第五章化學反應器12

1、第五章 化學反應器1.了解反應器的設計基礎2.掌握間歇反應器和連續(xù)反應器的有關計算3.了解化學反應器的種類和流動特征。 §1. 概述一、反應器與反應工程學化學反應工程學以化學反應器為研究對象的學科，它是使化學反應實現(xiàn)工業(yè)化的一門科學。主要任務：、正確選擇反應器的型式；、合理設計反應器的結構和尺寸；、確定最適宜的溫度、濃度和流動狀態(tài)等操作條件。反應器設計的基本內容：選擇合適的反應器類型 確定最佳操作條件計算完成規(guī)定的生產(chǎn)任務所需的反應器體積（尺寸）最終的目標是經(jīng)濟效益最大(實際上不應該僅僅針對反應系統(tǒng)，應該包括整個過程) 基本方程:物料衡算-描述濃度的變化規(guī)律對任何反應器系統(tǒng)，其物料衡

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

3、管式(活塞流反應器)物料在軸向沒有混合，但組成、溫度沿流向而變塔式這種分類法對于反應器的設計很有意義，因為形狀相同的反應器其質量和熱量傳遞過程情況相同。均相反應器非均相反應器3.按反應混合物的相態(tài)分類 （同一相態(tài)反應，其動力學規(guī)律相同） 4.按溫度條件分類 等溫反應器不等溫反應器絕熱反應器注意：同種反應器根據(jù)不同分類法可有不同的名稱，就是同種的反應器適當?shù)馗淖儾僮饕部勺兂蔀榱硪环N類型的反應器。各反應器結構型式、適應相態(tài)及其特點見表5-1反應器的類型很多，如果按反應器的工作原理來分,可以概括為以下幾種類型種類特點應用范圍管式反應器長度遠大于管徑,內部沒有任何構件多用于均相反應過程釜式反應器高度與

4、直徑比約為2-3內設攪拌裝置和檔板均相、多相反應過程均可塔式 (填料塔板式塔)高度遠大于直徑，內部設有填料、塔板等以提高相互接觸面積用于多相反應過程固定床底層內部裝有不動的固體顆粒，固體顆粒可以是催化劑或是反應物用于多相反應系統(tǒng)流化床反應過程中反應器內部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運動，提高反應器內液體的混合性能多相反應體系，可以提高傳熱速率移動床固體顆粒自上而下作定向移動與反應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器的一種，但反應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過程圖： 反應器的類型和特點(a)管式反應器(b)規(guī)整填料塔反應器(c)噴霧塔式反應器

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

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

7、的情況，實際反應器中的流動狀況介于上述兩種極端情況之間。)2.流體在反應器內的停留時間理想置換反應器：質點：沒有時間分布 當體積不變（恒容）時: VR反應器的體積， (qv)-流體的體積流量，體積/時間F流體的摩爾質量流量，摩爾/時間， C-濃度，摩爾/體積。理想混合釜式反應器：質點：時間分布為 只有平均停留時間(對于連續(xù)操作的反應器,組成流體的各粒子微團在其中的停留時間長短不一，有的流體微團停留時間很長，有的則瞬間離去，從而形成了停留時間的分布。)四、反應器的物料衡算反應器基本設計方程是通過物料衡算、熱量衡算、動量衡算得到并結合反應動力學方程而導得反應器的體積，所以物料衡算是反應器設計基礎。

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

9、： = （7） （基本設計方程式）對于一級反應： 則 （溫度不變不變）代入（7）式： （8）對于二級反應： 代入（7）,積分：即：= （9）積分法求（見教材）小結：反應達到一定轉化率所需時間取決于反應速率，而與反應器大小無關。2.反應器實際體積的計算 反應器實際體積，有效體積，裝料系數(shù)（一般0.4-0.85）由于反應器是間歇操作，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)輔助時間。因此，處理一定量物料所需的有效容積不但與反應時間、裝料系數(shù)有關，還與非生產(chǎn)時間有關（輔助時間 ）。平均每單位時間所處理的物料的體積V ) (例：5.1 149頁§1.管式反應器管式操作反應器采用連續(xù)

10、操作，管內流體的流態(tài)接近于理想置換流動。（適應氣相或均一液相）主要討論等溫恒容特定情況一、等溫恒容管式反應器反應時間計算由于流體的組成是沿流向而變化，因此必須以反應器中某一微元體積作為物料衡算。如： 在穩(wěn)定狀態(tài)時，沒有物料積累（流體流動連續(xù)的）， 在dv中反應物A的物料衡算：加入速度=引出速度+反應消耗的速度 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）所以管式反應器停留時間與間歇反應器反應時間及體積的計算公式是一樣的，即：板： 管式反應器設計基本方程式=間歇反應器設計基本方程故一級反應同（8）二級

11、反應：=同（9）二、管式反應器的特點：物料組成 沿管長方向變、不隨時間而變，易于實現(xiàn)自動化控制。沒有 設備利用率較間高，沒有返混轉化率高，表面積大，熱交換好！對于反應速度較慢反應則不太適應§4.連續(xù)操作反應釜 （流體流動狀態(tài)接近理想混合流動）特點：釜內物料濃度、T、均勻且等于出口的濃度和T，故不需取微量積分計算。1.連續(xù)操作單級反應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： 平均停留時間： 例題155頁5.3 補充（見崔恩選教材）由題得：在相同的條件下，達到同一產(chǎn)率時，連續(xù)操作反應釜內反應物的平均停留時間比間歇操作的反應釜的反應時間及管式反應器的反應物停留時間長得多。（反應物濃度低，反應v慢）原因：見書2、多級串聯(lián)反應釜 三級串聯(lián)反應器的示意圖:根據(jù)單級反應釜的公式: (1) (2) 關系及為已知時，則可求得1、各釜的 轉化率；2、 ； 3、若各釜的溫度及相等，則k及相等（因V0=Vf）。（注:連續(xù)反應液相一般認為是恒容，因此單位時間引入的體積流量與引出相等0 = f 或者說同一速度體積流量不是質量流量（不等）加入，產(chǎn)品以同一速度體積流量引出。對 （3）