化工过程开发3反应器的设计课件

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,反应器的设计,在化工生产装置中，反应器的投资虽只占装置总投资的一小部分，但却是化工生产的核心。,一个反应器应尽可能使整个反应过程处于有效而可靠的操作状态下。与此相比，反应器本身的成本经常是微不足道的。例如，一个工业反应器由于不能有效地运行所造成的损失可达每月一百万美元到每天一百万美元。一个反应器不能操作，特别当这个反应器很大时，所带来的经济损失是难于估量的。,放大反应器的主要注意力应集中在它的操作特性及其特定的使命上,动力学问题,是对化学反应规律的研究，是反应的个性问题。由于化学反应规律不因设备尺寸而异，所有化学反应规律可以在小型装置中通过实验揭示。,工程问题,是对反应器的传递规律的研究，工程因素将改变反应场所的温度和浓度。传递规律是反应器属性，基本上不因在其中进行的化学反应而异。然而传递规律受设备尺寸的影响较大，必须在大型装置中进行。,考察的只是传递过程，不需进行化学反应,冷模试验，即利用惰性的模拟物料进行试验，以探明传递过程规律,从微观角度看,，表示化学反应平衡的平衡常数,K,和表示反应速率特征的反应速率常数,k,的热力学关系为：,式中：,H,r,为反应热效应，,J/mol,，即标准活度时的自由能变化；,E,为反应活化能，,J/mol,；,T,为热力学温度，,K,；,R,为摩尔气体常数（,8.314 J/(molK),）,H,r,和,E,的值受反应系统压强的影响，故,平衡常数,K,和反应速率常数,k,只与反应系统的温度和压强有关；而不会因反应器的构型和大小的不同而改变。,从宏观角度出发,，在大型的连续流动反应器内，实际的化学反应速率，除了受反应系统温度和反应物料浓度的影响外，还受物料在反应器内的停留时间及其分布的影响。不同构型反应器内物料的停留时间及其分布不同。在设计反应器时，应考虑构型对宏观系统内化学反应速率的影响。,反应器设计过程的结构,反应器的设计方程,物料衡算方程,热量衡算方程,动量衡算方程,基础设计方程,T,P,间歇操作搅拌釜,等温间歇操作,设在间歇操作釜内进行的化学反应为：,A,R,物料衡算,输入量输出量反应消耗量积累量,物料衡算关系式为：,浓度随时间变化关系示意图,当,t,=0,时，,x,A,=0,对间歇操作搅拌釜进行设计计算时，必须确定处理每一批物料所需的操作时间。操作时间包括反应时间,t,和辅助时间,t,（装料、卸料和清洗等消耗的时间）,已知单位时间应处理的物料的体积流量为,q,v,（生产任务，,m,3,/h,），则所需反应器的有效容积,V,R,，即,V,R,q,v,（,t,+,t,）,反应器的有效容积是指它的装料容积。通常间歇搅拌釜的有效容积只有釜的总体积,V,的,75,85,。即装料系数,0.750.85,。如果反应过程中发生气泡或沸腾等现象，其装料系数,0.40.6,。,故间歇操作搅拌釜的总体积,V,为：,V,V,R,/,连续操作搅拌釜,（,CSTR,）,特点：,连续操作，属于稳定流动。物料的积累项为零,温度、浓度、反应速率处处均一，不随时间变化，且与出口处相同,基础方程,输入量输出量反应消耗量积累量,数学表达式：,F,A0,F,A0,(1,x,A,),(,r,A,),V,R,=0,整理得,F,A0,x,A,(,r,A,),V,R,反应体积,：,V,R,F,A0,x,A,/,(,r,A,),反应器的设计方程,物料衡算方程,热量衡算方程,动量衡算方程,基础设计方程,T,P,动力学方程,衡算对象：反应器的微元,物料衡算式：,流入速率流出速率反应掉的速率累积速率,热量衡算式：,物料带入的热,Q,1,物料带出的热,Q,2,反应产生的热,Q,3,通过热交换传出的热,Q,4,累积的热,Q,5,理想间歇操作釜式反应器,（,Batch Reactor,BR,）,理想连续操作釜式反应器,（,Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR,）,理想连续操作管式反应器,（,Plug Flow Reactor,PFR,）,x,A,t,q,t,t,V,R,q,x,A,V,R,理想反应器,x,A,q,V,R,一、理想间歇操作搅拌釜（,BR,）,1,、等温操作的,BR,设在间歇操作釜内进行的化学反应为：,A,R,（,1,）反应时间的计算,物料衡算：,BR,的物料衡算方程：,恒容体系,对于,BR,，达到一定的转化率所需要的反应时间仅与反应速率有关，而与反应器的大小无关,输入量输出量反应消耗量积累量,对单反应物的,n,级不可逆反应，动力学方程为,当,n,1,时（恒温），,反应级数,动力学方程,残余浓度式,转化率式,零级,(,r,A,)=,k,k,t,c,A0,c,Af,c,Af,c,A0,k,t,k,t,c,A0,x,Af,x,Af,k,t/c,A0,一级,(,r,A,)=,k,c,A,二级,对间歇操作搅拌釜进行设计计算时，必须确定处理每一批物料所需的操作时间。操作时间包括反应时间,t,和辅助时间,t,（装料、卸料和清洗等消耗的时间）,已知单位时间应处理的物料的体积流量为,q,v,（生产任务，,m,3,/h,），则所需反应器的有效容积,V,R,，即,反应器的有效容积是指它的装料容积。通常间歇搅拌釜的有效容积只有釜的总体积,V,的,75,85,。即装料系数,0.750.85,。如果反应过程中发生气泡或沸腾等现象，其装料系数,0.40.6,。,故间歇操作搅拌釜的总体积,V,为：,V,R,q,v,（,t,+,t,）,V,V,R,/,（,2,）反应器体积的计算,2,、非等温操作的,BR,（,1,）,绝热操作的,BR,热量衡算：,Q,3,（反应产生的热）,Q,5,（累积的热）,在,d,t,时间内，反应物,A,实现的转化率为,d,x,A,，系统的温度变化为,d,T,，,则,式中,物料带入的热,Q,1,物料带出的热,Q,2,反应产生的热,Q,3,通过热交换传出的热,Q,4,累积的热,Q,5,（,H,r,）,n,A0,d,x,A,m,T,c,p,d,T,n,A0,反应物,A,的初始物质的量，,mol,H,r,反应的热效应，,J/mol,c,p,反应系统的比热容，,J/(kgK),m,T,反应系统的质量，,kg,T,温度，,K,温度和转化率成直线关系,绝热操作方程：,绝热温升,例：,在搅拌良好的间歇釜式反应器中装有,50kg,乙酐溶液，温度为,288K,，乙酐的浓度为,0.216mol/L,，密度为,1.05kg/L,，比热容为,3.77kJ/(kg,K,),，已知乙酐的水解为假,1,级反应，反应热为,H,r,209.2kJ/(mol,乙酐,),，表观速率常数,求乙酐的转化率为,80,时所需时间。（,1,）在,288K,下恒温操作；（,2,）绝热操作（不考虑反应器本身吸热）,解,：（,1,）对于,1,级反应，,在,288K,时，,（,2,）绝热时，温度不断升高，,数学模型为：,以 对,x,A,作图，图解积分可得,t,13.8 min,对于,BR,，达到相同的转化率，绝热操作用时小于等温操作。绝热反应器简单，而恒温需要及时有效的换热，较复杂，工业上恒温式反应器很少用。,（,2,）非恒温非绝热操作的,BR,的计算,热量衡算：,Q,3,(,反应产生的热,),Q,4,(,通过热交换传出的热,),Q,5,(,累积的热,),在,d,t,时间内，反应物,A,实现的转化率为,d,x,A,，系统的温度变化为,d,T,，,则,用预估校正法计算非反应时间及温度分布的方法,（,H,r,）,n,A0,d,x,A,KAT,m,T,c,p,d,T,三、理想连续操作管式反应器（一）活塞流反应器的特点,在正常情况下，为连续定态操作，在反应器的各个径向截面上，物料浓度只随轴向位置而变，不随时间而变化,反应器内各轴向位置的浓度未必相等，反应速率随空间轴向位置而变化,由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。,理想管式反应器的反应结果唯一地由化学反应动力学所确定,(,Plug Flow Reactor,PFR),（二）,PFR,的计算,1,、物料衡算方程式,物料衡算式为：,q,nA,(,q,nA,+d,q,nA,),(,r,A,)d,V,R,0,整理得,根据转化率的定义，则有,q,nA,q,nA0,(1,x,A,),于是 积分得,PFR,的设计方程,空间速度,意义是，单位反应器体积所能处理的反应混合物的体积流量，实际为置换频率。,当反应系统为,恒容体系,时，空间时间与物料的平均停留时间相等，对于,非恒容流体体系,，二者不相等。在理想管式反应器计算中使用空间时间，不用停留时间。,管式反应器在恒容下反应达到一定的转化率所需的空时,，与相同温度下间歇釜式反应器达到相同的转化率所需的时间,t,相等，但变容下的管式反应器此结论不成立。虽然,t,的结论只局限于恒容过程，但很有用，因为它沟通了连续反应与间歇反应间的关系。在此情况下，间歇反应所得到的结论亦适用活塞流反应器。,令,q,v0,为反应物料的初始体积流量，,m,3,/h,，则,q,nA0,q,v0,c,A0,空间时间，,h,空间速度，,h,-1,2,、恒温恒容过程,PFR,的计算,对单反应物的,n,级不可逆反应，动力学方程为,当,n,1,时，,当,n=1,时,PFR,中简单整级数反应的反应结果表达式,反应级数,动力学方程,残余浓度式,转化率式,零级,(,r,A,)=,k,k,c,A0,c,Af,c,Af,c,A0,k,k,c,A0,x,Af,x,Af,k,/c,A0,一级,(,r,A,)=,k,c,A,二级,设,u,0,为反应器进口处流体的流速，则恒温恒容,PFR,转化率与轴向距离,Z,的关系式为,对于,BR,，,对于定态操作的活塞流反应器，反应物系的浓度随轴向距离而变，与时间无关。对于间歇操作釜式反应器，反应物系的浓度随时间而变，与位置无关。这是两者的基本差别。,3,、恒温变容过程,PFR,的计算,对于,非恒容体系,，,V,V,0,（,1,A,y,A0,x,A,）,式中,y,A0,进料中,A,的初始摩尔分数；,A,膨胀因子,膨胀因子,的意义为，反应物,A,每转化掉,1mol,所引起的反应体系的物质的量的改变值。,例如，对,a,A+,b,B,c,C+,d,D,的气相反应体系，膨胀因子的计算公式为,当,n,0,时，,当,n,1,时，,当,n,2,时，,例：,高温下,NO,2,的分解为二级不可逆反应，现将纯的,NO,2,在,101.3kPa,、,627K,条件下在理想管式反应器中进行等温分解，已知,627K,下,k,1.7m,3,/(kmol,s,),，气体处理量为,120m,3,/h,（,273K,，,101.3kPa,条件下），若使,NO,2,分解,70,，试计算下列两种情况下所需反应器的体积。（,1,）不考虑反应中体积变化；（,2,）考虑反应中体积变化。,解,：（,1,）,对于恒容的二级反应，,反应器的有效体积为：,（,2,）考虑反应中体积变化,由此例可见，对于体积发生变化的体系，如果不考虑体积变化，将会产生很大的误差，设计出的反应器达不到规定的转化率。,4,、非恒温,PFR,的计算,以垂直于管轴方向的一个体积微元,d,V,R,为对象，当达到稳态操作时，累积的热为零。,热量衡算式为,:,(,H,r,)(,r,A,)d,V,R,=,KA,s,dl,(,T,Ts,),q,m,c,p,d,T,式中,物料带入的热,Q,1,物料带出的热,Q,2,反应产生的热,Q,3,通过热交换传出的热,Q,4,累积的热,Q,5,H,r,反应掉,1mol A,所放出或吸收的热量，对放热反应为负，吸热反应为正，,J/mol,K,传热系数，,J/(h m,2,K),A,s,单位管长的换热面积，,m,2,/m,T,体积微元中物料的温度，,K;,T,s,换热介质的温度，,K,q,m,物料的质量流量，,kg/h,c,p,物料的比热容，,J/(kg K),dT,物料进出微元的温度改变量，,K,dV,