基本反应器全册配套完整课件

基本反应器全册配套完整课件一、化学反应工程简介1、化学反应工程发展简况化学反应过程总是伴随着物理变化同时进行的。

古代——化学反应过程陶器的制作、酒与醋的酿造、金属的冶炼以及炼丹、造纸——技艺二战后——石油化工化学反应器设计的迫切要求化学动力学研究的进展化工单元操作方面的理论和实践经验日趋成熟1957年在荷兰的Amsterdan城，召开了首次化学反应工程会议化学反应工程：ChemicalReactionEngineering——CRE第一节

概述2、CRE研究的对象和内容CRE是一门研究化学反应的工程问题的科学以化学反应为对象，必须研究这些化学反应的特性以工程问题为其对象，必须熟悉工程装置的特性CRE研究的是工业规模化学反应过程及其设备的共同规律。工业规模化学反应与实验室化学反应的区别（1）存在浓度分布（ConcentrationDistribution）CD（2）存在温度分布（TemperatureDistribution）TD（3）存在停留时间分布（ResidenceTimeDistribution）RTDCD、TD、RTD的产生，与化学反应本身的机理无关，而与传递过程有关。故工业规模的化学反应，必须与传递规律结合起来研究，因而显得复杂而困难。1、物料衡算方程（总的、各部的、局部的等等）；2、热量衡算方程（能量衡算中的主要部分）；

3、动力学方程；

4、参数方程。CRE的研究内容：（1）研究化学反应器的基本理论；

（2）反应器的设计、放大、控制；

（3）反应器设计、操作的优化。3、CRE的研究方法化工原理（单元操作）——因次分析法或经验归纳法化学反应工程——数学模拟法或称为数学模型法数学模型气相反应器液相反应器4、CRE研究中的尺度和立场物理化学——分子尺度CRE——气泡、液滴、固体颗粒的尺度CRE研究中的立场

抓住问题的主要方面，其余的因素则是次要的，仅考虑它们对主要方面的影响二、化学反应器的分类1、按物料的聚集状态分类均相反应器非均相反应器气-气相气-液相气-固相液-液相液-固相气-液-固相2、按反应器的结构型式分类釜式反应器塔式反应器管式反应器高径比近似为1长径比很大长径比10～203、按反应器的操作方式间歇反应器半连续反应器连续反应器非等温反应器等温反应器换热式反应器绝热式反应器空混=∞第二节

理想流动模型和理想反应器

模型——经过合理简化的某个过程的本质规律流动模型：是指流体流经反应器时实际流动和混合的状况进行合理简化后，就其本质规律提出的物理图象，并以数学语言加以描述一、流体混合的概念及意义1、流体粒子（微元）在空间顺序上的混合——空混流体在反应器内流动，不论其因何种原因而产生的流体粒子在反应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空间混合，简称空混。定义：两种极限情况空混=0完全无混合完全混合空混的影响：空混越大，反应器内浓度、温度越均匀。2、流体粒子（微元）在时间顺序上的混合——返混具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合定义：两种极端情况完全无返混返混=0完全返混返混=∞返混的影响：使反应器内反应物的浓度降低二、理想流动模型1、间歇完全混合流动模型空混=∞特点：反应器内各点的浓度均匀温度相等其它的参数也是一致各参数随时间而变化，是不稳定过程返混=0凡是符合上述特点的反应器称为理想间歇反应器。不存在停留时间分布2、连续理想混合流动模型空混=∞返混=∞特点：1）器内以及出口物料的组成和温度等参数均匀一致，且不随时间、空间而变化；2）各物料微元在器内的停留时间不尽相同，存在停留时间分布凡是器内物料呈理想混合流动的反应器，称为理想混合反应器。3、连续理想排挤流动模型活塞流、平推流空混=0；返混=0特点：1）在与流动方向垂直的任意截面上各点，物料的流速、浓度、温度及停留时间等完全一样；2）物料的浓度、温度等各参数沿流动方向递变；3）在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。凡器内物料呈理想排挤流动的反应器就称为理想排挤反应器。非理想流动模型轴向扩散流动模型多级理想混合串联流动模型第三节基本概念及反应器的物料衡算

一、基本反应器在化工生产中，把反应器的结构型式和操作方法结合起来考虑，最简单、最常用的反应器称为基本反应器。1、间歇釜式反应器，简称间歇釜；2、管式反应器，简称反应管；3、连续釜式反应器，简称全混釜。BatchStiredTankReactorPlugFlowReactorBSTRPFRCSTRContinuousStirredTankReactor二、基本概念1、转化率（x）

转化率是指在反应过程中反应物A的消耗量与A的起始量之比。表示反应过程中的消耗量占A起始量的百分率。设V0为反应器入口处的体积流量，则：2、时间（1）空间时间τc

反应器的有效容积与反应器入口处的体积流量之比。意义：定义：处理一个VR的物料所需的时间。（2）空间速度SV

定义：反应器入口处的体积流量与反应器有效容积之比。意义：单位时间内处理的物料量为反应器有效容积多少倍。

从τc

、SV的意义可知，它们均表示连续反应器的生产能力。τc

小，生产能力大；SV大，生产能力大。两者均表示入口状态（T、P）下的反应器的生产能力，一般用于描述连续反应器中气相反应。（3）平均停留时间τ平均

反应器的有效容积与反应器中物料的体积流量之比。定义：V—反应器内状态下（T、P）的体积流量。一般用于描述连续反应器中的液相反应。（4）反应时间τ

定义：反应物料进行反应达到所要求的转化率所需持续的时间。用于描述间歇反应器。三、反应器的物料衡算进入反应器的物料量（1）引出反应器的物料量（2）反应消耗的物料量（3）积累的物料量（4）间歇反应器：连续稳定反应器：半连续反应器：（3）+（4）=0（1）=（2）+（3）（1）=（2）+（3）+（4）

反应器种类举例特性适用的反应器形式均

相气相燃烧、裂解、烃高温氯化等无相界面，反应速率只与浓度、温度有关管式液相中和、酯化、水解等釜式、管式非均相气-液相氧化、氯化、加氢、化学吸收等有相界面，实际反应速度与相界面大小及相间扩散速度有关釜式、塔式液-液相磺化、硝化、烷基化等釜式、塔式气-固相燃烧、还原、各种固相催化等固定床、移动床、流化床液-固相还原、离子交换等釜式、塔式固-固相电石、水泥制造等回转窑式气-液-固相加氢裂解、加氢脱硫等釜式、固定床、流化床表4-1按物料聚集状态分类的反应器返回小结反应器的分类三种理想流动模型及基本反应器的特点时间的几种表示方法了解CRE研究的对象、内容及方法转化率的概念THEEND返回第四章基本反应器第四节基本反应器有效容积的计算均相、等温、恒容、单一反应研究条件：本节主要内容：三种均相基本反应器有效容积的计算均相反应器：反应器中进行的化学反应只有一个相均匀液相反应均匀气相反应反应速率：

以反应物A计的反应速率：单位时间、单位反应容积内，A减少的量。常用（-rA)表示。化学反应进行的快慢程度，用单位时间反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。影响反应速率的因素：温度、压强、催化剂、其它因素一、间歇理想釜式反应器（BSTR）1、反应器的结构及操作进料升温反应降温出料清洗装料系数生产时间反应时间辅助时间2、反应器的性能和特点（1）反应过程中，CA、xA、反应速率（-rA）是时间的函数，它们随时间变化，因而是一个不稳定过程；（2）物料在器内混合均匀，釜中任一微元的组成即可代表全釜的组成，即空混=∞；（3）所有物料在反应器中的停留时间是相等的，即返混=0；（4）操作弹性大，灵活性大，主要用于液相反应；（5）不易实现自控，每批产品质量容易不均，占用劳力多，不易实现大规模生产。常用于多品种、小批量的生产如试剂、医药、染料等。3、反应器有效容积VR的计算已知条件：单位时间处理的物料量V0反应时间τ计算：在dτ的时间内，以A为衡算对象，对整个反应器进行物料衡算0反应消耗的物料量积累的物料量基础设计方程等温、非等温、恒容和变容等过程均可适用若反应物A的起始浓度为CA0mol/m3，对于恒容过程，VR为定值，且则一级反应：二级反应：反应时间τ也可用图解积分法求得4、反应器总容积VT的确定例1在间歇反应釜中进行已二酸与已二醇的缩聚反应，生产醇酸树脂。该反应以硫酸作催化剂，已二酸与已二醇以等摩尔比，反应在70℃进行，已二酸转化速率方程为：

式中：（-rA）—以已二酸计算的反应速率，kmol/m3·h；

k—反应速率常数，m3/kmol·h；

CA—已二酸瞬时浓度，kmol/m3。70℃时k=0.118m3/kmol·h，已二酸起始浓度CA0=4kmol/m3。若每天处理2400kg的已二酸，要求已二酸的转化率达90%，试计算所需的反应器的VT及VR。每批辅助操作时间为1小时，装料系数为0.75。解：二、连续理想管式反应器PFR1、结构及操作2、性能和特点（1）通常情况为连续稳定过程，在反应器的各个横截面上，CA、xA、(-rA)均为定值，但随管长方向变化；（2）返混=0；（3）空混=0；（4）容易实现大规模生产和自动控制。常用于气相均相反应。3、反应器有效容积VR的计算进入引出消耗衡算范围：dVR衡算基准：单位时间积分得：基础设计方程一级反应：二级反应：恒容时间歇釜与管式反应器的比较：二者基础设计方程相同，说明转化率相同时，间歇釜内的反应时间与管式反应器内的空间时间相同。原因：例2在管式反应器中进行已二酸与已二醇的缩聚反应，生产醇酸树脂。操作条件和产量与例1相同。试计算管式反应器的有效容积。若管式反应器内径为300mm，其反应器长度为多少米？解：三、连续理想釜式反应器CSTR1、结构及操作2、性能和特点（1）空混=∞，釜内各点的CA

、xA、(-rA)都是相同的，且与出口处的各参数是一致的，即CA=CAf，xA=xf。（2）返混=∞，这种反应器由于返混对物料浓度的冲稀程度最大，存在停留时间分布，有平均停留时间；（3）各参数不随时间变化，是连续稳定过程;（4）多用于液相均相反应，且反应物的浓度要求较低的情况下。3、反应器有效容积VR的计算进入引出消耗一级反应：二级反应：例3在CSTR中，进行已二酸与已二醇的聚合反应，生产醇酸树脂。操作条件和产量与例1相同，试计算反应器的有效容积VR。解：代入数据：小结基础设计方程一级反应二级反应有效容积BSTRPTRCSTRTHEEND返回第四章基本反应器复习基础设计方程一级反应二级反应有效容积BSTRPTRCSTR第五节组合反应器组合反应器：将几个相同或不相同的基本反应器组合起来形成的反应器。多釜串联反应器：N个相同容积的CSTR串联组合。一、结构及操作二、性能和特点多用于液相反应三、基础设计方程对第i釜作物料衡算整理得：四、多釜串联反应器的计算

根据处理的物料量和要求达到的总转化率，求出所需的釜数，各釜的有效容积和转化率（或浓度）等。一级反应：若各釜的有效容积和温度相同，即：故对第一个釜为：对第二个釜为：依此类推，第N釜为：

上式只可用于一级不可逆反应时，均相、等温、恒容的条件下，对于N个有效容积相同的多釜串联反应器的釜数N及转化率xAN的计算。例5-4某一级不可逆反应在均相、恒温、恒容的条件下于一个VR=10l的PFR中进行，CA0=1mol/l、V0=1l/s、xAf=80%。现将该反应在完全相同的条件下用一多釜串联反应器来完成，每个釜的VR均为5l，达到同样的转化率需要多少个釜？解：在PFR中进行反应时将VR=10l,V0=1l/s,xAf=0.8代入得:在多釜串联反应器中进行时,设釜数为N,则每一釜：