第2章 理想反应器

第二章理想反应器IdealFlowReactor第一节间歇反应器(BR)第二节平推流反应器(PFR)第三节全混流反应器(CSTR)2020年4月29日星期三2020年4月29日星期三反应器设计的基本内容1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式；2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化的操作设计；3）根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行某些经济评价。2020年4月29日星期三（无返混）（返混程度最大）理想反应器全混流反应器（理想混合）平推流反应器（活塞流、理想置换反应器）PlugFlowReactor(PFR)（无返混）间歇式完全混合连续式完全混合BatchReactor(BR)ContinuousStirredTankReactor(CSTR)2020年4月29日星期三返混：不同停留时间的粒子间的混合平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，所有的物料在器内具有相同的停留时间。2020年4月29日星期三4间歇反应器的最优操作时间1物料衡算第一节间歇反应器2热量衡算3反应容积的计算2020年4月29日星期三间歇式完全混合反应器2020年4月29日星期三特点：反应器内各处温度始终相等，无需考虑反应器内的热量传递问题所有物料具有相同的反应时间优点：操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量，多品种，反应时间较长的产品生产缺点：装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定2020年4月29日星期三对于间歇釜式反应器：假设釜的有效反应容积为VR，单位时间内反应掉的A量为：RAVr)(积累dtdnA1物料衡算单位时间输入的物料A量单位时间输出的物料A量单位时间内反应掉的A量A在反应器内积累速率__=dtcVdAR输入=输出=02020年4月29日星期三dtcVdVrARRAAARncVdtcVdARdtdxVnrARAA0积分得：AxARAArVdxnt00——间歇完全混合反应器的设计方程AAxn10dtdxnAA0AxAAArdxc00AAccAArdc0RAVr等温操作等温操作（动力学k为常数）可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解t。例1：一级反应A产物，单位时间需处理的物料体积为v，动力学方程为：（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)求反应所需时间（转化率为xA）t及反应器的有效容积。)11ln1()(11ln1)1()(0000000txkvttvVxkxkCdxCrdxCtARxAAAAAxAAAAAReturn◇2热量衡算变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反应器进行热量衡算：量的累积量反应器内热单位时间内的热量反应所放出单位时间内应器的热量环境传给反单位时间内UA(Tm-T)(-△Hr)(-rA)VdtTVCdv)(UA(Tm-T)+(-△Hr)(-rA)V=dtTVCdv)(符号说明：U----总括传热系数（KJ/m2.h.℃）；A----传热面积(m2)；Cv、ρ----分别为反应流体的定容比热和密度(KJ/Kg.℃、Kg/m3)；△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）对于恒容过程：)TT(VCUAdtdxdtdTmvA（操作方程）式中：（物理意义：绝热温升）v0ArCC)H(对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方程、操作方程及动力学方程式求解的过程。即：A0AACCAAx0AA0A)r(dC)r(dxCt)TT(VCUAdtdxdtdTmvA)C(f)T(k)r(A一般采用图解法或数值法求解。反应物完全转化时放出的热量可以使物料升高的温度特例：绝热操作（与外界的热交换为零）：UA（Tm-T）=0则：(-△Hr)(-rA)V=即：初始条件：t=0T=T0xA=xA0将上式积分得：T=T0+β(xA-xA0)（使对t的积分变为单参数）将上式代入动力学方程式，再代入设计方程即可采用图解法或数值法求解。dtTVCdv)(dtdxdtdTAReturn2020年4月29日星期三※3反应容积的计算00ttQVR：反应时间t：辅助时间0t0Q：单位时间内处理的反应物料的体积2020年4月29日星期三实际反应器的体积fVVR装填系数，0.4-0.85。一般由实验确定，也可根据反应物料的性质不同而选择。对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85:f2020年4月29日星期三※例题2-1用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：OHHCCOOHCH523原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35,反应液的密度为1020kg/m3,并假定在反应过程中不变，每批装料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃下等温操作，其反应速率方程如下：KcccckrSRBAA1OHHCOOCCH252312kkABSR2020年4月29日星期三100℃时：min/1076.441mollk平衡常数K=2.92，试计算乙酸转化35%时所需的反应体积，根据反应物料的特性，若反应器填充系数为0.75，则反应器的实际体积是多少？2020年4月29日星期三分析：fVVR求RV求V00ttQVR0t已知求0Q和t0Qt设计方程已知2020年4月29日星期三解：首先计算原料处理量0Q每小时的乙酸用量为：ARxM2412000由于原料液中A:B:S=1:2:1.35kg35.435.121原料液中含1kg乙酸原料液量为：102035.46023.16hm/155.4335.0248812000hkmol/23.162020年4月29日星期三原料液的起始组成：155.423.160Ac46260908.30Bc1835.160908.30Sc由AxAAArdxct00求反应时间lmol/908.3lmol/2.10lmol/59.172020年4月29日星期三AARxcc0AASSxccc00AAAxcc10AABBxccc00先将题给的速率方程变换成转化率的函数：代入速率方程，整理后得：2021AAAccbxaxkr式中：00ABccc908.32.1061.22020年4月29日星期三AxAAAAcbxaxdxckt02011KccccbAsAB00001Ka1192.2908.359.17908.32.10192.21115.5acbbaxacbbaxacbckAAA4242ln41222016575.02020年4月29日星期三61.2235.0434.415.562.2235.0434.415.5ln434.4908.31076.414t所需的反应体积为：00ttQVR反应器的实际体积为：75.038.12Vmin8.1181608.118155.4338.12m351.16macb426575.061.2415.52434.4※例题2-2：工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在70℃下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：（-rA）=kCACB式中：（-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1CA0、CB0均为0.004kmol.L-1求：●已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反应时间分别为多少？●若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积大小，装填系数φ=0.75，单釜生产。解：●求达到一定的转化率所需时间：计量方程式中，A、B的初始浓度相同，则反应动力学方程可写为：由于反应为液相等温过程，故可按恒容处理，可将已知数据代入设计方程求解：1BA2AAkC)r(AA0Ax1xkC1t计算结果xA=0.5t=2.10hxA=0.6t=3.18hxA=0.8t=8.47h●反应器体积的计算VR=v(t+t0)FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/hv=0.685/0.004=171L/h生产周期=反应时间+辅助时间=t+t0=8.47+1=9.47h反应有效体积：VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考虑装填系数，则反应器的实际体积：V=VR/φ=1619/0.75=2160L=2.16m300AACFv[练习题]试计算转化率达到90%时，所需间歇反应器的有效容积是多少?例题2-3在间歇反应釜中进行下列液相一级不可逆反应：AB，其反应速率方程为（-rA）=kCA，反应初始温度为163℃,求绝热操作下，日产150kg（B）所需反应器的体积。已知数据如下：163℃下,k=0.8h-1，反应的活化能E=121.25kJ/mol，反应热：△Hr=-347.5kJ/kg，A与B的定容比热均为2.093J/kg.K，A与B的密度均为900kg/m3，A的最终转化率xAf=0.97，非生产性操作时间为1h。解：绝热操作时有:T=T0+β(xA-xA0)xA0=0所以，T=T0+βxA=T0+==(273+163)-Av0ArxcCHAv0Ar0xcCHTRvAR0AVcxVC5.347T=436+166xAT=436+166xA（操作方程）（1）（设计方程）（2）-rA=kCA0(1-xA)（动力学方程）（3）式中k是温度的函数，与温度的关系式可用下式表示：Afx0AA0A)r(dxCtRTEkkaexp0（4）联立（1）-（4）式可得反应时间t。求解过程：用式（1）给定xA后求T，用参数计算式求k，然后将（2）（3）式联立即得：其中：利用数值法求解（梯形公式）：列表作图：AfAfx0Ax0AAdxZ)x1(kdxt)x1(k1ZAxA00.10.2…….xAfTT1T2T3……Tnkk1k2k3……knZ=)r(1AZ1Z2Z3…..Znn1iA1n32n1Af1iinxZZZ2ZZx2ZZtlimt=0.12hVR=v(t+t0)=L8.7)112.0(90024150Return2020年4月29日星期三4间歇反应器的最优操作时间ttt0总0t一定最优t目标函数增大减小tArRr减小2020年4月29日星期三1.以单位时间的产品产量为目标反应RA，反应产物R的浓度为，单位时间Rc的产品产量为：hmolttVcyRRR/0200ttcdtdcttVdtdyRRRR02020年4月29日星期三0ttcdtdcRR——单位时间产物产量最大所必须满足的条件00RRcttdtdc2020年4月29日星期三图解法McRt0tAt02020年4月29日星期三2.以生产费用最低为目标RRRFTMCVataatA000a：辅助操作费用a：单位时间内反应操作费用Fa：固定费用TA：单位质量产品的总费用2020年4月29日星期三dtdATaatatcdtdcFRR