化学反应工程第三章 理想流动反应器1

第一节流动模型概述

第二节理想流动反响器第三章理想流动反响器第一节流动模型概述

间歇过程－－时间变化过程，间歇反响器流动过程－－空间变化过程，三釜串联，平推流反响器实例1：管式反响器实例2：串联釜式反响器3－1反响器中流体的流动模型

3－2反响器设计的根本方程SchematicofaSteamCrackerforEthyleneProductionfromNaphthaheatinggasCrackgascoolerCrackgas125barsteamSteamNaphthapreheaterNaphthaburnerRadiationzoneconvectionzoneFeedwater石脑油蒸馏制乙烯产品HighPressurePolymerisationofEthylenePressure:1500–2500bar〔1bar＝0.1MPa〕Residencetime:100–150sReactor:Diam.34–50mm;L=400–900mcompressionpurgepolymerisationdepositionLP-stripperHP-stripper150-300atHP-compressorLP-compressor1500-3000barTubularreactorandstirredtankWaxseparation乙烯高压聚合串联反响釜理想流动模型DispersionRecyclereactor(Semi-)Batchreactor3－1反响器中流体的流动模型流动模型：反响器中流体流体与返混的描画非理想流动模型Plug-FlowReactor(PFR)Continuousstirredtank(CSTR)3－1反响器中流体的流动模型

一、理想流动模型Outlet=f(inlet,kinetics,contactingpattern)流动模型：简化，笼统平推流模型〔Plug-FlowReactor，PFR)全混流模型(Continuousstirredtankreactor，CSTR)Stirredtankcascade〔1〕平推流模型(PFR)CAf出料进料V0CA0一、理想流动模型PFR假设：反响物料以稳定流量流入反响器，在反响器中平行地像气缸活塞一样向前挪动特点：沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面上物料的一切参数，如温度、浓度、压力、流速都一样，因此，一切物料质点在反响器中具有一样的停留时间，反响器中不存在返混。X=Z/2X=ZCA,OCA,outCAtx=0timeZZ/2CA,OCA,outCAxpositionxx+xx0ZZ/2PFR〔2〕全混流模型假设：反响物料以稳定流量流入反响器，在反响器中，刚进入的新颖物料与存留在反响器中的物料瞬间到达完全混合。特点：反响器中一切空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反响器出口处的物料性质，物料质点在反响器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，构成一个停留时间分布。tresidencetimeCA,inCA,outCAttime0tCA,OCA,outCAxposition0CSTRBatchreactor(discontinuouslyoperatedstirredtankreactor)Idealreactorstouttout/2CA,OCA,outCAttimet=tout/2t=toutCA,OCA,outCAxt=0position00年龄——反响物料质点从进入反响器算起曾经停留的时间；是对仍留在反响器中的物料质点而言的。寿命——反响物料质点从进入反响器到分开反响器的时间；是对曾经分开反响器的物料质点而言的。返混——又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合流动模型相关的重要概念BSTRPFRCSTR1投料一次加料(起始)延续加料(入口)延续加料(入口)2年龄年龄一样(某时)年龄一样(某处)年龄不同3寿命寿命一样(中止)寿命一样(出口)寿命不同(出口)4返混无返混无返混返混极大第一节流动模型概述反响器特性分析浓度分布——推进力反响器特性分析流体流动推进力：压力差传热推进力：温差传质推进力：浓度差〔化学位差〕化学反响推进力：体系组成与平衡组成的差。过程的速率：与推进力成正比，与阻力成反比。反响器特性分析反响推进力随反响时间逐渐降低反响推进力随反响器轴向长度逐渐降低反响推进力不变，等于出口处反响推进力传质推进力偏离平推流的情况二、非理想流动模型漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料截面上流速不均匀沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀偏离全混流的情况死角短路搅拌呵斥的再循环二、非理想流动模型流动情况对化学反响的影响-----主要由物料停留时间不同所呵斥二、非理想流动模型短路、沟流停留时间减少转化率降低死区、再循环停留时间过长A+B→P：有效反响体积减少A+B→P→S产物P减少→停留时间的不均3-2反响器设计的根本方程一、反响器设计的根本内容选择适宜的反响器型式反响动力学特性+反响器的流动特征+传送特性确定最正确的工艺条件最大反响效果+反响器的操作稳定性进口物料的配比、流量、反响温度、压力和最终转化率计算所需反响器体积规定义务+反响器构造和尺寸的优化3-2反响器设计的根本方程thekineticequationthemassbalanceequationtheenergybalanceequationthemomentumbalanceequation第二章中讨论过计算反响体积计算温度变化计算压力变化物料衡算方程针对任一反响单元，在任一时间段内：某组分累积量=某组分流入量－某组分流出量－某组分反响耗费量反响耗费累积流入流出反响单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√带入的热焓=带出的热焓+反响热+热量的累积+传给环境的热量反响热累积带入带出反响单元反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√传给环境能量衡算方程动量衡算方程〔流膂力学方程〕气相流动反响器的压降大时，需求思索压降对反响的影响，需进展动量衡算。第二节理想流动反响器一、间歇反响器的特征3-3间歇反响器〔1〕反响器内物料浓度到达分子尺度上的均匀，且反响器内浓度处处相等，因此排除了物质传送对反响的影响；〔2〕具有足够强的传热条件，温度一直相等，无需思索器内的热量传送问题；〔3〕物料同时参与并同时停顿反响，一切物料具有一样的反响时间。优点：操作灵敏，适用于小批量、多种类、反响时间较长的产品消费——精细化工产品的消费缺陷：装料、卸料等辅助操作时间长，产质量量不稳定Standardisedstirredtankreactorsizes反应釜规格4006301000250040006300总容积L5338471447346053748230夹套容积L120152216368499677换热面积m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸

(mm)d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170019002100h2125013001550206025003050规范尺寸(accordingtoDIN)二、间歇反响器的数学描画用数学模型描画反响物组成随时间的变化情况对整个反响器进展物料衡算：0流入量=流出量+反响量+累积量0单位时间内反响量=单位时间内消逝量等容过程，液相反响图解积分表示图t/cA0[rA]-1xxAfxA0t[rA]-1CACAfCA0二、间歇反响器的数学描画

一级不可逆反响〔1st.OrderReaction，irreversible〕实践操作时间=反响时间(t)+辅助时间(t’)反响体积VR是指反响物料在反响器中所占的体积VR=V(t+t’)据此关系式，可以进展反响器体积的设计计算FP为单位时间的产品产量Cf为反响终了时的产物浓度反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1表3－1理想间歇反响器中整级数单反响的反响结果表达式k增大(温度升高〕→t减少→反响体积减小讨论：间歇反响器中的单反响2、反响浓度的影响1.k的影响零级反响：t与初浓度CA0正比一级反响：t与初浓度CA0无关二级反响：t与初浓度CA0反比3.剩余浓度零级反响：剩余浓度随t直线下降一级反响：剩余浓度随t逐渐下降二级反响：剩余浓度随t渐渐下降反响后期的速度很小；反响机理的变化Reactionrater:reactionprogressasafunctionofthereactionordernC0tdcdtCn=1n=2n=0tangentC0tCn=1n=2n=0reactionprogressasafunctionofthereactionordern例3－1以醋酸〔A〕和正丁醇〔B〕为原料在间歇反响器中消费醋酸丁酯〔C〕，操作温度为100℃，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B。知反响速率试求醋酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99时所需反响时间。解：CH3COOH+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2OA的初始浓度计算：可求出，投料总体积为0.559m3醋酸A1kmol60kg0.062m3正丁醇B4.96kmol368kg0.496m3例题：用间歇反响器进展乙酸和乙醇的酯化反响，每天消费乙酸乙酯12000kg，其化学反响式为原料中反响组分的质量比为A：B：S=1：2：1.35，反响液的密度为1020kg/m3，并假定在反响过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。反响在100℃下等温操作，其反响速率方程为

100℃时，k=4.76×10-4L/〔mol·min〕，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反响体积。根据反响物料的特性，假设反响器填充系数取0.75，那么反响器的实践体积是多少？=经过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，参与的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需参与反响器的原料液量为解：首先计算原料处置量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为其次计算原料液的起始组成。

然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。代入速率方程，整理后得式中

代入到根本公式中得：t=118.8min实践反响器体积：12.38m3/0.75＝16.51m33-4平推流反响器一.特点：〔1〕延续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；〔2〕径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；〔3〕反响物料具有一样的停留时间。3-4平推流反响器Tubereactor裂解炉用于乙烯消费的管式裂解炉V0CA0CAfxAfxAf=0v0cA0(1-xA)v0cA0(1-xA-dxA)rAdVRdVRxAxA+dxA二.平推流反响器计算的根本公式BSTR与FPR的等效性二.平推流反响器计算的根本公式流入量=流出量+反响量+累积量0三、等温平推流反响器的计算化学计量学，膨胀因子假设反响过程无体积变化反应级数反应速率反应器体积转化率式n=0n=1n=2n级n≠1表3－2等温等容平推流反响器计算式反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1表3－1理想间歇反响器中整级数单反响的反响结果表达式Balancingofacontinuousstirredtankreactor3-5全混流反响器反响器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反响器流出物料的浓度和温度。V0CA0V0CAfCAf例题：用平推流反响器进展乙酸和乙醇的酯化反响，每天消费乙酸乙酯12000kg，其化学反响式为：原料中反响组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反响液的密度为1020kg/m3，并假定在反响过程中不变。反响在100℃下等温操作，其反响速率方程为知100℃时，k=4.76×10-4L/〔mol·min〕，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反响体积。=由于乙酸与乙醇的反响为液相反响，故可以为是等容过程。等容下活塞流反响器的空时与条件一样的间歇反响器反响时间相等，已求出到达题给要求所需的反响时间为t=118.8min。改用活塞流反响器延续操作，如要到达同转化率，要求应使空时τ=t=118.8min。原料处置理为V0=4.155m3/h因此，反响体积

VR=4.155(118.8/60)=8.227m3解：3-5全混流反响器流入量=流出量+反响量+累积量0进口中已有A取整个反响器为衡算对象3-5全混流反响器全混流反响器τ的图解积分(对比右图的PFR图解积分)CA0CACAfCACA0CAf3-5全混流反响器平推流反响器与全混流反响器的比较用全混流反响器进展乙酸和乙醇的酯化反响，每天消费乙酸乙酯12000kg，其化学反响式为原料中反响组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反响液的密度为1020kg/m3，并假定在反响过程中不变。反响在100℃下等温操作，其反响速率方程为知100℃时，k=4.76×10-4L/〔mol·min〕，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反响体积。=例题：经过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，参与的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需参与反响器的原料液量为首先计算原料处置量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时