第八章均相反应过程

1、化工过程化工过程：一个特定的化工产品：一个特定的化工产品, ,从原料到产从原料到产品的生产过程。品的生产过程。原料原料预处理预处理化学反应化学反应后处理后处理产品产品化学反应化学反应这一步是化工过程的这一步是化工过程的核心核心，起着，起着主导作主导作用用，它的要求和结果决定着预处理的程度和后处，它的要求和结果决定着预处理的程度和后处理的难度。理的难度。化学反应器化学反应器是用于化学反应的设备，是化工企是用于化学反应的设备，是化工企业的关键装置。业的关键装置。对反应器的要求对反应器的要求1反应器反应器要有足要有足够的体够的体积积2 反应器反应器 要有适要有适 宜的结宜的结 构构4 反应器反应器

2、要有足要有足 够的机够的机 械强度械强度 和耐腐和耐腐 蚀能力蚀能力3 反应器反应器 要有足要有足 够的传够的传 热面积热面积5反应器要反应器要 易操作易操作 易制造易制造 易安装易安装 易维修易维修00进料进料出料出料反应釜反应釜出料出料进料进料管式反应器管式反应器气体气体气体气体液体液体液体液体鼓泡塔鼓泡塔气体气体气体气体固定床固定床回转筒式反应器回转筒式反应器(蒸气煅烧炉蒸气煅烧炉)回转筒式反应器回转筒式反应器喷嘴式反应器喷嘴式反应器釜式反应器釜式反应器换热装置换热装置管式反应器管式反应器基本结构基本结构主要用于气固相反应主要用于气固相反应由一根或多根管子串联或由一根或多根管子串联或并联

3、构成的反应器，长度并联构成的反应器，长度与直径之比一般大于与直径之比一般大于。 蒸 汽 原 料 调 节 阀 催 化 剂 补 充 水 产 物 固定床反应器固定床反应器流化床反应器流化床反应器 停留时间不同的流体颗粒之间的混合称为返混。停留时间不同的流体颗粒之间的混合称为返混。u反应物料一次加入；反应物料一次加入；u充分搅拌，整个反应器内物料的充分搅拌，整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀；浓度和温度保持均匀；u常配有夹套或蛇管，以控制反应常配有夹套或蛇管，以控制反应温度；温度；u间歇反应器操作的一个生产周期间歇反应器操作的一个生产周期包括加料、反应、出料、清洗；包括加料、反应、出料、清洗；u由于

4、剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的均匀，且由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的均匀，且浓度、温度处处相等并随时间变化。浓度、温度处处相等并随时间变化。,0, tAA fcc 对间歇操作的釜式反应器进行对间歇操作的釜式反应器进行物料衡算物料衡算：输入的物料量输入的物料量= =输出的物料量输出的物料量+ +反应掉的物料量反应掉的物料量+ +物料的积累量物料的积累量1.反应时间的计算反应时间的计算qVcA0 qn.A.0 xA,0=0VRcA, xAqvcAf = cAqn.A.fxAf =xAAArV反应物 消耗量左边反应物体积时间 反应物体积dtdxndtxnddtdnAAAAA00)1(右右边边0A

5、AAdxr Vndt对于着眼组分对于着眼组分A A：单位时间内由于反应而消耗的单位时间内由于反应而消耗的A A物料量物料量 = -= -单位时间内单位时间内A A物料的积累量物料的积累量00AxAAAdxtnr V间歇反应器间歇反应器基本方程式基本方程式AAAAAAdxcdcxcc00),1(又又0AAcAcAdctr 0000AAxxAAAAAAndxdxtcVrr对于对于定容过程定容过程：xAxA 1/rA1/rA面积面积=t/nA0面积面积=t/cA0面积面积=t000cAcA0000tttt - cAt - xAt - rACAxArACA0 xA =11ArV 1/rA xA0 xA

6、00 cA cA0 cA 1/rA面积面积=VR/qnA0=t/cA0面积面积= t =VR/qV0对于不能表达成简单整数级的复杂的化学反应，可采用作图法求解。对于不能表达成简单整数级的复杂的化学反应，可采用作图法求解。000AAACxAAACAAdCdxtcrrA,0Alncktc AA,011ktccA1ln1ktx AA,0A(1)xktcx 装料完毕开始反装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时应算起到达到一定转化率时所经历的时间）间）(计算关键计算关键)装料、卸料、清洗等装料、卸料、清洗等所需时间之和）所需时间之和）(经验给定经验给定)RTVV AA,0A(1)xktcx 0

7、A,0ncV 醋醋酸酸，30.0625mmV 醋醋酸酸醋醋酸酸醋醋酸酸30.496mmV 正正丁丁醇醇正正丁丁醇醇正正丁丁醇醇3,031kmol1.79kmol /m(0.06250.496)mAc AA,0A0.535h(1)xtkcx 1146kg kmol AA,0A(1)xtkcx 反反应应为为二二级级反反应应：RTVV 1110.685 kmol h171 L h0.004 kmol L 每每小小时时处处理理物物料料平平均均体体积积：3T1.6192.16 m0.75V 2400kg1d 2410.685 kmol h 3R171 (8.471)1619 L1.619 mV cA.0

8、 xA.0=0 qn.A.0 qV qn.A. xA.cA.fqn.A.fxA.fqVdldxA.qn.A.+dqn.AxA+dxAxAl二、反应器容积的计算二、反应器容积的计算定态操作时，对关键组分定态操作时，对关键组分A进行进行物料衡算物料衡算:单位时间内物料单位时间内物料A的的进入量进入量(qn,A ) =单位时间内物料单位时间内物料A的的引引出量出量(qn,A+dqn,A )+单位时间内单位时间内反应掉反应掉的的A的量的量(rAdVR)+累累积量积量(连续操作条件下为连续操作条件下为0 ),n An An AARqqdqr dV即：, 0, 0, 0(1)n AARn An AAn A

9、An AAARdqrdVdqd qxqdxqdxrdV 00, 00, 0RAfAfVxRAn AAxRAn AAdVdxqrVdxqrAfARRARxxVVxV,; 0, 0当当对整个反应器，其对整个反应器，其边界条件为：边界条件为：0, 000000AfAfAn AVAxcRAAAcVAAqqcVdxdccqrr 空间时间空间时间t：反应器的有效容积与进口处的体：反应器的有效容积与进口处的体 积流量之比。积流量之比。若反应过程中流体体积流量不发生变化若反应过程中流体体积流量不发生变化活塞流反应器活塞流反应器基本计算式基本计算式注注：理想管式反应器中简单级数：理想管式反应器中简单级数的反应表

10、达式与间歇釜式反应器的反应表达式与间歇釜式反应器的结果完全一样的结果完全一样 t RVVtq反反应应器器有有效效容容积积反反应应器器中中物物料料体体积积流流量量R0VVtq，反反应应器器有有效效容容积积进进口口处处物物料料体体积积流流量量 RVVq tA,0Alncktc A1ln1ktx AA,011ktccAA,0A(1)xktcx AA,0A(1)xtkcx 反反应应时时间间：0.88.46 h0.1182 4 (10.8) 112400kg 0.685kmol h24h 146kg kmol ：13130.685 kmol h0.171 mh4 kmol m 3R0.171 (8.46

11、1)1.619 mV AA,0A8.46 h(1)xtkcx 31132400kg0.171mh24h 146kg kmol4kmol mVq 3R0.171 8.461.45mV 3T1.619 0.752.16 mV 全混流全混流 特点特点：反应器内物料的参数处处均匀，且反应器内物料的参数处处均匀，且等于流出物料的参数；等于流出物料的参数；但物料质点在反应器中停留的时间但物料质点在反应器中停留的时间各不相同，即形成停留时间分布；各不相同，即形成停留时间分布； 物料连续地流入和流出反应器，操物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。作为定态过程。是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下是

12、指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混合流。合流。在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算：进行物料衡算：设反应过程中，物料体积不变设反应过程中，物料体积不变进入量进入量= =引出量引出量+ +反应量反应量+ +累积量累积量0000()VAVAARVAAARVAAARqcqcr Vqccr Vqcxr V即：或：00:AARVAAARVAccVtqrcxVortqr整理得t为停留时间为停留时间，由于物料微粒在反应器中停留时间不等，由于物料微粒在反应器中

13、停留时间不等，故，故t应称为应称为平均停留时间。平均停留时间。AAAnRAVRArxqVCqVCt0,00可以推导出：1/rA1/rAxAxAf0cAcA00面积面积=t/cA0面积面积=VR/qV = t物料出口情况物料出口情况cAA,0AA,0ARAAVcccxVtqrr A,0AAccktc AA1xktx A2A,0A(1)xktcx A,0A2Accktc 与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成同样与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成同样的反应任务的反应任务(即流量相等，反应物的转化率相等即流量相等，反应物的转化率相等)，全，全混流反应器所需的空间时间混流反应器所需的空间时

14、间远大于远大于间歇釜式反应器和间歇釜式反应器和平推流反应器所对应的时间。平推流反应器所对应的时间。RVVtq 31132400kg0.171mh24h 146kg kmol4kmol m Vq A2A,0A(1)xtkcx 31AR221132A,0A30.171mh0.8(1)0.1182mkmolh4kmol m(0.2) 7.234mVq xVkcx R,A,0A,A,1A,1A,A,A,()iiiiiiViiVcxxcctqrr qnA1cA,1xA,1qnA2cA,2xA,2qnA3cA,3xA,3VR,1VR,2VR,3123qnA0cA,0 xA,0=0VR,NNqnANcA,N

15、xA,NR,1A,0A,1A,01A,11A,11 1 1VVccctcqk ck t 第第一一釜釜：A,1A,0A,22 21 12 21 (1)(1)ccck tk tk t 第第二二釜釜：A,0A,11(1)(1) NNNNiicNcxktkt 第第 釜釜： 0 xAxA,1xA,2xA,3P3P2P1rA多釜串联反应器图解法多釜串联反应器图解法MNPAP 速率方程：速率方程：rA=kcAcP 开始时：开始时：cA浓度很大，但浓度很大，但cP小，小，故故rA不大；不大； 后期时：后期时：cP浓度很大，但浓度很大，但cA小，小，故故rA也不高；也不高； rA存在一极大值存在一极大值对于自催化反应，对于自催化反应，CSTR在反应过程中浓度和在反应过程中浓度和温度不随时间而变化的特性可使反应始终温度不随时间而变化的特性可使反应始终在最大的反应速率下进行。如达不到最终在最大的反应速率下进行。如达不到最终转化率要求，可在转化率要求，可在CSTR后再串联后再串联PFR，从，从而用而用最少的反应时间