冶金反应工程-2课件

三、理想反应器反应器分类反应器研究开发的主要目的：选择合适的反应器型式；反应器的设计计算（确定反应器的尺寸）；确定操作方式和优化操作条件；反应器性能的评价。反应器内反应物的流动状态、混合状态、浓度与温度分布、质量和能量传递性能等反应器的特性及其决定因素反应器的结构型式、操作方式、操作条件等反应器按操作连续性分类（一）间歇操作（分批操作）将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。浓度CA物质量nA体积V操作特点∶反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的输出，不存在物料的进与出。基本特征∶间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内组成随时间变化而变化。反应时间浓度完全混合流反应器反应物反应产物主要优点∶操作灵活，设备费低，适用于小批量生产或小规模废水的处理。主要缺点∶设备利用率低，劳动强度大，每批的操作条件不易相同，不便自动控制。间歇操作的主要特点

操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴随着物料的流动。基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可能随位置变化而变化。）主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条件的场合，多采用连续操作。主要缺点∶灵活性小，设备投资高。连续操作的主要特点操作：原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出，而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或半连续操作。（三）半间歇操作/半连续操作主要特点：半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反应器内的组成随时间变化而变化。反应量-rAV浓度CA，CB体积VA的流入量应用：生物反应器的分批补料操作(fed–batchoperation)，又称“补料分批操作”，俗称“流加操作”流化床反应器移动床反应器a-竖式炉；b-石油裂解炉；c-回转炉；d-移动床工业反应器内进行的过程十分复杂，可以分解为化学反应过程和包含三传在内的物理过程。化学反应过程的本征规律是化学热力学和化学动力学研究的范畴；三传过程不改变化学反应的本征规律，但影响化学反应的条件及其反应结果。三传过程中，流动起着关键性作用，影响传热和传质。反应器内物料的流动状态是实际反应过程最重要的动力学因素之一。理想流动模型（2）理想混合流或完全混合流理想反应器分类理想反应器研究揭示的规律和解析方法是研究复杂反应器的基础完全混合流（亦称全混流、理想混合）(completemixing)：反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，反应器内的浓度、温度等处处相同。全混流可以认为返混为无限大。（平）推流（亦称活塞流、挤出流）(Plug/pistonflow)：反应物以相同的流速和一致的方向移动，即反应物在反应器内齐头并进。在径向充分混合，但不存在轴向混合，即返混为零。理想流动状态：全混流和推流是两种极端的流动状态，通称为理想流。介于全混流和推流之间的流态为非理想流态。反应器设计原则简称反应时间，主要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。亦称接触时间，指连续操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际时间。平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元”的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。①反应持续时间(Reactiontime)：有关反应器设计与操作的几个工程概念②停留时间(Retentiontime)：④空间速度（空速）(Spacevelocity)单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。空间速度注意：单位为时间的倒数。表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料，反映了一个反应器的强度。（SV＝2h-1表示1h处理2倍于反应体积的流体。）空速越大，反应器的负荷越大。停留时间理想反应器模型（2）完全混合反应器模型基本假设理想反应器模型（3）活塞流反应器模型理想反应器串联组合全混流多级串联理想反应器比较操作特性比较（1）操作特性比较（2）操作特性比较（3）转化率比较理想反应器数学模型的启示反应器选择的原则全混流反应器设计关联的参数有：xA、(-rA)、VR、FA0

注意：上图中矩形可求出出口转化率xA或出口浓度为CA所需空时，一定要明确上图黑点所代表的意义。釜式反应器管道化浸出系统多槽串联分解系统思考题：如果有一个地方正在采用单槽连续作业方式，而且过程进行的反应为非零级，为了提高设备的使用效果，你认为在槽的结构上宜作哪些改进？例题工厂采用全混槽以A与B以等摩尔比在70℃下进行反应生产C，实验测得该反应的速率方程式为：（-rA）=kCACB式中：（-rA）----以A组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1CA、CB----分别为A和B的浓度，kmol.L-1CA0、CB0均为0.004kmol.L-1若每天处理A2400kg，转化率为80%，按间断作业和连续作业两种操作方式，试计算确定反应器的体积大小。若采用两釜串联，第一釜转化率60%，第二釜转化率80%，试计算确定反应器的总体积大小。请思考：为何间歇釜式反应器所需反应体积要小得多？间歇反应器所需的体积仅为：2.16m3解：根据连续作业全混槽反应器的设计方程可知，反应速率方程可转化为：(-rA)=第一釜有效容积的计算：总有效容积：VR=VR1+VR2=3170L。很明显，达到相同转化率时，两釜串联的有效容