组合反应器

3.7组合反应器•为了节约能源，提高经济效益，现代化工装置需要有较大规模和对产品进行深加工的能力，单台反应器很难满足要求。•怎么办?•将相同或不同型式和大小的单个反应器组合起来使用。•请举例说明•年产30万吨乙烯生产装置：10台管式裂解炉并联；釜式高压法生产低密度聚乙烯：单釜→双釜串联，转化率从18%→24%。•一般地，反应器并联操作→增大处理能力串联操作→提高反应深度。•对国内大型石油化工企业的调查表明：并联操作反应器：常采用相同的操作条件和结构尺寸；串联操作反应器：不但大小和类型各不相同，实际运行工艺状况（如T、搅拌速度等）绝大部分各不相同。因此，串联操作反应器一般采取逐个计算方法进行设计。•常见的组合反应器?理想反应器的组合工业生产上为了适应不同反应的不同要求，常应用并联、串联或串并联组合的反应器。•循环反应器•平推流反应器的串联•平推流反应器的并联•全混流反应器的串联•全混流反应器的并联•不同型式反应器的串联作业63.7.1循环反应器在工业上，为了控制反应物的合适浓度以便于控制T、xA和收率，同时又需使物料在反应器内有足够的停留时间、一定的线速度，常采用将部分物料进行循环的操作方法。如：循环平推流反应器可使原为平推流的反应器具有全混流的某种特征。图3-11循环操作的管式、塔式反应器。7•循环平推流反应器？将平推流反应器出口的反应产物部分返回到入口处与原始物料混合，然后再进入反应器反应的反应器。广泛用于自催化反应、生化反应和某些自热反应。23vv流量离开反应器物料的体积循环物料的体积流量令循环比(3-23')8则循环操作的平推流反应器的设计方程为：210)1(AAxxAAArdxC)1(21AAxx•图解计算：图3-13、3-12•当β→0时，即为平推流反应器，即在反应器内不存在“返混”；•随着β的增大，器内反应流体的“返混”随之加大，当β→∞时相当于全混流反应器。(3-32)9•故可通过控制循环操作的循环比来实现对反应器内“返混”的控制，即所需反应器的容积V将取决于β。•例3-7•当PFR的长度受到设备制造、安装及操作等限制，不允许做得过长，就需采用多个串联。3.7.2平推流反应器的串联V1,τ1V2,τ2VN,τNVi,τi……xA0xA1xA2xAi-1xAixANxAN-1•xA1，xA2，…，xAN为组分A离开反应器1，2，…，N时的转化率。•对组分A作第一个反应器的物料衡算。1010101)(AxAAAArdxCFVAiAixxiAAAiAirdxCFV1)(00同理，对第i个反应器：对串联的N个反应器而言：00201100ANAANiAiAFVFVFVFVFV总ANANAAAxxNAAxxAAxAArdxrdxrdx1211)()()(201若每个反应器内的(-rA)数学表达式一样，则：ANxAAArdxFV00总•所以，总体积为V的N个PFR串联，其最终转化率与一个体积为V的单个PFR所能获得的转化率相同。(3-13)•即：若v0、CA0、xAf相同，操作T也相同，多级串联PFR的总体积和单级相同。•平推流反应器的串联组合，可以根据上述原理简化为单一反应器。V1,τ1V2,τ2VN,τNVi,τi……xA0xA1xA2xAi-1xAixANxAN-1V总=V1+V2+…+Vi+…+VNxA0xAN•当处理的物料量过大，以致单个反应器的直径过大而难于制造时，可采用PFR并联操作。•如有机化工中的管壳式反应器：反应管数量达数千根，每个反应器的计算与单个相同。•并联原则？为使所需总反应体积最小，应保证各个反应器出口物料组成相同。why3.7.3平推流反应器的并联•即：相同类型反应器并联操作，当各反应器出口物料组成相同时，反应体积能够得到最有效的利用，否则？高xA物料被低xA出料稀释，降低总xA。•如何满足上述条件？并行线上每条支流的Vi/Fi或τi相同，保证各支流汇合时产物浓度相同，每条支流出口浓度=混合后浓度。V1V2VN(FA0)2FA0CA0xA0(FA0)1(FA0)NCAxA┆•满足以上条件，对第i个反应器有：AxAAiAirdxFV00)()(总体积：AxAANAAArdxFFF002010)(])()()[(AxAAArdxF00)(•式中：NiiAAFF100)(NiiVV1所以：•⑴N个PFR并联操作，与一个和其总体积相同的单个PFR作用相同。•⑵根据PFR并联的特点，计算各支流的物料流率。V1V2VN(FA0)2FA0CA0xA0(FA0)1(FA0)NCAxA┆V总=V1+V2+…+Vi+…+VNCAxAFA0=(FA0)1+(FA0)2+…+(FA0)N•[例3-5]••练习：如图所示的平推流反应器组，包括两股平行支路，D支路由体积为50L和30L的两台反应器串联而成，E支路有一台体积为40L的反应器，求总进料中进入支路D的物料分率为多少？V1=50LDEV2=30LV3=40L如果要求反应过程中温度均匀，需采用CSTR。CSTR无论是在绝热或是与外界有热交换情况下反应，过程基本上是等温的。•多级串联全混流反应器的性能（粗略分析）•多级串联全混流反应器的计算（理论推导）•应用及实例•多级串联全混流反应器的图解计算•多级串联全混流反应器的优化3.7.4全混流反应器的串联3.7.4.1粗略分析•浓度和速率变化情况：PFR：CA沿反应器长度逐渐降低；CSTR：反应物进入反应器后立即下降到CAf，反应在较低CA下进行，-rA低；CACA0CAf0l(－rA)0lxAl01xAf-rAfn＞0不可逆反应，-rA随CA降低而降低，和CSTR相比，PFR更为有效。•推动力：相同条件下，PFR＞CSTR。PFRCSTR如何提高过程的推动力和-rA？采用多釜串联。也就是：采用N个串联CSTR来进行原来由一个CSTR所进行的反应，除最后一个反应器外的所有反应器都在比原来高的CA下进行反应，减少了混合作用所产生的稀释效应。Why•串联CSTR中浓度的变化？可看出，N个全混釜串联操作时，CA逐步下降，使得串联釜数增加时，多台全混釜串联操作时的性能接近于PFR的性能。CA入•串联CSTR的推动力因此若干个CSTR串联使用，可使：•⑴反应物浓度逐渐降低，从而提高反应速率。•⑵过程推动力增加。•⑶串联釜数N越多，所需总容积越小，越接近于PFR的性能。(？)3.7.4.2理论推导设有如图3-8所示多釜串联系统，各釜均为理想全混釜，釜与釜间没有物料混合，反应过程中容积变化可忽略。对任意第i釜作组分A的物料衡算：FAi-1=FAi+(-rA)iVi+0FA0(1-xAi-1)=FA0(1-xAi)+(-rA)iViiAAiAiAirxxFV)(10•该式适用于串联全混釜中任一釜，计算中注意要用该釜的V及该釜T下的(-rA)。•该式既适用于各釜操作T相同的情况，也适用于各釜T不同的场合。iAAiAiiirCCvV)(10恒容系统：iAAiAiAiirxxCvV)()(100或(3-14)•注意：串联反应器组中，前一个反应器的出口物料就是后一个反应器的进料；若反应动力学关系可用代数方程式表示，则可利用动力学方程和上面的公式从第1釜开始逐釜计算。•串联全混釜的计算一般已知反应的动力学规律，求解：①每个反应器的出口物料组成CAi；②计算物料通过反应器的τ，进而求出反应器V。下面以一级反应和二级反应为例说明。•A.一级反应A→P（恒容）-rA=kCA1110110011)(AAAAAACkCCrCCvV第1釜：11011kCCAA2221221022)(AAAAAACkCCrCCvV第2釜：)1)(1(1221102212kkCkCCAAA•CA3，CAN?NiAANkCC)1(0NiANkx)1(11或)1)(1)(1(133221103323kkkCkCCAAA若各釜T和V都相等，则iNiNkkkkk321321所以(3-15)•串联反应器组总的空时τN1)(1/10NANAiCCk1)11(1/1NANixk或1)(/101iNANAiNiNCCkNN1)11(/1NANxkN当N→∞，根据洛必托法则可求出τ总的极限值：ANANANNxkCCk11ln1ln10,讨论：若该反应在PFR中进行，达到相同xAf，τP？ANANANNxkCCk11ln1ln10,ANAANACCAACCAApkCdCrdC00ANANAxkCCk11ln1ln10表明：无限个全混釜串联时，其性能相当于PFR。以τN/τP为纵坐标，以1-xAN为横坐标，作图3-24可比较当v0、T与xA相同时，串联反应器组所需总反应体积与单个平推流反应器所需反应体积。ANNANANANANAPNPNxxNCCCCNVV11ln1)11(ln1)(/10/10当v0、T相同时：N个串联全混流反应器与平推流反应器体积比较•结论:⑴串联釜数N一定时，xAf越大，VN/VP之比越大；⑵xAf一定时，N越大，VN/VP之比越小；即串联全混釜数目越多，反应器组所需总容积VN越少，逐渐→VP。N→∞时，VN=∞=VP；单釜操作变为两釜串联，总体积减少量最明显；N＞6时，再增加串联釜数减少的反应体积很有限，要从经济上权衡。⑶虚线kτ：无因次反应速率数群含义？表示kτ(T与反应系统总接触时间）一定时，串联釜数N与xAf的关系，N不同，xAf也不同；kτ值越大，N对xAf影响越明显。分组讨论：二级不可逆反应2A→P或A+B→P（CA0=CB0）在串联全混釜中进行时的情况B.二级不可逆反应可得到类似的结果N个串联全混流反应器与平推流反应器体积比较回例3.7.4.3应用及实例应用上二图，或通过计算可解决下列问题：•⑴比较xA,PFR=xA,CSTR时，VN/VP的比值；•⑵当VN=VP时，比较二者所能达到的转化率xA,PFR和xA,CSTR；•⑶增加全混釜的体积V与全混釜串联（增加釜数N）对xA的影响•[例3-10]某液相反应A+B→P+S，已知如下数据：V=1m3，v0=0.5m3/min，k=100m3/mol·min，CA0=CB0=0.05mol/m3。试求：⑴若反应在一PFR反应器中进行，所能达到的转化率；⑵反应在一CSTR反应器中进行，达到与PFR相同转化率，所需反应器大小；⑶若CSTR的V=1m3，所能达到的转化率？见图•[例2]某液相二级反应在单个全混釜中进行，动力学方程-rA=kCA2，出口转化率xA=0.5，若使用一个体积为原反应器六倍的全混釜，出口转化率为何值？使用与原反应器体积相同的PFR，出口转化率为多少？•[例3]上例的反应，若新增一个体积相同的全混釜反应器与原釜串联操作，转化率可提高到何值？见图3.7.4.4图解计算当n≠1时，用解析法计算各釜浓度较麻烦，每次需解一个n次方程；同样，若v0和xA确定，选定釜数和釜容积，需用试差法，运算过程繁琐，可用图解法。图3-9步骤?•⑴首先根据动力学方程式或实验数据作出操作温度下的(-rA)~CA的关系曲线（反应速率曲线）；⑵在同一图上，根据物料衡算式作出相同浓度下某级反应器的(-rA)~CA操作线（物料衡算线）；iAAiAiirCC)(1111)(AiiAiiiACCr即•此式表示第i釜进出口浓度与反应速率的关系。•该操作线为一直线，斜率，横坐标上的截距为CAi-1。iiVv01速率曲线与物料衡算线的交点(A点)，同时满足动力学方程和物料衡算式，是该反应器的操作点，对应坐标值即为该反应器的(-rA)i和CAi。CA