化学反应工程多媒体教程--理想反应器(第三章)

1、理想反应器的三种基本形式理想反应器的三种基本形式间歇反应器 (Batch reactor)活塞流反应器 (Plug flow reactor PFRs)全混流反应器 (Continuous stirred tank reactors CSTRs)本章内容本章内容如何根据反应的特点和反应器的特性对反应器进行选型讨论三种理想反应器的设计方法 组合方式复杂反应系统等温反应器设计中的收率 选择性 操作方式最佳化全混流反应器热稳定性的重要意义和判断热稳定性条件的方法反应器开发的三个任务选择合适的反应器型式结合动力学特性和确定操作方式和优化操作条件根据给定的产量对反应装置进行设计计算 确定反应器几何尺寸反

2、应器特性反应器特性几何结构几何结构内部构件内部构件几何尺寸几何尺寸流动状态混合状态传热性能流体浓度分布（不同浓度下反应）浓度分布（不同浓度下反应）温度分布（不同温度下反应）温度分布（不同温度下反应）流速分布（不同微团的混合）流速分布（不同微团的混合）理想反应器特性理想反应器特性理想混合反应器特性返混无穷大，完全混合，混合瞬间完成，器内物料具有完全相同的温度和浓度，且等于反应器出口的温度和浓度。如：搅拌良好的釜式反应器。平推流反应器特性器内物料以相同的速率和一致的方向进行移动、返混为0，所有物料在器内具有相同的停留时间。如：长径比较大、流速较高的管式反应器。Return3.1 反应器设计的基本方

3、法反应器设计的基本方法经验设计法数学模型法数学模型法基础-描述化学过程本质的动力学模型和反映传递过程特性的传递模型基本方法-以实验事实为依据 建立上述模型 结合一定的求解具体的数学模型包括参数计算式 反应器的设计就是上述方程联立求解的过程边界条件和初始条件反应动力学方程式反应动力学方程式均相间歇反应的反应速率表示式：A为反应物，以A表示的化学反应速率为： kmol.m-3h-1A为产物，以A表示的化学反应速率为： kmol.m-3h-1单位：rA- kmol.m-3.h-1nA-kmol t-hdtdnV1)r(AAdtdnV1rAA均相反应动力学方程表示式：AR的反应是一个可以用幂函数方程表

4、示的n级不可逆反应 上式对于大多数液相反应和K=0的气相反应有：nAAACkdtdnV1)r(nAAACkdtdC)r(物料、热量衡算式物料、热量衡算式取反应器中一个代表的单元体积单元体积列出单位时间内物料或热量的输入量 输出量 累积量。按“累积量 = 输入量-输出量”列衡算式对于反应系统中的物料衡算对于反应系统中的物料衡算以体积单元体积单元作A的物料衡算：0AAAA速度的累积反应物消耗速度由于反应的反应物速度的流出反应物速度的流入反应物或简写成：（流入量）+（流出量）+（反应消耗量）+（累积量）=0遵循物质遵循物质守恒定律守恒定律几种特例：对于非定常态下操作的连续反应器或半间歇半连续反应器，

5、上式物料衡算式中的四项都必须保留对于定常态操作的反应器，第四项累积量为0对于间歇反应器，则流入、流出量为0对于反应系统中的热量衡算式对于反应系统中的热量衡算式体积单元在微分时间内应有下式成立 或写成0积的热量反应器累界交换的热量反应系统与外出的热量随物料流入的热量随物料流累积的热量体积内反应器微元时间微元或热载体的热量体积传递至环境微元时间内微元应产生的热量体积内由于反微元时间微元料所带走的热量微元体积的物微元时间离开料所带入的热量微元体积的物微元时间进入动量衡算式动量衡算式反应器进出压差很大，以致影响反应组分的浓度，此时需要考虑压力对反应速率的影响，需要对流体进行动量衡算。一般情况下，反应器

6、压差不是很大，故常可不考虑动量衡算的情况。物料衡算式、热量衡算式和反应动力学方程式是相互依存的、紧密联系的。微元体积内的反应速率取决于反应物的浓度和温度。反应物浓度由物料衡算式确定，温度由热量衡算式确定，浓度和温度对反应速率的影响则由反应动力学方程式确定。对于等温过程，因为温度不随时间、空间的改变而改变，只需联立反应动力学方程式和物料衡算式求解。对于非等温过程，则是上述三个方程式联立求解，结果就给出了反应器装置的浓度分布和温度分布，从而回答了反应反应器设计的基本问题器设计的基本问题。联立求解的过程反应动力学方程操作方程热量衡算式设计方程物料衡算式反应器的计算3.2 分批式操作的分批式操作的完全

7、混合完全混合反应器（间歇釜式反应器）反应器（间歇釜式反应器）设计间歇釜式反应器的有关计算设计间歇釜式反应器的有关计算间歇釜式反应器设计计算的两种情形间歇釜式反应器的优化分析（本小节要求自学）间歇釜式反应器的优化分析（本小节要求自学）3.3 半分批式操作的完全混合反应器半分批式操作的完全混合反应器（本节要求自学）（本节要求自学）理想混合排除了物质的传递（搅拌良好）无需考虑的反应器内热量传递非定常态过程，CA、CR随时间而变，化学反应的结果将唯一地由化学反应动力学确定，反应进行的程度决定于反应时间的长短具有周期性，一个周期包括操作（反应）时间t，也包括辅助（非生产性）时间t0生产灵活性大间歇釜式反

8、应器特点间歇釜式反应器特点间歇釜式反应器的物料衡算间歇釜式反应器的物料衡算对整个反应器中A组分物料进行衡算：的累积量反应器内物料单位时间内在的量物料反应掉的单位时间的量反应器的物料单位时间流出的量反应器的物料单位时间进入AAAA 0 0 (-rA）VR dtdnAdtdxndtdndtdnV)r(A0AAARAAx0RAA0AA0ARAV)r(dxntdtdxnV)r(nA0-在t=0时反应器中物料A的摩尔数nA-在 t 时反应器中物料A的摩尔数-rA-组分 A 在操作条件下的反应速率（消失速率）上式是间歇反应器计算的基本方程式，适用于任何间歇反应过程，均相或多相，等温或非等温的，可以直接积分

9、求解，也可以用图解法。间歇釜式反应器基本方程式的算法间歇釜式反应器基本方程式的算法图解法若反应前后物料的体积变化不大，可视为常数，即恒V，则：A0AAAACCAAx0AA0Ax0AAR0Ax0RAA0A)r(dCt)r(dxCt)r(dxVnV)r(dxnt（上式为间歇反应器的设计方程）间歇釜式反应器设计方程及反应器的设计计算间歇釜式反应器设计方程及反应器的设计计算设计方程图解积分如下两图所示：由间歇釜式反应器的设计方程可知：反应物达到一定的转化率所需反应时间只取决于过程的反应速率，也就是说取决于反应动力学因素，与反应器的大小无关。取决于反应动力学因素，与反应器的大小无关。反应器的大小仅取决于

10、反应物料的处理量。（即生产强度）设计间歇反应器的计算：反应时间 t由设计方程与动力学方程联立求解，即可求得达到一定转化率所需时间t；有效容积：VRVR=v(t+t0)v-单位时间所需处理的物料体积（根据产量计算）t0-每批生产的辅助时间实际体积：VV=VR /-装填系数等温操作等温操作间歇釜式反应器设计计算间歇釜式反应器设计计算等温操作（动力学k为常数）可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解t。例1：一级反应A产物，单位时间需处理的物料体积为v，动力学方程为： （-rA）=kCA=kCA0(1-xA)求反应所需时间（转化率为xA）t及反应器的有效容积。)tx11lnk1( v)tt ( vV

11、x11lnk1)r(kCdxC)r(dxCt0A0Rx0AA0AA0Ax0AA0AAA变温操作变温操作间歇釜式反应器设计计算间歇釜式反应器设计计算变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热）要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算（说明一下为什么要这样）。由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反应器进行热量衡算：量的累积量反应器内热单位时间内的热量反应所放出单位时间内应器的热量环境传给反单位时间内 UA(Tm-T) (-Hr)(-rA)V dtTVCdv)( UA(Tm-T) + (-Hr)(-rA)V =dtTVCdv)(符号说明：U-总括传热系数（KJ/m2.h.）；A-传热面积(m2

12、)； Cv、-分别为反应流体的定容比热和密度(KJ/Kg.、Kg/m3)；Hr-反应焓变(KJ/Kmol)； Tm-冷却（或加热）介质的温度（K）对于恒容过程：)TT(VCUAdtdxdtdTmvA（操作方程）式中： （物理意义：最大温升）v0ArCC)H(对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方程、操作方程及动力学方程式求解的过程。即：A0AACCAAx0AA0A)r(dC)r(dxCt)TT(VCUAdtdxdtdTmvA)C(f)T(k)r(A一般采用图解法或数值法求解。特例：特例：绝热操作（与外界的热交换为零）：UA（Tm-T）=0则：(-Hr)(-rA)V = 即：初始

13、条件：t=0 T=T0 xA=xA0将上式积分得：T=T0 + (xA-xA0) （使对使对t的积分变为单参数的积分变为单参数）将上式代入动力学方程式，再代入设计方程即可采用图解法或数值法求解。dtTVCdv)(dtdxdtdTA间歇釜式反应器设计计算例题间歇釜式反应器设计计算例题例题1：见P42（陈甘棠教材）例3-1-1例题2：工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在70下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为： （-rA）=kCACB式中： （-rA）-以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k-反应速率常数，1.97L.kmol-1.m

14、in-1 CA、CB-分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004 kmol.L-1求：已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反应时间分别为多少？若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积大小，装填系数=0.75，单釜生产。解：求达到一定的转化率所需时间：计量方程式中， A、B的初始浓度相同，则反应动力学方程可写为： 由于反应为液相等温过程，故可按恒容处理，可将已知数据代入操作方程求解：1BA2AAkC)r(AA0Ax1xkC1t 计算结果 xA=0.5 t=2.10h xA=0.6 t=3.1

15、8h xA=0.8 t=8.47h反应器体积的计算VR=v(t+t0) FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/hv=0.685/0.004=171L/h生产周期=反应时间+辅助时间=t + t0 =8.47+1=9.47h反应有效体积： VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考虑装填系数，则反应器的实际体积： V=VR /=1619/0.75=2160L=2.16m300AACFv 练习题练习题 试计算转化率达到90%时，所需间歇反应器的有效容积是多少?例题3 用搅拌良好的间歇反应釜进行乙酸和乙醇在盐酸催化作用下合成乙酸乙酯的反应，其反应式如下： （A） （B）

16、（R） （S）反应器内装有0.3785m3的水溶液，其中含有90.8kg乙酸、181.6kg乙醇，假设反应过程物料料密度为1043kg/m3保持不变，反应在100下等温操作，其反应的动力学方程为： （-rA）=k1CACB k2CRCS正反应速率常数k1=4.7610-4m3/(kmol.min)，逆反应速率常数k2=1.6310 -4m3 /(kmol.min)，试计算反应120 min后乙酸的转化率是多少？OHHCOOCCHOHHCCOOHCH25231k2k523解：t=0时各物料的初始浓度：CA0=90.8/(600.3785)=4.0 kmol/m3CB0=181.6/(460.37

17、85)=10.43 kmol/m3CR0=0 kmol/m3CS0=0.37851043-(90.8+181.6)/(180.3785) =18.0kmol/m3设t=t时，A的转化率为xA，则各物料的浓度分别为：CA=CA0（1-xA）= 4-4xACB=CB0 - CA0 xA）=10.43 - 4xACR=CR0 + CA0 xA = 4xACS=CS0 + CA0 xA =18 + 4xA代入速率方程式得：Ax0AAA02AA2AA4AA4A)(-rdxCt)x063. 0 x49. 0248. 0(108 )x418(x41063. 1)x443.10)(x1 (41076. 4)r

18、(Ax0AA2AAA291. 007. 007. 0 x126. 097. 0 x126. 0ln42. 050)x063. 0 x49. 0248. 0(dx1084 tt=120min时，xA=0.363，即有36.3%的乙酸转化为乙酸乙酯。例题4 在间歇反应釜中进行下列液相一级不可逆反应：AB，其反应速率方程为（-rA）=kCA，反应初始温度为163, 求绝热操作下，日产150kg（B）所需反应器的体积。已知数据如下：163下, k=0.8h-1，反应的活化能E=121.25kJ/mol，反应热：Hr=-347.5kJ/kg，A与B的定容比热均为2.093J/kg.K，A与B的密度均为900kg/m3，A的最终转化率xAf=0.97，非生产性操作时间为1h。解：绝热操作时有:T=T0+(xA-xA0)xA0=0所以，T=T0+xA= T0+ = = (273+163) -Av0ArxcCHAv0Ar0 xcCHTRvAR0AVcxVC5 .347T= 436+166xAT= 436+166xA （操作方程） （1） （设计方程） （2）-rA=kCA0(1-xA) （动力学方程） （3）式中k是温度的函数，与温度的关系式可用下式表