第三章均相反应器.

LanzhouPetro-chemicalVocationCollegeofTechnology化学反应工程化学工程及工艺教研室魏刚第三章均相反应器石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3均相理想反应器反应器开发的任务选择合适的反应器型式根据动力学特性确定操作方式和优化操作条件结合动力学和反应器特性设计计算、确定反应器尺寸、评价。根据产量理想反应器的型式间歇操作充分搅拌釜式反应器连续操作充分搅拌釜式反应器活塞流反应器反应器组合石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang•3.1反应器设计基础•3.2等温条件下理想反应器的设计分析•3.3非等温条件下理想反应器的设计•3.4理想流动反应器的组合•3.5循环反应器•3.6反应器型式和操作方式评选石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3.1反应器设计基础3.1.1反应器的分类反应器分类依据反应器型式相态结构型式操作方式换热方式均相、非均相管式、釜式、塔式等连续式、间歇式绝热式、换热式等石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3.1.2反应器设计的基础方程反应器设计计算设计计算反应器的工艺尺寸校核计算反应器的压力降、传热面积、产品质量等是否合格反应器设计的基础方程式物料衡算式热量衡算式动量衡算式动力学方程式石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang（1）物料衡算式反应器设计计算时，必须建立物料浓度、温度均匀的单元体积△V和单元时间△τ。Δτ进入Δv物料A的量Finmol/s+Δτ排出Δv物料A的量Foutmol/sΔτ内Δv中物料A的消耗量Frmol/s=+Δτ内Δv中物料A的累积量Fbmol/s（3.1-1）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang（2）热量衡算式Δτ内随物流流入Δv的热量QinkJ/s+Δτ内随物流流出Δv的热量QoutkJ/sΔτ内Δv与环境交换的热量QuKJ/s=+Δτ内Δv中累积的热量QbKJ/sΔτ内Δv中化学反应放出的热量QrkJ/s+（3.1-2）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3.1.3几个时间概念（1）反应持续时间tr简称为反应时间，是反应物料反应达到要求的转化率所需的时间。（2）停留时间t又称接触时间，是指流体微元从反应器入口到反应器出口所经历的时间。（3）平均停留时间是指各流体微元从反应器入口到反应器出口所经历的平均时间。t（4）空间时间τ是指反应器有效容积VR与流体体积流率V0之比。（5）空间速度SV是指单位时间内投入单位有效反应器容积VR内的物料标准体积。RNVVVS0（3.1-3）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3.2等温条件下理想反应器的设计分析3.2.1间歇操作的充分搅拌釜式反应器BatchReactor等温条件下反应器的设计计算就是动力学方程式、物料衡算式的结合搅拌器进料口出料口夹套图3-1间歇反应器示意图1、间歇反应器特点（1）由于良好的搅拌、混合，反应器各位置物料温度、浓度处处均一。（2）由于一次性加料，一次性出料，反应过程中无进料、出料；反应器内物料停留时间相等，无返混现象。（3）间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期包括：反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang2、间歇反应器设计方程由式（3.1-1）可知：broutinFFFF（3.2-1）对于间歇反应过程，dtdnVrARA')(00（3.2-2）由于，)1(0AAAxnn（3.2-3）所以，AAAdxndn0（3.2-4）故：dtdxnVrAARA0')(（3.2-5）分离变量积分得：AxRAAAtrVrdxndtt0'00)(（3.2-6）根据间歇反应器的特点，选择反应器的有效体积VR为单元体积，单元时间为dt。石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang式（3.2-6）的几何意义如下图：0Arct面积)(1ArAx0rt面积)(1Ar0Ac0Ac图3-3恒容情况BR的图解计算0Arnt面积')(1RAVrAx0图3-2BR的图解计算石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3.2.2理想置换反应器（平推流反应器）thePlugFlowReactor理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，犹如活塞一样在反应其中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器。1、理想置换反应器的特性（1）由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间相同。（2）在同一截面上，不同径向位置的流体特性（组成、浓度等）是一致的。（3）在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang2、等温理想置换反应器的设计方程0000VxFcAAAVxFcAAAAAxFAAAAdxxdFFdVdlL图3-5平推流反应器物料衡算示意图根据平推流反应器的特点，选择单元时间dτ及单元体积dV（下图所示）。物料衡算：broutinFFFF（3.2-7）定常态下：0bF累积量（3.2-8）由于，)1(0AAAxFF（3.2-10）所以，AAAdxFdF0（3.2-11）所以：0)()(RAAAAdVrdFFF（3.2-9）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang故：RAAAdVrdxF)(0（3.2-12）分离变量积分得：ARxAAVARARrdxFVFdV0000)(（3.2-13）对于恒容过程：AxAAARrdxcVV000)(τ（3.2-14）式（3.2-14）的几何意义如图3-6：面积)(1Ar0Ac0Afc面积)(0AArcAx0图3-6PFR的图解计算Afx常用的数值积分法对（3.2-14）进行积分运算，如辛普森法：])(2)(4[34253100nxxIIIIIIIxIdxf（3.2-15）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang2019/12/19化学反应工程—均相理想反应器3.2.3全混流反应器theContinuousStirredTankReactor全混流反应器是指流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。1、全混流反应器的特性（1）物料在反应器内充分返混。（2）反应器内各处物料参数均一。（4）连续、稳定流动，是一个定常态过程。（3）反应器的出口组成与器内物料组成相同。搅拌器进料口出料口图3-7全混流反应器示意图0000VxFcAAAVxrcAfAAf)(VxFcAfAfAf石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang2、全混流反应器的设计方程物料衡算：broutinFFFF（3.2-16）定常态下：0bF累积量（3.2-17）所以：0)(0RAAfAVrFF（3.2-18）根据全混流反应器的特点，选择单元时间为平均停留时间单元体积为整个反应器体积VR。t即，（3.2-19）)(0AAfARrFFV或，（3.2-20）)(0AAfARrxFV（3.2-21）)()(00AAfARrccVV对于恒容过程：或，（3.2-22）)()(000AAfAAAfARrccrxcVV石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang式（3.2-22）的几何意义如图3-8：面积)(1Ar0Ac0Afc图3-8CSTR的图解计算石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3.3非等温条件下理想反应器的设计非等温条件下反应器的设计计算就是动力学方程式、物料衡算式、热量恒算式的结合3.3.1间歇反应器的热量衡算建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：bouturinQQQQQ（3.3-1）已知：dtdTcVQTTKAQHrVQQQpRbwurARroutin)())((00所以，热量衡算式为：dtdTcVTTKAHrVpRwrAR)())((（3.3-2）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang结合动力学方程式：)()()()(AAAAxkfrr（3.3-3）物料衡算是为：0)(ARAAnVrdtdx（3.3-4）2、绝热条件时Qu=0：dTcVHdxnpRrAA)(0（3.3-7）积分得绝热操作线方程：pRrAAcVHnxT)(0（3.3-8）（3.3-9）0)())((TTKAHrVwrAR（3.3-5）1、等温条件时：0dtdT（3.3-6）所以0)()(0TTKAHdtdxnwrAA式（3.3-6）用差分法联立动力学方程式解。石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3.3.2平推流反应器的热量衡算建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：bouturinQQQQQ（3.3-10）已知：0)()())(())(()(bwTwuTrARrArpoutpinQdlTTdKTTKAQdlAHrdVHrQdTTGcQTGcQ所以，热量衡算式为：0)())((dlTTdKdlAHrdTGcwTTrAp（3.3-11）整理得：)]())([(1TTdKAHrGcdldTwTTrAp（3.3-12）物料衡算式为：)(0AATArFAdldx（3.3-13）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang动力学方程式：)()()()(AAAAxkfrr（3.3-14）1、等温条件时：0dldT2、绝热条件时Qu=0：式（3.3-16）用差分法联立动力学方程式解。（3.3-15）（3.3-16）所以0)()(0TTKAHdldxFwTrAA0)]())([(TTdKAHrwTTrA（3.3-17）pTrAGcAHrdldT))((积分得绝热操作线方程：pTrAGcAHrlT))((（3.3-19）（3.3-18）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：bouturinQQQQQ（3.3-20）已知：0)())((221bwuRrArpoutpinQTTKAQVHrQTGcQTGcQ3.3.3全混流反应器的热量衡算所以，热量衡算式为：（3.3-21）0))(()()(221RrAwpVHrTTKATTGc物料衡算式为：（3.3-22）)(.0ARAfArVxF动力学方程式：)()()()(AAAAxkfrr（3.3-23）石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang1、等温条件时：2、绝热条件时Qu=0：（3.3-24）（3.3-25）即0)()()(0221rAfAwpHxFTTKATTGc0))(()()(221RrAwpVHrTTKATTGc（3.3-28）积分得绝热操作线方程：prAAGcHFxT)(0（3.3-27）（3.3-26）0)()(021rAfApHxFTTGc石油化学工程系化学工程与工艺教研室weigang3.4理想流动反应器组合3.4.1理想流动反应器的并联组合在工业生产中，为了满足不同的要求，有时将相同或不同型式的反应器组合在一起。1、平推流反应器的并联操作若干个体积相同或不同的平推流反应器并联在一起，如何使最终转化率达到最高或使反应器体积最小？如有两个并联PFR，VR=VR1+VR2（3.4-1）ixAAAiRiArdxcVV000)(式中（3.4-2）因为是并联操作，故V0=V01+V02（3.4-3）2000210001)()(