化学反应工程-第三章省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器n概述n按照操作方式，能够分为间歇过程和连续过程，对应反应器为间歇反应器和流动反应器。n对于间歇反应器，物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行。物料在反应器内流动情况是相同，经历反应时间也是相同。n对于流动反应器，物料不停地加入反应器，又不停地离开反应器。n考查物料在反应器内流动情况。有物料正常经过反应器，有物料进入反应器死角，有物料短路（即近路）经过反应器，有物料在反应器内回流。第1页第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器n在流动反应器中物料流动情况不相同，造成物料浓度不均匀，经历反应时间不相同，直接影响反应结果。n物料在反应器内流动情况看不见摸不着。人们采取流动模型来描述物料在反应器内流动情况。流动模型分类以下：n平推流模型n全混流模型n n 理想流动模型n流动模型n 非理想流动模型n尤其强调是，对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内流动情况；流动模型是专指反应器而言。平推流模型全混流模型第2页第三章 理想流动反应器第一节第一节 流动模型概述流动模型概述31 反应器中流体流动模型反应器中流体流动模型一、物料质点、年纪、奉命及其返混一、物料质点、年纪、奉命及其返混1.物料质点n物料质点是指代表物料特征微元或微团。物料由无数个质点组成。2.物料质点年纪和寿命n年纪是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一时刻，称为年纪。n寿命是对离开反应器质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器时间。第3页3.返混（1）返混指流动反应器内不一样年纪质点间混合。在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点年纪都相同，所以没有返混。在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程原因，不一样年具质点混合在一起，所以有返混。第4页（2）返混原因a.机械搅拌引发物料质点运动方向和主体流动方向相反，不一样年纪质点混合在一起；b.反应器结结构成物料流速不均匀，比如死角、分布器等。造成返混各种原因统称为工程原因。在流动反应器中，不可防止存在工程原因，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不一样而已。第5页二、理想流动模型二、理想流动模型1.平推流模型平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）平推流模型认为物料进入反应器后沿着流动方向象气缸里活塞一样向前移动，彼此不相混合。1）模型特点（1）物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续改变；（2）垂直于流动方向任一截面上物料参数相同（没有边界层）；（3）沿流动方向截面间不相混合；（4）质点奉命相同，任一截面上质点年纪相同；（5）返混0,不一样年纪质点不相混合（参见（3）。2）适用范围管式反应器：L/D较大，流速比较大。第6页2.全混流模型全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型）全混流模型认为物料进入反应器后，在一瞬间，进入反应器新鲜物料和反应器内物料到达完全混合。1）模型特点：（1）反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同，且等于出口处参数；（2）同一时刻进入反应器新鲜物料在瞬间分散混合，（3）反应器内物料质点年纪不一样。同一时刻离开反应器物料中，质点寿命也不相同。（4）返混2）适用范围：搅拌反应器，强烈搅拌。第7页三、非理想流动模型1.实际反应器存在着程度不一工程原因，流动情况不一样程度偏离理想流动，称为非理想流动。2.非理想流动模型在理想流动模型基础上考虑非理想原因流动模型，称为理想流动模型。惯用非理想流动模型有：1）轴向混合模型2）多级串联全混流模型当前大部分非理想流动模型都是以平推流模型为基础发展而成。第8页四、流动情况对化学反应影响四、流动情况对化学反应影响 流动情况对化学反应影响有两方面：物料质点浓度和在反应器内停留时间。1.物料质点浓度物料质点浓度间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器中物料质点浓度改变如图32所表示。间歇反应器和平推流反应器反应推进力CA均大于全混流反应器CA。实际上是物料浓度不一样，反应速率不一样。2.物质质点停留时间和反应时间物质质点停留时间和反应时间物料从进入反应器开始到离开反应器时间称为停留时间，实际上是物料质点寿命。第9页物料质点进入反应器开始所经历反应时间称为反应时间。对于离开反应器物料质点而言，反应时间通常不等于停留时间，但当前普通以停留时间来衡量反应时间。平推流反应器：同一时刻离开反应器物料质点停留时间相同，即全部物料质点反应时间相同；全混流反应器：同一时刻离开反应器物料质点停留时间各不相同，从0，物料质点反应时间各不相同。非理想流动反应器：同一时刻离开反应器物料质点停留时间分布情况介于平推流反应器和全混流反应器之间，其反应时间也介于其间。第10页3 32 2 反应器设计基本方程反应器设计基本方程反应器设计基本内容反应器设计基本内容1.选择适当反应器形式2.确定最正确工艺条件3.计算所需反应器体积反应器设计基本方程反应器设计基本方程1.物料衡算方程某组分累积量=某组分流入量某组分流出量某组分反应消耗量2.热量衡算方程带入热焓带出热焓+反应热+热量累积+传给环境热量3.动量衡算方程上述为反应器设计基本方程，在列出这些方程时，需要动力学方程和流动模型。第11页33 间歇反应器一、间歇反应器特征一、间歇反应器特征工业上充分搅拌间歇反应器靠近于理想间歇反应器，如图35。1.反应器内物料到达分子尺度均匀，浓度处处相等，可排除物质传递对反应过程影响。2.反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递。3.反应物料同时加入又同时取出，物料反应时间相同。第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器第12页二、二、间间歇反歇反应应器性能数学描述器性能数学描述1.反反应时间应时间xA关系关系在反应器中，物料浓度和温度是均匀，只随反应时间改变，能够经过物料衡算求出反应时间t和xA关系式。衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（V）在dt时间内对A作物料衡算：A流入量=A流出量+A反应量+A累积量 0 =0 +第13页积分：等容过程：上式适合用于等容、变温和等温各种反应系统。第14页由式（35），只要已知反应动力学方程就能计算反应时间。普通采取数值积分或图解法。如图36所表示。已知动力学数据曲线，然后求取之间曲线下面积即为t/CA0。一样也可作出曲线，然后求取之间曲线下面积即为反应时间t，如图37所表示。第15页图解积分示意图图解积分示意图t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0第16页2.实际操作时间实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(t)辅助时间包含加料、调温、缷料和清洗等时间。3.反应器体积VR=V(t+t)式中V为单位时间所处理物料量。第17页三、三、间间歇反歇反应应器中器中单单反反应应设有单一反应AP动力学方程为n1时，按式（35）残余浓度式或转化率公式：残余浓度式是计算经反应后残余A浓度，而转化率式是计算A利用率，依据工艺要求能够公式（35）计算。间歇反应中反应速率、转化率和残余浓度计算结果列于表31。第18页反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n1表表3 31 1 理想间歇反应器中整级数单反应反应结果表示式理想间歇反应器中整级数单反应反应结果表示式第19页由表中所列结果，能够得出以下几点结论。1.对于任一级反应，当CA0、xAf或CAf确定后，kt即为定值：当k，t；当k，t。对于任一级反应都是如此。2.当转化率xAf确定后，反应时间与初始浓度关系和反应级数相关。0级反应：，成正比1级反应：，无关2级反应：，成反比利用上述反应特征，能够定性判别反应级数，比如确定xAf，然后测定关系，判别反应级数。第20页3.残余浓度和反应时间关系（转化率和反应时间关系）残余浓度和反应时间关系（转化率和反应时间关系）0级反应：，直线下降1级反应：较迟缓下降2级反应：迟缓下降对于一级或二级不可逆反应，在反应后期CA下降速率，即xA上升速率相当迟缓，若追求过高转化率或过低残余浓度，则在反应后期要花费大量反应时间。第21页例31中，由计算可知，当转化率为0.5时，t0.535h，当转化率为0.9时，t4.81h，当转化率为0.99时，t52.9h。所以，不能片面追求转化率，造成反应时间过长，大幅度增加操作费用。第22页34 平推流反应器平推流反应器一、平推流反应器特点一、平推流反应器特点平推流反应器是指物料流动情况符合平推流模型，该反应器称为平推流反应器，惯用PFR表示。平推流模型是一个理想流动模型，所以平推流反应器是一个理想反应器，实际反应器中物料流动，只能以不一样程度靠近平推流，不可能完全符合平推流。平推流反应器含有以下特点：1.物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续改变，不随时间改变；2.任一载面上物料参数相同，反应速率只随轴向改变；3.反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同；4.返混0第23页1.二、平推流反二、平推流反应应器器计计算基本公式算基本公式反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：微元体积dVR在单位时间内对A作物料衡算：A流入量 A流出量 A反应量 A累积量所以：积分：上式是平推流反应器体积计算普遍式，适合用于等温、非等温、等容和非等容等过程。第24页对于等容过程，反应器进口与出口流量均为V0,故：对比间歇反应器：可知，二者含有一定等效性。第25页三、等温平推流反三、等温平推流反应应器器计计算算等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动方向改变。将代入平推流反应器体积计算公式若为等容过程则等温等容过程平推流反应器计算式见表32第26页反应级数反应速率反应器体积转化率式n=0n=1n=2n级n1表表3 32 2 等温等容平推流反应器计算式等温等容平推流反应器计算式第27页四、四、变变温平推流反温平推流反应应器器变温平推流反应器，其温度、反应物系浓度、反应速率均沿流动方向改变，需要联立物料衡算式和热量衡算方程式，再结合动力学方程求解。在稳定状态时，有物料衡算：热量衡算：对象为dVR物料带入热量物料带走热量传向环境热量反应热0式中分别为i组分摩尔流量、i组分等压摩尔热容、微元体积中物料温度、环境温度、反应热（放热为负，吸热为正）第28页由物料衡算和热量衡算及动力学方程三者联立，采取差分法或Runge-Kutta法求解。当过程为等温或绝热过程时，能够简化。1.等温等温过过程程热量衡算式简化为由则有 积分 式中A为换热面积第29页2.绝热过绝热过程程热量衡算式简化为由则有令称为绝热温升，即为在绝热条件下组分A完全反应时物料温升。则积分之，得当xA0=0,有第30页35 全混流反应器全混流反应器是指物料流动情况符合全混流模型，该反应器称为全混流反应器（CSTR）.在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器因为强烈搅拌，物料混合均匀，其流动情况靠近全混流。一、全混流反应器特点一、全混流反应器特点1.反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处物料参数。2.物料参数不随时间而改变；3.反应速率均匀，且等于出口处速率，不随时间改变。4.返混第31页二、全混流反二、全混流反应应器器计计算基本公式算基本公式1.反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（V）稳定状态：A流入量A流出量 A反应量0式中指按出口浓度计算反应速率。第32页若则物料衡算方程为A流入量A流出量 A反应量0所以上述公式均为普遍式，全混流反应器普通为等温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。第33页表33列出了平推流反应器和全混流反应器反应结果比较，其中2.物料平均停留时间对于等容过程，物料平均停留时间为，这是对等容过程而言。第34页平推流反应器与全混流反应器比较第35页36 多级全混流反应器串联及优化多级全混流反应器串联及优化设有一反应，A初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为CAf,反应平衡浓度为CA*，考查平推流反应器和全混流反应器浓度推进力。由图示，显然有，CA平CA全平推流流反应器中浓度推进力大于全混流反应器中浓度推进力。结果，平推流反应器体积小于全混流反应器体积。第36页浓度分布 推进力反应推进力随反应时间逐步降低反应推进力随反应器轴向长度逐步降低反应推进力不变，等于出口处反应推进力第37页平推流反应器物料参数如浓度等沿流动方向改变。对于等温反应，极难控制整个反应器内物料温度均匀。对于全混流反应器，物料参数得均匀，对于物料温度控制比较轻易。在有机反应中，尤其是多重反应，要求反应过程中物料浓度温度等参数保持，不然极易发生副反应，所以普通选择全混流反应器。为了满足工艺要求，又要提升反应推进力，人们把一个大反应器分割成m个小全混流反应器，然后串联起来，称为“多级串联全混流反应器”。第38页设有4级串联全混流反应器，其浓度推进力CA多=(CA1CA*)1+(CA2CA*)2+(CA3CA*)3+(CA4CA*)4显然CA平CA多CA全当级数为，则CA平CA多一、多级全混流反应器浓度特征一、多级全混流反应器浓度特征第39页VR1CA1CAmCAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0CAiCAi-1CA2CA1第40页二、多二、多级级全混流反全混流反应应器器计计算算1.解析计算多级全混流反应器串联操作如图所表示。假设：稳定状态，等温，等容。对第i级作A物料衡算，则有则或多级全混流反应器级数普通为23级，所以能够按上式从第1级开始逐层计算，依据不一样已知条件来计算反应器体积，级数或者最终转化率。第41页2.一级不可逆反应对于一级不可逆反应，能够直接建立级数m和最终转化率之间关系，无须逐层计算。公式可化为第42页即将上述诸式相乘得：第43页对于等容过程 故：当每级体积相等时，则公式可深入简化为：或总体积：第44页3.图图解解计计算算对于非一级反应，采取解析法计算比较麻烦，普通采取图解法计算。1）等温等容过程，且各级体积相同。（1）图解法基本原理 由知能够分别作出和线，两线交点横坐标即为CAi第45页（2）作图步骤a.在图上标出动力学曲线OM直线与OM线交于A1点，其横坐标即为CA1c.因为各级温度相同，所以各级动力学线均为OM线；又为等容过程，各级体积相等过作平行线，与OM曲线交于A2,其横坐标即为C A2,如此下去，当最终浓度等于或小于要求出口浓度时，所作平行线根数就是反应器级数。b.以初始浓度为起点，过CA0作斜率为第46页n等温、等体积情况图解计算-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm第47页2)等容、各级体积相同，但温度不一样假如各级温度不一样，则需作出各级动力学曲线OM1、OM2然后依次作出CA0A1、CA1A2、CA2A3 求出CA1、CA2、CA33)等容、等温但各级体积不一样假如各级体积不相同，则各直线斜率不相同，如图依次作出依次作出CA0A1、CA1A2、CA2A3 求出CA1、CA2、CA3第48页n等容、各级体积相同，但温度不一样-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3M1M2M3第49页等容、等温但各级体积不一样CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm-1/2-1/3-1/1第50页三、多级全混流反应器串联优化三、多级全混流反应器串联优化当物料处理量、进料组成及最终转化率相同时，怎样确定级数m和各级体积，使总体积最小。考查各级转化率xA1、xA2、xAm和反应器体积VR关系，最正确分配xA1、xA2、xAm1，使VR最小。第51页为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、xAm1求偏导数，并令之为零：对于等温等容过程，计算VR，则有从以上共m-1个方程，可解出m-1个待定量(xA1、xA2、xAm1)第52页以一级不可逆反应为例即：化简后：即：可见这时：上式表示：当一级不可逆反应时，各级体积相等时，总反应体积最小。第53页37 理想流动反应器组合与反应器体积比较理想流动反应器组合与反应器体积比较一、理想流动反应器组合一、理想流动反应器组合工业生产中为了满足工艺要求，经常将理想反应器组合起来，组成理想流动反应器组合。各种组合方式如图所表示：当反应温度相同，流量、初始浓度及各反应器体积相同，进行一级不可逆反应，考查各种反应器组合所能到达出口浓度。第54页第55页ab.c.第56页d.e.f.g.所以：由上述计算结果，各种组合反应器最终转化率大小依次为：(e)=(f)(c)=(d)(g)(b)(a)第57页二、理想流二、理想流动动反反应应器体器体积积比比较较1.基本条件：和反应温度均相同；等容过程。间歇反应器体积；平推流反应器体积；全混流反应器体积；多级全混流反应器体积。，由间歇反应器公式知，故：分别表示：考查第58页12.作曲线AB,当条件相同时，当转化率越大，则二者差距较大，所以可采取低转化率操作。xAxAfOABD第59页3.当为一级不可逆反应，各级体积相同时，有 （一级不可逆反应）第60页以为纵坐标，m为参变数作图，如图所表示，结论以下：1）当m一定时，越大，2）当一定时，越小，靠近于平推流。对二级不可逆反应，关系见图315（b）为横坐标，越大；m越大，3）当k一定时，m不一样，则也不一样。第61页