全混流反应器的特性课件

Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology化学反应工程化学工程及工艺教研室第三章第三章 均相反应器均相反应器第三章 均相反应器1 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3 均相理想反应器理 想 反应 器 的型式间歇操作充分搅拌釜式反应器连续操作充分搅拌釜式反应器活塞流反应器反应器组合3 均相理想反应器反应器开发的任务选择合适的反应器型式根据2 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.1 反应器设计基础3.2 等温条件下理想反应器的设计分析3.3 非等温条件下理想反应器的设计3.4 理想流动反应器的组合3.5 循环反应器3.6 反应器型式和操作方式评选3.1 反应器设计基础3 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.1 反应器设计基础反应器设计基础3.1.1 反应器的分类反应器的分类反应器分类依据反应器型式相态结构型式操作方式换热方式均 相、非 均 相管式、釜式、塔式等连 续 式、间 歇 式绝 热 式、换 热 式 等3.1 反应器设计基础3.1.1 反应器的分类反应器分类依据4 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.1.2 反应器设计的基础方程反应器设计的基础方程反应器设计计算设计计算反应器的工艺尺寸校核计算反应器的压力降、传热面积、产品质量等是否合格3.1.2 反应器设计的基础方程反应器设计计算反应器的工艺尺5 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（1）物料衡算式）物料衡算式+=+（3.1-1）（1）物料衡算式反应器设计计算时，必须建立物料浓度、进入6 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（2）热量衡算式）热量衡算式+=+（3.1-2）（2）热量衡算式内随物流流+内随物流流内v与环7 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.1.3 几个时间概念几个时间概念（3.1-3）3.1.3 几个时间概念（1）反应持续时间tr 简称为反应时8 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.2 等温条件下理想反应器的设计分析等温条件下理想反应器的设计分析3.2.1 间歇操作的充分搅拌釜式反应器间歇操作的充分搅拌釜式反应器Batch Reactor 搅拌器进料口出料口夹套图3-1 间歇反应器示意图1、间歇反应器特点、间歇反应器特点（1）由于良好的搅拌、混合，反应器各位置物料温度、浓度处处均一。（2）由于一次性加料，一次性出料，反应过程中无进料、出料；反应器内物料停留时间相等，无返混现象。（3）间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期包括：反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。3.2 等温条件下理想反应器的设计分析3.2.1 间歇操作的9 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang2、间歇反应器设计方程、间歇反应器设计方程由式（3.1-1）可知：（3.2-1）对于间歇反应过程，（3.2-2）由于，（3.2-3）所以，（3.2-4）故：（3.2-5）分离变量积分得：（3.2-6）根据间歇反应器的特点，选择反应器的有效体积VR为单元体积，单元时间为dt。2、间歇反应器设计方程由式（3.1-1）可知：（3.2-1）10 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang式（3.2-6）的几何意义如下图：图3-3 恒容情况BR的图解计算图3-2 BR的图解计算式（3.2-6）的几何意义如下图：图3-3 恒容情况BR的图11 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.2.2 理想置换反应器（平推流反应器）理想置换反应器（平推流反应器）the Plug Flow Reactor1、理想置换反应器的特性、理想置换反应器的特性（1）由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间相同停留时间相同。（2）在同一截面上，不同径向位置的流体特性（组成、浓度同一截面上，不同径向位置的流体特性（组成、浓度等）是一致的等）是一致的。（3）在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变随时间改变。3.2.2 理想置换反应器（平推流反应器）the Plug12 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang2、等温理想置换反应器的设计方程、等温理想置换反应器的设计方程图3-5 平推流反应器物料衡算示意图根据平推流反应器的特点，选择单元时间d及单元体积dV（下图所示）。物料衡算：（3.2-7）定常态下：（3.2-8）由于，（3.2-10）所以，（3.2-11）所以：（3.2-9）2、等温理想置换反应器的设计方程图3-5 平推流反应器物料衡13 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang故：（3.2-12）分离变量积分得：（3.2-13）对于恒容过程：（3.2-14）式（3.2-14）的几何意义如图3-6：图3-6 PFR的图解计算常用的数值积分法对（3.2-14）进行积分运算，如辛普森法：（3.2-15）故：（3.2-12）分离变量积分得：（3.2-13）对于恒容14 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.2.3 全混流反应器全混流反应器 the Continuous Stirred Tank Reactor1、全混流反应器的特性、全混流反应器的特性（1）物料在反应器内充分返混。（2）反应器内各处物料参数均一。（4）连续、稳定流动，是一个定常态过程。（3）反应器的出口组成与器内物料组成相同。搅拌器进料口出料口图3-7 全混流反应器示意图2024/6/1化学反应工程均相理想反应器3.2.3 全混流反应器 the Continuous St15 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang2、全混流反应器的设计方程、全混流反应器的设计方程物料衡算：（3.2-16）定常态下：（3.2-17）所以：（3.2-18）根据全混流反应器的特点，选择单元时间为平均停留时间 单元体积为整个反应器体积VR。即，（3.2-19）或，（3.2-20）（3.2-21）对于恒容过程：或，（3.2-22）2、全混流反应器的设计方程物料衡算：（3.2-16）定常态下16 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang式（3.2-22）的几何意义如图3-8：图3-8 CSTR的图解计算式（3.2-22）的几何意义如图3-8：图3-8 CSTR的17 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.3 非等温条件下理想反应器的设计非等温条件下理想反应器的设计3.3.1 间歇反应器的热量衡算间歇反应器的热量衡算建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：（3.3-1）已知：所以，热量衡算式为：（3.3-2）3.3 非等温条件下理想反应器的设计非等温条件下反应器的设计18 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang结合动力学方程式：（3.3-3）物料衡算是为：（3.3-4）2、绝热条件时、绝热条件时Qu=0：（3.3-7）积分得绝热操作线方程：（3.3-8）（3.3-9）（3.3-5）1、等温条件时、等温条件时 ：（3.3-6）所以式（3.3-6）用差分法联立动力学方程式解。结合动力学方程式：（3.3-3）物料衡算是为：（3.3-4）19 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.3.2 平推流反应器的热量衡算平推流反应器的热量衡算建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：（3.3-10）已知：所以，热量衡算式为：（3.3-11）整理得：（3.3-12）物料衡算式为：（3.3-13）3.3.2 平推流反应器的热量衡算建立单元体积和单元时间（如20 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang动力学方程式：（3.3-14）1、等温条件时、等温条件时 ：2、绝热条件时、绝热条件时Qu=0：式（3.3-16）用差分法联立动力学方程式解。（3.3-15）（3.3-16）所以（3.3-17）积分得绝热操作线方程：（3.3-19）（3.3-18）动力学方程式：（3.3-14）1、等温条件时 21 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：（3.3-20）已知：3.3.3 全混流反应器的热量衡算全混流反应器的热量衡算所以，热量衡算式为：（3.3-21）物料衡算式为：（3.3-22）动力学方程式：（3.3-23）建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：（322 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang1、等温条件时、等温条件时：2、绝热条件时、绝热条件时Qu=0：（3.3-24）（3.3-25）即（3.3-28）积分得绝热操作线方程：（3.3-27）（3.3-26）1、等温条件时：2、绝热条件时Qu=0：（3.3-24）（23 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.4 理想流动反应器组合理想流动反应器组合3.4.1 理想流动反应器的并联组合理想流动反应器的并联组合在工业生产中，为了满足不同的要求，有时将相同或不同型式的反应器组合在一起。1、平推流反应器的并联操作、平推流反应器的并联操作若干个体积相同或不同的平推流反应器并联在一起，如何如何使最终转化率达到最高或使反应器体积最小？使最终转化率达到最高或使反应器体积最小？如有两个并联PFR，VR=VR1+VR2（3.4-1）（3.4-2）因为是并联操作，故 V0=V01+V02（3.4-3）（3.4-4）3.4 理想流动反应器组合3.4.1 理想流动反应器的并联组24 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang当反应温度相同，反应器体积最小时：（3.4-5）（3.4-6）（3.4-7）结论：要使结论：要使反应器体积最小反应器体积最小，并联操作的多个平推流反并联操作的多个平推流反应器，其体积流量应按反应器体积大小分派。应器，其体积流量应按反应器体积大小分派。（3.4-8）2、全混流反应器的并联操作、全混流反应器的并联操作结论：多个全混流反应器并联操作，达到相同的转化率要结论：多个全混流反应器并联操作，达到相同的转化率要使反应器使反应器体积最小体积最小，与平推流反应器一样与平推流反应器一样，必须使：，必须使：1=2=N（3.4-9）（3.4-10）当反应温度相同，反应器体积最小时：（3.4-5）（3.4-625 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang1、平推流反应器的串联操作、平推流反应器的串联操作3.4.2 理想流动反应器串联操作理想流动反应器串联操作考虑N个平推流反应器串联操作，如图3-9所示：就反应组分A对任意反应器i作物料衡算，并积分得：图3-9 平推流反应器串联操作（3.4-11）对串联N个反应器而言：（3.4-12）即：（3.4-13）2024/6/1261、平推流反应器的串联操作3.4.2 理想流动反应器串联操作 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang结论：结论：N个平推流反应器个平推流反应器串联操作串联操作，其总体积，其总体积VR与一个体与一个体积为积为VR的单个平推流反应器的单个平推流反应器所能获得的所能获得的转化率相同转化率相同。2、全混流反应器的串联操作、全混流反应器的串联操作考虑N个全混流反应器串联操作，如图3-10所示：图3-10 全混流反应器串联操作示意图对恒容、定常态系统，就任意釜i对关键组分A作物料衡算得：（3.4-14）对于N釜串联系统，总空间时间：=1+2+N（3.4-15）结论：N个平推流反应器串联操作，其总体积VR与一个体积为VR27 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang式（3.4-15）的几何意义如图3-11所示：图3-11 多釜串联反应器的空间时间（3.4-16）2024/6/128式（3.4-15）的几何意义如图3-11所示：图3-11 多 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigangA 解析法确定出口浓度或转化率解析法确定出口浓度或转化率（1）0级反应，恒温恒容过程，根据设计方程，得：（3.4-17）（3.4-18）A 解析法确定出口浓度或转化率（1）0级反应，恒温恒容过程29 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（2）1级反应，恒温恒容过程，根据设计方程得：（3.4-19）（3.4-20）（2）1级反应，恒温恒容过程，根据设计方程得：（3.4-1930 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（3）2级反应，恒温恒容过程，根据设计方程得：（3.4-21）（3.4-22）（3）2级反应，恒温恒容过程，根据设计方程得：（3.4-2131 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigangB 图解法确定出口浓度或转化率图解法确定出口浓度或转化率（3.4-24）重排得：根据多釜串联反应器的设计方程：（3.4-23）式（3.4-24）的几何意义是：图3-12 多釜串图解示意图B 图解法确定出口浓度或转化率（3.4-24）重排得：根据32 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.5 循环反应器循环反应器3.5.1 循环反应器的基本假设循环反应器的基本假设1、为了控制反应物的合适浓度，以便于控制温度、转化率和收率。2、为了提高原料的利用率。3.5 循环反应器3.5.1 循环反应器的基本假设1、为了控33 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.5.2 循环反应器设计方程式循环反应器设计方程式循环反应器如图3-13所示：1、定义循环比、定义循环比：3.5-1新鲜进料总进料出料循环料V3图3-13 循环反应器示意图M3.5.2 循环反应器设计方程式循环反应器如图3-13所示：34 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang2、物料衡算：、物料衡算：对于整个反应器而言，3.5-23.5-33.5-4对图3-14中点M作物料衡算可知：3.5-53.5-63.5-7对比式（3.5-5）和式（3.5-7）得：3.5-82、物料衡算：对于整个反应器而言，3.5-23.5-33.535 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang所以：3.5-10根据PFR的设计方程式可知：3.5-9 循环反应器设计方程式 循环反应器设计方程式讨论3.5-11（1）当=0时，式（3.5-10）为：变为普通活塞流反应器的计算公式。（2）当时，3.5-12所以：3.5-10根据PFR的设计方程式可知：3.5-9 循36 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang反应器处于恒 下操作，3.5-13变为全混流反应器的计算公式。（3）当00的不可逆等温反应均有图示特征。可见采用可见采用PFR所用反应器容积最小，多个所用反应器容积最小，多个CSTR串联次之串联次之。P F R多个CSTR串联图3-15 n0时、单一反应、所需不同反应器容积的比较CSTR3.6-1 单一不可逆反应评比1、单一不可逆反应过程PFR与42 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang如图3-16所示，对于一切n0的不可逆等温反应均有图示特征。可见采用可见采用CSTR所用反应器容积最小，多个所用反应器容积最小，多个CSTR串联次之串联次之。P F R多个CSTR串联图3-16 n0时、单一反应、所需不同反应器容积的比较CSTR如图3-16所示，对于一切n0时，选用PFR，BR，CSTR串比选用CSTR更经济，反 应级数增加，这种趋势增加。（2）n45 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.6-2 自催化反应自催化反应如图3-17所示，自催化反应和绝热操作的放热反应具有这种特征。CSTR或PFRCSTR+PFRAB面积A=B最优循环比下操作的PFR图3-17 存在极小值时、单一反应、不同反应器或组合型式的容积的比较CSTRR-PFRPFR3.6-2 自催化反应如图3-17所示，自催化反应和绝热操作46 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（1）低低 转转 化化 率率 时时，采采 用用C S T R优优 于于P F R。结论：（2）高高转转化化率率时时，采采用用CSTR+PFR反反应应器器组组合合，容容积积 最最 小小，最最 优优 循循 环环 比比 下下 操操 作作 的的P F R次次 之之。（1）低转化率时，采用CSTR优于PFR。结论：（2）高转化47 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.6-3 可逆反应可逆反应1、可逆吸热反应、可逆吸热反应图3-18 可逆吸热反应采用PFR时的情况结论：使用PFR，反应器体积最小。3.6-8对于可逆反应A B，动力学方程式为：3.6-7（1）反应器选型）反应器选型3.6-3 可逆反应1、可逆吸热反应图3-18 可逆吸热反应48 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（2）温度对反应速率的影响）温度对反应速率的影响由于是吸热反应，E1 E2。3.6-10对于可逆反应A B，动力学方程式为：3.6-9可逆吸热反应图3-19 反应温度对可逆吸热反应速度的影响结论：升高温度对可逆吸热反应有利，但要考虑催化剂或设备材质的耐热情况。（2）温度对反应速率的影响由于是吸热反应，E1 E2。3.49 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang2、可逆放热反应、可逆放热反应3.6-11（1）反应器选型）反应器选型结论：使用PFR或CSTR串联，反应器体积最小。（2）温度对反应速率的影响）温度对反应速率的影响由于是吸热反应，E10时，PFR、BR平均选择率与瞬时选择率的关系（1）对于平推流和间歇反应器，平均选择率 和瞬时选择率SP的关系为：3.6-73.6-8式（3.6-8）的几何意义如下图：图3-55 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（2）对于全混流反应器，釜内浓度均一，且等于出口浓度，所以：（3）对N个串联的全混流反应器，进口和各釜中A的浓度分别为 则有：3.6-93.6-10（2）对于全混流反应器，釜内浓度均一，且等于出口浓度，所以：56 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3、影响瞬时选择率的关系、影响瞬时选择率的关系将动力学方程代入得：3.6-113.6-123、影响瞬时选择率的关系为了增加目的产物的收率，必须从反应器57 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（1）温度对选择性的影响减小增大增大减小T升高E1 E2结论：升高温度，总是对活化能大的反应有利。若主反应活化能大，则应升高温度。反之，则应降低温度。（1）温度对选择性的影响减小增大增大减小T升高E1 E2E58 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（2）浓度对选择性的影响动力学特点对浓度的要求操作示意图加料方法瞬间加入所有的A和B缓慢加入A和B先把A全部加入，然后缓慢加入BI 间歇操作时，为提高SP,各种动力学条件下操作方式的变化。ABABBA（2）浓度对选择性的影响动力学特点对浓度的要求操作示意图加料59 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigangII 连续操作时，为提高SP,各种动力学条件下操作方式的变化及浓度分布。动力学特点浓度的要求操作示意图浓度分布图ABABABABABBBAB分离器AII 连续操作时，为提高SP,各种动力学条件下操作方式的变60 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.6-5 连串反应连串反应3.6-133.6-143.6-15定义3.6-5 连串反应为了提高中间产物P的收率，应尽可能使k161 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang对于一级反应：（1）温度对选择性的影响减小增大增大减小T升高E1 E2结论：升高温度，总是对活化能大的反应有利。若主反应活化能大，则应升高温度。反之，则应降低温度。这一点与平行反应是一致的。3.6-161、影响因素、影响因素对于一级反应：（1）温度对选择性的影响减小增大增大减小T升高62 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（2）浓度对选择性的影响有公式（3.6-16）可知，提高 浓度，降低 浓度，有利于提高瞬时转化率，显然PFR（或BR）比CSTR易满足这一条件。2、反应器计算、反应器计算（1）CSTR的计算（）以一级连串反应为例：恒容过程中，在CSTR中对A作物料衡算：3.6-17（2）浓度对选择性的影响有公式（3.6-16）可知，提高 63 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.6-183.6-193.6-203.6-213.6-223.6-233.6-243.6-183.6-193.6-203.6-213.6-2264 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（2）PFR的计算（）以一级连串反应为例：恒容过程中，在PFR中任取一微元体对A作物料衡算：3.6-253.6-263.6-273.6-283.6-29（2）PFR的计算（65 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang确定积分常数c3.6-303.6-313.6-323.6-333.6-34确定积分常数c3.6-303.6-313.6-323.6-366 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang3.6-353.6-363.6-373.6-383.6-353.6-363.6-373.6-3867 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang（3）PFR和CSTR平均选择率的比较利用公式（3.6-16）计算在PFR和CSTR中的选择率得下图。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.20.40.60.81.0图3-21 连串反应在两种简单反应器中平均选择率比较讨论：（3）PFR和CSTR平均选择率的比较利用公式（3.6-1668 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang全混流反应器的特性课件69 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigangEND THE CHAPTERThank you.END THE CHAPTERThank you.70