《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》

3.均相理想反应器化学工程系反应器内流体的流动与混合状态返混：不同停留时间的流体微团之间的混合称之为返混。停留时间：空时和空速：化学工程系返混无穷大：理想混合，是指反应流体在反应器内的混合瞬间完成，混合所需的时间可以忽略。反应器内各点的物料具有相同的温度和浓度且等于反应器出口物料的温度和浓度。返混为零：反应物料在反应器内以同一流速和沿同一方向流动，所有的物料质点在反应器内的停留时间都相同，不存在返混。化学工程系全混流反应器平推流反应器理想反应器根据流动模型，理想反应器分为：化学工程系3.1间歇操作的完全混合反应器特点釜式反应器结构：加热方式搅拌器形式温度测量化学工程系一、间歇反应器特点1.反应物料一次加入，产物一次取出。需要一定非生产性时间；2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化，产品质量不易稳定；3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。化学工程系化学工程系化学工程系夹套式蒸汽加热反应釜内外盘管式加热不锈钢反应釜化学工程系化学工程系装配式热电偶化学工程系铠装热电偶WRNK化学工程系仿进口杆式传感器化学工程系仿进口可调节压簧螺钉式热电偶化学工程系二、间歇反应器计算1.反应时间的计算根据物料衡算的积累速度反应器中的反应量单位时间的流出量单位时间的流入量单位时间AAAARAVrAdndtRAVrAdndt即：00化学工程系对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器的大小由处理量决定。AxRAAAVrdxnt0000AfAxAAxAdxtCr积分得(1)：恒容时：※间歇反应器的设计方程※（1）化学工程系间歇釜反应器图解CACAfCA0AfACCAArdCt0Ar1化学工程系Ar1xAxA0xAfAfAxxAAArdxCt00/化学工程系2.反应器有效体积VR的计算一个操作周期时间：(t＋t0)物料处理量为v0(m3/h)∴反应器的有效体积VR=v0(t＋t0)式中：t0－辅助生产时间，包括加料、排料、洗反应器和物料的升温、冷却。v0－平均每小时反应物料的体积处理量。化学工程系3.反应器实际体积V的计算反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实际体积(不包括换热器搅拌器的体积)。RVVФ是装料系数，一般为0.4～0.85，不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85，起泡、沸腾物料取0.4～0.6。化学工程系理想间歇反应器中简单反应的结果反应级数反应速率式转化率式零级rA=kkt=cA0xA一级rA=kcA二级rA=kcA21ln11ktAAktxex或＝－00011AAAAAAcktxcktxxckt或＝+化学工程系例3-1拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反应：ClCH2CH2OH＋NaHCO3→OHCH2CH2OH＋NaCl＋CO2乙二醇产量为20kg／h。使用15％的NaHCO3水溶液及30％(均为质量)的氯乙醇水溶液作原料，摩尔比为1∶1，混合液密度为1.02kg/L。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2L／(mol·h)。要求氯乙醇转化率达到95％。(1)若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。(2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。化学工程系3.2平推流反应器（丙烷分解）CACA0CAout管长Z/2ZCACA00Z/2CAoutZ时间图3.4-1平推流反应器图示一、平推流反应器的特征1.通过反应器的物料质点，轴向上以同一流速流动，在流动方向上没有返混。2.径向上物料浓度、温度相同。3.所有质点在反应器中的停留时间都相同。化学工程系二、平推流反应器时间的计算流入量＝流出量＋反应量＋累积量AFAAdFFdARrV0ddAARFrVAA0AddFFxA2A1RAA00AdxxVxcvr化学工程系平推流反应器图解计算若在平推流反应器中进行摩尔数增加的气相反应，则平均停留时间是否与空时相等？Ar1xAxA0xAf00/AfAxAAxAdxCr化学工程系例2应用管径为12.6cm的管式反应器进行一级不可逆气体热解反应：A→R+S，速率方程为rA=kCA;k=7.80×109exp[-19220/RT];原料为纯气体A，反应压力为5atm，反应温度为500℃，等温恒压反应。若要转化率为0.9，原料气处理量为1.55kmol/h。试计算所需反应器管长。化学工程系3.3理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器一、特点1.反应器内各空间位置温度、浓度均一。2.返混无穷大3.反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。CA0FA0v0T0CAFAvTm，outToutGTm，inGVRT=ToutCi=Ci，out化学工程系全混流反应器浓度-时间图tCACA0t0t化学工程系二、全混流反应器的设计方程FA0FArAVR0的积累速度反应器中的反应量单位时间的流出量单位时间的流入量单位时间AAAAAAARrvFFvV000AAArCC0AAArxC0※全混流反应器设计方程※恒容时FA0－FA=rAVR化学工程系A0AAC-Cτ=r全混流反应器图解计算CACA0Ar1C化学工程系CACA0AfA0CACAdCt=-r间歇釜和全混流反应器比较Ar1CA0AAC-Cτ=r化学工程系例3有液相反应，在120℃时正、逆反应速率常数分别为k1=8L/（mol·min)，k2=1.7L/（mol·min)。若反应在全混流反应器中进行，有效反应体积为100L，两股流量相等，一股含A3.0mol/L，另一股含B2.0mol/L，求B转化率为0.8时，每股料液的进料流量。12kkA+BP+R化学工程系3.4组合反应器•平推流反应器组合•全混釜反应器串联•不同形式反应器的组合化学工程系1.平推流反应器的串、并联操作特点：若忽略物料在管线中的停留，则•并联反应器，每个支线应保证空时相等；•串联反应器，与总体积为V的单个反应器反应结果相同。化学工程系2.多釜串联组合的全混流反应器化学工程系多级全混流反应器串联的特点CAfCA0Ar1CA1CA2CA3CA0CA1CA2CA3CA4（横向切割限制返混）化学工程系•解析计算（逐釜计算法）：化学工程系iAiAiAiAiAiAAiRirCCrxxCVV)()()(,1,1,,00,当n=1时AiiAiAiiCkCC1iiAiAikCC111当各釜容积相同且在相同的温度下操作时NiAANkCC)1(10单釜空时，V=NVi=Nv0i稳态定容)11(...11,,1,2,01,0,miimAmAAAAAAmAkCCCCCCCC化学工程系)(111AiAiiAiAiAiAiiCCrrCCb.根据动力学方程做rA~CA关系曲线rACACA1CA2CA3CA0•图解法化学工程系例应用串联全混流釜式反应器进行一级不可逆反应，假设各釜的容积和操作温度相同，已知在该温度下的速率常数为0.92h-1,原料的进料速率v0=10m3/h，要求最终转化率为0.90。试计算当串联釜数N分别为1、2、3、4、5、10、50、100时反应器总体积。如果用间歇反应器操作，计算不考虑辅助时间条件下所需间歇釜体积。化学工程系釜数N123451050100体积V/m397.84737.633.831.828.125.625.3间歇釜：t=2.503hV=25.03m3化学工程系例在恒密度下进行一级不可逆连串反应，A→R→S，k1=2.5×10-3s-1,k2=8.33×10-4s-1，A起始浓度CA0，原料体积流量为2.36×10-2m3/s,为获得R最高生产速率，下列哪个反应器较好？1.单个全混流反应器，反应体积为2.83m3；2.两等容全混流反应器串联，每个体积为1.415m3；3.将2中两个反应器并联，进料流量相等；4.单个有效容积为2.83m3的平推流反应器。化学工程系1.单个全混流反应器：CR=0.21CA02.两个等容全混流串联：CR=0.23CA03.两个等容全混流并联：CR=0.21CA04.平推流反应器：CR=0.25CA0答案：化学工程系反应速率方程为物料衡算式为：A+BR（CB0CA0，2级反应）3.5半连续操作的釜式反应器VCR=vCA0t-VCAAB化学工程系半连续操作的釜式反应器CA/CA0CR/CA0C/CA0化学工程系3.6反应器非等温过程分析•基本概念和原理•非等温反应器设计•全混流反应器的热稳定性分析化学工程系一、基本概念和原理反应热ΔHr，J/mol。吸热为正，放热为负。21Tr2r1pTHHcdT∆cp-生成物与反应物之差。平衡常数K（范-霍夫方程）r2HdlnKdTRT化学工程系温度对不可逆反应的影响允许最高温度最优操作温度r1r2r3r4反应速率随温度的升高而增大；最优操作温度取决于系统可允许的最高操作温度。化学工程系温度对可逆反应的影响允许最高温度最优操作温度r1r2r3r4反应速率随温度的升高而增大；最优操作温度取决于系统可允许的最高操作温度。化学工程系最优温度分布允许最高操作温度反应速率存在一最大值，其对应温度为最佳温度；如何求解最优温度？化学工程系二、间歇反应器热量衡算U-总括传热系,w/(m2K)；A-传热面积,m2；cp-反应流体的比热，J/(kg·K)；ρ-密度,kg/m3;Tm-换热介质温度，K；p()()()RAARmdcTVHrVUATTdtΔHrA-反应热，J/molA。化学工程系对于恒容过程，rA=CA0dxA/dtp()AmRdxdTUATTdtdtcVr0p()AAHCcp()()()RAARmdcTVHrVUATTdt对于间歇操作，温度与转化率的大小有关。化学工程系间歇反应器恒温操作计算0dtdT()()AARmHrVUATT反应放出(或吸收)的热量必须等于体系与换热介质交换的热量。p()AmRdxdTUATTdtdtcV反应器绝热操作计算0000p(()c))(AAAAAATTxHCxxx化学工程系三、平推流反应器热量衡算设管径为D，流体在微元段中恒压热容为CP(J/mol·K)：流体流入微元段带入的热量流体流出微元段带出的热量流体在微元段反应放出的热量从微元段传给换热介质的热量tptFcTtptFc(T+dT)0ARrATrdV(-ΔH)mU(T-T)(πD)dldl带入的热量+反应放出的热量=带出的热量＋传给换热介质的热量化学工程系T00T0A()()dd()d()/dArAmtptmArAtptArSHDUTTTlFcDUTTTFHFcxrS0T0dd()()dtptAArAmFcTFxHDUTTl对于绝热操作，πDU（T-Tm)=0：A2A1x00T0x()dArAAtptFTTHxFc化学工程系对于非绝热操作1.设计方程：2.热量衡算式：A2A1RAA00AdxxVxcvr0T00A0T0Add()()d()ddd()tptAArAmAmtptAArAFcTFxHDUTTlFDUTTxFcTFxHSr3.试差求解以上两式化学工程系四、全混流反应器的热量衡算与热稳定性换热器的选择与计算考察反应器操作的热稳定性实现稳定的定常态操作化学工程系(1)全混流反应器的热量衡算方程v0CpT0vCpTrAVR（-△Hr）UA(T-Tm)00()()()ARAPmrVHvCTTUATT恒容反应化学工程系g()ARAQrVH00m000m()()()()rPPPQvcTTUATTTvcUAvcTUAT放热速率，与反应温度呈非线性关