化学反应工程第三章ppt课件.ppt

第三章 釜式及均相管式反应器,主要内容： 第一节 间歇釜式反应器 第二节 平推流反应器 第三节 全混流反应器 第四节 多级全混流反应器的串联及优化 第五节 理想流动反应器的组合与反应器 体积比较 第六节 多重反应的选择率,第一节 间歇釜式反应器一. 间歇反应器的特征工业上充分搅拌的间歇反应器接近于理想间歇反应器反应器内物料达到分子尺度均匀混合，浓度处处相等，可排除物质传递对反应过程的影响;反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递;反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相同。,二. 间歇反应器性能的数学描述 反应时间tXA的关系 在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间变化，可以通过物料衡算求出反应时间 t 和 xA的关系式。衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（V） 在dt时间内对A作物料衡算：A流入量 = A流出量 + A反应量 + A累积量,积分,等容过程,上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。,2. 反应时间的计算 已知反应动力学方程和组分A的浓度变化，就能按式计算反应时间。 一般采用数值积分或图解法。如下图所示。,图解积分示意图,3. 实际操作时间实际操作时间=反应时间 t + 辅助时间 t辅助时间包括加料、调温、卸料和清洗等时间。4. 反应体积 VR= V(t+t)式中V为单位时间所处理的物料量。,三. 间歇反应器中的单一反应 设有单一反应 AP 动力学方程为,积分上式，可计算A的残余浓度和转化率。,1.残余浓度式 计算经反应时间t后A的残余浓度。2.转化率式 计算经反应时间t后A的转化率。 A的残余浓度和转化率可用公式计算。 间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果列于表（31）。,表31 理想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0级反应： ， 直线下降；1级反应： 较缓慢下降；2级反应： 缓慢下降。对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的反应时间。（见书上例3-1）,例 3-1在间歇反应器中进行等温二级反应AB反应速率当CA0分别为1, 5, 10 mol/l 时，求反应至CA=0.01mol/l 所需的反应时间。,例 3-2在一均相等温反应中，反应物A的初始浓度为0.04mol/l 和0.8mol/l 时，在34分钟内转化率为20%，问A的反应速率方程是多少？,第二节 连续流动均相管式反应器 （平推流反应器）一. 平推流反应器特点平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。平推流模型是一种理想流动模型，所以平推流反应器是一种理想反应器。 实际反应器中物料的流动，只能以不同的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。,平推流反应器具有以下特点：物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化，不随时间变化；任一截面上的物料参数相同，反应浓度只随轴向变化；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. 平推流反应器计算的基本公式 1.反应器体积VR 衡算对象：关键组分A 衡算基准：微元体积dVR 稳定状态,在单位时间内对A作物料衡算： A流入量 A流出量 A反应量 A累积量,积分,上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等温、非等温、等容和非等容等过程。,2.间歇反应器和平推流反应器的关系 等容过程平推流反应器,间歇反应器,间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。,三. 等温平推流反应器的计算 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动方向变化。 将,代入,若为等容过程,等温等容过程平推流反应器计算式见表（32）。,表32 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，试问下列情况何者为优：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动状况符合全混流模型，该反应器称为全混流反应器（CSTR）。在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅拌，物料混合均匀，其流动状况接近全混流。,第三节 连续流动釜式反应器（全混流反应器）,一、全混流反应器的特点反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处的物料参数；物料参数不随时间而变化；反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化；返混,二、全混流反应器计算的基本公式 1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态： A流入量A流出量 A反应量累积量,式中,指按出口浓度计算的反应速率。,若,则物料衡算方程为:A流入量A流出量 A反应量累积量,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。,表33列出了平推流反应器和全混流反应器的反应结果比较，其中,2.物料平均停留时间tm 对于等容过程，物料平均停留时间为,，为接触时间。,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，需要反应时间为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 多级全混流反应器的串联及优化,设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器的浓度推动力。,浓度分布 - 推动力,反应推动力随反应时间逐渐降低（间歇反应器）,反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低（平推流反应器）,反应推动力不变，等于出口处反应推动力（全混流反应器）,由图示，显然有，CA平CA全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，平推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动方向变化。对于等温反应，很难控制整个反应器内物料温度均匀。对于全混流反应器，物料参数是均匀的，对于物料温度的控制比较容易。 在有机反应中，特别是多重反应，要求反应过程中物料浓度温度等参数保持均匀，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4级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。CA多=(CA1CA*)1+(CA2CA*)2+(CA3CA*)3+(CA4CA*)4显然CA平CA多CA全当级数为，则CA平CA多,一. 多级全混流反应器的浓度特征,CA0,CA4,CA3,CA2,CA1,二. 多级全混流反应器的计算 解析计算 多级全混流反应器串联操作如图所示。 设：稳定状态，等温，等容。 对第i级作A的物料衡算，则有,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级开始逐级计算。根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,2. 一级不可逆反应 对于一级不可逆反应，可以直接建立级数m和最终转化率之间的关系，不必逐级计算。,上式可化为,由式 ，第i级,式中,由式,将上述诸式相乘,等容过程,故,当每级体积相等时,则可进一步简化,总体积,或,3. 图解计算 对于非一级反应，采用解析法计算比较麻烦，一般采用图解法计算。 1）等温等容过程，且各级体积相同（1）图解法基本原理,得到,将上述两个方程同时绘于,两线交点的横坐标即为CAi.。,动力学方程为,图上,由,等温、等容、各级体积相等情况的图解计算,的直线与OM线交于A1点，其横坐标即为CA1；c. 由于各级温度相同，所以各级的动力学曲线均为OM线 ; 且为等容过程，各级体积相等：,（2）作图步骤a.在,图上标出动力学曲线OM,d. 过CA1作CA0 A1的平行线，与OM曲线交于A2,其横坐标即为C A2 。如此下去，当最终浓度等于或小于规定出口浓度时，所作平行线的根数就是反应器级数。,b.以初始浓度CA0为起点，过CA0作斜率为,等容、各级体积相同，但温度不同 如果各级温度不同，则需作出各级的动力学曲线 OM1、OM2。然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，依此 求出CA1 、CA2、 CA3。,3)等容、等温但各级体积不同,的各直线斜率 不相同，,如图依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1 、CA2 、 CA3。,如果各级体积不相同，则,M,三. 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、工艺流程和操作控制变得复杂，因此需要综合考虑。 以下讨论，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，如何最佳分配各级转化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。,为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、xAm1求偏导数，并令之为零，则有,对于等温等容过程，各级反应器体积为 反应器总体积 为,以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。,以一级不可逆反应为例反应器总体积,即,化简后,即,由上式,上式表示：对于一级不可逆反应，当各级的体积相等时，总反应体积最小。,第五节 理想流动反应器的组合与反应器体积比较,一. 理想流动反应器的组合,工业生产中为了满足工艺要求，常常将理想反应器组合起来，构成组合理想流动反应器。 各种组合方式如图所示。 当反应温度、流量Vo、初始浓度CAo及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。,a,b.,d.,e.,c.,f.,g.,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：(a) (b) (d)=(c) (f)=(e),二. 理想流动反应器的体积比较 基本条件,等温、等容过程，且 相同。,1）,2）,作,曲线AB,xA,xAf,O,A,B,D,2. 反应器的体积比较,C,相同的反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率,相同条件下全混流 （平推流），前者存在返混造成 。a 转化率越小，两者体积差别越小，采用低转化率操作，可减少返混带来的影响。但原料得不到充分利用，可采用循环流程。b 反应级数越高，返混对反应的影响越严重。级数高的反应在生产中应注意减少返混。c 采用多级全混流反应器串联操作可以减少返混，提高反应推动力，使差别减少。,3）多个全混流反应器串联与一个平推流反应器的比较,一级不可逆反应,二级不可逆反应,以VRM/VRP为纵坐标，以（1-xAf）为横坐标,若以 为纵坐标，以 为横坐标，将上式作成曲线：a 在串联级数m一定时， 越大， 之比也越大。b 在最终转化率 一定时，m 越大， 之比越小，接近平推流。当 时，再增加级数所能减少的反应体积也很有限，但会增加设备投资，故应在经济上权衡。c 一定时，m不同，所得到的最终转化率 也不同。 ， 对二级不可逆反应 或 ，可得到类似的情况。,第六节 多重反应的选择率,一. 平行反应 - 一个反应物,主副反应速率之比为 称为对比速率瞬时选择率 (imtantaneous fractional)总选择率 (over-all fractional field) 二者的关系：S 是反应过程中瞬时选择率s的平均值平推流： 全混流：,温度效应主、副反应级数分别为n1 ，n2，活化能分别为E1，E2，则,提高温度对活化能高的反应有利降低温度对活化能低的反应有利,若E1E2, 则在较高温度下进行若E1E2, 则在较低温度下进行若E1=E2, 温度变化对选择性无影响,2. 浓度效应,若n1n2, 较高反应物浓度对主反应有利,若n1n2, 较低反应物浓度对主反应有利,若n1=n2, 反应物浓度对选择性无影响,平推流反应器，低的单程转化率,全混流反应器，加入稀释剂；反应后物料循环,所以，对于平行反应，当主反应级数大于副反应级数时，提高CA,对 s 有利，可采用平推流反应器（或间歇反应器），或使用浓度高的原料，或采用较低的单程转化率等，反之，降低CA 对 s有利，可采用全混流反应器；或使用浓度低的原料（也可加入惰性稀释剂，也可用部分反应后的物料循环以降低进料中反应物的浓度），或采用较高的转化率等,平行反应 两个反应物3 平行反应加料方式的选择两个反应物,n1n2, m1m2 n1n2 m1m2,连续流动操作,n1n2, m1m2CA, CB 都高,n1n2, m1m2CA, CB 都低,n1n2, m1m2CA高, CB低,二. 连串反应,一级反应,连串反应的瞬时选择率s可表示为：,组分 A: 单调下降； 产物 L: 先升后降，有极大值；产物 M: 单调上升,L为主产物时,1. 温度效应,2. 浓度效应,若E1E2, 则在较高温度下进行若E1E2, 则在较低温度下进行若E1=E2, 温度变化对选择性无影响,若n1n2, 增加初浓度CA0若n1n2, 降低初浓度CA0若n1=n2, 初浓度的变化对选择性无影响,3. 转化率,CL/CA随xA的增大而增大,L的瞬时选择性下降,转化率过高，选择性降低,工业上分离再循环,流动类型的影响,对于不可逆的连串反应且以反应的中间物为目的产物时，返混总是对选择性不利,左,左,右,左,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,最佳反应时间,最大出口浓度,最大收率,(*),Y=Sx，由于总选择率总是随转化率的增大而降低，因此连串反应的收率必有极值。,一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与k2/k1的比值有关。,全混流反应器,最佳反应时间,最大出口浓度,最大收率,(*),(*),通过对L做物料衡算，得:,平推流 (b) 全混流,xA, k1/k2相同时，BSTR和PFR比CSTR好k1/k21, 高转化率下操作,讨论：1、对一级不可逆连串反应，不论是间歇反应器或平推反应器，还是全混流反应器，主产物最大收率与反应物初始浓度无关，只与k2/k1有关。2、若以S-XA作图在 XA，k2/k1 相同时，间歇操作或平推流操作时，主产物的选择率 S 比全混流操作为高。 在k1/k21 时，即使转化率较高，也可得到较高的选择率。,第三章小结一、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。二、核心内容1间歇反应器计算；2平推流反应器计算；3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。5反应器型式选择；,