化学反应工程第3章

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,*,1,第三章 理想流动反应器,理想,(,Ideal),并不存在的，从流动角度,看理想化的反应器。,主要讨论三种理想反应器：,间歇反应器(,BR)(Batch Reactor),全混流反应器(,CSTR)(Continuously Stirred Tank Reactor),平推流反应器(,PFR)(Plug (or Piston) Flow Reactor),2,一、反应器的物料衡算方程,第一节 反应器设计基础,1.,物料衡算,-,描述浓度的变化规律,3,2.,能量衡算,-,描述温度的变化规律,3.,动量衡算,-,描述压力的变化情况,4.,动力学方程,-,描述反应速率随温度、浓度的变化情况,4,1.,反应持续时间,t,r,在间歇反应器中反应达到一定转化率所需时间（不包括辅助时间）。,2.,停留时间,t,连续流动反应器中流体微元从入口到出口所经历的时间。,3.,平均停留时间,t,c,各物料微元从反应器入口至出口所经历的平均时间。,二、几个时间概念,5,4.,空间时间,反应器有效体积,V,R,和反应流体入口条件下体积流率,V,0,之比。,5.,空间速度（空速）,S,v,时间,1,单位时间内投入到反应器中的物料的体积流量与反应器有效容积之比。,6,6,空时与反应时间和平均停留时间的区别,（,1,）空时与反应时间：,空时用于连续流动反应器，反映生产强度的大小；,反应时间用于间歇反应器，反映化学反应进行快慢的量度，并不反映反应器的生产强度。,7,（,2,）空时与平均停留时间：,空时,是人为规定的参量，可以看作是过程的,自变量，可以用空时来表示连续流动反,应器的基本设计方程式；,平均停留时间,不是人为规定的参量，不能认为,是过程的自变量，而只有当知道,了反应器中所发生的变化后才能,确定的一个参量。,即：当等温恒容时,当等温变容时,8,三、流动状况对反应过程的影响,1.,理想流动和非理想流动,（,1,）平推流流动,轴向上完全不混合，各微元在反应器中齐头并进，停留时间相同（同进同出）；,径向上剧烈混合，且同一截面上各微元速度、浓度、温度均相同。,9,径向流分布,平推流与层流的区别,平推流：同一截面上各微元具有相同的速率，径向剧烈混合；,层流：,同一截面上各微元具有不同的速率，径向没有混合。,10,（,2,）全混流流动,物料加入反应器瞬间完全混合（最大混合）；,反应器中物料的温度、浓度均匀，且等于出口物料的温度、浓度；,停留时间不同，形成确定的停留时间分布。,由上面讨论可以看出，平推流和全混流流动,是物料在反应器中的两种极端流动状况。,（,3,）理想流动,平推流流动,全混流流动,11,（,4,）非理想流动,流体流动介于平推流流动和全混流流动之间，即偏离理想流动。,起因：,A.,径向流速不匀；,B.,流体的轴向扩散效应；,C.,反应器的结构；,D.,搅拌不充分。,12,2.,返混,（,1,）混合：,简单混合相同停留时间的粒子的混合。,返混,(Back mixing),不同停留时间的粒子的混合。,任何实际的流动都存在返混。,管内流体的流动返混较小。,容器内流体的流动返混较大。,13,按物料在反应器内,返混,情况作为反应器分类的依据将能更好的反映出其本质上的,差异,。,按返混情况不同反应器被分为以下四种类型：,间歇反应器：,间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。,（,2,）按返混分类反应器,14,平,推流反应器：,（又称理想置换反应器或活塞流反应器）。在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。,全混流反应器：,连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称）。在这类反应器中物料返混达最大值。,非理想流反应器：,物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。,15,第二节 等温条件下理想反应器,目的：,对已知的反应器，根据反应动力学方程和物料衡算方程预测反应结果。,对要求的反应结果，根据反应动力学方程和物料衡算方程决定反应器体积。,16,一、 间歇反应器,Batch Reactor,间歇操作的充分搅拌槽式反应器。,用于液相反应。,在反应过程中没有进出料。,反应器内物料充分混合，器内各点温度浓度相同。,间歇操作，需要辅助生产时间。,17,1.,设计方程,物料衡算：,18,恒容条件下（多数情况），上式可以简化成：,二者相同。这说明，在充分混合的间歇反应器中，反应是依照它的动力学特征进行的。流动过程对反应没有影响。,19,反应时间图示,20,非生产时间,非生产时间,t,包括升降温，装卸料，清洗等时间。,总时间,t,t,=,t,r,+,t,反应器处理量,反应器总体积,21,二、 平推流反应器,又称理想置换反应器，活塞流反应器（,PFR,，,Plug Flow Reactor or Piston Flow Reactor,）,特点： 流体以平推流方式连续流动；反应器内状态仅随轴向位置而变，在同一截面上状态相同；在定常态下操作，参数不随时间而变。,管式反应器内的流动状态接近平推流。,22,设计方程,取长度为,dl,，,体积为,dV,R,的微元体系，以反应组份,A,作物料衡算。,注意：微元体系固定在反应器上，不随物料流动。,dV,R,C,A0,F,A0,X,A0,F,A,X,A,F,A,+dF,A,X,A,+dX,A,23,进入,dV,R,量,=,排出量反应量积累量,F,A,=,（,F,A,dF,A,）,(-,r,A,),dV,R,0,由于,F,A,=F,A0,(1,x,A,),，,dF,A,=,F,A0,dx,A,得物料衡算微分式：,F,A0,dX,A,=(-r,A,)dV,R,对整个反应器积分：,24,对恒容过程，,25,理解,：,如果把每个流体微元看作从入口到出口流动的小的间歇反应器，由于没有返混，每个微元的停留时间都相等，且等于间歇反应器的反应时间。,因此，平推流反应器可以作为间歇反应器的替代，而且节省非生产时间。但是，停留时间过长的反应器还是采用间歇式的好。,26,平推流反应器图示：,27,平推流反应器的平均停留时间,根据平推流反应器的定义，流过反应器的所有微元体的停留时间都等于平均停留时间，也就是微元体的真实停留时间。,物料衡算式：,F,A0,dx,A,=(-r,A,)dV,R,又有变容过程,V=V,0,(1,A,x,A,),28,平均停留时间和空间时间的区别：,当恒容时,A,=0,，,二者相同。,在变容过程中，反应速率不仅是转化率的函数，而且也是反应体积的函数。确切地说，是反应物浓度对反应速率造成了影响，转化率和反应体积的变化共同影响了反应物浓度。,29,三、 全混流反应器,全混流反应器连续搅拌槽式反应器,(CSTR Continuously stirred tank reactor),特性：物料在反应器内充分返混，达到极大程度，以至于反应器内各处物料参数均一；反应器的出口组成与反应器内物料的组成相同；连续、稳定流动，在定常态下操作。,30,全混流反应器图,C,A0,，,X,A0,=0,V,0, F,A0,C,A, V, F,A, X,A, -r,A,31,基本设计方程：,说明，全混流反应器在出口条件下操作，当出口浓度较低时，整个反应器处于低反应速率状态。,32,全混流反应器图示：,33,三种理想反应器对照：,34,图,3,3C,，,图36,A,，,图38对照,间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器,35,例,3,3,，,4,，,7,(3),计算转化率分别为,80,，,90,时所需平推流反应器的大小。,(4),计算转化率分别为,80,，,90,时所需全混流反应器的大小。,36,37,38,39,对全混流：,40,同样处理量三种反应器对比,41,第三节 理想反应器热量衡算,思路：,与物料衡算相同，含有物流携带的热量进，出，反应和积累各项，同时增加反应器与环境的热交换项。,由于各种反应器的操作方式不同，热量衡算方程也不同。,42,一、 间歇反应器热量衡算,43,讨论：,高度非线性。,如要等温，就要求,dT/dt,=0,。,c,A,亦不是常数由物料衡算式3.2-1,44,二式联立：,这仅仅是一级不可逆反应在间歇反应器中的温度变化规律。涉及到非等温的反应器其复杂程度可见一斑。,45,二、 平推流反应器热量衡算,46,再由物料衡算式：,F,A0,dx,A,=(-r,A,)dV,R,47,二式联立：,注意，这里是,dl,而间歇反应器是,dt,。,如果进一步考虑时间因素，即非定常态，就会出现,48,三、 全混流反应器热量衡算,定常态下，既不随时间又不随位置变化。,此方程将用于讨论全混流反应器的热稳定性。,如果考虑非定常态，积累项将不为,0,。,49,第四节 理想反应器的组合,只有连续流动反应器存在组合问题。,将反应器串联或并联，提高处理量或转化率。,四种情况：,平推流反应器的并联、串联,全混流反应器的并联、串联,50,一、平推流反应器并联：,在提高生产能力的同时保持尽量平推流状态，加强传热，保持反应器径向的温度均匀。,示意：,显然，各个反应器出口的转化率应当相同，这意味着各个反应器中流体的停留时间应当相同。即,1,=,2,=,。,51,与平推流反应器同理，全混流反应器的并联也应当有各个反应器内流体停留时间相同的条件。,52,二、平推流反应器串联：,提高反应转化率。,示意：,由于平推流反应器不存在返混，串联相当于反应器的延长，相当于反应体积的简单增加。,结论,：,对于平推流反应器来说，不管串联或并联，就转化率而言，无任何差异，都与同体积的单个平推流反应器相同，但从工程角度考虑（工程上允许气速范围以及阻力损失），多采用并联,。,54,三、全混流反应器的串联,示意：,假定：各釜之间没有返混，定常态、恒容。,c,A0,x,A0,F,A0,V,0,c,A1,x,A1,c,A2,x,A2,c,An,x,An,c,Ai,x,Ai,55,由单个全混流反应器物料衡算方程：,56,显然，,除最后一釜外，其余各釜的浓度都高于最终出口浓度，对大多数反应，浓度升高反应速率加快。而且，各釜之间不存在返混，因此，总反应体积小于单个全混釜。,x,A1,x,An,c,A0,/(-r,A,),i,57,对于一级反应：,(-,r,A,)=,kc,A,58,对于二级反应：,四、 循环反应器,在工业生产上，有时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，或为了提高原料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法，如图所示。,循环反应器的基本假设：,反应器内为理想活塞流流动；,管线内不发生化学反应；,整个体系处于定常态操作。,为方便起见，设循环物料体积流量与离开反应系统物料的体积流量之比为循环比,，,即,对图中,M,点作物料衡算：,对整个体系而言，有：,可以推导出：,平推流反应器设计方程:,式中，,F,A0,是一个虚拟的值，它由两部分组成，新鲜进料,F,A0,和循环回来的物流,V,3,中当转化率为0时应当具有的,A,的摩尔流率。即：,由此得到循环反应器体积：,当循环比,为0时，还原为普通平推流反应器设计方程。,当循环比,时，变为全混流反应器设计方程。,当0,0 （,反应物浓度对反应的影响为正的效应时，即1/(-,r,A,),随,X,A,呈单调上升。）,V,P,V,m,即,PFR,最优。,（3）n,V,m,即,CSTR,最优。,73,二、 自催化反应的反应器评价,特点：,在一定区域内，反应速率随着反应进行而加快：显示出负反应级数的特性。,1.平推流与全混流反应器,低转化率的自催化反应，如图 (,c),所示，全混流反应器优于平推流反应器；转化率足够高时，如图 (,a),所示，用平推流反应器是较适宜的。但应注意，自催化反应要求进料中必须保证有一些产物，否则平推流反应器是不适宜的，此时应采用循环反应器。,2.自催化反应与循环反应器,前面我们已推导出循环反应器的基础设计式为：,当,=0，,为平推流反应器。当,，,为全混流反应器。通过调节循环比,，,可以改变反应器流动性能，对于一定的反应，可以使得反应器体积最小，这时的循环比称为最佳循环比。,可由：,得到：,它表示最佳循环比应使反应器进口物料的反应速率的倒数等于反应器内反应速率倒数的平均值。如图所示。图中,KL,代表反应器进口的值，,PQ,代表整个反应器的平均值。,3.反应器组合,为了使得反应器组的总体积最小，设计这样一组反应器，在这组反应器中，反应大部分控制在最高速率点或接近最高速率点处进行。为此，可使用一个全混釜式反应器，它可以不必经过较低反应速率的中间组成，而直接控制在最高速率组成下操作。然后再由平推流反应器完成最终反应,80,三、 可逆反应的反应器评价,可逆反应的动力学特性已经在,2.3,中讨论过了。结合反应器的特性强调如下：,可逆吸热反应：,反应速率总是随反应的进行而下降，为尽可能在较高浓度下反应，应选用,平推流反应器。,可逆放热反应：,存在最佳反应温度，希望反应沿最佳温度曲线进行，在不同转化率下有不同最佳温度，因此多选用,全混流反应器组合。,可逆反应过程特点,(1) 在温度恒定时，随关键组分转化率,x,A,的增加，正反应速率,k,1,f,(,x,A,),将随之下降；逆反应速率,k,2,g,(,x,A,),将随之上升；总反应速率-,r,A,=,ak,1,f,(,x,A,),-ak,2,g,(,x,A,),将随之下降。,(2)温度对反应速率的影响 在一定转化率下，可逆吸热反应的速率总是随着温度的升高而增加。,可逆放热反应的速率随温度的变化规律如图所示，当温度较低时，反应净速率随温度升高而加快，到达某一极大值后，随着温度的继续升高，净反应速率反而下降。,85,四、 平行反应的反应器评价,流体在反应器内的流动状况不仅影响反应器的大小，而且影响对目的产物的选择性。选择性是优化考虑的主要因素。,平行反应：,86,1.转化率、选择性及收率的定义,87,89,（2）对全混流反应器，反应器内的操作浓度就是出口浓度，因此：,（3）对,N,个串联的全混釜，,90,2.影响瞬时选择性的因素,91,（1）温度：,E,1,E,2,时，升高温度，,S,P,增大，对,反应有利；,E,1,a,2,；b,1,b,2,），应尽量在高浓度下操作，即选用平推流或间歇反应器；若主反应级数小于副反应级数（a,1,a,2,；b,1,E,2,时，升高温度，,S,P,增大，对,反应有利；,E,1,k,2,时，意味着前一个反应容易 进行，允许的转化率较大；,当,k,1,Qg,自动冷却回到,C,点,扰动使,T,C,，偏离,C,点,Qg,Qr,自动升温回到,C,点,C,点,稳定的定态点（稳定点）,B,点：扰动使,T,B,，偏离,B,点,Qg,Qr,自动升温到,C,点,扰动使,T,B,，偏离,B,点,Qr,Qg,自动冷却到,A,点,B,点,不稳定的定态点（不稳定点）,热稳定条件：,Chemical Reaction Engineering,操作参数对热稳定性的影响,操作参数：进料流量,v,，传热系数,U,、温度,T,c,（,T,o,）,移热速率：,Chemical Reaction Engineering,2.3,最大允许温差,定态条件,热稳定条件,最大容许温差,热稳定性要求温差要小，故传热面积要大。（,不同点,）,放大后，,Dt,必须附加面积,（,e.g,内置盘管）,Chemical Reaction Engineering,结果：,温度将上升，不稳定，有可能“飞温”, T=100,，,Tc,=90,（高温介质），,T=10,若扰动，,T=101,，,结果：,温度不变，保持稳定,理论,若一反应器,在定态下操作，,E=110 kJ/mol, T=100,，,Tc,=0,（低温介质），,T=100,若扰动，,T=101,，,直接演算,Chemical Reaction Engineering,2.4 CSTR,的参数灵敏性,1,2,着火： ,1,突跃,2,称为着火现象（,飞温,）,3,4,熄火： ,3,突降,4,称为熄火现象（,熄火,）,4,1,2,3,多态区域,超过 ，在高态下操作,低于 ，在低态下操作,Chemical Reaction Engineering,3.,讨论与分析,液相反应,：热容大，可控性好，,闭环稳定,。,气固相反应,：热容小，可控性差，必须满足热稳定条件。,反应器的可控性,整体稳定性,存在热反馈（返混，导热作用）,局部稳定性,颗粒、微元,整体稳定性与局部稳定性,传热尺度与热稳定性,设备尺度,CSTR,，床层内外,颗粒尺度,颗粒与流体,Chemical Reaction Engineering,谢 谢,Chemical Reaction Engineering,反应速率约增大,10%,根据活化能与温度的关系：,117,第三章小结,1,返混的基本定义,2,停留时间等的定义,3,间歇反应器、全混流反应器和平推流反应器的基本设计方程,4,多级串联反应器、循环反应器的基本设计方程,5,选择性、收率的定义和操作条件选择,