化學(xué)反應(yīng)工程多媒體教程--理想反應(yīng)器(第三章)

1、理想反應(yīng)器的三種基本形式理想反應(yīng)器的三種基本形式間歇反應(yīng)器 (Batch reactor)活塞流反應(yīng)器 (Plug flow reactor PFRs)全混流反應(yīng)器 (Continuous stirred tank reactors CSTRs)本章內(nèi)容本章內(nèi)容如何根據(jù)反應(yīng)的特點和反應(yīng)器的特性對反應(yīng)器進(jìn)行選型討論三種理想反應(yīng)器的設(shè)計方法 組合方式復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)等溫反應(yīng)器設(shè)計中的收率 選擇性 操作方式最佳化全混流反應(yīng)器熱穩(wěn)定性的重要意義和判斷熱穩(wěn)定性條件的方法反應(yīng)器開發(fā)的三個任務(wù)選擇合適的反應(yīng)器型式結(jié)合動力學(xué)特性和確定操作方式和優(yōu)化操作條件根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應(yīng)裝置進(jìn)行設(shè)計計算 確定反應(yīng)器幾何尺寸反

2、應(yīng)器特性反應(yīng)器特性幾何結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)件幾何尺寸幾何尺寸流動狀態(tài)混合狀態(tài)傳熱性能流體濃度分布（不同濃度下反應(yīng)）濃度分布（不同濃度下反應(yīng)）溫度分布（不同溫度下反應(yīng)）溫度分布（不同溫度下反應(yīng)）流速分布（不同微團(tuán)的混合）流速分布（不同微團(tuán)的混合）理想反應(yīng)器特性理想反應(yīng)器特性理想混合反應(yīng)器特性返混無窮大，完全混合，混合瞬間完成，器內(nèi)物料具有完全相同的溫度和濃度，且等于反應(yīng)器出口的溫度和濃度。如：攪拌良好的釜式反應(yīng)器。平推流反應(yīng)器特性器內(nèi)物料以相同的速率和一致的方向進(jìn)行移動、返混為0，所有物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。如：長徑比較大、流速較高的管式反應(yīng)器。Return3.1 反應(yīng)器設(shè)計的基本方

3、法反應(yīng)器設(shè)計的基本方法經(jīng)驗設(shè)計法數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法基礎(chǔ)-描述化學(xué)過程本質(zhì)的動力學(xué)模型和反映傳遞過程特性的傳遞模型基本方法-以實驗事實為依據(jù) 建立上述模型 結(jié)合一定的求解具體的數(shù)學(xué)模型包括參數(shù)計算式 反應(yīng)器的設(shè)計就是上述方程聯(lián)立求解的過程邊界條件和初始條件反應(yīng)動力學(xué)方程式反應(yīng)動力學(xué)方程式均相間歇反應(yīng)的反應(yīng)速率表示式：A為反應(yīng)物，以A表示的化學(xué)反應(yīng)速率為： kmol.m-3h-1A為產(chǎn)物，以A表示的化學(xué)反應(yīng)速率為： kmol.m-3h-1單位：rA- kmol.m-3.h-1nA-kmol t-hdtdnV1)r(AAdtdnV1rAA均相反應(yīng)動力學(xué)方程表示式：AR的反應(yīng)是一個可以用冪函數(shù)方程表

4、示的n級不可逆反應(yīng) 上式對于大多數(shù)液相反應(yīng)和K=0的氣相反應(yīng)有：nAAACkdtdnV1)r(nAAACkdtdC)r(物料、熱量衡算式物料、熱量衡算式取反應(yīng)器中一個代表的單元體積單元體積列出單位時間內(nèi)物料或熱量的輸入量 輸出量 累積量。按“累積量 = 輸入量-輸出量”列衡算式對于反應(yīng)系統(tǒng)中的物料衡算對于反應(yīng)系統(tǒng)中的物料衡算以體積單元體積單元作A的物料衡算：0AAAA速度的累積反應(yīng)物消耗速度由于反應(yīng)的反應(yīng)物速度的流出反應(yīng)物速度的流入反應(yīng)物或簡寫成：（流入量）+（流出量）+（反應(yīng)消耗量）+（累積量）=0遵循物質(zhì)遵循物質(zhì)守恒定律守恒定律幾種特例：對于非定常態(tài)下操作的連續(xù)反應(yīng)器或半間歇半連續(xù)反應(yīng)器，

5、上式物料衡算式中的四項都必須保留對于定常態(tài)操作的反應(yīng)器，第四項累積量為0對于間歇反應(yīng)器，則流入、流出量為0對于反應(yīng)系統(tǒng)中的熱量衡算式對于反應(yīng)系統(tǒng)中的熱量衡算式體積單元在微分時間內(nèi)應(yīng)有下式成立 或?qū)懗?積的熱量反應(yīng)器累界交換的熱量反應(yīng)系統(tǒng)與外出的熱量隨物料流入的熱量隨物料流累積的熱量體積內(nèi)反應(yīng)器微元時間微元或熱載體的熱量體積傳遞至環(huán)境微元時間內(nèi)微元應(yīng)產(chǎn)生的熱量體積內(nèi)由于反微元時間微元料所帶走的熱量微元體積的物微元時間離開料所帶入的熱量微元體積的物微元時間進(jìn)入動量衡算式動量衡算式反應(yīng)器進(jìn)出壓差很大，以致影響反應(yīng)組分的濃度，此時需要考慮壓力對反應(yīng)速率的影響，需要對流體進(jìn)行動量衡算。一般情況下，反應(yīng)器

6、壓差不是很大，故常可不考慮動量衡算的情況。物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動力學(xué)方程式是相互依存的、緊密聯(lián)系的。微元體積內(nèi)的反應(yīng)速率取決于反應(yīng)物的濃度和溫度。反應(yīng)物濃度由物料衡算式確定，溫度由熱量衡算式確定，濃度和溫度對反應(yīng)速率的影響則由反應(yīng)動力學(xué)方程式確定。對于等溫過程，因為溫度不隨時間、空間的改變而改變，只需聯(lián)立反應(yīng)動力學(xué)方程式和物料衡算式求解。對于非等溫過程，則是上述三個方程式聯(lián)立求解，結(jié)果就給出了反應(yīng)器裝置的濃度分布和溫度分布，從而回答了反應(yīng)反應(yīng)器設(shè)計的基本問題器設(shè)計的基本問題。聯(lián)立求解的過程反應(yīng)動力學(xué)方程操作方程熱量衡算式設(shè)計方程物料衡算式反應(yīng)器的計算3.2 分批式操作的分批式操作的完全

7、混合完全混合反應(yīng)器（間歇釜式反應(yīng)器）反應(yīng)器（間歇釜式反應(yīng)器）設(shè)計間歇釜式反應(yīng)器的有關(guān)計算設(shè)計間歇釜式反應(yīng)器的有關(guān)計算間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計計算的兩種情形間歇釜式反應(yīng)器的優(yōu)化分析（本小節(jié)要求自學(xué)）間歇釜式反應(yīng)器的優(yōu)化分析（本小節(jié)要求自學(xué)）3.3 半分批式操作的完全混合反應(yīng)器半分批式操作的完全混合反應(yīng)器（本節(jié)要求自學(xué)）（本節(jié)要求自學(xué)）理想混合排除了物質(zhì)的傳遞（攪拌良好）無需考慮的反應(yīng)器內(nèi)熱量傳遞非定常態(tài)過程，CA、CR隨時間而變，化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果將唯一地由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)確定，反應(yīng)進(jìn)行的程度決定于反應(yīng)時間的長短具有周期性，一個周期包括操作（反應(yīng)）時間t，也包括輔助（非生產(chǎn)性）時間t0生產(chǎn)靈活性大間歇釜式反

8、應(yīng)器特點間歇釜式反應(yīng)器特點間歇釜式反應(yīng)器的物料衡算間歇釜式反應(yīng)器的物料衡算對整個反應(yīng)器中A組分物料進(jìn)行衡算：的累積量反應(yīng)器內(nèi)物料單位時間內(nèi)在的量物料反應(yīng)掉的單位時間的量反應(yīng)器的物料單位時間流出的量反應(yīng)器的物料單位時間進(jìn)入AAAA 0 0 (-rA）VR dtdnAdtdxndtdndtdnV)r(A0AAARAAx0RAA0AA0ARAV)r(dxntdtdxnV)r(nA0-在t=0時反應(yīng)器中物料A的摩爾數(shù)nA-在 t 時反應(yīng)器中物料A的摩爾數(shù)-rA-組分 A 在操作條件下的反應(yīng)速率（消失速率）上式是間歇反應(yīng)器計算的基本方程式，適用于任何間歇反應(yīng)過程，均相或多相，等溫或非等溫的，可以直接積分

9、求解，也可以用圖解法。間歇釜式反應(yīng)器基本方程式的算法間歇釜式反應(yīng)器基本方程式的算法圖解法若反應(yīng)前后物料的體積變化不大，可視為常數(shù)，即恒V，則：A0AAAACCAAx0AA0Ax0AAR0Ax0RAA0A)r(dCt)r(dxCt)r(dxVnV)r(dxnt（上式為間歇反應(yīng)器的設(shè)計方程）間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計方程及反應(yīng)器的設(shè)計計算間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計方程及反應(yīng)器的設(shè)計計算設(shè)計方程圖解積分如下兩圖所示：由間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計方程可知：反應(yīng)物達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間只取決于過程的反應(yīng)速率，也就是說取決于反應(yīng)動力學(xué)因素，與反應(yīng)器的大小無關(guān)。取決于反應(yīng)動力學(xué)因素，與反應(yīng)器的大小無關(guān)。反應(yīng)器的大小僅取決于

10、反應(yīng)物料的處理量。（即生產(chǎn)強(qiáng)度）設(shè)計間歇反應(yīng)器的計算：反應(yīng)時間 t由設(shè)計方程與動力學(xué)方程聯(lián)立求解，即可求得達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需時間t；有效容積：VRVR=v(t+t0)v-單位時間所需處理的物料體積（根據(jù)產(chǎn)量計算）t0-每批生產(chǎn)的輔助時間實際體積：VV=VR /-裝填系數(shù)等溫操作等溫操作間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計計算間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計計算等溫操作（動力學(xué)k為常數(shù)）可將速度方程直接代入操作方程直接積分求解t。例1：一級反應(yīng)A產(chǎn)物，單位時間需處理的物料體積為v，動力學(xué)方程為： （-rA）=kCA=kCA0(1-xA)求反應(yīng)所需時間（轉(zhuǎn)化率為xA）t及反應(yīng)器的有效容積。)tx11lnk1( v)tt ( vV

11、x11lnk1)r(kCdxC)r(dxCt0A0Rx0AA0AA0Ax0AA0AAA變溫操作變溫操作間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計計算間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計計算變溫操作（絕熱操作和變溫（非等溫非絕熱）要求反應(yīng)時間，需要對反應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算（說明一下為什么要這樣）。由于間歇反應(yīng)器任何瞬間都具有相同的溫度，可就整個反應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算：量的累積量反應(yīng)器內(nèi)熱單位時間內(nèi)的熱量反應(yīng)所放出單位時間內(nèi)應(yīng)器的熱量環(huán)境傳給反單位時間內(nèi) UA(Tm-T) (-Hr)(-rA)V dtTVCdv)( UA(Tm-T) + (-Hr)(-rA)V =dtTVCdv)(符號說明：U-總括傳熱系數(shù)（KJ/m2.h.）；A-傳熱面積(m2

12、)； Cv、-分別為反應(yīng)流體的定容比熱和密度(KJ/Kg.、Kg/m3)；Hr-反應(yīng)焓變(KJ/Kmol)； Tm-冷卻（或加熱）介質(zhì)的溫度（K）對于恒容過程：)TT(VCUAdtdxdtdTmvA（操作方程）式中： （物理意義：最大溫升）v0ArCC)H(對于恒容變溫操作的間歇反應(yīng)器的設(shè)計計算，就是聯(lián)立設(shè)計方程、操作方程及動力學(xué)方程式求解的過程。即：A0AACCAAx0AA0A)r(dC)r(dxCt)TT(VCUAdtdxdtdTmvA)C(f)T(k)r(A一般采用圖解法或數(shù)值法求解。特例：特例：絕熱操作（與外界的熱交換為零）：UA（Tm-T）=0則：(-Hr)(-rA)V = 即：初始

13、條件：t=0 T=T0 xA=xA0將上式積分得：T=T0 + (xA-xA0) （使對使對t的積分變?yōu)閱螀?shù)的積分變?yōu)閱螀?shù)）將上式代入動力學(xué)方程式，再代入設(shè)計方程即可采用圖解法或數(shù)值法求解。dtTVCdv)(dtdxdtdTA間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計計算例題間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計計算例題例題1：見P42（陳甘棠教材）例3-1-1例題2：工廠采用間歇反應(yīng)器以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在70下進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，實驗測得該反應(yīng)的速率方程式為： （-rA）=kCACB式中： （-rA）-以已二酸組分計的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1 k-反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.m

14、in-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.L-1 CA0、CB0均為0.004 kmol.L-1求：已二酸的轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5、0.6、0.8所需的反應(yīng)時間分別為多少？若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，每批操作的輔助時間為1小時，試計算確定反應(yīng)器的體積大小，裝填系數(shù)=0.75，單釜生產(chǎn)。解：求達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率所需時間：計量方程式中， A、B的初始濃度相同，則反應(yīng)動力學(xué)方程可寫為： 由于反應(yīng)為液相等溫過程，故可按恒容處理，可將已知數(shù)據(jù)代入操作方程求解：1BA2AAkC)r(AA0Ax1xkC1t 計算結(jié)果 xA=0.5 t=2.10h xA=0.6 t=3.1

15、8h xA=0.8 t=8.47h反應(yīng)器體積的計算VR=v(t+t0) FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/hv=0.685/0.004=171L/h生產(chǎn)周期=反應(yīng)時間+輔助時間=t + t0 =8.47+1=9.47h反應(yīng)有效體積： VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考慮裝填系數(shù)，則反應(yīng)器的實際體積： V=VR /=1619/0.75=2160L=2.16m300AACFv 練習(xí)題練習(xí)題 試計算轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%時，所需間歇反應(yīng)器的有效容積是多少?例題3 用攪拌良好的間歇反應(yīng)釜進(jìn)行乙酸和乙醇在鹽酸催化作用下合成乙酸乙酯的反應(yīng)，其反應(yīng)式如下： （A） （B）

16、（R） （S）反應(yīng)器內(nèi)裝有0.3785m3的水溶液，其中含有90.8kg乙酸、181.6kg乙醇，假設(shè)反應(yīng)過程物料料密度為1043kg/m3保持不變，反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)的動力學(xué)方程為： （-rA）=k1CACB k2CRCS正反應(yīng)速率常數(shù)k1=4.7610-4m3/(kmol.min)，逆反應(yīng)速率常數(shù)k2=1.6310 -4m3 /(kmol.min)，試計算反應(yīng)120 min后乙酸的轉(zhuǎn)化率是多少？OHHCOOCCHOHHCCOOHCH25231k2k523解：t=0時各物料的初始濃度：CA0=90.8/(600.3785)=4.0 kmol/m3CB0=181.6/(460.37

17、85)=10.43 kmol/m3CR0=0 kmol/m3CS0=0.37851043-(90.8+181.6)/(180.3785) =18.0kmol/m3設(shè)t=t時，A的轉(zhuǎn)化率為xA，則各物料的濃度分別為：CA=CA0（1-xA）= 4-4xACB=CB0 - CA0 xA）=10.43 - 4xACR=CR0 + CA0 xA = 4xACS=CS0 + CA0 xA =18 + 4xA代入速率方程式得：Ax0AAA02AA2AA4AA4A)(-rdxCt)x063. 0 x49. 0248. 0(108 )x418(x41063. 1)x443.10)(x1 (41076. 4)r

18、(Ax0AA2AAA291. 007. 007. 0 x126. 097. 0 x126. 0ln42. 050)x063. 0 x49. 0248. 0(dx1084 tt=120min時，xA=0.363，即有36.3%的乙酸轉(zhuǎn)化為乙酸乙酯。例題4 在間歇反應(yīng)釜中進(jìn)行下列液相一級不可逆反應(yīng)：AB，其反應(yīng)速率方程為（-rA）=kCA，反應(yīng)初始溫度為163, 求絕熱操作下，日產(chǎn)150kg（B）所需反應(yīng)器的體積。已知數(shù)據(jù)如下：163下, k=0.8h-1，反應(yīng)的活化能E=121.25kJ/mol，反應(yīng)熱：Hr=-347.5kJ/kg，A與B的定容比熱均為2.093J/kg.K，A與B的密度均為900kg/m3，A的最終轉(zhuǎn)化率xAf=0.97，非生產(chǎn)性操作時間為1h。解：絕熱操作時有:T=T0+(xA-xA0)xA0=0所以，T=T0+xA= T0+ = = (273+163) -Av0ArxcCHAv0Ar0 xcCHTRvAR0AVcxVC5 .347T= 436+166xAT= 436+166xA （操作方程） （1） （設(shè)計方程） （2）-rA=kCA0(1-xA) （動力學(xué)方程） （3）式中k是溫度的函數(shù)，與溫度的關(guān)系式可用下式表