化学反应器设计原理

1、会计学1化学反应器设计原理化学反应器设计原理第1页/共139页n反应器的优化操作奠定基础。反应器的优化操作奠定基础。n二、教学基本内容与基本要求二、教学基本内容与基本要求第1页/共139页第2页/共139页n第一章第一章 绪绪 论论n本章要求：本章要求：第2页/共139页第3页/共139页n包括三个组成部分。包括三个组成部分。 原料预处理原料预处理过程过程(物理、化学物理、化学处理处理) 化学加工化学加工过程过程 (物质转物质转化化)反应产物分反应产物分离、离、提纯提纯(物理物理处理处理)目的产目的产物物副产副产物物原原 料料未反应未反应原料原料图图1.1典型的化学加工典型的化学加工过程过程第

2、3页/共139页第4页/共139页n率，获得反应器设计与操作所需的率，获得反应器设计与操作所需的知识与信息。知识与信息。第4页/共139页第5页/共139页n。注意：前者研究反应本身的规律，注意：前者研究反应本身的规律，与反应器内与反应器内n各局部的状况有关（从点上着眼）；各局部的状况有关（从点上着眼）；后者的设计后者的设计n与分析则从面上（体上）着手。与分析则从面上（体上）着手。)(PCTfr、C第5页/共139页第6页/共139页第6页/共139页第7页/共139页n面的吸附；氢气、氮气在催化剂面的吸附；氢气、氮气在催化剂表面的反应；表面的反应；QNHNH32223第7页/共139页第8页

3、/共139页n效率；效率；第8页/共139页第9页/共139页液液体体气气体体气气体体气气体体液液体体液液体体液液体体气气体体气气体体第9页/共139页第10页/共139页第10页/共139页第11页/共139页液液体体气气体体第11页/共139页第12页/共139页填料塔反填料塔反应器应器喷雾塔反应器喷雾塔反应器板式塔反应器板式塔反应器第12页/共139页第13页/共139页固定床鼓泡反固定床鼓泡反应器应器第13页/共139页第14页/共139页第14页/共139页第15页/共139页滴流床反应器滴流床反应器第15页/共139页第16页/共139页磁场流化床反磁场流化床反应器应器固定固定床床

4、旋转旋转床床磁磁固定固定床床第16页/共139页第17页/共139页n分析，连接和加料方式的选择；分析，连接和加料方式的选择；n五、五、了解串联釜式反应器最佳体积了解串联釜式反应器最佳体积的求取方法。的求取方法。第17页/共139页第18页/共139页度的变化规律度的变化规律第18页/共139页第19页/共139页累积速率关键组分转化速率关键组分输出速率关键组分输入速率关键组分累积速率产物组分输出速率产物组分生成速率产物组分输入速率产物组分累积速率单位时间内的反应热单位时间内输出的热量单位时间内输入的热量单位时间内动量累积的动量消耗的动量输出的动量输入的第19页/共139页第20页/共139页

5、n特点：分批装、卸；适用于不同特点：分批装、卸；适用于不同品种和规格产品种和规格产n品的生产，广泛用于精细化工产品、品的生产，广泛用于精细化工产品、医药、助剂医药、助剂n等生产。等生产。第20页/共139页第21页/共139页AA BR (1)AAOAnnx1( )AAAdCdnrkf CdtV dt rAAAOAAOrAAAOAArAArAVrdxndtdxndtVrxnndtdnVrdtdnVr)(, 0)1 (, 01第21页/共139页第22页/共139页n:AfAAxxttxt,; 0, 0dxVrntAfxrAAO0)(0dVAOAOrnCVAfxAAOrdxCt0)(AAkCr

6、)1 (AAOAxkCr第22页/共139页第23页/共139页) 1()1 ()1 ()(1100kxCtxkCdxCrdxCtAfAOxAAOAOxAAOAfAfAfxkt11ln1, 11tAOCrVArrVOQ()rOOV Q t t=第23页/共139页第24页/共139页,0.4 0.85rV V/0.4 0.60.7 0.85TOttt=tTAAtCr、Rn TRtn /RRROVCFt t=第24页/共139页第25页/共139页AP1PArkCAQ2QArkC0)(21dtdnCkkVAAr01dtdnCkVPAr02dtdnCkVQArmax0RRFdtdF第25页/共13

7、9页第26页/共139页0)(21dtdCCkkAA01dtdCCkPA02dtdCCkQA000AAOPQtCCCC、AAAOxkktCCkkt11ln1ln12121或12exp ()tAAOCCkk)(exp1, )(exp12121221211tkkkkCkCtkkkkCkCAOQAOP第26页/共139页第27页/共139页APQtCCC、12PQCkCk第27页/共139页第28页/共139页12kkARS 112,ARAARdCdCkCkCkCdtdt000AAORStCCCC、)1 (),(21122112112kkekekCCCCCeekkCkCtktkAORAAOStktk

8、AORtkAOAeCC1tkAORReCkCkdtdC112第28页/共139页第29页/共139页PC1221ln( / )opk ktkk12kk12lloptkk第29页/共139页第30页/共139页图图2-3 连续釜式连续釜式反应器反应器 )(ArAAOOrVQCCQ第30页/共139页第31页/共139页反应体积反应体积Vr。n二、两个重要的物理量二、两个重要的物理量空时、空时、空速空速)()(AAAOOrrCCQV(1)AAOACCxAOAAO ACCC x)(AAAOOrrxCQV第31页/共139页第32页/共139页ns。n比较基准比较基准“标准情况下的体积流标准情况下的体

9、积流量量”，对于有固体，对于有固体33()/rOVmsQ m s1s第32页/共139页第33页/共139页正常动力正常动力学学反常动反常动力学力学图图2-4 釜式反应器的体釜式反应器的体积比较积比较 第33页/共139页第34页/共139页n配按下列方法进行。配按下列方法进行。)(AAAOOrrxCQV)/(AArx图图2-5 并联的釜式并联的釜式反应器反应器 第34页/共139页第35页/共139页12AfAfAfxxx212211/OrOrQVQV第35页/共139页第36页/共139页n整理后得：整理后得：)1 (AAOAxkCr)1 (AAOAxkCr12rrVV12NpxkxxQV

10、ApApApOrp3 , 2 , 1,)1 ()(1NpkxxApAp3 , 2 , 1,1)1 ()1 (11)1 ()(1,)1 ()(11ApApApApApApOOrpxXxkxkXxQQV第36页/共139页第37页/共139页)1 ()1)(1 ()1 ()1 ()1 ()1 ()1 ()1 (1211kkkxxxxxxANANAONANAOkxx)1 ()1 ()1 ( 1)11(11NANxkzN1NrriOiVVNQ第37页/共139页第38页/共139页ApxApCANxNAONNNNAONNOrAOAOOrAOAOAOAOOrNAONNOrAOOrAOOrAOAOOrxC

11、kxxxxkCxxQVxCkxxxxkCxxQVkCxCkxxkCxQVxkCxxQVxkCxxQVxkCxxQVxkCxQV,)()1 ( ,)1 ()(,)()1 ( ,)1 ()()1(11,1)1 ( ,)1 ()1 ()1 ()()1 ()(,)1 ()(,)1 ()1 (112122212111113232121第38页/共139页第39页/共139页ANxANNNAONNNNAONNAOAOAOAOAOAONAONNAOAOAOAOxxxCkxxxxkCxxxCkxxxxkCxxkCxCkxxkCxxkCxxxkCxxxkCxxxkCx,)()1 ( ,)1 ()(,)()1 (

12、 ,)1 ()()1(11,1)1 ( ,)1 ()1 ()1 ()()1 ()(,)1 ()(,)1 ()1 (112122212111113232121第39页/共139页第40页/共139页1minNrriiVVAArkC第40页/共139页第41页/共139页在在30下下等温等温COOHCHOHOHC322234101 . 2cmmolCAO第41页/共139页第42页/共139页expRTEkok) 1 (0567. 0283expREko) 2 (158. 0298expREko) 3 (3991. 0313expREko3/06. 1cmg第42页/共139页第43页/共139页

13、95.5761/min,/1094. 37REkO(min)2171. 030395.5761exp1094. 3exp7RTEkok333500 10 /1.06 60 7.86 10 (/m in)OQm337.86 100.880.266( )(1) 0.2171 (1 0.88)O AO AfrAOAfQC xVmkCx )1 ()(AfAOAfAOOAAfAOOrxkCxCQrxCQV第43页/共139页第44页/共139页)1 (111AAOAAOOrxkCxCQV)1 ()()1 (12111AfAOAAfAOOrAAOAAOOrxkCxxCQVxkCxCQV653. 01Ax3

14、120.063rrVVm312220.126rrVVVm)88. 01 ()88. 0 ()1 (111AAAxxx)1 ()(12AfAOAAfAOOrxkCxxCQV第44页/共139页第45页/共139页种种 类类釜内物料类型釜内物料类型一般反应一般反应釜釜液液固相或固相或液液液相物液相物料料1.01.3气气液相物液相物料料1.02.0发酵釜类发酵釜类1.72.565. 0fMPapw7 . 0iDH/第45页/共139页第46页/共139页2 . 1/iDHHDVi242 . 143VDi)(75. 0,2 . 14 . 043mDDiimmmDi800)( 8 . 0MPapw7 .

15、 0MPaPN0 . 134 . 0 mV34 . 065. 0/266. 0/mfVVr第46页/共139页第47页/共139页300（350）400（450）500（550）600（650）7008009001000（1100）1200（1300）1400（1500）1600（1700）1800（1900）2000（2100）2200（2300）240025002600280030003200340035003600380040004000440045004600480050005200540055005600580060000.250.61.01.62.54.06.310.016.025

16、.0MPa第47页/共139页第48页/共139页pWppWpM Pa31.2 800/100000.096/0.0096()lph gKgf cmM Pa/0.0096/(1.3 0.7) 0.01 5%lp p1.3 0.7Clpp pM Pa 第48页/共139页第49页/共139页t t tM PaCpDpSCtiCn 2)( 4 . 4125. 07 . 03 . 185. 013728007 . 03 . 1mmSnmmSn5 . 4mmSn5第49页/共139页第50页/共139页知知。mmCSn75. 425. 051Wpp) 3 . 115. 1 ()( 7 . 03 . 1

17、1 . 1MPappW)( 7 . 03 . 13 . 1MPappWC0 . 1MPat137第50页/共139页第51页/共139页)( 5 . 4125. 07 . 03 . 15 . 00 . 113728007 . 03 . 121. 1mmSnCpDpSCtiCn5 . 0 221. 14.5nSmmmmSn0 . 5333/260.8 /26 0.0618TiVDm TFV V V24iFD H V V )(673. 08 . 0)0618. 04 . 0 (42mH第51页/共139页第52页/共139页mmH 675第52页/共139页第53页/共139页nJB/T4701-

18、2002n材材 料：料： 16MnR，螺栓规格：螺栓规格：M20第53页/共139页第54页/共139页第54页/共139页第55页/共139页dHSl) 5 . 03 . 0 (220, 9 .16, 3,54dHS第55页/共139页第56页/共139页tTpp25. 1)(14. 10 . 17 . 03 . 125. 1MPapTmax()2()Tinnp D SCSC)( 2 .122) 125. 05 ( 2) 125. 05800(14. 1maxMPa)(15585. 02039 . 09 . 0MPaSMPaMPaS1559 . 02 .122maxmmmml1409 .13

19、3第56页/共139页第57页/共139页夹套的壁厚。夹套的壁厚。n解：解：夹套由筒体和封头构成，上封夹套由筒体和封头构成，上封头头采用无折边采用无折边300jiDDDNWpM PaM Pa第57页/共139页第58页/共139页nn根据根据DN =1100 ，查表可知，每米，查表可知，每米高高筒体筒体的容积的容积n，则筒体高度的估算值，则筒体高度的估算值为：为：WpM PammDj11001000/2minjDS 2CmmC 12mmSn4mmSn53195. 0mV 第58页/共139页第59页/共139页jH1VVVF)(21. 095. 00618. 04 . 065. 0mmmHj2

20、10mmDi11002mmDi8101mmSn5第59页/共139页第60页/共139页第60页/共139页第61页/共139页第61页/共139页第62页/共139页第62页/共139页第63页/共139页第63页/共139页第64页/共139页第64页/共139页第65页/共139页min/80 rnKWP0 . 1 常用轴材料的常用轴材料的 69.553 10Pmn)(Nmm第65页/共139页第66页/共139页)(553. 9maxmmNnPmMTm ax TMW69.553 10 PWn)( 1 .3120802 . 00 . 110553. 92 . 010553. 93636m

21、mnPdm ax3m axm ax18010TMGJ第66页/共139页第67页/共139页444351 . 0108mmJMPaG、)/(57. 010180351 . 0108800 . 110553. 93446maxmomO/0 . 15 . 0min/200min/80rrn第67页/共139页第68页/共139页ncnnnncnmin/200 rn第68页/共139页第69页/共139页L1L2L3L321LLLLMHL1HM21TFLHHH1H 1H124rFiV VHDH1HiL2L1L第69页/共139页第70页/共139页3LiiDHS3232iiD HiDiH321LLL

22、、)(455455001mmMHL21675 203 407 471()TFLHHHmm1220.266 0.06180.407( ) 4070.844rFiV VHmmmD112iHH h h 112407 203 610()iHH h hmm 第70页/共139页第71页/共139页800iDmm610iHmm22610 406()33iSHmm 3400Lmm123455 471 400 1326()L L LLmm1320()Lmm第71页/共139页第72页/共139页桨桨 式式 齿片式齿片式 弯叶开启涡轮弯叶开启涡轮 锚锚 式式 框框 式式 螺带式螺带式 螺杆式螺杆式 布鲁马金布鲁

23、马金式式 折叶开启涡轮折叶开启涡轮 弯叶圆盘涡轮弯叶圆盘涡轮 推推进式进式 平直叶圆盘涡轮平直叶圆盘涡轮 第72页/共139页第73页/共139页搅拌器型式适用条件表搅拌器型式适用条件表第73页/共139页第74页/共139页第74页/共139页第75页/共139页第75页/共139页第76页/共139页视镜的材料视镜的材料 第76页/共139页第77页/共139页202型型 204型型 205型型 206型型 207型型 212型型 222型型 第77页/共139页第78页/共139页n和表。和表。第78页/共139页第79页/共139页第79页/共139页第80页/共139页第80页/共1

24、39页第81页/共139页第81页/共139页第82页/共139页第82页/共139页第83页/共139页第83页/共139页第84页/共139页n选择性：选择性：AOPnnYAOnPn)/(AAOPnnnS第84页/共139页第85页/共139页112212,pABQABA BP rkC CA BQ rkC C 11112221211212111ABABABABkC CSkkC CkC CCCk 第85页/共139页第86页/共139页n则从小到大排列；则从小到大排列；2121, 21EEABCC、ABAB第86页/共139页第87页/共139页ABCC、ABCC、ABABBBBA第87页/

25、共139页第88页/共139页nP、Q nn假设假设 P 为目的产物，则瞬时选择为目的产物，则瞬时选择性为性为:21EE21EE21E E12kkAPQ 122,QPPAPQPdCdCrkCkCrkCdtdt第88页/共139页第89页/共139页121221PAPPAQPCkCkCkCkCkrrS)exp()exp(,exp212111tkt kkkkCCt kCCAOPAOA1)exp()exp(exp121122121tkt kt kkkkCkCkSPA)(1);()/ln(211212121kkktkkkkkktoptop)(368. 01);(21max2121max122kkeYk

26、kkkYpkkkp第89页/共139页第90页/共139页11(0)1AOAAOrAOACCCVdVCQkCk 1212(0)rPPAPOAPVCCk Ck CQkCkC112121(1)(1)AOAPk Ck CCkkk112(1)(1)PPAOCkYCkk第90页/共139页第91页/共139页0PdYd)(1);(12112121kkkkkkkopop图图 27 连串反应时的收率连串反应时的收率)(25. 041);()(21max212211maxkkYkkkkkYpp12/kk第91页/共139页第92页/共139页单单n位时间反应的热量；位时间反应的热量；单位单位时间热量的时间热量

27、的n累积速率。累积速率。12/kkrYxpA,dtTcdrHTTKAvArm)()()()(ArrH dtTcdv)( )(TTKAm第92页/共139页第93页/共139页VrdtdxnAAAO)()(TTcKAdtdxcCHdtdTmvAvAOrAAxAAxAAAOrdCrdxCt00VdtTcdrHvAr)()(第93页/共139页第94页/共139页n态点，由操作的态点，由操作的T 和和C由物料平衡和由物料平衡和热量平衡确定热量平衡确定dtdxcCHdtdTAvAOr)(AOAOxxTTt, 0)()(AOAvAOrOxxcCHTT第94页/共139页第95页/共139页rAAOAOO

28、VrCQCQ)()()(AAAOAAAOOrrxCrCCQV0)()(mpOOpOArTTKATcQTcQrHV)()()(mOpOArTTKATTcQrHV第95页/共139页第96页/共139页n温度的关系呈线性关系温度的关系呈线性关系 。放热速率。放热速率n线与移热速率线可能相交时可能不线与移热速率线可能相交时可能不只是一个交点只是一个交点)()(OpOArTTcQrHVRTEkko/lnlnYFQQ )(mTTKA 第96页/共139页第97页/共139页n改写成下列形式：改写成下列形式：)()()(mOpOArTTKATTcQrHV)()1 ()(pOmOpOpOArcQKATTcQ

29、KATcQrHV第97页/共139页第98页/共139页pOArFcQrHVQ)()()1 (pOmOpOYcQKATTcQKATQnAnAOpOrFxkCcQHVQ)1 ()(nAx )1 ( nnAkx)11()1 ()exp(),1()(RTEkkkkCcQHVQOAOpOrF)exp()exp()(RTEkcVcQRTEkCHVQOppOOAOrF第98页/共139页第99页/共139页FQ第99页/共139页第100页/共139页n距增大，距增大，线将向线将向T 增大的方向增大的方向移动。移动。pOcQ)()1 (pOmOpOYcQKATTcQKATQYQ)(pOmOcQKATTpO

30、cQKA1TQYTQY第100页/共139页第101页/共139页n动动 T 有两种有两种n情况：情况：) T 0时，有时，有使使系统温度下降系统温度下降n而恢复原来的状态。而恢复原来的状态。 ) T 0 时，时，有有(1)OpKAQ cTQYFYQQ TQFFYQQ TQFTQY2YFQQFYQQ 第101页/共139页第102页/共139页n在这些点处有：在这些点处有：FYQQYFdQdQdTdT第102页/共139页第103页/共139页)(pOrAFcQHrVdTddTdQexp)1 (RTExCkrnAnAOA)1 (Ax2)exp()1 ()(RTERTExkCcQHrVdTdQn

31、AnAOpOrAF(1)YOpdQKAdTQ c (1) ()mYOOpOpKATdQdKATTdTdTQ cQ c2()()1(1) exp()nnArAOAOpOpV rHKAEEkCxQ cQ cRT RT第103页/共139页第104页/共139页nn二、等温管式反应器设计与分析二、等温管式反应器设计与分析2)exp()1 ()(1RTERTExkCcQHrVnAnAOpOrA第104页/共139页第105页/共139页n终转化率也不一样终转化率也不一样。第105页/共139页第106页/共139页n n 空管中流体状况空管中流体状况 管式反应器示意图管式反应器示意图 第106页/共1

32、39页第107页/共139页() ()AAAArFFdFr dV )1 (,AAOAArAxFFrdVdFAOAOAOArAAOQCFrdVdxF,rAAOAOAdVdxCQr )(ArxAAOAOVrrrdxCQdVV00)(ArAfx)(AAfAOAOrrxCQVAxAAOAOrrdxCQV0)(第107页/共139页第108页/共139页n对于恒容过程，对于恒容过程，则：，则：AdZdVrAdZdxCQrdVdxCQrAAOAOArAAOAOA)( ,)(dZdxCurAAOAOA )()1 (AAOAxCCdZdCurAAOA )(第108页/共139页第109页/共139页理想反应器

33、体积示意图理想反应器体积示意图 第109页/共139页第110页/共139页n。于温度沿轴于温度沿轴n线方向是变化的，线方向是变化的， 因此在管内取一因此在管内取一段容积为段容积为dVn的微元为研究对象。的微元为研究对象。第110页/共139页第111页/共139页热量衡算示热量衡算示意图意图dVrHdTCFdTCFdlTTKAATrPPiPdTTTiRPiRTTimOO)()()()()()()(第111页/共139页第112页/共139页n当当时时, 热量衡算热量衡算n式可简化为：式可简化为：dTCFPPiPdTTTi)()(dlTTKAm)( dTCFRPiRTTiO)()(PiCdVr

34、HATrO)()(PPiPiRPiRiCFCF)()()()(dVrHdTCFdlTTKAATrPPiPdTTTimOO)()()()()(第112页/共139页第113页/共139页n操作方程写成：操作方程写成：PPiC )(dVrHdTCFdlTTKAATrPPiPimO)()()()()(rAAOAdVdxFr AAOiAxFlDr24)(lDrHTCFdTCFCFlTTKAiATrPPiPiPPiPiRPiRTTimOO24)()()()()()()()()(第113页/共139页第114页/共139页n出出，然后，然后n取算术平均值取算术平均值，来重新计算来重新计算ANxANTANr

35、ANrl AAOiAxFlDr24)(AxTmNTT AANNANNxxxTTT) 1(1;) 1(1NANxT 、) 1( NAr21) 1()21(NAANNArrr第114页/共139页第115页/共139页n度为度为。n计算举例三：计算举例三：n用一内径为用一内径为Di =250mm的管式反的管式反应器进行一级应器进行一级) 1(1;NANxT1NT21NTNT)(21121NNNTTT) 1(1NANxT 、) 1(1NANxT ，NiilL1lNL第115页/共139页第116页/共139页算算n由由可得：可得：A B C AAkCr 9192207.80 10expkT6.20.

36、62PatmMPahkmolFAO/6 . 1PV nRTRTFPQAOO2 . 6/735082. 06 . 1/PRTFQAOO第116页/共139页第117页/共139页AxRTPCyFFAOAAOAOO/; 11 / ) 12 (; 0 . 1;yoAPRTxyFPFRTQAAOAOO/)1 (AOAAOOCxFQ/ )1 ( )1/()1 ()1 (/)1 (/AAAOAAOAOAAOOAAxxCxFCxFQFCOQ第117页/共139页第118页/共139页AxAAAOOrdxCQV0)(dxxkxkCdxCAAxAAxAAAO00)1 (111ln2 1AAxxk)( 1 .73

37、94. 094. 011ln2 75319220exp108 . 719sOiQZDV24mmmDQZiO6600)(5855. 625. 01 .731042. 444232第118页/共139页第119页/共139页dtQdVOVAAOAOVOxFdVCQdVt00)1 ()1/()1 (AAAAOxxCCdVrdxFAAAO)(AAkCr )(AxAAxkxkdxtA11ln1)1 (0)(43.4394. 011ln75319220exp1088. 719st第119页/共139页第120页/共139页n(4)1A43.4373.1tss 1At 第120页/共139页第121页/共1

38、39页n(2)壁厚。壁厚。n1筒体筒体设计设计参数的确定参数的确定0.62WpM Pa0.62WpM Pa1.0M Pa第121页/共139页第122页/共139页480 30 510otC1.0MPat106)( 2 . 10%1521mmSnCCCCpDpSCtiCn 2)(62. 01 . 1) 1 . 105. 1 (MPappW)(62. 01 . 1MPapppplC)( 1 . 22 . 162. 01 . 10 . 1106225762. 01 . 1mmSn第122页/共139页第123页/共139页mmSn3MPappW62. 01 . 11 . 1)(62. 01 . 1MPapppplCCtO