第2章理想反应器.

第2章理想反应器Chapter2IdealReactors反应器的操作间歇操作：不存在流动问题，物料浓度随时间变化。连续操作：稳态流动非稳态流动存在流动问题稳态流动：物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和温度等不随时间而变。2.1概述理想流动模型非理想流动模型理想反应器非理想反应器根据返混程度的不同返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子之间的混合1.理想流动模型（1）平推流（Plugflow）基本假设：在流动方向上，轴向不存在混合和无扩散效应，在径向达到完全混合。即径向流速均一、温度均一、浓度均一。（2）全混流（Mixedflow/Perfectmixing）基本假设：反应器有效容积中任意点处的组成、温度、浓度等状态完全相同；出口物料的各种状态与反应器中相应的状态相同。2.理想反应器的分析与设计原理“三传”：质量传递、热量传递、动量传递物料衡算方程热量衡算方程（热量平衡）动量衡算方程（动量平衡）物料衡算所针对的具体体系称体积元。体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。在这个体积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大。在这个体积元中对关键组分A进行物料衡算。衡算范围的选择2.2间歇搅拌釜式反应器（BR）反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。间歇反应器的特点：①反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；②所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同；④为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积Vr作为衡算体系。在单位时间内，对组分A作物料衡算：的积累量物料中单位时间内的量消失的物料内反应单位时间的量的物料单位时间排出的量的物料单位时间进入AAAArrrrVVVV1AAsmoldd00tnVrr2.2.1等温间歇反应器及体积的计算整理得当进口转化率为0时，分离变量并积分得为间歇反应器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间t。1AAA0dmolsdrxrVntA0AAA00ddxrtVrxntt在恒容条件下，上式可简化为：间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间t，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。A0AA1xccAA0AAA0AAA0ddccxrcrxct00()rVqtt反应体积t为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键t0为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。经验给定操作时间反应器的体积rTVVfm对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85装填系数，0.4-0.85。一般由实验确定，也可根据反应物料的性质不同而选择。:fδ：设计系数，一般取1~1.15。m：反应器个数。2.3连续搅拌釜式反应器（CSTR）2.3.1等温单级CSTR•连续搅拌槽式反应器，简称CSTR。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。•全混流反应器，简称MFR。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；③反应器的出口组成与器内物料组成相同；④连续、稳定流动，是一定态过程。•全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积Vr为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。设计计算输入的量=输出的量+反应消耗掉的量+累积量rfAAfA0VrFFrfAA0A0)1(VrXFFAf•整理得到：•恒容条件下又可以简化为：rfAAfA0VrXFfAAfA0rrXFVrAfA00AfVxcqrfAAfA0rcc进料的体积流量反应体积0rVqAAArXc0定义空时代表反应器处理物料的能力变小，处理能力变大对于均相反应：空时空速1（体积空速）空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速越大，反应器的原料处理能力越大。2.3.2等温多级CSTR串联正常动力学ABDEF2AXAX1AX1Ar0HK0022()AArAAqcXVrX单釜001002112()()()AAAAArAAAAqcXqcXXVrXrX两釜串联1.图解分析反常动力学1ArAX1AX2AXLGMNP00022()MAArAAqcXVrX001002112()()()MAAAAArAAAAqcXqcXXVrXrX正常动力学，转化速率随XA增加而降低。多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。Ar对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。(但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）反常动力学，转化速率随XA增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。Ar小结1.流程0q0iC1iC2iC1ipC1iNCiNCipC1rV12rV2rpVprNVN串联釜式反应器2.3.3等温多级CSTR串联的计算Ac对Ar1作图Ar1AcAAcr~10Ac1ANcANc2.多釜串联反应器的总容积1）解析法以一级不可逆反应为例，对于恒容系统，任意第i个反应器有：AiAiAiircc1AiiAiAickcc1即：iiAiAikcc111假设反应是等温反应，kki，有：012111...1ANAncckkkANx1令各釜的空时i相等，则：NiANkx11111111NANixkN个反应器的总容积:RRiVNV0iNq2）图解法当反应级数1n可用图解法计算。ArAcAiAiAiircc10Ac11211Ac2Ac2.3.4串联釜式反应器体积优化对于第i个反应器，有：AiAiAircc0AiAiAiArxxc10反应流体在N个串联全混流反应器的总的空时：Nii1ANANANAAiAiAiArxxcrxxc1010......2120110AAAAAAArxxcrxc满足为最小的条件:0Aix10210AiAAiAiAiAiAiAiAAircrxrxxrcx得：111111AiAiAiAiAiAirxxxrr——满足总容积最小的条件0对于一级不可逆反应：AiAikcrAiAixr1AiAAiAAiAixkcxkcxx1111101012011AiAxkc可得：11111AiAiAiAiAiAixxxxxx两边同时乘以00AAkcc，可得：1ii对于非一级反应，需求解非线性代数方程组得各釜出口转化率，然后再计算反应体积，或用图解法确定各釜出口转化率。结论：总反应体积最小的条件：反应物流流动方向，各釜的体积依次增大，即小釜在前，大釜在后。α1时:各釜反应体积依次减小。0α1时:α=1时:各釜体积相等。α=0时:串联釜式反应器的总反应体积与单一釜式反应器的反应体积相等，串联操作无必要。单釜操作优于串联操作。α0时:2.3.5等温多级CSTR并联并联的釜式反应器XAf与Q01,Q02,XAf1,XAf2有关多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，应当遵循的条件是每一个全混流反应器的空时必须相等。即：12n2.3.6非等温CSTRrAA00AA(,)VXcqrTX设计方程：热量衡算：（找出T与XA的关系）000()()()ptrTArhcqcTTHrVUATT0000[()()]()ptrTAAhcqcTTHcXUATTAr0A0ArVqcXptTrAAcHXcTT0)(00对绝热反应，有AXTT0ptrAcHc)(0：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。1.连续釜式反应器的热量衡算式定态操作热量衡算式为：Hq)()()(000TTUAVrHTTcQchrATrptqH)(])()([0000TTUAXcHTTcQchAATrptptTrAAcHXcTT0)(00对绝热反应，有AXTT0ptrAcHc)(0：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。2.4连续搅拌釜式反应器的定态操作2.连续釜式反应器的定态热稳定性定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。)1](/exp[0AArXRTEAXQV)/exp(1)/exp(RTEARTEAXA000()()exp(/)(1)()pTrrTAoAhcQcTTVHAERTcXUATT0000()exp(/)()()1exp(/)rArTpthcVcHAERTQcTTUATTAERT物料衡算式：热量衡算式：gQTrQgQET4TDTBT3TAT432ABCDE126357489TGQrQ0T增大TaTbTcTdTe2.连续釜式反应器的定态热稳定性2.5管式反应器（PFR）000AAFqc进入量=排出量+反应量+累积量0)(rAAAAdVrFdFFdzAfXrdV0AFAFAAdFFArArdVdF)1(0AAAXFFArAArdVdXF000AAArdXqcrdV单一反应ASingleReaction2.5.1等温管式反应器（PFR）00AAArdXqcrdV000AfXArAAdXVqcr00AfXrAAoAVdXcqrAfXAAArdXct00间歇BRXPFRtA等容，等等容过程的表达式？？？00AAcrAcoAVdcqr00roVAZZquAu0000AAAAAArdXdXqcrucrdVdZ0roVAZquA恒容：0AAdcurdZ根据空时的定义对恒容均相反应，空时等于物料在反应器内的平均停留时间对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均停留时间？问题？2.5.2PFR的串联和并联PFR的串联操作在相同空时下，两个PFR串联和单一的PFR性能是相同的。（为什么？）PFR的并联操作多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，应当遵循的条件是每一个全混流反应器的空时必须相等。即：12n2.5.3循环操作的平推流反应器（循环反应器）0RQ0Q00ACQMN循环反应器的基本假设：①反应器内为理想活塞流流动；②管线内不发生化学反应；③整个体系处于定常态操作。对M点作A的物料衡算000000,111AAAfAAinQcRQcxRQcx可得：,1AfAinRxxR循环操作的平推流反应器的设计方程：,0'AfAinxAARAxVdxrF001RAVQRc即：10001AfAfxRARxRAAAVdxRQccr0101AfAfxRARxARAVdxRcQr0001111AfAfAfAfxxAARxRxRAARRAAdxdxVRFRQcrrR时：0111AfAfAAfRxRxcrRAfAfArxc0AfAfrx111AfAfxr0R时,平推流反应器——全混流反应器当0R∞时，反应