化学反应工程第三章.优秀PPT.ppt

《化学反应工程第三章.优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学反应工程第三章.优秀PPT.ppt（74页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三章第三章 釜式及均相管式反应器釜式及均相管式反应器 主要内容：主要内容：第一节第一节 间歇釜式反应器间歇釜式反应器 其次节其次节 平推流反应器平推流反应器 第三节第三节 全混流反应器全混流反应器 第四节第四节 多级全混流反应器的串联及优化多级全混流反应器的串联及优化 第五节第五节 志向流淌反应器的组合与反应器志向流淌反应器的组合与反应器 体积比较体积比较 第六节第六节 多重反应的选择率多重反应的选择率第一节第一节 间歇釜式反应器间歇釜式反应器一一.间歇反应器的特征间歇反应器的特征工业上充分搅拌的间歇反应器接近于志向工业上充分搅拌的间歇反应器接近于志向间歇反应器间歇反应器反应器内物料达到分子

2、尺度匀整混合，浓反应器内物料达到分子尺度匀整混合，浓度到处相等，可解除物质传递对反应过度到处相等，可解除物质传递对反应过程的影响程的影响;反应器内各处温度相等，不需考虑反应器反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递内热量传递;反应物料同时加入又同时取出，物料的反反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相同。应时间相同。二二.间间歇反歇反应应器性能的数学描述器性能的数学描述 反反应时间应时间tXA的关系的关系 在反在反应应器中，物料器中，物料浓浓度和温度是匀整的，只随反度和温度是匀整的，只随反应时间应时间变变更，可以通更，可以通过过物料衡算求出反物料衡算求出反应时间应时间 t 和和 xA

3、的关系式。的关系式。衡算衡算对对象：关象：关键组键组分分A衡算基准：整个反衡算基准：整个反应应器（器（V）在在dt时间时间内内对对A作物料衡算：作物料衡算：A流入量流入量=A流出量流出量+A反反应应量量+A累累积积量量 积分等容过程上式适用于等容、等温顺变温的各种反应系统。2.反反应时间应时间的的计计算算 已知反已知反应动应动力学方程和力学方程和组组分分A的的浓浓度度变变更，就能按式更，就能按式计计算反算反应时间应时间。一般接受数一般接受数值积值积分或分或图图解法。如下解法。如下图图所示。所示。图解积分示意图图解积分示意图t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA03.实际操作时

4、间实际操作时间实际操作时间实际操作时间=反应时间反应时间 t+协助时间协助时间 t协助时间包括加料、调温、卸料和清洗等时间。协助时间包括加料、调温、卸料和清洗等时间。4.反应体积反应体积 VR=V(t+t)式中式中V为单位时间所处理的物料量。为单位时间所处理的物料量。三三.间间歇反歇反应应器中的器中的单单一反一反应应 设设有有单单一反一反应应 AP 动动力学方程力学方程为为 积分上式，可计算积分上式，可计算A的残余浓度和转化率。的残余浓度和转化率。1.残余浓度式残余浓度式 计算经反应时间计算经反应时间t后后A的残余浓度。的残余浓度。2.转化率式转化率式 计算经反应时间计算经反应时间t后后A的转

5、化率。的转化率。A的残余浓度和转化率可用公式的残余浓度和转化率可用公式计算。计算。间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果列于表（列于表（31）。）。反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n1表表3 31 1 志向间歇反应器中整级数单一反应的反应结果表达式志向间歇反应器中整级数单一反应的反应结果表达式3.残余浓度和反应时间的关系残余浓度和反应时间的关系0级反应：级反应：，直线下降；直线下降；1级反应：级反应：较缓慢下降；较缓慢下降；2级反应：级反应：缓慢下降。缓慢下降。对对于于一一级级或或二二级级不不行行逆逆反反应应，在

6、在反反应应后后期期，CA的的下下降降速速率率，即即xA的的上上升升速速率率相相当当缓缓慢慢。若若追追求求过过低低的的残残余余浓浓度度，即即过过高高的的转转化化率率，则则在在反反应应后后期期要要花花费费大大量量的反应时间。（见书上例的反应时间。（见书上例3-1）例例 3-1在间歇反应器中进行等温二级反应在间歇反应器中进行等温二级反应AB反应速率反应速率当当CA0分别为分别为1,5,10 mol/l 时，求反应至时，求反应至CA=0.01mol/l 所所需的反应时间。需的反应时间。例例 3-2在一均相等温反应中，反应物在一均相等温反应中，反应物A的初始浓度为的初始浓度为0.04mol/l 和和0.

7、8mol/l 时，在时，在34分钟内转化率为分钟内转化率为20%，问，问A的反应速率方程是多少？的反应速率方程是多少？其次节其次节 连续流淌均相管式反应器连续流淌均相管式反应器 （平推流反应器）（平推流反应器）一一.平推流反应器特点平推流反应器特点平推流反应器是指物料的流淌状况符合平推流模型，该平推流反应器是指物料的流淌状况符合平推流模型，该反应器称为平推流反应器，常用反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。表示。平推流模型是一种志向流淌模型，所以平推流反应器是平推流模型是一种志向流淌模型，所以平推流反应器是一种志向反应器。一种志向反应器。实际反应器中物料的流淌，只能以不同的程度接近平实际反应

8、器中物料的流淌，只能以不同的程度接近平推流，不行能完全符合平推流。推流，不行能完全符合平推流。平推流反应器具有以下特点：物料参数（温度、浓度、压力等）沿流淌方向连续变更，不随时间变更；任一截面上的物料参数相同，反应浓度只随轴向变更；反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同；返混0二二.平推流反平推流反应应器器计计算的基本公式算的基本公式 1.反反应应器体器体积积VR 衡算衡算对对象：关象：关键组键组分分A 衡算基准：微元体衡算基准：微元体积积dVR 稳定状态稳定状态,在在单单位位时间时间内内对对A作物料衡算：作物料衡算：A流入量流入量 A流出量流出量 A反反应应量量 A累累积积量量积积分

9、分上式是平推流反上式是平推流反应应器体器体积计积计算的普遍式，适用于等算的普遍式，适用于等温、非等温、等容和非等容等温、非等温、等容和非等容等过过程。程。2.间歇反应器和平推流反应器的关系间歇反应器和平推流反应器的关系 等容等容过过程程平推流反应器平推流反应器间间歇反歇反应应器器间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。三三.等温平推流反等温平推流反应应器的器的计计算算 等温平推流反等温平推流反应应器是指反器是指反应应物料温度相同，不随流物料温度相同，不随流淌方向淌方向变变更。更。将将代入代入若若为为等容等容过过程程等温等容等温等容过过程平推流反程平推

10、流反应应器器计计算式算式见见表（表（32）。）。反应级数反应速率反应器体积转化率式n=0n=1n=2n级n1表表3 32 2 等温等容平推流反应器计算式等温等容平推流反应器计算式例 3-3 今有二级反应A P,现有两个活塞流反应器串联操作，已知CA0=1mol/L，VR1=120L，VR2=240L，温度T1时，kT1=1L/(h.mol)，温度T2时kT2=2L/(h.mol)，进料流量V0=1L/min，试问下列状况何者为优：1.CA0(VR1,T1)CA1 (VR2,T2)CAf2.CA0(VR2,T2)CA2 (VR1,T1)CAf 全混流反应器是指物料流淌状况符合全混流模型，该反应器

11、称为全混流反应器（CSTR）。在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于猛烈搅拌，物料混合匀整，其流淌状况接近全混流。第三节第三节 连续流淌釜式反应器连续流淌釜式反应器（全混流反应器）（全混流反应器）一、全混流反应器的特点一、全混流反应器的特点反应器内物料参数（浓度、温度等）到处相等，反应器内物料参数（浓度、温度等）到处相等，且等于物料出口处的物料参数；且等于物料出口处的物料参数；物料参数不随时间而变更；物料参数不随时间而变更；反应速率匀整，且等于出口处的速率，不随时间反应速率匀整，且等于出口处的速率，不随时间变更；变更；返混返混二、全混流反二、全混流反应应器器计计算的基本公式算的基本公式 1.反

12、反应应器体器体积积VR 衡算衡算对对象：关象：关键组键组分分A 衡算基准：整个反衡算基准：整个反应应器（器（VR）稳稳定状定状态态：A流入量流入量A流出量流出量 A反反应应量量累累积积量量 式中式中指按出口指按出口浓浓度度计计算的反算的反应应速率。速率。若若,则则物料衡算方程物料衡算方程为为:A流入量流入量A流出量流出量 A反反应应量量累累积积量量上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等温反应器，上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。公式可用于等容过程和非等容过程。表表33列出了平推流反列出了平推流反应应器和全混流反器和全混流反应应器的反器的反应结应

13、结果比果比较较，其中，其中2.物料平均停留物料平均停留时间时间tm 对对于等容于等容过过程，物料平均停留程，物料平均停留时间为时间为，为为接触接触时间时间。平推流反应器与全混流反应器的比较例题：1.课本P.912.例3-4某二级液相反应A+BC，已知CA0=CB0，在间歇反应器中达到x=0.99，须要反应时间为10min，问：（1）在全混流反应器中进行时，应为多少？（2）在两个串联全混流反应器中进行时，又为多少？第四节第四节 多级全混流反应器的串联及优化多级全混流反应器的串联及优化 设有一反应，设有一反应，A的初始浓度为的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为，反应结束后最终浓度为CAf,反应

14、的平衡浓度为反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器，考察平推流反应器和全混流反应器的浓度推动力。的浓度推动力。浓度分布浓度分布-推动力推动力反应推动力随反反应推动力随反应时间渐渐降低应时间渐渐降低（间歇反应器）（间歇反应器）反应推动力随反反应推动力随反应器轴向长度渐应器轴向长度渐渐降低渐降低（平推流反应器）（平推流反应器）反应推动力不变，反应推动力不变，等于出口处反应等于出口处反应推动力推动力（全混流反应器）（全混流反应器）n由图示，明显有，由图示，明显有，CA平平CA全全n平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器中的浓度推动力。结果，

15、平推流反应器体积器中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于全混流反应器体积。小于全混流反应器体积。平推流反应器的物料参数如浓度等沿流淌方向变更。对于等温反应，很难限制整个反应器内物料温度匀整。对于全混流反应器，物料参数是匀整的，对于物料温度的限制比较简洁。在有机反应中，特殊是多重反应，要求反应过程中物料浓度温度等参数保持匀整，否则极易发生副反应，所以一般选择全混流反应器。为了满足工艺要求，又要提高反应推动力，人们把一个大的反应器分割成m个小的全混流反应器，然后串联起来，称为“多级串联全混流反应器”。设有设有4级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。

16、CA多多=(CA1CA*)1+(CA2CA*)2+(CA3CA*)3+(CA4CA*)4明显明显CA平平CA多多CA全全当级数为当级数为，则，则CA平平CA多多一一.多级全混流反应器的浓度特征多级全混流反应器的浓度特征CA0CA*CA4CA3CA2CA1CA0CA4CA3CA2CA1二二.多多级级全混流反全混流反应应器的器的计计算算1.解析解析计计算算 多多级级全混流反全混流反应应器串器串联联操作如操作如图图所示。所示。设设：稳稳定状定状态态，等温，等容。，等温，等容。对对第第i级级作作A的物料衡算，的物料衡算，则则有有 xAmVR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA

17、0CAmV0V0V0V0V0V0 xAixAi-1xA2xA1 多级全混流反应器的级数一般为23级，所以可以按上式从第1级起先逐级计算。依据不同的已知条件计算反应器体积，级数或者最终转化率。或或2.一一级级不行逆反不行逆反应应 对对于一于一级级不行逆反不行逆反应应，可以干脆建立，可以干脆建立级级数数m和最和最终转终转化化率之率之间间的关系，不必逐的关系，不必逐级计级计算。算。上式可化上式可化为为由式由式 ，第，第i级级式中由式由式 将上述将上述诸诸式相乘式相乘等容等容过过程程 故故 当每当每级级体体积积相等相等时时 则则可可进进一步一步简简化化总总体体积积或或3.图图解解计计算算 对对于非一于

18、非一级级反反应应，接受解析法，接受解析法计计算比算比较较麻麻烦烦，一般接受，一般接受图图解法解法计计算。算。1）等温等容）等温等容过过程，且各程，且各级级体体积积相同相同（1）图图解法基本原理解法基本原理 得到得到 将上述两个方程同将上述两个方程同时绘时绘于于两两线线交点的横坐交点的横坐标标即即为为CAi.。动力学方程为动力学方程为图上图上由由等温、等容、各级体积相等状况的图解计算等温、等容、各级体积相等状况的图解计算-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAmOM的直的直线线与与OM线线交于交于A1点，其横坐点，其横坐标标即即为为CA1；c.由于各由于各级级温度

19、相同，所以各温度相同，所以各级级的的动动力学曲力学曲线线均均为为OM线线 ;且且为为等容等容过过程，各程，各级级体体积积相等：相等：（2）作）作图图步步骤骤a.在在图图上上标标出出动动力学曲力学曲线线OMd.过过CA1作作CA0 A1的的平行平行线线，与，与OM曲曲线线交于交于A2,其横坐其横坐标标即即为为C A2。如此下去，当最。如此下去，当最终浓终浓度等于或小于度等于或小于规规定出口定出口浓浓度度时时，所作平行，所作平行线线的根数就是反的根数就是反应应器器级级数。数。b.以初始浓度以初始浓度CA0为起点，过为起点，过CA0作斜率为作斜率为2)等容、各等容、各级级体体积积相同，但温度不同相同

20、，但温度不同3)假如各假如各级级温度不同，温度不同，则则需作出各需作出各级级的的动动力学曲力学曲线线 OM1、OM2。然后依次作出。然后依次作出CA0A1、CA1A2、CA2A3，依此，依此 求出求出CA1、CA2、CA3。-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3M1M2M3O3)等容、等温但各等容、等温但各级级体体积积不同不同的各直的各直线线斜率斜率 不相同不相同，如图依次作出如图依次作出CA0A1、CA1A2、CA2A3，求出，求出CA1、CA2、CA3。假如各级体积不相同，则CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm-1/2-1/3-

21、1/1OM三三.多级全混流反应器串联的优化多级全混流反应器串联的优化 在设计反应器时，物料处理量VO、进料组成及最终转化率XAm是由工艺条件确定的。如何确定反应器级数m和各级的体积，使总体积最小。反应器级数越多,反应推动力增大,但设备投资、工艺流程和操作限制变得困难，因此须要综合考虑。以下探讨，当物料处理量VO、进料组成及最终转化率XAm和反应器级数m确定后，如何最佳安排各级转化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。为为使使VR最小，将上式分最小，将上式分别对别对xA1、xA2、xAm1求偏求偏导导数，并令之数，并令之为为零，零，则则有有 对对于等温等容于等温等容过过程，各程，各级级反反应应

22、器体器体积为积为 反应器总体积反应器总体积 为为以上共有（以上共有（m-1m-1）个方程，可解出（）个方程，可解出（m-1m-1）个待定量）个待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。以一级不行逆反应为例反应器总体积 即即化化简简后后即即由上式由上式上式表示：上式表示：对对于一于一级级不行逆反不行逆反应应，当各，当各级级的体的体积积相相等等时时，总总反反应应体体积积最小。最小。第五节第五节 志向流淌反应器的组合与反应器体积比较志向流淌反应器的组合与反应器体积比较一一.志向流淌反应器的组合志向流淌反应器的组合 工业生产中为了满足工艺要求，常常将志向反应器组合起来，构成组合志向流淌反应器。各种组合

23、方式如图所示。当反应温度、流量Vo、初始浓度CAo及各反应器体积VR相同时，进行一级不行逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。afedcbgab.d.e.c.f.g.各种组合反应器的最终浓度的大小依次为：各种组合反应器的最终浓度的大小依次为：(f)=(e)(d)=(c)(b)(a)各种组合反应器的最终转化率的大小依次为：各种组合反应器的最终转化率的大小依次为：(a)(b)(d)=(c)E2,E1E2,则在较高温度下进行则在较高温度下进行若若E1E2,E1nn2 2,较高反应物浓度较高反应物浓度对主反应有利对主反应有利若若n n1 1nn2,m1m2 n1n2 m1n2 m1n2,m1m

24、2CA,CB 都高都高n1n2,m1n2,m1E2,E1E2,则在较高温度下进行则在较高温度下进行若若E1E2,E1n2,n1n2,增加初浓度增加初浓度CA0CA0若若n1n2,n1n2,降低初浓度降低初浓度CA0CA0若若n1=n2,n1=n2,初浓度的变更对选择性无影响初浓度的变更对选择性无影响3.转化率转化率CL/CA随随xA的增大而增大的增大而增大L的瞬时选择性下降的瞬时选择性下降转化率过高，选择性降低转化率过高，选择性降低工业上分别再循环工业上分别再循环流淌类型的影响流淌类型的影响对于不行逆的连串反应且以反应的中对于不行逆的连串反应且以反应的中间物为目的产物时，返混总是对选择间物为目

25、的产物时，返混总是对选择性不利性不利左左左左右右左左连串反应的最佳反应时间与最大收率连串反应的最佳反应时间与最大收率间歇反应器或平推流反应器间歇反应器或平推流反应器最佳反应时间最佳反应时间最大出口浓度最大出口浓度最大收率最大收率(*)Y=Sx，由于总选择率总是随转化率的增大而降低，因此，由于总选择率总是随转化率的增大而降低，因此连串反应的收率必有极值。连串反应的收率必有极值。一级不行逆连串反应，不论接受哪一种反应器，主产物最大收率与一级不行逆连串反应，不论接受哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与反应物初浓度无关，只与k2/k1k2/k1的比值有关。的比值有关。全混流反应器全混流

26、反应器最佳反应时间最佳反应时间最大出口浓度最大出口浓度最大收率最大收率(*)(*)通过对通过对L做物料衡算，得做物料衡算，得:(a)平推流平推流(b)全混流全混流1.xA,k1/k2相同时，相同时，BSTR和和PFR比比CSTR好好2.k1/k21,高转化率下操作高转化率下操作探讨：探讨：1 1、对对一一级级不不行行逆逆连连串串反反应应，不不论论是是间间歇歇反反应应器器或或平平推推反反应应器器，还还是是全全混混流流反反应应器器，主主产产物物最最大大收收率率与与反反应应物物初初始始浓浓度度无无关关，只只与与k2/k1k2/k1有有关。关。2 2、若若以以S-XAS-XA作作图图在在 XAXA，k

27、2/k1 k2/k1 相相同同时时，间间歇歇操操作作或或平平推推流流操操作作时时，主主产产物物的的选选择择率率 S S 比比全全混流操作为高。混流操作为高。在在k1/k21 k1/k21 k1/k21 时时，即即使使转转化化率率较较高高，也也可可得得到到较较高的选择率。高的选择率。第三章小结第三章小结一、基本概念一、基本概念返混；平推流模型；全混流模型；反应器设计基本方程；间歇返混；平推流模型；全混流模型；反应器设计基本方程；间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器和多级全混流反应器的反应器、平推流反应器、全混流反应器和多级全混流反应器的特点。特点。二、核心内容二、核心内容1间歇反应器计算；间歇反应器计算；2平推流反应器计算；平推流反应器计算；3全混流反应器计算；全混流反应器计算；4多级串联全混流反应器计算及其优化。多级串联全混流反应器计算及其优化。5反应器型式选择；反应器型式选择；