间歇与理想反应器课件.ppt
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1、,国家精品课程化学反应工程,国家精品课程,第三章 间歇反应器及理想流动反应器Chapter 3 Batch Reactor and Ideal Flow Reactor,第三章 间歇反应器及,釜式反应器的组合,釜式反应器的组合,3.1 概述3.2 间歇反应器3.3 理想流动下的釜式反应器3.4 理想流动下的管式反应器3.5 反应器的性能比较,本章内容,3.1 概述本章内容,反应器中是化工厂的心脏,同一化学反应即使在相同的操作条件下进行,其反应结果往往是不同的,与反应器的型式有关。 反应器的操作有间歇操作和连续操作 。 连续操作其物料连续流入和连续流出,其流动又分为稳态流动和非稳态流动。 稳态流
2、动是指物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和温度等不随时间而变,除此之外,为非稳态流动。在稳态流动下连续流动反应器内物料浓度的变化不随反应时间而变。,3.1 概述,反应器中是化工厂的心脏,同一化学反应即使在相同的操作,表述如下:(1)质量平衡 质量输入量-质量输出+产生量-消耗量=累积量 对于有扩散影响的过程,上式中的输入和输出项应包括由扩散在边界上所引起的输入和输出。(2)热量平衡 热量净变化量+热量产生量=热量累积量(3)动量平衡 动量输入量-动量输出+净作用力项=动量累积量 对于稳态流动,上述累积量为零。,反应器的设计基于“三传一反”。 “三传”指质量、热量和动量传递,其质量平衡、热量平
3、衡和动量平衡,3.1 概述,表述如下: 反应器的设计基于“三传一反”。 “三传”指,3.1 概述,基于反应器设计方程可得结果,反应动力学方程,质量衡算方程,热量衡算方程,动量衡算方程,浓度、转化率等与反应时间关系,反应体积,温度变化,压力变化,3.1 概述基于反应器设计方程可得结果反应动力学方程质量衡算,3.1 概述,建立反应数学模型的通式,反应消耗累积,流入,流出,反应单元,举例:,物料衡算方程,某组分流入量,=,某组分反应消耗量 + 某组分累积量,某组分流出量,+,流入,反应单元,流出,3.1 概述建立反应数学模型的通式反应消耗流入流出反应单元举,间歇操作 物料一次投入反应器,待反应完成后
4、,物料一次卸出的操作过程。,最常用釜式反应器,主要结构由筒体、搅拌装置、传动装置、轴密封装置及工艺接管组成。器内还可以根据需要设置盘管。 Batch Reactor,3.2 间歇反应器,间歇操作 最常用釜式反应器,主要结构由筒体、搅拌装,3.2 间歇反应器,特点: 1、由于搅拌的剧烈,反应器内物料浓度达到分子尺度的均匀,且反应器内浓度处处相等,排除物质传递对反应的影响; 2、同样由于搅拌的影响,温度始终相等,无需考虑器内热量传递问题; 3、物料同时加入且同时停止反应,具有相同的反应时间,优点: 操作灵活,适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产,特别是精细化工产品,缺点: 装料、卸料等辅助
5、操作时间长,产品质量波动大,非稳态操作?,3.2 间歇反应器特点:优点:缺点:非稳态操作?,3.2.1 等温间歇反应器的设计计算,3.2 间歇反应器,3.2.1 等温间歇反应器的设计计算3.2 间歇反应器,恒容条件下(多数情况),上式可以简化成:,例如,对于n级不可逆反应,代入间歇反应器的通用设计方程,并整理结果,得:,由于n为已知,上式可解析积分。例如,若n=1,积分结果为,若n=2,则积分结果为,3.2 间歇反应器,恒容条件下(多数情况),上式可以简化成:例如,对于n级不可逆,如果反应速度比较复杂,即使在等温条件下设计方程也可能无法解析积分,这时可以采用图解法或数值方法求解。,3.2 间歇
6、反应器,如果反应速度比较复杂,即使在等温条件下设计方程也可能,1.反应体积,t 为反应时间:装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键,t为辅助时间:装料、卸料、清洗所需时间之和,2.反应器的体积,:装填系数 ,由经验确定,一般为 0.40.85,3.2 间歇反应器,1.反应体积 t 为反应时间:装料完毕开始反应算,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,间歇釜式反应器做到等温操作很困难,当热效应小时,近似等温可以办到,如果热效应大时,很难做到;,温度会影响到,和反应器的生产强度等,很多时候变温的
7、效果更好。,3.2.2 变温间歇反应器的设计计算,3.2 间歇反应器,间歇釜式反应器做到等温操作很困难,当热效应小时,近似,1、温度对反应热(Hr)的影响,1、温度对反应热(Hr)的影响,2、温度对化学平衡的影响,2、温度对化学平衡的影响,由公式可得: 平衡常数只与系统的温度有关,而与系统的压力及惰性物质是否存在等因素无关。 虽然平衡常数不受压力及惰性物质的影响,但物料的平衡浓度和反应物的平衡转化率是受这些变量的影响。 对于气体反应,压力增加,对反应后分子数减小的反应使xAe增加;对反应后分子数增加的反应xAe下降。 对所有反应,惰性组成减小所产生的影响,与压力增加的影响一样 对吸热反应,温度
8、增加,平衡转化率xAe也增加;对放热反应,温度增加,平衡转化率xAe下降 对K1,说明反应物可以接近完全转化,故可视为不可逆反应,由公式可得:,变温间歇操作的热量衡算,根据热力学第一定律,反应器的热量衡算为:,即:与环境交换的热=内能的变化,间歇釜式反应器,用焓变代替内能的变化,Tr298K为计算的基准温度,3.2 间歇反应器,变温间歇操作的热量衡算根据热力学第一定律,反应器的热量衡算为,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器间的平均比热容为温度rptTTc 为反,式中:U为总传热系数 Ah为传热面积 Tc为环境温度,讨论,等温反应,绝热反应,3.2 间歇反应器,式中:U为总传热系数讨论等温反
9、应绝热反应3.2 间歇反应器,对于吸热反应,Hr0,0,温度随反应进行而升高,绝热温升指数(K),3.2 间歇反应器,对于吸热反应,Hr0,0,温度随反应进行(或XA增大,选择等温或非等温操作的原则:(1)如反应的热效应不大,而且在一定的温度范围内,反应的选择性变化很小,可采用绝热操作,但操作温度范围不得超过工艺许可的范围(2)对中等热效应的反应,一般考虑采用绝热操作,但应对收率操作费用、反应器大小等的衡算,确定采用绝热或变温的方式(3)对于热效应较大的,要求整个反应过程进行有效的热交换,例如采用列管式换热器(4)对极为迅速的反应,一般考虑绝热操作,3.2 间歇反应器,此原则也适用于其它类型反
10、应器,选择等温或非等温操作的原则:3.2 间歇反应器此原则也适,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器,有的称为连续搅拌槽反应器(Continuous Stirred Tank Reactor,简称CSTR),CSTR是从操作形式上命名的;有的称为全混流反应器(Mixed Flow Reactor,简称MFR),MFR是从反应器内物料的混合程度上命名的。,3.3 理想流动下的釜式反应器,理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器,,基本假定: 反应器中的物料,包括刚进入的物料,都能立即完全均匀地
11、混合,即混合程度达到最大。,特点: 1、反应器有效容积中任意点处的组成、温度等状态完全相同; 2、出口物料的各种状态与反应器中相应的状态相同。,全混流反应器特征,3.3 理想流动下的釜式反应器,基本假定: 特点:全混流反应器特征3.3 理想流动,3.3.2 等温连续釜式反应器的设计计算,基本设计方程:,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3.2 等温连续釜式反应器的设计计算基本设计方程:3.3, 空时与空速的概念:, 空时:,(因次:时间),空速的意义:单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速越大,反应器的原料处理能力越大。, 空速:,3.3 理想流动下的釜式反应器,(因次:时间-1), 空时
12、与空速的概念: 空时:(因次:时间)空速的意义:单,3.3 理想流动下的釜式反应器,注意:空间速度不是空间时间的倒数。,3.3 理想流动下的釜式反应器注意:空间速度不是空间时间的倒,全混流反应器图解计算示意图,3.3 理想流动下的釜式反应器,全混流反应器图解计算示意图 3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3.3 釜式反应器的组合与设计计算,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3.3 釜式反应器的组合与设计计算3.3 理想流动下的釜,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.
13、3 理想流动下的釜式反应器,3.3.3.2 多级釜式反应器串联的计算,假设:各釜体积相同,且各釜的进料可近似认为相等,则各釜的空时 相等。 各釜操作温度相同,则各釜的速率常数 k 相等。,对第P釜作组分A的物料衡算:,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3.3.2 多级釜式反应器串联的计算假设:对第P釜作组分,对一级不可逆反应:,N个釜,注意:其中的 为单釜空时,总空时为N 。,3.3 理想流动下的釜式反应器,对一级不可逆反应:N个釜注意:其中的 为单釜空时,总空时,连续釜式反应器的图解计算,3.3 理想流动下的釜式反应器,连续釜式反应器的图解计算3.3 理想流动下的釜式反应器,若反应系统处理
14、物料量为1m3/s,反应速度常数k=1s-1,要求最终转化率XAN =0.9,在处理物料量和要求达到的最终转化率相同的情况下,增加级数可以减少所需的反应器总容积。同时,达到一定级数后,再增加级数反应器总体积减小趋势变缓,级数过多导致操作控制和维修困难等问题,工业上一般采用二级或三级串联。上述结论虽然是对一级反应导出的,但原则上同样适用于其它反应体系。,3.3 理想流动下的釜式反应器,应用举例,若反应系统处理物料量为1m3/s,反应速度常数k=1s-1,串联釜式反应器体积最优化,即:在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。,对单一反应,总反应体积为:,
15、据此求得各釜的转化率,从而求得 , 此时 最小。,3.3 理想流动下的釜式反应器,串联釜式反应器体积最优化 即:在釜数及最终转化率已规定情况下,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,1.全混流反应器的变温操作,定态操作热量衡算式为:,3.3.5 釜式反应器的定态操作,对绝热反应,有,:绝热温升,表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。,3.3 理想流动下的釜式反应器,1.全混流反应器的变温操作定态操作热量衡算式为:3.3.5,2.全混流反应器
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