化工原理 第七、八章 化学反应器超详细讲解课件
56页1、第七章 基本反应器,7-0 概述 一、反应器分类,1.按结构分类 P21,釜式:间接加热的搅拌容器液相反应 管式:平式直管,传热效果好气相反应 塔式:直立圆筒气液相反应 床式:直立圆筒气固相反应,固定床 流化床,第二篇化学反应工程 一、研究内容:工业反应器的分类及正确选择,合理设计,有效放 大,最优化控制及反应器的评价。 二、研究方法:结合微观动力学方程和宏观传递过程两方面的规律建立起描述反应器内各参数的数学模型( xAt反=t停 VR ) 对反应器而言,总希望达一定转化率,所需反应器体积最小,或生成的目的产物最多,这与反应的动力学特征、反应器的结构特征及操作方法有关,一般是从这两方面入手得到设计方程。,2.按操作方法分类,间歇式:加料反应出料,下一循环 连续式:加料反应出料同时进行 半连续式:一种物料连续,一种物料间歇,均相釜、管 非均相塔、床,等温反应器,温度变化可忽略 变温反应器,换热,T仍显著变化 绝热反应器,不换热,反应热由产物带走,3.按反应物相态分类,4.按温度变化分类,二、反应器内物料的流动状况物料的停留时间分布 1.理想排挤流动模型活塞流 停留时间t完全相同 反应器内
2、物料的流动象气缸中活塞的平动一样,齐头并进,在与流动方向垂直的截面上各质点的 u、 p、t 完全相同,VR有效容积 v体积流量,2.理想混合流动模型 停留时间分布在0 区间内。,不论先后进入反应器的物料立即充分混合,均匀分布,任意时刻的出口浓度与反应器内的浓度相等。物料的停留时间分布在0 区间内。 由于停留时间对反应的结果产生很大的影响,因而提出理想流动模型的概念,以理想流动模型中的停留时间分布作为实际的反应器的参考依据。,7-1动力学基本概念 一.化学反应速率的定义式 对于反应:,1.定义,注意:V反应物体积,V0 起始反应物体积,Vx转化率为xA时的反应物体积;VR反应器有效容积;VT 反应器总容积。,2.定义, dCA=-CA0*dxA,x,7-2 间歇操作搅拌釜式反应器间歇釜 一、间歇釜的特点 1.间歇操作,存在装料、调温、出料、清洗等辅助时间t。 2.釜内CA, xA, (-rA)t反变化,但不随位置变化。 3.各物料微团的 t停 都相等。,二、反应时间的计算 1.基本公式 以整个反应釜在dt 内对A组分作物料衡算得: (因为浓度随时间变而不随位置变,故需取时间微元) 在dt
3、 内:A的进入速率=A的流出速率+A的消耗速率+A的积累速率,xA:A的转化率,2. 解析法适用于已知动力学方程的反应体系 a. 一级反应等温等容反应 (-rA)=kCA=kCA0 (1-xA),VR=V0=Vx,-,3.图解法求解只有CA(-rA)或xA(-rA)数据,无速率方程时。,2、 反应器总容积VT 由于反应体系的发泡、沸腾等因素,必须VTVR 设:VR / VT= 装料系数 (0.50.8),VR,4、原料的体积流量v0 的计算,G反应物质量流量 反应物的密度,F反应物摩尔流量,FA0A组分起始摩尔流量,例1:在间歇釜中进行己二酸A与己二醇B等摩尔比酯化反应,已知:,每天处理2400kgA,解:二级反应,A、B等摩尔消耗,故,每天处理2400kgA, 即每小时100kgA,(-rA)=kCACB k=1.97升/(kmol min),kmol/h,0,7-3 间歇釜中一级反应与二级反应的比较,一级:,t反只与xA有关,与CA0无关,CA0/CA亦可表示转化率。,二级:,t反既与xA有关,又与CA0有关。,例2 设,t1/t2=1,即:对二级反应,xA从00.9的耗时是xA从
4、0.90.99耗时的十分之一。可见:反应级数越大,xA越高,反应时间增加越快,因此对高级数的反应,应设法使某一廉价原料过量,以反应级数n,减少反应时间。,变为拟一级反应后,转化率达99%所耗时间仅为原需时间的1/21.5,大大缩短。,一般使nH2O : nCO = 46:1 5:1,可见:对于二级反应,当A的残余浓度很低时,可增大起始浓度CA0以提高产量,而t很少。,例3 已知: 为二级反应,求CA0从1 和5 kmol/m3降到 CA=0.01kmol/m3的t反 。,作业: P44 1、3,例4 酸A+醇B酯D + 水E 60 74 116 18 解:液相酯化反应定容,M,G质量流量,F摩尔流量,7-4 管式反应器平推流反应器活塞流反应器 plug flow reactor(PFR),一. 管式反应器的特点: 将管式反应器中流体的流动理想化成无摩擦力的反应器,CA, (-rA), xA均随管长l 变化,但同一截面为定值。 各物料微团的 t停都相等。(设为理想排挤流动模型),管式反应器基本设计方程,二. 设计方程 由于CA, (-rA), xA均随管长 l 变化,故只能在dVR内对A
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