理想反应器——使用特征参数进行修正 （非理想流动反应器）

Presentation on theme: "理想反应器——使用特征参数进行修正 （非理想流动反应器）"— Presentation transcript:

1 理想反应器——使用特征参数进行修正 （非理想流动反应器）
第三章 釜式及均相管式反应器 理想反应器——使用特征参数进行修正 （非理想流动反应器）

2 理想流动反应器概述 按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。
对于间歇反应器（BR，batch reactor），物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。 对于流动反应器，物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。 考察物料在反应器内的流动状况。有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器。

3 在流动反应器中物料的流动状况不相同，造成物料浓度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。
物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。人们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。流动模型分类如下： 平推流模型（PFR，plug flow reactor） 全混流模型(CSTR, continuous stirred tank reactor) 平推流模型 全混流模型 理想流动模型 流动模型 非理想流动模型

4 反应器中流体的流动模型 一、物料质点、年龄、寿命及其返混 1. 物料质点 物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。
1. 物料质点 物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。 2.物料质点的年龄和寿命 年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一时刻，称为年龄。 寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。

5 3.返混 （1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。 在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。 在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年龄的质点混合在一起，所以有返混

6 （2）返混的原因 a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起； b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。 造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。

7 第一节 间歇釜式反应器（BR） 一、釜式反应器的特征 工业上充分搅拌的间歇反应器接近于理想间歇反应器，如图3-1。
反应器内物料达到分子尺度均匀，浓度处处相等，可排除物质传递对反应过程的影响。 反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递。 反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相同。 优点?缺点?

8 二、间歇反应器性能的数学描述 反应时间t ～xA的关系 在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间变化，可以通过物料衡算求出反应时间t和xA的关系式。 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（V） 在dt时间内对A作物料衡算： [A流入量] = [A流出量] +[ A反应量] + [A累积量]

9 积分： 等容过程： 上式适用于等容、变温和等温的各种反应系统。

10 由式（3-4），只要已知反应动力学方程就能计算反应时间。一般采用数值积分或图解法。如图3-2所示。
已知动力学数据 曲线，然后求取 之间曲线下的面积即为t/CA0。 同样也可作出 曲线，然后求取 之间曲线下的面积即为反应时间t，如图3-3所示。

11 图解积分示意图 t [rA]-1 CA CAf CA0 t/cA0 [rA]-1 x xAf xA0

12 实际操作时间 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t0) 辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。 反应器体积 VR=V’(t+ t0) 式中V’为单位时间所处理的物料量。

13 1. 等温等容液相单一反应 设有单一反应A→P 动力学方程为 n＝1时， 按式（3－4）得残余浓度式 或转化率公式
残余浓度式是计算经反应后残余A的浓度（为适应后续工序的要求，如有害杂质的去除），而转化率式是计算A的利用率（着眼于减轻反应后的分离），根据工艺要求可以计算。间歇反应中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果列于表3－1。

14 n=0 n=1 n=2 n级 n≠1 反应级数 反应速率 残余浓度式 转化率式
表3－1 间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的动力学计算结果 反应级数 反应速率 残余浓度式 转化率式 n=0 n=1 n=2 n级 n≠1

15 对于任一级反应，当CA0、xAf或CAf确定后，kt即为定值： 当k↗，t↘；当k↘，t↗。对于任一级反应都是如此。
由表中所列结果，可以得出以下几点结论。 对于任一级反应，当CA0、xAf或CAf确定后，kt即为定值： 当k↗，t↘；当k↘，t↗。对于任一级反应都是如此。 当转化率xAf确定后，反应时间与初始浓度的关系和反应级数有关。 0级反应： ， 成正比 1级反应： ， 无关 2级反应： ， 成反比 利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数，例如确定xAf，然后测定 的关系，判别反应级数。

16 残余浓度和反应时间的关系 （转化率和反应时间的关系）
0级反应： ， 直线下降 1级反应： 较缓慢下降 2级反应： 缓慢下降 对于一级或二级不可逆反应，在反应后期CA的下降速率，即xA的上升速率相当缓慢，若追求过高的转化率或过低的残余浓度，则在反应后期要花费大量的反应时间。

17 例3-1：以乙酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇式反应器中
生产乙酸丁酯，操作温度为100oC，每批进料1kmol的A 和4.96kmol的B，已知反应速率 ，试求乙酸转化率 分别为0.5、0.9、0.99所需的反应 时间。已知乙酸和正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3 结论： 由计算可知， 当转化率为0.5时，t＝0.535h， 当转化率为0.9时，t＝4.81h， 当转化率为0.99时，t＝52.9h。 所以，不能片面追求转化率，导致反应时间过长，大幅度增加操作费用。

18 三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化 1.工程放大 反应体积VR—由反应物料的处理量决定 反应器体积Vt>VR
填充系数f=VR/Vt 沸腾或鼓泡的液体物料，f取0.4~0.6 不沸腾或不鼓泡的液体物料,f取0.7~0.85

19 2. 反应时间的优化 以单位时间产物产量最大为目标 对反应 ，若要求产物R的浓度为cR，则单位 操作时间的产品产量PR为 将上式对反应时间求导得： 并由 ，可得

20 以生产费用最低为目标 设单位时间内反应操作费用为a，辅助操作费用为a0， 固定费用为af，则单位质量产品的总费用为 为使AT最小，将上式对t求导得 则

21 3.配料比m=CB0/CA0 4. 反应温度

22 第二节 连续流动均相管式反应器 一、平推流反应器特点 平推流模型是一种理想流动模型，所以平推流反应器是一种理想反应器，实际反应器中物料的流动，只能以不同的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。 平推流反应器具有以下特点： 物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化，不随时间变化； 任一载面上的物料参数相同，反应速率只随轴向变化； 反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同； 返混＝0

23 二、平推流均相管式反应器的数学模型 平推流反应器计算的基本公式 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A 衡算基准：微元体积dVR
[A流入量]－ [A流出量] －[ A反应量] ＝ [A累积量] 所以： 积分： 上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等温、非等温、等容和非等容等过程。

24 对于等容过程，反应器进口与出口流量均为V0,故：
式中, 为平均停留时间 对比间歇反应器： 可知，二者具有一定的等效性。

25 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动方向变化。
1.等温平推流均相反应器 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动方向变化。 将 代入平推流反应器体积计算公式 若为等容过程，则 等温等容过程平推流反应器计算式见表3-2

26 表3-2 等温等容液相单一不可逆反应平推流反应器计算式
反应级数 反应速率 反应器体积 转化率式 n=0 n=1 n=2 n级 n≠1

27 2.绝热等容平推流均相反应器 变温平推流反应器，其温度、反应物系浓度、反应速率均沿流动方向变化，需要联立物料衡算式和热量衡算方程式，再结合动力学方程求解。 在稳定状态时，有 物料衡算： 热量衡算：对象为dVR [物料带入热量]－[物料带走热量]－[传向环境热量]－[反应热]＝0 式中， 分别为i组分的摩尔流量、i组分的等压摩尔热容、微元体积中物料温度、环境温度、反应热（放热为负，吸热为正）

28 由物料衡算和热量衡算及动力学方程 三者联立，采用差分法或Runge-Kutta法求解。 当过程为等温或绝热过程时，可以简化。 1.等温过程 热量衡算式简化为 由 则有 积分 式中A为换热面积

29 2.绝热过程 热量衡算式简化为 由 则有 令 称为绝热温升，即为在绝热条件下组分A完全反应时物料的温升。 则 积分之，得 当xA0=0,有

30 反应器设计的基本方程 反应器设计的基本内容 选择合适的反应器形式 确定最佳的工艺条件 计算所需反应器体积
物料衡算方程 某组分累积量= 某组分流入量－某组分流出量－某组分反应消耗量 热量衡算方程 带入的热焓＝ ＝带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量 动量衡算方程 上述为反应器设计的基本方程，在列出这些方程时，需要动力学方程和流动模型。