化学反应工程幻灯片第二章

1、第二章 理想流动反应器,反应器选型、设计和优化,反应器中的流动状况影响反应结果,数学模型,流动模型,对实际过程的简化,理想模型,非理想模型,第一节 流动模型概述,建立模型的基本方法,理想气体状态方程,间歇反应器,平推流反应器,全混流反应器,连续流动反应器,完全没有返混,返混极大,(a),(b),(c),间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响； 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题； 3 物料同时加入并同时停止反应， 所有物料具有相同的反应时间。 优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、 反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产 缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定,平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR),连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化； 径向速度均匀，径向也不存在浓度分布； 反应物料具有相同的停留时间。,全混流反应器 Con

2、tinued Stirred Tank Reactor (CSTR),连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器 假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。 特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。,年龄 反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。 寿命 反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。,返混： 又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。 是时间概念上的混合,BSTR PFR CSTR 1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加料(入口) 2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处) 年龄不同 3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口) 寿命不同(出口) 4返混 全无返混 全无返混 返混极大,反应器特性分析,浓度分布 - 推动力,反应器特性分析,反应推动力随反应时间逐渐降低,反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低,反应推动力不变

3、，等于出口处反应推动力,偏离平推流的情况,非理想流动模型,漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料,截面上流速不均匀,沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀,非理想流动模型,偏离全混流的情况,死角,短路,搅拌造成的再循环,流动状况对化学反应的影响 - 由物料停留时间不同所造成,非理想流动模型,短路、沟流,停留时间减少,转化率降低,死区、再循环,停留时间过长,A+BP：有效反应体积减少 A+BPS 产物P减少, 停留时间的不均,反应器设计的基本方程,反应器设计的基本内容 选择合适的反应器型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性 确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率 计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化,反应器设计的基本方程,物料衡算方程,某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量,反应消耗 累积,流入,流出,反应单元,反应器设计的基本方程,热量衡算方程,带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量,反应热 累积,带入,带出,反应单元,传给环境,反应器设计的基本方程,动量衡算方程,气相

4、流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。,第二节 理想流动反应器,间歇反应器 特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响； 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题； 3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。 优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产 缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定,间歇反应器的数学描述,对整个反应器进行物料衡算：,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,0,单位时间内反应量 = 单位时间内消失量,等容过程，液相反应,间歇反应器的数学描述,实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t),反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V(t+t),1/rA xA,t/CA0,1/rA CA,t,间歇反应器中的单反应,间歇反应器中的单反应,k增大(温度升高）t减少反应体积减小,间歇反应器中的单反应,2. 反应浓度的影响,

5、1. k的影响,零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关 二级反应：t与初浓度CA0反比,3. 残余浓度,零级反应：残余浓度随t直线下降一级反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降,反应后期的速度很小；反应机理的变化,连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化； 径向速度均匀，径向也不存在浓度分布； 反应物料具有相同的停留时间。,平推流反应器,一. 特点：,二. 基本公式：,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,二. 基本公式：,1. k与xA的关系,等温时k为常数,2. V0与xA的关系,等分子反应？变分子反应？,3. 等容过程,与间歇反应器的公式相同,等温平推流反应器的计算,等温平推流反应器的计算,全混流反应器,反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,进口中已有产物 （或者进口转化率不为零）,全混流反应器,全混流反应器的图解积分,平推流反应器与全混流反应器的比较,多级平推流反应器的串联,1,2,i,n,与单一平推流反应器相同,多级全混流反

6、应器的串联,全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物浓度的低速率状态，采用多级全混流反应器串联后，可以降低返混影响的程度，提高反应速率或减少反应器体积。 多级全混流反应器串联级数越多，过程就越接近平推流反应器，那么，是不是级数越多越好呢？,稳态，定容,多级全混流反应器串联的计算(解析法),一级反应， m级反应器串联,由于,故,多级全混流反应器串联的计算,各级反应器体积相同时：,或,反应总体积 可见，已知 和最终转化率 ，可求出每级反应釜体积。,多级全混流反应器串联的计算（图解法）,对非一级反应，图解计算更方便 以 为纵坐标，CA为横坐标作图，每一级 均为直线关 系，直线斜率为 ，并经过点 。 又该级的出口浓度 亦满足动力学方程式，若各级反应釜动力 学方程相同，反映到 图上就是同一曲线，由此曲线和上述直线即可确定出口浓度。,各级反应体积相等时，即 相同，各级直线平行。 若各级反应釜内温度不相同，则需作出不同温度下的动力学曲线。 若各级体积不同，各条直线的斜率不同，但仍可求出各釜的出口浓度。,多级全混流反应器串联- 图示,各级反应体积不同,多级全混流反应器串联的优化,反应器的设计中常碰到类

7、似这样的问 题，物料处理量V0，进料组成CA0及最终转化 率 XAm 均提前确定。反应器级数因受生产条 件限制亦确定。如何分配各级反应器的转化 率才合理呢？通常以总体积为目标函数来求 解此类问题即使反应总体积为最小来确定各 级反应釜的转化率。,多级全混流反应器串联的优化,优化,总反应体积最小,一级不可逆反应,i=1,2,m-1,多级全混流反应器串联的优化,可见，对一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联时，若各釜反应条件相同（等温、等容），则要使总的反应体积最小，必需的条件是各釜的反应体积相等。,理想流动反应器的组合与反应体积比较,为了说明反应器组合的情况，下面以一级 不可逆反应为例，探讨平推流反应器与全混 流反应器按不同方式进行组合的情形。 两反应器温度相同，进料流量V0，反应物 浓度CA0，且各反应器体积VR 均相同。,理想流动反应器的组合与反应体积比较,平推流,全混流,(a),(b),反应器体积相同，一级不可逆反应,理想流动反应器的组合与反应体积比较,(c),(d),(e),(g),(f),可见（c）与（d）等效， （e）与（f）等效。 反应物出口浓度， (f)=(e)(d)=(

8、c)(b)(a) 转化率大小顺序相反。,理想流动反应器的组合与反应体积比较,理想流动反应器的组合,工业生产中的应用,某个真实反应器的模型,相同的反应， 相同进料流量和浓度 相同温度和最终反应率,一个全混流反应器与一个平推流反应器的比较,一个全混流反应器与一个平推流反应器的比较,相同条件下全混流 （平推流）， 前者存在返混造成 。 1 转化率越小，两者体积差别越小，采用低 转化率操作，可减少返混带来的影响。但原 料得不到充分利用，可采用循环流程。 2 反应级数越高，返混对反应的影响越严重。 级数高的反应在生产中应注意减少返混。 3 采用多级全混流及反应器串联操作可以减 少返混，提高反应推动力，使的差别减少。,多个全混流反应器串联与一个平推流反应器的比较,一级不可逆反应,二级不可逆反应,多个全混流反应器串联与一个平推流反应器的比较,若以 为纵坐标，以 为横坐标，将上式作成曲线： 1 在串联级数m一定时， 越大， 之比也越大。 2 在最终转化率 一定时，m 越大， 之比越小，接近平推流。当 时，再增加级数所能减少的反应体积也很有限，但会增加设备投资，故应在经济上权衡。 3 一定时，m不同，所

9、得到的最终转化率 也不同。 ， 对二级不可逆反应 或 ，可得到类似的情况。,理想流动反应器中多重反应的选择率,平行反应 - 一个反应物,主副反应速率之比为 称为对比速率 瞬时选择率 (imtantaneous fractional) 总选择率 (over-all fractional field) 二者的关系：S 是反应过程中瞬时选择率s的平均值 平推流： 全混流：,理想流动反应器中多重反应的选择率,温度效应 主、副反应级数分别为n1 ，n2，活化能分别为E1，E2，则,提高温度对活化能高的反应有利 降低温度对活化能低的反应有利,若E1E2, 则在较高温度下进行 若E1E2, 则在较低温度下进行 若E1=E2, 温度变化对选择性无影响,2. 浓度效应,理想流动反应器中多重反应的选择率 平行反应,若n1n2, 较高反应物浓度对主反应有利,若n1n2, 较低反应物浓度对主反应有利,若n1=n2, 反应物浓度对选择性无影响,平推流反应器，低的单程转化率,全混流反应器，加入稀释剂；反应后物料循环,所以，对于平行反应，当主反应级数大于副反应级数时，提高CA, 对 s 有利，可采用平推流反应器（或间歇反应器），或使用浓度 高的原料，或采用较低的单程转化率等，反之，降低CA 对 s有利， 可采用全混流反应器；或使用浓度低的原料（也可加入惰性稀释 剂，也可用部分反应后的物料循环以降低进料中反应物的浓度）， 或采用较高的转化率等,理想流动反应器中多重反应的选择率 平行反应 两个反应物 3 平行反应加料方式的选择两个反应物 n1n2, m

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