6.1.1 工业化学反应过程及反应器

化学反应工程6.1工业化学反应过程及反应器教学目的：了解化学反应工程要解决的主要问题了解化学反应器的主要类型、结构掌握化学反应器的操作方式和特点掌握化学反应速率、转化率、选择性和收率的概念和应用重点难点：化学反应器的主要类型、结构和操作特点化学反应速率、转化率、选择性和收率的概念和应用参考文献：梁斌等编，化学反应工程，科学出版社。朱炳辰主编，化学反应工程，化学工业出版社。郭锴等编，化学反应工程，化学工业出版社。张濂等编，化学反应工程原理，华东理工大学出版社。化学反应工程是一门研究在生产装置(反应器)中进行化学反应的工程学科，它把反应的化学特性和反应器的传递特性结合起来，形成了化学工程学科的一个重要分支。一、化学反应工程概述研究内容包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。图1典型的化学加工过程化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心-工业反应过程。工业生产实践和实验室研究均表明，化学反应的结果不仅取决于化学反应自身的规律，而且在很大程度上还取决于工业反应器中物料的混合与流动、传质与传热等一系列带有共性的工程技术问题，这被称为反应器的传递特性。1、反应动力学--研究化学反应的速率和反应机理，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等。2、反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。宏观动力学方程：未排除传递过程影响直接测得的动力学方程。本征动力学方程：排除传递过程的影响而得到的动力学方程。在化学反应工程的研究中，要求能把反应过程本身的规律和物理因素的影响区分开来。在设计反应器时，测定化学反应的本征动力学方程是必要的条件。注意：在实验室中测定反应速率方程式时，要十分注意排除传递过程（主要是传热和传质）的影响。种类特点应用范围管式反应器长度远大于管径,内部没有任何构件多用于均相反应过程釜式反应器高度与直径比约为2-3内设搅拌装置均相、多相反应过程均可塔式(填料塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积用于多相反应过程固定床底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物用于多相反应系统流化床反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能多相反应体系，可以提高传热速率移动床固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触用于多相体系，催化剂可以连续再生滴流床是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种属于固定床的一种，用于使用固体催化剂的气液反应过程二、化学反应器的类型（a）管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）喷雾塔；（g）固定床反应器；（h）流化床反应器；（i）移动床反应器；（j）滴流床反应器三、化学反应的分类反应器的操作方式：间歇操作：一次性投料，卸料。反应物系参数（浓度或组成等）随时间变化。连续操作：原料不断加入，产物不断引出，反应器内物系参数均不随时间变化。半连续（或半间歇）：兼有以上两种过程的特点，情况比较复杂。四、化学反应速率概念化学反应速率：单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量。其表示方法因反应在间歇或连续系统中进行而不同。1.间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。若搅拌系统效果良好，则反应物系的组成，温度，压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随反应的进行，其值随时间而变，故独立变量为时间。在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位反应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量。即：)]/([dd13smmoltnVrii化学反应速率2.连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置的函数。连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物或产物的摩尔流量的变化。即：)]/([dd3R,smmolVqrini对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积；理想反应器及其设计计算理想流动和理想反应器在连续操作的反应器中，流体流动的两种极端情况：理想排挤：当物料在反应器内流动通过时，沿着物料的流动方向（轴向），由于发生了化学反应，物料的浓度，流速,转化率等都随着轴向距离的延伸不断地发生变化，但在不同截面上并没有任何物料的混合；而在与流动方向垂直的截面上（径向），各质点的流速完全相同、温度均匀、浓度均匀、流速相等，即径向混合均匀。也叫做平推流或活塞流。理想混合：在一连续操作的反应器中，由于有良好的搅拌，致使进入反应器的物料立即与反应器内的物料充分混合，反应器内各点处处均匀，而且出口物料的浓度与器内的浓度也完全一样。间歇釜式反应器一、理想间歇操作釜式反应器（BSTR）的特点：理想的间歇操作釜式反应器中的反应结果，唯一地由化学反应本征动力学所确定。由于釜式反应器是间歇操作，釜内的物料的组成和反应进程均随时间而变。如果没有严格的操作规程可能使不同批次的反应产物的质量不一。由于剧烈的搅拌，均相反应物可达到分子尺度上的均匀。因而排除了物质传递过程对化学反应的影响。当反应器具有足够快的传热速率时，可使反应器内的温度均匀一致，因而也排除温度对化学反应的影响。二、反应器容积的计算反应物体积反应物体积时间消耗量反应物左边AVrA)(dtdxndtxnddtdnAAAAA00)1(右边dtdxnVrAAA0)(对间歇操作的釜式反应器进行物料衡算：对于着眼组分A：单位时间内由于反应而消耗的A物料量=—单位时间内A物料的积累量AxAAAVrdxnt00)(输入的物料量=输出的物料量+反应掉的物料量+物料的积累量AAxAAAxAAArdxcrdxVnt0000)()(AAAAAAdxcdcxcc00),1(又对于定容过程：AAccAArdct0)(0tcAcA00txAxA=10t(-rA)0cA01/(-rA)cA面积=t0xA1/(-rA)面积=t/cA0间歇反应器基本方程式反应级数反应速率式反应物浓度式转化率式零级一级二级krA)(AAkcr)(2)(AAkcrAAcckt0AAcckt0ln011AAccktAAxckt0Axkt11ln)1(0AAAxcxkt理想间歇操作釜式反应器中简单级数的反应的表达式)'(ttVR间歇操作，除反应所需的时间t，还有加料、出料和清洗等操作步骤所需的辅助时间t‘每小时处理的物料体积为v，反应器的有效容积为VR：装料系数为：它是反映器有效容积占总容积的比值，通常根据经验选定。对不发生泡沫不沸腾的液体，采用0.7~0.85，反之，只可采用0.4~0.6。RTVV理想管式反应器0,Anq0Ac一、理想管式反应器（PFR）的特点:00Ax理想的管式反应器也称作平推流反应器(plugflowreactor,PFR)：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；在轴向的每一个截面上，物料浓度、反应速率、转化率均相等，且不随时间而变化；在径向不存在浓度差。二、反应器容积的计算VqAdx0,Anq0Ac00AxAxfAc,Afnq,AfxVqAAdxxAnAndqq,,AxAnq,l在等温定态条件下，对反应物A进行物料衡算:单位时间内A的输入量=单位时间内A的输出量+单位时间内反应掉A的量RAAnAnAndVrdqqq)(,,,RAAAnAAnAAnAnRAAndVrdxqdxqxqddqdVrdq)()1()(0,0,0,,,AfARRARxxVVxV,;0,0当AfAfRxAAAnRxAAVAnRrdxqVrdxqdV00,000,)()(对整个反应器，其边界条件为：若反应过程中流体体积流量不发生变化AfAAfccAAxAAAVRAVAnrdcrdxcqVcqq0)()(000000,空间时间：反应器的有效容积与进口处的体积流量之比。平推流反应器基本方程式0cAcA00xAxA=10(-rA)0cA01/(-rA)cA面积==VR/qV，00xA1/(-rA)面积=/cA0=VR/qn，A0lll反应级数反应速率式反应物浓度式转化率式零级一级二级理想管式反应器中简单级数的反应的表达式理想管式反应器的反应结果与理想间歇反应器的反应结果完全相同，只是在理想管式反应器中，是空间时间，而间歇反应器中，t为反应时间。为什么在两种结构和操作情况都不相同的反应器中，它们的表达式却是一致的呢？在理想管式反应器中浓度和转化率随空间时间（管长）而变，在间歇反应器中浓度和转化率随时间而变。他们的变迁史是相同的，反应的推动力也是一致的。krA)(AAkcr)(2)(AAkcrAAcck0AAcck0ln011AAcckAAxck0Axk11ln)1(0AAAxcxk全混流反应器0,,00,0AAnAVxqcqAAxc00进料出料全混流（理想混合）反应器（ContinuousStirredTankReactior，CSTR）的特点：（1）物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。（2）由于充分的搅拌，反应釜内物料的浓度、温度处处相等并且等于反应器出口物料的浓度和温度。AAfAfnAAfVxxqccq,,,0在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算：设反应过程中，物料体积不变进入量=引出量+反应量+累积量)()(:)()()(0)(00000AAAVRAAAVRRAAAVRAAAVRAAVAVrxcqVorrccqVVrxcqVrccqVrcqcq整理得qn,A0=qn,A0(1-xA)+(-rA)VRqV0cA0=qV0cA0(1-xA)+(-rA)VRVRqV0==cA0xA-rA=cA0-cA-rA全混流反应器基本方程式0cA01/(-rA)cA面积==VR/qV00xA1/(-rA)面积=/cA0=VR/qn，A0物料出口时情况间歇釜式反应器和平推流反应器的计算方程式都是微分形式；而全混流反应器的计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应器内，反应物的温度、浓度、转化率均不随时间而变(定态过程)也不随空间位置而变(整个反应器内是均匀的)。与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成同样的反应任务(即流量相等，反应物的转化率相等)全混流反应器所需的空间时间远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应的时间。反应级数反应速率式反应物浓度式转化率式零级一级二级krA)(AAkcr)(2)(AAkcrAAcck0AAAccck020AAAccckAAxck0AAxxk120)1(AAAxcxk全混流反应器中简单级数的反应的表达式同样是连续流动，为什么全混流反应器与平推流反应器的结果会不一样呢?某液相反应A+BR+S，其反应动力学表达式为(-rA)=k1CACB—k2CRCS，式中k1=7m3.kmol-1.min-1，k2=3m3.kmol-1.min-1。今要完成一生产任务，采用有效体积为0.12m3的全混流反应器，物料A、B两股物流等体积加入，进料浓度为CA0=2.8kmol.m-3，CB0=1.6kmol.m-3，要求B的转化率达到75%，试求反应物A、B的进料流量。qvA、cA0qvB、cB0（qvA=qvB=0.004m3min-1）(-rA)=k1CACB—k2CRCS=0.04（kmol.m-3.min-1）CA=1.4-0.8*0.75=0.8（kmol.m-3）CB=0.8-0.8*0.75=0.2（kmol.m-3）CR=0.8*