釜式反應(yīng)器二

釜式反應(yīng)器任務(wù)二釜式反應(yīng)器的設(shè)計、選型

二、均相反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)一、反應(yīng)器流動模型三、釜式反應(yīng)器的生產(chǎn)原理四、多個理想連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)操作五、連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性一、反應(yīng)器流動模型化工操作過程可分為間歇過程、連續(xù)過程和半連續(xù)過程。反應(yīng)器中流體的流動模型是針對連續(xù)過程而言。由于真實反應(yīng)器幾何尺寸、操作條件、攪拌等的復(fù)雜性，使得反應(yīng)器內(nèi)流動十分復(fù)雜，而反應(yīng)器中流體的流動直接影響反應(yīng)器的性能，為此有必要討論反應(yīng)器內(nèi)的流體流動。反應(yīng)器流動模型理想流動模型非理想流動理想混合流動模型理想置換流動模型模塊一釜式反應(yīng)器模塊一釜式反應(yīng)器（一）理想流動模型1.理想置換流動模型理想置換流動模型也稱作平推流模型或活塞流模型。任一截面的物料如同氣缸活塞一樣在反應(yīng)器中移動，垂直于流體流動方向的任一橫截面上所有物料質(zhì)點的年齡相同，是一種返混量為零的極限流動模型。加料產(chǎn)物長徑比較大和流速較高的連續(xù)操作管式反應(yīng)器中的流體流動均可視為理想置換流動。模塊一釜式反應(yīng)器①沿流動方向，溫度、濃度、反應(yīng)速率隨位置逐漸改變②穩(wěn)定流動，各點溫度、濃度、反應(yīng)速率不隨時間而變③各物料質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相同。④穩(wěn)定狀態(tài)下，單元時間、微元體積內(nèi)，反應(yīng)物積累量為零。理想置換流動模型的特點：模塊一釜式反應(yīng)器2.理想混合流動模型理想混合流動模型也為全混流模型。由于強(qiáng)烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)點返混程度為無窮大，所有空間位置物料的各種參數(shù)完全均勻一致。攪拌十分強(qiáng)烈的連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器中的流體流動均可視為理想混合流動。均勻混合加料產(chǎn)物模塊一釜式反應(yīng)器理想混合流動模型的特點：①物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；②反應(yīng)器內(nèi)溫度、濃度、反應(yīng)速率處處均一，不隨時間而變，且與出口相同。③物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間不同。④連續(xù)，穩(wěn)定流動，物料的積累項為零。模塊一釜式反應(yīng)器3.返混及其對反應(yīng)的影響（1）返混返混專指不同時刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間的混合，是逆向的混合，或者說是不同年齡質(zhì)點之間的混合。返混是連續(xù)化后才出現(xiàn)的一種混合現(xiàn)象。（2）返混對反應(yīng)的影響非理想流動反應(yīng)器存在不同程度的返混，返混帶來的最大影響是反應(yīng)器進(jìn)口處反應(yīng)物高濃度區(qū)的消失或減低。①返混改變了反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布，使反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度下降，反應(yīng)產(chǎn)物的濃度上升。②返混的結(jié)果將產(chǎn)生停留時間分布，并改變反應(yīng)器內(nèi)濃度分布。③返混不但對反應(yīng)過程產(chǎn)生不同程度的影響，更重要的示對反應(yīng)器的工程放大所產(chǎn)生的問題。間歇操作釜式反應(yīng)器中同樣存在劇烈的攪拌與混合，但不會導(dǎo)致高濃度的消失，這是因為混合對象不同。間歇操作釜式反應(yīng)器中彼此混合的物料是在同一時刻進(jìn)入反應(yīng)器的，又在反應(yīng)器中同樣條件下經(jīng)歷了相同的反應(yīng)時間，因而具有相同的性質(zhì)、相同的濃度，這種濃度相同的物料之間的混合不會使原有的高濃度消失。連續(xù)操作釜式反應(yīng)器中存在的都是早先進(jìn)入反應(yīng)器并經(jīng)歷了不同反應(yīng)時間的物料，其濃度已經(jīng)下降，進(jìn)入反應(yīng)器的新鮮高濃度物料一旦與這種已經(jīng)反應(yīng)過的物料相混合，高濃度會隨之消失。模塊一釜式反應(yīng)器（3）降低返混程度的主要措施降低返混程度的主要措施橫向分割連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器，其返混程度可能達(dá)到理想混合程度。為了減少返混，工業(yè)上采用多釜串聯(lián)操作，這是橫向分割的典型例子。當(dāng)串聯(lián)釜數(shù)足夠多時，這種連續(xù)多釜串聯(lián)的操作性能就很接近理想置換反應(yīng)器的性能。縱向分割流化床反應(yīng)器是氣固相連續(xù)操作的一種工業(yè)反應(yīng)器。流化床中由于氣泡運(yùn)動造成氣相和固相存在嚴(yán)重的返混。為了限制返混，對高徑比較大的流化床反應(yīng)器常在其內(nèi)部裝置橫向擋板以減少返混，而對高徑比較小的流化床反應(yīng)器則可設(shè)置垂直管作為內(nèi)部構(gòu)件。模塊一釜式反應(yīng)器（二）非理想流動實際工業(yè)反應(yīng)器中的反應(yīng)物料流動與理想流動有所偏離，過程介于兩者之間。所有偏離理想流動模型的流動模式均稱為非理想流動。1.非理想流動形成的原因1.滯留區(qū)的存在滯留區(qū)是指反應(yīng)器內(nèi)流體流動極慢以至幾乎不流動的區(qū)域，也稱死角、死區(qū)。由于滯留區(qū)的存在，使得部分流體的停留時間極長。滯留區(qū)主要產(chǎn)生于設(shè)備的死角中，如設(shè)備兩端、擋板與設(shè)備壁的交接處以及設(shè)備設(shè)有的其他障礙物時，最易產(chǎn)生死角。若要減少滯留區(qū)的存在，主要通過合理的設(shè)計來保證。2.溝流和短路在固定床反應(yīng)器、填料塔以及滴流床反應(yīng)器中，由于催化劑顆粒或填料裝填不勻，造成一低阻力通道，使得部分流體快速從此通道流過從而形成溝流。短路則是在設(shè)備設(shè)計不良時產(chǎn)生的現(xiàn)象，流體在設(shè)備內(nèi)的停留時間極短，例如當(dāng)設(shè)備的進(jìn)出口離得太近時就會出現(xiàn)短路。3.循環(huán)流實際的釜式反應(yīng)器、鼓泡塔和流化床中都存在著流體的循環(huán)流動。4.流體流速分布不均勻5.擴(kuò)散由于流體在反應(yīng)器內(nèi)的徑向流速分布不均勻，從而造成流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間不同。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)流體的流速較小時，形成滯流，此時流體在徑向方向上的流速呈拋物線分布；當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)流體的流速較大時，形成湍流，此時流體在徑向方向上的流速分布比較平坦。由于分子擴(kuò)散及渦流擴(kuò)散的存在而造成了物料質(zhì)點之間的混合，使停留時間的分布偏離理想流動狀況。模塊一釜式反應(yīng)器在實際工業(yè)反應(yīng)器計算中，為了考慮非理想流動的情況，一般總是基于一個反應(yīng)過程的初步認(rèn)識，首先分析其實際流動狀況，從而選擇一較為切合實際的合理簡化的流動模型，并用數(shù)學(xué)模型方法關(guān)聯(lián)返混與停留時間分布的定量關(guān)系，然后通過停留時間分布的實驗測定來檢驗假設(shè)的模型的正確程度，確定在假設(shè)模型時所引入的模型參數(shù)，最后結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)來感覺反應(yīng)結(jié)果。2.非理想流動模型模塊一釜式反應(yīng)器均相反應(yīng)：

參與反應(yīng)的各化學(xué)組分處于同一相（氣相或液相）內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。包括氣相均相反應(yīng)液相均相反應(yīng)特點：反應(yīng)物系中不存在相界面

二、均相反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)模塊一釜式反應(yīng)器

均相反應(yīng)動力學(xué)研究均相反應(yīng)進(jìn)行的速率以及溫度、濃度、催化劑等因素對反應(yīng)速率的影響。

均相反應(yīng)動力學(xué)是研究均相反應(yīng)過程的基礎(chǔ)，也為工業(yè)反應(yīng)裝置的選型、設(shè)計計算和反應(yīng)器的操作分析提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。模塊一釜式反應(yīng)器1.化學(xué)計量方程

（1）化學(xué)反應(yīng)式反應(yīng)物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的過程用定量關(guān)系式予以描述時，該定量關(guān)系式稱為化學(xué)反應(yīng)式。aA+bB+…

→

rR+sS+…

式中：

a、b、

r、s…

——計量系數(shù)。

注意：化學(xué)反應(yīng)式不是方程式，不允許按方程式的運(yùn)算規(guī)則加以運(yùn)算。（一）基本概念及術(shù)語模塊一釜式反應(yīng)器（2）化學(xué)計量方程化學(xué)計量方程只表示反應(yīng)物、生成物在化學(xué)反應(yīng)過程中量的變化關(guān)系。aA+bB+…

＝

rR+sS+…

(－a)A+(－b)B+…+rR+sS+…

＝0aAA+aBB+…+aRR+aSS+…

＝∑aII＝0式中：

aA、aB、aR、aS

…

——化學(xué)計量系數(shù)。

注意：化學(xué)計量方程允許按方程式的運(yùn)算規(guī)則加以運(yùn)算。模塊一釜式反應(yīng)器2.反應(yīng)程度ξ

引入“反應(yīng)程度”來描述反應(yīng)進(jìn)行的深度。對于任一化學(xué)反應(yīng)定義反應(yīng)程度式中，nI為體系中參與反應(yīng)的任意組分I的摩爾數(shù)，αI為其計量系數(shù)，nI0為起始時刻組分I的摩爾數(shù)。模塊一釜式反應(yīng)器3.轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率是指某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的百分率反應(yīng)進(jìn)行到一定時刻，各組分的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為：應(yīng)用：nA=nA0(1-xA)CA=CA0(1-xA)關(guān)鍵組分：主要反應(yīng)物（A），它的轉(zhuǎn)化率直接影響反應(yīng)過程的經(jīng)濟(jì)效益。

模塊一釜式反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)程度的關(guān)系：（1）單程轉(zhuǎn)化率：指原料一次通過反應(yīng)器一次達(dá)到的轉(zhuǎn)化率，即是以反應(yīng)器入口物料為基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化率；（2）全程轉(zhuǎn)化率：指新鮮物料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)到離開反應(yīng)系統(tǒng)所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率，即以新鮮進(jìn)料為基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化率。

全程轉(zhuǎn)化率大于單程轉(zhuǎn)化率。

模塊一釜式反應(yīng)器4.化學(xué)反應(yīng)速率定義：單位時間內(nèi)、單位反應(yīng)體積、反應(yīng)混合物料中某一組分的反應(yīng)量。

用反應(yīng)程度隨時間的變化率表示用關(guān)鍵組分的消耗速率表示對于恒容過程：用產(chǎn)物的生成速率表示模塊一釜式反應(yīng)器5.幾個時間概念（1）反應(yīng)持續(xù)時間也叫反應(yīng)時間，指間歇反應(yīng)器反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率所需要的時間。其中不包括裝料、卸料、升溫等非生產(chǎn)時間。（2）停留時間t又稱接觸時間，指連續(xù)流動反應(yīng)器流體微元從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器所經(jīng)歷的時間。（3）平均停留時間各流體微元從反應(yīng)器入口到出口所經(jīng)歷的平均時間稱為平均停留時間。模塊一釜式反應(yīng)器（4）空間時間：反應(yīng)器有效容積V’R與流體特征體積流率V0之比值。式中V0——特征體積流率，即在反應(yīng)器入口條件下及轉(zhuǎn)化率為零時的體積流率；

——表示處理在進(jìn)口條件下一個反應(yīng)器體積的流體所需要的時間,h。

空間時間反映了反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度。空時越大，生產(chǎn)強(qiáng)度越小，空時越小，生產(chǎn)強(qiáng)度越大。模塊一釜式反應(yīng)器（5）空間速度SV：指單位有效反應(yīng)器容積所能處理的反應(yīng)混合物料的標(biāo)準(zhǔn)體積流率，式中——為進(jìn)口流體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流率模塊一釜式反應(yīng)器空間速度通常用于比較設(shè)備生產(chǎn)能力的大小。對于氣固相催化反應(yīng)，空間速度定義為在單位時間內(nèi)通過單位催化劑體積（或質(zhì)量）的物料標(biāo)準(zhǔn)體積流率。空速中的是指反應(yīng)器入口物料在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流率空時中的是指反應(yīng)器入口操作條件下的體積流率注意：空間速度不是空間時間的倒數(shù)。模塊一釜式反應(yīng)器（二）

反應(yīng)動力學(xué)方程定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率的因素之間的關(guān)系式。對于不可逆反應(yīng)：

式中cA，cB——A，B組分的濃度mol.m-3kc——以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)。模塊一釜式反應(yīng)器模塊一釜式反應(yīng)器大量實驗表明，均相反應(yīng)的速率是反應(yīng)物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。反應(yīng)壓力通?？捎煞磻?yīng)物系的組成和溫度通過狀態(tài)方程來確定，不是獨立變量。所以主要考慮反應(yīng)物系組成和溫度對反應(yīng)速率的影響。化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程有多種形式，對于均相反應(yīng)，方程多數(shù)可以寫為（或可以近似寫為，至少在一定濃度范圍之內(nèi)可以寫為）冪函數(shù)形式，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的某一方次呈正比。1.基元反應(yīng)和非基元反應(yīng)基元反應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)式能代表反應(yīng)的真正過程的反應(yīng)。非基元反應(yīng)：有若干個基元反應(yīng)綜合而成的反應(yīng)。例如反應(yīng)：H2+Br2=2HBr

由實驗可知該反應(yīng)是由5個基元反應(yīng)組成。

Br2→2Br·Br·+H2→HBr+H·H·+Br2→HBr+Br·H·+HBr→H2→Br·2Br·→Br2模塊一釜式反應(yīng)器每個基元反應(yīng)有一個速率方程，總反應(yīng)有一個總速率方程。所以化學(xué)反應(yīng)方程只表示化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向，基元反應(yīng)動力學(xué)方程可以利用質(zhì)量作用定律直接寫出；非基元反應(yīng)動力學(xué)方程根據(jù)反應(yīng)機(jī)理推斷或通過實驗測定。模塊一釜式反應(yīng)器2.反應(yīng)級數(shù)

定義：動力學(xué)方程式中濃度項的指數(shù)，由實驗確定。對基元反應(yīng)：級數(shù)即為化學(xué)反應(yīng)式的計量系數(shù)－aA、－aB對非基元反應(yīng)：通過實驗確定。而級數(shù)越高濃度對反應(yīng)速率的影響越大；級數(shù)為零的反應(yīng)，濃度對反應(yīng)速率無影響。模塊一釜式反應(yīng)器3.反應(yīng)速度常數(shù)不可逆反應(yīng)

k=f(T)k=k0·e－E/RT（阿倫尼烏斯方程）式中：ko——頻率因子

E——活化能J/molR——通用氣體常數(shù)，8.314J/mol·K從阿倫尼烏斯方程看出：（1）活化能越大，溫度對反應(yīng)速率影響越顯著（2）對一給定反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系在低溫時比高溫更敏感。模塊一釜式反應(yīng)器氣相反應(yīng)以分壓表示濃度時（－rA）＝kppAmpBnkc與kp的關(guān)系kc=kP(RT)n+m模塊一釜式反應(yīng)器4.化學(xué)反應(yīng)的分類單一反應(yīng)過程：系統(tǒng)中僅發(fā)生一個不可逆的化學(xué)反應(yīng)，簡稱簡單反應(yīng)過程aA+bB→

rR+sS式中：m、n——A、B組分的反應(yīng)級數(shù)（m+n）——該反應(yīng)的總反應(yīng)級數(shù)模塊一釜式反應(yīng)器復(fù)合反應(yīng)過程：系統(tǒng)中發(fā)生兩個或兩個以上化學(xué)反應(yīng)過程分類：可逆反應(yīng)aA+bB?

rR+sS自催化反應(yīng)A→PA+P→P+P平行反應(yīng)A→BA→C連串反應(yīng)A→P→S模塊一釜式反應(yīng)器（三）單一反應(yīng)動力學(xué)方程等溫恒容過程對于不可逆反應(yīng)A→P反應(yīng)動力學(xué)方程：等溫恒容過程，可表示為：式中t為達(dá)到某一轉(zhuǎn)化率xA所需時間，可將上式分離變量積分模塊一釜式反應(yīng)器例：對于一級不可逆反應(yīng)：A→P等溫k＝常數(shù)；恒容c=n/V

分離變量積分，初始條件t＝0、cA=cA0

－㏑(cA/cA0)=㏑(cA0/cA)=kt因為xA=(nA0－nA)/nA=(cA0－cA)/cA0=1－cA/cA0

所以模塊一釜式反應(yīng)器若為二級反應(yīng)：A+B→P（設(shè)cA0=cＢ0）反應(yīng)速