反应工程课件第三章(1).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 釜式及均相管式反应器,3.1,间歇釜式反应器,3.2,连续流动均相管式反应器,3.3,连续流动釜式反应器,3.4,理想流动反应器的组合和比较,3.5,多重反应的选择率,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,平推流反应器,全混流反应器,连续流动反应器,间 歇 反 应 器,完全没有返混,返混极大,返混,间歇反应器,(BSTR),平推流反应器,(PFR),全混流反应器,(CSTR),投料,一次加料,(,起始,),连续加料,(,入口,),连续加料,(,入口,),年龄,年龄相同,(,某时,),年龄相同,(,某处,),年龄不同,寿命,寿命相同,(,中止,),寿命相同,(,出口,),寿命不同,(,出口,),返混,全无返混,全无返混,返混极大,3.1,间歇釜式反应器,3.1.1,釜式反应器的特征,釜式或槽式反应器都设置搅拌装置，典型的搅拌盖式反应器的结构如图,3-1,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物系在间歇状态下操作。,1),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。,其特点为：,（,1,）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，可排除物质传递对反应过程的影响；,（,2,）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；,（,3,）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。,（,4,）过程为间歇操作，有辅助时间。,(5),反应器为非稳态，温度、浓度随时间改变。,优点,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、反应时间较长等产品生产，特别是,精细化工,与生物化工产品的生产。,缺点,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。,2,）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 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。,3,）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,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进行物料衡算。,流入量,流出量,反应量,累积量,=,+,+,0,间歇操作中流人量和流出量都等于零。,反应量,累积量,=,+,0,若,V,为液相反应混合物的体积，因而对反应组分,A,的物料衡算式可写成,积分,达到一定反应率所需反应时间的计算式。,若反应过程中不发生体积变化，即等容过程。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时间,t,与辅助时间,t,t,包括加料、调温、卸料、清洗等时间。,间歇反应器的反应体积,V,R,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，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,A,浓度,C,A,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分或图解法。,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,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,(2),反应浓度,(1)K,值,影响因素,k,增大,(,温度升高）,t,减少,反应体积减小,零级反应：,t,与初浓度,C,A0,正比,一级反应：,t,与初浓度,C,A0,无关,二级反应：,t,与初浓度,C,A0,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,为使反应时间计算正确，重要的是保证反应后期动力学的准确、可靠，因此要密切注意反应后期的反应机理是否发生变化，即要重视反应过程末期动力学的研究。,3.1.3,间歇釜式反应器的工程放大及操作优化,1,）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。,2),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，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最大值。,对于反应,AR,，若要求产物,R,的浓度为,C,R,，则单位操作时间的产品产量,P,R,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,-,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为,a,，辅助操作费用为,a,0,，而固定费用为,a,f,则单位质量产品的单费用为：,为了使,A,T,最小，采用函数求极值的方法,3),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离的组分,A,的残余浓度尽可能低，也为了缩短反应时间，常采用反应物,B,过量的操作方法。定义配料比,m=C,BO,/C,AO,于是,等容液相反应过程中组分,B,的浓度,以反应时间,C,B0,kt,为纵坐标，转化率,X,A,为横坐标，配料比,m,为主变量绘图。,当要求,A,的转化率较高时，配料比的影响更加明显，提高配料比可缩短反应时间，而需付出的代价是,:,降低反应器的容积利用率,;,增加组分,B,的回收费用，所以这也是一个需优化的参数。,当配料比,m,大到,B,在反应中的消耗可以忽略 时，上述动力学方程可写为,r,A,=Kc,B0,c,A,=k,1,C,A,。,此时，该二级反应可视同为一级反应。即使,m,不是很大，在反应末期也可能发生这种反应级数的转变。,例如,:,当,c,A0,=1,C,B0,=1.3,时，在反应初期，,A,和,B,浓度接近，表现出二级反应的特征,;,而当,A,的转化率为,O.9,时，,c,Ao,=0.l,，,C,B0,=0.4,，此 时配料比为,4,，组分,B,过量甚多，其动力学特征接 近一级反应。,4,）反应温度,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。例如间歇釜式反应器中的硝化反应，在反应前期，温度为,4045,；反应中期，温度为,60,；而且应后期，温度调高为,70,。,但应注意，对于液相反应，液相组分的性质随温度而变，例如：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；反应温度增大，可能使某些反应组分腐蚀性加强；对于多重反应，反应温度增高，会使某些副反应加剧。,思考题,1,：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,12000kg,，其化学反应式为,原料中反应组分的质量比为,A,：,B,：,S=1,：,2,：,1.35,，反应液的密度为,1020kg/m,3,，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,1h,。反应在,100,下等温操作，其反应速率方程为,100,时，,k=4.76,10,-4,L/,（,mol,min,），平衡常数,K=2.92,。,试计算乙酸转化,35%,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,0.75,，则反应器的实际体积是多少？,由于原料液中乙酸,:,乙醇,:,水,=1:2:1.35,，当乙酸为,1kg,时，加入的总原料为,1+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,解：首先计算原料处理量,V,0,，,根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为,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。,代入速率方程，整理后得,通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为,式中,代入到基本公式中,得：,t=118.8min,实际反应器体积：,12.38m,3,/0.75,16.51m,3,3.2,连续流动均相管式反应器,3.2.1,均相管式反应器的特征,在连续管式反应器中，沿着与物料流动方向垂直的径向截面上总是呈现不均匀速度分布，在流速较大的湍流状态时，虽然速度分布较均匀，但在边界层中速度仍然因壁面的阻滞而减慢，造成了径向速度分布的不均匀性，使径向和轴向都存在一定程度的混合，这种速度分布的不均匀性和径向、轴向的混合给反应器的设计计算带来许多困难，为此，人们设想了一种理想流动，即平推流。,1),平推流反应器的概念,亦称,活塞流,模型或,理想置换,模型。是一种返混量为零的理想流动模型，它假设反应物料以稳定流量流人反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动。,A,、沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化。,B,、垂直于物料流动方向的任一截面（又称径向平面）上物料的所有参数，如浓度、温度、压力、流速都相同。,C,、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。,长径比很大，流速较高的管式反应器中的流体流动可视为平推流,。,2),平推流的特征,根据平推流反应器的特点，应取反应器内一微元体积,dV,R,进行物料衡算。在微元体积内的反应物料的浓度、温度均匀一致。,流入量,=,流出量,+,反应量,+,累积量,累积量,=0,3.2.2,平推流反应器的计算,流入量,=,流出量,+,反应量,1,）,平推流反应器的体积,化简，得,则达到一定转化率,x,Af,所需的反应体积为,:,注意：第一，反应是等温还是变温，等温反应时,k,为常数，变温反应时要结合热量衡算式建立,k,与,x,A,的关系；第二，反应过程中有无分子数变化，如为变分子反应，需建立反应物体积流量,V,与,x,A,的关系。,对于平推流反应器进行某种等容过程，其停留时间,t,为,:,2,）等温平推流反应器的计算,（,1,）反应过程中无体积变化,以,n,级不可逆反应为例,（,2,）反应过程中有体积变化,以,n,级不可逆反应为例,（,3),热量衡算,平推流反应器中取一个体积为,dV,R,的微元进行热量衡算。,带入的热焓,流出的热焓,反应热,热量的累积,传向环境的热量,稳态、等温条件下：,带入的热焓,=,流出的热焓,热量的累积,=0,反应热,传向环境的热量,0,3,）变温平推流反应器的计算,（,1,）一般情况,（,2),对于绝热反应,绝热温升或绝热温降,思考题题,2,：用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯,12000kg,，其化学反应式为,原料中反应组分的质量比为,A:B:S=1:2:1.35,，反应液的密度为,1020kg/m,3,，并假定在反应过程中不变。反应在,100,下等温操作，其反应速率方程为,已知,100,时，,k=4.7610,-4,L/,（,molmin,），平衡常数,K=2.92,。试计算乙酸转化,35%,时所需的反应体积。,解答,：,由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等容过程。等容下活塞流反应器的空时与条件相同的间歇反应器反应时间相等，已求出达到题给要求所需的反应时间为,t=118.8min,。,改用活塞流反应器连续操作，如要达到同转化率，要求应使空时,=t=118.8min,。原料处理理为,V,0,=4.155m,3,/h,因此，反应体积,V,R,=4.155,(118.8/60)=8.227 m,3,3.3,连续流动釜式反应器,全混流反应器是另一类在工业生产中广泛使用的连续流动反应器，化工中常用的连续流动搅拌釜式反应器可视为全混流反应器。反应物料连续加人反应器，釜内物料连续排出反应器。由于是连续操作，不存在间歇操作中的辅助时间问题。在定态操作中，容易实现自动控制，操作简单，节省人力，易于控制，产品质量稳定，可用于产量大的产品生产过程。,1,）全混流反应器的概念,亦称理想混合模型或连续搅拌糟式反应器模型。是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。,它假定反应物料以稳定流量流人反应器，在反应器中，刚进人反应器的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。,图,3.1-6,全混流反应器,2,）全混流反应器的特点,A,、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。,B,、物料质点在反应器中的停留时间不相等，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。,返混极大,。,全混流反应器的反应速率即由釜内的浓度和温度所决定。,化简，得,流入量,=,流出量,+,反应量,3.3.1,全混流反应器的计算,流入量,=,流出量,+,反应量,+,累积量,按出口浓度计算的反应速率。,当反应器进口物料中已含反应产物,全混流反应器,的图解,计算,思考题：用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯,12000kg,，其化学反应式为,原料中反应组分的质量比为,A:B:S=1:2:1.35,，反应液的密度为,1020kg/m,3,，并假定在反应过程中不变。反应在,100,下等温操作，其反应速率方程为,已知,100,时，,k=4.7610,-4,L/,（,molmin,），平衡常数,K=2.92,。试计算乙酸转化,35%,时所需的反应体积。,通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为,由于原料液中乙酸,:,乙醇,:,水,=1:2:1.35,，当乙酸为,1kg,时，加入的总原料为,1+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,首先计算原料处理量,V,0,根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为,其次计算原料液的起始组成。,将题给的速率方程变换成转化率的函数。因为,代入速率方程，整理后得,式中,思考题中三种反应器体积比较,BSTR,：,V,R,12.68m,3,(,实际体积为,16.51m,3,）,PFR,：,V,R,8.227m,3,CSTR,：,V,R,14.68m,3,返混：不同年龄粒子之间的混合,返混的基本效应：反应物浓度的下降和生成物浓度的上升。,上述效应相应地会在反应速率的大小上体现出来。,对于其速率随着反应物浓度增加而增加的反应过程，返混的效果是降低了反应速率,某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比与,70,用间歇反应器并以硫酸作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验得出的反应动力学方程为：,1),若每天处理,2400,己二酸,(146),，每批操作辅助时间,1h,，反应器装填系数为,0.75,求转化率分别为,XA=0.8,，,O.9,时的反应体积。,2),反应,PFR,中进行,求转化率分别为,XA=0.8,，,O.9,时的反应体积,?,3),采用,CSTR,，求转化率分别为,XA=0.8,，,O.9,时的反应体积？,1,）,2,）平推流反应器,3,）全混流反应器,三种反应器体积比较,反应器有效容积,平推流反应器,间歇釜反应器,全混流反应器,转化率,0.8,1.45,2.17,7.24,转化率,0.9,3.25,4.56,32.6,这是由于全混流反应器的返混造成反应速率下降所致。,当转化率增加时，所需反应体积迅速增加，尤其全混,流反应器增加,4.5,倍。应从技术经济角度研究选择多大,出口转化率为最佳，不能无限制地追求高转化率。,思考题,4:,在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，出口转化率为,0.7,，现将该反应移到一个等体积的平推流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少,?,反应器的推动力是由反应器内反应物浓度差产生的,3.3.2,多级全混流反应器的串联及优化,A,、平推流反应器的推动力随反应器的轴向长度逐渐降低；,B,、全混流反应器的推动力等于反应器出口处的推动力；,C,、在反应器进出口条件相同的情况下，间歇反应器与平推流反应器的推动力相同，前者随时间变化，后者随空间位置变化；,D,、在反应器进出口条件相同的情况下，间歇反应器与平推流反应器的推动力均大于全混流反应器的推动力；,1,）多级平推流反应器的串联及并联,（,1,）串连,V,R,V,0,C,A0,T,0,C,Af,T,f,V,R1,V,R2,C,Af,T,f,V,0,C,A0,T,0,V,R,=V,R1,+V,R2,（,2),并联,V,R,V,0,C,A0,T,0,C,Af,T,f,V,R1,V,R2,V,0,C,A0,T,0,C,Af,T,f,2),多级全混流反应器串联的浓度特征,平推流反应器的反应推动力比全混流反应器的反应推动力大得多，平推流反应器的反应速率沿物料流动方向由一个由高到低的变化过程，全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物料浓度的低速率状态。,为此，为了降低返混影响的程度，提高全混流反应过程的推动力，常采用多级全混流反应器串联措施。,图,3.3-1,多釜串联的全混流反应器,(),级数越多，过程就越接近平推流反应器。,(),对多级全混流反应器每一级内浓度是均匀的。等于该级的出口浓度，而各级之间浓度是不同的。,结论,3),多级全混流反应器串联的解析计算,(1,）各,釜的,物料衡算,条件：各釜定态操作、等温；反应过程中体积不发生变化。,衡算范围：第,i,釜,衡算对象：反应物组分,A,。,衡算基准：单位时间。,流入量,=,流出量,+,反应消耗量,流入量,=,流出量,+,反应消耗量,只要动力学关系已知，就可以逐级计算确定各参数,化简,(2,）对于一级不可逆反应,工业生产上，多级全混流反应器串联时，常将各级体积做成相等，以便设备制造。,讨论：,A,、级数越多，最终转化率越高；,B,、在处理量一定时，各级反应体积越大，最终,转化率也越高。,图解法适用于给定转化率和处理量后选定釜的个数和釜的体积。用这种方法可以省去试差的麻烦。应该说明的是这种方法仅适用反应速率最终可以用单一组分表达的反应。,图解步骤：,(1,）根据实验数据,(,动力学方程,),，做操作温度下的,r,A,C,A,(,或,x,A,),关系曲线图,1,。,(2,）在图,1,上作相应温度下第,i,釜的,r,Ai,C,Ai,操作线：,4),多级全混流反应器串联的图解计算,(,3,）从,C,A0,点出发作斜率为 的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第一釜的出口浓度,C,A1,，交点的纵座标第一釜的反应速率,r,A1,。,(4,）从,C,A1,点出发作斜率为 的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第二釜的出口浓度,C,A2,，交点的纵座标第一釜的反应速率,r,A2,。,(5,）这样一直作到要求达到的出口浓度，有几个梯级就表示需要几个釜串联使用。,说明,（,1,）若各釜体积相同，则图上各操作线平行。若各釜体积不同，图上各操作线的斜率也不同。,(2),若各釜反应温度相同，则公用一条动力学曲线，若各釜,反应温度不同，则需要作出不同温度下的动力学曲线。,(3),对于多釜串联，若追求整体反应器体积最小，应增加反应器的个数，但反应器体积最小是有限的，即使反应釜的个数趋于无穷，反应釜的总体积最小为速率倒数曲线、起始浓度、最终浓度、和横座标围成的面积（见下图中绿影部分）与进料体积流量的乘积。,5),多级全混流反应器串联的优化,(1),一级不可逆反应,条件：,m,级全混流反应器串联；各釜温度相同。,由此可见多级串联的全混流反应器中进行一级不可逆反应时，各级体积相同时总反应体积最小,(2,）二级不可逆反应,分析,