化學(xué)反應(yīng)工程- 理想流動(dòng)反應(yīng)器-1

1、第一節(jié)流動(dòng)模型概述第二節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器第一節(jié)流動(dòng)模型概述間歇過程時(shí)間變化過程，間歇反應(yīng)器流動(dòng)過程空間變化過程，三釜串聯(lián)，平推流反應(yīng)器實(shí)例1：管式反應(yīng)器實(shí)例2：串聯(lián)釜式反應(yīng)器31反應(yīng)器中流體的流動(dòng)模型32 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程Schematic of a Steam Cracker for Ethylene Production from Naphthaheating gasCrack gas coolerCrack gas125 bar steamSteamNaphtha preheaterNaphthaburnerRadiation zoneconvection zon

2、eFeed water石腦油蒸餾制乙烯產(chǎn)品High Pressure Polymerisation of EthylenePressure : 1500 2500 bar（1bar0.1MPa）Residence time: 100 150 sReactor: Diam. 34 50 mm; L = 400 900 mcompressionpurgepolymerisationdepositionLP-stripperHP-stripper150-300atHP-compressorLP-compressor1500-3000barTubular reactor and stirred tan

3、kWax separation乙烯高壓聚合串聯(lián)反應(yīng)釜理想流動(dòng)模型DispersionRecycle reactor(Semi-)Batch reactor31反應(yīng)器中流體的流動(dòng)模型流動(dòng)模型：反應(yīng)器中流體流體與返混的描述非理想流動(dòng)模型Plug-Flow Reactor (PFR)Continuous stirred tank (CSTR)31反應(yīng)器中流體的流動(dòng)模型一、理想流動(dòng)模型Outlet = f(inlet, kinetics, contacting pattern)流動(dòng)模型：簡化，抽象平推流模型（Plug-Flow Reactor ，PFR)全混流模型 (Continuous stirre

4、d tank reactor， CSTR)Stirred tank cascade（1）平推流模型(PFR)CAf出料進(jìn)料V0 CA0一、理想流動(dòng)模型PFR假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動(dòng)特點(diǎn)：沿著物料的流動(dòng)方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動(dòng)方向的任一截面上物料的所有參數(shù)，如溫度、濃度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中具有相同的停留時(shí)間，反應(yīng)器中不存在返混。X=Z/2X=ZCA,OCA, outCAtx = 0timeZZ/2CA,OCA, outCAxpositionx x + xx0ZZ/2PFR（2）全混流模型假設(shè)：反

5、應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混合。特點(diǎn)：反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間參差不齊，有的很長，有的很短，形成一個(gè)停留時(shí)間分布。tresidence timeCA,inCA, outCAttime0tCA,OCA, outCAxposition0CSTR Batch reactor (discontinuously operated stirred tank reactor)Ideal reactorstouttout/2CA,OCA, outCAttime t =

6、tout/2t = toutCA,OCA, outCAxt = 0position00年齡反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時(shí)間；是對仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。壽命反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時(shí)間；是對已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。返混又稱逆向返混，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。是時(shí)間概念上的混合流動(dòng)模型相關(guān)的重要概念 BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始) 連續(xù)加料(入口) 連續(xù)加料(入口)2年齡 年齡相同(某時(shí)) 年齡相同(某處) 年齡不同3壽命 壽命相同(中止) 壽命相同(出口) 壽命不同(出口)4返混 無返混 無返混 返混極大第一節(jié) 流動(dòng)模型概述反應(yīng)器特性

7、分析濃度分布推動(dòng)力反應(yīng)器特性分析流體流動(dòng)推動(dòng)力：壓力差傳熱推動(dòng)力：溫差傳質(zhì)推動(dòng)力：濃度差（化學(xué)位差）化學(xué)反應(yīng)推動(dòng)力：體系組成與平衡組成的差。過程的速率：與推動(dòng)力成正比，與阻力成反比。反應(yīng)器特性分析反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)時(shí)間逐漸降低反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)器軸向長度逐漸降低反應(yīng)推動(dòng)力不變，等于出口處反應(yīng)推動(dòng)力傳質(zhì)推動(dòng)力偏離平推流的情況二、非理想流動(dòng)模型漩渦運(yùn)動(dòng)：渦流、湍動(dòng)、碰撞填料截面上流速不均勻溝流、短路：填料或催化劑裝填不均勻偏離全混流的情況死角短路攪拌造成的再循環(huán)二、非理想流動(dòng)模型流動(dòng)狀況對化學(xué)反應(yīng)的影響 - 主要由物料停留時(shí)間不同所造成二、非理想流動(dòng)模型短路、溝流停留時(shí)間減少轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、再循環(huán)停留

8、時(shí)間過長A+BP：有效反應(yīng)體積減少A+BPS 產(chǎn)物P減少 停留時(shí)間的不均3-2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程一、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性+反應(yīng)器的流動(dòng)特征+傳遞特性確定最佳的工藝條件 最大反應(yīng)效果+反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性 進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率計(jì)算所需反應(yīng)器體積 規(guī)定任務(wù)+反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化3-2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程the kinetic equationthe mass balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equation第二章中討論過計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)

9、算溫度變化計(jì)算壓力變化物料衡算方程針對任一反應(yīng)單元，在任一時(shí)間段內(nèi)：某組分累積量=某組分流入量某組分流出量某組分反應(yīng)消耗量反應(yīng)消耗累積流入流出反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇式整個(gè)反應(yīng)器00平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個(gè)反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應(yīng)熱+熱量的累積+傳給環(huán)境的熱量反應(yīng)熱累積帶入帶出反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶出量反應(yīng)熱累積量間歇式整個(gè)反應(yīng)器00平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個(gè)反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)傳給環(huán)境能量衡算方程動(dòng)量衡算方程（流體力學(xué)方程）氣相流動(dòng)反應(yīng)器的壓降大時(shí)，需要考慮壓降對反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動(dòng)量衡算。第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器

10、一、間歇反應(yīng)器的特征3-3 間歇反應(yīng)器（1）反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響；（2）具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題；（3）物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定Standardised stirred tank reactor sizes反應(yīng)釜規(guī)格4006301000250040006300總?cè)莘eL5338471447346053748230夾套容積L1201

11、52216368499677換熱面積m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸(mm) d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170019002100h2125013001550206025003050標(biāo)準(zhǔn)尺寸( according to DIN)二、間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述用數(shù)學(xué)模型描述反應(yīng)物組成隨時(shí)間的變化情況對整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：0流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量0單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)量 = 單位時(shí)間內(nèi)消失量等容過程，液相反應(yīng)圖解積分示意圖t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CA

12、CAfCA0二、間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述一級不可逆反應(yīng)（ 1st. Order Reaction，irreversible）實(shí)際操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間(t) + 輔助時(shí)間 (t)反應(yīng)體積VR是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積 VR=V(t+t)據(jù)此關(guān)系式，可以進(jìn)行反應(yīng)器體積的設(shè)計(jì)計(jì)算FP為單位時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量Cf為反應(yīng)終了時(shí)的產(chǎn)物濃度反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n1表31 理想間歇反應(yīng)器中整級數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達(dá)式k增大(溫度升高）t減少反應(yīng)體積減小討論：間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)2、反應(yīng)濃度的影響1. k的影響零級反應(yīng)：t與初濃度CA0正比一級反應(yīng)：t與初濃度CA0無關(guān)二級反應(yīng)：

13、t與初濃度CA0反比3. 殘余濃度零級反應(yīng)：殘余濃度隨t直線下降一級反應(yīng)：殘余濃度隨t逐漸下降二級反應(yīng)：殘余濃度隨t慢慢下降反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機(jī)理的變化Reaction rate r:reaction progress as a function of the reaction order n C0tdcdtCn=1n=2n=0tangentC0tCn=1n=2n=0reaction progress as a function of the reaction order n 例31以醋酸（A）和正丁醇（B）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯（C），操作溫度為100，每批進(jìn)料1kmol的A

14、和4.96kmol的B。已知反應(yīng)速率試求醋酸轉(zhuǎn)化率xA分別為0.5、0.9、0.99時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間。解：CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OA的初始濃度計(jì)算：可求出，投料總體積為0.559m3醋 酸 A1kmol60kg0.062m3正丁醇 B4.96kmol368kg0.496m3例題：用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A：B：S=1：2：1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時(shí)間為1h。反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為 100時(shí)，

15、k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75，則反應(yīng)器的實(shí)際體積是多少？=通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為1kg時(shí)，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時(shí)間需加入反應(yīng)器的原料液量為解：首先計(jì)算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時(shí)乙酸需用量為其次計(jì)算原料液的起始組成。 然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。代入速率方程，整理后得式中 代入到基本公式中得：t=118

16、.8min實(shí)際反應(yīng)器體積：12.38m3/0.7516.51m33-4 平推流反應(yīng)器一. 特點(diǎn)：（1）連續(xù)定態(tài)下，各個(gè)截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù)，不隨時(shí)間而變化；（2）徑向速度均勻，徑向也不存在濃度分布；（3）反應(yīng)物料具有相同的停留時(shí)間。3-4 平推流反應(yīng)器Tube reactor裂解爐用于乙烯生產(chǎn)的管式裂解爐V0 CA0CAfxAfxAf=0v0cA0(1- xA)v0cA0 (1- xA-dxA)rAdVRdVRxAxA+ dxA二. 平推流反應(yīng)器計(jì)算的基本公式BSTR與FPR的等效性二. 平推流反應(yīng)器計(jì)算的基本公式流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量0三、等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算

17、化學(xué)計(jì)量學(xué)，膨脹因子若反應(yīng)過程無體積變化反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率反應(yīng)器體積轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n1表32 等溫等容平推流反應(yīng)器計(jì)算式反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n1表31 理想間歇反應(yīng)器中整級數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達(dá)式Balancing of a continuous stirred tank reactor3-5 全混流反應(yīng)器反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。V0 CA0V0 CAfCAf例題：用平推流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為：原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.3

18、5，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知100時(shí)，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。=由于乙酸與乙醇的反應(yīng)為液相反應(yīng)，故可認(rèn)為是等容過程。等容下活塞流反應(yīng)器的空時(shí)與條件相同的間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間相等，已求出達(dá)到題給要求所需的反應(yīng)時(shí)間為t=118.8min。改用活塞流反應(yīng)器連續(xù)操作，如要達(dá)到同轉(zhuǎn)化率，要求應(yīng)使空時(shí)=t=118.8min。原料處理理為V0=4.155m3/h因此，反應(yīng)體積VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3解：3-5 全混流反應(yīng)器

19、流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量0進(jìn)口中已有A取整個(gè)反應(yīng)器為衡算對象3-5 全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器的圖解積分(對比右圖的PFR圖解積分)CA0CACAfCACA0CAf3-5 全混流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較用全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知100時(shí)，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。=例題：通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為1kg時(shí)，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時(shí)間需加入反應(yīng)器的原料液量為首先計(jì)算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算