化工单元操作反应器设计与优化项目二 任务一课件

2反应器设计和优化

能根据生产要求对反应器进行工艺设计，并能对理想均相反应器进行优化。任务1间歇操作釜式反应器的设计一、反应器流动模型按混合对象的年龄可以把混合分成两种：

（1）同龄混合：相同年龄物料之间的混合

（2）返混：不同年龄物料之间的混合，也称逆向混合停留时间：连续流动反应器中流体微元从进入反应器到流出反应器出口所经历的时间。同一时刻离开反应器的物料中，在反应器内经历的停留时间有长有短，称为停留时间分布。

1.理想置换流动模型

（一）理想流动模型含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。与流动方向相垂直的同一截面上所有的物料质点的年龄相同，各点流速、流向、浓度、温度完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的，所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。（没有返混）

2.理想混合流动模型（返混达到极限状态）

含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷大特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。返混对反应过程的影响反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。但是，这种浓度分布的改变对反应的利弊取决于反应过程的浓度效应。返混是连续反应器中的一个重要工程因素，任何过程在连续化时，必须充分考虑这个因素的影响，否则不但不能强化生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。

返混的结果将产生停留时间分布，并改变反应器内浓度分布。在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。因此，在分析各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混状况作为一项重要特征加以考虑。气液鼓泡反应器由于气泡搅动所造成的液体反向流动，形成很大的液相循环流量。因此，其液相流动十分接近于理想混合。①放置填料②设置多孔多层横向挡板，把床层分成若干级③设置垂直管死角短路理想流动模型分为两种类型，即________和_________返混专指________进入反应器的物料之间的混合说明下列反应器中的返混情况：间歇反应器中返混为_____,理想置换反应器返混为_______理想混合反应器返混为____,非理想流动反应器返混为_____返混带来的最大影响是_____________________________返混对反应来说是有害的，必须采取各种措施进行抑制。降低返混程度的主要措施是______，通常有________和________两种，其中重要的是__________。连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作二、反应动力学基础（一）化学反应速率定义及反应动力学方程

1.化学反应速率定义：在反应系统中，某一物质在单位时间、单位反应区域内的反应量。2.化学动力学方程

恒温条件下，恒温条件下，（二）反应分数与反应级数

反应级数是指动力学方程式中浓度项的指数。反应级数的大小反应了该物料浓度对反应速率影响的程度。

总反应级数等于各组分反应级数之和，即n=α1+α2+α3+.......单一反应可逆反应复杂反应平行反应连串反应复合复杂反应基元反应非基元反应a.单一反应与复杂反应单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程式便能代表的反应复杂反应：有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述。b.基元反应与非基元反应基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反应为基元反应。非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转化成为产物分子的反应，则称为非基元反应三、均相反应速率及反应动力学均相反应是指在均一的液相或气相中进行的化学反应；均相反应速率的定义是指在均相反应系统中某一物质在单位时间、单位反应混合物总体积中的反应量。反应速率的其他表示方式：恒容2.均相反应动力学不计过程物理因素的影响，仅研究化学本身的速率规律。不可逆化学反应对于气相反应，由于分压与浓度成正比，也常常使用分压来表示。由表中所列结果，可以得出以下几点结论：(1)对于任一级反应，当cA0、xA或cA确定后，kt即为定值：

当k↗，t↘；当k↘，t↗。(2)当转化率xA确定后，反应时间与初始浓度的关系和反应级数有关。0级反应：，成正比1级反应：，无关2级反应：，成反比利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数，例如确定xA，然后测定的关系，判别反应级数。0级反应：，直线下降1级反应：，较缓慢下降2级反应：，缓慢下降对于一级或二级不可逆反应，在反应后期cA的下降速率，即xA的上升速率相当缓慢，若追求过高的转化率或过低的残余浓度，则在反应后期要花费大量的反应时间。(3)残余浓度和反应时间的关系（转化率和反应时间的关系）与反应级数有关。四、反应器计算的基本内容和基本方程1.反应器计算的基本方程选择合适的反应器类型确定最优的操作条件反应器体积的确定化学动力学方程物料衡算方程热量衡算方程动量衡算方程刚讲过计算反应器体积计算温度变化计算压力变化2.反应器计算的基本方程反应时间τ

辅助时间τ0反应体积＝单位时间所要处理的物料体积×操作周期由生产任务决定装料卸料清洗填充系数沸腾或鼓泡的液体，可取0.4－0.6不沸腾或不鼓泡的液体，可取0.7－0.85五、间歇操作釜式反应器体积和数量的计算由间歇釜式反应器的动力学方程求出对整个反应器进行物料衡算流入量=流出量+反应量+累积量00单位时间内反应量=单位时间内消失量温度浓度均一入口物料中不含产物的情况由于恒温恒容间歇反应1/rA

－xAt/cA01/rA

-cAt图解积分反应时间τ

辅助时间τ0反应体积＝单位时间所要处理的物料体积×操作周期由生产任务决定装料卸料清洗填充系数沸腾或鼓泡的液体，可取0.4