第三章理想反應(yīng)器IdealReactor課件

1、第三章理 想 反 應(yīng) 器 Ideal Reactor3.5 平推流反應(yīng)器 Piston Flowing Reactor10/2/20221第三章理 想 反 應(yīng) 器 Ideal SO3 Production Plant and Gas Treatment (Ballestra) 10/2/20222SO3 Production Plant and Gas T 磺化反應(yīng)器本裝置是以連續(xù)多管膜式反應(yīng)器為基礎(chǔ)的磺化（硫酸化）裝置，此裝置以洗滌劑工業(yè)中使用的所有主要原材料生產(chǎn)磺酸和活性物，如：十二烷基苯、直鏈烷基苯、醇類、月桂醚、-烯烴等。10/2/20223 磺化反應(yīng)器本裝置是以連續(xù)多管膜式反應(yīng)器為基

2、礎(chǔ)的磺磺化反應(yīng)工藝流程10/2/20224磺化反應(yīng)工藝流程9/24/2022410/2/202259/24/20225重油催化裂化(FCC)裝置總圖10/2/20226重油催化裂化(FCC)裝置總圖9/24/20226 在催化裂化裝置中反再系統(tǒng)地反應(yīng)器為提升管反應(yīng)器，它是基于平推流的基礎(chǔ)上建立起來的。自60年代以來,提升管反應(yīng)器由于其氣固通量大、氣固接觸效率高以及操作范圍寬等特點(diǎn),在催化裂化工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而,隨著人們的研究深入,其徑向流動(dòng)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重非均勻性和較大的氣固返混也逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。10/2/20227 在催化裂化裝置中反再系統(tǒng)地反應(yīng)器為提升管反應(yīng)器，它是10/2/2022

3、89/24/20228在80年代中期,國內(nèi)外的一些著名的石油公司如Stone&Webster和Mobil等分別提出了超短接觸下行床反應(yīng)器的概念。對于催化裂化等以中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)品的過程,由于下行床能夠?qū)崿F(xiàn)氣固超短接觸并具有接近平推流的流型,將可以獲得比提升管更高的產(chǎn)品收率,因而受到人們的普遍關(guān)注,被譽(yù)為“21世紀(jì)取代提升管的換代新技術(shù)”。10/2/20229在80年代中期,國內(nèi)外的一些著名的石油公司如Stone&We10/2/2022109/24/20221010/2/2022119/24/2022112）在流體流動(dòng)的方向不存在流體質(zhì)點(diǎn)間的混和，即無返混現(xiàn)象。流體在管內(nèi)作平推流流動(dòng)具有如下兩特

4、征：1）在與流動(dòng)方向呈垂直的截面上沒有流速分布；10/2/2022122）在流體流動(dòng)的方向不存在流體質(zhì)點(diǎn)間的混和，即無返混現(xiàn)象。流u表示流體器內(nèi)流速，L表示軸內(nèi)距離因此，各質(zhì)點(diǎn)具有相同的停留時(shí)間 ，等于反應(yīng)時(shí)間t。10/2/202213u表示流體器內(nèi)流速，L表示軸內(nèi)距離因此，各質(zhì)點(diǎn)具有相同的停留對于非等分子反應(yīng)，需要按變?nèi)葸^程來考慮。在整個(gè)過程中:對于恒容反應(yīng)過程平均停留時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間和空時(shí)一致。對氣相反應(yīng)，恒溫，恒壓等分子反應(yīng)上式也適用。對于液相反應(yīng)，均可視為恒容過程。10/2/202214對于非等分子反應(yīng)，需要按變?nèi)葸^程來考慮。在整個(gè)過程中:對氣相膨脹因子：每反應(yīng)掉一個(gè)摩爾的組分A所引起反

5、應(yīng)物系總摩爾數(shù)的變化量。即：所以10/2/202215膨脹因子：每反應(yīng)掉一個(gè)摩爾的組分A所引起反應(yīng)物系總摩爾數(shù)的變F，F(xiàn)0分別為物系反應(yīng)后的摩爾流率和起始摩爾流率， yA0為著眼組分A的起始摩爾分率。10/2/202216F，F(xiàn)0分別為物系反應(yīng)后的摩爾流率和起始摩爾流率， yA0為上式若對于恒溫、恒壓過程，則有在這些場合，空時(shí)和停留時(shí)間是不相等的，使用時(shí)應(yīng)加以區(qū)別。10/2/202217上式若對于恒溫、恒壓過程，則有在這些場合，空時(shí)和停留時(shí)間是不3.5.1 設(shè)計(jì)方程10/2/2022183.5.1 設(shè)計(jì)方程9/24/202218 累積量 = 輸入量 - 輸出量對器內(nèi)微元容積dV進(jìn)行物料衡算，列

6、出組份A的物料衡算式。根據(jù)衡算的一般形式：10/2/202219 累積量 = 輸入量 - 輸出量對器內(nèi)微元容積dV進(jìn)行 10/2/2022209/24/202220平推流管式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程10/2/202221平推流管式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程9/24/20222110/2/2022229/24/202222恒容過程10/2/202223恒容過程9/24/202223恒容過程平推流與分批式完全混合反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程完全一致，因此只要反應(yīng)是在等溫下進(jìn)行，第二章的速率式都適用于平推流。10/2/202224恒容過程平推流與分批式完全混合反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程完全一致，因此只對于變?nèi)葸^程，其反應(yīng)速率方程中的各

7、個(gè)濃度需同時(shí)考慮因化學(xué)反應(yīng)和容積而改變造成的濃度變化。10/2/202225對于變?nèi)葸^程，其反應(yīng)速率方程中的各個(gè)濃度需同時(shí)考慮因化學(xué)反應(yīng) 但如果速率方程過于復(fù)雜，則往往需要用數(shù)值積分或下圖的圖解法求解方程。10/2/202226 但如果速率方程過于復(fù)雜，則往往需要用數(shù)值積分或下圖的圖解10/2/2022279/24/202227例3-5-1 應(yīng)用管徑為D=12.6cm的管式反應(yīng)器來進(jìn)行一級不可逆的氣體A的熱分解反應(yīng)，其計(jì)量方程為A=R+S；速率方程為 -rA=kCA；而k=7.8 109 exp -19220/T （s-1），原料為純氣體A，反應(yīng)壓力P = 5 atm（50.101325MPa

8、）下恒壓，T = 500 0C 恒溫反應(yīng)。 反應(yīng)過程中壓力恒定，要求A的分解率達(dá)到 0.9，原料氣體的處理速率為FAO = 1.55 kmol / h，求所需反應(yīng)器的管長L、停留時(shí)間t、空時(shí)（理想氣體）。 10/2/202228例3-5-1 應(yīng)用管徑為D=12.6cm的管式反應(yīng)器來進(jìn)行一反應(yīng)流體在管內(nèi)的體積流速為：解：反應(yīng)氣體的進(jìn)料體積流速為：10/2/202229反應(yīng)流體在管內(nèi)的體積流速為：解：反應(yīng)氣體的進(jìn)料體積流速為：910/2/2022309/24/20223010/2/2022319/24/202231所以10/2/202232所以9/24/20223210/2/2022339/24/

9、2022333.5-2 變溫操作的操作方程10/2/2022343.5-2 變溫操作的操作方程9/24/202234在定常態(tài)下應(yīng)有: 10/2/202235在定常態(tài)下應(yīng)有: 當(dāng)10/2/202236當(dāng)9/24/202236 如果將平推流反應(yīng)器出口的產(chǎn)物部分地返回到入口處與原始物料混合，這類反應(yīng)器為循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器。變溫操作方程為10/2/202237 如果將平推流反應(yīng)器出口的產(chǎn)物部分地返回到入口處與原始物料10/2/2022389/24/2022383.6 反應(yīng)器型式與操作方法的評選 3.6-1單一反應(yīng)的評選1.反應(yīng)器的選型只考慮如何有利于反應(yīng)速率的提高。對于單一反應(yīng)，反應(yīng)速率和反應(yīng)物濃

10、度的關(guān)系可能有三種性狀：10/2/2022393.6 反應(yīng)器型式與操作方法的評選 3.6-1單一反應(yīng)的評選（1） ，對于一切n0的不可逆等溫反應(yīng)。平推流，串聯(lián)全混流的容積小。10/2/202240（1） (2) 1/（-rA）隨XA的增大而單調(diào)下降，對于一切n0的不可逆等溫反應(yīng)。全混流為佳。10/2/202241(2) 1/（-rA）隨XA的增大而單調(diào)下降，對于一切n0（3）1/（-rA）對xA 的曲線上線存在著極小值，自催化絕熱操作的放熱反應(yīng)，當(dāng)xA小于最小的1/（-rA） 值的xAM時(shí)，全混流最佳；若xA0大于xAM ，則具有（1)的特性，平推流或串聯(lián)全混流；當(dāng)xA0 xAM而xAxAM時(shí)

11、，全混流串平推流最佳，循環(huán)操作的平推流次之；平推流反應(yīng)器；全混流最差。10/2/202242（3）1/（-rA）對xA 的曲線上線存在著極小值，自催化絕10/2/2022439/24/2022432.最優(yōu)操作溫度的選定 不可逆反應(yīng)，盡可能提高溫度?？赡嫖鼰岱磻?yīng)，盡可能提高溫度?？赡娣艧岱磻?yīng)，存在最優(yōu)的操作溫度。 10/2/2022442.最優(yōu)操作溫度的選定 不可逆反應(yīng)，盡可能提高溫度。可逆吸熱對于 一級可逆反應(yīng)，原料為純物質(zhì)A，恒容。 其中 10/2/202245對于 一級可逆反應(yīng)，原料為純物質(zhì)A，恒容。 其中 9/24/（1）等溫操作的最優(yōu)溫度 代入平推流設(shè)計(jì)方程 10/2/202246（1

12、）等溫操作的最優(yōu)溫度 代入平推流設(shè)計(jì)方程 9/24/20若固定V和v0，則xA為K和k的函數(shù)，對于給定=V/v0，可選定使xA，max時(shí)最大的操作溫度。10/2/202247若固定V和v0，則xA為K和k的函數(shù)，對于給定=V/v0，（2）變溫操作的最優(yōu)溫度分布 對于可逆放熱反應(yīng)，存在使反應(yīng)速率最大的反應(yīng)溫度，Topt 10/2/202248（2）變溫操作的最優(yōu)溫度分布 對于可逆放熱反應(yīng)，存在使反應(yīng)速對-rA對T求導(dǎo)10/2/202249對-rA對T求導(dǎo)9/24/2022493.6-2復(fù)合反應(yīng) 1.串聯(lián)反應(yīng) 10/2/2022503.6-2復(fù)合反應(yīng) 1.串聯(lián)反應(yīng) 9/24/202250上兩式適用

13、于平推流反應(yīng)器或間歇式全混流反應(yīng)器。對于全混流反應(yīng)器來說:10/2/202251上兩式適用于平推流反應(yīng)器或間歇式全混流反應(yīng)器。9/24/20平推流優(yōu)于全混流，k1=k2時(shí)兩者偏差最大。 2.平行反應(yīng) 對于單一反應(yīng)組份的平行反應(yīng) a. P隨xA的增大而單調(diào)增長，應(yīng)該無返混有利。 10/2/202252平推流優(yōu)于全混流，k1=k2時(shí)兩者偏差最大。 2.平行反應(yīng) b. P隨xA的增大而單調(diào)下降，返混有利。 c. P對xA曲線存在最大值，反應(yīng)前期返混有利，后期不利。 10/2/202253b. P隨xA的增大而單調(diào)下降，返混有利。 c. P對x對于 10/2/202254對于 9/24/202254為提高產(chǎn)物P收率，應(yīng)使SP增大。 a.如果a1a2 ， b1b2 ，應(yīng)選擇無返混反應(yīng)器。 b.