第四章 均相理想流动反应器ppt课件

1、第四章 均相理想 流动反应器,化学反应工程,连续操作釜式反应器,4.2,理想置换反应器,4.3,间歇反应器,4.1,第四章 均相理想流动反应器,理想置换反应器,4.4,4.1 间歇反应器,1,2,生产数据法,动力学数据法,3,4,设备之间的平衡,间歇反应器的热量恒算,4.1 间歇反应器,间歇式反应器是间歇操作液相搅拌釜式反应器的简称。在间歇操作液相搅拌釜式反应器中，反应物料按配比一次加入釜内，并开动搅拌，使物料的温度、浓度保持均匀。这种反应器通常配有夹套或蛇管，以保持反应在指定温度范围内进行。经过一定反应时间并达到所需要的转化率后进行出料，完成一个反应周期。,4.1 间歇反应器,图4-1 间歇

2、反应器示意图,4.1.1 生产数据法,首先从工艺设计手册中选取定型设备，容积为 ，再计算设备台数。 设每日总设备操作批数为，则： （4-1）,表4-1 装料系数的取值,4.1.1 生产数据法,设每日（1日按24小时计）每台设备操作批数为，设备操作周期为t（h），则 （4-2） 应安装的设备台数 为 ： （4-3）,4.1.1 生产数据法,设备能力提高的程度称为设备的后备系数，即 ： （4-4） 在某些情况下，由于受生产厂房面积的限制，首先要确定设备的台数n，则由（4-3）式可求出每台设备的容积为 ： （4-5）,4.1.1 生产数据法,例4-1 产量为1500 t/a的40%氧化乐果乳剂生产车

3、间，年开工日为300天。亚磷酸二甲酯工序每批操作周期为：投料10 min，真空稳定5 min，滴加PCl3 80min，搅拌反应恢复真空度15 min，出料10 min。 每天投料：氯甲酯5340 kg（密度1.21103 kg/m3），甲醇2472 kg（密度0.7915103 kg/m3），PCl3 3360kg（边反应，边滴加），装料系数为0.70。试求需用0.5m3的反应釜几台？后备系数是多少？,4.1.1 生产数据法,解：PCl3边反应，边滴加，可不考虑体积。每天投料的氯甲酯和甲醇体积为 ： 又每批反应的周期为： t= 10 + 5 + 10 + 80 + 15 = 120 min

4、= 2h 由 所以 圆整为 台，则后备系数为：,4.1.2 动力学数据法,1.基础设计方程 在间歇反应釜中，由于强烈搅拌，同一时间反应釜内各点的温度、浓度均相同，故可对整个反应釜作组分A的物料衡算。由于是分批操作，在反应过程中无物料加入或引出，于是有： 反应掉的摩尔数 = 积累的摩尔数 即： (4-6),4.1.2 动力学数据法,因为 ,所以 ，即 : （4-7） 对式（4-7）分离变量并积分得： (4-8) 恒容下有 ； ，代入式（4-8）中得： (4-9),4.1.2 动力学数据法,若反应速度与转化率或浓度的关系已知，根据式（4-9）也可用图解积分，求出反应时间，见图4-2：,图4-2 反

5、应速度与转化率（a）和浓度（b）的关系曲线,4.1.2 动力学数据法,例4-2：乙酸和丁醇在一搅拌良好的间歇反应器中生产乙酸丁酯，每天需要处理的原料总体积为23.5m3，乙酸（A）的初始浓度 ，丁醇过量。在少量硫酸做催化剂的条件下，373K温度下，动力学方程式为 , ，计算要求乙酸转化率达到0.5时所需反应器的有效体积和反应器体积。每批辅助时间30min，用一只反应釜，装料系数为0.7。,4.1.2 动力学数据法,解：计算反应时间 将 代入式（4-9）中 则周期为：,4.1.2 动力学数据法,反应器的体积计算 由式（4-5） 反应器有效体积计算,4.1.2 动力学数据法,2.设计计算过程 由式

6、 计算反应时间； 计算操作周期 ； 计算每批物料投放总量 ； 计算反应器的有效体积 : 计算反应器的体积V,4.1.2 动力学数据法,3.校核计算过程 a.生产能力核算 由组成cA0、cAf计算xAf ： 恒容过程 变容过程 求反应时间： 计算操作周期: 求处理量： ，看是否满足要求。,4.1.2 动力学数据法,b.出口组成核算cAf 求单位时间处理的体积： 求每批料所生产周期： 求反应时间： 求cAf，看是否满足生产要求：,4.1.3 设备之间的平衡,一个化工产品的生产，一般需要经过许多工序。设计时必须考虑到各工序之间在操作上的前后协调。,表4-2 间歇聚合过程循环时间分配,4.1.3 设备

7、之间的平衡,总操作批数相等的条件是： （4-10） （4-11） （4-12） 即各工序的设备个数与其操作周期之比要相等。 同时还应使各工序的设备容积之间保持平衡，即： （4-13）,4.1.4 间歇反应器的热量恒算,间歇反应器中，由于良好搅拌，任一瞬间反应器内空间各处物料的温度和组成是均一的，所以可以取整个物料的体积为热量恒算的范围，但温度和组成可能随时间变化，是非定态过程，由于间歇操作，物料带入、带出的热量为0，其他各项热量如下： 化学反应热 = 传递的热量 + 累积热 (4-14) 整理后可得： (4-15),4.1.4 间歇反应器的热量恒算,如果是恒温过程，则式（4-15）中 ，即：

8、（4-16） 此即恒温下间歇反应釜的传热方程。 如果是非等温过程需将物料恒算方程（4-7）与热量恒算方程（4-15）联立求解得： （4-17） 两边积分得： （4-18）,4.1.4 间歇反应器的热量恒算,特别地，当反应釜绝热操作时，式（4-18）右边的传热量为0，即得： （4-19） 当 ，上式可简化为： （4-20）,4.2 连续操作釜式反应器,1,2,单个连续操作釜式反应器,多个连续操作釜式反应器的串联,3,4,连续操作釜式反应器的热稳定性,釜式反应器的搅拌器,4.2 连续操作釜式反应器,连续操作釜式反应器又叫全混流反应器，其结构和间歇反应釜相同，只是物料的操作由间歇改为连续，即连续进料

9、、连续出料，如图4-3所示。,图4-3 全混流釜式反应器示意图,4.2 连续操作釜式反应器,该类反应器的特点为： 流入反应器的物料在瞬间与反应器内的物料完全返混均匀； 反应器内各处参数即、 （或 ）、 等均一，且不随时间变化，是一定态过程； 反应器出口组成和器内组成相同。,4.2.1 单个连续操作釜式反应器,在单釜反应器中，釜内各点温度、浓度、反应速度、转化率与出口物料参数均相同，时间间隔可任意选取且没有物料积累,以整个液体 作为恒算范围。因此在选定的操作温度下，进行反应体积计算时，只需对A组分列出物料衡算式，见图4-3，有： 即 即 （4-21）,4.2.1 单个连续操作釜式反应器,物料的平

10、均停留时间 （4-22） 如反应釜的进口转化率不为0，则： （4-23） 如果考虑反应釜的装料系数 ，则反应釜容积为 ： (4-24),4.2.1 单个连续操作釜式反应器,例4-3：乙酸和丁醇在一搅拌良好的连续操作反应釜中生产乙酸丁酯，原料总体积流量为0.979m3/h，乙酸（A）的初始浓度 ，丁醇过量。在少量硫酸做催化剂的条件下，373K温度下，动力学方程式为 , ，计算要求乙酸转化率达到0.5时所需反应器的有效体积和反应器体积。用一只反应釜，装料系数为0.7。,4.2.1 单个连续操作釜式反应器,解 根据式（4-21）计算有效体积 根据式（4-24）计算反应釜的体积 根据式（4-23）计算

11、平均停留时间,4.2.1 单个连续操作釜式反应器,对于间歇和连续釜式反应器，通过前面的方法，在计算出反应器的体积V后，即可用下述方法进一步确定其具体尺寸。如图4-4所示的反应釜：,图4-4 反应釜的主要尺寸,4.2.1 单个连续操作釜式反应器,该搅拌反应釜的高径比，通常采用经验值：一般搅拌罐液固或液液物料为11.3、气液为12；发酵釜为1.72.5 。图4-4中假设为H/D=1.2左右，采用椭圆形釜底。封头高度H1=0.25D，体积V=0.131D3（不含直边高度的体积），在V已知后，根据下面两式计算出直径D： （4-25） （4-26）,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,工业上，为了

12、抑制逆向混合，可采用多釜串联操作，这就是前面讲到的对反应器进行横向分割以减小返混的典型例子。设VR1、VR2、.、VRn为各釜的有效容积（m3），CA1、CA2、.、CAn为釜内反应物A的浓度（mol/m3），V0为反应物料的体积流量（m3/s） 。,图4-5 多釜串联示意图,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,在流速、各釜体积相同的条件下，串联各釜里的任意一釜i即为一单釜，其物料恒算和前面讲到的单釜完全一样，根据式（4-22）不难得到其基础设计方程： （4-26）,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,（1）代数法 在多釜串联反应器中，前一釜的出料即为后一釜的进料，因此可以利用基础

13、设计式（4-26）以及反应速度式进行逐釜计算，直到达到规定的转化率为止。例如： 第一釜 (i=1) （4-27） 第一釜 (i=2) (4-28) 第n釜 (i=n) (4-29) 则总有效体积为 (4-30),4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,例4-4：乙酸和丁醇在两只串联操作反应釜中生产生产乙酸丁酯，第一只釜乙酸的转化率为0.323，第二只釜的转化率为0.5，其他条件和例4-3相同，求各釜的有效体积。,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,解 由式（4-26）求第一只釜的有效体积 同理求得第二釜体积为 则串联两釜总体积为 和单釜体积 比较，同样条件下，两釜串联可以大大减小反应器

14、的总体积。,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,（2）图解法 a.已知各釜转化率求体积 由式（4-21）可以写出串联釜中任一釜的体积计算方程： （4-31） 即 （4-32） 由动力学方程或者实验数据，作出 xA曲线MN，见图4-6，以第一釜为例，阴影部分OABxA1O的面积SA1即为式（4-32）的值，即： (4-33),4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,图4-6 多釜串联的图解示意,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,b.已知最终转化率和体积求釜数 将式（4-26）变形为： （4-34）,图4-7 转化率与速度的关系,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,例4-5

15、某厂用连续操作釜式反应器生产乙酸丁酯，每只釜的体积为0.22m3,有多台釜可供选择，其他条件同例4-3，求需要反应釜的个数。 解 以 ，恒容 ，求出转化率 相对应的反应速率如下：,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,用表中的数据xA-(-rA)在图4-8上绘制动力学曲线MN；操作线的斜率为 ；过坐标原点做斜率为8.01的直线，交MN线于P1点,依次做出P2、P3点；发现P3所对应的第三台釜的出口转化率恰好等于要求的最终转化率，计算完毕，则需要0.22m3的反应釜3台，可以满足生产要求。,4.2.2 多个连续操作釜式反应器的串联,图4-8 图解求釜数,4.2.3 连续操作釜式反应器的热稳定

16、性,1.热稳定性的定义 所谓热稳定性是指当反应器受到热的扰动后有无自行恢复到原热平衡状态的能力。 化学反应放热速率： 物料 下进入反应器以T流出带走的热量： 物料与换热器传热介质交换的热量:,4.2.3 连续操作釜式反应器的热稳定性,所以对整个反应器来讲总放热速率 和移热速率 如下 （4-35） （4-36） 绝热下 （4-37） 可见热稳定点一定是定态点，但定态点不一定是热稳定的，哪么满足什么条件的定态点才具有热稳定性呢，以恒容一级不可逆放热反应为例 A P (4-1),4.2.3 连续操作釜式反应器的热稳定性,联立放热速率式、反应速率式一级物料恒算式，可得 (4-38),图4-9 连续操作

17、釜式反应器热稳定性示意图,4.2.3 连续操作釜式反应器的热稳定性,总结可得到连续操作釜式反应器的热稳定条件是 如果是可逆放热反应，正反应放热、逆反应吸热，则反应放热线出现一最高点如图4-10中的b点：,图4-10 可逆放热反应的最适宜操作点,4.2.3 连续操作釜式反应器的热稳定性,对于吸热反应，情况较为简单，如图4-11所示。,图4-11 搅拌釜内吸热反应的热效应,4.2.3 连续操作釜式反应器的热稳定性,2.操作条件对热稳定性的影响 改变进口温度的影响,图4-12 改变进口温度得到的不同操作状态,4.2.3 连续操作釜式反应器的热稳定性,进料流量的影响,图4-13 改变进料流量得到的不同

18、操作状态,4.2.4 釜式反应器的搅拌器,釜式反应器内的浓度、温度均一，其根本条件是保证搅拌充分，造成流体的流动和混合，使反应及传质和传热得到强化。通常釜内的搅拌作用有以下几种效果。 拌合 悬浮 分散 传热,4.2.4 釜式反应器的搅拌器,图4-14 常用的桨叶形状,4.2.4 釜式反应器的搅拌器,液体在搅拌器的作用下，在设备内的流动有三个方向，即轴向、径向和切线方向，分别对应流体的三种流动形态，如图4-15。,图4-15 釜内液体流动形态,4.2.4 釜式反应器的搅拌器,主要桨叶的特征如下。 桨式 涡轮式搅拌器 推进式 锚式和框式 螺带式和螺杆式,4.2.4 釜式反应器的搅拌器,表4-3 几

19、种桨叶在不同要求下的不同适用情况,4.2.4 釜式反应器的搅拌器,续上表,4.3 理想置换反应器,1,2,等温理想置换反应器的设计方程,管式反应器的直径和长度计算,4.3 理想置换反应器,物料流动特点： （1）由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器内的停留时间相同； （2）在同一截面上，不同径向位置的流体特性（温度、组成等）是一致的； （3）在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。,4.3.1 等温理想置换反应器的设计方程,图4-16 加压管式反应器 1加料器，2压缩机，3反应器,4.3.1 等温理想置换反应器的设计方程,体积 和

20、空时 的计算,图4-17 平推流反应器的物料恒算示意图,4.3.1 等温理想置换反应器的设计方程,进入量=排出量+反应量+累积量 (4-39) 由于 （4-40） 则 （4-41） 所以 （4-42）,4.3.1 等温理想置换反应器的设计方程,式（4-42）即平推流反应器的物料恒算微分方程。将其积分得： （4-43） （4-44） （4-45） 对恒容过程 （4-46）,4.3.1 等温理想置换反应器的设计方程,平推流反应器的平均停留时间 平推流反应器中所有微元体的停留时间都等于其平均停留时间。即： (4-47) 根据平推流反应器的物料恒算有 ，且 则 （4-48）,4.3.1 等温理想置换反

21、应器的设计方程,例4-6：在一连续操作管式反应器中生产乙酸丁酯，其他条件同例4-2，试计算反应器体积。 解 由例4-2知 代入式（4-44）有,4.3.1 等温理想置换反应器的设计方程,例4-7 乙醛分解反应，反应式为 CH3CHO CH4CO 乙醛在520和0.1MPa大气压下以0.1kg/s流率进入理想管式反应器进行分解反应。已知在该反应条件下反应为不可逆二级反应，反应速率常数k=0.43m3/kmols。试求进料乙醛分解35%的反应容积、空时和平均停留时间。 解 由反应式可知膨胀因子为：,4.3.1 等温理想置换反应器的设计方程,由第二章式（2-34）、（2-37)得反应速率方程： 管式

22、反应器的体积为： 两式结合得,4.3.1 等温理想置换反应器的设计方程,根据反应器温度和压力，反应器进料体积流量为 空时为 平均停留时间为,4.3.2 管式反应器的直径和长度计算,（1）已知物料在管内的流速 （m/s），则可按下式求管长（L）和管径（d ） (4-49) 因为 （4-50） 则管径 (4-51) 按上两式计算的结果，如果L太大，可将m个设备按串联方式布置。如果d太大，则可将m个设备按并联方式布置。,4.3.2 管式反应器的直径和长度计算,（2）已知物料在管内的流动状态Re值 （4-52） 而反应物料的体积流速V0为 （4-53） 由式（4-51）和式（4-52）联立得： （4-

23、54） 所以 （4-55） 求出d值后，可按式（4-50）计算管长度。,4.3.2 管式反应器的直径和长度计算,（3）已知传热面积 （4-56） 而 ，所以 (4-57),4.3.2 管式反应器的直径和长度计算,例4-8 年产100t烟酸设计中，三聚乙醛与氨在连续平推流型管式反应器中进行缩合反应，制备2-甲基-5-乙基吡啶。已知进料6975.5 kg/d，混合物密度960 kg/m3，粘度为1.510-3Ns/m2，在管内停留时间为20 min，流速0.476 m/s。求管式反应器体积、管径和管长。,4.3.2 管式反应器的直径和长度计算,解：物料体积流量为 由公式（4-53）得 管长 反应器体积,4.4 反应器的优化,1,2,简单反应和反应器,复杂反应和反应器,4.4.1 简单反应和反应器,根据反应级数和转化率来选择反应器 一个单一反应如A P的反应，如果分别在平推流和全混流反应器中进行，速率为 。由于反应器的性能特征不同，将表现出不同的结果。 对平推流反应器恒温恒容下进行时其设计方程为 （4-58） 全混流反应器恒温恒容下设计方程为 （4-59） 两式相除得 （4-60）,4.4.1 简单反应和反应器,以 为纵坐标， 为横坐标，在对数