聚合反应工程(华东理工大学)4.1化学反应工程基础（2）.ppt

例例：在在一一容容积积为为2.5M3的的间间歇歇搅搅拌拌釜釜中中进进行行均均相相反反应应ABP，反反应应维维持持在在75等等温温操操作作，实实验验测测定定反反应应速速率率为为：(-rA=kCACB)(kmol/l*s),k=2.5(l/kmol*s)。当当反反应应物物A和和B的的初初始始浓浓度度均均为为CA0=CB0=6（mol/l）,A的的转转化化率率为为XA=0.9时时，该该间间歇歇搅搅拌拌釜釜每每批批可可处处理理反反应应物物A 为为 7.536 kmol，每每批批操操作作的的辅辅助助时时间间为为6 min。今今若若把把反反应应移移到到一一个个管管内内径径为为100 mm 的的理理想想管管式式反反应应器器中中进进行行，假假定定仍仍维维持持在在75等等温温操操作作，且且处处理理量与所要求达到的转化率不变，求所需管式反应器的长度？量与所要求达到的转化率不变，求所需管式反应器的长度？理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计答：答：由于：由于：所以：所以：在间歇反应釜中进行所需反应时间：在间歇反应釜中进行所需反应时间：此反应时间应等于理想管式反应器中的停留时间。此反应时间应等于理想管式反应器中的停留时间。在间歇反应釜中进行所需操作周期：在间歇反应釜中进行所需操作周期：进料流量：进料流量：理想管式反应器有效体积：理想管式反应器有效体积：理想管式反应器所需的长度：理想管式反应器所需的长度：理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计q理想混合（全混流理想混合（全混流CSTRCSTR）反应器反应器 反应物料连续加入反应器，瞬间反应器内物料混合并连续引出的反应物料连续加入反应器，瞬间反应器内物料混合并连续引出的连续操作釜式反应器。连续操作釜式反应器。特点特点:充分的搅拌使反应釜内物料的浓度和温度不随时间而改变。充分的搅拌使反应釜内物料的浓度和温度不随时间而改变。充分的搅拌使反应釜内物料的浓度和温度处处相等，并且等于反应器充分的搅拌使反应釜内物料的浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度出口物料的浓度和温度。实际实际连续流动搅拌釜式反应器接近全混流反应器。连续流动搅拌釜式反应器接近全混流反应器。理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计 对连续流动釜式反应器进行物料衡算或热量衡算时就可把整个反应对连续流动釜式反应器进行物料衡算或热量衡算时就可把整个反应器作为一个整体来看待。器作为一个整体来看待。理想混合反应器物料衡算示意图理想混合反应器物料衡算示意图恒容时，反应物恒容时，反应物A A的流入速度为：的流入速度为：vCvCA0A0 反应物反应物A A的流出速度为：的流出速度为：vCvCA A 反应物反应物A A由于反应的消失速度为：由于反应的消失速度为：rAVrAV故：故：vCvCA0A0vCvCA Ar rA AV V整理后可得：整理后可得：理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计和和PFRPFR一样，定态一样，定态CSTRCSTR中：中：A A积积0 0 物料衡算（物料衡算（物料衡算（物料衡算（A A A A组分）组分）组分）组分）根据接触时间的定义根据接触时间的定义根据接触时间的定义根据接触时间的定义(无积分形式)CSTRCSTR不同反应级数的结果不同反应级数的结果n=2n=1n=0理想混合反应器的图解计算示意图理想混合反应器的图解计算示意图全混流反应器达到期望转化率（残余浓度）平均停留时间图解表达：全混流反应器达到期望转化率（残余浓度）平均停留时间图解表达：理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计在体积为在体积为在体积为在体积为V VR R的的的的CSTRCSTR中进行中进行中进行中进行(0(0，1 1，2)2)级反应，级反应，级反应，级反应，x xA A=50%=50%(1)(1)等温下移入等体积等温下移入等体积等温下移入等体积等温下移入等体积PFRPFR中进行，中进行，中进行，中进行，x xA A=?=?(2)(2)CSTRCSTR体积扩大至体积扩大至体积扩大至体积扩大至6 6倍，倍，倍，倍，x xA A=?=?(3)(3)PFRPFR体积扩大至体积扩大至体积扩大至体积扩大至6 6倍，倍，倍，倍，x xA A=?=?PFR体积扩大体积扩大至至6倍倍CSTR体积扩体积扩大至大至6倍倍等体积等体积PFRn=0n=1n=2结论：结论：(1)等体积下，x xA A(PFR)(PFR)x xA A (CSTR)(CSTR)(2)高级数的反应，返混对x xA A影响显著 例例例例2 2 2 2：等温下在体积为等温下在体积为等温下在体积为等温下在体积为V VR R的间歇反应器中，进行的间歇反应器中，进行的间歇反应器中，进行的间歇反应器中，进行2 2级反应级反应级反应级反应A AR R，t=2ht=2h时，时，时，时，x xA A=0.8=0.8 (1)(1)若改在若改在CSTRCSTR中进行，中进行，mm=2h=2h，x xA A=？(2)(2)若改在若改在CSTRCSTR中进行，中进行，x xA A=0.8=0.8，采取何措施？采取何措施？(1)(2)V V0 0减少至减少至1/51/5 V VR R增大至增大至5 5倍倍 C CA0A0增大至增大至5 5倍倍 T T 平推流反应器和全混流反应器达到相同平推流反应器和全混流反应器达到相同转化率在反应器内停留时间比较转化率在反应器内停留时间比较 由此可知，只要反应动力由此可知，只要反应动力学特征如图所示是一单调递降学特征如图所示是一单调递降曲线，则在同样的操作条件下，曲线，则在同样的操作条件下，若理想管式反应器和连续釜式若理想管式反应器和连续釜式反应器中进行同一反应，前者反应器中进行同一反应，前者所需的停留时间总比后者来得所需的停留时间总比后者来得小，或者说达到相同转化率理小，或者说达到相同转化率理想管式反应器所需的体积总比想管式反应器所需的体积总比连续釜式反应器要小。连续釜式反应器要小。平推流反应器和全混流反应器达到相同转化率在反应器内停留时间比较平推流反应器和全混流反应器达到相同转化率在反应器内停留时间比较理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计不同级数时不同级数时PFRPFR和和CSTRCSTR的反应体积比较的反应体积比较多级串联理想混合反应器多级串联理想混合反应器C CA0A0C CAfAf分成几级降低，增大了浓差推动力分成几级降低，增大了浓差推动力q多级串联理想混合反应器多级串联理想混合反应器将数个体积相等（或不相等）的理想混合反应器串联起来操作。将数个体积相等（或不相等）的理想混合反应器串联起来操作。假假定定反反应应在在恒恒容容稳稳态态下下进进行行，且且各各级级反反应应器器之之间间不不存存在在返返混混，则则可可对对第第I级级反应器中的反应器中的A组份列出下面的物料衡算式：组份列出下面的物料衡算式：或：或：多级串联理想混合反应器操作示意图多级串联理想混合反应器操作示意图 理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计 在多级串联理想混合反应器的设计中，通常需要计算下列四个参数中的一在多级串联理想混合反应器的设计中，通常需要计算下列四个参数中的一个：个：1.1.每级反应器的体积每级反应器的体积Vi；3.3.最终转化率最终转化率xAN；2.2.反应器的级数反应器的级数N；4.4.原料流量原料流量v0。计算方法：计算方法：1.代数法（动力学方程式简单）；代数法（动力学方程式简单）；2.图解法（动力学方程式复杂或无其代数式）。图解法（动力学方程式复杂或无其代数式）。计算依据：计算依据：操作曲线：操作曲线：动力学方程曲线：动力学方程曲线：计算中的简化，假定：计算中的简化，假定：1.各釜体积相同；（各釜操作曲线相同）各釜体积相同；（各釜操作曲线相同）2.各釜温度相同；（各釜动力学曲线相同）各釜温度相同；（各釜动力学曲线相同）理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计 1代数法代数法所以：所以：或：或：以等温一级反应为例：以等温一级反应为例：第一级反应器第一级反应器：第二级反应器第二级反应器：第第 N N 级反应器级反应器：当各釜的容积当各釜的容积VI相等时，则：相等时，则：理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计2图解法图解法多级串联理想混合反应器的图解计算多级串联理想混合反应器的图解计算 四种计算情况：四种计算情况：（1）已知已知N、V、v0、C CA0,A0,求求C CANAN;（2）已知已知C CANAN 、V、v0、C CA0,A0,求求N;（3）已知已知N、C CANAN 、v0、C CA0,A0,求求V(试差试差);（4）已知已知N、V、C CANAN 、C CA0,A0,求求 v0(试差试差);理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计多级串联理想混合反应器多级串联理想混合反应器非简化条件下的图解计算：非简化条件下的图解计算：体积不相等的图解法体积不相等的图解法 温度不相等的图解法温度不相等的图解法 理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计得出：当串联的得出：当串联的CSTRCSTR越多，越接近越多，越接近PFRPFR 工程上，工程上，66时，已接近时，已接近PFRPFR多级串联理想混合反应器多级串联理想混合反应器反应器个数确定原则：反应器个数确定原则：随着串连反应器个数的增加，反应器的总体积效率趋于平推流反应器；随着串连反应器个数的增加，反应器的总体积效率趋于平推流反应器；反应器的投资大约是单釜体积的反应器的投资大约是单釜体积的0.6次方成正比。次方成正比。从从图中图中可以看出，最小可以看出，最小值所对应的釜数为值所对应的釜数为36个，个，实际生产中串连釜数也在这实际生产中串连釜数也在这个范围内。个范围内。理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计理想流动和理想反应器的设计复合反应对反应器的型式和操作的要求复合反应对反应器的型式和操作的要求：平行反应的优化平行反应的优化A+BR（主）Sk1k2平行反应速率方程平行反应速率方程平行反应速率方程平行反应速率方程对比速率对比速率 1 1优化的温度和浓度效应优化的温度和浓度效应T、C效应 T T效应：效应：E1E2E1E2，TT，活化能高的反应好活化能高的反应好 E1E2E1a2a1a2，CACA，CACA高一些好高一些好 a1a2a1b2b1b2，CBCB，CBCB高一些好高一些好 b1b2b1a2a1a2b1b2b1b2b1a2,b1E2E1E2，TT，r rR R/r rS S；E1E2E1E2，TT，r rR R/r rS S 。C CA A，r rR R/r rS S 浓度效应：浓度效应：反应器与加料方式：PFR优于CSTR；多个CSTR串联；返混有害；不追求高的xA。最佳反应时间：最佳反应时间：串联反应的最佳反应时间串联反应的最佳反应时间(空时空时)与最大收率与最大收率从图中可以看出：从图中可以看出：C CL L必有最大值，对应必有最大值，对应t t的为最佳反应时间的为最佳反应时间t toptopt同时，连串反应中，平均同时，连串反应中，平均S S随随x x的升而降，所以，的升而降，所以，Y YS Sx x 必有一个极大值必有一个极大值 ，必须控制好反应时间，必须控制好反应时间4.1.34.1.3连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布q连续流动反应器中的返混和停留时间分布连续流动反应器中的返混和停留时间分布返混：连续返混：连续反应器中各微元的停留时间是各不相同的，反应器中各微元的停留时间是各不相同的，彼此产生混合，返混就是这种不同停留时间微元彼此产生混合，返混就是这种不同停留时间微元 间的混合。间的混合。返混的含义返混的含义：（1 1）返混是不同停留时间物料之间的混合；）返混是不同停留时间物料之间的混合；（2 2）返混是过程连续化之后产生的现象；）返混是过程连续化之后产生的现象；（3 3）返混使物料之间产生停留时间分布，返混使反应器内反应物浓）返混使物料之间产生停留时间分布，返混使反应器内反应物浓 度下降，产物浓度上升。度下降，产物浓度上升。造成返混的主要原因：造成返混的主要原因：（1 1）由于物料与流向相反的运动所造成。）由于物料与流向相反的运动所造成。（2 2）由于不均匀的速度分布所引起。）由于不均匀的速度分布所引起。（3 3）由于反应器结构所引起的死角、短路、沟流、旁路等。）由于反应器结构所引起的死角、短路、沟流、旁路等。连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布 返混不能用一数量来表示，但停留时间分布可以定量的进行测定。返混不能用一数量来表示，但停留时间分布可以定量的进行测定。如何观测与度量返混如何观测与度量返混如何描述非理想流动如何描述非理想流动概念：停留时间，停留时间分布概念：停留时间，停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布连续反应器中物料混合状态分析按混合对象的年龄可以把混合分成两种：（1）同龄混合：相同年龄物料之间的混合（2）返混：不同年龄物料之间的混合按混合尺度的大小混合也可分为两种类型：宏观混合：设备尺度上的混合微观混合：物料微团尺度上的混合混合的机理总体流动：搅拌器旋转时使釜内液体产生一定途径的循环流动设备尺度上的宏观均匀高速旋转的旋涡与液体微团产生相对运动和剪切力更小尺度上的均匀分子扩散微团最终消失微观均匀 分布密度与分布函数分布密度与分布函数全混流反应器：机械混合最大全混流反应器：机械混合最大 逆向混合最大逆向混合最大 返混程度无穷大返混程度无穷大平推流反应器：机械混合为零平推流反应器：机械混合为零 逆向混合为零逆向混合为零 返混程度等于零返混程度等于零间歇反应器：机械混全最大间歇反应器：机械混全最大 逆向混合为零逆向混合为零 返混程度等于零返混程度等于零 反应器内的返混程度不同反应器内的返混程度不同停留时间不同停留时间不同浓度分布不同浓度分布不同反应速率反应速率 不同不同反应结果不同反应结果不同生产能力不同生产能力不同非理想流动反应器：介于两种理想情况之间非理想流动反应器：介于两种理想情况之间停留时间是随机变量，因此停留时间分布是一种概率分布。停留时间是随机变量，因此停留时间分布是一种概率分布。q停留时间分布的表示方法停留时间分布的表示方法1 1停留时间分布的密度函数停留时间分布的密度函数进入反应器的物料进入反应器的物料的物料的物料停留时间为停留时间为D DNN 假若进入反应器的物料有假若进入反应器的物料有N N份物料，停留时间为份物料，停留时间为 的只有的只有 份物料，则停留时间为份物料，则停留时间为 的物料占进料物料的分率为：的物料占进料物料的分率为：连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布假设在一连续流动系统中，由实验测定停留时间分布：假设在一连续流动系统中，由实验测定停留时间分布：停留时间范围停留时间范围（秒）（秒）分率分率 停留时间范围停留时间范围（秒）（秒）分率分率0 01 10 00350354 45 50 02142141 12 20 01071075 56 60 01431432 23 30 01781786 67 70 00710713 34 40 02422427 78 80 00100101 1表表 连续流动系统中不同停留时间范围物料的分率连续流动系统中不同停留时间范围物料的分率 连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布 用用 表示的停留时间分布表示的停留时间分布 在直角坐标中，以停留时间为横坐标，用面积大小来表示表中的分在直角坐标中，以停留时间为横坐标，用面积大小来表示表中的分率率所以图中的纵坐标是所以图中的纵坐标是 ，时间间隔，时间间隔 为一秒为一秒 ：当当用停留时间分布函数表示的停留时间分布用停留时间分布函数表示的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布 在上图中在上图中 停留时间为停留时间为 的物料在进料总量中的分率的物料在进料总量中的分率 是曲线下方是曲线下方 间的面积，即图中阴影部分，即：间的面积，即图中阴影部分，即：归一化特性：归一化特性：停留停留时间时间在在的物料在的物料在总进总进料量中的分率料量中的分率为为：注意：注意：的大小并不直接代表分率，而的大小并不直接代表分率，而 曲线下方在曲线下方在 间的面积，即间的面积，即 才才是是 分率的大小。分率的大小。连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布v 无因次化处理无因次化处理 用一元因次单位来表示时间，即：用一元因次单位来表示时间，即：这样，就有：这样，就有：由于：由于：这里，这里，E E函数的归一化特性可以表示成：函数的归一化特性可以表示成：式中：式中：无因次时间无因次时间所以：所以：连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布2 2累积停留时间分布函数累积停留时间分布函数 如果需要计算在如果需要计算在0t t时间段内已经流出系统物料占总的物料的分时间段内已经流出系统物料占总的物料的分率，即率，即t t10，t t2t t。这个分率和停留时间这个分率和停留时间t t的函数关系。这个函数关系可以称为累积停的函数关系。这个函数关系可以称为累积停留时间分布函数。累积停留时间分布函数通常用留时间分布函数。累积停留时间分布函数通常用F（t t）表示，即：表示，即：连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布在同一流动系统中在同一流动系统中:累积停留时间分布函数本身是无因次的。累积停留时间分布函数本身是无因次的。3 3停留时间分布密度函数和累积停留时间分布函数的关系停留时间分布密度函数和累积停留时间分布函数的关系连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布q停留时间分布的测定停留时间分布的测定“刺激一感应刺激一感应”技术：技术：在系统的人口处输入一个讯号、然后在出口处分析讯号的变化。这在系统的人口处输入一个讯号、然后在出口处分析讯号的变化。这样就可以得到确定停留时间分布所需的数据。样就可以得到确定停留时间分布所需的数据。对示踪物的要求：对示踪物的要求：不与主体流体发生化学反应；不与主体流体发生化学反应；不被萃取、本身不挥发；不被萃取、本身不挥发；对主体流体的流动没有影响；对主体流体的流动没有影响；在低浓度下能有效的检知。在低浓度下能有效的检知。输入讯号一般采用示踪剂，通常使用的示踪物质为有色物质、导电输入讯号一般采用示踪剂，通常使用的示踪物质为有色物质、导电性物质、放射性物质等。性物质、放射性物质等。连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布停留时间分布测定的两种方法：停留时间分布测定的两种方法：（1）阶跃示踪法）阶跃示踪法（2）脉冲示踪法）脉冲示踪法 连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布（1）阶跃示踪法）阶跃示踪法使物料以稳定的流量使物料以稳定的流量V通过体积为通过体积为VR的反应器，然后在某的反应器，然后在某个瞬间个瞬间t=0时，将其切换为浓度为时，将其切换为浓度为C0的示踪剂，并保持流量的示踪剂，并保持流量不变，同时开始测定出口处示踪剂浓度随时间的变化。不变，同时开始测定出口处示踪剂浓度随时间的变化。1 1阶跃示踪法阶跃示踪法 待测定系统稳定后，将待测定系统稳定后，将原来反应器中流动的流休切原来反应器中流动的流休切换为另一种含有示踪剂的流换为另一种含有示踪剂的流体。一直保侍到实验结束，体。一直保侍到实验结束，并保诗切换而后流体流量不并保诗切换而后流体流量不变。变。开始时，出口流体中有示踪剂流体的分率很小，随着时间的推延，开始时，出口流体中有示踪剂流体的分率很小，随着时间的推延，有示踪剂流体在出口流体中的分率不断增加，当有示踪剂流体在出口流体中的分率不断增加，当tt时，分率趋于时，分率趋于1 1。阶跃讯号响应曲线阶跃讯号响应曲线连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布