5 全混流反应器,二、全混流反应器的设计方程,qn,A,0qn,A= rAVR qVcA,0- qVcA= qV（cA,0- cA） = rAVR,全混流反应器的设计基础式,t0空间时间,指反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比,物料出口 时情况

8、,1/r,面积=t/cA,0,0 x,xA,f,xA,1/r,A,面积t,0,cA,cA,cA,0,全混流反应器基本方程式的图解表示,三、恒容时一级反应和二级反应,一级反应： 或 二级反应： rA=kcA2=kcA,02(1-xA)2,四、全混流反应器与间歇釜式反应器、平推流反应器的比较,8-6 返混及其对化学反应的影响,一、间歇釜式反应器与全混流反应器时间的比较,二、全混流反应器与平推流反应器的比较,三、返混,先后进入反应器，经历了不同反应时间的物料间的混合称为返混。 返混与搅拌混合的区别： 搅拌混合：不同空间位置的物料之间的相互混合；停留时间相同。 返混：针对连续过程，指不同停留时间的物料

9、之间的混合。,间歇反应器不存在返混，平推流反应器的返混为零，全混流反应器的返混极大，实际反应器中一般都有一定程度的返混，返混程度介于两者之间。,一、多釜串联反应器的计算方程式,8-7 多釜串联反应器,多釜串联反应器的设计方程,等温定容反应过程，反应器的各釜容积相等。,二、图解计算法,(xA,irA,i),MN曲线： 动力学方程rA=f(xA),图解法的应用,根据要求的最终转化率xA,N，可求得反应器釜数N； 根据给定的釜数N，求最终转化率xA,N ； 试差法确定反应器的总有效容积VR或体积流量qV。 斜率 求停留时间t； 求每个釜的容积VR或体积流量qV。,表8-4 不同类型反应器的容积比,为

10、完成一定的生产任务达到一定的转化率所需反应器的有效容积，以平推流反应器为最小，全混流反应器为最大，多釜串联反应器居中。对于多釜串联反应器，釜数越多所需容积越小。,多釜串联的返混程度介于平推流反应器和全混流反应器二者之间，所以可以用多釜串联反应器作为一种流动模型来描述全混流和平推流两种极端流动状况之间的流动情况。,自催化反应： 全混流反应器和平推流反应器组合使用 如，工业上的氨基甲酸铵分解为尿素和水的反应。反应中水是分解反应的催化剂。,三、反应器组合使用,自催化反应的反应速率： 受反应物浓度的影响；受反应产物浓度的影响,组合反应器的作用,全混流反应器：使自催化反应始终处在最大反应速率。 串联一个管式反应器：实现最少的反应时间或最小的反应器容积。,8-8 反应器类型的比较和选择,技术可行 反应的化学动力学特征； 反应器性能,工艺上尽量低的生产费用：,生产设备和操作费用低 ； 达到同样产量的合格产品，原料消耗尽量少 反应器的选择和比较应综合考虑各方面，包括从技术、经济、安全等,选用反应器一般考虑：,反应的活化能大小； 反应的速率的快慢； 反应是否容易爆炸； 主、副反应级数；,反应物是气体或液体； 反应产