化學(xué)反應(yīng)工程陳甘棠第三章課件

化學(xué)反應(yīng)工程2/6/20234間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間1物料衡算第一節(jié)間歇式完全混合反應(yīng)器第三章理想反應(yīng)器2熱量衡算3反應(yīng)容積的計算2/6/2023反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容1）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特性來選擇合適的反應(yīng)器形式；2）結(jié)合動力學(xué)和反應(yīng)器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化的操作設(shè)計；3）根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應(yīng)裝置進(jìn)行設(shè)計計算，確定反應(yīng)器的幾何尺寸并進(jìn)行某些經(jīng)濟(jì)評價。2/6/2023

返混：不同停留時間的粒子間的混合

平推流：反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進(jìn)行移動，所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。2/6/2023

第一節(jié)間歇式完全混合反應(yīng)器2/6/2023特點(diǎn)：

反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等，無需考慮反應(yīng)器內(nèi)的熱量傳遞問題所有物料具有相同的反應(yīng)時間

優(yōu)點(diǎn)：

操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量，多品種，反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)

缺點(diǎn)：

裝料，卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定2/6/2023積分得：——間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程2/6/20232熱量衡算

單位時間內(nèi)輸入的熱量單位時間內(nèi)輸出的熱量單位時間的反應(yīng)熱單位時間內(nèi)累積的熱量__=

輸入熱量輸出的熱量=0單位時間的反應(yīng)熱

對于間歇式反應(yīng)器：2/6/2023對于恒容過程：積累

——變溫操作熱衡算式，操作方程2/6/20233反應(yīng)容積的計算：反應(yīng)時間：輔助時間：輔助時間單位時間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積2/6/2023

實際反應(yīng)器的體積

裝填系數(shù)，0.4-0.85

。一般由實驗確定，也可根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)不同而選擇。

對于沸騰或起泡沫的液體物料，可取0.4-0.6

對于不起泡或不沸騰的液體，可取0.7-0.852/6/2023例3-1

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間為1h，反應(yīng)在100℃下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下：12kk2/6/2023分析：求求已知求和設(shè)計方程已知2/6/2023解：

首先計算原料處理量

每小時的乙酸用量為：由于原料液中A:B:S=1:2:1.35原料液中含1kg乙酸原料液量為：2/6/2023原料液的起始組成：由求反應(yīng)時間2/6/20232/6/2023所需的反應(yīng)體積為：反應(yīng)器的實際體積為：

2/6/20234間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間一定目標(biāo)函數(shù)增大減小減小2/6/2023

——單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件

求法圖解法數(shù)值法2/6/2023圖解法McRt0At02/6/2023——生產(chǎn)費(fèi)用最小所必須滿足的條件2/6/2023用圖解法求解NBcRt02/6/2023第二節(jié)半間歇式釜式反應(yīng)器以二級不可逆反應(yīng)為例反應(yīng)速率方程為：

假設(shè)B間歇投料，A緩慢連續(xù)加料，則：2/6/2023對A進(jìn)行物料衡算：輸入=輸出=

0積累=

反應(yīng)=2/6/2023對總物料衡算：分離變量試分析反應(yīng)物A的濃度隨時間如何變化？2/6/20232/6/2023產(chǎn)物濃度的表達(dá)式：A反應(yīng)掉的摩爾數(shù)：

P生成的摩爾數(shù)：2/6/2023產(chǎn)物P的濃度隨時間如何變化？2/6/2023t=0時，Q=0,時，對于放熱反應(yīng)，可通過控制A的加入速度來方便地控制反應(yīng)的放熱速率，實現(xiàn)對反應(yīng)溫度的控制。操作中的反應(yīng)放熱速率：2/6/2023第三節(jié)全混流反應(yīng)器1物料衡算2反應(yīng)器中其他時間表示方法3設(shè)計方程的應(yīng)用4間歇反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的比較5全混流反應(yīng)器的熱衡算與熱穩(wěn)定性2/6/2023第三節(jié)全混流反應(yīng)器1、物料衡算輸入

=輸出=積累=0

A的反應(yīng)量=2/6/2023——全混流反應(yīng)器的設(shè)計方程定義空時2/6/2023代表反應(yīng)器處理物料的能力變小，處理能力變大對于均相反應(yīng)：（體積空速）

對于非均相反應(yīng)，常以催化劑質(zhì)量多少表示反應(yīng)器的體積空速:單位反應(yīng)體積，單位時間內(nèi)所處理的物料量2/6/20232、反應(yīng)器中其他時間表示方法反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器后，從實際發(fā)生反應(yīng)的

時刻起到反應(yīng)達(dá)某一程度的時間。指反應(yīng)物粒子從進(jìn)入到離開反應(yīng)器的時間對于間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器，反應(yīng)時間和停留時間相同對于全混流反應(yīng)器，由于可能有短路，死區(qū)和循環(huán)流，物料在器內(nèi)停留時間不同，具有停留時間的分布，此時常用平均停留時間來表征。1）反應(yīng)時間：2）停留時間：2/6/2023反應(yīng)器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速之比。

3）平均停留時間與空時和含義不同:非恒容過程，兩者不同。平均停留時間：恒容過程兩者是一致的2/6/2023例3-2

如上例，取時，2/6/20233設(shè)計方程的應(yīng)用已知-rA，可求得不同空時下的組成例:對于一級不可逆串聯(lián)反應(yīng)：

求2/6/2023對于著眼組分A有：對于著眼組分P有：2/6/2023由于:2/6/2023可得

時：此時：2/6/20234間歇反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的比較BA2/6/2023對于間歇反應(yīng)器，不考慮輔助操作時間時，其有效容積：全混流反應(yīng)器，有效容積：當(dāng)時:

即間歇反應(yīng)器的容積與所需全混流反應(yīng)器的容積之比等于相應(yīng)的反應(yīng)時間和空時之比。2/6/2023令:------全混流反應(yīng)器的容積系數(shù)即:2/6/2023設(shè)反應(yīng)級數(shù)為n對于各種n值求解，結(jié)果列于下表中:2/6/2023

n

-1

0

1

0.5

1

2

3表達(dá)式2/6/2023應(yīng)用結(jié)果計算出n值下隨的變化，如圖:10.80.60.1000.20.40.60.81.02/6/20235、全混流反應(yīng)器的熱衡算與熱穩(wěn)定性1）熱衡算輸入=

輸出=

積累=0反應(yīng)熱=

2/6/2023絕熱時：

——全混流反應(yīng)器的操作方程2/6/2023與設(shè)計方程聯(lián)立可求出反應(yīng)溫度與間歇釜式反應(yīng)器對比，反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)時間的關(guān)系2/6/2023反應(yīng)器的熱量衡算式為：令：

2）全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性分析——反應(yīng)器內(nèi)的放熱速率2/6/2023令：則上式變?yōu)椋寒?dāng)定態(tài)操作時：

——散熱速率2/6/2023以一級不可逆反應(yīng)為例，對于一級不可逆反應(yīng)，有：由反應(yīng)器的設(shè)計方程得：2/6/2023對T作圖為S型曲線，如圖:

τ下降v0增大分析τ、v0、CA0、與曲線形狀的關(guān)系2/6/2023由知，

曲線為一直線

直線的斜率

：截距：

2/6/2023分析料液的起始溫度與曲線形狀的關(guān)系：

增大，直線右移，斜率不變。2/6/2023提高冷卻介質(zhì)的溫度：

增大，直線右移，斜率不變。2/6/2023分析進(jìn)料流率對散熱線的影響：

絕熱，v0=0或A=∞Tm2/6/2023若為絕熱反應(yīng)，則由熱量衡算式知：在常態(tài)下應(yīng)滿足：

將和同時標(biāo)繪在一張圖上：2/6/20232/6/2023多重定態(tài)：滿足熱平衡條件的狀態(tài)穩(wěn)態(tài)：當(dāng)有微小擾動時，具有自衡能力的定態(tài)。多重定態(tài)現(xiàn)象的存在可能使操作條件連續(xù)變化的反應(yīng)器的操作狀態(tài)發(fā)生突變2/6/2023增大TaTbTcTdTe2/6/20232/6/20233）全混流反應(yīng)器熱穩(wěn)定性的判據(jù)

所有穩(wěn)定的定常態(tài)點(diǎn)具有的特征：散熱線的斜率大于放熱曲線的斜率(a)2/6/2023定態(tài)時，由物料衡算知：

即：

(b)2/6/2023將(b)代入(a)：

——保守的判據(jù)2/6/2023對于絕熱反應(yīng)n級：

代入：2/6/2023絕熱操作時，定態(tài)點(diǎn)

穩(wěn)態(tài)操作：

——絕熱操作的全混流反應(yīng)器允許的最大溫升2/6/2023第四節(jié)多釜串聯(lián)組合的全混流反應(yīng)器1.流程2.多釜串聯(lián)反應(yīng)器的總?cè)莘e3多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器的最優(yōu)容積比2/6/2023第四節(jié)多釜串聯(lián)組合的全混流反應(yīng)器1.流程2/6/2023對作圖

2/6/20232.多釜串聯(lián)反應(yīng)器的總?cè)莘e1）解析法

以一級不可逆反應(yīng)為例，對于恒容系統(tǒng)，任意第i個反應(yīng)器有：即：2/6/2023假設(shè)反應(yīng)是等溫反應(yīng)，，有：令各釜的空時相等，則：N個反應(yīng)器的總?cè)莘e:2/6/20232）圖解法當(dāng)反應(yīng)級數(shù)可用圖解法計算。2/6/20233多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器的最優(yōu)容積比對于第i個反應(yīng)器，有：反應(yīng)流體在N個串聯(lián)全混流反應(yīng)器的總的空時：2/6/2023滿足為最小的條件:得：——滿足總?cè)莘e最小的條件2/6/2023對于一級不可逆反應(yīng)：

可得：

2/6/2023兩邊同時乘以，可得：對于非一級反應(yīng)，需求解非線性代數(shù)方程組得各釜出口轉(zhuǎn)化率，然后再計算反應(yīng)體積，或用圖解法確定各釜出口轉(zhuǎn)化率。2/6/2023結(jié)論：總反應(yīng)體積最小的條件：反應(yīng)物流流動方向，各釜的體積依次增大，即小釜在前，大釜在后。n>1時:各釜反應(yīng)體積依次減小。0<n<1時:n=1時:

各釜體積相等。n=0時:串聯(lián)釜式反應(yīng)器的總反應(yīng)體積與單一釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積相等，串聯(lián)操作無必要。單釜操作優(yōu)于串聯(lián)操作。n<0時:2/6/20231物料衡算第五節(jié)平推流反應(yīng)器2熱衡算——操作方程3循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器2/6/2023第五節(jié)平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器的特征：

在與流動方向是垂直的截面上沒有流速分布，即徑向混合均勻在流體流動的方向不存在流體質(zhì)點(diǎn)間的混合，即軸向不返混2/6/2023對于恒容反應(yīng)：（液相）——平均停留時間．反應(yīng)時間和空時是一致的2/6/2023對于氣相反應(yīng)，恒溫，恒壓：對于氣相變溫，變壓：此時，空時和停留時間是不相等的。2/6/20231物料衡算輸入：

輸出：

積累=0A的反應(yīng)量：0ll2/6/2023分離變量積分:2/6/2023即：——平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程對于恒容過程有：代入設(shè)計方程：2/6/2023或：

可見，恒容時平推流反應(yīng)器與分批式完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程一致2/6/2023例：

在平推流反應(yīng)器中，于923K等溫下進(jìn)行丁烯脫氫反應(yīng)以生產(chǎn)丁二烯：反應(yīng)速率方程為：原料氣為丁烯與水蒸氣的混合氣，丁烯的摩爾分?jǐn)?shù)為10%,操作壓力為求丁烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)35%時，空時為多少？2/6/2023分析：求τpA用xA表示是否為恒容將速率方程代入設(shè)計方程，得：

解：2/6/2023由理想氣體方程：而丁烯脫氫反應(yīng)為變?nèi)葸^程，由計量關(guān)系知：2/6/20232/6/2023空時與平均停留時間不等當(dāng)時，當(dāng)時，2/6/20232熱衡算——操作方程輸入輸出2/6/2023積累反應(yīng)放熱兩邊除△l，求極限取平均摩爾熱容2/6/2023若反應(yīng)器為直徑為D的圓柱形2/6/2023對于絕熱過程由設(shè)計方程得即：若以平均組成下的熱容表示2/6/2023若為等分子反應(yīng)時，2/6/2023例：

在內(nèi)徑為1.22m的絕熱管式反應(yīng)器中，進(jìn)行乙苯催化脫氫反應(yīng)，進(jìn)料溫度為898K，乙苯與水蒸氣摩爾比=1:20，操作壓力0.12MPa，速率方程為：反應(yīng)混合物的平均比熱容：

2/6/2023反應(yīng)熱：催化劑的床層堆密度

：

乙苯進(jìn)料量

：求：時床層高度。分析：求床層高度已知D求VR求-rA絕熱熱量衡算2/6/2023解：

其中：

2/6/2023又：

2/6/2023反應(yīng)器的設(shè)計方程為：

代入，采用辛普森法計算：

19738.45648.73061.21961.7135.5975.7721.50.60.50.40.30.20.102/6/2023可得：床層高度：2/6/20233循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器2/6/2023對M點(diǎn)作A的物料衡算

可得：

平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程：2/6/2023時：

即：

時,平推流反應(yīng)器——全混流反應(yīng)器2/6/2023當(dāng)β=？時，VR=min2/6/2023由得：

——達(dá)到最優(yōu)循環(huán)比所必須滿足的條件2/6/2023AB一部分n＞0，另一部分n＜0時，采用循環(huán)如：自催化反應(yīng)、生化反應(yīng)、某些自熱反應(yīng)2/6/2023第六節(jié)反應(yīng)器型式與操作方法的評選

1單一反應(yīng)2復(fù)合反應(yīng)2/6/2023第六節(jié)反應(yīng)器型式與操作方法的評選

1單一反應(yīng)1）反應(yīng)器的選型

Ⅰ)隨單調(diào)遞增

單釜全混流>多釜串聯(lián)全混流>間歇全混流>平推流反應(yīng)器此時所需的反應(yīng)容積：（對于n>0的不可逆等溫反應(yīng)均有此特征）2/6/2023xAxAxA平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器多釜串聯(lián)全混流2/6/2023Ⅱ)

隨單調(diào)遞減

（對于n<0的不可逆等溫反應(yīng)均有此特征）間歇全混流>平推流反應(yīng)器>多釜串聯(lián)全混流>單釜全混流此時所需的反應(yīng)容積：2/6/2023(全混流反應(yīng)器）（平推流反應(yīng)器）2/6/2023Ⅲ）對的曲線上存在著極小值

（自催化反應(yīng)和絕熱操作的放熱反應(yīng)具有這種特征）當(dāng)xAf＜xAM時，與（Ⅱ）同，全混流反應(yīng)器最佳，平推流所需的容積最大當(dāng)xA0＞xAM時，與（Ⅰ）同，平推流反應(yīng)器最佳，單釜全混流反應(yīng)器所需容積最大當(dāng)xA0＜xAM而

xAf＜xAM時，全混流串接平推流最優(yōu)循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器次之，平推流、全混流反應(yīng)器最差。2/6/20232/6/20232）最佳操作溫度不可逆反應(yīng)：可逆反應(yīng)：T↑,rA↑,盡可能提高T?？赡嫖鼰幔篢↑,rA↑，K↑,xA↑

T盡可能高可逆放熱：T↑,rA↑，K↓,xA↓存在一最佳溫度2/6/2023Ⅰ）等溫操作

等溫操作時，當(dāng)給定后，可求出使最大的操作溫度Ⅱ）變溫操作當(dāng)反應(yīng)速率最大時有：2/6/2023其中：

又:當(dāng)反應(yīng)在下達(dá)到平衡時，有：2/6/2023解出：

2/6/20232復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)物P的瞬時收率：總收率：

對于全混流反應(yīng)器，瞬間收率與總收率相等：2/6/2023對于多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器系統(tǒng)