釜式反应器--化工-PPT

2020/4/281第三章釜式反应器2020/4/282反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产任务所需的反应器体积和主要寸。对于反应器的分析计算需要建立适当的数学模型，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇釜式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论和分析，考察反应器性能与各种因素的关系，反应器性能的优化设计问题等。具体内容包括：2020/4/283研究内容3.1等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）3.2等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）3.3全混流反应器的设计3.4全混流反应器的串联与并联3.5釜式反应器中复合反应的收率与选择性3.6变温间歇釜式反应器的计算3.7全混流反应器的定态操作与分析2020/4/284重点掌握等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。连续釜式反应器的计算。空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。连续釜式反应器的串联和并联。釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。2020/4/285深入理解◆变温间歇釜式反应器的计算。广泛了解串联釜式反应器最佳体积的求取方法。连续釜式反应器的多定态分析与计算。产生多定态点的原因，着火点与熄火点的概念2020/4/2863.1概述※反应的特点及其对反应器的要求化学反应复杂反应物料的相态多样性：如固相反应就难于在搅拌反应器中进行连续操作；非均相反应要求传质效果要好。许多反应过程的热效应大工艺条件变化范围宽反应介质的腐蚀性2020/4/2873.1概述※反应器开发的三个任务根据反应动力学特性，选择合适的反应器形式结合动力学和反应器特性，确定操作方式和优化操作条件根据产量，设计反应装置，确定反应器的几何尺寸，并进行评价。2020/4/288※反应器的特性：是指器内反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性能等，它们又将随反应器的几何结构和几何尺寸而异。※均相反应的特点：反应过程中不存在相间传递过程，影响反应速率物理因素只有物料的混合和流动状态两个方面。2020/4/2893.1概述※均相反应器按物料的混合状态分类反应器完全混合型反应器间歇反应器BR全混流反应器CSTR活塞流反应器PFR2020/4/2810完全混合反应器的定义是指器内反应流体处于完全混合状态，在反应器内的混合是瞬间完成的，以致在整个反应器内各处物料的浓度和温度完全相同。且等于反应器出口处物料浓度和温度，返混达最大限度。2020/4/2811平推流反应器的定义;指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，完全不存在不同停留时间的物料的混合。不存在返混。2020/4/28123.2反应器操作中的几个术语1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实际发生反应的时刻起，到反应达某个转化率时所需的时间。(主要用于间歇反应器)P572.停留时间：是指反应物料从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止，所用的时间。(主要用于连续流动反应器)。--P127132020/4/28４.空间时间----P66３.平均停留时间---P1340VRV，量纲：时间流体微元平均经历的时间称为平均停留时间。是反应器的有效体积VR与进料的体积流量V0之比。物理意义是处理一个反应器体积的物料所需要的时间。反映反应器的生产强度。2020/4/28143.3等温条件下，分批式操作的完全混合反应器（BR）理想反应器的设计分析3.3.1概述★分批式（又称间歇）操作：是指反应物料一次投入反应器内，而在反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，待反应达到要求的转化率后再全部放出反应产物。★充分（完全）混合：指反应器内的物料在搅拌的作用下，其参数（如温度，浓度等）各处均一。2020/4/28152020/4/2816★间歇反应器特点反应物料一次加入，产物一次取出。物料充分混合，无返混；同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同；而且出料与反应器内物料的最终组成相同；所有物料在反应器内的反应时间（停留时间）相同。非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。具有周期性具有灵活性2020/4/28173.3.2间歇反应器体积计算（1）反应时间的计算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AAAAARrVdtCVdAR）（ARrVARAdVCdndtdt（）即：00若反应：以反应物A为关键组分，A的反应速率记作（-rA），根据间歇反应器的特点，在单位时间内对整个反应器VR作物料衡算：ABR2020/4/2818上式写成转化率的形式：0()AAARdxnrVdt)1(0AAAxnnAAAdxndn0192020/4/28t为使A反应达到所要求转化率xA所需时间，而不是一批产品生产所需时间。00()AxAARAdxtnVr积分得AAACCAAxAAArdCrdxCt000（VR恒定）202020/4/28上述积分式可用解析法、数值法、图解法（恒容时，如下图）进行求解。t1/rA—CAt/CA01/rA—xA212020/4/28若反应速率方程：01AAArkCX1100011(1)11AxAAAAAXdxtkCkCX当时，1AArkC11ln1AtkX思考：从上式可得出什么结论？--P58222020/4/28（2）反应器有效体积VR的计算一批操作若非生产时间为t0,每批操作所需时间为t+t0。生产一批产品所需反应器的有效体积：VR′=V0(t＋t0)式中：t0是辅助生产时间，包括加料、排料、清洗反应器和物料的升温、冷却。V0是平均每小时反应物料的体积处理量。232020/4/28（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）。RVV式中：Ф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0.4～0.6242020/4/28例题3.1---祥见P58，自学。3.3.3最优反应时间反应器的最佳反应条件总是围绕一定的优化目标来选择的，如使产品的成本最低或使单位时间内产量最大。对于间歇反应器而言，随着反应时间的延长，产量逐渐增加，但生产效率下降。以单位操作时间内的产量为优化目标说明此问题。252020/4/28当反应器体积一定时，辅助时间一定，产物浓度一定，则单位操作时间内的产量FR为：利用数学知识可得：0rRRVCFtt上式对t求导得：0200RRRrdCttCdFdtVdttt00RRdCttCdt0RRdCCdttt262020/4/28最佳反应时间的求解，可利用积分，也可利用图解方法求解。图中曲线MN为产物浓度CR随反应时间t的变化关系。通过点A（-t0,0）对曲线MN作切线AM，其斜率：AD0MNCR0ttCADMDdtdCRMR272020/4/283.3.4平行反应在等温间歇反应器中，设进行的反应为一平行反应：A→PrP=k1CAP为目的产物A→QrQ=k2CA12APQArrkkC对于均相、恒容过程，对反应A组分进行物料衡算。00AfXAAAdXtCrAACCAArdCt0282020/4/28设初值条件为：t=0时，CA=CAO，CP=0，CQ=0，则方程的解为0012AAAACCAACCAAdCdCtrkkC即：同理：0dtdnrPP0PPdCrdt292020/4/28同理可得：tkkCkCkdtdCAAP21011exptkkkkCkCAP212101exp1tkkkkCkCAQ212102exp1同理可得：反应物系的组成随时间的变化关系如图3.3所示。由图可见，t↑，CA↓，而CP↑、CQ↑。302020/4/28图3-3平行反应组成随时间的变化关系312020/4/28由图可见，t↑，CA↓，而CP↑、CQ↑，而且。由于两个反应均是一级，而且反应方程形式完全相同，否则不成立，如例题3.2，由于产物P是目的产物，希望k1k2。例题3.2—P62~63，自学。21kkCCQP322020/4/283.3.5连串反应设在等温间歇反应器中进行如下的一级不可逆连串反应（恒容）：各组分的动力学方程：AACkr1QAPCkCkr21PQCkr2设初值条件为：当t=0时，0,0,0QPAACCCC则有：332020/4/28102112[exp()exp()]APkCCktktkk0AAPQCCCC2112012exp()exp()[1]QAkktkktCCkk反应物系组成随时间的变化关系如图3-4所示，如果P是目的产物，其值有最优解。通过CP对时间求导数，可以得到：0dtdCP令1212lnkkkktopt342020/4/28352020/4/28当时，则optoptAPtktkkkCkC122101maxexpexp21kk2111kktop2211,max02()kkkPAkCCk362020/4/283.4连续釜式反应器的反应体积3.4.1连续釜式反应器的特点：连续釜式反应器，基本在定态下操作（稳定操作），有进有出。操作特点反映物料整体始终均一，即无浓度和温度梯度。瞬间实现均一，即物料进入反应器后瞬间实现均匀混合。多用于液相反应，恒容操作。372020/4/283.4.1连续釜式反应器的特点：连续釜式反应器的重要特性（1）反应器内物料的参数不随时间变化；（2）不存在时间自变量，也没有空间自变量；（2）出口处的C,T与反应器内的C,T相等，所以反应恒速进行。382020/4/283.4.2全混流反应器的设计方程由于该反应操作具有如上特性，因此可以对整个反应器进行物料衡算。3/ms3/mkmol000AACQFAfAfCQF0dtdn若反应前后体积流量不变，均为Q0，以A组分为衡算对象，则：进口处A组分的摩尔流率（）为，出口处A组分的摩尔流率为，在定常态下，由于关键组分的累积速率（）为0。392020/4/28AAAA反应器中单位时间单位时间单位时间的流入量的流出量的反应量的积累速度00AQCAfCQ0ArfVfAAfArCCQV00000AAfArAAfQCXXVX这就是连续反应器的设计方程402020/4/28全混流反应器τ的图解恒容时2020/4/28413.5连续釜式反应器的串联与并联3.5.1概述转化速率与转化率之间的关系（1）转化速率随着转化率的增大而降低---正常动力学，见下图的A或P68图3.5A。从该图可知，在相同条件下，完成相同的任务，两釜串联的总反应体积小于单釜的反应体积。即对于正常动力学反应，使用多釜串联总是有利的。2020/4/2842图3-5连续釜式反应器体积的几何图示2020/4/28433.5.1概述（2）转化速率随着转化率的增大而增大---反常动力学。见上图的B或P68图3.5B。从该图可知，在相同条件下，完成相同的任务，两釜串联的总反应体积大于单釜的反应体积。即对于反常动力学反应，使用多釜串联是不利的。对于反常动力学，当生产任务较大时，不宜采用多釜串联，则只宜采取多釜并联方式，这就涉及如何分配各釜的进料量问题亦即各釜的处理量的大小问题。2020/4/2844图3-6并联的釜式反应器进料量的分配原则：保证各釜的空时相同，