第八章 典型反应器20110529

第八章典型反应器何心伟13855303196安徽师大化材学院[e-mail]概述化工过程：一个特定的化工产品,从原料到产品的生产过程。原料预处理化学反应后处理产品化学反应这一步是化工过程的核心，起着主导作用，它的要求和结果决定着预处理的程度和后处理的难度。化学反应器的定义：用于化学反应的设备，是化工企业的关键装置。对反应器的要求1反应器要有足够的体积2反应器要有适宜的结构4反应器要有足够的机械强度和耐腐蚀能力3反应器要有足够的传热面积5反应器要易操作易制造易安装易维修第一节化学反应器的类型一、化学反应器的分类：1.按物料相态分类均相反应器非均相反应器2.按操作状况分类间歇反应器半间歇或半连续反应器连续反应器。3.按反应器的结构形式分类反应器釜式或槽式管式塔式喷嘴式空管填充管回转筒式鼓泡塔固定床流化床00进料出料反应釜出料进料管式反应器气体气体液体液体鼓泡塔气体气体固定床回转筒式反应器(蒸气煅烧炉)回转筒式反应器喷嘴式反应器釜式反应器换热装置釜式反应器管式反应器基本结构主要用于气固相反应由一根或多根管子串联或并联构成的反应器，长度与直径之比一般大于５０～１００。蒸汽原料调节阀催化剂补充水产物固定床反应器换热式固定床反应器(列管式)流化床反应器二、理想流动和理想反应器在连续操作的反应器中，流体流动存在两种极端情况：理想排挤式（平推流）理想混合式（全混流）理想排挤：当物料在反应器内流动通过时，沿着物料的流动方向（轴向），由于发生了化学反应，物料的浓度、流速、转化率等都随着轴向距离的延伸不断地发生变化，但在不同截面上并没有任何物料的混合；而在与流动方向垂直的截面上（径向），各质点的流速完全相同、温度均匀、浓度均匀、流速相等，即径向混合均匀。也叫做平推流或活塞流。理想混合：在一连续操作的反应器中，由于有良好的搅拌，致使进入反应器的物料立即与反应器内的物料充分混合，反应器内各点处处均匀，而且出口物料的浓度与器内的浓度也完全一样。如：强烈搅拌的连续釜式反应器第二节间歇釜式反应器(BSTR)一、结构与操作特点反应物料一次加入；充分搅拌，整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀；常配有夹套或蛇管，以控制反应温度；间歇反应器操作的一个生产周期包括加料、反应、出料、清洗；由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的均匀，且浓度、温度处处相等并随时间变化。1.由于剧烈搅拌，反应器中任一几何位置的物料浓度都相同，排除了物质传递对化学反应影响。2.当反应器具有足够快的传热效率时，可使反应器内温度都相同，排除了热量传递对化学反应的影响。3.物料在反应器中停留时间都相同。4.浓度随时间延长而降低二、物料在反应器内流动状况所以物料是一个混合均匀(混合程度)的间歇不稳定过程。这种反应器的构造与操作特点与实验室常用的附搅拌器的烧瓶基本上是相同的。三、反应时间的计算反应物体积反应物体积时间消耗量反应物左边AVrA)(dtdxndtxnddtdnAAAAA00)1(右边dtdxnVrAAA0)(对间歇操作的釜式反应器进行物料衡算：输入的物料量=输出的物料量+反应掉的物料量+物料的积累量对于着眼组分A：单位时间内由于反应而消耗的A物料量=—单位时间内A物料的积累量AxAAAVrdxnt00)(间歇反应器基本方程式AAxAAAxAAArdxcrdxVnt0000)()(对于定容过程：t/cA0[-rA]-1xxAfxA0t[-rA]-1CACAfCA0对于不能表达成简单整数级的复杂的化学反应，可采用作图法求解。AAAAAAdxcdcxcc00),1(又0tcAcA00txAxA=10t(-rA)AAccAArdct0)(四、反应器容积的计算1.有效容积(VR)：(')RVttt——为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。(计算关键)t’——为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。(经验给定)操作时间V——每小时处理的物料体积2.总容积(VT)RTVV：装料系数，由经验确定，一般为0.4～0.85装料系数：是反应器有效容积占总容积的比值，通常根据经验选定。对不发生泡沫不沸腾的液体，采用0.7~0.85，反之，只可采用0.4~0.6。例8-1：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L，反应速率常数等于4.6L/(mol·min)。试求乙酸乙酯转化率分别达到80％、90％和95％时的反应时间。325325CHCOOCH+NaOHCHCOONa+CHOHBA00(R)AfXAAAdXtc02200(1)AfXAAAAdXckcX011AAAXkcX得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5min解：例8-2：在间歇釜式反应器中,己二酸与己二醇以等物质的量比,在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以硫酸为催化剂，其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB。在343K时，k=1.97Lּkmol-1ּmin-1。己二酸的起始浓度cA0=0.004kmol.L-1。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80%，每批操作的辅助时间为1h，试计算反应器的总容积。装料系数φ取0.75。解：rA=kcAcB=kcA211197k.Lkmolmin31971060.31101182.mkmolh011AAAxtkcx10800118241080...846.(h)平均每小时要处理的物料体积为：2400241464v310171.(mh)则间歇反应器的反应体积为：'RVvtt01718461..3162.(m)间歇反应器的实际容积为：3162216075RTV.V.(m).间歇反应器的总容积为2.16m3。第三节管式反应器一、结构与操作特点1.2.无搅拌器，但可附设加热、冷却器；3.连续投料，连续出料；4.物料在反应器中高速流动。1;ld主要用于气固相反应二、物料流动状况1.物料在反应器中依次前进，象活塞推进一样流动；2.反应器中物料完全不混合，混合程度=0；3.任一截面上有关参数（如c,rA,x）都相等；4.物料的c,rA,x等均随反应器长度的改变而变化；5.物料在反应器中停留的时间都相等。反应物A反应物B生成物R活塞流反应器三、反应容积的计算定态操作时，对关键组分A进行物料衡算:单位时间内物料A的进入量(qn,A)=单位时间内物料A的引出量(qn,A+dqn,A)+单位时间内反应掉的A的量(-rAdVR)+累积量(连续操作条件下为0)RAAnAnAndVrdqqq)(,,,即：RAAAnAAnAAnAnRAAndVrdxqdxqxqddqdVrdq)()1()(0,0,0,,,AfAfRxAAAnRxAAVAnRrdxqVrdxqdV00,000,)()(AfARRARxxVVxV,;0,0当对整个反应器，其边界条件为：AfAAfccAAxAAAVRAVAnrdcrdxcqVtcqq0)()(000000,空间时间t：反应器的有效容积与进口处的体积流量之比。若反应过程中流体体积流量不发生变化活塞流反应器基本计算式注：理想管式反应器中简单级数的反应表达式与间歇釜式反应器的结果完全一样反应级数反应速率式反应物浓度式转化率式零级一级二级理想管式反应器中简单级数的反应的表达式理想管式反应器的反应结果与理想间歇反应器的反应结果完全相同，只是在理想管式反应器中，t是空间时间，而间歇反应器中，t为反应时间。为什么在两种结构和操作情况都不相同的反应器中，它们的表达式却是一致的呢？在理想管式反应器中浓度和转化率随空间时间（管长）而变，在间歇反应器中浓度和转化率随时间而变。他们的变迁史是相同的，反应的推动力也是一致的。krA)(AAkcr)(2)(AAkcrAAcckt0AAcckt0ln011AAccktAAxckt0Axkt11ln)1(0AAAxcxkt五、BSTR与PFR比较（1）停留时间的表达式相同；（2）物料操作方程形式类似；（3）反应器内物料浓度、反应速度、转化率变迁过程相同（变迁史相同），反应推动力一致。1.共同点BSTRPFR混合程度=∞混合程度=0非稳态过程稳态过程（诸参数随时间变化）（诸参数随空间变化）2.不同点例8-3：己二酸(A)与己二醇(B)以等物质的量比，在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB，在343K时，k=0.1182m3ּkmol-1ּh-1。A的分子量为146，A的起始浓度cA0=4kmol.m-3。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80%和90%时，试计算使用理想管式反应器所需的容积。并与间歇釜式反应器进行比较。解：根据平推流反应器中二级反应的公式：01AfAAfxkcx0.800.1182410.808.463124000.171241464Vqmh30.1718.461.45RVVqmtVRVT转化率80%间歇反应釜9.461.622.16理想管式8.461.451.45转化率90%间歇反应釜20.043.434.57理想管式19.043.253.25两类反应器所需容积：VR间＞VR平。间歇反应器有辅助时间和装料系数的影响。第四节全混流反应器一、全混流特点：※反应器内物料的参数处处均匀，且等于流出物料的参数；※但物料质点在反应器中停留的时间各不相同，即形了成停留时间分布；※物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。※是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混合流。二、物料流动状况1.反应器内的混合程度=∞任一位置上的c,x,(-rA),T都相同2.连续加料又高速搅拌反应器内各参数c,x,(-rA),T等都定值3.高速搅拌，连续出料出料的各参数c,x,(-rA),T等都与反应器内相同4.物料在反应器内停留时间从0~∞都存在不同停留时间的物料在反应器中混合得很好返混：不同停留时间物料间的混合混合：物料几何尺度的混合BSTR混合=∞返混=0PFR混合=0返混=0CSTR混合=∞返混=∞CSTR，它是一个混合均匀，返混严重的稳态过程。三、物料衡算在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算：设反应过程中，物料体积不变进入量=引出量+反应量+累积量RAAAVRAAAVRAAVAVVrxcqVrccqVrcqcq)()()(0)(000或：即：)()(:00AAAVRAAAVRrxcqVtorrccqVt整理得t为停留时间，由于物料微粒在反应器中停留时间不等，故t应称为平均停留时间。AAAnRAVRArxqVCqVCt0,00可以推导出：间歇釜式反应器和平推流反应器的计算方程式都是微分形式；而全混流反应器的计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应器内，反应物的温度、浓度、转化率均不随时间而变(定态过程)也不随空间位置而变(整个反应器内是均匀的)。与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成同样的反应任务(即流量相等，反应物的转化率相等)，全混流反应器所需的空间时间远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应的时间。AAfACSTRrxct0AfxAABSTRrdxct00BSTR和CSTR反应时间的比较平推流反应器与全混流反应器的比较,0,,0AAfRVAfcxVqr,0,,0AAfRVAfccVqr例8-4：己二酸(A