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1、,国家精品课程化学反应工程,第三章 间歇反应器及理想流动反应器Chapter 3 Batch Reactor and Ideal Flow Reactor,釜式反应器的组合,3.1 概述3.2 间歇反应器3.3 理想流动下的釜式反应器3.4 理想流动下的管式反应器3.5 反应器的性能比较,本章内容,反应器中是化工厂的心脏，同一化学反应即使在相同的操作条件下进行，其反应结果往往是不同的，与反应器的型式有关。反应器的操作有间歇操作和连续操作。连续操作其物料连续流入和连续流出，其流动又分为稳态流动和非稳态流动。稳态流动是指物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和温度等不随时间而变，除此之外，为非稳态流
2、动。在稳态流动下连续流动反应器内物料浓度的变化不随反应时间而变。,3.1 概述,表述如下：（1）质量平衡 质量输入量-质量输出+产生量-消耗量=累积量 对于有扩散影响的过程，上式中的输入和输出项应包括由扩散在边界上所引起的输入和输出。（2）热量平衡 热量净变化量+热量产生量=热量累积量（3）动量平衡 动量输入量-动量输出+净作用力项=动量累积量 对于稳态流动，上述累积量为零。,反应器的设计基于“三传一反”。“三传”指质量、热量和动量传递，其质量平衡、热量平衡和动量平衡,3.1 概述,3.1 概述,基于反应器设计方程可得结果,反应动力学方程,质量衡算方程,热量衡算方程,动量衡算方程,浓度、转化率
3、等与反应时间关系,反应体积,温度变化,压力变化,3.1 概述,建立反应数学模型的通式,反应消耗累积,流入,流出,反应单元,举例：,物料衡算方程,某组分流入量,=,某组分反应消耗量+某组分累积量,某组分流出量,+,流入,反应单元,流出,间歇操作 物料一次投入反应器，待反应完成后，物料一次卸出的操作过程。,最常用釜式反应器，主要结构由筒体、搅拌装置、传动装置、轴密封装置及工艺接管组成。器内还可以根据需要设置盘管。Batch Reactor,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,特点：1、由于搅拌的剧烈，反应器内物料浓度达到分子尺度的均匀，且反应器内浓度处处相等，排除物质传递对反应的影响；2、同样
4、由于搅拌的影响，温度始终相等，无需考虑器内热量传递问题；3、物料同时加入且同时停止反应，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，特别是精细化工产品,缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量波动大,非稳态操作?,3.2.1 等温间歇反应器的设计计算,3.2 间歇反应器,恒容条件下（多数情况），上式可以简化成：,例如，对于n级不可逆反应,代入间歇反应器的通用设计方程，并整理结果，得：,由于n为已知，上式可解析积分。例如，若n=1，积分结果为,若n=2，则积分结果为,3.2 间歇反应器,如果反应速度比较复杂，即使在等温条件下设计方程也可能无法解析积分，这时
5、可以采用图解法或数值方法求解。,3.2 间歇反应器,1.反应体积,t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键,t为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和,2.反应器的体积,：装填系数，由经验确定,一般为 0.40.85,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应小时，近似等温可以办到，如果热效应大时，很难做到；,温度会影响到,和反应器的生产强度等,很多时候变温的效果更好。,3.2.2 变温间歇反应器的设计计算,3.2 间歇反应器,1、温度对反应热（Hr）的影响,2、温度对化学平衡的
6、影响,由公式可得：平衡常数只与系统的温度有关，而与系统的压力及惰性物质是否存在等因素无关。虽然平衡常数不受压力及惰性物质的影响，但物料的平衡浓度和反应物的平衡转化率是受这些变量的影响。对于气体反应，压力增加，对反应后分子数减小的反应使xAe增加；对反应后分子数增加的反应xAe下降。对所有反应，惰性组成减小所产生的影响，与压力增加的影响一样 对吸热反应，温度增加，平衡转化率xAe也增加；对放热反应，温度增加，平衡转化率xAe下降 对K1，说明反应物可以接近完全转化，故可视为不可逆反应,变温间歇操作的热量衡算,根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：,即：与环境交换的热=内能的变化,间歇釜式反应器
7、,用焓变代替内能的变化,Tr298K为计算的基准温度,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,式中：U为总传热系数 Ah为传热面积 Tc为环境温度,讨论,等温反应,绝热反应,3.2 间歇反应器,对于吸热反应，Hr0，0，温度随反应进行而升高,绝热温升指数（K）,3.2 间歇反应器,选择等温或非等温操作的原则：（1）如反应的热效应不大，而且在一定的温度范围内，反应的选择性变化很小，可采用绝热操作，但操作温度范围不得超过工艺许可的范围（2）对中等热效应的反应，一般考虑采用绝热操作，但应对收率操作费用、反应器大小等的衡算，确定采用绝热或变温的方式（3）对于热效应较大的，要求整个反应过程进行有效的热交
8、换，例如采用列管式换热器（4）对极为迅速的反应，一般考虑绝热操作,3.2 间歇反应器,此原则也适用于其它类型反应器,3.2 间歇反应器,3.2 间歇反应器,理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器，有的称为连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，简称CSTR），CSTR是从操作形式上命名的；有的称为全混流反应器（Mixed Flow Reactor，简称MFR），MFR是从反应器内物料的混合程度上命名的。,3.3 理想流动下的釜式反应器,基本假定：反应器中的物料，包括刚进入的物料，都能立即完全均匀地混合，即混合程度达到最大。,特点：1、反应器
9、有效容积中任意点处的组成、温度等状态完全相同；2、出口物料的各种状态与反应器中相应的状态相同。,全混流反应器特征,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3.2 等温连续釜式反应器的设计计算,基本设计方程：,3.3 理想流动下的釜式反应器,空时与空速的概念：,空时：,（因次：时间）,空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速越大，反应器的原料处理能力越大。,空速：,3.3 理想流动下的釜式反应器,（因次：时间-1）,3.3 理想流动下的釜式反应器,注意：空间速度不是空间时间的倒数。,全混流反应器图解计算示意图,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流
10、动下的釜式反应器,3.3.3 釜式反应器的组合与设计计算,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3.3.2 多级釜式反应器串联的计算,假设：各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，则各釜的空时 相等。各釜操作温度相同，则各釜的速率常数 k 相等。,对第P釜作组分A的物料衡算：,3.3 理想流动下的釜式反应器,对一级不可逆反应：,N个釜,注意：其中的 为单釜空时，总空时为N。,3.3 理想流动下的釜式反应器,连续釜式反应器的图解计算,3.3 理想流动下的釜式反应器,若反应系统处理物料量为1m3/s，反应速度常数k=1s-1，要求最终转化率XAN=0.9,在处理物料
11、量和要求达到的最终转化率相同的情况下，增加级数可以减少所需的反应器总容积。同时，达到一定级数后，再增加级数反应器总体积减小趋势变缓，级数过多导致操作控制和维修困难等问题,工业上一般采用二级或三级串联。上述结论虽然是对一级反应导出的，但原则上同样适用于其它反应体系。,3.3 理想流动下的釜式反应器,应用举例,串联釜式反应器体积最优化,即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。,对单一反应，总反应体积为：,据此求得各釜的转化率，从而求得,此时 最小。,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3
12、 理想流动下的釜式反应器,1.全混流反应器的变温操作,定态操作热量衡算式为：,3.3.5 釜式反应器的定态操作,对绝热反应，有,：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。,3.3 理想流动下的釜式反应器,2.全混流反应器的定态操作点,全混流反应器操作的定态点是由物料衡算和热量衡算联立求解来确定的。以一级不可逆放热反应为例，其动力学方程可写为,热量衡算式：,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.连续釜式反应器的定态热稳定性,定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。,物料衡算式：,热量衡算式：,3.3 理想流动下的釜式反应器,4.定态点的热稳定性分析,
13、3.3 理想流动下的釜式反应器,放热反应的定态操作点：若产生超温，可出现烧坏催化剂或爆炸，若出现低温，易产生突然降温以致反应终止。吸热反应的定态操作点：唯一,影响定态操作点的因素：改变进料或换热介质温度，进料量，进料中反应物浓度，以及传热面积或传热温差等，使用尽可能大的传热面积，和尽可能小的传热温差。,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,3.3 理想流动下的釜式反应器,活塞流模型 Plug Flow Models（平推流）：基本假定：(1)径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。(2)轴向上无返混 符合上述假设的反应器
14、，同一时刻进入反应器的流体粒子必同一时刻离开反应器，所有粒子在反应器内停留时间相同。特点：径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。,层流,湍流,活塞流,3.4 理想流动下的管式反应器,3.4.2 等温连续流动管式反应器的设计计算,3.4 理想流动下的管式反应器,(输入量)(输出量)（消耗量）（累积量),表达式相似，但意义不同，指连续操作的反应空时，t指间歇釜内物料的反应时间。,3.4 理想流动下的管式反应器,对于管式平推流反应器，由于,所以,式(3.24)则可写为,恒容下,3.4 理想流动下的管式反应器,平推流反应器的串联与单个同体积的平推流反应器效果一样，因此无串联的问题。当动力学较复杂
15、时，也可用图解计算。,3.4 理想流动下的管式反应器,对于气固催化反应，通常定义,其中W为催化剂的重量，则设计公式可写为,3.4 理想流动下的管式反应器,平推流反应器的串联、并联或并串联,平推流反应器并联：在提高生产能力的同时保持尽量平推流状态，加强传热，保持反应器径向的温度均匀。示意：显然，各个反应器出口的转化率应当相同，这意味着各个反应器中流体的停留时间应当相同。即1=2=。,3.4 理想流动下的管式反应器,3.4 理想流动下的管式反应器,3.4 理想流动下的管式反应器,3.4.3 变温连续流动管式反应器的设计计算,根据热量平衡，取一圆柱状微元体作热量衡算，在稳态下可得,其中，G为单位横截
16、面积单位时间的混合物质量，dt为管子的直径。因为,平推流管式反应器的热量衡算式,3.4 理想流动下的管式反应器,又物料衡算式为,因为,所以，物料衡算式可写为,3.4 理想流动下的管式反应器,在绝热操作下，将上式进行积分,3.4 理想流动下的管式反应器,3.4 理想流动下的管式反应器,3.4 理想流动下的管式反应器,3.4 理想流动下的管式反应器,3.4 理想流动下的管式反应器,3.5.1 反应过程浓度水平分析,3.5 反应器的性能比较,3.5.2 反应性能指标比较,反应器体积、转化率的比较,3.5 反应器的性能比较,1.反应器体积比较,3.5 反应器的性能比较,在相同的转化率下，当操作条件相同
17、时，为完成同一化学反应，不考虑间歇反应器的辅助生产时间时，,若考虑间歇反应器的辅助生产时间，则,3.5 反应器的性能比较,2.反应器转化率的比较,对于正常动力学，平推流反应器和间歇反应器的反应速度高于全混流反应器，有限个MFR串联反应器其次，所以上述反应器体积大小的关系是成立的，同时根据上述各反应器的设计公式，在体积要求一定时，,3.5 反应器的性能比较,以一级不可逆反应为例，N个釜串联时，总体积可表示为,平推流反应器的总体积为,3.5 反应器的性能比较,因此，对于正常动力学，当转化率要求相同，其它操作条件也相同时，无穷个全混流反应器串联所需的总体积相当于一个平推流反应器。,3.5 反应器的性
18、能比较,当不考虑间歇反应器的辅助操作时间时，,当考虑间歇反应器的辅助操作时间时，,如果动力学关系较为复杂，如反应速率随转化率的提高先上升后下降或先下降后上升，上述关系不一定成立，要视具体情况而定，如对于先下降后上升或先上升后下降，往往采用不同反应器的组合时总体积较小。,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5.2.2 反应收率的比较,微分选择性,反应器中反应的收率一般与反应的动力学、反应器的型式以及加料方式有关。,3.5 反应器的性能比较,（1）反
19、应动力学,3.5 反应器的性能比较,（2）反应器的型式,3.5 反应器的性能比较,（3）反应物的加料方式-1,3.5 反应器的性能比较,当要求CA、CB均高时。采用间歇反应器时，A、B同时加入到反应器中，A、B浓度均高。若采用连续操作，平推流反应器中A、B浓度均高，其次是有限个串联的全混流反应器，且体积依次增大较好。,3.5 反应器的性能比较,（3）反应物的加料方式-2,当要求CA、CB均低时。A、B同时加入到全混流反应器中，此时A、B浓度均低。若采用多级操作，则有限个串联的全混流反应器体积依次减小为好。,当要求cA低、cB高时，如图所示。采用半间歇反应器时，先在釜中加入B，然后边反应边滴加A
20、。采用平推流反应器时A分股加入反应器，采用等体积串联全混流反应器时 A也分股加入反应器，此时cAcB。若采用单个全混流反应器时，则要求反应物B过量，过量的B经分离后返回到反应器中，可保持cA低、cB高。,（3）反应物的加料方式-3,3.5 反应器的性能比较,不同型式反应器的串联操作Reactors of Different Types in Series,3.5 反应器的性能比较,在全混流反应釜的后面接一个平推流反应器，然后再接另一个全混流反应器，如上图所示，存在以下的计算关系：,其相互关系以图解型式表示在上图，该图可供推算系统的总转化率、中间阶段的转化率或已经定出各段的转化率，可利用此图求得
21、各个反应器的体积大小。,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,不同型式简单反应器组合的最优排列，一般遵循以下原则：,1、对于反应速率-浓度曲线单调上升的反应（任意n级，n0），反应器应以串联操作，若n1，反应速率-浓度曲线呈凹形时，其排列次序应满足反应物浓度尽可能高，相反若n1，其最优排列是先为平推流反应器、较小的全混流、最后是较大的全混流；而当n1，排列次序正相反。,2、对反应速率-浓度曲线出现最大或最小值的反应，装置的排列取决于实际的曲线形状，所希望达到的转化率和装置的效率，没有简单的原则可以遵循。,3.5 反应器的性能比较,Solution,3.5 反应器的性能比较,3.5
22、 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,Solution,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,对平推流反应器作物料恒算得：,3.5 反应器的性能比较,带循环的平推流反应器计算,带循环的平推流反应器计算,结论可以推广到多管循环的情况,带循环的平推流反应器计算,表征循环反应器性能的物理量-循环比,=0，为平推流反应器；=，相当于全混流反应器它可以使平推流反应器调整到具有不同返混程度的混合流动,带循环的平推流反应器计算,带循环的平推流反应器计算,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,3.5 反应器的性能比较,本章回顾-1,等温间歇釜式反应器的设计计算。P12 连续釜式反应器的设计计算。空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。连续釜式反应器的串联和并联。P38 釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和 加料方式的选择。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。,本章回顾-2,等温连续管式反应器设计方程的设计计算。P45 管式和釜式反应器的对比。变温连续管式反应器的分析与计算。P47 反应器的性能比较。P49,重要公式,本章习题,P573.1 3.2 3.3 3.5 3.6 3.7 3.9 3.10,本章习题课,
