反应工程.pptx
《反应工程.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《反应工程.pptx(104页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第三章第三章 釜式及均相管式反应器釜式及均相管式反应器 3.1 3.1 3.1 3.1 间歇釜式反应器间歇釜式反应器间歇釜式反应器间歇釜式反应器3.2 3.2 3.2 3.2 连续流动均相管式反应器连续流动均相管式反应器连续流动均相管式反应器连续流动均相管式反应器3.3 3.3 3.3 3.3 连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器3.4 3.4 3.4 3.4 理想流动反应器的组合和比较理想流动反应器的组合和比较理想流动反应器的组合和比较理想流动反应器的组合和比较3.5 3.5 3.5 3.5 多重反应的选择率多重反应的选择率多重反应的选择率多重反应的选择率
2、反应器选型、设计和优化反应器选型、设计和优化反应器选型、设计和优化反应器选型、设计和优化反应器中的流动状况反应器中的流动状况影响反应结果影响反应结果数学模型数学模型流动流动模型模型对实际过对实际过程的简化程的简化理想理想模型模型非理想非理想模型模型平推流反应器平推流反应器全混流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器间间 歇歇 反反 应应 器器完全没有返混完全没有返混返混极大返混极大返混返混间歇反应器间歇反应器间歇反应器间歇反应器(BSTR)(BSTR)平推流反应器平推流反应器平推流反应器平推流反应器(PFR)(PFR)全混流反应器全混流反应器全混流反应器全混流反应器(CSTR)(CST
3、R)投料投料投料投料一次加料一次加料一次加料一次加料(起始起始起始起始)连续加料连续加料连续加料连续加料(入口入口入口入口)连续加料连续加料连续加料连续加料(入口入口入口入口)年龄年龄年龄年龄年龄相同年龄相同年龄相同年龄相同(某时某时某时某时)年龄相同年龄相同年龄相同年龄相同(某处某处某处某处)年龄不同年龄不同年龄不同年龄不同寿命寿命寿命寿命寿命相同寿命相同寿命相同寿命相同(中止中止中止中止)寿命相同寿命相同寿命相同寿命相同(出口出口出口出口)寿命不同寿命不同寿命不同寿命不同(出口出口出口出口)返混返混返混返混全无返混全无返混全无返混全无返混全无返混全无返混全无返混全无返混返混极大返混极大返混
4、极大返混极大3.1 3.1 3.1 3.1 间歇釜式反应器间歇釜式反应器间歇釜式反应器间歇釜式反应器3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 釜式反应器的特征釜式反应器的特征釜式反应器的特征釜式反应器的特征 釜式或槽式反应器都设置搅拌装置,典型的搅拌盖式反釜式或槽式反应器都设置搅拌装置,典型的搅拌盖式反应器的结构如图应器的结构如图3-13-1所示。工厂中一般称加压下操作的釜所示。工厂中一般称加压下操作的釜式反应器为反应釜,常压下操作的为反应槽。釜式反应器式反应器为反应釜,常压下操作的为反应槽。釜式反应器大都用于完全互溶的液相或呈两相的液液相及液固相反应大都用于完全互溶的液相或呈两相的液液
5、相及液固相反应物系在间歇状态下操作。物系在间歇状态下操作。1)1)间歇操作间歇操作 工业上充分搅拌的间歇槽式反应器的性能和行为相当接工业上充分搅拌的间歇槽式反应器的性能和行为相当接近于理想间歇反应器。反应物料按一定配料比一次加入反应器近于理想间歇反应器。反应物料按一定配料比一次加入反应器内,容器的顶部有一可拆卸的顶盖,以供清洗和维修用。在容内,容器的顶部有一可拆卸的顶盖,以供清洗和维修用。在容器内部设置搅拌装置,使器内物料均匀混合。顶盖上都开有各器内部设置搅拌装置,使器内物料均匀混合。顶盖上都开有各种工艺接管用以测量温度、压力和添加各种物料。筒体外部一种工艺接管用以测量温度、压力和添加各种物料
6、。筒体外部一般都装有夹套用来加热或冷却物料。器内还可以根据需要设置般都装有夹套用来加热或冷却物料。器内还可以根据需要设置盘管或排管以增大传热面积。盘管或排管以增大传热面积。其特点为:其特点为:(1 1)由于剧烈搅拌、混合,反应器内有效空间中物料达到)由于剧烈搅拌、混合,反应器内有效空间中物料达到分子尺度的均匀分布,各处浓度处处相等,可排除物质传递对分子尺度的均匀分布,各处浓度处处相等,可排除物质传递对反应过程的影响;反应过程的影响;(2 2)反应器内具有足够强烈的传热条件,各处温度相等,)反应器内具有足够强烈的传热条件,各处温度相等,不需考虑反应器内热量传递;不需考虑反应器内热量传递;(3 3
7、)由于反应物料同时加入又同时取出,所有物料在反应)由于反应物料同时加入又同时取出,所有物料在反应器中具有相同的停留时间,器内物料年龄相同,无返混。器中具有相同的停留时间,器内物料年龄相同,无返混。(4 4)过程为间歇操作,有辅助时间。)过程为间歇操作,有辅助时间。(5)(5)反应器为非稳态,温度、浓度随时间改变。反应器为非稳态,温度、浓度随时间改变。优点优点 操作灵活,易于适应不同操作条件与不同操作灵活,易于适应不同操作条件与不同产品品种,适用于小批量、多品种、反应产品品种,适用于小批量、多品种、反应时间较长等产品生产,特别是时间较长等产品生产,特别是精细化工精细化工与与生物化工产品的生产。生
8、物化工产品的生产。缺点缺点 装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间,产品质量不易稳定。间,产品质量不易稳定。2 2)连续操作)连续操作 连续操作的釜式反应器,反应物料连续加入和排除,与连续操作的釜式反应器,反应物料连续加入和排除,与间歇反应器一样,由于剧烈的搅拌,反应器内物料混合均匀,间歇反应器一样,由于剧烈的搅拌,反应器内物料混合均匀,物料组成和温度相同,但一般进口处反应物料的温度低于反物料组成和温度相同,但一般进口处反应物料的温度低于反应器内的物料温度。可以根据需要利用传热装置调节反应器应器内的物料温度。可以根据需要利用传热装置调节反应器内物料内物料 的温度
9、,连续操作的釜式反应器可以处于等温或绝的温度,连续操作的釜式反应器可以处于等温或绝热情况下操作。热情况下操作。3 3)半间歇操作)半间歇操作 部分反应物料连续加入和排除,部分反应物料简歇加入部分反应物料连续加入和排除,部分反应物料简歇加入和排除,属于非稳态过程。和排除,属于非稳态过程。3.1.2 间歇反应器性能的数学描述间歇反应器性能的数学描述 在间歇反应器中,由于剧烈搅拌,槽内物料在间歇反应器中,由于剧烈搅拌,槽内物料的浓度和温度达到均一,因而可以对整个反应器的浓度和温度达到均一,因而可以对整个反应器进行物料衡算。进行物料衡算。流入量流入量流出量流出量反应量反应量累积量累积量=+0间歇操作中
10、流人量和流出量都等于零。间歇操作中流人量和流出量都等于零。反应量反应量累积量累积量=+0若若V V为液相反应混合物的体积,因而对反应组分为液相反应混合物的体积,因而对反应组分A A的物料衡的物料衡算式可写成算式可写成 积分积分达到一定反应率所需达到一定反应率所需反应时间的计算式。反应时间的计算式。若反应过程中不发生体积变化,即等容过程。若反应过程中不发生体积变化,即等容过程。根据等容时转化率与浓度关系根据等容时转化率与浓度关系 间歇反应器所需的实际操作时间包括反应间歇反应器所需的实际操作时间包括反应时间时间t t与辅助时间与辅助时间t,tt,t包括加料、调温、卸料、包括加料、调温、卸料、清洗等
11、时间。清洗等时间。间歇反应器的反应体积间歇反应器的反应体积V VR R是指反应物料在是指反应物料在反应器中所占的体积它取决于单位生产时间反应器中所占的体积它取决于单位生产时间所处理的物料量和每批生产所需的操作时间。所处理的物料量和每批生产所需的操作时间。单位生产时间所处理的物料量由生产任务决定,单位生产时间所处理的物料量由生产任务决定,因此反应体积可按下式计算因此反应体积可按下式计算 只要已知反应动力学方程式或反应速率与组分只要已知反应动力学方程式或反应速率与组分A A浓浓度度C CA A之间的变化规律,就能计算反应时间。最基本、最之间的变化规律,就能计算反应时间。最基本、最直接的方法是数值积
12、分或图解法。直接的方法是数值积分或图解法。间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应 单反应通常用一个化学计量式和一个反应速率方程式描单反应通常用一个化学计量式和一个反应速率方程式描述。反应速率为温度和某一组分浓度的函数述。反应速率为温度和某一组分浓度的函数 AP反应动力学方程式以幂函数型表示反应动力学方程式以幂函数型表示 间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓度的计算结间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果归纳于下表果归纳于下表(2)(2)(2)(2)反应浓度反应浓度反应浓度反应浓度(1)K(1)K(1)K(1)K值值值值影响因素影响因素k k k k增大增大增大增大(温度升高)温度升
13、高)温度升高)温度升高)t t t t减少减少减少减少反应体积减小反应体积减小反应体积减小反应体积减小零级反应:零级反应:t t与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应:一级反应:t t与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应:二级反应:t t与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比(3)(3)(3)(3)残余浓度残余浓度残余浓度残余浓度零级反应:残余浓度随零级反应:残余浓度随t t直线下降直线下降一级反应:残余浓度随一级反应:残余浓度随t t逐渐下降逐渐下降二级反应:残余浓度随二级反应:残余浓度随t t慢慢下降慢慢下降 为使反应时为使反应时间计算正确,重间计算正确,重要的是保证反应
14、要的是保证反应后期动力学的准后期动力学的准确、可靠,因此确、可靠,因此要密切注意反应要密切注意反应后期的反应机理后期的反应机理是否发生变化,是否发生变化,即要重视反应过即要重视反应过程末期动力学的程末期动力学的研究。研究。3.1.3 3.1.3 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 实验室用的小型反应器要做到等温操作比较容易,而大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;又如实验室反应器通过搅拌可使反型反应器就很难做到;又如实验室反应器通过搅拌可使反应物料混合均匀,浓度均一,而大型反应器要做到这点就应物料混合均
15、匀,浓度均一,而大型反应器要做到这点就比较困难。生产规模的间歇反应器的反应效果与实验室反比较困难。生产规模的间歇反应器的反应效果与实验室反应器相比,总是有些差异。应器相比,总是有些差异。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时间和辅助时间歇反应器每批物料的操作时间包括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。间,对于一定的化学反应和反应器,辅助时间是一定值。可以看出,存在一最佳反应时间,使单位时间的生产量达到可以看出,存在一最佳反应时间,使单位时间的生产量达到最大值。最大值。对于反应对于反应ARAR,若要求产物,若要求产物R R的浓度
16、为的浓度为C CR R,则单位操作时,则单位操作时间的产品产量间的产品产量P PR R为为 上面所讨论的最优反应时间是对单位时间产品产量最大上面所讨论的最优反应时间是对单位时间产品产量最大而言,如从单位产品所消耗的原料量最少着眼,则反应时而言,如从单位产品所消耗的原料量最少着眼,则反应时间越长,原料单耗越少。优化的目标函数不同,结果不间越长,原料单耗越少。优化的目标函数不同,结果不-祥。祥。若以生产费用最低为目标,井设单位时间内反应操作费用若以生产费用最低为目标,井设单位时间内反应操作费用为为a a,辅助操作费用为,辅助操作费用为a a0 0,而固定费用为,而固定费用为a af f则单位质量产
17、品则单位质量产品的单费用为:的单费用为:为了使AT最小,采用函数求极值的方法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中较难分在工业上,为了使价格较高的或在后续工序中较难分离的组分离的组分A A的残余浓度尽可能低,的残余浓度尽可能低,也为了缩短反应时间,也为了缩短反应时间,常采用反应物常采用反应物B B过量的操作方法。定义配料比过量的操作方法。定义配料比m=Cm=CBOBO/C/CAOAO,于是于是,等容液相反应过程中组分等容液相反应过程中组分B B的浓度的浓度 以反应时间以反应时间C CB0B0ktkt为纵坐标,为纵坐标,转化率转化率X XA A为横坐标,配料比为横坐标,配
18、料比m m为为主变量绘图。主变量绘图。当要求当要求A A的转化率较高时,的转化率较高时,配料比的影响更加明显,提高配料比的影响更加明显,提高配料比可缩短反应时间,而需配料比可缩短反应时间,而需付出的代价是付出的代价是:降低反应器的容积利用率降低反应器的容积利用率;增加组分增加组分B B的回收费用,所以的回收费用,所以这也是一个需优化的参数。这也是一个需优化的参数。当配料比当配料比m m大到大到B B在反应中的消耗可以忽略在反应中的消耗可以忽略 时,时,上述动力学方程可写为上述动力学方程可写为 r rA A=Kc=KcB0B0c cA A=k=k1 1C CA A。此时,该二级反应可视同为一级反
19、应。即使此时,该二级反应可视同为一级反应。即使m m 不是不是很大,在反应末期也可能发生这种反应级数的转变。很大,在反应末期也可能发生这种反应级数的转变。例如例如:当当c cA0A0=1,C=1,CB0B0=1.3=1.3时,在反应初期,时,在反应初期,A A和和B B浓度浓度接近,表现出二级反应的特征接近,表现出二级反应的特征;而当而当A A的转化率为的转化率为O.9O.9时,时,c cAoAo=0.l=0.l ,C CB0B0=0.4=0.4,此,此 时配料比为时配料比为4 4,组分,组分B B过量甚多,过量甚多,其动力学特征接其动力学特征接 近一级反应。近一级反应。4 4)反应温度)反应
20、温度 对于间歇釜式反应器,可以在反应时间的不同阶段,对于间歇釜式反应器,可以在反应时间的不同阶段,反应物系处于不同组成时,调整反应温度。一般说来,高转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,反应物浓度减少,反应速率随之减少,可以适当提化率时,反应物浓度减少,反应速率随之减少,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。例高反应温度,以促使反应速率常数增大而增加反应速率。例如间歇釜式反应器中的硝化反应,在反应前期,温度为如间歇釜式反应器中的硝化反应,在反应前期,温度为40454045;反应中期,温度为;反应中期,温度为60 60;而且应后期,温度调高;而且应后
21、期,温度调高为为7070。但应注意,对于液相反应,液相组分的性质随温度而但应注意,对于液相反应,液相组分的性质随温度而变,例如:变,例如:反应温度提高,液相组分的蒸气压很快上升,反应温度提高,液相组分的蒸气压很快上升,甚至某一组分会达到沸点;甚至某一组分会达到沸点;反应温度增大,可能使某些反反应温度增大,可能使某些反应组分腐蚀性加强;应组分腐蚀性加强;对于多重反应,反应温度增高,会使对于多重反应,反应温度增高,会使某些副反应加剧。某些副反应加剧。思考题思考题思考题思考题1 1 1 1:用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应,每天生产乙:用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应,每天生产乙:用间歇反应
22、器进行乙酸和乙醇的酯化反应,每天生产乙:用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应,每天生产乙酸乙酯酸乙酯酸乙酯酸乙酯12000kg12000kg12000kg12000kg,其化学反应式为,其化学反应式为,其化学反应式为,其化学反应式为原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A A A A:B B B B:S=1S=1S=1S=1:2 2 2 2:1.351.351.351.35,反应液的密度为,反应液的密度为,反应液的密度为,反应液的密度为1020kg/m1020kg/m1020kg/m1020kg/m3 3 3 3,并假定在反应过程中不变
23、。每批装料、卸料及清洗,并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗,并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗,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等辅助操作时间为等辅助操作时间为等辅助操作时间为1h1h1h1h。反应在。反应在。反应在。反应在100100100100下等温操作,其反应速率方下等温操作,其反应速率方下等温操作,其反应速率方下等温操作,其反应速率方程为程为程为程为 100100100100时,时,时,时,k=4.7610k=4.7610k=4.7610k=4.7610-4-4-4-4L/L/L/L/(molmolmolmol minminminmin)
24、,平衡常数),平衡常数),平衡常数),平衡常数K=2.92K=2.92K=2.92K=2.92。试计算乙酸转化试计算乙酸转化试计算乙酸转化试计算乙酸转化35%35%35%35%时所需的反应体积。根据反应物料的特性,若时所需的反应体积。根据反应物料的特性,若时所需的反应体积。根据反应物料的特性,若时所需的反应体积。根据反应物料的特性,若反应器填充系数取反应器填充系数取反应器填充系数取反应器填充系数取0.750.750.750.75,则反应器的实际体积是多少?,则反应器的实际体积是多少?,则反应器的实际体积是多少?,则反应器的实际体积是多少?由于原料液中乙酸由于原料液中乙酸:乙醇乙醇:水水=1:2
25、:1.35=1:2:1.35,当乙酸为,当乙酸为1kg1kg时,加入的总原料为时,加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg1+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解:首先计算原料处理量V V0 0,根据题给的乙酸乙酯产量,根据题给的乙酸乙酯产量,可算出每小时乙酸需用量为可算出每小时乙酸需用量为其次计算原料液的起始组成。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。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,整理后得代入速率方程,整理后得 通过乙酸的起始浓度和原料中各
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 反应 工程
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精***】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精***】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。