第一章_反应器基本理论1

1、第一章第一章 反应器基本理论反应器基本理论 第一节第一节 理想反应器理想反应器 一、基本的反应器型式一、基本的反应器型式 二、连续操作反应器的流动特性二、连续操作反应器的流动特性返混返混 三、理性反应器三、理性反应器 一、基本的反应器形式一、基本的反应器形式 间歇操作的搅拌釜 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 特点：物料一次加入，一起放出，全部物料t相同时，T，n 可以达到均匀一致，反应物料的温度和浓度等操作参数随时 间而变，不随空间位置而变。 装置简单、操作方便、灵活、适应性强，应用广优点 缺点 设备利用率不高，劳动强度大，不易自动控制，产品质 量不稳定 连

2、续操作管式反应器 Piston Flow Reactor (PFR) 特点：一端加入反应物，一端引出，n，v沿流动方向 逐渐降低，定常态时，各参数不变 优点：设备利用率高，节省劳力，产品质量稳定，易 于控制，适合于大规模生产 连续操作搅拌釜 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 特点：强烈搅拌，反应器内各点T，n相同，物料 随进随出，出口物料n与釜内反应物相同 优点：反应物的浓度、温度及v（速率）保持恒定不变，对 自催化反应有利 缺点：釜内n很低，v很慢，达到同样的P，需要的VR(反应容 积)较大、时间较长 二、连续操作反应器的流动特性二、连续操作反应器的

3、流动特性-返混返混 1.混合现象的分类 v流体粒子（微元）在空间顺序上的混合空混 流体在反应器内流动，不论其因何种原因而产生的流体粒子在反 应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空 间混合，简称空混。 空混=0 空混= 空混越大，传质越快，传热越好，各位置的 浓度、温度的差异就越小，导致反应器内浓 度、温度的均匀。 按混合对象的年龄来分：按混合对象的年龄来分： 年龄年龄物料在反应器中已经停留的时间。 寿命寿命物料在反应器中总共停留的时间 对仍留在反 应器中的物 料而言 对已经离开 反应器的物 料而言 （1）相同年龄物料之间的混合）相同年龄物料之间的混合同龄混合同龄混合 例如：间

4、歇反应过程中搅拌引起的混合例如：间歇反应过程中搅拌引起的混合 v流体粒子（微元）在时间顺序上的混合返混 具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合，称为返混。所谓逆向， 是指时间顺序上的颠倒，比如先进入反应器的物料的粒子后流出反应器， 而后进入反应器的物料的粒子却先流出反应器。 例如：连续流动的釜式连续流动的釜式 反应器反应器 返混=0 返混= 在连续操作的反应器中， 返混的程度越大，显著地降低 了反应物的浓度。一般来说一般来说，返混对反应来说是一个不 利的因素，它影响反应器的生产能力。 （1）不同年龄物料之间的混合）不同年龄物料之间的混合返混返混 连续操作反 应器特有的 现象 2.返混与停留时

5、间分布 停留时间分布 RTD（residence time distribution） 在连续反应器中，同时进入反应器的物料粒子，有的很快从出口流出， 有的则经过很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定的分 布。 返混停留时间分布 ？ 返混的两个孪生现象 改变反应器的浓度分布 造成物料的RTD 不存在一一对应关系！不存在一一对应关系！ 相同的相同的RTD可以有不同的返混情况可以有不同的返混情况 停留时间分布有两种 年龄分布 寿命分布 对象 描述 关系 反应器内的物料反应器的出口物料 从进入反应器的瞬间开始算 年龄，到所考虑的瞬间为止， 不同年龄的物料粒子混在一 起，形成一定的分布。 从

6、进入反应器的瞬间开始算寿命， 到离开反应器瞬间为止，反应器 的出口物料中不同寿命的物料粒 子混在一起，形成一定的分布。 两者存在一定的关系，可换算，一般通过实验测定寿命分布。 涡流与扰动 速度分布 沟流、填料 或催化剂装 填不均匀 短路 3. 返混产生的原因 死角 4.返混对化学反应的影响 1)总的来说，使产品的收率、质量降低。 2)返混使反应物的浓度降低。 3)返混使系统中的温度分布和浓度分布趋于平坦，对 要求有较大温度差或浓度差的场合不利。 思考？ ？ 返混对化学反应一定是不利的吗？ 自催化反应可控制在最佳浓度下操作 复杂反应 反应物浓度高有利于副 反应进行时 有利！ 冲稀的 作用 返混对

7、连串副反应是有利还是返混对连串副反应是有利还是不利不利的因素？的因素？ （1）平均停留时间 物料流过反应器所需要的时间 反应器的有效容积物料的体积流量 5. 5. 各种不同反应器中时间的概念各种不同反应器中时间的概念 反应器几何容 积中，用于反 应的体积。 连续反应器中 的液相反应 反应器内（T、P） 下的体积流量 （2）空间时间 简称空时， 用 表示 意义：处理一个VR的物料所需要的时间。 （3）空间速度 简称空速 Sv=1/ =v/VR=入口体积流量/反应器有效体积 意义：单位反应体积、单位反应时间内所处理的物料量 小结小结：从 、Sv的意义可知道，它们均表示连续 反应器的生产能力。 小，

8、Sv大，生产能力大， 两者均表示入口状态下反应器的生产能力，一般 用于描述连续反应器中的气相反应连续反应器中的气相反应。 （4）反应时间 t 反应持续的时间，指反应物料达到所要求的 转化率所需持续的时间，用于描述间歇反应间歇反应。 平推流全混流中间流 返混 程度 不存在返混返混程度最大 部分返混 特点 流体通过细长管道时，与流 动方向成垂直的截面上，各 粒子的流速完全相同，就像 活塞平推过去一样，粒子在 轴向没有混合、扩散。 物料一进入反应器就均匀 分散在整个反应器内，物 料在反应器内的停留时间 有长有短，最为分散。 非 理 想 流 动 实例 细长型的管式反应 器，当Re数很大时， 接近PFR

9、 连续搅拌釜CSTR 实际生产中 连续操作的 反应器 间歇反应釜返混程 度为零 理想反应器 三、理想反应器 nRe又为雷诺数（Reynolds number）的数学符号，一种可用来表 征流体流动情况的无量纲数。公式为：Re=vd/，其中v、 分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流 体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流 动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。 例如，对于小球在流体中的流动，当Re比“1”小得多时，其阻力 f=6rv（称为斯托克斯公式），当Re比“1”大得多时， f=0.2r2v2而与无关。 n雷诺数小，意味着流体流动时各质

10、点间的粘性力占主要地位， 流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷 诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流 动状态，一般管道雷诺数Re4000为紊流 状态，Re=20004000为过渡状态2。在不同的流动状态下，流 体的运动规律流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平 均流速与最大流速max的比值也是不同的。因此雷诺数的大小 决定了粘性流体的流动特性。 间歇反应器间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器 连续流动反应器连续流动反应器 返混极大 (a) (b) (c) 三、理想反应器 BSTR PFR CSTR 1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加

11、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 三、理想反应器 第二节 等温等容过程反应器容积 一、反应动力学基础 二、间歇釜式反应器 三、连续管式反应器 四、连续釜式反应器 五、多釜串联反应器 1、反应速率及其表达式、反应速率及其表达式 均相反应 的速率 +表示生成速率，当 A为生成物时 -表示消耗速率，当 A为反应物时 意义：单位时间，单位体积反应物料中某一组分摩尔 数的变化。 转化率反应物转化掉的量占原始量的分率 反应速率用转化率 表示 一、反应动力学基础一、反应动力学基

12、础 反应速率方程式 定量描述反应速率与温度和浓度 的关系式（动力学方程） AR k (-rA)=kCAn 反应级数 速率常数 不同组分表示化学反应 速率关系 2. 浓度对反应速率的影响 基元反应：质量作用定律基元反应：质量作用定律 反应级数反应级数是速率对浓度敏感的标志。 a. 不可逆反应的反应物浓度越高，r越大。 b. n越大，A的浓度变化对r的影响大。 c. 为改善高级数反应的转化率，工业上常采 用使某种反应物过量的有效方法。 rA=kCAaCBb 质量作用定律 n19世纪中期，德贝格和 瓦格提出：化学反应速率与反应物化学反应速率与反应物 的有效质量成正比的有效质量成正比。此即质量作用定律

13、，其中的有效质量实 际是指浓度。近代实验证明，质量作用定律只适用于基元反 应，因此该定律可以更严格完整地表述为：基元反应的反应基元反应的反应 速率与各反应物的浓度的幂的乘积成正比，其中各反应物的速率与各反应物的浓度的幂的乘积成正比，其中各反应物的 浓度的幂的指数即为基元反应方程式中该反应物化学计量数浓度的幂的指数即为基元反应方程式中该反应物化学计量数 的绝对值。的绝对值。如对基元反应NO2+CO=CO2+NO，其速率方程 式可根据质量作用定律写作： nr=kNO2CO 式中r为反应速率，NO2、 CO分别 为反应物NO2和CO的浓度，k称为反应的速率常数。根据质 量作用定律，基元反应的级数与反

14、应的分子数是相等的。基元反应的级数与反应的分子数是相等的。 3. 温度对反应速率的影响 从阿累尼乌斯方程可看出：从阿累尼乌斯方程可看出： 反应速率对温度敏感的程度取决于反应速率对温度敏感的程度取决于E的大小的大小 4. 转化率、收率和选择性转化率、收率和选择性 转化率 X-针对反应物反应物而言 注意：注意： 1. 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来X 是不一样的 2. 关键组分关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相 对而言） 针对关键组分计算，可使X最大到100% 计算基准：起始状态选择问题（分母部分的计量） 使用的原则： 对于连续反应器对于连续反应器，进口处的状态 间歇反应器

15、间歇反应器，开始反应时的状态 串联使用的反应器串联使用的反应器，进入第一个反应器的原料为准 如图1.2所示的甲醇合成流程简图，生产中采用循环操作，一部 分未能转化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全转化反应 物的循环，在计算全程转化率时，计算基准为新鲜原料进入反 应系统到离开所达到的转化率。而单程转化率是一次性从反应 器进入到离开所达到的转化率。两者相比较，全程转化率必定 大于大于单程转化率。 单程转化率和全程转化率的区别单程转化率和全程转化率的区别 收率与选择性收率与选择性-是对反应产物而言的是对反应产物而言的 注意: 1. 对于单一反应 Y=X(关键组分)(无论用哪种产物计算结果 均是如此

16、) 对于复杂反应 YX 2. 收率也有单程和全程之分（循环物料系统） 无论是收率还是选择性,还有其它的定义(结果不一样，但说 明同样的问题) 3. 转化率X只能说明总的结果，Y说明在转化的反应物生成 目的产物的比例，评价复合反应。 理论上应生成的理论上应生成的 产物量产物量 例：甲苯（M=92）用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸，甲苯投 料量为184kg，反应产物中含对甲苯磺酸258kg，未反应的 甲苯18.4kg，则甲苯的转化率为 (184-18.4) /184 ，对 甲苯磺酸（M=172）的选择性为 0.75/0.9 ，收率为 ( 258/172 ) /(184/92) 。 X=90% ，S= 8

17、3.3% ， Y=75% 选择性选择性S，其定义为，其定义为 同一原料经几种不同反应可生成不同产物时，可用消耗的原料 中转变为特定产物的分率表示，即用实际生成的特定产物之摩 尔数除以所耗用的原料在理论上能生成的同一产物之摩尔数 典型反应过程的反应器体积计算典型反应过程的反应器体积计算 设计型 操作型 根据物料处理量及反应工艺要求根据物料处理量及反应工艺要求，选选 择反应器类型择反应器类型，求求VR 根据反应特征及反应器体积根据反应特征及反应器体积，决定最优决定最优 控制条件控制条件，使反应过程达到优化目标使反应过程达到优化目标. 反应器计算的基本方法反应器计算的基本方法 1.建立动力学方程 2

18、. 物料衡算方程 a. 选取关键组分 b. 选择控制体 c. 温度、浓度均一，才可取 单位时间，否则微元时间 选控制体的原则选控制体的原则 如果反应器内各处浓度均一,衡算的控制体选整个整个 反应器反应器,存在两个或两个以上相态,各点物料组成 未必相同,选微元体积微元体积为控制体. 对确定的关键组分：对确定的关键组分： 进入反应器的物料量=引出反应器的物料量+ 反应消耗的物料量+累积的物料量 12 34 间歇： 1=2+3 连续： 1=2+3 半连续： 1=2+3+4 二、间歇釜式反应器二、间歇釜式反应器 特点特点： 1.分批装、卸分批装、卸(周期性、非稳态性周期性、非稳态性)； 2.适用于不同

19、品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、 试剂、助剂等生产。试剂、助剂等生产。 3.整个操作时间整个操作时间=反应时间反应时间+辅助时间（装辅助时间（装+卸卸+清洗）清洗） (每批）每批） 计算计算 经验估计经验估计 A+B C A为为 关键组关键组 ，对整个反应器作物料，对整个反应器作物料A的衡算的衡算 二、间歇釜式反应器二、间歇釜式反应器 基础设计式基础设计式 等容过程等容过程 基础设计式基础设计式 基础设计式基础设计式 讨论：讨论： 1. 2. 图解法图解法 一级反应一级反应 二级反应二级反应 零级反应零级反应 =1，t与与CAO无关无关 一

20、批操作总时间一批操作总时间 单位时间内处理的反应物料的体积单位时间内处理的反应物料的体积 辅助时间辅助时间 讨论：讨论：1. v + v 反应容积反应容积辅助容积辅助容积 W为Kmol/h 对于沸腾或易发泡液体物料： =0.40.6 对于一般流体 ： =0.70.85 3.最优反应时间最优反应时间 目标函数目标函数：单位操作时间的产品质量最大：单位操作时间的产品质量最大 A R 单位操作时间的产品产量 对反应时间求导 最优时间最优时间 目标函数目标函数：以生产费用最低：以生产费用最低 3.最优反应时间最优反应时间 设单位时间内反应操作费用为a ，辅助操作为a0，固定费用为af 单位质量产品的总

21、费用：AT= a+ a0 +af VRCR 对反应时间求导 最优时间最优时间dAT/dt=0 单位时间单位时间 设计式设计式 设计式设计式 空时空时=平均停留时间平均停留时间 等容等容 讨论讨论：可知在等容过程中，对在相同的反应条件下的同一反应，达到同样的 转化率，理想管式反应器中需要的停留时间与间歇釜中需要的反应时间是相同 的。所以，可以用间歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。可以用间歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。 原因：物料在这两种反应器中都没有返混。原因：物料在这两种反应器中都没有返混。 一、连续釜式反应器的特点一、连续釜式反应器的特点： 1.反应器的参数不

22、随时间变化 2.不存在时间自变量，也没有空间自变量 3.多用于液相反应，恒容操作 4.出口处的C, T=反应器内的C, T 注意：注意： 反应器内C、T恒定，不随时间变化，也不随位 置变化。所以其内的 在各点处相同，也不随时 间变化-等速反应器。 设计式设计式 讨论：讨论：同一反应，达到同样的转化率与产量，CSTR需要的 容积较PFR和BSTR大得多。 原因：原因：CSTR中返混程度最大，反应始终在最低浓度下进行。中返混程度最大，反应始终在最低浓度下进行。 改进：改进：采用采用多釜串联多釜串联的办法的办法 可见串联的釜可见串联的釜 数越多，反应数越多，反应 时的浓度提高时的浓度提高 越多，反应

23、速越多，反应速 度越快，需要度越快，需要 的反应时间或的反应时间或 反应器容积就反应器容积就 越小。越小。 设计式设计式 设计式设计式 计算计算式式 设计式设计式 1. 知道N，各釜的，求XAN, CAN 2. 已知XAN, CAN ，求VR=N* * 对于非一级反应，没有解析解，需要进行逐釜计算。根对于非一级反应，没有解析解，需要进行逐釜计算。根 据已知条件，可以将逐釜计算过程分成如下两种。据已知条件，可以将逐釜计算过程分成如下两种。 （1） 每一个单釜的体积每一个单釜的体积Vri已知已知 此时每个釜的空时此时每个釜的空时已知已知 XAp或或CAp（逐一的计算），（逐一的计算）， 直至求出到

24、达直至求出到达XAN所需的釜数所需的釜数N。 （2） 釜数釜数N已知已知 需要先假设空时需要先假设空时，按（，按（1）的方法逐釜计算）的方法逐釜计算 求出第求出第N 个釜出口的转化率，并与要求的转化率个釜出口的转化率，并与要求的转化率XAN对比，如果不对比，如果不 一致需要重新假设空时一致需要重新假设空时，重复进行计算，直到两者吻合，重复进行计算，直到两者吻合 为止。为止。 例题：化学反应例题：化学反应 CBA D 催化剂 该反应在全混流反应器中进行，反应温度为该反应在全混流反应器中进行，反应温度为20，液料的体，液料的体 积流量为积流量为0.5m3/h, CA0=96.5mol/m3, CB

25、0=184mol/m3,催化剂的催化剂的 浓度浓度CD=6.63mol/m3。实验测得该反应的速度方程为：。实验测得该反应的速度方程为： rA=kCACD 式中式中k=1.15*10-3m3/(mol.ks)。若要求。若要求A的转化率为的转化率为40%，试，试 求反应器的体积。求反应器的体积。 解：设解：设A的转化率为的转化率为x，则有：，则有： DAA CxkCr)1( 0 DDA A A A Cxk x CxkC xC r xxC )1 ()1 ( )( 0 000 hks28.244 .87 )63. 6)(4 . 01)(1015. 1 ( 40. 0 3 3 0 14.1228.24

26、5 . 0mVVR P13，1-14 例题：某二级液相反应例题：某二级液相反应A+BC，已知，已知CAo=CBO ， 在间歇反应器中达到在间歇反应器中达到x=0.99，需反应的时间为，需反应的时间为 10min, 在全混流反应器中进行时，在全混流反应器中进行时， 应为多少？应为多少？ m 000 9 .9 )99.01 (10 99.0 )1 ( AAA CCxC x k （）在单个（）在单个CSTR中中 2 0 )1 (xkC x A 解：解：在间歇反应器中，对二级反应在间歇反应器中，对二级反应 （CA0=CB0,所以相当于所以相当于 r=-kCA2） 0 2 0 2 0 9900 )99.

27、01( 99.0 )1( AAA CCxC x k (1)=(2) 则 P9,1-10 (2) min1000 0 V V R m P14,1-10a (1) 第三节第三节 反应器型式及操作方式的选择反应器型式及操作方式的选择 决策变量 技术目标 经济目标 反应器的型式、结构、尺寸的选择 转化率 设备费用 反应器操作方式的选择 选择性 原料费用 反应器工艺和操作条件的选择 能耗 操作费用 依据：用同样数量的原料能生产出最多的产品，用同样数量的原料能生产出最多的产品， 而且反应器容积要小。而且反应器容积要小。 1. BSTR 与 PFR a. 两者所需要得反应容积相等两者所需要得反应容积相等 b

28、. 由于由于 ，VBSTRVPFR c. 小，小， 大的反应，宜用大的反应，宜用PFR 2. BSTR 与 CSTR 一级反应一级反应 讨论： 1. 超过某一值后，超过某一值后， VBSTRVCSTR 2. 对速度很快的反应，对速度很快的反应， 很小，也会使很小，也会使 得得 VBSTRVCSTR 3. 对反应速度较快，对反应速度较快， 相对较长的反应，相对较长的反应， 不适宜用不适宜用BSTR 3. CSTR与PFR CSTR的容积效率：VP/VM P/M XA,V相同 与级数有关与级数有关 讨论： 1. 零级反应，零级反应，1，两者容积相等，两者容积相等 2. XA一定，随着一定，随着n

29、， ， VmVp 3. 总总Vp 4. 多釜串联反应器与多釜串联反应器与PFR 一级反应 讨论： 1. N1，单个连续釜的，单个连续釜的最小最小 2. N， 1， 多釜串联总容积多釜串联总容积V VPFR PFR 3. 当当N少时，增加釜数，少时，增加釜数， 增大增大 明显，当明显，当N多时，效果不明显，多时，效果不明显， 实际生产一般不超过实际生产一般不超过4. 连续反应器的串并联连续反应器的串并联 多釜串联有利使用单釜有利 釜式反应器的并联釜式反应器的并联 操作中有分配加入每个反应器中物料量的问题，那 么如何分配呢？ 通常可以采取通常可以采取1=2，这时整个反应系统最优。，这时整个反应系统最优。 即要即要 这时这时 釜式反应器的串联釜式反应器的串联 串联釜式反应器各釜的最佳反应体积串联釜式反应器各釜的最佳反应体积 优化的目标函数为 对于 级反应， ，得到的结论为： 1 01 =1 =0 EE2 2, , 则在较高温度下进行则在较高温度下进行 若若E E1 1Enn2 2, , 较高反应物浓度较高反应物浓度 对主反应有利对主