第三章理想流动1

1第三章（均相反应过程）2教学要点（32/30学时）1.间歇反应器、平推流反应器、单级全混流反应器计算及设计（18/16学时）2.多级全混流反应器串联的计算（6学时）3.非等温过程（全混流反应器的热稳定性）（4学时）4.复合反应选择率的计算（4学时）3内容介绍第一部分：反应器设计的任务反应器计算的基本方程，各项的意义反应器中流体流动模型的基本特征平推流反应器（PFR）、全混流反应器（CSTR）的主要特点4零级、一级、二级不可逆反应等温下反应，采用间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器体积的计算平推流与全混流反应器的体积比较多级全混流反应器串联时，各级浓度或转化率的计算（解析计算与图解计算）5第二部分：非等温条件下反应器体积的计算操作温度的选择全混流反应器热平衡条件什么是CSTR的热稳定性，热稳定性的判据，热稳定条件的意义全混流反应器反应放热速率与移热速率表达式，CSTR放热速率与移热速率与T的关系图，热稳定点与不稳定点，说明理由。影响CSTR热稳定性的因素，定性说明。6第三部分：单一反应、平行反应、串联反应的特点平行反应、串联反应的选择率、收率、瞬时选择率、平均选择率反应选择性的浓度效应与温度效应一级平行、串联反应在PFR和CSTR的选择率和收率计算反应器类型与操作方式的选择对平行反应选择性的影响7化学反应器的类型很多，由于反应物料的性质、反应条件及生产规模不同，反应器的型式、形状、大小也各异。为了逐步掌握典型反应器的设计方法，我们从简单、理想状况入手，然后推广到比较复杂的情况。8首先讨论等温、均相、理想流动情况下间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器三种理想反应器（典型均相反应装置）的性能特征及计算方法。涉及内容不仅是均相反应过程开发及均相反应器设计计算的理论基础，也是处理更为复杂的多相化学反应工程问题的基本方法和理论基础。93.1概述3.1.1反应器设计的任务反应器设计反应器的选型反应器结构设计及结构参数确定工艺参数确定本章以反应器体积计算为重点对反应器设计的方法和步骤进行详细讨论10反应器的选型工业反应器类型多，不同类型反应器中，能量与物质的传递特性有很大差异。•反应器选型的任务?根据给定反应体系的动力学特性，选择具有适宜传递特性的反应设备。11反应器结构设计及结构参数的确定•任务?按照规定生产任务（给定产量）及选定反应器型式进行设计计算，确定反应设备的总体布置及单个反应器的内容结构。如确定反应器的个数、组合方式、体积、高径比、搅拌方式及强度、换热方式及传热面积、进出口物料分布及集流构件等。12工艺参数的确定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。•反应器特性？反应器内流体的流动状态、混合状态、传热性能等，随反应器几何结构（包括内部构件）和几何尺寸而异。13在给定反应器中进行化学反应时，工艺操作条件的变化直接影响反应的结果。当原料构成、设备结构以及对产品的要求等项因素确定后，就要求正确地选择操作条件，使反应系统处于最佳操作状态并获得最大经济效益。143.1.2反应器设计的模型化方法（反应器计算的基本方程式）•模型化方法进行反应器设计的步骤？对反应器中进行的实际过程进行恰当简化，建立反映该过程特性的物理模型；对物理模型进行数学描述——建立数学模型；对数学模型求解，并通过对数学解的分析讨论选择最佳设计方案。15•反应器设计中，需建立的具体模型？化学反应的进行，不可避免地伴随着质量传递、热量传递和动量传递过程，对化学反应速度有着直接的影响，设计化学反应器时，必须综合考虑。物料衡算方程能量（热量）衡算方程反应动力学方程。16有较大压力降时，还需动量衡算式。反应器的计算是上述方程组的联合求解。•化学反应器物料和热量衡算的特点？必须考虑物质所发生的化学变化，以及发生化学变化时能量转换过程的速率。累积量=输入量-输出量17•各个方程的作用？物料衡算方程→组分浓度变化；热量衡算方程→物料温度变化；动量衡算方程→压力变化；通过反应器设计的基本方程可计算反应器所需的反应体积；对不同类型的反应器，优化反应器的结构与尺寸。18⑴物料衡算方程反应器计算的基本方程式。•建立依据？质量守恒定律。•衡算系统？反应器中T、CA等参数随空间或t而变，-rA也随之改变，选取∆V和∆t衡算，这些微元加和起来，成为整个反应器。19(-rA)∆V∆t⑴⑵⑶⑷间歇反应器：⑴和⑵为0；连续流动反应器：稳态操作⑷为0；不稳态操作包括四项；半间歇式反应器：包括四项物积累量反应、反应物量转化、反应物量离开反应物量进入VtVtVtVt适用于任何型式和操作方式的反应器的物料衡算方程：20这是一通用的物料衡算方程，对连续流动系统、间歇系统均适用。•物料衡算方程意义？给出了CA(xA)随反应器位置或t变化的定量关系。21⑵热量衡算方程不少反应均有显著热效应，随反应进行，T有所变化，而T变化会影响-rA，必须进行热量衡算，求出反应器内各点(t)的T，从而确定该点(t)的-rA。•建立依据？能量守恒定律。•热量衡算通式?22(-rA)∆V∆t(-∆Hr)⑷⑸间歇反应器：⑴和⑵为0；连续流动反应器：稳态操作⑷为0；不稳态操作包括五项；等温定态操作：带入热焓=流出热焓绝热反应器：⑶为0境或载热体热量传递至环、料带走热量物离开料带进热量物进入VtVtVt放出热量反应、累热量积、VtVt⑴⑵⑶23注意：同一热量衡算式各项热量计算应取同一基准温度；•热量衡算方程意义？给出了体系T随反应器位置或t变化的定量关系，及体系与外界热交换的速率。⑶动力学方程动力学方程给出了-rA与体系T及各组分浓度间的定量关系。24小结：物料衡算式、热量衡算式、动力学方程式相互依存，紧密联系。∆V的-rA取决于CA和T；CA由物料衡算式确定，T由热量衡算式确定，T、CA对-rA的影响则由动力学方程式确定。等温过程：只需联立解动力学方程式和物料衡算方程；非等温过程：上述三个方程式联解。253.2理想流动模型流体在反应器中的流动情况影响-rA、选择率，直接影响反应结果，研究反应器流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。物料在反应器中的流动与混合较复杂的，有很多因素影响流体流动状况及混合程度。26影响流体流动及混合的因素搅拌使物料高速运动，良好混合摩擦引起管路横截面流速分布不均匀物料聚集状态溶解性等物理特性设备结构型式内部构件27层流时的速度分布？流速不同→物料粒子停留时间不一→反应程度差异→横截面浓度分布→增加建立数学模型的难度→反应器设计计算困难。圆形导管横截面上呈抛物线型速率分布，截面上流体平均速度为中心线上最大速度uc的一半。28•返混？停留时间不同的流体颗粒之间的混合。•返混作用？导致反应器效率降低，影响产品产量、质量。区别几个时间概念：反应时间、停留时间、停留时间分布、平均停留时间、空时29•反应时间？反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度（如某个转化率）时所需的时间。•停留时间？反应物从进入反应器的时刻算起至离开反应器的时刻为止在反应器内共停留的时间。30•间歇反应器和平推流反应器：二者一致。Why•其它连续操作反应器（具有“返混”的反应器）：同时进入反应器的物料粒子在反应器中的停留时间有长有短，出口物料是不同停留时间的混合物，形成停留时间分布，常用平均停留时间表述。31•平均停留时间？反应工程中常用到的表示时间概念的术语还有空时τ。•空时？量反应器中物料的体积流反应器有效容积vVtR（3-1）进料物料的体积流率反应器有效容积0vVR（3-2）32•关于空时τ、停留时间分布和平均停留时间等概念在以后章节中再详细论述。•因此，物料在反应器中的流动状况是比较复杂的因素，特别在反应器的工程放大过程中，其影响将表现得更加突出。•在着手反应器设计计算前，必须先对物料在反应器中的流动状况进行分析。33为了简化问题，根据对工业中最常用的釜式与管式两种反应器中流体流动状况的分析、研究，就流体的返混情况而言，提出了两种极端化的理想流动模型：全混流模型平推流模型在这两种理想流动模型的基础上，经适当修正，可得到多种非理想流动模型。理想流动模型343.2.1平推流模型（活塞流、理想排挤流或理想置换流模型）平推流是反应器中流体流动状况的一种极端化模型。•平推流？•假定？通过反应器的物料均沿同一方向以相同速度平行向前流动，好像用一个活塞在汽缸中推动气体向一个方向移动一样。35平推流的特点？•流动方向上，物料T、C不断变化；•沿半径方向（垂直于流体流动方向）的任何截面上，物料的所有参数，如T、C、P、流速都相同；•所有物料质点在反应器中的停留时间完全相同；•反应器中没有返混，即返混为零。36平推流属于理想流动模型的一种，符合平推流特点的反应器称为平推流反应器。实际生产中，长度与直径之比较大，管内流体处于湍流流动，即管径较小，流速较高的管式反应器，可近似视为平推流反应器。373.2.2全混流模型（理想混合流、完全混合流、连续搅拌槽式反应器模型）•全混流？•全混流的特点？•物料在反应器达到完全混合，刚进入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料瞬间均匀混合；•反应器中各处物料参数，如T、C等完全相同，且等于出口物料性质；•物料质点停留时间差别很大，出口物料中有停留时间很长的质点，也有停留时间很短的质点；•返混达到最大限度，即返混程度为无穷大。38全混流是流体在反应器中流动的另一种极端情况。全混流也是一种理想流动模型，符合全混流特点的反应器称为全混流反应器（或全混釜、理想混合反应器）。如具有良好搅拌的连续操作釜式反应器接近于全混流反应器。39小结：•平推流与全混流是两种理想流型平推流：理想置换，没有返混；全混流：理想混合，返混最大。•理想流动是对流体实际流动状况的理想化，是一种简化问题的方法。实际反应器中的流动状况是介于平推流和全混流之间的非理想流动，存在不同程度的返混。•工程计算上，常把接近两种基本理想流动状况的过程当作理想流动状况来处理。403.3间歇反应器（分批式操作的完全混合反应器）•间歇反应器？一般是带有良好搅拌装置的釜式反应器，物料在均匀混合状态下以间歇操作的方式进行化学反应。•间歇（分批式）操作？反应物料按一定比例一次投入反应器，反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，经过一定反应时间，达到要求的转化率后，将物料全部排出反应器，完成一个生产周期。常见间歇反应器：图3-144•3.3.1间歇反应器的特点•3.3.2间歇反应器的基础设计式（性能方程）•3.3.3恒容下几种简单反应在间歇反应器中进行时性能方程的积分式•3.3.4间歇反应器体积的计算•3.3.5实例453.3.1间歇反应器的特点•反应进行过程中反应器无进、出物料；•物料在反应器中达到充分混合，即在反应进行的任一t，反应器中各处T、组成等参数相同；•非定常态操作，反应过程中T、C等随t而改变；•操作时间包括反应时间和辅助时间（非生产性操作时间：加料、升温或冷却、卸料、清洗时间）。46•间歇反应器的适用范围？广泛用于液相反应、l-s反应和半连续操作的l-g反应。•间歇反应器的缺点？具有间歇操作共有的缺点：•耗费劳动量大，控制性较差，影响产品质量的稳定均一；•非生产性操作时间长，有效生产时间缩短，生产能力降低；•产物损失较大，控制费用较高。47在大规模生产中的应用受到限制。•间歇反应器的优点：操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种；适用于经济价值高、批量小、多品种、反应时间较长产品的生产，如精细化工产品、药物和生物化工产品。返回483.3.2间歇反应器的基础设计式（性能方程）•某厂用间歇搅拌釜反应器生产醇酸树脂，反应物己二酸与己二醇按等摩尔投料，H2SO4作催化剂，70℃进行缩聚反应。实验测得动力学方程式为-rA=kCA2，k=3.283×10-5m3/kmol·s，己二酸初