第三章 间歇反应器与理想反应器

第三章间歇反应器及理想流动反应器3.1概述反应器的操作间歇操作：不存在流动问题，物料浓度随时间变化。连续操作：稳态流动非稳态流动存在流动问题稳态流动：物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和温度等不随时间而变。反应器的数学模型：宏观模型：反应器内的浓度、温度等不随空间位置而变。微观模型：反应器内的浓度、温度等随空间位置而变。模型通常含有微分变量。反应器设计的基础方程：“三传一反”“一反”：反应动力学本征动力学：均相反应器宏观动力学：非均相反应器“三传”：质量传递、热量传递、动量传递物料衡算方程（质量平衡）物料衡算所针对的具体体系称体积元。体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。在这个体积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大。在这个体积元中对关键组分A进行物料衡算。1b1r1out1insmolAsmolAsmolAsmolAFFFF量的积累元中物料单位时间内体积量物料元中反应消失的单位时间内体积量体积元的物料单位时间排出量体积元的物料单位时间进入broutinFFFF热量衡算方程（热量平衡）1111out1inskskskJQskJQskJQJQJQbru元中积累的热量单位时间内体积热效应元中化学反应的单位时间内体积换的热量元与周围环境交单位时间内体积量流出体积元的热单位时间随物料量流入体积元的热单位时间随物料bruoutinQQQQQ动量衡算方程（动量平衡）对于稳态流动，上述累积量为0.3.2间歇反应器BatchReactor（BR)反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。间歇反应器的特点：①反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；②所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同；④为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积Vr作为衡算体系。在单位时间内，对组分A作物料衡算：的积累量物料中单位时间内的量消失的物料内反应单位时间的量的物料单位时间排出的量的物料单位时间进入AAAArrrrVVVV1AAsmoldd00tnVrr3.2.1等温间歇反应器的设计计算整理得当进口转化率为0时，分离变量并积分得为间歇反应器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间t。1A0AAsmolddtxnVrrA0AAA00ddxrtVrxntt在恒容条件下，上式可简化为：间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间t，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。A0AA1xccAA0AAA0AAA0ddccxrcrxct)'(0ttQVr1.反应体积t为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键t’为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。经验给定操作时间等温BR的计算2.反应器的体积fVVr装填系数，0.4-0.85。一般由实验确定，也可根据反应物料的性质不同而选择。对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85:f3.反应时间的计算单一反应AfAfAccAAXAAArdctorrdXct000一级反应AAkcrα级反应AAkcr一级反应非一级反应反应时间相同达到一定转化率所需的反应时间与反应器大小无关，只取决于动力学因素。温度越高，速率常数k越大，则达到相同转化率所需的反应时间t越短。区别t与cA0无关t与cA0有关101)1(1)1(AAfkcXtAfXkt11ln1对各组分作物料衡算(恒容条件)：系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅二式是独立的。对A：对P：对Q：0)(21dtdcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA复合反应——平行反应AQkAPkckrQAckrPA2121组分浓度APQ反应时间])([021tkkAAecc])([2101211tkkApekkckcAAccnkkt0211])([2102211tkkAQekkckc0000QPAAcccct，，时，设AQAPckrQAckrPA21平行反应物系组成与反应时间关系示意图PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意时刻两个反应产物浓度之比，等于两个反应速率常数之比复合反应－连串反应QPAAcccc0对A作物料衡算：AAckdtdc1对P作物料衡算：PAPckckdtdc21)(2121kkQPAkktkAAecc10)(122101tktkAPeekkckc]1[2112021kkekekcctktkAQ0000QPAAcccct，，时，设)(0PAAQcccc0dtdcP令：2121)/(kkkkntopt得：问题：假设k1=k2,topt=?设计计算过程对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量FA[kmol·h-1]以及原料组成CA0[kmol·m-3]、达到的产品要求xAf及辅助生产时间t’、动力学方程等，均作为给定的条件，设计计算出间歇反应器的体积。①计算反应时间t；②计算一批料所需时间tt；tt=t+t’t’为辅助生产时间③计算每批投放物料总量F’A；F’A=FAtt④计算反应器有效容积V’R；A0AAA0rdxrxctttQVCFVr0rA0A或⑤计算反应器总体积V。反应器总体积应包括有效容积、分离空间、辅助部件占有体积。通常有效容积占总体积分率为40％-85％，该分率称为反应器装填系数f，由生产实际决定。fVVr间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应小时，近似等温可以办到，如果热效应大时，很难做到；温度会影响到和反应器的生产强度等,很多时候变温的效果更好,,pAXYr3.2变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：Uq即：与环境交换的热=内能的变化HqdHdq间歇釜式反应器用焓变代替内能的变化CBACBArTHHT312dHTr为计算的基准温度)(1TTcmdTcmHrpttTTpttr)(3rpttdTTTpttTdTTcmdTcmHr（单一反应）2dtVrHdHrAr变温间歇操作的热量衡算dtVrHdTcmHdHHdHrArptt321为反应物系的比热容ptc为反应物系的质量tm间的平均比热容为温度rptTTcCBACBArTHHT312dH讨论dtTTUAdqCh)(又：式中：U为总传热系数Ah为传热面积Tc为环境温度变温间歇操作的热量衡算ArrchpttrVHTTUAdtdTcm)(ArrchrVHTTUA)(等温反应绝热反应ApttrAXcmHnTT)(00dtdXHnTTUAdtdTcmArAchptt0)(rAAAVrdtdXn0总结：通过热量衡算，找出T与XA的关系，代入设计基本方程积分，即得反应时间t。3.3理想流动下的釜式反应器•连续搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。•全混流反应器，简称MFR。3.3.1全混流模型基本假定：反应器中的物料，包括刚进入的物料，都能立即完全均匀地混合，即混合程度达到最大。全混流反应器的特性①物料在反应器内充分返混；②反应器内各处物料参数均一；③反应器的出口组成与器内物料组成相同；④连续、稳定流动，是一定态过程。•全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积Vr为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。3.3.2等温连续流动釜式反应器的设计计算输入的量=输出的量+反应消耗掉的量+累积量rfAAfA0VrFFrfAA0A0)1(VrXFFAf•整理得到：•恒容条件下又可以简化为：rfAAfA0VrXFfAAfA0rrXFVfAAf0A0rrxcQVfAAfA0rcc进料的体积流量反应体积0QVrAAArXc0定义空时代表反应器处理物料的能力变小，处理能力变大对于均相反应：空时空速1（体积空速）空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速越大，反应器的原料处理能力越大。设计方程的应用0QVr已知rA，可求得不同空时下的组成AAArcc0AAArXc0已知rA，可求得不同转化率下的空时)()()()(0000AfAAfArAfAAfArcrccQVcrccQV)()(0000AfAAfArAfAAfArXrXcQVXrXcQV单一反应对关键组分A有：对目的产物P有：对副产物Q有：三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系AAfArckkXcQV)(21000010pAprcckcQV设，0020QAQrcckcQV设，复合反应－平行反应AQkAPkckrQAckrPA2121AAfArckXcQV100对中间产物P：00210ppAprcckckcQV设，对最终产物Q：0020QPQrcckcQV设，复合反应－连串反应对关键组分A有三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系QPAkk21例:对于一级不可逆串联反应：SPAkk21求maxpcAAckr1pApckckr21psckr20QVrppprcc0AAArcc0AAAckcc101011kccAApprcpApckckc21对于着眼组分A有：对于着眼组分P有：pApckckc21211011kkkccAp由于:pAAscccc021221011kkkkccAspAckkck210110ddcp可得maxpc时：211kkopt此时：221120max1kkccAp思考1.用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小)2.若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？（Vr最小)3.若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？或各釜的最佳反应体积比如何？3.3.3釜式反应器的组合与设计计算3.3.3釜式反应器串联与并联的选择正常动力学ABDEF2AXAX1AXAr10HK)(2200AAAArXrXcQV单釜)()()(212001100AAAAAAAAArXrXXcQXrXcQV两釜串联图解分析正常动力学，转化速率随XA增加而降低。多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。Ar对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。(但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）反常动力学，转化速率随XA增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。Ar小结并联的釜式反应器XAf与Q01,Q02,XAf1,XAf2有关3.3.3.2多釜釜式反应器串联的计算1.流程0AC0Q1V1AC1AC1,Ar1,iACiAC,1,NACNAC,iVAiCi