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1、第三章 理想反应器设计,一、间歇反应器 二、平推流反应器 三、全混流反应器,一、间歇反应器,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。,4,间歇反应器特点,由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同； 由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，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；出料组成与反应器内物料的最终组成相同； 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
2、、清洗时间、加热（或冷却）时间等。,5,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FAkmol.h-1、原料组成CA0kmol.m-3、达到的产品要求xAf、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。,18,18,VR,VR,由式 计算反应时间tr； 计算一批料所需时间tt： tt=tr+t t为辅助生产时间 计算每批投放物料总量FA ： FA=FAtt 计算反应器有效容积VR ：,计算反应器总体积VR。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6085，该分率称为反应器装填系数，由生产实际决定。,20,t
3、t=tr+t,FA=FAtt,例1-3某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为： cA0=4 kmol.m-3,21,若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求： (1)转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少? (2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?,解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为： xA=0.5 xA=0.6 tr=3.18h xA=0.8 tr=8.5h xA=0.9 tr=19.0h,22,(2)反应
4、器体积的计算 xA= 0.8时：tt=tr+t=8.5+1=9.5h 每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为146，则有： 处理体积为： 实际反应器体积VR：,23,反应器有效容积VR： 实际反应器体积VR： 当xA=0.9时： tt=19+1=20h VR=0.17120=3.42m3 VR=3.420.75=4.56m3,24,平推流反应器,理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器，英文名称为Plug (Piston) Flow Reactor，简称PFR。,36,例1-4某厂生产醇酸树脂是使己二酸与
5、己二醇以等摩尔比在70用平推流反应器并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为： cA0=4 kmol.m-3,60,若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求： 求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?,解：对PFR 代入数据xA=0.8时： xA=0.9时：,61,变容反应过程,平推流反应器是一种连续流动反应器，可以用于液相反应，也可以用于气相反应。 用于气相反应时，有些反应，反应前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反应会引起系统物流体积发生变化。 物流体积的改变必然带来反应物浓度的变化，从而引起反应速率的
6、变化。,62,膨胀因子和膨胀率,为了表征由于反应物系体积变化给反应速率带来的影响，引入两个参数，膨胀因子和膨胀率。,63,膨胀因子,反应式 计量方程 定义膨胀因子 即关键组份A的膨胀因子等于反应计量系数的代数和除以A组分计量系数的相反数。,64,膨胀因子是由反应式决定的，一旦反应式确定，膨胀因子就是一个定值，与其它因素一概无关。,65,膨胀因子的物理意义,关键组分A消耗1mol时，引起反应物系摩尔数的变化量。对于恒压的气相反应，摩尔数的变化导致反应体积变化。 A0是摩尔数增加的反应，反应体积增加。A0是摩尔数减少的反应，反应体积减小。A=0是摩尔数不变的反应，反应体积不变。,66,膨胀率,物系
7、体积随转化率的变化不仅仅是膨胀因子的函数，而且与其它因素，如惰性物的存在等有关，因此引入第二个参数膨胀率。 定义膨胀率 即A组分的膨胀率等于物系中A组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初始体积。,67,膨胀因子与膨胀率的关系,可以推导出,68,变容过程转化率与浓度的关系,恒压变容体系中各组分浓度、摩尔分率及分压可以由以下推导得到。 对于A组分,69,例1-5均相气相反应A3R，其动力学方程为-rA=kcA，该过程在185，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1，进料量FA0=30kmol/h，原料含50惰性气，为使反应器出口转化率达80，该反应器体积应为多大?,70,解
8、：该反应为气相反应A3R 已知yA0=0.5，因此A=yA0A=1 平推流反应器设计方程,71,72,例1-6在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯。年设计生产能力为14万吨乙烯。反应是不可逆的一级反应，要求达到乙烷转化率为80，反应器在1100K等温，恒压600kPa下操作，已知反应活化能为347.3 kJmol-1 ，1000K时，k=0.0725 s-1 。设计工业规模的管式反应器。,73,解：设A为乙烷，B为乙烯，C为氢气 反应器流出的乙烯的摩尔流率是：,74,进料乙烷的摩尔流率是： 计算1100K时反应速率常数：,75,膨胀因子： 膨胀率： 进口体积流量：,76,平推流反应器
9、设计方程,77,流体在平推流反应器中的真实停留时间,由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。,78,恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间不同。如果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；相反，如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间时间。,79,恒容条件下，A=0，上式还原为：,全混流反应器,全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，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。,81,全混流反应器特性,物
10、料在反应器内充分返混； 反应器内各处物料参数均一； 反应器的出口组成与器内物料组成相同； 连续、稳定流动，是一定态过程。,82,第四节 理想流动反应器的组合和比较,一、理想流动反应器的组合 工业生产中为了满足工艺要求，常常将理想反应器组合起来，构成理想流动反应器的组合。 当反应温度相同，流量、初始浓度及各反应器体积相同，进行一级不可逆反应，考察各种反应器组合所能达到的出口浓度。,a,b,各种组合方式如图所示：,c,d,e,f,所以：,由上述计算结果，各种组合反应器的最终转化率的大小依次为： (e)=(f) (c) = (d) (g) (b) (a),g,二、理想流动反应器的体积比较,和反应温度
11、均相同；等容过程。,间歇反应器体积；平推流反应器体积；全混流反应器体积；多级全混流反应器体积。,，由间歇反应器公式知,，故：,分别表示：,考察,1.基本条件：,1,2.,作,曲线AB,，当条件相同时，,当转化率越大，则两者的差距较大，所以采用低转化率操作 可以减少返混带来的影响。但这样会使原料得不到充分利用， 解决办法为将未反应物料从反应产物中分离出来，循环使用。,xA,xAf,O,A,B,D,C,3.,当为一级不可逆反应，各级体积相同时，有,（一级不可逆反应）,以,为纵坐标，,1）当m一定时，,越大，,2）当,一定时，,越小，接近于平推流。,为横坐标， m为参变数作图，,越大；,m越大，,3
12、）当k一定时，,m不同，则,也不同。,如图3-19所示，结论如下：,第五节 多重反应的选择率,一、平行反应,A+B,L(主反应),M(主反应),令rL为主反应速率，rM为副反应速率，两者之比为对比速率,瞬时选择率定义为关键组分A在总反应速率中生成主产物的反应速率，即,总选择率对整个反应器的反应总结果作出评价,对于平推流反应器,对于全混流反应器,1. 选择率的温度效应,提高温度对活化能高的反应有利，降低温度对活化能低的反应有利。,A,L(主反应),M(主反应),n1,E1,n2,E2,T与S无关,2. 选择率的浓度效应,cA与S无关,PFR或BR，浓度高的原料，较低的单程转化率,CSTR，浓度低
13、的原料（惰性稀释剂等），较高转化率,3. 平行反应的加料方式,A+B,L(主反应),M(主反应),比较n1，n2；m1，m2的相对大小就可确定采用反应器的类型和加料方式，见表3-6。,例题：操作方式的选择,A+B,P(主产物),S,已知k1=k2=1，CA0=CB0=20mol/L，分别从反应器进口加入，反应转化率XA为0.9，计算它们在PFR中的选择率S和收率 ，并请选择合理的操作方式以提高该反应过程的平均选择率和收率。,CA0=CB0=20mol/L，分别从反应器进口加入后，当两股 物料等体积流入时，其在反应器入口处浓度则为 10mol/L。因是等分子反应，故反应器中各处始终存在CA=CB
14、，则,解：,当xA=0.9时，cAf=1mol/L,由选择率浓度效应分析（n1n2，m1m2），为提高选择率，应采用将B分段加料，而A从进口加入的操作方式，并使反应器中cB维持在1mol/L左右，即将B分为20股分段加入反应器，如图示。,则此时，A的进料浓度约为（20/（1+0.05）=）19mol/L。,.,A,B,20段,cA=1mol/L cB=1vmol/L,二、连串反应,A,L,M,k1,k2,主,副,提高连串反应选择率的工程措施与平行反应相仿，可以通过反应物初浓度和转化率的适当选择来实现，连串反应中的情况要比平行反应复杂。-低转化率操作，循环回收原料。,连串反应选择率随反应过程的进行而不断下降,凡使CA下降和CL上升的因素对选择率总是不利的,返混总是不利的,连串反应不能盲目追求高转化率,