第八章均相反應(yīng)過程

1、化工過程化工過程：一個(gè)特定的化工產(chǎn)品：一個(gè)特定的化工產(chǎn)品, ,從原料到產(chǎn)從原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。品的生產(chǎn)過程。原料原料預(yù)處理預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)后處理后處理產(chǎn)品產(chǎn)品化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)這一步是化工過程的這一步是化工過程的核心核心，起著，起著主導(dǎo)作主導(dǎo)作用用，它的要求和結(jié)果決定著預(yù)處理的程度和后處，它的要求和結(jié)果決定著預(yù)處理的程度和后處理的難度。理的難度。化學(xué)反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)器是用于化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，是化工企是用于化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，是化工企業(yè)的關(guān)鍵裝置。業(yè)的關(guān)鍵裝置。對反應(yīng)器的要求對反應(yīng)器的要求1反應(yīng)器反應(yīng)器要有足要有足夠的體夠的體積積2 反應(yīng)器反應(yīng)器 要有適要有適 宜的結(jié)宜的結(jié) 構(gòu)構(gòu)4 反應(yīng)器反應(yīng)器

2、要有足要有足 夠的機(jī)夠的機(jī) 械強(qiáng)度械強(qiáng)度 和耐腐和耐腐 蝕能力蝕能力3 反應(yīng)器反應(yīng)器 要有足要有足 夠的傳夠的傳 熱面積熱面積5反應(yīng)器要反應(yīng)器要 易操作易操作 易制造易制造 易安裝易安裝 易維修易維修00進(jìn)料進(jìn)料出料出料反應(yīng)釜反應(yīng)釜出料出料進(jìn)料進(jìn)料管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器氣體氣體氣體氣體液體液體液體液體鼓泡塔鼓泡塔氣體氣體氣體氣體固定床固定床回轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)器回轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)器(蒸氣煅燒爐蒸氣煅燒爐)回轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)器回轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)器噴嘴式反應(yīng)器噴嘴式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器換熱裝置換熱裝置管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)主要用于氣固相反應(yīng)主要用于氣固相反應(yīng)由一根或多根管子串聯(lián)或由一根或多根管子串聯(lián)或并聯(lián)

3、構(gòu)成的反應(yīng)器，長度并聯(lián)構(gòu)成的反應(yīng)器，長度與直徑之比一般大于與直徑之比一般大于。 蒸 汽 原 料 調(diào) 節(jié) 閥 催 化 劑 補(bǔ) 充 水 產(chǎn) 物 固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器 停留時(shí)間不同的流體顆粒之間的混合稱為返混。停留時(shí)間不同的流體顆粒之間的混合稱為返混。u反應(yīng)物料一次加入；反應(yīng)物料一次加入；u充分?jǐn)嚢瑁麄€(gè)反應(yīng)器內(nèi)物料的充分?jǐn)嚢?，整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度保持均勻；濃度和溫度保持均勻；u常配有夾套或蛇管，以控制反應(yīng)常配有夾套或蛇管，以控制反應(yīng)溫度；溫度；u間歇反應(yīng)器操作的一個(gè)生產(chǎn)周期間歇反應(yīng)器操作的一個(gè)生產(chǎn)周期包括加料、反應(yīng)、出料、清洗；包括加料、反應(yīng)、出料、清洗；u由于

4、劇烈攪拌，物料達(dá)到分子尺度上的均勻，且由于劇烈攪拌，物料達(dá)到分子尺度上的均勻，且濃度、溫度處處相等并隨時(shí)間變化。濃度、溫度處處相等并隨時(shí)間變化。,0, tAA fcc 對間歇操作的釜式反應(yīng)器進(jìn)行對間歇操作的釜式反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算物料衡算：輸入的物料量輸入的物料量= =輸出的物料量輸出的物料量+ +反應(yīng)掉的物料量反應(yīng)掉的物料量+ +物料的積累量物料的積累量1.反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算qVcA0 qn.A.0 xA,0=0VRcA, xAqvcAf = cAqn.A.fxAf =xAAArV反應(yīng)物 消耗量左邊反應(yīng)物體積時(shí)間 反應(yīng)物體積dtdxndtxnddtdnAAAAA00)1(右右邊邊0A

5、AAdxr Vndt對于著眼組分對于著眼組分A A：單位時(shí)間內(nèi)由于反應(yīng)而消耗的單位時(shí)間內(nèi)由于反應(yīng)而消耗的A A物料量物料量 = -= -單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)A A物料的積累量物料的積累量00AxAAAdxtnr V間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器基本方程式基本方程式AAAAAAdxcdcxcc00),1(又又0AAcAcAdctr 0000AAxxAAAAAAndxdxtcVrr對于對于定容過程定容過程：xAxA 1/rA1/rA面積面積=t/nA0面積面積=t/cA0面積面積=t000cAcA0000tttt - cAt - xAt - rACAxArACA0 xA =11ArV 1/rA xA0 xA

6、00 cA cA0 cA 1/rA面積面積=VR/qnA0=t/cA0面積面積= t =VR/qV0對于不能表達(dá)成簡單整數(shù)級的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，可采用作圖法求解。對于不能表達(dá)成簡單整數(shù)級的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，可采用作圖法求解。000AAACxAAACAAdCdxtcrrA,0Alncktc AA,011ktccA1ln1ktx AA,0A(1)xktcx 裝料完畢開始反裝料完畢開始反應(yīng)算起到達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)應(yīng)算起到達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間）間）(計(jì)算關(guān)鍵計(jì)算關(guān)鍵)裝料、卸料、清洗等裝料、卸料、清洗等所需時(shí)間之和）所需時(shí)間之和）(經(jīng)驗(yàn)給定經(jīng)驗(yàn)給定)RTVV AA,0A(1)xktcx 0

7、A,0ncV 醋醋酸酸，30.0625mmV 醋醋酸酸醋醋酸酸醋醋酸酸30.496mmV 正正丁丁醇醇正正丁丁醇醇正正丁丁醇醇3,031kmol1.79kmol /m(0.06250.496)mAc AA,0A0.535h(1)xtkcx 1146kg kmol AA,0A(1)xtkcx 反反應(yīng)應(yīng)為為二二級級反反應(yīng)應(yīng)：RTVV 1110.685 kmol h171 L h0.004 kmol L 每每小小時(shí)時(shí)處處理理物物料料平平均均體體積積：3T1.6192.16 m0.75V 2400kg1d 2410.685 kmol h 3R171 (8.471)1619 L1.619 mV cA.0

8、 xA.0=0 qn.A.0 qV qn.A. xA.cA.fqn.A.fxA.fqVdldxA.qn.A.+dqn.AxA+dxAxAl二、反應(yīng)器容積的計(jì)算二、反應(yīng)器容積的計(jì)算定態(tài)操作時(shí)，對關(guān)鍵組分定態(tài)操作時(shí)，對關(guān)鍵組分A進(jìn)行進(jìn)行物料衡算物料衡算:單位時(shí)間內(nèi)物料單位時(shí)間內(nèi)物料A的的進(jìn)入量進(jìn)入量(qn,A ) =單位時(shí)間內(nèi)物料單位時(shí)間內(nèi)物料A的的引引出量出量(qn,A+dqn,A )+單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)掉反應(yīng)掉的的A的量的量(rAdVR)+累累積量積量(連續(xù)操作條件下為連續(xù)操作條件下為0 ),n An An AARqqdqr dV即：, 0, 0, 0(1)n AARn An AAn A

9、An AAARdqrdVdqd qxqdxqdxrdV 00, 00, 0RAfAfVxRAn AAxRAn AAdVdxqrVdxqrAfARRARxxVVxV,; 0, 0當(dāng)當(dāng)對整個(gè)反應(yīng)器，其對整個(gè)反應(yīng)器，其邊界條件為：邊界條件為：0, 000000AfAfAn AVAxcRAAAcVAAqqcVdxdccqrr 空間時(shí)間空間時(shí)間t：反應(yīng)器的有效容積與進(jìn)口處的體：反應(yīng)器的有效容積與進(jìn)口處的體 積流量之比。積流量之比。若反應(yīng)過程中流體體積流量不發(fā)生變化若反應(yīng)過程中流體體積流量不發(fā)生變化活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器基本計(jì)算式基本計(jì)算式注注：理想管式反應(yīng)器中簡單級數(shù)：理想管式反應(yīng)器中簡單級數(shù)的反應(yīng)表

10、達(dá)式與間歇釜式反應(yīng)器的反應(yīng)表達(dá)式與間歇釜式反應(yīng)器的結(jié)果完全一樣的結(jié)果完全一樣 t RVVtq反反應(yīng)應(yīng)器器有有效效容容積積反反應(yīng)應(yīng)器器中中物物料料體體積積流流量量R0VVtq，反反應(yīng)應(yīng)器器有有效效容容積積進(jìn)進(jìn)口口處處物物料料體體積積流流量量 RVVq tA,0Alncktc A1ln1ktx AA,011ktccAA,0A(1)xktcx AA,0A(1)xtkcx 反反應(yīng)應(yīng)時(shí)時(shí)間間：0.88.46 h0.1182 4 (10.8) 112400kg 0.685kmol h24h 146kg kmol ：13130.685 kmol h0.171 mh4 kmol m 3R0.171 (8.46

11、1)1.619 mV AA,0A8.46 h(1)xtkcx 31132400kg0.171mh24h 146kg kmol4kmol mVq 3R0.171 8.461.45mV 3T1.619 0.752.16 mV 全混流全混流 特點(diǎn)特點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)處處均勻，且反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)處處均勻，且等于流出物料的參數(shù)；等于流出物料的參數(shù)；但物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中停留的時(shí)間但物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中停留的時(shí)間各不相同，即形成停留時(shí)間分布；各不相同，即形成停留時(shí)間分布； 物料連續(xù)地流入和流出反應(yīng)器，操物料連續(xù)地流入和流出反應(yīng)器，操作為定態(tài)過程。作為定態(tài)過程。是指連續(xù)穩(wěn)定流入反應(yīng)器的物料在強(qiáng)烈的攪拌下是

12、指連續(xù)穩(wěn)定流入反應(yīng)器的物料在強(qiáng)烈的攪拌下與反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混合，又稱理想混與反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混合，又稱理想混合流。合流。在等溫、定態(tài)條件下對全混流反應(yīng)器中反應(yīng)物在等溫、定態(tài)條件下對全混流反應(yīng)器中反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算：進(jìn)行物料衡算：設(shè)反應(yīng)過程中，物料體積不變設(shè)反應(yīng)過程中，物料體積不變進(jìn)入量進(jìn)入量= =引出量引出量+ +反應(yīng)量反應(yīng)量+ +累積量累積量0000()VAVAARVAAARVAAARqcqcr Vqccr Vqcxr V即：或：00:AARVAAARVAccVtqrcxVortqr整理得t為停留時(shí)間為停留時(shí)間，由于物料微粒在反應(yīng)器中停留時(shí)間不等，由于物料微粒在反應(yīng)器中

13、停留時(shí)間不等，故，故t應(yīng)稱為應(yīng)稱為平均停留時(shí)間。平均停留時(shí)間。AAAnRAVRArxqVCqVCt0,00可以推導(dǎo)出：1/rA1/rAxAxAf0cAcA00面積面積=t/cA0面積面積=VR/qV = t物料出口情況物料出口情況cAA,0AA,0ARAAVcccxVtqrr A,0AAccktc AA1xktx A2A,0A(1)xktcx A,0A2Accktc 與間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器比較，為完成同樣與間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器比較，為完成同樣的反應(yīng)任務(wù)的反應(yīng)任務(wù)(即流量相等，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相等即流量相等，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相等)，全，全混流反應(yīng)器所需的空間時(shí)間混流反應(yīng)器所需的空間時(shí)

14、間遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于間歇釜式反應(yīng)器和間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器所對應(yīng)的時(shí)間。平推流反應(yīng)器所對應(yīng)的時(shí)間。RVVtq 31132400kg0.171mh24h 146kg kmol4kmol m Vq A2A,0A(1)xtkcx 31AR221132A,0A30.171mh0.8(1)0.1182mkmolh4kmol m(0.2) 7.234mVq xVkcx R,A,0A,A,1A,1A,A,A,()iiiiiiViiVcxxcctqrr qnA1cA,1xA,1qnA2cA,2xA,2qnA3cA,3xA,3VR,1VR,2VR,3123qnA0cA,0 xA,0=0VR,NNqnANcA,N

15、xA,NR,1A,0A,1A,01A,11A,11 1 1VVccctcqk ck t 第第一一釜釜：A,1A,0A,22 21 12 21 (1)(1)ccck tk tk t 第第二二釜釜：A,0A,11(1)(1) NNNNiicNcxktkt 第第 釜釜： 0 xAxA,1xA,2xA,3P3P2P1rA多釜串聯(lián)反應(yīng)器圖解法多釜串聯(lián)反應(yīng)器圖解法MNPAP 速率方程：速率方程：rA=kcAcP 開始時(shí)：開始時(shí)：cA濃度很大，但濃度很大，但cP小，小，故故rA不大；不大； 后期時(shí)：后期時(shí)：cP濃度很大，但濃度很大，但cA小，小，故故rA也不高；也不高； rA存在一極大值存在一極大值對于自催化反應(yīng)，對于自催化反應(yīng)，CSTR在反應(yīng)過程中濃度和在反應(yīng)過程中濃度和溫度不隨時(shí)間而變化的特性可使反應(yīng)始終溫度不隨時(shí)間而變化的特性可使反應(yīng)始終在最大的反應(yīng)速率下進(jìn)行。如達(dá)不到最終在最大的反應(yīng)速率下進(jìn)行。如達(dá)不到最終轉(zhuǎn)化率要求，可在轉(zhuǎn)化率要求，可在CSTR后再串聯(lián)后再串聯(lián)PFR，從，從而用而用最少的反應(yīng)時(shí)間