理想反应器ppt课件.ppt

《理想反应器ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《理想反应器ppt课件.ppt（51页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、,均相,非均相,低分子体系,高分子体系,反应动力学,反应器中的传递现象,定常态,非定常态,实验室研究,计算机模拟,化学反应工程学的发展历程：,Back,第一章 绪论,1.1.2 化学反应工程的范畴和任务 无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：,第和两部分属于单元操作的研究范围；而部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。,*化学反应工程是化工生产的核心,*化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程,化学反应工程学,化学动力学,化学工程,化学过程,物理过程,催化剂,反应机理,温度浓度,流体流动,传质,传热

2、,指导,工业反应过程开发,反应器的结构型式,操作方式,工艺条件,第一章 绪论,定义：顾名思义，化学反应工程学是一门研究化学反应的工程问题的科学。既以化学反应作为对象，就必然要掌握这些化学反应的特性；它又以工程问题为其对象，那就必须熟悉装置的特性，并把这两者结合起来形成学科体系。图1.2就是表示化学反应工程学范畴以及它与其它学科关系的一个示意图。,第一章 绪论,化学热力学：确定物系的各种物性常数(如热容,反应热、压缩因子等)；分析反应的可能性和可能达到的程度等，如计算反应的平衡常数和平衡转化率等。反应动力学：专门阐明化学反应速率(包括主反应及副反应)与各项物理因素(如浓度温度、压力及催化剂等)之

3、间的定量关系。催化剂：如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂中活性组分的有效分布、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等。,设备型式、操作方法和流程：“放大效应”，工业装置的反应条件必须结合工程上的考虑才能最合理地确定；反应不同，规模不同，合适的反应器型式和操作方式也会不同；工艺流程与工艺与工程密切结合、综合考虑，热量传递/温度控制、物料是否循环等。传递工程：传递过程与反应动力学是构成化学反应工程最基本的两个支柱。所谓三传一反乃是反应工程学的基础也正是这个意思。工程控制：对于反应装置而言是最优化的条件，来必就整个生产系统也是最优化的，此时，装置就只能服从系统。反

4、应过程的分析、反应技术的开发和反应器的设计 作为反应工程本身的专门范畴是对各种反应过程进行工程分析，进行为技术开发所需的各项研究，制定出最合理的技术方案和操作条件以及进行反应器或反应系统的设计。,第一章 绪论,注意：化学反应是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而反应器总体的性态对其有很大的影响。所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上）着手。化学反应工程学知识的作用(1)改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率。(2)开发新的技术和设备。(3)指导和解决反应过程开发中的放大问题。(4)实现反应过程的最优化。(5)不断发展反应工程学的理

5、论和方法。,第一章 绪论,1.2化学反应的分类（反应工程学科）,第一章 绪论,1.3反应器的分类,第一章 绪论,反应器的类型和特点,第一章 绪论,l.4 化学反应工程的基本方法 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就是要用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模型。根据问题复杂程度的不同和对所描述的范围以及要求精度的不同，人们按已有的认识程度和需要，写出的数学模型的繁简程度也是不同的。在化学反应工程中，数学模型主要包括下列一些内容：(1)动力学方程式(2)物料衡算式(3)热量衡算式(4)动量衡算式(5)参数计算式,在建立这些方程式时，有些是需要经过实验才能解决的，依靠试验获

6、得数据。依据这些资料，就写出物料、热量、动量衡算式，其一般形式如下：累计量=输入量 输出量,第一章 绪论,1.5 化学反应工程的学科系统和编排 我们知道，化学反应是反应过程的主体，而装置则是实现这种反应的客观环境。反应本身的特性是第一性的，而反应动力学就是描述这种特性的。因此动力学是代表过程的本质性的因素，而装置的结构、型式和尺寸则在物料的流动、混合、传热和传质等方面的条件上发挥其影响。,按操作方法分：分批式操作、连续式、半分批操作按反应装置的结构型式分：管式、塔式、釜式、固定床、流化床按化学反应的相态分：气相、液相的均相过程，气固相、气液相、液液相等非均相过程,第三章 理想流动反应器,西安建

7、筑科技大学化学工程与工艺研究所,反应器选型、设计和优化,反应器中的流动状况影响反应结果,数学模型,流动模型,对实际过程的简化,理想模型,非理想模型,第三章 理想流动反应器,建立模型的基本方法,理想气体状态方程,间歇反应器,平推流反应器,全混流反应器,连续流动反应器,第三章 理想流动反应器,完全没有返混,返混极大,(a),(b),(c),第三章 理想流动反应器,间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor(BSTR),特点：反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间。,第三章 理想流动反应器

8、 第一节 流动模型概述,平推流反应器 Piston Flow Reactor(PFR),活塞流模型或理想置换模型,第三章 理想流动反应器 第一节 流动模型概述,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。,第三章 理想流动反应器,全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor(CSTR),第三章 理想流动反应器 第一节 流动模型概述,连续搅

9、拌槽式反应器或理想混合反应器,第三章 理想流动反应器 第一节 流动模型概述,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。,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。是时间概念上的混合。,第三章 理想流动反应器

10、 第一节 流动模型概述,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 全无返混 全无返混 返混极大,反应器特性分析 第一节 流动模型概述,5 浓度分布-推动力,反应器特性分析 第一节 流动模型概述,反应推动力随反应时间逐渐降低,反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低,反应推动力不变，等于出口处反应推动力,偏离平推流的情况,非理想流动模型 第一节 流动模型概述,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,非理想流

11、动模型 第一节 流动模型概述,偏离全混流的情况,死角,短路,搅拌造成的再循环,流动状况对化学反应的影响-由物料停留时间不同所造成,非理想流动模型 第一节 流动模型概述,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 第一节 流动模型概述,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,反应器设

12、计的基本方程 第一节 流动模型概述,the kinetic equation,the mass balance equation,the energy balance equation,the momentum balance equation,第二章中讲过,计算反应体积,计算温度变化,计算压力变化,反应器设计的基本方程 第一节 流动模型概述,物料衡算方程,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,反应消耗累积,流入,流出,反应单元,反应器设计的基本方程 第一节 流动模型概述,热量衡算方程,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

13、应单元,传给环境,反应器设计的基本方程 第一节 流动模型概述,动量衡算方程,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。但有时为了简化计算，常采用估算法。,第二节 理想流动反应器,3-3 间歇反应器特点: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,间

14、歇反应器的数学描述 第二节 理想流动反应器,对整个反应器进行物料衡算：,流入量=流出量+反应量+累积量,0,0,单位时间内反应量=单位时间内消失量,等容过程，液相反应,间歇反应器的数学描述 第二节 理想流动反应器,实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(t),反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V(t+t),1/rA xA,t/CA0,1/rA CA,t,间歇反应器中的单反应 第二节 理想流动反应器,间歇反应器中的单反应 第二节 理想流动反应器,k增大(温度升高）t减少反应体积减小,间歇反应器中的单反应 第二节 理想流动反应器,2.反应浓度的影响,1.k的影响,零级反应：t与初

15、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,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 第二节理想流动反应器,一.特点：,二.基本公式：第二节理想流动反应器,流入量=流出量+反应量+累积量,0,二.基本公式：第二节理想流动反应器,1.k与xA的关系,等温时k为常数,2.V0与xA的关系,等分子反应？变分子反应？,3.

16、等容过程,与间歇反应器的公式相同,二.等温平推流反应器的计算 第二节理想流动反应器,二.等温平推流反应器的计算 第二节理想流动反应器,3-5 全混流反应器 第二节理想流动反应器,反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。,流入量=流出量+反应量+累积量,0,进口中已有A,3-5 全混流反应器 第二节理想流动反应器,全混流反应器的图解积分,平推流反应器与全混流反应器的比较,三种理想反应器的特点及其基本方程的建立,作业：3-2，3-4，3-5,掌握三种理想反应器的基本概念、特点；掌握建立基本设计方程的方法；记住零级反应、一级反应、二级反应的积分式（浓度和转化率）能够利用反应器流动模型方程计算反应体积和所需反应时间。,要求：,