反应工程第三章课件解析.ppt

* 4 间歇反应器的最优操作时间 1 物料衡算 第一节 间歇式完全混合反应器 第三章 均相反应过程 2 热量衡算 3 反应容积的计算 Date 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 Date （无返混） （返混程度最大） 理想反应器 理想混合反应器 （完全混合） 平推流反应器 （无返混） 间歇式完全混合 连续式完全混合 Date 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 Date 第一节 间歇式完全混合反应器 Date 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 Date 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： 积累 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 __ = 输入=输出=0 Date 积分得： ——间歇完全混合反应器的设计方程 Date 2 热量衡算 单位时间 内输入的 热量 单位时间 内输出的 热量 单位时间 的反应热 单位时间 内累积的 热量 __ = 输入热量 输出的热量=0 单位时间的反应热 对于间歇式反应器： Date 对于恒容过程 ： 积累 ——变温操作热衡算式，操作方程 Date 对于非等温操作： 与设计方程联立，用龙格库塔法求解 对于绝热操作： 积分： Date 3 反应容积的计算 ：反应时间 ：辅助时间 ：辅助时间单位时间内处理的反应物料的体积 Date 实际反应器的体积 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 Date 例 3-1 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： 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： 1 2 k k Date 100℃时： 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，若反应器填充系数去 0.75，则反应器的实际体积是多少？ Date 分析 ： 求求 已知 求和 设计方程 已知 Date 解： 首先计算原料处理量 每小时的乙酸用量为： 由于原料液中A:B:S=1:2:1.35 原料液中含1kg乙酸 原料液量为： Date 原料液的起始组成： 由求反应时间应时间 Date 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： 式中： Date Date 所需的反应体积为： 反应器的实际体积为： Date 4 间歇反应器的最优操作时间 一定 目标函数 增大减小 减小 Date 1.以单位时间的产品产量为目标 反应 ，反应产物R的浓度为 ，单位时间 的产品产量为： Date ——单位时间产物产量最大所必须满足的条件 求法 图解法 数值法 Date a) 图解法 M cR t 0 A t0 Date b) 数值法 用直接迭代法或牛顿-拉夫森法求得满足上述关系的t值 Date 2.以生产费用最低为目标 ：辅助操作费用 ：单位时间内反应操作费用 ：固定费用 ：单位质量产品的总费用 Date ——生产费用最小所必须满足的条件 Date 用图解法求解 N B cR t 0 Date 例2：在间歇反应器中进行等温2级、1级、0级均相反 应，分别求出转化率由0至0.9所需的时间与转化率由0.9至 0.99所需时间之比。

n解：在间歇反应器`中： n 0级反应： n1级反应： n2级反应： ， ， ， Date 例3：液相自催化反应的速率方程为 mol/(L·h)，在等温间歇釜中测定反应速率， CA0=0.95mol/L，CB0=0.05mol/L，经过1小时后可测得反 应速率最大值，求该温度下的反应速率常数k n解：CB=CA0+CB0-CA=1-CA n反应速率最大时： n得到CA=0.5 mol/L n对反应速率式积分得到， n代入数据得到k=2.944 L/(mol·h) Date 第二节 半间歇式釜式反应器 以二级不可逆反应为例 反应速率方程为： 假设B间歇投料，A缓慢连续加料，则： Date 对A进行物料衡算： 输入 = 输出 = 0 积累 = 反应 = Date 对总物料衡算： 分离变量 试分析反应物A的浓度随时间如何变化？ Date Date 产物浓度的表达式： A反应掉的摩尔数 ： P生成的摩尔数 ： Date 产物P的浓度随时间如何变化？ Date t=0 时，Q=0,时， 对于放热反应，可通过控制A的加入速度 来方便地控制反应的放热速率，实现对反应温度的控制 操作中的反应放热速率： Date 第三节 全混流反应器 1 物料衡算 2 反应器中其他时间表示方法 3 设计方程的应用 4 间歇反应器和全混流反应器的比较 5 全混流反应器的热衡算与热稳定性 Date 第三节 全混流反应器 1 、物料衡算 输入 = 输出 = 积累 = 0 A的反应量 = Date —— 全混流反应器的设计方程 定义空时 Date 代表反应器处理物料的能力 变小，处理能力变大 对于均相反应： （体积空速） 对于非均相反应，常以催化剂质量多少表示反应器的体积 空速:单位反应体积，单位时间内所处理的物料量 Date 2 、反应器中其他时间表示方法 反应物料进入反应器后，从实际发生反应的 时刻起到反应达某一程度的时间。

指反应物粒子从进入到离开反应器的时间 对于间歇反应器和平推流反应器，反应时间和停留时间相同 对于全混流反应器，由于可能有短路，死区和循环流，物料 在器内停留时间不同，具有停留时间的分布，此时常用平均 停留时间来表征 1）反应时间： 2）停留时间： Date 反应器的有效容积与器内物料的体积流速 之比 3）平均停留时间与空时 和含义不同: 非恒容过程，两者不同 平均停留时间： 恒容过程两者是一致的 Date 例 3-2 如上例，取 时， Date 3 设计方程的应用 已知-rA，可求得不同空时下的组成 例: 对于一级不可逆串联反应： 求 Date 对于着眼组分A有： 对于着眼组分P 有： Date 由于 : Date 可得 时： 此时： Date 4 间歇反应器和全混流反应器的比较 B A Date 对对于间间歇反应应器，不考虑辅虑辅 助操作时间时时间时 ，其有效容积积： 全混流反应应器，有效容积积： 当时时: 即间间歇反应应器的容积积与所需全混流反应应器的容积积之 比等于相应应的反应时间和空时之比 Date 令: ------全混流反应应器的容积积系数 即: Date 设设反应级应级 数为为n 对对于各种n值值求解，结结果列于下表中: Date n -1 0 1 0.5 1 2 3 表达式 Date 应应用结结果计计算出n值值下随的变变化，如图图: 1 0.8 0.6 0.1 0 00.20.40.60.81.0 Date 5 、全混流反应器的热衡算与热稳定性 1）热衡算 输入 = 输出 = 积累 = 0 反应热 = Date 绝热时： —— 全混流反应器的操作方程 Date 与设计方程联立可求出反应温度 与间歇釜式反应器对比，反应温度与转化率、反应时间的关系 Date 反应器的热量衡算式为： 令： 2）全混流反应器的热稳定性分析 ——反应器内的放热速率 Date 令： 则上式变为： 当定态操作时： ——散热速率 Date 以一级不可逆反应为例，对于一级不可逆反应，有： 由反应器的设计方程得： Date 对对 T 作图为图为 S型曲线线，如图图: τ下降 v0增大 分析τ、 v0 、CA0、与曲线形状的关系 Date 由知， 曲线为一直线 直线的斜率 ： 截距： Date 分析料液的起始温度与曲线形状的关系： 增大，直线右移，斜率不变。

Date 提高冷却介质的温度： 增大，直线右移，斜率不变 Date 分析进料流率对散热线的影响： 绝热， v0=0或A=∞ Tm Date 若为绝热反应，则由热量衡算式知： 在常态下应满足： 将和同时标绘时标绘 在一张图张图 上： Date Date 多重定态： 满足热平衡条件的状态 稳态： 当有微小扰动时，具有自衡能力的定态 多重定态现象的存在可能使操作条件连续变化的反应器 的操作状态发生突变 Date 增大 Ta TbTcTdTe Date Date 3）全混流反应器热稳定性的判据 所有稳定的定常态点具有的特征：散热线的斜率大于 放热曲线的斜率 (a) Date 定态时，由物料衡算知： 即： (b) Date 将 (b) 代入 (a) ： ——保守的判据 Date 对于绝热反应n级： 代入： Date 绝热操作时，定态点 稳态操作： ——绝热操作的全混流反应器允许的 最大温升 Date n 例： 在全混流反应器中进行等温一级 不可逆反应，反应物初浓度为CA0，转化 率为xA，当反应器体积增大到n倍时，反 应物A的出口浓度为 ，转化率为 Date 例：在一全混流反应应器中进进行下列一级级不可逆串联联反 应应： 目的产产物为为P，反应应器体积为积为 V，体积积流量为为v0，进进料 为纯为纯 A组组分，浓浓度为为CA0。

（1）各组组分的浓浓度表达式； （2）导导出产产物P的总总收率、选择选择 性表达式； （3）导导出产产物P浓浓度达到最大所需的空时时，即最优优空 时时 n解： 全混流反应器中对A组分作物料衡算 k1k2 APS 对P组分作物料衡算： Date P的总收率： P的总选择性： P的浓度达到最大需满足： 得到最优空时： Date 第四节 多釜串联组合的全混流反应器 1.流程 2.多釜串联反应器的总容积 3 多釜串联全混流反应器的最优容积比 Date 第四节 多釜串联组合的全混流反应器 1.流程 Date 对对作图图 Date 2.多釜串联反应器的总容积 1）解析法 以一级不可逆反应为例，对于恒容系统，任意第i个反应 器有： 即： Date 假设设反应应是等温反应应，，有： 令各釜的空时时相等，则则： N个反应应器的总总容积积: Date 2）图解法 当反应级应级 数可用图解法计算 Date 3 多釜串联全混流反应器的最优容积比 对于第i个反应器，有： 反应流体在N个串联全混流反应器的总的空时： Date 满满足 为为最小的条件: 得： ——满足总容积最小的条件 Date 对于一级不可逆反应： 可得： Date 两边边同时时乘以，可得： 对于非一级反应，需求解非线性代数方程组得各釜 出口转化率，然后再计算反应体积，或用图解法确定各 釜出口转化率。

Date 结论： 总反应体积最小的条件： 反应物流流动方向，各釜的体积依次增大，即 小 釜在前，大釜在后 n1时: 各釜反应体积依次减小0间歇全混流平推 流反应器 此时所需的反应容积： （对于n0的不可逆等温反应均有此特征） Date xAxA xA 平推流反应器全混流反应器多釜串联全混流 Date Ⅱ) 随单调递减 （对于n平推流反应器多釜串联全混流单 釜全混流 此时所需的反应容积： Date (全混流。