化學反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)

化學反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)第1頁/共39頁用符號表示：更普遍地說，對于體積元內(nèi)的任何物料，進入、排出、反應(yīng)、積累量的代數(shù)和為0。不同的反應(yīng)器和操作方式，某些項可能為0。第2頁/共39頁幾個時間概念(1)反應(yīng)持續(xù)時間tr

簡稱為反應(yīng)時間，用于間歇反應(yīng)器。指反應(yīng)物料進行反應(yīng)達到所要求的反應(yīng)程度或轉(zhuǎn)化率所需時間，其中不包括裝料、卸料、升溫、降溫等非反應(yīng)的輔助時間。(2)停留時間t和平均停留時間停留時間又稱接觸時間，用于連續(xù)流動反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時間。第3頁/共39頁(3)空間時間τ

其定義為反應(yīng)器有效容積VR與流體特征體積流率V0之比值。即空間時間是一個人為規(guī)定的參量，它表示處理在進口條件下一個反應(yīng)器體積的流體所需要的時間。空間時間不是停留時間空時為2h意思為每2個小時處理的物料量相當于一個反應(yīng)器的體積第4頁/共39頁(4)空間速度SV

有空速和標準空速之分?？账俚囊话愣x為在單位時間內(nèi)投入單位有效反應(yīng)器容積內(nèi)的物料體積。即：標準空速定義為：VNO為標準狀態(tài)下的體積流量m3/h空間速度為2h-1意思為每小時反應(yīng)器處理的原料量為2倍反應(yīng)器體積第5頁/共39頁理想反應(yīng)器在工業(yè)上化學反應(yīng)必然要在某種設(shè)備內(nèi)進行，這種設(shè)備就是反應(yīng)器。根據(jù)各種化學反應(yīng)的不同特性，反應(yīng)器的形式和操作方式有很大差異。從本質(zhì)上講，反應(yīng)器的形式并不會影響化學反應(yīng)動力學特性。但是物料在不同類型的反應(yīng)器中流動情況是不同的。第6頁/共39頁簡單混合與返混若相互混合的物料是在相同的時間進入反應(yīng)器的，具有相同的反應(yīng)程度，混合后的物料必然與混合前的物料完全相同。這種發(fā)生在停留時間相同的物料之間的均勻化過程，稱之為簡單混合。如果發(fā)生混合前的物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間不同，反應(yīng)程度就不同，組成也不會相同。混合之后的物料組成與混合前必然不同，反應(yīng)速率也會隨之發(fā)生變化，這種發(fā)生在停留時間不同的物料之間的均勻化過程，稱之為返混。第7頁/共39頁

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行移動，所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。第8頁/共39頁按物料在反應(yīng)器內(nèi)返混情況作為反應(yīng)器分類的依據(jù)將能更好的反映出其本質(zhì)上的差異。按返混情況不同反應(yīng)器被分為以下四種類型第9頁/共39頁理想反應(yīng)器（無返混）（返混程度最大）理想反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器

（完全混合）

平推流反應(yīng)器（無返混）間歇式完全混合連續(xù)式完全混合非理想反應(yīng)器第10頁/共39頁間歇反應(yīng)器間歇操作的充分攪拌槽式反應(yīng)器（簡稱間歇反應(yīng)器）。在反應(yīng)器中物料被充分混合，但由于所有物料均為同一時間進入的，物料之間的混合過程屬于簡單混合，不存在返混。第11頁/共39頁平推流反應(yīng)器理想置換反應(yīng)器（又稱平推流反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器）。在連續(xù)流動的反應(yīng)器內(nèi)物料允許作徑向混合（屬于簡單混合）但不存在軸向混合（即無返混）。典型例子是物料在管內(nèi)流速較快的管式反應(yīng)器。第12頁/共39頁全混流反應(yīng)器連續(xù)操作的充分攪拌槽型反應(yīng)器（簡稱全混流反應(yīng)器）。在這類反應(yīng)器中物料返混達最大值。第13頁/共39頁非理想流反應(yīng)器非理想流反應(yīng)器。物料在這類反應(yīng)器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反應(yīng)器及全混流反應(yīng)器之間。第14頁/共39頁間歇反應(yīng)器反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)過程中不再向反應(yīng)器內(nèi)投料，也不向外排出，待反應(yīng)達到要求的轉(zhuǎn)化率后，再全部放出反應(yīng)物料。反應(yīng)器內(nèi)的物料在攪拌的作用下其參數(shù)（溫度及濃度）各處均一。第15頁/共39頁

第一節(jié)間歇式完全混合反應(yīng)器第16頁/共39頁間歇反應(yīng)器特點①由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中各位置的物料溫度、濃度都相同；②由于一次加料，一次出料，反應(yīng)過程中沒有加料、出料，所有物料在反應(yīng)器中停留時間相同，不存在不同停留時間物料的混合，即無返混現(xiàn)象；③出料組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；④為間歇操作，有輔助生產(chǎn)時間。一個生產(chǎn)周期應(yīng)包括反應(yīng)時間、加料時間、出料時間、清洗時間、加熱（或冷卻）時間等。第17頁/共39頁間歇反應(yīng)器設(shè)計方程反應(yīng)器有效容積中物料溫度、濃度相同，故選擇整個有效容積V’R作為衡算體系。在單位時間內(nèi)，對組分A作物料衡算：nA=nA0(1-xA)，所以dnA=-nA0dxA第18頁/共39頁整理得當進口轉(zhuǎn)化率為0時，分離變量并積分得為間歇反應(yīng)器設(shè)計計算的通式。它表達了在一定操作條件下，為達到所要求的轉(zhuǎn)化率xA所需的反應(yīng)時間tr。第19頁/共39頁在恒容條件下，上式可簡化為：間歇反應(yīng)器內(nèi)為達到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間tr，只是動力學方程式的直接積分，與反應(yīng)器大小及物料投入量無關(guān)。第20頁/共39頁也可按圖解的方法來求反應(yīng)時間第21頁/共39頁設(shè)計計算過程對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即單位時間處理的原料量FA[kmol.h-1]以及原料組成CA0[kmol.m-3]、達到的產(chǎn)品要求xAf及輔助生產(chǎn)時間t’、動力學方程等，均作為給定的條件，設(shè)計計算出間歇反應(yīng)器的體積。第22頁/共39頁①由式計算反應(yīng)時間tr；②計算一批料所需時間tt；tt=tr+t’t’為輔助生產(chǎn)時間③計算每批投放物料總量F’A；F’A=FAtt④計算反應(yīng)器有效容積V’R；第23頁/共39頁⑤計算反應(yīng)器總體積VR。反應(yīng)器總體積應(yīng)包括有效容積、分離空間、輔助部件占有體積。通常有效容積占總體積分率為60％～85％，該分率稱為反應(yīng)器裝填系數(shù)φ，由生產(chǎn)實際決定。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0.7-0.85第24頁/共39頁例1-3某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70℃用間歇釜并以H2SO4作催化劑進行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實驗測得反應(yīng)動力學方程為：cA0=4kmol.m-3第25頁/共39頁若每天處理2400kg己二酸，每批操作輔助生產(chǎn)時間為1h，反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75，求：(1)轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5，0.6，0.8，0.9時，所需反應(yīng)時間為多少?(2)求轉(zhuǎn)化率為0.8，0.9時，所需反應(yīng)器體積為多少?第26頁/共39頁分析：求求已知求和設(shè)計方程已知處理能力第27頁/共39頁解：(1)達到要求的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間為：xA=0.5xA=0.6tr=3.18hxA=0.8tr=8.5hxA=0.9tr=19.0h第28頁/共39頁(2)反應(yīng)器體積的計算xA=0.8時：tt=tr+t’=8.5+1=9.5h每小時己二酸進料量FA0，己二酸相對分子質(zhì)量為146，則有：處理體積為：實際反應(yīng)器體積VR：第29頁/共39頁反應(yīng)器有效容積V’R：實際反應(yīng)器體積VR：當xA=0.9時：tt=19+1=20hV’R=0.171×20=3.42m3VR=3.42／0.75=4.56m3第30頁/共39頁間歇反應(yīng)器的優(yōu)化最優(yōu)時間間歇反應(yīng)器每批物料的操作時間包括反應(yīng)時間和輔助時間，對于一定的化學反應(yīng)和反應(yīng)器，輔助時間是一定值。隨反應(yīng)時間的延長，產(chǎn)品產(chǎn)量會增加，但單位時間的產(chǎn)量并不一定增加，因此，以單位操作時間的產(chǎn)量為目標函數(shù)，就會存在一個最優(yōu)時間。第31頁/共39頁以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物R的濃度為，單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為：第32頁/共39頁

——單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件

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圖解法McRt0At0第34頁/共3