理想反应器--课件

时时 间间标志性成果标志性成果20世纪30年代（萌芽阶段）对扩散、流体流动和传对反应过程影响的深刻认识20世纪40年代（系统化）化学过程原理和化学动力学中的扩散与传热出现，对学科形成奠定了基础 20世纪50年代（学科确立）学科确立，学科第一次国际性的学术会议在欧洲召开，第一次使用了化学反应工程这一术语20世纪60年代(学科发展状大)石油化工的发展要求生产的大进化，产品的多样化和深加工促进了实验研究和生产实际的结果，产品研发周期缩短 20世纪80年代到90年代中期(学科交叉和新技术运用)计算机和徽电子技术普遍应用实现了反应器的精确控制问题。通过与其它学科的交驻形成了一系列新的交叉学科。此外,反应与分离过程的结合出现了多功能反应器20世纪90年代环境保护意识的深厚感情对化学反应工程学科提出了新的要求、新的环境友好、原子经济的绿色反应工艺的出现，对能源开发和存放利用的贡献1ppt课件均相非均相低分子体系高分子体系反应动力学反应器中的传递现象定常态非定常态实验室研究计算机模拟化学反应工程学的发展历程：Back 1ppt课件第一章第一章 绪论绪论1.1.2 化学反应工程的范畴和任务 无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：第和两部分属于单元操作的研究范围；而部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。1ppt课件原料预处理原料预处理化学反应化学反应产品分离产品分离与提纯与提纯核心核心目的产物产生目的产物产生高纯度产物高纯度产物脱出杂质脱出杂质*化学反应工程是化工生产的核心化学反应工程是化工生产的核心1ppt课件*化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应工程学化学动力学化学动力学化学工程化学工程化学过程化学过程物理过程物理过程催催化化剂剂反反应应机机理理温温度度浓浓度度流流体体流流动动传传质质传传热热指导工业反应过程开发反反应应器器的的结结构构型型式式操操作作方方式式工工艺艺条条件件1ppt课件第一章第一章 绪论绪论定义：顾名思义，化学反应工程学是一门研究化学反应的工程问题的科学。既以化学反应作为对象，就必然要掌握这些化学反应的特性；它又以工程问题为其对象，那就必须熟悉装置的特性，并把这两者结合起来形成学科体系。图1.2就是表示化学反应工程学范畴以及它与其它学科关系的一个示意图。1ppt课件第一章第一章 绪论绪论化学热力学化学热力学：确定物系的各种物性常数(如热容,反应热、压缩因子等)；分析反应的可能性和可能达到的程度等，如计算反应的平衡常数和平衡转化率等。反应动力学反应动力学：专门阐明化学反应速率(包括主反应及副反应)与各项物理因素(如浓度温度、压力及催化剂等)之间的定量关系。催化剂催化剂：如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂中活性组分的有效分布、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等。1ppt课件设备型式、操作方法和流程设备型式、操作方法和流程：“放大效应”，工业装置的反应条件必须结合工程上的考虑才能最合理地确定；反应不同，规模不同，合适的反应器型式和操作方式也会不同；工艺流程与工艺与工程密切结合、综合考虑，热量传递/温度控制、物料是否循环等。传递工程传递工程：传递过程与反应动力学是构成化学反应工程最基本的两个支柱。所谓三传一反乃是反应工程学的基础也正是这个意思。工程控制工程控制：对于反应装置而言是最优化的条件，来必就整个生产系统也是最优化的，此时，装置就只能服从系统。反应过程的分析、反应技术的开发和反应器的设计反应过程的分析、反应技术的开发和反应器的设计 作为反应工程本身的专门范畴是对各种反应过程进行工程分析，进行为技术开发所需的各项研究，制定出最合理的技术方案和操作条件以及进行反应器或反应系统的设计。1ppt课件第一章第一章 绪论绪论注意：化学反应是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而反应器总体的性态对其有很大的影响。所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上）着手。化学反应工程学知识的作用(1)改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率。(2)开发新的技术和设备。(3)指导和解决反应过程开发中的放大问题。(4)实现反应过程的最优化。(5)不断发展反应工程学的理论和方法。1ppt课件第一章第一章 绪论绪论1.2化学反应的分类（反应工程学科）化学反应的分类（反应工程学科）1ppt课件第一章第一章 绪论绪论1.3反应器的分类种类种类特点特点应用范围应用范围管式反应器长度远大于管径,内部没有任何构件多用于均相反应过程釜式反应器高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板均相、多相反应过程均可塔式(填料塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积用于多相反应过程固定床底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物用于多相反应系统流化床反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能多相反应体系，可以提高传热速率移动床固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触用于多相体系，催化剂可以连续再生滴流床是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种属于固定床的一种，用于使用固体催化剂的气液反应过程1ppt课件1ppt课件第一章第一章 绪论绪论反应器的类型和特点反应器的类型和特点 1ppt课件第一章第一章 绪论绪论l.4 化学反应工程的基本方法 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就是要用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模型。根据问题复杂程度的不同和对所描述的范围以及要求精度的不同，人们按已有的认识程度和需要，写出的数学模型的繁简程度也是不同的。在化学反应工程中，数学模型主要包括下列一些内容：(1)(1)动力学方程式动力学方程式(2)(2)物料衡算式物料衡算式(3)(3)热量衡算式热量衡算式 (4)(4)动量衡算式动量衡算式(5)(5)参数计算式参数计算式 1ppt课件 在建立这些方程式时，有些是需要经过实验才能解决的，在建立这些方程式时，有些是需要经过实验才能解决的，依靠试验获得数据。依据这些资料，就写出物料、热量、动依靠试验获得数据。依据这些资料，就写出物料、热量、动量衡算式，其一般形式如下：量衡算式，其一般形式如下：累计量累计量 =输入量输入量 输出量输出量1ppt课件第一章第一章 绪论绪论1.5 化学反应工程的学科系统和编排 我们知道，化学反应是反应过程的主体，而装置则是实现这种反应的客观环境。反应本身的特性是第一性的，而反应动力学就是描述这种特性的。因此动力学是代表过程的本质性的因素，而装置的结构、型式和尺寸则在物料的流动、混合、传热和传质等方面的条件上发挥其影响。按操作方法分：分批式操作、连续式、半分批操作按操作方法分：分批式操作、连续式、半分批操作按反应装置的结构型式分：管式、塔式、釜式、固定床、流化床按反应装置的结构型式分：管式、塔式、釜式、固定床、流化床按化学反应的相态分：气相、液相的均相过程，气按化学反应的相态分：气相、液相的均相过程，气固相、气固相、气液相、液液相、液液相等非均相过程液相等非均相过程1ppt课件第三章 理想流动反应器西安建筑科技大学西安建筑科技大学化学工程与工艺研究所化学工程与工艺研究所1ppt课件反应器选型、反应器选型、设计和优化设计和优化反应器中的反应器中的流动状况影流动状况影响反应结果响反应结果数学数学模型模型流动流动模型模型对实际过程对实际过程的简化的简化理想理想模型模型非理想非理想模型模型第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器建立模型的建立模型的基本方法基本方法理想气体状态方程1ppt课件间歇反应器间歇反应器平推流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器完全没有返混返混极大(a)(b)(c)1ppt课件第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器l间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor(BSTR)特点：特点：反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间。1ppt课件第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 第第一节一节 流动模型概述流动模型概述平推流反应器 Piston Flow Reactor(PFR)活塞流模型或理想置换模型活塞流模型或理想置换模型1ppt课件第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 第第一节一节 流动模型概述流动模型概述假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动特点：沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参数，如温度、浓度、压力、流速都相同，因此，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。1ppt课件第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor(CSTR)第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 第第一节一节 流动模型概述流动模型概述连连续续搅搅拌拌槽槽式式反反应应器器或或理理想想混混合合反反应应器器1ppt课件第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 第第一节一节 流动模型概述流动模型概述假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。特点：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，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。1ppt课件年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。是对仍留在反应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。是对已经离开反应器的物料质点而言的。返混：返混：又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合。是时间概念上的混合。第三章第三章 理想流动反应器理想流动反应器 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述1ppt课件 BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)2年龄 年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同3寿命 寿命相同(中止)寿命相同(出口)寿命不同(出口)4返混 全无返混 全无返混 返混极大反应器特性分析反应器特性分析 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述1ppt课件5 浓度分布-推动力反应器特性分析反应器特性分析 第一第一节节 流动模型概述流动模型概述反应推动力随反应时间逐渐降低反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低反应推动力不变，等于出口处反应推动力1ppt课件偏离平推流的情况非理想流动模型非理想流动模型 第一第一节节 流动模型概述流动模型概述漩涡运动：涡流、漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料湍动、碰撞填料截面上流截面上流速不均匀速不均匀沟流、短路：填料或沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀催化剂装填不均匀1ppt课件1ppt课件非理想流动模型非理想流动模型 第一第一节节 流动模型概述流动模型概述偏离全混流的情况死角死角短路短路搅拌造成搅拌造成的再循环的再循环1ppt课件流动状况对化学反应的影响 -由物料停留时间不同所造成由物料停留时间不同所造成非理想流动模型非理想流动模型 第一第一节节 流动模型概述流动模型概述短路、沟流短路、沟流停留时间减少停留时间减少转化率降低转化率降低死区、死区、再循环再循环停留时停留时间过长间过长A+BP：有效反应体积减少：有效反应体积减少A+BPS 产物产物P减少减少 停留时间的不均停留时间的不均1ppt课件3-2 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模流动模型概述型概述反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式 反应动力学特性反应动力学特性+反应器的流动特征反应器的流动特征+传递特性传递特性确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件 最大反应效果最大反应效果+反应器的操作稳定性反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积计算所需反应器体积 规定任务规定任务+反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺寸的优化1ppt课件反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流流动模型概述动模型概述the kinetic equationthe mass balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equation第二章中讲过第二章中讲过计算反应体积计算反应体积计算温度变化计算温度变化计算压力变化计算压力变化1ppt课件反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述物料衡算方程某组分流入量某组分流入量=某组分流出量某组分流出量+某组分反应消耗量某组分反应消耗量+某组分累积量某组分累积量反应消耗累积流入流入流出流出反应单元反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态1ppt课件反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述热量衡算方程带入的热焓带入的热焓=带出的热焓带出的热焓+反应热反应热+热量的累积热量的累积+传给环境的热量传给环境的热量反应热累积带入带入带出带出反应单元反应单元反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态传给环境传给环境1ppt课件反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 第一节第一节 流动模型概述流动模型概述动量衡算方程 气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。1ppt课件第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器3-3 间歇反应器特点:1 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；了物质传递对反应的影响；2 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；虑器内的热量传递问题；3 3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。同的反应时间。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产产品生产 精细化工产品的生产精细化工产品的生产缺点缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定1ppt课件间歇反应器的数学描述间歇反应器的数学描述 第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器对整个反应器进行物料衡算：流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量00单位时间内反应量单位时间内反应量 =单位时间内消失量单位时间内消失量等容过程，液相反应等容过程，液相反应1ppt课件间歇反应器的数学描述间歇反应器的数学描述 第二节第二节 理想理想流动反应器流动反应器实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(t)反应体积反应体积V VR R是指反应物料在反应器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积 V VR R=V(t+t=V(t+t)1/rA xAt/CA01/rA CAt1ppt课件反应速率rA=kCArA=kCA2间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应 第二节第二节 理想理想流动反应器流动反应器1ppt课件间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应 第二节第二节 理想流动理想流动反应器反应器1ppt课件k k增大增大(温度升高）温度升高）t t减少减少反应体积减小反应体积减小间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应 第二节第二节 理想流动理想流动反应器反应器2.反应浓度反应浓度的影响的影响1.k的影响的影响零级反应：零级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应：一级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应：二级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比3.残余浓度残余浓度零级反应：残余浓度随零级反应：残余浓度随t t直线下降直线下降一级反应：残余浓度随一级反应：残余浓度随t t逐渐下降逐渐下降二级反应：残余浓度随二级反应：残余浓度随t t慢慢下降慢慢下降反应后期的速度很小；反应机理的变化1ppt课件1.连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；2.径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；3.反应物料具有相同的停留时间。3-4 平推流反应器平推流反应器 第二节理想第二节理想流动反应器流动反应器一一.特点：特点：1ppt课件二二.基本公式：基本公式：第二节理第二节理想流动反应器想流动反应器流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量01ppt课件二二.基本公式：基本公式：第二节理想流动反第二节理想流动反应器应器1.k与xA的关系等温时等温时k k为常数为常数2.V0与xA的关系等分子反应？变分子反应？等分子反应？变分子反应？3.等容过程与间歇反应器的公式相同与间歇反应器的公式相同1ppt课件二二.等温平推流反应器的计算等温平推流反应器的计算 第二节理想流第二节理想流动反应器动反应器1ppt课件二二.等温平推流反应器的计算等温平推流反应器的计算 第二节理想流动第二节理想流动反应器反应器1ppt课件3-5 全混流反应器全混流反应器 第二节理第二节理想流动反应器想流动反应器反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。于反应器流出物料的浓度和温度。流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0进口中已有进口中已有A1ppt课件3-5 全混流反应器全混流反应器 第二节理想流动反应器第二节理想流动反应器全混流反应器全混流反应器的图解积分的图解积分1ppt课件平推流反应器与全混流反应器的比较平推流反应器与全混流反应器的比较1ppt课件三种理想反应器的特点及其基本方程的建立作业：作业：3-23-2，3-43-4，3-53-51.掌握三种理想反应器的基本概念、特点；2.掌握建立基本设计方程的方法；3.记住零级反应、一级反应、二级反应的积分式（浓度和转化率）4.能够利用反应器流动模型方程计算反应体积和所需反应时间。要求：1ppt课件