反应器设计和优化.pptx

,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,#,项目,2,反应器设计和优化,教学目标,专业能力目标,知识目标,方法能力目标,社会能力目标,工作任务,反应器内流体的流动特征,主要指反应器内反应流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。,反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即,返混,。,这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。所以，,研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的基础。流动模型是对反应器中流体流动与返混状态的描述。,一般将流动模型分为两大类型，即,理想流动模型和非理想流动模型,。非理想流动模型是关于实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。,一、反应器流动模型,在反应器内，由于物料流动状态的差异会造成器内出现浓度、温度及停留时间分布，从而对产品的产量和质量有显著的影响。在化学工业中，处理的物料多数情况下为流体，流体在反应器中的流动混和状况和流动模型对化学反应具有重要影响。所谓的,模型,，是经过合理简化的某个过程的本质规律。,流动模型,，是指流体流经反应器时实际流动和混合的状况进行合理简化后，就其本质规律提出的物理图象，并以数学语言加以描述。从下面的内容中可得到进一步理解。,任务,1,间歇操作釜式反应器设计,(,一）理想流动模型,根据反应器内流体的流动状况，可建立两种理想流动模型,:,理想置换流动模型和理想混合流动模型。,1.,理想置换流动模型,含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。,与流动方向相垂直,的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的。,特点：,在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。,所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。,反应器内浓度变化,长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。,2.,理想混合流动模型,含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。,反应器内物料质点返混程度为无穷大。,特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。,反应器内浓度变化,搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为理想混合流动。,3.,返混及其对反应过程的影响,返混含义：,专指,不同时刻,进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。,间歇反应器中不存在返混,理想置换反应器不存在返混,理想混合反应器返混达到极限状态,非理想流动反应器存在不同程度的返混,返混对反应过程的影响,返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。,返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。但是，这种浓度分布的改变对反应的利弊取决于反应过程的浓度效应。,返混是连续反应器中的一个重要工程因素，任何过程在连续化时，必须充分考虑这个因素的影响，否则不但不能强化生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。,返混对反应器的意义,对反应过程产生不同程度的影响,在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当注意有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。,在工程放大中产生的问题,由于,放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度的变化,，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混状况作为一项重要特征加以考虑。,降低返混程度的措施,降低返混程度的主要措施是,分割，通常有横向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。,连续操作的搅拌釜式反应器,为减少返混，工业上常采用,多釜串联,的操作。当串联釜数足够多时，连续多釜串联的操作性能就很接近理想置换反应器的性能。,(,横向纵向？,),流化床,由于气泡运动造成气相和固相都存在严重的返混。为了限制返混，对高径比较大的，常在其内部装置,横向挡板,以减少返混；而对高径比较小的流化床反应器，则可设置,垂直管,作为内部构件（横向纵向？）,气液鼓泡反应器,由于气泡搅动所造成的液体反向流动，形成很大的液相循环流量。因此，其液相流动十分接近于理想混合。,放置填料,设置多孔多层横向挡板，把床层分成若干级,设置垂直管,（二）非理想流动,理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。,对于所有偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。,实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因,滞留区的存在,存在沟流与短路,循环流,流体流速分布不均匀,扩散,上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流动系统可能全部存在，也可能是其中的几种，甚至有其它的原因。,理想流动反应器的分类和应用,分类,理想混合流反应器,理想平推流反应器,应用,实际生产中，连续操作釜式反应器可以近似看作是理想混合流，连续操作管式反应器可以近似看作是理想平推流。,理想流动模型分为两种类型，即,_,和,_,返混专指,_,进入反应器的物料之间的混合,说明下列反应器中的返混情况：,间歇反应器中返混为,_,理想置换反应器返混为,_,理想混合反应器返混为,_,非理想流动反应器返混为,_,返混带来的最大影响是,_,返混对反应来说是有害的，必须采取各种措施进行抑制。,降低返混程度的主要措施是,_,，通常有,_,和,_,两种，其中重要的是,_,。,连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用,_,的操作,练 习,二、均相反应动力学基础,宏观反应速率：受到传递影响化学反应过程的速率。,本征反应速率：消除传递影响后化学反应所能达到的最大速率。,宏观动力学与本征动力学的区别在于：除了研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递过程对化学反应的作用及相互影响，这显然与反应器的结构设计和操作条件有关。,（一）化学反应速率及反应动力学方程,1.,反应速率的基本概念：,反应速率：在反应系统中，某一物质在单位时间、单位反应区域内的反应量。,单位反应区可以采用单位反应体积（如均相反应）或单位反应系统的重量（如气固相催化反应中催化剂的重量）等表示，视使用方便而定。,2.,化学反应动力学方程,动力学方程式：,定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式,。,影响反应速率的因素有反应温度、组成、压力、溶剂的性质、催化剂的性质等。然而对于绝大多数的反应，影响的最主要因素是反应物的浓度和反应温度。因而化学动力学方程一般都可以写成：,-,组分,i,的反应速率，,kmol/(m,3,h),；,c-,反应物料的浓度，,kmol/m,3,；,T-,反应温度，,K,。,在恒温条件下，化学动力学方程可写成：,在非恒温时，化学动力学方程可写成：,式中,c,A,c,B,-A,、,B,、,组分的浓度，,kmol/m,3,；,k-,反应速率常数，,反应速率的影响因素：,对均相反应，主要有温度、反应组成（浓度）、压强（气相）。,温度的影响主要体现在对反应速率常数,k,上，反应温度提升,10,反应速率增加,2-4,倍。,k,即代表温度对反应速率的影响项，在所有情况下，其随温度的变化规律符合阿累尼乌斯关系式：,其中,:A,0,-,指前因子，也称频率因子，,E-,活化能，,kJ/kmol;,R-,气体通用常数，,R=8.314 kJ/(kmol,K,）；,由于,k,和是指数关系，所以,T,的微小变动都会引起,k,的显著变化。,1.,均相反应速率,是指在均一的液相或气相中进行的化学反应。有很广泛的应用范围，如烃类的热裂解为典型的气相均相反应，而酸碱中和、酯化、皂化等则为典型的液相均相反应。,均相反应应满足的两个必要条件,反应系统可以成为均相,预混合速率反应速率,预混合：物料在反应前能否达到分子尺度的均匀混和。,实现装置：机械搅拌和高速流体造成的射流混和,均相反应的特点,：反应过程不存在相界面，,过程总速度由化学反应本身决定。,（二）均相反应速率及反应动力学,均相反应速率的定义：在均相反应系统中，某一物质在单位时间、单位反应区域内的反应量。,用组分转化率表示,由 ，则,A,组分的反应量 ，若反应区域选取反应体积,V,，则有：,式中,V-,反应体积，,m,3,；,-,反应时间，,h.,用浓度表示,因为,等容过程：液相或反应前后无物质的量的变化的气相反应。,V,为定值,n,i,/V=C,i,得到,所以,对于多组分单一反应系统，各个组分的反应速率受化学计量关系的约束，存在一定比例关系。例如,反应，各组分的变化量满足下列关系：,各组分的反应速率满足下列关系,:,流动系统的反应：,Kmol/m,3,.h,恒容下进行的反应：,Kmol/m,3,.h,气相反应：,atm/h,或,Pa/h,均相反应速率其他形式的表达式,1,、均相反应动力学方程有哪两种表达形式？,2,、,什么是均相反应？其化学反应速率的影响因素有哪些？,3.,何谓基元反应？其反应级数如何确定？浓度对反应速率有何影响？,思考题,2.,均相反应动力学,定义：研究化学反应本身的速率规律，也就是研究物料的浓度、温度以及催化剂等因素对化学反应速率的影响。,均相反应动力学方程式,在均相反应系统中只进行如下不可逆化学反应：,其动力学方程一般都可表示成：,对于气相反应，由于分压与浓度成正比，也常常使用分压来表示：,其中：,k,A,单位：,k,p,单位：,kmol/m,3,.h.Pa,n,一般说来，可以用任一与浓度相当的参数来表达反应的速率，但动力学方程式中各参数的因次单位必须一致。,反应分子数与反应级数,基本概念,a.,单一反应与复杂反应,单一反应,：指只用一个化学反应式和一个动力学方程式便能代表的反应。,复杂反应,：有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述。,常见的复杂反应有：连串反应、平行反应、平行,-,连串反应等。,b.,基元反应与非基元反应,基元反应,：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反应为基元反应。,非基元反应,：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。,c.,单分子、双分子、三分子反应,单分子、双分子、三分子反应，是,针对基元反应而言,的。参加反应的分子数是一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。,d.,反应级数,反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以是分数，也可以是负数。,它反映的是该,物料浓度,对,反应速率,的影响程度。反应级数越高，该物料浓度对反应速率的影响越大。,下图举例了一些常见的反应级数,a.,反应级数不同于反应的分子数，前者是在动力学意义上讲的，后者是在计量化学意义上讲的。,对基元反应，反应级数,即等于化学反应式的计量系数值，而对非基元反应，应通过实验来确定。,b.,反应级数高低并不单独决定反应速率的快慢，反应级数只反映反应速率对浓度的敏感程度。级数愈高，浓度对反应速率的影响愈大。,理解反应级数时应特别注意：,反应速率常数,k,和活化能,E,反应速率常数,k,k,就是当反应物浓度为,1,时的反应速率，又称反应的比速率。,k,值大小直接决定了反应速率的高低和反应进行的难易程度。不同的反应有不同的反应速率常数，对于同一个反应，速率常数随温度、溶剂、催化剂的变化而变化。,k,随温度的变化规律符合阿累尼乌斯关系式：,反应速率常数,k,和活化能,E,活化能,E,反应活化能是为使反应物分子,“,激发,”,所需给予的能量。,活化能的大小是表征,化学反应进行难易程度,的标志。活化能高，反应难于进行；活化能低，则容易进行。,但是活化能,E,不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子,A,0,共同决定反应速率。,阿累尼乌斯将,普通分子变成活化分子需要吸收的能量叫做,活化能,。,阿累尼乌斯指出,E,a,1,和,E,a,-1,就是正、逆反应中的普通,分子变为活化分子所需吸收的能量，因而有如下的结果：,E,a,，,1,-,E,a,，,-1,=,r,U,m,E,a1,=180kJ.mol,-,1,E,a,-,1,=21kJ.mol,-,1,I H H I,H,=159kJ.mol,-,1,2HI,H,2,+2I,对于基元反应,2HI H,2,+2I,，,由图可看出：反应物,2HI,须先吸收,180kJmol,-1,的活,化能，才能达到活化状态,IHHI,，在这个状态,下，因吸收了足够的能量，,克服了两个,H,原子间的斥力,.,在理解活化能,E,时，应当注意：,a.,活化能,E,不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。,b.,活化能,E,不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。,E,愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温度的上升而加快。,E,愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。,c.,对于同一反应，即当活化能,E,一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的升高而降低。,3.,均相单一反应的动力学方程,对于单一反应过程：,动力学方程表示为：,恒温恒容,恒容过程：液相反应和反应前后无物质的量变化的气相反应。,一级不可逆反应,工业上许多有机化合物的热分解和分子重排反应等都是常见的一级不可逆反应；或有二个反应物参与的反应，若其中某一反应物,极大过量,，则该反应物浓度在反应过程中无多大变化，可视为定值而并入反应速率常数中。此时如果反应速率对另一反应物的浓度关系为一级，则该反应仍可按一级反应处理。,一级反应的动力学方程式为：,初始条件 ，时，上式分离变量积分，得：,在,恒温,条件下，,为常数，积分得到：,即,如用转化率表示，则可写成：,若着眼于反应物料的利用率，或者着眼于减轻后分离的任务，应用转化率积分表达式较为方便；若要求达到规定的残余浓度，即为了适应后处理工序的要求，例如有害杂质的除去即属此类，应用浓度积分表达式较为方便。,二级不可逆反应,它有二种情况：一种是对某一反应物为二级且无其它反应物，或者是其它反应物大量存在，因而在反应过程中可视为常值；另一种是对某一反应物为一级，对另一反应物也是一级，而且二反应物初始浓度相等且为等分子反应时，亦就演变成第一种情况。此时其动力学方程式为：,经变量分离并考虑初始件，恒温时,为常数，则积分结果为：,若用转化率表示：,或,其它级数的恒温恒容不可逆反应,只要知道其反应动力学方程，代入式,积分即可求得结果。,从速率方程积分表可得到一些,定性的结论,：,速率方程积分表达式中，左边是反应速率常数,k,与反应时间,的乘积，表示当反应初始条件和反应结果不变时，反应速率常数,k,以任何倍数增加，将导致反应时间以同样倍数下降。,一级反应所需时间,仅与转化率,X,A,有关，而与初始浓度无关。因此，,可用改变初始浓度的办法来鉴别所考察的反应是否属于一级反应,。以 或 对,作图，若是直线，则为一级反应，其斜率为,k,。,二级反应达到一定转化率所需反应时间,与初始浓度有关。初始浓度提高，达到同样转化率,X,A,所需反应时间减小。,对,n,级反应：,当,n,1,时，达到同样转化率，初始浓度提高，反应时间减少；,当,n,1,时，初始浓度提高时要达到同样转化率，反应时间增加。对,n,1,的反应，反应时间达到某个值时，反应转化率可达,100%,。,而,n1,的反应，反应转化率达,100%,，所需反应时间为无限长。,这表明,反应级数,nl,的反应，大部分反应时间是用于反应的末期。高转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增加。,例,2-1,解题思路,根据题意是恒温恒容一级不可逆均相反应，又要求求反应一定时间后物料的残余浓度，故选择公式,解题较简便。,对于多组分单一反应，反应物的反应量与产物的生成量之间有化学计量关系的约束，可以根据它们的化学计量关系推导出它们反应过程中的浓度关系。,运用恒温恒容一级不可逆反应的转化率积分形式解题。,例,2-2,解题思路：,根据题意为恒温恒容二级不可逆均相反应，运用相应的浓度积分形式解题。,引申知识点：,对二级反应，要求残余浓度很低时，尽管初始浓度相差很大，但所需的反应时间却相差很少。,练 习,1,、,反应时间与初始浓度无关的是,_,级反应。,2,、对反应级数大于,1,的反应，达到同样转化率，初始浓度提高，反应时间增加。,3,、对于反应级数小于,1,的反应，初始浓度提高时要达到同样转化率，反应时间减少。,4,、反应级数,nl,的反应，大部分反应时间是用于反应的末期。高转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增加。,有一反应，在间歇反应器中进行，经过,8min,后，反应物转化掉,80%,，经过,18min,后转化掉,90%,，求表达此反应的动力学方程式。,解题思路：,（,1,）设反应级数为,n,级,（,2,）选用表中,n,级反应的积分结果公式解题。,（,3,）由题意可以列两个方程，将两个方程式相除，得到只有一个未知数的方程式，解此方程即得。,在一均相恒温聚合反应中，单体的初始浓度为,0.04mol/L,和,0.08mol/L,，在,34min,内单体均消失,20%,。求单体消失的速率。,解题思路,：,(1),正确判断反应级数,由题意：单体的初始浓度为,0.04mol/L,和,0.08mol/L,，在,34min,内单体均消失,20%,，说明反应时间仅与转化率有关，与初始浓度无关，故此反应为一级反应。,(2),选用一级反应的积分结果公式解题，求出反应速率常数。,(3),完整表达动力学方程式。,恒温变容过程,：物质的摩尔数发生变化的气相反应，或因压强等因素的影响，而使物料系统的密度发生变化。对于气相化学反应：,定义为膨胀因子,为：,物理意义：当反应物质,A,每反应,1mol,时，引起整个系统物质摩尔数的变化量。,进料中带有的惰性气体并不影响 的大小，因此在计算时不予考虑。,，说明该反应为摩尔数增大的反应；,，是等分子反应；,，为摩尔数减少的反应。,此时，反应物浓度、压力、摩尔分数与转化率的函数关系如下：,，,用以上相关关系式代入反应速率方程式得：,将动力学方程式代入下式：,就可用解析法、数值法或图解法进行积分。对单一恒温变容反应，所得积分式如下表所示。,4.,复杂反应的动力学方程,复杂反应的类型,可逆反应,在反应物发生化学反应生成产物的同时，产物之间也在发生化学反应回复成原料。如：,平行反应,在系统中反应物除发生化学反应生成一种产物外，该反应物还能进行另一个化学反应生成另一种产物。如：,乙烷裂解生成乙烯,C,2,H,6,C,2,H,4,+H,2,同时乙烷也能裂解成碳和氢,C,2,H,6,2C+3H,2,连串反应,反应物发生化学反应生成产物的同时，该产物又能进一步反应而成另一种产物。如：,复合复杂反应,在反应系统中，同时进行有可逆反应、平行反应和连串反应，该系统进行的反应称为复合复杂反应。如：,复杂反应的动力学方程,复杂反应的动力学方程通常采用下述方法进行计算：,将复杂反应分解为若干个单一反应，并按单一反应过程求得各自的动力学方程；,在复杂反应系统中，某一组分对化学反应的贡献通常用该组分的生成速率来表示。某组分可能同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是它在各个单一反应中的生成速率之和，即：,式中 为组分,I,第,j,反应的反应生成速率；为组分,I,在第,j,个反应中的化学计量系数，若反应物取负值，若为产物则取正值。,例,2-3,解题思路：,1,、能正确将复合复杂反应分解为简单反应。,2,、某组分若同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是它在各个单一反应中的生成速率之和。加和计算时注意不要搞错符号，漏掉化学计量系数。,练习,在系统中同时进行下列基元反应,:,试计算各组分的生成速率。,练习,1,、有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述的称为,_,反应。,2,、所谓双分子反应是针对基元反应而言的。,3,、对非基元反应，反应级数等于化学反应式的计量系数。,4,、反应级数只反映反应速率对,_,的敏感程度。级数越高，,_,对反应速率的影响越大。,5,、活化能只表明反应速率对,_,的敏感程度活化能越大，,_,对反应速率的影响越大。,复 习,1.,理解下列术语,数学模型法、间歇操作、半间歇操作、连续操作、化学反应速率、化学动力学方程、均相反应、单一反应、复杂反应、基元反应、单分子反应、反应级数、恒容过程,.,2.,按照不同的分类方法，化学反应器可分为哪些类型？,3.,化学反应器有哪三种操作方式？各有什么特点？,4.,化学反应过程与设备的基本研究方法有哪两种？,5.,对于多组分单一反应系统，各组分的反应速率存在怎样的关系？,6,、如何理解反应级数和活化能与反应速率的关系？,7,、恒温恒容均相,0,级、,1,级、,2,级不可逆反应的积分式的应用,8,、如何判断一级反应？,9,、复杂反应有哪些类型？,10,、复杂反应中某一组分的生成速率如何表达？,三、反应器计算的内容和基本方程式,（一）反应器计算的基本内容,选择合适的反应器型式,根据反应系统动力学特性，如反应过程的浓度效应、温度效应及反应的热效应，结合反应器的流动特征和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满足反应过程的需要，使反应结果最优。,确定最佳操作条件,操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压力和最终转化率等，直接影响反应器的反应结果，也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组成的改变，工艺参数调整是常有的事。现代化大型化工厂工艺参数的调整，是通过计算机集散控制完成的。计算机收到参数变化的信息，并根据已输入的数学模型和程序，计算出结果，送给相应的执行机构，完成参数的调整。,计算完成生产任务所需的反应器体积,反应器体积的确定是反应器计算的核心内容。根据所确定的操作条件，针对所选定的反应器型式，计算完成规定生产能力所需的反应器有效体积，同时由此确定反应器的结构和尺寸。,（二）反应器计算的基本方程,反应器计算可以采用,经验法和数学模型法,。经验计算法是根据已有的装置生产定额进行相同生产条件、相同结构生产装置的工艺计算。经验,计算法的局限性很大，只能在相近条件下进行反应器体积的估算,。,如果改变反应过程的条件或改变反应器结构，以改进反应器的设计，或者进一步确定反应器的最优结构、操作条件，经验计算法是不适用的，这时应该用数学模型法计算。根据小型实验建立的数学模型（一般需经中试验证），结合一定的求解条件,边界条件和初始条件，预计大型设备的行为，实现工程计算。,数学模型法,计算的基础是描述化学过程本质的动力学模型以及反映传递过程特性的传递模型。基本方法是以实验事实为基础，建立上述模型，并建立相应的求解边界条件，然后求解。,反应器计算的基本方程包括,:,描述浓度变化的物料衡算式；,描述温度变化的能量衡算式；,描述压力变化的动量衡算式；,描述反应速率变化的动力学方程式。,物料衡算式,依 据：质量守恒定律。,基 准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。,衡算式：对任一组分,A,在单元时间,、单元体积,V,内：,A,的进入量,=A,的积累量,+A,的离开量,+A,的反应量,目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。,热量衡算式,（,1,）依 据：能量守衡定律。,（,2,）基 准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。,（,3,）衡算式,在单元时间,、单元体积,V,内（以放热反应为例）：,积累的热量,=,原料带入的热量,+,反应产生的热量,-,出料带走的热量,-,传给环境或热载体的热量,（,4,）目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。,动量衡算式,动量衡算式以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化。当气相流动反应器的进出口压差很大，以致影响到反应组分浓度时，就要考虑流体的动量衡算。,一般情况下，反应器计算可以不考虑此项。,动力学方程式,对于均相反应，需要有本征动力学方程；,对于非均相反应，应该有包括相际传递过程在内的宏观动力学方程。,物料衡算式和动力学方程式是描述反应器性能的两个最基本的方程式。,四、间歇,釜式反应器,(BR),体积和数量计算,间歇操作的釜式反应器，所有反应物均在操作前一次加入，随着反应的进行，釜内温度、浓度和反应速度都随时间变化，一直进行至达到预定的转化率出料为止。,间歇反应器是分批操作，其操作时间由两部分组成，由反应时间,和辅助时间,(,即装料、卸料、检查及清洗设备等所需时间）组成。,釜内各点物料的浓度、温度、反应速度相同，随时间而变，生产周期存在反应时间（生产时间）,和非生产时间,。,其结构简单、操作方便、灵活性大、应用广泛。但是设备生产效率低、不易保持每批质量稳定、高转化率下体积较大。一般用于液,液相、气,液相等系统，如染料、医药、农药等小批量多品种的行业。,BR,体积和数量求算,已知条件,每天处理物料总体积,V,D,（或反应物料每小时体积流量,V,0,）,或,V,0,=F,A0,/C,A0,=W,0,/,操作周期,指生产第一线一批料的全部操作时间，由反应时间（生产时间）,和非生产时间,组成。,反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情况定。,设备装料系数,设备中物料所占体积与设备实际容积之比，其具体数值根据实际情况而变化，参见表,2-5,。,计算方法,1,、已知,V,0,与 ，根据已有的设备容积,V,，求算需用设备个数,n,按设计任务每天需要操作的总次数为：,每个设备每天能操作的批数为：,则需用设备个数为：,n,需取整数,n,，,n,n,。因此实际设备总能力比设计要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以,表示，则：,2,、已知每小时处理物料体积,V,0,与操作周期 ，则需要设备的总容积为：,求得设备总容积后，可查得系列设备标准选用决定设备的容积,V,和个数,n,。,例,2-4,讲解,排除了物质的传递（搅拌良好）,无需考虑反应器内热量传递,非定常态过程，,C,A,、,C,R,随时间而变，化学反应的结果将唯一地由化学反应动力学确定，反应进行的程度决定于反应时间的长短,具有周期性，一个周期包括操作（反应）时间,t,，也包括辅助（非生产性）时间,t,生产灵活性大,间歇釜式反应器特点,Return,五、间歇操作釜式反应器（,BR,）的动力学计算法,间歇釜式反应器的物料衡算,对整个反应器中,A,组分物料进行衡算：,0 0 (-r,A,）,V,R,n,A0,-,在,t=0,时反应器中物料,A,的摩尔数,n,A,-,在,t,时反应器中物料,A,的摩尔数,-r,A,-,组分,A,在操作条件下的反应速率（消失速率）,上式是间歇反应器计算的基本方程式，适用于任何间歇反应过程，均相或多相，等温或非等温的，可以直接积分求解，也可以用图解法。,Return,若反应前后物料的体积变化不大，可视为常数，即恒,V,，则：,（上式为间歇反应器的设计方程）,1.,恒容恒温间歇反应,由间歇釜式反应器的设计方程可知：,反应物达到一定的转化率所需反应时间只取决于过程的反应速率，也就是说,取决于反应动力学因素，与反应器的大小无关。,反应器的大小仅取决于反应物料的处理量。（即生产强度）,设计间歇反应器的计算：,反应时间,t,由设计方程与动力学方程联立求解，即可求得达到一定转化率所需时间,t,；,有效容积：,V,R,V,R,=v(t+t,0,),v,-,单位时间所需处理的物料体积（根据产量计算）,t,0,-,-,每批生产的辅助时间,实际体积：,V,V=V,R,/,-,装填系数,Return,设计方程图解积分如下两图所示：,等温操作（动力学,k,为常数）,可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解,t,。,例,1,：一级反应,A,产物，单位时间需处理的物料体积为,v,，动力学方程为：,（,-r,A,）,=kC,A,=kC,A0,(1-x,A,),求反应所需时间（转化率为,x,A,）,t,及反应器的有效容积。,Return,例,2-5,2.,非恒温恒容间歇反应,对于间歇操作釜式反应器要做到绝对恒温是极其困难的。当反应热效应不大时，近似恒温是可以做到的，但当反应热效应很大时就很难做到。另一方面，对于许多化学反应，恒温操作的效果不如变温操作好。所以，研究变温操作具有重要的意义。,温度,是影响反应器操作的最敏感因素。它对,转化率、收率、反应速率,以及,反应器的生产能力,都有影响。温度不同，反应系统的物理性质也不同，从而影响到,传热和传质速率,及,搅拌器的功率,。因此，对间歇操作反应器而言，确定反应过程的温度和时间的关系，十分必要，这是进行反应器计算、分析和操作所必不可少的。,间歇反应过程温度与时间的关系可由热量衡算式来确定。,由于反应器内物料具有相同的温度，因此，根据热量衡算式：,0 0,即：,整理后得：,（,1,）,式中：,反应物料总质量，,物料的平均比热容，,；,化学反应热，,反应速率，,传热系数，,传热面积，,反应液体温度，,K,；,传热介质温度，,K,。,；,；,；,；,；,式（,1,）即为间歇操作釜式反应器反应物料的温度与时间的关系式。对于变温过程，由于 为温度和转化率的函数，只有知道反应过程的,温度,随,时间,的,变化关系,，才能确定 。所以，变温间歇反应器的计算，必须将,物料衡算式,和,热量衡算式,联立求解，方可求得反应的转化率、温度和反应时间的关系。将基础设计式代入式（,1,）可得：,由此可知，对于一定的反应系统而言，温度与转化率的关系取决于系统与换热介质的换热速率。,（,2,）,由式（,2,）得：,即：,式中：,T,0,反应开始时的物料温度，,K,。,当反应在绝热条件下进行时，传热项为零，于是式（,3,）变为：,（,4,）,（,3,）,由式（,4,）可知，绝热反应过程的热量衡算式通过积分而变成反应温度与转化率的代数式，且这一关系为线性关系，称为,绝热方程式,。上式可以写成：,式中：，称为,绝热温升,，其意义为当反应系统中的组分,A,全部转化时系统温度升高（放热）或降低（吸热）的度数。为常数时，,也为常数。式（,5,）为线性关系式，否则,T,与 为非线性关系。当,，式（,5,）变为：,（,6,）,（,5,）,在这种情况下，把式（,6,）得到的温度与转化率之间的关系代入基础设计积分式，则变成只含有 的微分方程，解此微分方程即可得到反应时间，或用图解法求得反应时间，如图所示。,图 间歇反应器非恒温过程图解计算,六、间歇操作釜式反应器直径和高度的计算,一般搅拌反应釜的高度与直径之比,左右，釜盖与釜底采用椭圆形封头，如图,2-7,所示。,由工艺计算决定了反应器的体积后，即可按下式求得其直径与高度：,所求得的圆筒高度及直径需要圆整，并检验装料系数是否合适。确定了的反应釜的主要尺寸后，其壁厚、法兰尺寸以及手孔、视镜、工艺接管口等均可按工艺条件由标准中选择。,当产品经多道工序生产时，设计时必须考虑各道工序间在操作上的前后协调。,1,、反应器之间的平衡,前一道工序操作终了准备出料时，下道工序应保证接受来料，要考虑交替操作的时间安排。,为保证不同批号的物料不会相混，应保证各道工序每天操作总批数,都相等。（设置中间贮存设备的情况下除外）,总操作批数相等的条件是：,m,1,1,=m,2,2,=,=m,n,n,或,即各工序的设备个数与其操作周期之比要相等。,七、多工序反应器间的平衡,同时要使各工序的设备容积之间保持相互平衡，即,设计时一般先确定主要反应工序的设备容积与个数及其每天总操作次数,1,，然后使其它各工序的,值都等于,1,。再确定各道工序的设备容积与数量。,2,、反应器与物理过程设备之间的平衡,3,、反应器与计量槽、贮槽之间的平衡,例,2-6,讲解。,间歇釜式反应器设计计算例题,例题,2,：,工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在,70,下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：,（,-r,A,）,=kC,A,C,B,式中：,（,-r,A,）,-,以已二酸组分计的反应速率，,kmol.L,-1,.min,-1,k,-,反应速率常数，,1.97,L.kmol,-1,.min,-1,C,A,、,C,B,-,分别为已二酸和已二醇的浓度，,kmol.L,-1,C,A0,、,C,B0,均为,0.004 kmol.L,-1,求：,已二酸的转化率分别为,x,A,=0.5,、,0.6,、,0.8,所需的反应时间分别为多少？,若每天处理已二酸,2400kg,，转化率为,80%,，每批操作的辅助时间为,1,小时，试计算确定反应器的体积大小，装填系数,=0.75,，单釜生产。,解：,求达到一定的转化率所需时间：,计量方程式中，,A,、,B,的初始浓度相同，则反应动力学方程可写为：,由于反应为液相等温过程，故可按恒容处理，可将已知数据代入操作方程求解：,计算结果,x,A,=0.5 t=2.10h,x,A,=0.6 t=3.18h,x,A,=0.8 t=8.47h,反应器体积的计算,V,R,=v(t+t,0,),F,A0,=2400/(24*146)=0.685kmol/h,v=0.685/0.004=171L/h,生产周期,=,反应时间,+,辅助时间,=,t+t,0,=8.47+1=9.47h,反应有效体积：,V,R,=v(t+t,0,),=171*9.47=1619L,考虑装填系数，则反应器的实际体积：,V=V,R,/,=1619/0.75=2160L=2.16m,3,例题3,用搅拌良好的间歇反应釜进行乙酸和乙醇在盐酸催化作用下合成乙酸乙酯的反应，其反应式如下：,（,A,）（,B,）（,R,）（,S,）,反应器内装有,0.3785,m,3,的水溶液，其中含有,90.8,kg,乙酸、,181.6,kg,乙醇，假设反应过程物料料密度为,1043,kg/m,3,保持不变，反应在,100,下等温操作，其反应的动力学方程为：,（,-r,A,）,=k,1,C,A,C,B,k,2,C,R,C,S,正反应速率常数,k,1,=4.7610,-,4,m,3,/(kmol.min),，逆反应速率常数,k,2,=1.6310,-,4,m,3,/(kmol.min),，试计算反应,120 min,后乙酸的转化率是多少？,解：,t,=0,时各物料的初始浓度：,C,A0,=90.8/(600.3785)=4.0,kmol/m,3,C,B0,=181.6/(460.3785)=10.43,kmol/m,3,C,R0,=0,kmol/m,3,C,S0,=0.37851043-(90.8+181.6)/(180.3785)=18.0,kmol/m,3,设,t,=,t,时，,A,的转化率为,x,A,，则各物料的浓度分别为：,C,A,=C,A0,（,1-x,A,）,=4-4x,A,C,B,=C,B0,-C,A0,x,A,）,=10.43-4x,A,C,R,=C,R0,+C,A0,x,A,=4x,A,C,S,=C,S0,+C,A0,x,A,=18+4x,A,代入速率方程式得：,t=120min,时，,x,A,=0.363,，即有,36.3%,的乙酸转化为乙酸乙酯。,例题,4,在间歇反应釜中进行下列液相一级不可逆反应：,A,B,，其反应速率方程为,（,-r,A,）,=kC,A,，反应初始温度为,163,求绝热操作下，日产,150kg,（,B,）所需反应器的体积。已知数据如下：,163,下,k=0.8h,-1,，反应的活化能,E=121.25kJ/mol,，反应热：,H,r,=-347.5kJ/kg,，,A,与,B,的定容比热均为,2.093J/kg.K,，,A,与,B,的密度均为,900kg/m,3,，,A,的最终转化率,x,Af,=0.97,，非生产性操作时间为,1h,。,解：,绝热操作时有,:,T