《釜式反应器》课件.ppt
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1、第三章 釜式反应器,3.1反应器中流体的流动模型研究流动模型的目的:本章讨论流动模型与化工原理流体动力学的流动模型不是一回事,这里是指流体流经反应器时的流动和返混状况。建立各种流型的数学模型(研究粒子在反应器的停留时间分布),目的是进行反应器体积和反应率的计算。,流动模型:是指流体流经反应器时的流动和返混的状况。对各种流动模型进行的数学描述就得到流动的数学模型。化工生产中有许多型式的反应器,如管式、槽式等。这些反应器中流体流动的情况很复杂。但在众多的反应器中,就流体的返混情况而言,可以抽象出两种极限的情况。,活塞流反应器:完全没有返混全混流反应器:返混达到极大值实际生产中的多数管式反应器、固定
2、床催化反应器都可作为活塞流反应器处理。实际生产中的多数槽式反应器都可作全混流反应器处理。,在这两种理想流动反应器的基础上,经过适当修正和组合,可以得到比较符合实际多种非理想流动模型。例如在活塞流模型基础上考虑轴向返混的返混模型、考虑流速分布的层流模型等。在全混流基础上发展的多级串联全混流模型等。,工业生产中的反应器,在进行逗留时间测定的基础上可以用这些修正的非理想流动模型而描述。例如:扩散模型、多级理想混合模型以及各种组合模型等等都属于广泛采用的非理想流动模型。,为什么要研究流动模型?流体在反应器中的流动情况影响着反应率。反应选择性直接影响反应结果。研究反应器的流动模型是反应器选型、设计和优化
3、的基础。我们知道,实际进行的化学反应,往往都伴随着传递过程(动量、热量、质量传递),这些物理过程都会影响化学反应。例如:不均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对化学反应的程度和速率都有一定的影响。,来自实验室的化学反应动力学数据,若不计传递过程的影响,就会使反应机理、反应级数、活化能及选择性以及反应速率表达式发生错误而不能反映实际情况。此外,在反应器的模拟、放大、设计以及分析反应器的稳定性和可控性方面,都会有一定的影响。因此,只有弄清传递过程对化学反应的影响,才能正确地用化学动力学数据来进行反应器设计、模拟、放大和操作控制。研究传递过程对化学反应的影响,首先要研究流动模型。因为流动模型是传递过程
4、的基础。只有在流动模型确定之后,才能正确分析动量传递、传质、传热和化学反应等过程。,本章的重点是阐述流动模型的基本概念、讨论间歇反应器、理想混合反应器的设计计算。并对理想混合反应器的热稳定性进行讨论。在讨论反应器流体流动模型之前,先讨论流动过程与间歇过程的主要区别(复习)一、理想流动反应器的基本概念理想反应器:间歇反应器 流动反应器(全混流、活塞流),1.间歇反应器与流动反应器的区别(1)反应物系参数的变化情况不同间歇反应器:物料是间歇地加入和取出,物料不流动,反应的各种参数(如温度、浓度、压力等)随时间而变,但不随反应器内空间位置而变。流动反应器:物系参数只随位置而变,不随时间而变,(2)质
5、点流动状况不同间歇:物料中的所有流体粒子(流体粒子是能代表反应物系特征的微元)。在反应器内的反应时间是相同的,不存在返混或逗留时间分布问题。反应物料(质点)不流动。流动:物料粒子在反应器内的逗留时间可能并不相同,可能存在着不同程度的返混和逗留时间分布问题。物料处于连续稳定流动。,综上所述,二者的区别,由于连续反应器有许多优点,化工生产已广泛应用。下面着重讨论反应器的流动模型。连续流动反应器内流体的流动模型(1)活塞流反应器(理想置换或挤出流反应器),反应物料以稳定的流入速率进入反应器后,粒子平行地向前移动。特征:1)垂直于物料流向的任一截面上,所有的物系参数T、P、C、u都是均匀的(相同的)2
6、)所有的粒子在反应器内的停留时间都相同。,实际生产中属于理想置换的情况有:管式反应器:它的流型基本上是理想置换模型(活塞流模型),特别是在长径比很大、流速较高时可看作是理想置换。如:CH4+H2O=CO+3H2-Q1 CH4+2H2O=CO2+4H2-Q2固定床反应器(近似):氨合成塔、CO变换炉、SO2转化器实验用的膜式反应器(可用于多相反应、均相反应),(2)理想混合模型(全混流)(完全混合)反应物料以稳定的流入速率进入反应器后,新鲜物料粒子与存留在反应器内的物料粒子在瞬间达到完全混合。高与直径相类似,特征:1)在反应器内各处的参数T、P、C相同,并等于反应器出口值。CA=CAf T=Tf
7、 rA=rAf 2)粒子在反应器内停留时间不同,参差不齐,形成一个逗留时间分布,实际生产接近全混流反应器的有:强烈搅拌的反应器例:普钙的生产Ca5(PO4)3F+H2SO4 Ca(H2PO4)2+CaSO4+HF流化床(沸腾床)反应器 硫酸生产中硫铁矿的焙烧实验室用的无梯度反应器循环量出料量的反应器,(3)非理想流动反应器为了进一步分析流动模型的本质,下面介绍几个概念a、物料粒子的年龄与寿命 连续反应器内,物料中各个粒子的逗留时间可能并不相同,为了说明逗留时间的长短,通常采用两种表示,年龄与寿命,年龄:指存留在器内的粒子,在器内已经逗留了的时间寿命:指粒子从进入反应器算起,到粒子离开反应器,粒
8、子总共在反应器内逗留的时间二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备内的粒子而言。寿命则对已经离开反应器的粒子而言。所以说寿命也可以说是反应器出口处物料粒子的年龄。,b、逆向混合(返混)指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向,是指时间概念上的逆向。理想置换模型:返混最小 理想流动反应器理想混合模型:返混最大非理想流动:介于最大和最小之间不同年龄的粒子混合,产生返混的原因a、由于物料粒子与流体流向作相反的运动i 强烈搅拌所引起的流动(搅拌引起的再循环)ii 对流 由于温度、密度不同而造成的气体从上往下走,在反应过程中放热,使气体温度升高、重力减小,气体有上浮趋势iii 分子扩散或涡流扩散从上到下的气体在
9、反应过程中,浓度减小,所以有向上扩散的趋势,b、由于垂直于流向的截面上流速不均匀造成i 层流引起的径向流速不均匀ii 设备有死角,则停留时间很长iii 沟流和短路,、逆向返混对化学反应的影响a、影响反应的转化率和选择性i 短路和沟流:由于短路和沟流,使这部分粒子停留时间短、转化率下降,即x,从而降低了平均接触时间ii 死区和角循环:死区占据了反应器的有效空间(相当于VR降低)使其余粒子的停留时间缩短,转化率降低,即xiii 对需要严格控制反应时间的化学反应来说,过长的时间反而使副反应增加,影响选择性(产品性能),b、影响化学反应速率流型不同,返混程度不同,使得物系参数(T、C等)不同,从而影响
10、化学反应速率,从图中可明显看出,理想置换反应器推动力大,反应速度快,而返混使推动力下降,反应速率下降不同程度返混的两种反应器,CA0、CAf分别代表反应组分A的进、出口浓度,CA*为反应组分A的平衡浓度,由于反应都是在等温条件下进行,故CA*为常数。如果温度相同,进出口浓度相同,即CA0、CAf、CA*都相同的条件下进行同一化学反应,则理想置换反应器推动力最大。因为反应组分的实际浓度CA沿轴向长度而逐渐降低,但理想混合反应器实际浓度CA由进口处的CA0值瞬间降到出口处的CAf 值。故推动力小。,除此之外,还有一种中间型反应器:,二、反应器设计的基本方程工业反应器中化学反应的进行总是伴随着质量、
11、热量以及动量的传递过程,这些传递过程对化学反应速率都有直接的影响。所以根据物热以及动量衡算得到计算反应器的基本方程,再结合化学反应的速率方程,就可以计算反应器体积。,1.物料衡算:它是以质量守恒定律为依据的,对任何类型的反应器,都可作某一反应组分的物料衡算,如果反应器内物料均匀,可对整个反应器作物料衡算,否则按微元反应体积进行。反应组分A 的流入速率(1)反应组分A 的流出速率(2)反应组分A 的反应速率(3)反应组分A 的累积速率(4),上式是对反应物而言的,若为反应产物,上面式子右边的第二项改为生成速率,并将其移至式子左边。1)对于单个反应,建立一个连续性方程。2)对于多个反应,找到描述反
12、应过程所需的关键组分的数目,然后找到合适的反应组分作为关键组分,分别对它们建立物料衡算式。(复合反应系统,需建立多个物料衡算式)3)多相反应:分别对每一项作物料衡算式,增加了物料衡算式的数目。,4)对间歇反应器,反应期间无输入输出,(1)=0,(2)=05)对流动反应器,(4)=0,即(1)=(2)+(3)6)对于不稳定体系,如半间歇反应器,需要同时考虑上式中的各项。,2、热量衡算:上式中反应组分A的反应量与反应过程的温度条件有关,计算非等温反应器的反应体积时,需同时考虑物料衡算和热量衡算。热量衡算是以能量守恒与转化定律为基础的。加入反应器的热量(1)带走的热量(2)反应热(3)累积的热量(4
13、)对于(3)吸热反应取正号放热反应取负号,1)对于单一反应,只需建立一个方程2)多相反应,需分别对每相建立方程,多一相,多建立一个3)反应热 放热 HR“-”QP“+”吸热 HR“+”QP“-”热效应是若干反应的代数和4)对间歇反应(1)=0,(2)=05)连续反应(4)=06)半间歇反应器,各项均需考虑。,3.动量衡算式输入的动量(1)=输出的动量(2)+消耗的动量(3)+累积的动量(4)1)对流动反应器才需建立2)当P与P处于同一数量级时考虑。例:合成塔P=8-12Kg/cm2 总P=-320Kg/cm2,不予考虑,因为不处于同一数量级,当气相流动反应器的压力降很大,以致影响到反应组分的浓
14、度时,就要考虑动量衡算式。一般情况下,在反应体积计算时可不考虑。这样反应体积的计算是物料衡算、热量衡算联立求解。对于一个单一反应就有二到三个方程,如果遇到多个反应,计算就非常麻烦,因此必须根据具体情况作必要的简化。,4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)5.经济衡算式经济的输入=经济的输出+经济的消耗+经济的积累我们着重讨论最简单的情况-等温反应器的计算方法。这样只需考虑物料衡算与动力学方程就可以了。对非等温反应器的计算,只对理想置换反应器加以讨论。,3.2间歇釜式反应器的设计计算,间歇反应器的特点是分批装料和卸料,其操作时间是由两部分组成,一是反应时间,即装料完毕后算起至达到所
15、要求的产品收率时所需的时间。另一是辅助时间,即装料、卸料及清洗等所需时间之和。涉及反应器的关键就在于确定每批所需操作时间,其中尤以反应时间的确定最为重要,而辅助时间主要根据经验来确定。,一、单一反应的等温间歇釜式反应器的计算1.反应时间及反应体积的计算计算反应器的体积,必须先确定反应器的有效体积间歇反应器的特点是分批装料和卸料,其操作条件较为灵活,可适用于不同品种和不同规格的产品生产,特别是用于多品种而批量小的化学品生产。因此,在医药、试剂、助剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应用。其操作时间是由两部分组成:反应时间(t)和辅助时间(t0),VR=VO(t+to)VR-反应器有效体积 VO-
16、每小时处理的物料量t-反应时间 to-辅助时间,包括加料、卸料、清洗等非生产时间,一般由经验数据确定,这里的关键是反应时间t的计算由于搅拌均匀的间歇反应器,器内物料组成是均匀的,器内的物料的浓度与温度也是均匀的。因此可以对整个反应器作某一反应组分的物料衡算。(反应组分A)根据间歇反应器的特征,仅考虑(3)(4)两项,即(3)+()按公式的反应速率的积累速率,即:表组分的反应速率(单位时间、单位体积反应混合物中组分的反应量):表反应混合物体积()项:单位时间内,体积反应混合物中反应了的组分的量为()项:若表示为反应器中任一瞬间组分的量,由于反应不断进行,组分的量随时间变化,所以组分的积累速率为,
17、但对间歇反应器液相反应:反应过程中体积变化很小,可略气相反应:反应器的整个体积都被反应混合物充满所以,间歇反应器一般大多数属于恒容过程则:,VR=VO(t+to)实际反应器的反应体积要比VR大,以保证反应物料上有一定空间。通常VR,为装料系数据反应物料的性质不同而选择(对沸腾起泡的液相物料,系数小;反之,),结论:在间歇反应器中,反应物达到一定的反应率所需的反应时间只取决于过程的反应速率,也就是说取决于动力学因素,而与反应器大小无关,反应器大小只取决于反应物料的处理量(取决于生产能力),由此可见,上述计算反应时间的公式,既适用于小型设备,又适用于大型设备。这样利用中间试验数据设计大型设备时,只
18、要保证两种情况下对化学反应速率的影响因素相同(例:保持相同温度、相同搅拌程度)即可。这样就很容易进行设备的高倍数放大。,但要注意,要保持相同的反应温度,相同的搅拌程度和反应器的大小有关,反应器越大,搅拌性能越差,会影响传热的性能,难以保证器内各处浓度均一,同时,对完成一定的生产任务,反应器小了,要求的反应器的数目就增多,显然辅助费用也会增加,所以确定反应器的大小及数目,应从物料的性质、操作的稳定以及经济成本等各方面进行全面分析。,2.最优反应时间前面已说过,间歇反应器每批物料的操作时间(反应时间、辅助时间),对于一定的化学反应和反应器(若化学反应和反应器已定),则辅助时间是定值CA而反应产物的
19、生成速率随反应物浓度的降低而降低。所以,延长产品数量,但单位操作时间内产品的产量不一定增加。所以,我们以单位操作时间的产品产量为目标函数,必存在一个最优反应时间,使目标函数值最大。,若:反应AR,产物R的浓度为CR,.用速率式计算出txA的关系.转换成CRt关系.作CRt图.作.自A(-t0,0)做CRt 曲线的切线AM,切点为M,斜率 MD/AD=dCR/dt.M点的横座标0D为最优反应时间最优反应时间下,MD=CR,AD=t0+t,平均生产速率最大图解法示意图,上面是以单位时间内产品产量最大为目标函数,如果选择的目标函数不一样,结果就不一样,若以生产费用最小为目标函数,总费用若如下表示::
20、表示在反应操作时的操 作费用(元小时)0:非生产性操作时的费用(元 时);f:表示固定消费(元时)。为使AT最小,由此可求最优时间,二、复合反应的等温间歇釜式反应器的计算 1.平行反应,间歇反应器中,平行反应各组分的浓度随时间变化设在间歇反应器中进行如下平行反应:A P(主反应)(1)A S(副反应)(2)(3),由间歇反应器的设计基础式 得:(4),将(4)代入(1)积分得(5)将(4)代入(2)积分得:(6),由上面的公式可以看出,反应物A的浓度总是随反应时间的增加而减少,而产物P、S的浓度总是随反应时间的增加而增加。,讨论:1)平行反应的特点:tCACPCS2)CP/CS=k1/k2(将
21、CP 和CS相除可得此式)即两种反应物的浓度之比,在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。适用范围:1)两反应的动力学方程形式一样2)不可逆反应,将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统:,反应物A的浓度为:,反应产物的浓度为:,反应时间确定后,即可确定必需的反应体积。注意:这个关系只有当各反应的速率方程相同时才成立,这里讨论的反应物系中各反应组分的化学计量系数均相等,若不等,各反应组分的浓度与反应时间的关系需作相应的修正。,2.连串反应,对A作物料衡算:,对P作物料衡算:,对Q作物料衡算:,此式只能说明第一个反应进行的程度,而不能说明第二个反应的进程,因此需求出CP.这与平行反应
22、相类似,只根据一个物料衡算式便可球定达到一定转化率所需的反应时间,但同样确定不了在此反应时间时B的收率。,根据上面几个关系式作图,由图可见,tCACQCP先后,有一最大值解释:反应时间短,A转化率超过P转化为Q的速率,故CP,过了极大值后,P转化成Q的速率大于A转化成P的速率,故CP。,由此可见,生产目的产物P需控制反应时间,使P的收率最大,将CP对时间求导。将时间topt代入CB式中可求B的最大浓度。,讨论:1)连串反应,tCACQCP有最大值2)目的产物为Q,反应时间越长越好3)目的产物为P,存在最佳反应时间,使P收益最大。以上的讨论是针对包括两个一级反应的连串反应。其结论也可推广到更多反
23、应时的场合,只要是中间产物,比存在极大浓度对于非一级反应也可处理,只是很难获得解析解。需用数值解法。t确定后求出VR.,三、变温间歇反应器反应体积对于间歇反应器做到绝对等温是极其困难的,当反应热效应不大时近视等温是可以办到的,但反应热效应大时就很难办到,对于许多化学反应,等温操作的效果不如变温操作好,所以,研究变温操作具有很大的实际意义。对于变温反应,还需要一个热量衡算式,,根据间歇反应器的特性,热量衡算式:加入反应器的热量(1)=带走的热量(2)+反应热(3)+积累的热量(4)间歇反应器,仅需考虑(3)(4)两项。当反应器与外界有热交换时,也要在热量衡算式中作相应的考虑。若以组分A为基准的摩
24、尔反应热为HR,则反应热(3)为(HR)rAVR,若反应物料中各组分的摩尔数为ni,摩尔定容热容为Cvi,则热量的积累(4)为ni CvidT/dt,设外界向反应器内加热,传热系数为K传热面积为F外界温度为TOS则传热项为KF(TOS-T),得到间歇反应器的热量衡算式:传入热 反应热 积累热CV:因是间歇系统,故不用CP,由此可知,对一定的反应物系而言,温度与转化率的关系取决于物系与环境的换热速率。由于反应速率rA是转化率和温度的函数,即rA=(T)f(x),因此,只有知道反应过程的温度随时间的变化,才能确定rA,所以变温间歇反应器的设计必须联立求解物料衡算式和热量衡算式。如果间歇反应器是在等
25、温或绝热情况下进行,可以简化,1.等温操作因为:等温操作,无温度变化,dT=0,(4)=0,所以:上式用于:a、TOS一定时,计算所需的换热面积Fb、当F一定时,确定换热介质的温度 TOS(即外界温度)才能保证反应在等温条件下进行,反应要在等温条件下进行,反应放出或吸收的热量必须等于与环境交换的热量,但要做到这一点不容易,因为反应速率随时间而变,从而反应放热及吸热速率随时间而变,只有物系与环境的换热速率与之相适应时才能做到等温,所以工业间歇反应器常是变温过程,热效应大的反应更是如此,对于某些强放热反应过程,从安全操作观点看,更应重视反应温度的控制。,2.绝热操作与外界没有热交换,,利用这一关系
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