化学反应工程第三章

第三章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，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，有的物料在反应器内回流。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：理想流动模型流动模型非理想流动模型特别强调的是，对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况；流动模型是专指反应器而言的。第一节流动模型概述3－1反应器中流体的流动模型平推流模型全混流模型一、物料质点、年龄、奉命及其返混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。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。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，不同年具的质点混合在一起，所以有返混。（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。二、理想流动模型1.平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）平推流模型认为物料进入反应器后沿着流动方向象气缸里的活塞一样向前移动，彼此不相混合。1）模型特点（1）物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；（2）垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同（没有边界层）；（3）沿流动方向的截面间不相混合；（4）质点的奉命相同，任一截面上的质点的年龄相同；（5）返混＝0,不同年龄的质点不相混合（参见（3））。2）适用范围管式反应器：L/D较大，流速比较大。2.全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型）全混流模型认为物料进入反应器后，在一瞬间，进入反应器的新鲜物料和反应器内的物料达到完全混合。1）模型特点（1）反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同，且等于出口处的参数；（2）同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合，反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应器的物料中，质点的寿命也不相同。（3）返混＝∞2）适用范围搅拌反应器，强烈搅拌。三、非理想流动模型1.实际反应器存在着程度不一的工程因素，流动状况不同程度的偏离理想流动，称为非理想流动。2.非理想流动模型在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型，称为理想流动模型。常用的非理想流动模型有：1）轴向混合模型2）多级串联全混流模型目前大部分非理想流动模型都是以平推流模型为基础发展而成的。四、流动状况对化学反应的影响流动状况对化学反应的影响有两方面：物料质点的浓度和在反应器内的停留时间。1.物料质点浓度间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器中物料质点的浓度变化如图3－2所示。间歇反应器和平推流反应器的反应推动力ΔCA均大于全混流反应器的ΔCA。实际上是物料的浓度不同，反应速率不同。2.物质质点的停留时间和反应时间物料从进入反应器开始到离开反应器的时间称为停留时间，实际上是物料质点的寿命。物料质点进入反应器开始所经历的反应时间称为反应时间。对于离开反应器的物料质点而言，反应时间通常不等于停留时间，但目前一般以停留时间来衡量反应时间。平推流反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停留时间相同，即所有物料质点的反应时间相同；全混流反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停留时间各不相同，从0→∞，物料质点的反应时间各不相同。非理想流动反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停留时间的分布状况介于平推流反应器和全混流反应器之间，其反应时间也介于其间。3－2反应器设计的基本方程一、反应器设计的基本内容1.选择合适的反应器形式2.确定最佳的工艺条件3.计算所需反应器体积二、反应器设计的基本方程1.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2.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3.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。第二节理想流动反应器3－3间歇反应器一、间歇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3－5。1.反应器内物料达到分子惊讶均匀，浓度处处相等，可排除物质传递对反应过程的影响。2.反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递。3.反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相同。二、间歇反应器性能的数学描述1.反应时间～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]0=0ArVdt+Adn00((1))AAAAAAAdndxrVnnnxdtdt积分：0000AfAfxxAAAAAAndxdxtCVrr等容过程：000AfAAxCAAACAAdxdCtCrr（00AAAACCxC－）上式适用于等容、变温和等温的各种反应系统。由式（3－5），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3－6所示。已知动力学数据1AAxr～曲线，然后求取0AAfxx到之间曲线下的面积即为t/CA0。同样也可作出1CAAr～曲线，然后求取0AAfCC到之间曲线下的面积即为反应时间t，如图3－7所示。t/cA0[rA]-1XAxAfxA02.实际操作时间实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(t’)辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。3.反应器体积VR=V’(t+t’)式中V’为单位时间所处理的物料量。三、间歇反应器中的单反应设有单一反应A→P动力学方程为AnArkCn＝1时，AArkC按式（3－5）残余浓度式0AACktlnC或转化率公式：(1)Aktlnx残余浓度式是计算经反应后残余A的浓度，而转化率式是计算A的t[rA]-1CACAfCA0利用率，根据工艺要求可以曲式（3－5）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。由表中所列结果，可以得出以下几点结论。1.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。2.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：0AAktCx，0AtC与成正比1级反应：11Aktlnx，0AtC与无关2级反应：011AAAxktCx，0AtC与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0AtC与的关系，判别反应级数。3.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：0AACCkt，ACt随直线下降1级反应：0ktAACCe，ACt随较缓慢下降2级反应：001AAACCCktACt随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。例3－1中，由计算可知，当转化率为0.5时，t＝0.535h，转化率为0.9时，t＝4.81h，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。3－4平推流反应器一、平推流反应器特点平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。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：1.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；2.任一载面上的物料参数相同，反应速率只随轴向变化；3.反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同；4.返混＝0二、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在单位时间内对A作物料衡算：[A流入量]－[A流出量]－[A反应量]＝[A累积量]0AAAARNNdNrdV-(+)-＝0011AAA0AANNxVCx＝（-)＝（-)所以：00AAARVCdxrdV积分：AfA0A00AXRdxVVCr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。对于等容过程，反应器进口呼出口流量均为V0,故：AfAA000AxRVdxCVr对比间歇反应器：00AfxAAAdxtCr可知，二者具有一定的等效性。三、等温平推流反应器的计算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AnArkC代入平推流反应器体积计算公式AfAfAA0A00A000AXXRnAdxdxVVCVCrkC若为等容过程00(1)AAAAAACCxCdxdC则Af0AA00100(1)AfAXCRnnnCAAAdxdCVVVkCxkC等温等容过程平推流反应器计算式见表3－2四、变温平推流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：00AAARVCdxrdV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()0ipiosRARNCdTKTTdAHrdV式中ipiosRNCTTH、、、、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）由物料衡算和热量衡算及动力学方程（(,)AArfTx）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()()osRARKTTdAHrdV由00AAARVCdxrdV则有00A()RosAHdATTVCdx积分00()ARsAofHVCTxAT式中A为换热面积2.绝热过程热量衡算式简化为()ipiRARNCdTHrdV由00AAARVCdxrdV则有0A()ipiRANCxHddNT令AdTdx，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0()RipiAAHdTdNNxCAdTdx积分之，得00()AATTxx当xA0=0,有0ATTx3－5全混流反应器全混流反应器是指物料流动状况符合全混流模型，该反应器称为全混流反应器（CSTR）.在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅拌，物料混合均匀，其流动状况接近全混流。一、全混流反应器的特点1.反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处的物料参数。2.物料参数不随时间而变化；3.反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化。4.返混＝∞二、全混流反应器计算的基本公式1.反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（V）稳定状态：[A流入量]－[A流出量]－[A反应量]＝00()0AAAfRNNrV0000(1)()AAAfAfRVCVCxr