釜式及管式反应器.pptx
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1、反应器的特性反应器的特性流动状态流动状态混合状态混合状态传热特性传热特性这些特性随反应器的几何结构和几何尺寸而异这些特性随反应器的几何结构和几何尺寸而异反应器开发的任务反应器开发的任务选择合适的反应器选择合适的反应器确定操作方式并确定操作方式并进行优化设计进行优化设计确定反应器尺寸确定反应器尺寸,进行经济评价进行经济评价理想反应器的内涵理想反应器的内涵理想的理想的间歇式间歇式反应器:温度和浓度均一反应器:温度和浓度均一全混流全混流反应器:返混为无穷大反应器:返混为无穷大平推流平推流反应器:无返混反应器:无返混理想的连续流动式反应器理想的连续流动式反应器理想反应器理想反应器n概述概述n 按照操作
2、方式,可以分为间歇过程和连续过程,按照操作方式,可以分为间歇过程和连续过程,相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。.间歇反应器间歇反应器n 物料一次性加入,反应一定时间后把产物一次性物料一次性加入,反应一定时间后把产物一次性取出,反应是分批进行的。物料在反应器内的流动取出,反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的,经历的反应时间也是相同的。状况是相同的,经历的反应时间也是相同的。1 1、间歇釜式反应器、间歇釜式反应器Batch ReactorBatch Reactorn间歇操作的充分反应器。间歇操作的充分反应器。n用于液相反应。用于液相反应。n在
3、反应过程中没有进出料。在反应过程中没有进出料。n反应器内物料充分混合,器反应器内物料充分混合,器内各点温度浓度相同。不需内各点温度浓度相同。不需考虑热量传递考虑热量传递n间歇操作,需要辅助生产时间歇操作,需要辅助生产时间。间。n化学实验室内装有电动搅拌装置的玻化学实验室内装有电动搅拌装置的玻璃三口烧瓶即和釜式反应器极为相似,璃三口烧瓶即和釜式反应器极为相似,故可用三口烧瓶进行反应开发、操作故可用三口烧瓶进行反应开发、操作条件及动力学研究,便于移植于工业条件及动力学研究,便于移植于工业反应器中进行生产。反应器中进行生产。n优点优点:操作灵活,适应不同操作条件与不同:操作灵活,适应不同操作条件与不
4、同产品品种,适用于小批量、多品种,反应时产品品种,适用于小批量、多品种,反应时间较长的产品生产。间较长的产品生产。n缺点缺点:不能连续操作,装填料需要较多人力:不能连续操作,装填料需要较多人力物力、耗费较多的非生产时间。物力、耗费较多的非生产时间。n应用:精细合成液应用:精细合成液-液均相或非均相反应;液均相或非均相反应;有色冶金、化学矿加工中的液有色冶金、化学矿加工中的液-固相反应,固相反应,生物反应中的微生物发酵反应,聚合物生产生物反应中的微生物发酵反应,聚合物生产中的乳液、悬浮液聚合,油脂加氢等反应中的乳液、悬浮液聚合,油脂加氢等反应 F Fi0 i0F Fi i体积体积V VG Gi
5、i指定的边界指定的边界2 2、间歇反应器的数学模型、间歇反应器的数学模型2 2、间歇反应器的数学模型、间歇反应器的数学模型通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程n以以 表示反应物料在整个反应器中占有的表示反应物料在整个反应器中占有的体积,当反应物被充分搅拌达到完全混合的体积,当反应物被充分搅拌达到完全混合的前提下,以反应物前提下,以反应物A A为基准的通用摩尔衡算为基准的通用摩尔衡算方程可写成方程可写成积分积分等容过程等容过程上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。n恒容条件下恒容条件下(多数情况)(多数情况)n这说明,在充分混合的间歇反应器中,这说明
6、,在充分混合的间歇反应器中,反应是依照它的动力学特征进行的。流反应是依照它的动力学特征进行的。流动过程对反应没有影响。动过程对反应没有影响。n如果间歇反应器中的物料由于搅拌而如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态,则反应物系的组成、处于均匀状态,则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的(理想),但随操作时间或反应致的(理想),但随操作时间或反应时间而变化,故独立变量为时间。时间而变化,故独立变量为时间。(1 1)反应时间的计算)反应时间的计算 已知反应动力学方程和组分已知反应动力学方程和组分A A的浓度变化,的浓度变化,就能按式计算反应时间。
7、就能按式计算反应时间。一般采用数值积分或一般采用数值积分或图解法图解法。图解积分示意图图解积分示意图t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0(2.2.)实际操作时间)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+t+辅助时间辅助时间 t t辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。(3.3.)反应器体积)反应器体积 V VR R=Q=Q0 0(t+t)(t+t)式中式中Q Q0 0为单位时间所处理的物料量。为单位时间所处理的物料量。n如果间歇反应器中的物料由于搅拌而如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态,则反应物系
8、的组成、处于均匀状态,则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的(理想),但随操作时间或反应致的(理想),但随操作时间或反应时间而变化,故独立变量为时间。时间而变化,故独立变量为时间。间歇系统间歇系统反应器在反应器在t=0t=0时刻打开时刻打开t=tt=t时刻,时刻,A A组分的组分的转化率为转化率为X X组分组分初始量初始量变化量变化量剩余量剩余量A AB BL LMM惰性组分惰性组分合计合计n由理想气体状态方程可以得到n浓度和转化率的关系nC C总总不变,而每个组分的浓度变化了不变,而每个组分的浓度变化了(4 4)间歇反应器中的单反应)间歇反应器
9、中的单反应 设有单一反应设有单一反应 ARAR 动力学方程为动力学方程为 积分上式,可计算积分上式,可计算A A的残余浓度和转化率。的残余浓度和转化率。.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 t后后A A的残余浓度。的残余浓度。.转化率式转化率式 计算经反应时间计算经反应时间t t后后A A的转化率。的转化率。A A的残余浓度和转化率可用公式计算。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(度的计算结果列于表(1 1)。)。反应级数反应级数反应速率反应速率残余浓度式残余浓度式转化率式转化率式n=0n
10、=0n=1n=1n=2n=2n n级级n1n1表表1 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式.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 0级反应:级反应:,CACA随随t t 直线下降;直线下降;1 1级反应:级反应:CACA随随t t 较缓慢下降;较缓慢下降;2 2级反应:级反应:CACA随随t t 缓慢下降。缓慢下降。对对于于一一级级或或二二级级不不可可逆逆反反应应,在在反反应应后后期期,C CA A的的下下降降速速率率,即即x xA A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
11、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大量的反应时间。费大量的反应时间。n例例1 1 以乙酸(以乙酸(A A)和正丁醇()和正丁醇(B B)为原料在间歇反)为原料在间歇反应器中生产乙酸丁酯,操作温度为应器中生产乙酸丁酯,操作温度为100C100C,每,每批进料批进料1kmol1kmol的的A A和和4.96kmol4.96kmol的的B B。已知反应速。已知反应速率率 试求乙酸的转化率为试求乙酸的转化率为0.50.5,0.90.9,0.990.99所需的反所需的反应时间。应时间。已知乙酸与正丁醇的密度分别为已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3960kg/m3和和740k
12、g/m3 740kg/m3 n解:解:显然显然A A是关键组分,不过量,对于是关键组分,不过量,对于1kmolA 1kmolA 来来说,投料情况是说,投料情况是n由于反应为液相反应,体积不变对每由于反应为液相反应,体积不变对每1kmolA1kmolA而言,每次投料体积(有效反应体积)为而言,每次投料体积(有效反应体积)为当转化率为当转化率为0.50.5时,时,t t0.535h0.535h,当转化率为当转化率为0.90.9时,时,t t4.81h4.81h,当转化率为当转化率为0.990.99时,时,t t52.9h52.9h。¥不能片面追求转化率,导致反应时不能片面追求转化率,导致反应时间过
13、长,大幅度增加操作费用。间过长,大幅度增加操作费用。(5 5)间歇反应器中等温等容液相单一)间歇反应器中等温等容液相单一可逆可逆反应反应的动力学表达式的动力学表达式n对于单一可逆反应,要考虑化学平衡,对于单一可逆反应,要考虑化学平衡,K KC C为液为液相反应的平衡常数。相反应的平衡常数。n为了便于讨论,课本表为了便于讨论,课本表3-23-2应该都假定了反应为应该都假定了反应为基元反应。基元反应。n假定产物初始浓度为零假定产物初始浓度为零n可逆反应的动力学速率方程可逆反应的动力学速率方程n对于通用液相可逆反应对于通用液相可逆反应n平衡时的浓度由热力学关系式进行关联平衡时的浓度由热力学关系式进行
14、关联n平衡常数平衡常数n 的单位为的单位为一级反应一级反应n反应达到平衡时反应达到平衡时n化学平衡常数化学平衡常数n若有若有C CA A-t-t的实验数据,则可根据上式计算的实验数据,则可根据上式计算出速率常数出速率常数k k和和kk,由此得到平衡常数,由此得到平衡常数K KC C1 1级、级、2 2级反应级反应n反应达到平衡时反应达到平衡时n3 3、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化(1 1)工程放大)工程放大 由间歇反应器的设计方程可得一个重要的结由间歇反应器的设计方程可得一个重要的结论:反应物达到一定的转化率所需的论:反应物达到一定的转化率所需的反应时
15、间,反应时间,只取决于过程的反应速率或动力学因素,只取决于过程的反应速率或动力学因素,与反与反应器的大小无关应器的大小无关。反应器的大小是由反应物料。反应器的大小是由反应物料的处理量决定的。的处理量决定的。由此可见,上述计算反应时间的表达式,既由此可见,上述计算反应时间的表达式,既适用于小型设备又可用于大型设备,只要保证适用于小型设备又可用于大型设备,只要保证相同的反应条件和装置的合理放大,即可达到相同的反应条件和装置的合理放大,即可达到同样的反应效果同样的反应效果n实验室用的小型反应器要做到等温操作比较实验室用的小型反应器要做到等温操作比较容易,而大型反应器就很难做到;同时大型容易,而大型反
16、应器就很难做到;同时大型反应器要通过搅拌使容器内的物料混合均匀、反应器要通过搅拌使容器内的物料混合均匀、浓度均一也比较困难,所以生产规模的反应浓度均一也比较困难,所以生产规模的反应效果与实验室反应器相比,还是有差异的。效果与实验室反应器相比,还是有差异的。n间歇反应器的反应体积根据间歇反应器的反应体积根据单位时间单位时间的反应的反应物料处理体积物料处理体积Q Q0 0及及操作周期操作周期来确定来确定n间歇反应器的反应体积间歇反应器的反应体积n实际体积实际体积n而单位时间的产品产量而单位时间的产品产量molmol可以定义为可以定义为n例:在间歇釜中一级不可逆反应,液相反应例:在间歇釜中一级不可逆
17、反应,液相反应A 2RA 2R k=9.5210k=9.52109 9exp-7448.4/T hexp-7448.4/T h-1-1 R R的的摩尔质量摩尔质量为为6060,若转化率,若转化率X XA A=0.7=0.7,装,装置的生产能力为置的生产能力为50000 kg50000 kg产物产物R/R/天。求天。求5050等温操作所需反应器的有效容积?(用于非等温操作所需反应器的有效容积?(用于非生产性操作时间生产性操作时间t t0 0=0.75 h=0.75 h)n(2 2)反应时间的优化)反应时间的优化 间歇反应器每批物料的操作时间包括反应间歇反应器每批物料的操作时间包括反应时间和辅助时
18、间,对于一定的化学反应和反应时间和辅助时间,对于一定的化学反应和反应器,辅助时间是一定值。反应物的浓度随时间器,辅助时间是一定值。反应物的浓度随时间的延长而降低,同时产物的生成速率随反应物的延长而降低,同时产物的生成速率随反应物浓度的降低而降低。所以,随着操作时间的延浓度的降低而降低。所以,随着操作时间的延长,产量增多,但按单位操作时间计算的产品长,产量增多,但按单位操作时间计算的产品产量并不一定增加。产量并不一定增加。以以单位操作时间单位操作时间的产品产量为目标函数,的产品产量为目标函数,存在一个最优反应时间的问题存在一个最优反应时间的问题nA RA R,要求产物,要求产物R R的浓度为的浓
19、度为C CR R,则单位操作,则单位操作时间的产品产量时间的产品产量P PR R为为n对反应时间求导,得到对反应时间求导,得到n用解析法或图解法(以用解析法或图解法(以cRcR对对t t)作图可)作图可得最优反应时间得最优反应时间n(3 3)配料比)配料比 在工业上,为了使价格较高的或在后续工序在工业上,为了使价格较高的或在后续工序中较难分离的组分中较难分离的组分A A的残余浓度尽量低,也为的残余浓度尽量低,也为了缩短反应时间,对于类似如下的反应,常采了缩短反应时间,对于类似如下的反应,常采取一种反应物取一种反应物B B过量的操作方法过量的操作方法并定义配料比并定义配料比在等容液相过程中在等容
20、液相过程中B B的浓度的浓度n(4 4)反应温度)反应温度 对于间歇釜式反应器,可以在反应不同时对于间歇釜式反应器,可以在反应不同时段,反应物系处于不同组成时,调整反应温段,反应物系处于不同组成时,调整反应温度,一般说来,高转化率时,反应速率随之度,一般说来,高转化率时,反应速率随之减少,可以适当提高反应温度,以促使反应减少,可以适当提高反应温度,以促使反应速率常数增大而增加反应速率。速率常数增大而增加反应速率。前提是液相组分的性质随温度变化影响较前提是液相组分的性质随温度变化影响较小。小。第二节、连续流动釜式反应器(第二节、连续流动釜式反应器(CSTRCSTR)(CSTR Continuou
21、sly stirred tank reactor)(CSTR Continuously stirred tank reactor)在连续流动过程中,反应物连续不断地在连续流动过程中,反应物连续不断地加入反应器中同时产物连续不断地流出反应加入反应器中同时产物连续不断地流出反应器,连续、稳定流动,在定常态下操作。器,连续、稳定流动,在定常态下操作。不存在间歇操作中的辅助时间问题,在定态不存在间歇操作中的辅助时间问题,在定态操作中容易操作中容易实现自动控制,操作简单,节省实现自动控制,操作简单,节省人力,产品质量稳定,可用于产量大的产品人力,产品质量稳定,可用于产量大的产品生产过程生产过程 全混流模
22、型全混流模型(理想混合模型、连续搅拌釜式反应器(理想混合模型、连续搅拌釜式反应器CSTRCSTR)全混流模型认为物料进入反应器后,在一瞬间,进入反全混流模型认为物料进入反应器后,在一瞬间,进入反应器的新鲜物料和反应器内的物料达到应器的新鲜物料和反应器内的物料达到完全混合完全混合。模型特点:模型特点:a a:同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合;:同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合;b b:反应器内物料质点完全混合,:反应器内物料质点完全混合,物料参数处处相同,且物料参数处处相同,且等于出口处(即将流出)的参数;等于出口处(即将流出)的参数;c c:反应器内物料质点的年龄不同。同一
23、时刻离开反应器:反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应器的物料中,质点的寿命也不相同。的物料中,质点的寿命也不相同。d d:返混:返混2 2)适用范围:)适用范围:搅拌反应器,强烈搅拌。搅拌反应器,强烈搅拌。n反应器特点总结:反应器中反应器特点总结:反应器中反应物料反应物料的浓的浓度处于出口状态的度处于出口状态的低浓度低浓度,而反应产物浓,而反应产物浓度则处于出口状态的度则处于出口状态的高浓度高浓度,全混流反应,全混流反应器的反应速率由釜内的温度和浓度所决定。器的反应速率由釜内的温度和浓度所决定。n与间歇反应器一样,反应釜内的温度和浓与间歇反应器一样,反应釜内的温度和浓度均一,且等于出口
24、处的温度和浓度度均一,且等于出口处的温度和浓度 F Fi0 i0F Fi i体积体积V VG Gi i指定的边界指定的边界n1 1、CSTRCSTR的数学模型(设计方程)的数学模型(设计方程)n 在定态下,反应器内反应物料的积累量为零,在定态下,反应器内反应物料的积累量为零,对关键对关键反应反应组分组分A A作摩尔衡算可得。作摩尔衡算可得。n于是得到于是得到n若若A的转化率为的转化率为XA则设计方程又可表示为则设计方程又可表示为n若达到稳态时,进口物料中已经含有反应若达到稳态时,进口物料中已经含有反应产物,则产物,则n2 2、几个概念、几个概念n(1 1)空时空时 (接触时间)、(空间时间)(
25、接触时间)、(空间时间)反应器有效体积反应器有效体积V VR R和反应流体和反应流体入口条件入口条件下下体积流率体积流率V V0 0之比。之比。n即,基于入口条件(各种参数)处理整个反即,基于入口条件(各种参数)处理整个反应器有效体积的流体所必需的时间应器有效体积的流体所必需的时间n(2 2)空速(空速(SVSV):单位时间内投入到反应器单位时间内投入到反应器中的物料的中的物料的标准标准体积与反应器有效容积或催体积与反应器有效容积或催化剂体积之比。化剂体积之比。n与空时的使用条件不同,空时用的是在入口与空时的使用条件不同,空时用的是在入口条件下的体积流率,而空速常常用到条件下的体积流率,而空速
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- 反应器
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