化工基础ch6(反应器)

2均相反响过程§2.1间歇反响器§2.2平推流反响器§2.3全混流反响器§2.4多釜串联全混流反响器§2.5反响器型式和操作方式的评选§2.6反响器的热衡算与热稳定性12/29/2023主要讲述理想反响器的设计原理及反响器的选型。1.理想反响器的设计计算方法要求掌握的内容：2.根据化学反响的动力学特性来选择适宜的反响器型式12/29/2023反响器操作中的几个术语1.反响时间：是指反响物料进入反响器后，从实践发生反响的时辰起，到反响达某个转化率时所需的时间。(主要用于间歇反响器)2.停留时间：是指反响物料从进入反响器的时辰算起到它们分开反响器的时辰为止所用的时间。(主要用于延续流动反响器)。12/29/20233.平均停留时间：流体微元平均阅历的时间称为平均停留时间。4.空时：反响器的有效体积VR与进料的体积流量v0之比。物理意义是处置一个反响器体积的物料所需求的时间。12/29/20235.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可以处置多少个反响器体积的物料。6.返混：具有不同停留时间的流体微元之间的混合称为返混。※空时、空速用于延续流动反响器。进料体积流量按反响器入口处温度、压力求取。12/29/2023§2.1间歇反响器分批式(又称间歇式)操作，是指反响物料一次参与反响器内，而在反响过程中不再向反响器投料，也不向外排出反响物，待反响到达要求的转化率后再全部放出反响产物。〔间歇操作搅拌釜式反响器〕12/29/2023图2.1-1带搅拌的釜式反响器12/29/2023一、间歇反响器特点1.反响物料一次参与，产物一次取出。2.非稳态操作，反响器内浓度、温度随反响时间延续变化。3.同一瞬时，反响器内各点温度一样、浓度一样。12/29/2023二、间歇反响器体积计算1.反响时间的计算即：00(2.1-1)以反响物A为关键组分，A的反响速率记作〔-rA〕，根据间歇反响器的特点，在单位时间内对整个反响器作物料衡算：12/29/2023无论是等温变温等容变容(2.1-2)式均成立。或：(2.1-2)=积分得：恒容时：(2.1-3)(2.1-4)※间歇反响器的设计根底式※12/29/20232.反响器有效体积VR的计算由(2.1-2)式所得的时间是指在一定的操作条件下，为到达所要求转化率xA所需的反响时间,而不是每批操作所需的时间，每批操作所需的时间应是(t+t0)∴反响器的有效体积为VR=v0(t+t0)(2.1-5)式中：t0是辅助消费时间，包括加料、出料、清洗反响器和物料的升温、冷却。v0是平均每小时反响物料的体积处置量。12/29/20233.反响器实践体积V的计算反响器的实践体积是思索了装料系数后的实践体积(不包括换热器搅拌器的体积)。(2.1-6)式中：Ф是装料系数，普通为0.4～0.85，不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85，起泡、沸腾物料取0.4～0.6。12/29/2023消费乙二醇，产量为20kg／h。运用15％(质量)NaHCO3水溶液及30％(质量)的氯乙醇水溶液作原料，反响器投料氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1∶1，混合液相的密度为1.02。该反响对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反响温度下反响速率常数等于5.2l／(mol·h)。要求转化率到达95％。(1)假设辅助时间为0.5h，试计算反响器的有效体积。(2)假设装填系数取0.75，试计算反响器的实践体积。[例2.1-1]在等温间歇反响器进展氯乙醇的皂化反响ClCH2CH2OH＋NaHCO3OHCH2CH2OH＋NaCl＋CO212/29/2023①各组分的分子量MA=80.5MB=84MP=62②各组分的摩尔处置量NP=20/62=0.3226mol/hNA0=NB0=NP/0.95=0.3396mol/h③求两股物料的分量流量0.3WA/80.5=0.15WB/84=0.3396mol/h∴WA=91.126kg/hWB=190.167kg/hW=WA＋WB=281.239kg/hv0=W/ρ=281.239/1.02=275.78l/h解：计量方程式可写成：A＋BP＋D＋S12/29/2023VR=v0(t+t0)=275.78×(2.97+0.5)=956.92l④反响时间⑤反响器有效体积=1275.893l⑥反响器实践体积12/29/2023§2.2平推流反响器工业上的管式反响器其长径比较大的可近似地按平推流反应器处置。一、平推流反响器的特征1.经过反响器的物料质点，沿同一方向以同一流速流动，在流动方向上没有返混。2.一切物料质点在反响器中的停留时间都一样。3.同一截面上的物料浓度一样、温度一样。4.物料的温度、浓度沿管长延续变化。12/29/2023二、平推流反响器设计1.平推流反响器的设计方程根据平推流反响器的特点，可取反响器中一微元段作物料衡算，然后沿管长对整个反响器积分，就可得到平推流反响器的设计根底式。12/29/2023FA=FA＋dFA+〔–rA〕dVR+0即：12/29/2023积分得或(2.2-1)※平推流反响器根底设计式※恒容时∴(2.2-2)12/29/2023恒容过程，平推流反响器与间歇釜式反响器的设计方程完全一致；所以只需反响是等容的，间歇反响器所导得的积分式均适用。对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。假设反响速率方程过于复杂，往往需求用数值积分或如图2.2-2所示的图解法求解。对于非等温反响，式(2.2-1)或(2.2-2)应结合热量衡算式(又称操作方程)联立求解。12/29/2023图2.2-2平推流反响器的图解计算表示图2.图解计算12/29/2023[例2.2-1]在215℃和5大气压下，均相气相反响Ａ─→3Ｒ在平推流反响器中进展。215℃时，速率方程式为：(–rA)=10-2CA0.5(mol/l·s)，原料气中含有50％A和50％惰性气体(CA0=0.0625mol/l)，求转化率为80％时所需的时间。12/29/2023解：根据题中所给出的知条件有：yA0＝0.5δA＝(–rA)＝10-2CA0.5＝10-2CA00.5τ＝＝100CA00.5式中积分项可用图解、数值解或解析解计算，下面依次阐明这些解法。12/29/2023①图解积分首先计算被积函数值，再作图令：面积＝用目测法计算面积得：面积＝1.70×0.8＝1.3xA0.00.20.40.60.8Y1.0001.2771.5282.0003.00012/29/2023②数值积分辛普森公式：n为偶数∴对于上表数据，用辛普森公式计算：=[1.000+4×1.227+2×1.528+4×2.000+3.000]×0.2÷3=1.331(※也可用梯型公式计算)12/29/2023③解析积分所引荐的积分方法要取决于详细情况，在此题中数值解能够是最快、最简单的方法。12/29/2023§2.3全混流反响器实践消费中的延续搅拌釜式反响器几乎都是在定常态下操作的。反响物料延续不断地以恒定的流速流入反响器内，而产物也以恒定的速率不断地从反响器内排出。(延续操作搅拌釜式反响器)12/29/2023图2.3-1全混流反响器12/29/2023一、全混流反响器特点1.物料延续以恒定的流速流入、流出反响器，稳态操作。2.反响器内各空间位置温度均一，浓度均一。3.反响器内浓度、温度与出口处浓度、温度一样。图2.3-2全混流反响器的平衡12/29/2023二、全混流反响器的设计方程以反响物A为关键组分，A的反响速率记作(–rA)，根据全混流反响器的特点，在单位时间内对整个反响器作物料衡算：

FA0=FA+〔–rA〕VR+0FA0－FA=〔–rA〕VR(2.3-1)※全混流反响器的设计根底式※恒容时(2.3-2)12/29/2023[例2.3-1]在一体积为120升的全混流反响器中进展以下液相反响：式中k1=7[l/(mol·min)]，k2=3[l/(mol·min)]，两种物料以等体积参与反响器，一种含2.8molA/l，另一种含1.6molB/l。假设系统的密度不变，希望B组分的转化率为75％，求每种物料的流量。12/29/2023解：在混合进料中各组分的浓度为CA0=1.4mol/l,CB0=0.8mol/l,CR0=CS0=0。当转化率为75％,δA=0时，反响器内和出口处物料的组成为：CA=1.4－0.6=0.8mol/lCB=0.8－0.6=0.2mol/lCR=0.6mol/lCS=0.6mol/l12/29/2023全混流反响器：而：(–rA)=(–rB)=k1CACB－k2CRCS=7×0.8×0.2－3×0.6×0.6=0.04mol/[l·min]因此流入反响器的体积流量为:即每种物料的流量为4l/min。12/29/2023§2.4多釜串联全混流反响器工业消费中常同时运用数个釜式反响器进展同样的反响；反响器设计中也经常出现用一个大反响器好，还是用几个小反响器好的问题。同时运用几个反响器时，应该采用什么样的结合方式效果最好，这样的反响器组合应如何去计算，就是本节所要讨论的中心内容。假设采用几个串联的全混流反响器来进展原来由一个全混流反响器所进展的反响，那么除了最后—个反响器外的一切反响器都在比原来高的反响物浓度下进展反响。这样势必减少了混协作用所产生的稀释效应。12/29/2023图2.4-1多釜串联的全混流反响器12/29/2023图2.4-1(b)中给出这种多釜串联的全混流反响器，图2.4-1(a)给出每个全混流反响器所需的空时τi和总的空时∑τi。可以看出，用的釜数N愈多那么所需的总容积就愈接近间歇搅拌釜式反响器。对恣意第i个釜作组分A的物料衡算，对于恒容系统都有：(2.4-1)将详细的速率方程代入，从第1釜开场逐釜的计算下去。对于n级不可逆反响，那么有：(2.4-2)12/29/2023当n=1时：即(2.4-3)假设各釜具有一样的体积和一样的温度那么(2.4-4)或(2.4-5)N个反响釜的总体积为VR=NVRi=Nτiv012/29/2023一、图解计算法图解法适用于给定转化率和处置量后选定釜的个数和釜的体积。用这种方法可以省去试差的费事。应该阐明的是这种方法仅适用反响速率最终可以用单一组分表达的反响。图解步骤：1.根据实验数据(动力学方程)作操作温度下的(–rA)～CA(或xA)关系曲线图1。2.在图1上作相应温度下第i釜的(–rAi)～CAi操作线：(2.4-6)12/29/2023①从CA0点出发作斜率为(–rA1)/(CA1–CA0)的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第一釜的出口浓度CA1，交点的纵座标为第一釜的反响速率(–rA1)。②从CA1点出发作斜率为(–rA2)/(CA2–CA1)的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第二釜的出口浓度CA2，交点的纵座标为第二釜的反响速率(–rA2)。这样不断作到要求到达的出口浓度，有几个梯级就表示需求几个釜串联运用。假设各釜体积一样，那么图上各操作线平行。假设各釜体积不同，图上各操作线的斜率也不同。对于多釜串联，假设追求整体反响器体积最小，应添加反响器的个数，但反响器体积最小是有限的，即使反响釜的个数趋于无穷，反响釜的总体积最小为速率倒数曲线、起始浓度、最终浓度和横座标围成的面积〔见以下图中绿影部分〕与进料体积流量的乘积。12/29/202312/29/2023二、串联釜式反响器各釜的最正确反响体积比现设所进展的为简单反响，那么总反响体积VR(2.4-7)将上式分别对xAi(i=1，2…N－1)求偏导：令那么有：(i=1，2…N－1)(2.4-8)这是保证总反响体积最小所必需遵照的条件。求解方程组(2.4-8)，可得各釜的出口转化率，从而求出各釜的反响体积，此时总和为最小。12/29/2023例：对于一级不可逆反响，假设各釜温度一样，

代入式(2.4-8)化简后得：(i=1，2…N)

12/29/2023由此可见串联釜式反响器进展一级不可逆反响时各釜体积一样时总反响体积最小。

上式也可写成：12/29/2023§2.5反响器型式和操作方式的评选本节仅从反响器消费才干和产品分布这两个影响过程经济性的主要要素出发，就单一反响和复合反响来分别讨论其反响器型式和操作方法的评选。一、单一反响：由于不存在副反响，所以，在反响器选型时只需思索如何有利于反响速率的提高。对于单一反响，反响速率与反响物浓度的关系能够有下述三种性状：12/29/2023(1)1/(–rA)随xA的增大呈单调上升，如图2.5-1所示。对于n＞0的不可逆等温反响均有图示的特征。此时采用平推流反响器或间歇操作的完全混合的反响器所需的反响容积最小，其次是采用多釜串联的全混流反响器，而单一的全混流反响器所需的容积最大。图2.5-1不同反响器所需的体积(τ=VR/v0)12/29/2023(2)1/(–rA)随xA的增大而单调下降，如图2.5-2所示，对于n＜0的不可逆等温反响均具有此性状。采器具有返混的全混流为最正确，多釜串联将导致反响器容积增大，且釜数愈多容积就愈大。平推流将不利于这类反响。图2.5-2不同反响器所需的体积(τ=V/v0)12/29/2023(3)1/(–rA)对xA的曲线上存在着极小值，如图2.5-3所示，自催化反响和绝热操作的放热反响具有这种特征。当反响器出口转化率大于相应于最小值的xAM时，全混流反响器最正确，而平推流反响器所需的反响容积最大，假设反响物料的起始转化率xA0大于xAM应选用平推流反响器或多釜串联的全混流反响器；而当xA0＜xAM而xA＞xAM的场所，那么全混流反响器串联平推流反响器最优。图2.5-3不同反响器所需的体积(τ=V/v0)12/29/2023二、复合反响以目的产物选择性最大为目的函数，由瞬时选择性的定义：(2.5-1)对于间歇反响器或平推流反响器运用：(2.5-2)(2.5-3)12/29/2023对于全混流反响器，瞬时选择性与总选择性一样：(2.5-3)从上述讨论看，复合反响的产物分布不仅与反响的型式、反响动力学特性有关，而且还与反响器的型式有关。12/29/20231.一级不可逆串连反响R是目的产物对于间歇反响器或平推流反响器P的最大浓度：(2.5-4)对于全混流反响器R的最大浓度：(2.5-5)将上面两式相除，并以对作图：12/29/2023由图2.5-4可见平推流反响器对产物P来说总是优于全混流反响器。图2.5-4平推流反响器与全混流反响器的比较12/29/20232.不可逆平行反响P是目的产物P的瞬间选择性与CA之间能够有三种变化外形：(1)随CA的增大而单调地增大，此时由图2.5-5(a)的图解表示图可看出，反响器内的返混作用将是不利的，应选用无返混的平推流反响器。

图2.5-5(a)平推流最优，多釜串联次之，全混流反响器最差图2.5-5平行反响中反响器比较的图解表示12/29/2023

(2)φP随CA的增大而单调地下降，从图2.5-5(b)可看出返混将有利于收率的提高，以全混流反响器为最优。图2.5-5(b)全混流最优，多釜串联全混流次之，平推流最差图2.5-5平行反响中反响器比较的图解表示12/29/202312/29/2023§2.6反响器的热衡算与热稳定性(1)全混流反响器的热衡算方程(通常又称为操作方程式)假设忽略反响流体的密度和定压比热随温度的变化，反响器在定常态下操作时对反响器作热量衡算有：单位时间单位时间单位时间单位时间[物料带入热量]-[物料带出热量]-[传给介质热量]+[反响放热]=0即：(2.6-1)12/29/2023当反响器在绝热条件下操作，上式右端的第二项为零，即：

(2.6-2)将式(2.6-1)或(2.6-2)与全混流反响器的设计方程式(2.2-1)联立求解来确定反响器容积，传热面积或有关反响温度、流体入口温度等操作参数。12/29/2023[例2.6-1]有一有效容积为0.75m3的搅拌釜反响器，其内设置有换热面积为5.0m2的冷却盘管。现欲利用该反响器进展的一级不可逆液相反响，其速率常数k＝1.0788×109exp[–5525.9/T](h-1)，反响热(–△HA)＝20921J／mol，原料液中A的浓度CA0=22mol/l，但不含R。该原料液的密度ρ＝1050g／l，定压比热CP=2.929(J／g·℃)。要求原料液的进料速率为v0=3m3／h，反响器出口的反响液中CA＝0.04mol/l。经实测得器内换热器的总传热系数K=209.2kJ/[m2·h·℃]。所用冷却介质的温度为25℃。试求满足上述反响要求所需的反响温度以及料液的起始温度T0。12/29/2023解：①计算所需反响温度T全混流反响器：

一级不可逆液相反响：(–rA)=kCA

根据阿累尼乌斯方程有∴所以，反呼应在308.6K(或35.4℃)下操作。12/29/2023②原料液起始温度T0的计算原料液的起始温度为297.4K(或24.2℃)12/29/2023(2)全混流反响器操作的热稳定性分析延续釜式反响器内反响物料温度均匀一致，假设为定态操作，反响是在等温下进展的。如为非定态操作,属变温过程，即反响温度随时间而变，但不随空间而变。无论是定态操作还是非定态操作，反响过程的温度均需由反响器的热量衡算式和物料衡算式来决议。对于放热反响，这会出现定态不独一的问题，即同时存在多个定态，操作温度都能满足反响器的热量及物料衡算式。这些定态中有些定态具有抗外界干扰的才干，即在外界干扰使其偏离了原来定态，而系统本身具有抑制这种使其发生偏离的干扰的影响并在干扰要素消逝后它又能自动回复到原来的定态操作点，这类定态我们称之为稳定的定态。那些不具有抗干扰才干的定态那么称为是不稳定的定态，这就是要讨论的定态稳定性问题。12/29/2023为了方便地看出反响器内传热过程的这一特点，将式(2.6-1)改写成如下方式：(2.6-3)令：

生热速率移热速率12/29/2023放热速率线为一曲线，曲线的外形和k值与温度的关系有关。以一级不可逆反响为例：(2.6-4)(2.6-4)式为S型曲线。移热速率Qr线为不断线，QG线、Qr线的交点为热平衡点。由于参数的不同，Qr线有不同的斜率和位置，如图2.6-1。12/29/2023(b)图2.6-1T～Q的关系12/29/2023如今来看图2.6-1(b)中QG线、Qr线的a、b、c三个交点。三个交点都满足热平衡条件QG=Qr，也都称做定态操作点，下面就分析这三个点的稳定情况及操作态的选择。a点：当有扰动使T略大于