反应工程第三章第四、五、六、七节课件

第三章第三章第三章第三章 釜式及均相管式反应器釜式及均相管式反应器釜式及均相管式反应器釜式及均相管式反应器第三章 釜式及均相管式反应器本本 章章 内内 容容v第一节第一节 间歇釜式反应器间歇釜式反应器v第二节第二节 连续流动均相管式反应器连续流动均相管式反应器v第三节第三节 连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器v第四节第四节 理想流动反应器的组合和比较理想流动反应器的组合和比较v第五节第五节 多重反应的选择性多重反应的选择性v第六节第六节 半间歇釜式反应器半间歇釜式反应器v第七节第七节 釜式反应器中进行的多相反应釜式反应器中进行的多相反应本 章 内 容第一节 间歇釜式反应器www.zqu.edu.2第四节第四节 理想流动反应器的组合和比较理想流动反应器的组合和比较讨论等温下两个体积相同的理想反应器组合，进讨论等温下两个体积相同的理想反应器组合，进行一级不可逆等容单一反应的几种情况。行一级不可逆等容单一反应的几种情况。一、理想流动反应器的组合一、理想流动反应器的组合第四节 理想流动反应器的组合和比较讨论等温下两个体积相同的理3a.a.两个全混釜并联两个全混釜并联b.b.两个全混釜串联两个全混釜串联c.c.平推流全混流平推流全混流(串联串联)d.d.全混流平推流全混流平推流(串联串联)e.e.平推流反应器并联平推流反应器并联f.f.平推流反应器串联平推流反应器串联g.g.平推流全混流平推流全混流(并联并联)a.两个全混釜并联b.两个全混釜串联c.平推流全混流(串联4当反应温度、流量、初始浓度当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一及各反应器体积相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。a.a.两个全混釜并联两个全混釜并联反应器所能达到的出口浓度为混合反应器所能达到的出口浓度为混合后的出口浓度。后的出口浓度。当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一级不5当反应温度、流量、初始浓度当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一及各反应器体积相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。b.b.两个全混釜串联两个全混釜串联当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一级不6当反应温度、流量、初始浓度当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一及各反应器体积相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。c.c.平推流全混流平推流全混流(串联串联)当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一级不7当反应温度、流量、初始浓度当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一及各反应器体积相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。d.d.全混流平推流全混流平推流(串联串联)当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一级不8当反应温度、流量、初始浓度当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一及各反应器体积相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。e.e.平推流反应器并联平推流反应器并联当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一级不9当反应温度、流量、初始浓度当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一及各反应器体积相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。f.f.平推流反应器串联平推流反应器串联当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一级不10当反应温度、流量、初始浓度当反应温度、流量、初始浓度0 0及各反应器体积相同时，进行一及各反应器体积相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。g.g.平推流全混流平推流全混流(并联并联)当反应温度、流量、初始浓度0及各反应器体积相同时，进行一级不11a.a.两个全混釜并联两个全混釜并联b.b.两个全混釜串联两个全混釜串联c.c.平推流全混流平推流全混流(串联串联)d.d.全混流平推流全混流平推流(串联串联)e.e.平推流反应器并联平推流反应器并联f.f.平推流反应器串联平推流反应器串联g.g.平推流全混流平推流全混流(并联并联)a.两个全混釜并联b.两个全混釜串联c.平推流全混流(串联12以上几种组合方式中，以上几种组合方式中，(c)与与(d)等效，等效，(e)与与(f)等效。等效。各种组合反应器的最终浓度的大小依次为各种组合反应器的最终浓度的大小依次为:各种组合反应器的最终转化率的大小依次为各种组合反应器的最终转化率的大小依次为:以上几种组合方式中，(c)与(d)等效，(e)与(f)等效13解：解：2，间歇反应器中，间歇反应器中(1)在单个中在单个中即即【例题】【例题】的操作特点。某二级液相反应的操作特点。某二级液相反应 ，已知，已知00，在间歇反应器中达到，在间歇反应器中达到0.99，需反应时间，需反应时间10。问：。问：(1)在全混流在全混流反应器中进行时，反应器中进行时，应为多少？应为多少？(2)在两个串联全混流反应器中在两个串联全混流反应器中进行时，进行时，又为多少？又为多少？解：2，间歇反应器中(1)在单个中即【例题】的操作特点。14二、理想流动反应器的体积比较二、理想流动反应器的体积比较基本条件：等温、等容过程，且基本条件：等温、等容过程，且V0、0、相同。相同。表示间歇反应器体积；表示间歇反应器体积；表示平推流反应器体积；表示平推流反应器体积；表示全混流反应器体积；表示全混流反应器体积；表示多级全混流反应器体积。表示多级全混流反应器体积。间歇反应器间歇反应器二、理想流动反应器的体积比较基本条件：等温、等容过程，且V019 平推流反应器平推流反应器全混流反应器全混流反应器间歇反应器间歇反应器 平推流反应器全混流反应器间歇反应器www.zqu.e201对作图，即曲线。对作图，即曲线。OABDC11矩形的面积矩形的面积曲线下边的面积曲线下边的面积所以所以1对作图，即曲线。OABDC11矩形的面积曲线下边的面积所21两者的差距为图形的面积，因此转化率越大，两者的差距越两者的差距为图形的面积，因此转化率越大，两者的差距越大，可采用低转化率操作减少返混的影响，但原料不能充分大，可采用低转化率操作减少返混的影响，但原料不能充分利用。利用。可采用循环操作将未反应的物料从反应产物中分离出来，返可采用循环操作将未反应的物料从反应产物中分离出来，返回到反应系统中。回到反应系统中。xAxAfOABDC1/xA1/xAf即即V0、0、相同时，全混流相同时，全混流反应器所需的体积大于平推反应器所需的体积大于平推流反应器的体积。流反应器的体积。这是由于前者存在返混造成这是由于前者存在返混造成的。的。对反应级数越高以及反应过程中增加越多的反应，返混的影对反应级数越高以及反应过程中增加越多的反应，返混的影响越严重，两者的体积差别越大。响越严重，两者的体积差别越大。两者的差距为图形的面积，因此转化率越大，两者的差距越大，可采22例如对于一级不可逆单一等容反应，全混釜串联的总体积与例如对于一级不可逆单一等容反应，全混釜串联的总体积与单个平推流体积之比为。单个平推流体积之比为。多级全混釜串联操作可以减少返混，提高反应推动力，使全混多级全混釜串联操作可以减少返混，提高反应推动力，使全混流反应器所需的体积与平推流反应器所需的体积的差别减小。流反应器所需的体积与平推流反应器所需的体积的差别减小。以为纵坐标，以为纵坐标，(1)为横坐标，将上式作图如下。为横坐标，将上式作图如下。例如对于一级不可逆单一等容反应，全混釜串联的总体积与单个平推23例如对于一级不可逆单一等容反应，全混釜串联的总体积与例如对于一级不可逆单一等容反应，全混釜串联的总体积与单个平推流体积之比为单个平推流体积之比为111.0以为纵坐标，以为纵坐标，(1)为横坐标，为横坐标，m为参变量，将上式作图如下。为参变量，将上式作图如下。0.11246k=例如对于一级不可逆单一等容反应，全混釜串联的总体积与单个平推24结论如下：结论如下：(1)当当m一定时，越大，则越大，远离平推流。一定时，越大，则越大，远离平推流。111.00.11246k=5020105210.01(2)当一定时，当一定时，m越大，则越小，接近平推流。越大，则越小，接近平推流。(3)当当 k 一定时，一定时，m越大，则越大，则1 越小。越小。结论如下：(1)当m一定时，越大，则越大，远离平推流。1125一、平行反应一、平行反应AL(主反应主反应)M(副反应副反应)或或L(主反应主反应)M(副反应副反应)令为主反应速率，令为主反应速率，为副反应速率，两者之比为对比速率为副反应速率，两者之比为对比速率瞬时选择率为关键组分瞬时选择率为关键组分A在总反应速率中生成主产物的反应在总反应速率中生成主产物的反应速率，即速率，即总选择率定义为总选择率定义为第五节第五节 多重反应的选择率多重反应的选择率一、平行反应AL(主反应)M(副反应)或L(主反应)M26如果知道瞬时选择率与浓度的变化关系，就可以确定它的总如果知道瞬时选择率与浓度的变化关系，就可以确定它的总选择率。总选择率是反应过程中或反应器中瞬时选择率的积选择率。总选择率是反应过程中或反应器中瞬时选择率的积分值，对于平推流反应器分值，对于平推流反应器总选择率定义为总选择率定义为对于全混流反应器对于全混流反应器如果知道瞬时选择率与浓度的变化关系，就可以确定它的总选择率。27AL(主反应，主反应，n1级，活化能为级，活化能为E1)M(副反应，副反应，n2级，活化能为级，活化能为E2)由选择率定义，可得由选择率定义，可得温度对选择率的影响由温度对选择率的影响由k21所确定，由阿罗尼乌斯方程可知所确定，由阿罗尼乌斯方程可知(1)(1)选择率的温度效应选择率的温度效应E1E2，温度增高有利于选择率的增大。温度增高有利于选择率的增大。E12，选择率与温度无关。，选择率与温度无关。E1n2，浓度升高，选择率的增大。浓度升高，选择率的增大。n12，选择率与浓度无关。，选择率与浓度无关。n1n2，浓度升高，选择率的增大29L(主反应，主反应，n1级，活化能为级，活化能为E1)M(副反应，副反应，n2级，活化能为级，活化能为E2)若相应的速率方程为若相应的速率方程为则瞬时选择率为则瞬时选择率为(3)(3)平行反应加料方式的选择平行反应加料方式的选择只要知道主副反应级数的相对大小，就可确定在反应过程中该只要知道主副反应级数的相对大小，就可确定在反应过程中该组分浓度高低的要求，并决定采用何种反应器或加料方式。组分浓度高低的要求，并决定采用何种反应器或加料方式。L(主反应，n1级，活化能为E1)M(副反应，n2级，活30表表3-6 平行反应的适宜操作方式平行反应的适宜操作方式动力学特点动力学特点 对浓度的要求对浓度的要求 适宜的操作方式适宜的操作方式n1n2 m1m2、都高、都高A、B同时加入的间歇反应器；同时加入的间歇反应器；A、B同时加入的平推流反应器；同时加入的平推流反应器；多段全混釜，多段全混釜，A、B同时加入第一级同时加入第一级n1n2 m1n2 m1m2高、低高、低一次加入一次加入A，缓慢滴加，缓慢滴加B的间歇反应器；的间歇反应器；平推流反应器，入口一次加入平推流反应器，入口一次加入A，沿着管长分，沿着管长分段加入段加入B；多级全混釜，由第一级一次加入多级全混釜，由第一级一次加入A，B分段加分段加入；入；单个全混釜，单个全混釜，A、B同时加入，而后同时加入，而后A从出口从出口物料中分离返回反应器物料中分离返回反应器表3-6 平行反应的适宜操作方式动力学特点 对浓度的要31第三章第三章 小结小结一、基本概念一、基本概念返混；平推流模型；全混流模型；间歇反返混；平推流模型；全混流模型；间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器的特应器、平推流反应器、全混流反应器的特点。点。二、核心内容二、核心内容1 1间歇反应器计算；间歇反应器计算；2 2平推流反应器计算；平推流反应器计算；3 3全混流反应器计算；全混流反应器计算；第三章 小结55反应时间反应时间t的关系的关系 在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间变化，可以通过物料衡算求出反应时间变化，可以通过物料衡算求出反应时间t 和和 的关系式。的关系式。衡算对象：关键组分衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（）衡算基准：整个反应器（）在时间内对在时间内对A作物料衡算：作物料衡算：A流入量流入量=A流出量流出量+A反应量反应量+A累积量累积量第一节第一节 间歇釜式反应器性能的数学描述间歇釜式反应器性能的数学描述反应时间t的关系第一节 间歇釜式反应器性能的数学描述w56积分积分等容过程等容过程上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。已知反应动力学方程和组分已知反应动力学方程和组分A A的浓度变化，就能按此式计算的浓度变化，就能按此式计算反应时间。反应时间。积分等容过程上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。已知反57反应级数反应级数反应速率反应速率残余浓度式残余浓度式转化率式转化率式012n级级n1表表3 31 1 间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的动力学计算结果间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的动力学计算结果反应级数反应速率残余浓度式转化率式012n级表31 间歇反58稳定状态，在单位时间内对稳定状态，在单位时间内对A作物料衡算：作物料衡算：等温平推流反应器等温平推流反应器第二节第二节 平推流均相管式反应器计算的数学模型平推流均相管式反应器计算的数学模型反应器体积反应器体积衡算对象：关键组分衡算对象：关键组分A衡算基准：微元体积衡算基准：微元体积A流入量流入量 A流出量流出量 A反应量反应量 A累积量累积量反应速率在微元体积内是均匀的反应速率在微元体积内是均匀的稳定状态，在单位时间内对A作物料衡算：等温平推流反应器第二节59积分上式，得积分上式，得上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等温、非上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等温、非等温、等容和非等容等过程。等温、等容和非等容等过程。(318)(319)积分上式，得上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等温、60间歇反应器，由式间歇反应器，由式(3-3)可知可知所以间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器！所以间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器！平推流反应器平推流反应器间歇反应器和平推流反应器的关系间歇反应器和平推流反应器的关系如果为等温等容过程如果为等温等容过程间歇反应器，由式(3-3)可知所以间歇反应器中的结论完全适用61反应级数反应速率反应器体积转化率式012n级n1表表3-4 等温等容液相单一不可逆平推流反应器计算式等温等容液相单一不可逆平推流反应器计算式反应级数反应速率反应器体积转化率式012n级表3-4 等62反应器体积：反应器体积：衡算对象：关键组分衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（）衡算基准：整个反应器（）第三节第三节 全混流反应器计算的基本公式全混流反应器计算的基本公式稳定状态：稳定状态：A流入量流入量A流出量流出量 A反应量反应量0式中式中 指按出口浓度计算的反应速率。指按出口浓度计算的反应速率。(3-29)(3-28)(3-30)反应器体积：第三节 全混流反应器计算的基本公式稳定状态：63表表3-5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应结果比较，列出了平推流反应器和全混流反应器的反应结果比较，其中其中 ，这是对等容过程而言。，这是对等容过程而言。对于等容过程，物料平均停留时间为对于等容过程，物料平均停留时间为物料接触时间物料接触时间表3-5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应结果比较，其中64表表3-5 平推流反应器与全混流反应器等温等容液相单一不可逆反应的比较平推流反应器与全混流反应器等温等容液相单一不可逆反应的比较上一页上一页下一页下一页返返 回回表3-5 平推流反应器与全混流反应器等温等容液相单一不可逆反65P111习题习题3-10/0=1时时0/0=5时时P111习题3-10/0=1时0/0=5时www.zqu66P112习题习题3-3时时时时P112习题3-3时时67P112习题习题3-4时时时时P112习题3-4时时68P112习题习题3-7（2）时时P112习题3-7（2）时69作业：作业：习题习题3-1、3-4、3-7的（的（2）。）。作业：70