反应1-3

《化学反应工程》通关任务项目说明书级别：作者：专业班级：指导教师：年月日目录1组合反应器.................................................11.1平推流反应器的串联、并联或并串联......................11.2具有相同或不同体积的N个全混釜的串联..................11.3不同形式反应器的串联..................................22全混流反应器的热稳定性.....................................32.1放热速率..............................................32.2移热速率..............................................32.3真稳定和假稳定操作点..................................42.4改变进口温度的影响....................................52.5改变进料流量的影响....................................62.6定态热稳定性的判据....................................73搅拌釜中的传热与传质.......................................73.1搅拌目的..............................................73.2搅拌液体的流动模型....................................73.3常用搅拌器的型式、结构和特点..........................84组合反应器的计算...........................................911组合反应器1.1平推流反应器的串联、并联或并串联N个平推流反应器的串联操作，设X1，X2，……，XN为A离开反应器1,2，……N时的转化率。对反应组分A作第一个反应器的物料衡算，有：110001xAAAVdxFcr同理，对第i个反应器，可求得：100iixixAAAiVdxFcr因之对串联着的N个反应器而言，1210000+NiNiAAAAAVVVVVFFFFF……1211012=+NNxxxxxAAANdxdxdxrrr……若每个反应器内温度相同，（-rA）相等，则有：0NxAAVdxFr所以N个平推流反应器相串联，其总体积为V，则其最终转化率与一个具有体积为V的单个平推流反应器所能获得的转化率相同。平推流反应器的并联或并、串联组合操作，也能够根据上述原理简化为单一反应器的情况。如为并联，则VF或应对每个并行线上是相同的。1.2具有相同或不同体积的N个全混釜的串联N个全混流釜式反应器（全混釜）串联操作，在工业生产上是常遇见的。由于其中各釜均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间没有返混，这样，对任意第i釜作组分A的物料衡算，可有：2进入量=排出量+反应量+积累量011AiAivcF001-AiAAivcFx-rAiiV0因系统为定态流动，且对恒容系统，v0不变，0iVv，故有：010-AiAiAiivcvcrV1-AiAiAiiccr1iAAiiiAiccVvr（1-1）式（1-1）既可用于各釜体积与温度均相同的反应系统，也可用于计算各釜体积与温度各不相同的操作情况，此时，在计算到某一釜时，相应地采用该釜的V的该温度条件下的反应速率即可，如对一级反应AP:01011111AAAAiAAccccVvrkc01111AAcck同理：012221122111AAAccckkk023331122331111AAAccckkkk如各釜容积和温度相等，则有01AANNcck1.3不同形式反应器的串联若将不同类型的反应器串联操作，在全混流釜后连接两个平推流反应器，然后再接另一个全混流釜，可对四个反应器分别写出如下关系式。10101AAAAxxVFr321202AAxAxAAVdxFr32303AAxAxAAVdxFr43404AAAAxxVFr2全混流反应器的热稳定性2.1放热速率在全混流釜式反应器内，反应物的浓度cA和温度T是一定值，因此，釜内的反应速率（-rA）也不变。若以1mol的A计算的反应热-△Hr，则在单位时间内反应的放热速率Qg值亦一定。即：00grArtAAQHrVHFyx(2-1)如对一级反应，已知xA和平均反应停留时间的关系为：1Akxk反应速率常数随温度的变化规律符合阿伦尼乌斯关系式：0ERTkke代入式（2-1）得：0000-ERTrtAgERTHFyVkeQvVke（2-2）2.2移热速率和反应的放热速率曲线相反，单位时间自系统散失的热量或热交换的速率与温度呈线性关系，在绝热情况下，它仅为进料的热焓变化，表示为：0rtpmiQFcTT非绝热操作则需要考虑热交换量：4000+rtpmimtpmtpmimQFcTTUATTTFcUAFcTUAT（2-3）2.3真稳定和假稳定操作点图2-1放热反应的Qg和Qr线在图2-1上，反应的放热曲线和散热曲线相交于1、2、3三个点，表明可能存在三个定常状态。但是，其中只有1、3两点能经受温度的微小波动，故称为真稳定操作点，而2点处于不稳定状态，称为假稳定操作点，这是因为在2点处，只要温度稍有波动，就将导致反应系统移到另一稳定状态。如温度比2点略高一些，此时grQQ，系统将被加热上去，一直升高到上稳定点3为止，温度超过3点，由于rgQQ，故能使系统温度稳定在3点。而若温度比2点略低一点，由于rgQQ，系统将被冷却下来，温度降下降至稳定点1为止，温度低于1点时，此时grQQ，故能使温度稳定在1点。52.4改变进口温度的影响图2-2改变进口温度得到不同的操作状态如果其他参变量保持恒定而逐渐改变进料温度Ti（或冷却介质温度Tm），则gQ线保持不变，而rQ线将发生平移，如图2-2所示。最左边的A线，表示进料温度较低，当进料温度逐渐提高而是rQ线移到D时，它与gQ线相交于6、7两点，此时，只要再略超过D线一点，反应器内温度就将迅速骤增至点7，这时只有一个定常态。根据这一特点，若反应要求的温度是点7处的温度，我们可以使反应器的开车操作沿D线迅速达到反应所要求的温度，故在D线时的进料温度一般称为着火温度或者起然温度，相应地称点6为着火点或者起燃点。相反，在反应器停车操作时，可逐渐降低Ti，rQ线将沿D、C、B、A平行位移。和上述的D线情况相似，在降温过程的B线，，也存在从点5骤降到点4的现象，一般称B线的温度为熄火温度，点5为熄火点。在点5和点6，反应器内出现一种非连续性的温度突变，不可能获得定态操作点。62.5改变进料流量的影响为了研究进料流量变化对反应器内操作状态的影响，可对式（2-2）及式（2-3）作如下修改：00000-/=ERTrptAggERTtpmHcFyVkeQQFcvVke（2-4）0000=+1rrtpmimtpmimtpmtpmQQFcTTUATTFcUAUATTTFcFc(2-5)图2-3改变进料流量对反应器操作状态的影响如果其他参变量固定不变，仅改变进料流量v，亦即改变Ft0，从式（2-4），亦可得到不同的S形曲线，如图2-3所示，今以符号A、B、C、D、E分别代表进料量逐渐增加时的gQ线和相应的rQ线，用1、2、3、4各数字表明两线可能有的交点，亦即可能存在的定态操作点。当进料流量逐渐增加时，可依次得到点9、78、7、6，当流量超过D线的v值时，则定态温度立即下降到2点，它表明进料流量太大，以致反应放出的热量不足以使反应系统维持在所需的反应温度下操作，也就是说反应被“吹熄”了。同样，当流量自高降至低时，依次得到1、2、3、4、8、9各定态点，而在点4出现着火现象。另外，增大换热面积、增大总传热系数，可提高反应器的热稳定性；增大进料浓度，将降低反应器的热稳定性。2.6定态热稳定性的判据定态稳定操作点应具备如下两个条件：rggrQQdQdQdTdT3搅拌釜中的传热与传质3.1搅拌目的使物料混和均匀,强化传热和传质。包括均相液体混合；液-液分散；气-液分散；固-液分散；结晶；固体溶解；强化传热等。3.2搅拌液体的流动模型液体在设备范围内作循环流动的途径称作液体的“流动模型”，简称“流型”。83.3常用搅拌器的型式、结构和特点在化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置，典型的机械搅拌装置包括：(1)搅拌器：包括旋转的轴和装在轴上的叶轮；(2)辅助部件和附件：包括密封装置、减速箱、搅拌电机、支架、挡板和导流筒等。搅拌器是实现搅拌操作的主要部件，其主要的组成部分是叶轮，它随旋转轴运动将机械能施加给液体，并促使液体运动。○1桨式搅拌器由桨叶、键、轴环、竖轴所组成。桨叶一般用扁钢或不锈钢或有色金属制造。桨式搅拌器的转速较低，一般为20～80r／min。桨式搅拌器直径取反应釜内径Di/3～2/3，桨叶不宜过长，当反应釜直径很大时采用两个或多个桨叶。桨式搅拌器适用于流动性大、粘度小的液体物料，也适用于纤维状和结晶状的溶解液，物料层很深时可在轴上装置数排桨叶。○2涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器分为圆盘涡轮搅拌器和开启涡轮搅拌器；按照叶轮又可分为平直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min。涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌产生很强的径向流。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。○3推进式搅拌器推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应釜内设有导流筒。推进式搅拌器直径约取反应釜内径Di的1/4～1/3，300～600r／min，搅拌器的材料常用铸铁和铸钢。○4框式和锚式搅拌器框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其结构比较坚固，搅动物料量大。如果这类搅拌器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常称为锚式搅拌器。9框式搅拌器直径较大，一般取反应器内径的2/3～9/10，50～70r／min。框式搅拌器与釜壁间隙较小，有利于传热过程的进行，快速旋转时，搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来；慢速旋转时，有刮板的搅拌器能产生良好的热传导。这类搅拌器常用于传热、晶析操作和高粘度液体、高浓度淤浆和沉降性淤浆的搅拌。○5螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物刮下来。螺带的高度通常取罐底至液面的高度。螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低，通常不超过50r/min，产生以上下循环流为主的流动，主要用于高粘度液体的搅拌。4组合反应器的计算1.考虑如下图所示的反应器组的并、串联，求总进料流中进入支线A的分率为多少？解：如上图所示，对于支线A，其反应器体积为404080AVL对于支线B,两个串联的反应器组的总体积为202040BVL为了使两个支线上转化率相同，则应有ABVVFF即：80240AABBFVFV，故总进料流中进入支线A的分率应该为2/3。102．某一反应，在间歇釜中进行试验测定，得到下列数据：时间/h01234567转化率，Ax00.270.500.680.820.900.950.97试预测：（1）三个全混流反应釜串联，每釜停留时间为1.5h，（2