第五章 化學(xué)反應(yīng)器12

1、第五章 化學(xué)反應(yīng)器1.了解反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.掌握間歇反應(yīng)器和連續(xù)反應(yīng)器的有關(guān)計(jì)算3.了解化學(xué)反應(yīng)器的種類和流動(dòng)特征。 §1. 概述一、反應(yīng)器與反應(yīng)工程學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)以化學(xué)反應(yīng)器為研究對(duì)象的學(xué)科，它是使化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的一門科學(xué)。主要任務(wù)：、正確選擇反應(yīng)器的型式；、合理設(shè)計(jì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和尺寸；、確定最適宜的溫度、濃度和流動(dòng)狀態(tài)等操作條件。反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：選擇合適的反應(yīng)器類型 確定最佳操作條件計(jì)算完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積（尺寸）最終的目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)效益最大(實(shí)際上不應(yīng)該僅僅針對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)該包括整個(gè)過(guò)程) 基本方程:物料衡算-描述濃度的變化規(guī)律對(duì)任何反應(yīng)器系統(tǒng)，其物料衡

2、算可用以下普通式表示：反應(yīng)物的加入速度=引出反應(yīng)物的速度+由反應(yīng)而消耗反應(yīng)物速度+反應(yīng)物積累速度能量衡算-描述溫度的變化規(guī)律動(dòng)量衡算-描述壓力的變化情況研究對(duì)象：選擇最合理、最經(jīng)濟(jì)的化學(xué)工藝路線，確定最適宜操作條件以及設(shè)計(jì)和控制反應(yīng)設(shè)備為研究對(duì)象。本章主要介紹反應(yīng)器的特點(diǎn)，操作原理及其在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用。二、化學(xué)反應(yīng)器的分類1.按操作方法分類 操作特點(diǎn)：P112生產(chǎn)特征：反應(yīng)程度和物質(zhì)組成隨時(shí)而變，而任一瞬間組成均勻 間歇反應(yīng)器半間歇反應(yīng)器生產(chǎn)特征：反應(yīng)程度和物質(zhì)組成隨反應(yīng)器位置而變，但不隨時(shí)而變.（但釜式又不同）連續(xù)反應(yīng)器（流動(dòng)式反應(yīng)器） 2.按反應(yīng)器的形狀分類 p112 釜式(攪拌反應(yīng)器)

3、管式(活塞流反應(yīng)器)物料在軸向沒(méi)有混合，但組成、溫度沿流向而變塔式這種分類法對(duì)于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)很有意義，因?yàn)樾螤钕嗤姆磻?yīng)器其質(zhì)量和熱量傳遞過(guò)程情況相同。均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器3.按反應(yīng)混合物的相態(tài)分類 （同一相態(tài)反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)規(guī)律相同） 4.按溫度條件分類 等溫反應(yīng)器不等溫反應(yīng)器絕熱反應(yīng)器注意：同種反應(yīng)器根據(jù)不同分類法可有不同的名稱，就是同種的反應(yīng)器適當(dāng)?shù)馗淖儾僮饕部勺兂蔀榱硪环N類型的反應(yīng)器。各反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式、適應(yīng)相態(tài)及其特點(diǎn)見表5-1反應(yīng)器的類型很多，如果按反應(yīng)器的工作原理來(lái)分,可以概括為以下幾種類型種類特點(diǎn)應(yīng)用范圍管式反應(yīng)器長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于管徑,內(nèi)部沒(méi)有任何構(gòu)件多用于均相反應(yīng)過(guò)程釜式反應(yīng)器高度與

4、直徑比約為2-3內(nèi)設(shè)攪拌裝置和檔板均相、多相反應(yīng)過(guò)程均可塔式 (填料塔板式塔)高度遠(yuǎn)大于直徑，內(nèi)部設(shè)有填料、塔板等以提高相互接觸面積用于多相反應(yīng)過(guò)程固定床底層內(nèi)部裝有不動(dòng)的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?yīng)物用于多相反應(yīng)系統(tǒng)流化床反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)器內(nèi)部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運(yùn)動(dòng)，提高反應(yīng)器內(nèi)液體的混合性能多相反應(yīng)體系，可以提高傳熱速率移動(dòng)床固體顆粒自上而下作定向移動(dòng)與反應(yīng)流體逆向接觸用于多相體系，催化劑可以連續(xù)再生滴流床是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還包括氣液兩種屬于固定床的一種，用于使用固體催化劑的氣液反應(yīng)過(guò)程圖： 反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)(a)管式反應(yīng)器(b)規(guī)整填料塔反應(yīng)器(c)噴霧塔式反應(yīng)器

5、(d)板式塔反應(yīng)器(e)鼓泡塔反應(yīng)器(f)氣液攪拌釜式反應(yīng)器(g)移動(dòng)床反應(yīng)器(h)循環(huán)式漿態(tài)反應(yīng)器(i)半連續(xù)漿態(tài)床反應(yīng)器(j)機(jī)械攪拌漿態(tài)床反應(yīng)器 (k)固定床鼓泡床反應(yīng)器(l)滴流床反應(yīng)器基本反應(yīng)器間歇操作反應(yīng)釜、管式反應(yīng)器、連續(xù)操作反應(yīng)釜。三、流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)1.兩種理想流動(dòng)狀態(tài)及其特征（符合這兩種情況反應(yīng)器都是理想反應(yīng)器）理想置換流動(dòng)（擠出流動(dòng)或柱塞流動(dòng)）（物料在設(shè)備中完全沒(méi)有混合）加料產(chǎn)物a特征：質(zhì)點(diǎn)在垂直方向任一截面的濃度及在器內(nèi)停留時(shí)間相等，在流向上沒(méi)有混合擴(kuò)散（沒(méi)有返混），但反應(yīng)物濃度不斷改變。例：固定床反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)；管式反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)。理想混合流動(dòng)（完全混合流動(dòng)）

6、圖見教材流體流入反應(yīng)器后，一瞬間就在整個(gè)反應(yīng)器分散均勻、完全混合。特征：整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)各部分物料組成溫度都一樣，且器內(nèi)連續(xù)流出的流體，其濃度和溫度與器內(nèi)完全一樣，但是物料粒子（分子）在設(shè)備中停留時(shí)間不相同。返混-組成流體的各粒子微團(tuán)在其中的停留時(shí)間長(zhǎng)短不一，有的流體微團(tuán)停留時(shí)間很長(zhǎng)，最長(zhǎng)可為無(wú)限，有的則瞬間離去，最短幾乎為零。通常把這種先后進(jìn)入反應(yīng)器，具有不同停留時(shí)間的物料粒子之間的混合，稱為返混例：一般流體連續(xù)通過(guò)帶有攪拌機(jī)的釜式反應(yīng)器時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)；鼓泡塔內(nèi)流體的流動(dòng)、流化床內(nèi)固體粒子的流動(dòng)。了解:非理想流動(dòng)介于兩者之間，存在部分返混現(xiàn)象(全混流和活塞流模型對(duì)應(yīng)著不同的停留時(shí)間分布，是兩種極端

7、的情況，實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況介于上述兩種極端情況之間。)2.流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間理想置換反應(yīng)器：質(zhì)點(diǎn)：沒(méi)有時(shí)間分布 當(dāng)體積不變（恒容）時(shí): VR反應(yīng)器的體積， (qv)-流體的體積流量，體積/時(shí)間F流體的摩爾質(zhì)量流量，摩爾/時(shí)間， C-濃度，摩爾/體積。理想混合釜式反應(yīng)器：質(zhì)點(diǎn)：時(shí)間分布為 只有平均停留時(shí)間(對(duì)于連續(xù)操作的反應(yīng)器,組成流體的各粒子微團(tuán)在其中的停留時(shí)間長(zhǎng)短不一，有的流體微團(tuán)停留時(shí)間很長(zhǎng)，有的則瞬間離去，從而形成了停留時(shí)間的分布。)四、反應(yīng)器的物料衡算反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)方程是通過(guò)物料衡算、熱量衡算、動(dòng)量衡算得到并結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程而導(dǎo)得反應(yīng)器的體積，所以物料衡算是反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

8、對(duì)任何反應(yīng)器系統(tǒng)，其物料衡算可用以下普通式表示：(2)反應(yīng)物的加入速度=引出反應(yīng)物的速度+由反應(yīng)而消耗反應(yīng)物速度+反應(yīng)物積累速度 (1) (2) (3) (4)注意：常以某一組分為基準(zhǔn)：若器內(nèi)組成均勻，則可整個(gè)反應(yīng)器范圍衡算；若不均勻，則以反應(yīng)器微元體為衡算范圍。§2.間歇操作反應(yīng)器（理想反應(yīng)器）討論均一液相等溫反應(yīng)1.反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算：由物料衡算得：衡算式消耗反應(yīng)物A的速度=組分A的積累速度 (3)組分A的消耗速度 A的量隨時(shí)改變，故A的積累速率應(yīng)以其對(duì)時(shí)間的微分，即： 代入（3）式得：積分 (4) (5) 則 （6） （基本設(shè)計(jì)方程式） =（1-）=-（-1） 、 = 代入（6）式

9、： = （7） （基本設(shè)計(jì)方程式）對(duì)于一級(jí)反應(yīng)： 則 （溫度不變不變）代入（7）式： （8）對(duì)于二級(jí)反應(yīng)： 代入（7）,積分：即：= （9）積分法求（見教材）小結(jié)：反應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間取決于反應(yīng)速率，而與反應(yīng)器大小無(wú)關(guān)。2.反應(yīng)器實(shí)際體積的計(jì)算 反應(yīng)器實(shí)際體積，有效體積，裝料系數(shù)（一般0.4-0.85）由于反應(yīng)器是間歇操作，所以每處理一批材料都需要有出料、清洗和加料等非生產(chǎn)輔助時(shí)間。因此，處理一定量物料所需的有效容積不但與反應(yīng)時(shí)間、裝料系數(shù)有關(guān)，還與非生產(chǎn)時(shí)間有關(guān)（輔助時(shí)間 ）。平均每單位時(shí)間所處理的物料的體積V ) (例：5.1 149頁(yè)§1.管式反應(yīng)器管式操作反應(yīng)器采用連續(xù)

10、操作，管內(nèi)流體的流態(tài)接近于理想置換流動(dòng)。（適應(yīng)氣相或均一液相）主要討論等溫恒容特定情況一、等溫恒容管式反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間計(jì)算由于流體的組成是沿流向而變化，因此必須以反應(yīng)器中某一微元體積作為物料衡算。如： 在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有物料積累（流體流動(dòng)連續(xù)的）， 在dv中反應(yīng)物A的物料衡算：加入速度=引出速度+反應(yīng)消耗的速度 dVR0V)ZZV0CA0V)ZZV0CA0V)ZZV0 +d 整理得： = 為的函數(shù) 與（6）同P0不變恒容 則代入上式（6）： 與（7）所以管式反應(yīng)器停留時(shí)間與間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間及體積的計(jì)算公式是一樣的，即：板： 管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程式=間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程故一級(jí)反應(yīng)同（8）二級(jí)

11、反應(yīng)：=同（9）二、管式反應(yīng)器的特點(diǎn)：物料組成 沿管長(zhǎng)方向變、不隨時(shí)間而變，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。沒(méi)有 設(shè)備利用率較間高，沒(méi)有返混轉(zhuǎn)化率高，表面積大，熱交換好！對(duì)于反應(yīng)速度較慢反應(yīng)則不太適應(yīng)§4.連續(xù)操作反應(yīng)釜 （流體流動(dòng)狀態(tài)接近理想混合流動(dòng)）特點(diǎn)：釜內(nèi)物料濃度、T、均勻且等于出口的濃度和T，故不需取微量積分計(jì)算。1.連續(xù)操作單級(jí)反應(yīng)釜的體積物料衡算式：A引入速度=A引出速度+A消耗速度 管式： 平均停留時(shí)間： 例題155頁(yè)5.3 補(bǔ)充（見崔恩選教材）由題得：在相同的條件下，達(dá)到同一產(chǎn)率時(shí)，連續(xù)操作反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物的平均停留時(shí)間比間歇操作的反應(yīng)釜的反應(yīng)時(shí)間及管式反應(yīng)器的反應(yīng)物停留時(shí)間長(zhǎng)得多。（反應(yīng)物濃度低，反應(yīng)v慢）原因：見書2、多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)釜 三級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器的示意圖:根據(jù)單級(jí)反應(yīng)釜的公式: (1) (2) 關(guān)系及為已知時(shí)，則可求得1、各釜的 轉(zhuǎn)化率；2、 ； 3、若各釜的溫度及相等，則k及相等（因V0=Vf）。（注:連續(xù)反應(yīng)液相一般認(rèn)為是恒容，因此單位時(shí)間引入的體積流量與引出相等0 = f 或者說(shuō)同一速度體積流量不是質(zhì)量流量（不等）加入，產(chǎn)品以同一速度體積流量引出。對(duì) （3）