第三章釜式及均相管式反应器ppt课件.ppt
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1、1、生活中你们遇见反应器有什么类型? 2、石油化工生产过程又有哪些反应器?,High Pressure Polymerisation of Ethylene,Pressure : 1500 2500 bar(1bar0.1MPa)Residence time: 100 150 sReactor: Diam. 34 50 mm; L = 400 900 m,compression,purge,polymerisation,deposition,LP-stripper,HP-stripper,150-300at,HP-compressor,LP-compressor,1500-3000bar,Tu
2、bular reactor and stirred tank,Wax separation,轻油裂解制乙烯管式非催化反应器,串联反应釜,邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器,重油的催化裂化流化床反应器,乙苯脱氢气液塔式反应器,参照计算气体P-V-T关系的理想气体状态方程,根据反应器的结构和操作形式,将实际反应器理想化,建立反应器数学模型,然后对理想模型进行修正,得到接近实际的反应器数学模型。,第三章 釜式及均相管式反应器,第一节流动模型概述31 反应器中流体的流动模型32 反应器设计的基本方程第二节理想流动反应器33 间歇反应器34 平推流反应器35 全混流反应器36 多级全混流反应器的串联及
3、优化37 全混流反应器的热稳定性38 理想流动反应器的组合和比较39 多重反应在理想流动反应器中的选择性,31反应器中流体的流动模型,流动模型分类如下: 理想流动模型 流动模型 非理想流动模型 流动模型是专指流动反应器而言的。 流动模型:反应器中流体流动与返混的描述。 对于流动反应器,必须考虑物料在反应器内的流动状况。,平推流模型全混流模型,年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间;是对仍留在反应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间;是对已经离开反应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。(不同停留时间的质点或粒子间的混合。)是时
4、间概念上的混合。,流动模型相关的重要概念,流动模型:反应器中流体流动与返混的描述一、理想流动模型,31反应器中流体的流动模型,31反应器中流体的流动模型,流动模型:简化,抽象平推流模型:Plug-Flow Reactor (PFR)全混流模型:Continuous stirred tank reactor(CSTR),一、理想流动模型,(1)平推流模型,CAf xA,出料,进料,V0 CA0,一、理想流动模型,PFR:平推流,假设:反应物料以稳定流量流入反应器,在反应器中 平行地像气缸活塞一样向前移动,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
5、料的所有参数,如温度、浓度、压力、流速都 相同,因此,所有物料质点在反应器中具有相 同的停留时间,反应器中不存在返混。,Plug flow reactor,(2)全混流模型,假设:反应物料以稳定流量流入反应器,在反应器 中,刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的 物料瞬间达到完全混合。,特点:反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀 的,而且等于反应器出口处的物料性质,物 料质点在反应器中的停留时间参差不齐,有 的很长,有的很短,形成一个停留时间分布。,Continuous Stirred Reactor (CSTR),Batch reactor (discontinuously operated
6、stirred tank reactor),Ideal reactors,BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加料(入口)2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处) 年龄不同3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口) 寿命不同(出口)4返混 无返混 无返混 返混极大,反应器特性分析,浓度分布 - 推动力,反应器特性分析,流体流动推动力:压力差传热推动力:温差传质推动力:浓度差(化学位差)化学反应推动力:体系组成与平衡组成的差。过程的速率:与推动力成正比,与阻力成反比。,浓度分布 - 推动力,反应器特性分析,反应推动力随反应时间逐渐降低,反应推动力随反应器轴
7、向长度逐渐降低,反应推动力不变,等于出口处反应推动力,BR,PFR,CSRT,二、非理想流动模型实际反应器存在着程度不一的工程因素,造成流动状况不同程度的偏离理想流动,称为非理想流动。2.非理想流动模型在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型,称为非理想流动模型。,二、非理想流动模型3. 非理想流动模型 1)轴向混合模型 2)多级串联全混流模型目前大部分非理想流动模型都是以平推流模型为基础发展而成的。,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,二、非理想流动模型,偏离全混流的情况,死角,短路,流动状况对化学
8、反应的影响 - 主要由物料停留时间不同所造成,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+BP 有效反应体积减少A+BPS 产物P减少, 停留时间的不均,3-2 反应器设计的基本方程,一、反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化,3-2 反应器设计的基本方程,the kinetic equation,the mass balance equation,t
9、he energy balance equation,the momentum balance equation,第二章中讨论过,计算反应体积,计算温度变化,计算压力变化,物料衡算方程。针对任一反应单元,在任一时间段内:,某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量,带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量,反应热累积,带入,带出,反应单元,传给环境,能量衡算方程:针对任一反应单元,在任一时间段内,动量衡算方程(流体力学方程),气相流动反应器的压降大时,需要考虑压降对反应的影响,需进行动量衡算。,第二节 理想流动反应器,第二节 理想流动反应器,3-3 间歇反应器
10、一、间歇反应器的特征特点: 1 由于剧烈搅拌,反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀,且反应器内浓度处处相等,因而排除了物质传递对反应的影响; 2 具有足够强的传热条件,温度始终相等,无需考虑器内的热量传递问题; 3 物料同时加入并同时停止反应,所有物料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 ( 精细化工产品的生产)缺点:装料、卸料等辅助操作时间长,产品质量不稳定,二、间歇反应器的数学描述(基本设计方程),用数学模型描述反应物组成随时间的变化情况对整个反应器进行物料衡算:,0,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,单位时间内反应量 = 单位
11、时间内消失量,等容过程,液相反应,图解积分示意图,二、间歇反应器的数学描述一级不可逆反应1st. Order Reaction(irreversible),实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t0)反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V0(t+t0)据此关系式,可以进行反应器体积的设计计算。,填充系数,f=VR/Vt,沸腾或鼓泡的液体,可取0.4-0.6不沸腾或不鼓泡的液体,可取0.7-0.85,表31 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式,当CA0、xA或CA确定后,kt即为定值:k增大(温度升高)t减少反应体积减小,讨论:间歇反应器中的单一反应,2. 反应
12、浓度的影响,1. k的影响,零级反应:t与初浓度CA0正比一级反应:t与初浓度CA0无关二级反应:t与初浓度CA0反比,3. 残余浓度,零级反应:残余浓度随t直线下降一级反应:残余浓度随t逐渐下降二级反应:残余浓度随t慢慢下降,反应后期的速度很小;反应机理的变化,例31以醋酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯(C),操作温度为100,每批进料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反应速率试求醋酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99时所需反应时间。解:CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OA的初始浓度计算:可求出,投料总体积为0.559m3,例3-2
13、用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应,每天生产乙酸乙 酯12000kg,其化学反应式为 原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35,反应液的密度为1020kg/m3,并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。反应在100下等温操作,其反应速率方程为 100时,k=4.7610-4L/(molmin),平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35 % 时所需的反应体积。根据反应物料的特性,若反应器填充系数取0.75,则反应器的实际体积是多少?,通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
14、1kg时,加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为,解:首先计算原料处理量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,代入到基本公式中,得:t=118.8min,实际反应器体积:12.38m3/0.7516.51m3,三、间歇反应器的工程放大及优化,1、工程放大,反应物达到一定的转化率所需的反应时间,只取决于过程的反应速率或动力学因素,与反应器的大小无关,反应器的大小由反应物料的处理量决定。,实验结果,反应条件相同,设备结构合理放大,工业过
15、程,三、间歇反应器的工程放大及优化,t增大xA增大 单位时间生产量(增加) t增大 xA增大 CA降低 rA降低 单位时间生 产量(减少)可以看出存在最佳时间使单位时间产量最大。,(1)使平均生产强度最大时的反应时间 平均生产强度是指一个生产周期内单位时间的生产量,以 表示。对产物而言,平均生产强度 按定义为:,2、反应时间的优化,对于一定的间歇反应器,t0为常数,为使 最大,令 对t的一阶导数为零,则:可得:或者写成以xA来表示的形式:,(2)达到最低生产费用时的反应时间 生产费用即生产成本,生产成本越低,工厂经济效益越大。单位产量的经费为:要使生产成本最低,应使单位产量经费对时间的导数为零
16、,则得:或者写成以xA来表示的形式:,四、间歇反应器操作方程(H衡算),间歇反应器一般采用内部蛇管或夹套进行热交换,由于没有物料流入和流出,因此物料带入和带出热量为零。间歇反应器的热量衡算通式为:物料带入热量=物料带出热量+反应热+累积热量+传向环境热量,经整理得:,对于恒容过程:,对放热反应,如在绝热条件下进行,反应物系的温度随着反应的进行而不断升高,叫做绝热温升,即在绝热条件下,反应物系中组分A全部转化时,物系温度升高的数值,此时0。反之,对于吸热反应,0,在绝热条件下,反应物系温度随着反应的进行而不断下降。设计方程:转化率(xA)时间(t)的关系。 操作方程:温度(T)时间(t)的关系。
17、,一. 特点连续定态下,各个截面上的各种参数只是位置的函数,不随时间而变化;径向速度均匀,径向也不存在浓度分布;反应物料具有相同的停留时间。,3-4 平推流反应器,Tube reactor,裂解炉,用于乙烯生产的管式裂解炉,V0 CA0,CAf,xAf,xAf=0,二、 平推流反应器计算的基本公式,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,二、平推流反应器计算的基本公式,BR与PFR的等效性,三、等温平推流反应器的计算,化学计量学,膨胀因子,若反应过程无体积变化,表34 等温等容平推流反应器计算式,表31 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式,例3-3 用平推流反应器进行乙酸和乙
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