反应工程课件.ppt

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1、化学反应工程1第3章 理想反应器n反应工程研究的内容：反应 反应器：反应器的设计和开发n反应器开发的任务：(1)根据化学反应的动力学特征来选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式(2)结合动力学动力学和反应器反应器两方面特性特性来确定操作方式和优操作方式和优化设计化设计 反应器特性：流体的流动状态 流体的混合状态 反应器内的传热性能(3)根据给定的产量对反应器进行设计计算，确定反应器确定反应器的几何尺寸的几何尺寸反应器的结构和尺寸有关2 间歇反应器(强烈搅拌的 间歇釜式反应器)反应器 平推流 连续流动反应器 全混流 中间型 半间歇半连续型反应器第一节 间歇釜式反应器一、间歇釜式反应器的特点：理

2、想反应器3由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传排除了物质传递对反应的影响递对反应的影响由于反应器内具有足够强烈的传热条件，反应器内各处温度相等，因而无需考虑无需考虑反应物料内的热量传递热量传递问题反应物按一定比例一次性加入反应器，反应后一次性将物料排出，反应器内物料同时开始和停止，所有物料具有相同的反应时间具有相同的反应时间二、间歇釜式反应器的数学模型(基本设计方程)对整个反应器进行物料衡算：4单位时间反应器A的累积量单位时间流出反应器A的量单位时间反应消失的A的量单位时间进入反应器A的量=流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +

3、累积量累积量 0 =0 +（rA)V VR +dnA/dt（rA)V VR+dnA/dt=0其中（rA)V：按单位体积计算的反应速率 VR ：反应物料在反应器中占的体积 nA ：反应时间为t的反应组分A的量5整理积分，可得等容条件下6(一般式)(恒容)t理想的间歇式反应器中反应时间和转化率以及反应物浓理想的间歇式反应器中反应时间和转化率以及反应物浓度间的关系：度间的关系：71.等温等容液相单一不可逆反应由于等容过程中891.反应浓度反应浓度的影响的影响零级反应：t与初浓度CA0正比一级反应：t与初浓度CA0无关二级反应：t与初浓度CA0反比2.残余浓度残余浓度零级反应：残余浓度随t直线下降一级

4、反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降10【例31】以乙酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器中生产乙酸丁酯，操作温度为100，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xA分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3解：对1kmol A而言，投料情况是：乙酸(A)1kmol 60kg 60/960=0.0625m3正丁醇(B)4.96kmol 368kg 368/740=0.496m3该反应为液相反应，反应过程中体积不变，对1kmol A而言，每次投料体积为：VR0.0625+0

5、.4960.559m311将xAf0.5、0.9、0.99分别代入上式计算可得计算结果表明，转化率从0.9提高到0.99时，反应时间从4.81 h延长到52.9 h，说明大量反应时间花在高转化率上122.等温等容液相单一可逆反应(要考虑到化学平衡)133.等温等容液相多重反应14由间歇反应器的设计方程可得出结论：n反应物达到一定的转化率所需要的反应时间，只取决于过程的反应速率或动力学因素，与反应器的大小无关；n反应器的大小由反应物料的处理量决定工程放大的时候，只要保证大型设备中的反应条件和设备结构(如搅拌装置合理放大)与小型设备相同，便可达到相同的反应效果三、间歇釜式反应器的有效体积VR的计算

6、方法：VR与单位时间反应物料处理体积Q0和操作周期有关 操作周期反应时间t+辅助时间t015反应器实际体积VVR VVR/f 其中 f 为装料系数：沸腾发泡的液体：0.40.6 其他液体一般：0.750.85【例32】在间歇釜式反应器中进行如下的一级不可逆液相反应：A=2R rA=kCA kmol/(m3h)其中：CR0=0，R的分子量MR=60，CA02.30 kmol/m3 反应终了A的转化率xA为0.70，装置的生产能力为50000kg产物R/天。该生产的辅助时间为t0=0.75h，试求在50下进行等温操作所需的反应器的有效体积16解：等温操作下反应时间t的计算则每批操作实际所需要的操作

7、时间为：反应终了时R的浓度为：17n习题1：在一间歇恒容反应器中，高温裂解乙酸制取烯酮，反应式为：CH3COOHCH4+CO2 CH3COOHCH2=CO+H2O910时，k1=4.80 s-1，k2=7.48 s-1，且进料中无产物，试求乙酸反应掉99%时所需时间k1k218习题2：在理想间歇反应器中发生如下反应：蔗糖在稀水溶液中水解生成葡萄糖和果糖的反应为：C12H22O11+H2O C6H12O6 +C6H12O6 蔗糖(A)水(B)葡萄糖(P)果糖(S)当水量过大时，反应遵循一级反应动力学，即(-rA)=kCA，在催化剂HCl浓度为0.01 mol/L,反应温度为48时，反应速率常数为

8、k=0.0193min-1.当蔗糖的浓度为0.1 mol/L和0.5 mol/L时计算：(1)反应20min后，上述两种初始浓度下反应液中蔗糖、葡萄糖和果糖的浓度分别为多少？(2)试计算反应20min后两种初浓度的溶液中蔗糖的转化率各为多少？(3)若蔗糖浓度降到0.01 mol/L时，两种初始浓度条件下所需反应时间各为多少？19习题3：醋酸与丁醇反应生成醋酸丁酯，反应式为 CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O (A)(B)(P)(S)当反应温度为100并以硫酸作为催化剂时，动力学方程式为(-rA)=kCA2，此时反应速率常数为k=17.4103 L/(molmin)。已知在

9、一个理想间歇反应器中进行。若进料中的醋酸的初浓度分别为0.9 mol/L和1.8 mol/L，试计算：(1)反应的初始速率(2)醋酸转化率xA=0.5所需的反应时间(3)若反应釜料液为100L，则各得到多少千克醋酸丁酯（醋酸转化率xA=0.5）20第二节 平推流反应器n平推流反应器：又称活塞流反应器（PFR，Plug Flow Reactor）。假设物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地、像气缸活塞一样地向前运动，这样的反应器称为平推流反应器一、平推流反应器的特点：一、平推流反应器的特点：在连续定态条件下操作时，反应器在流动方向的径向截面上物料的各种参数，如浓度、温度等只随物料流动方向变化

10、，不随时间而变化由于径向具有均匀的流速，也就是径向不存在浓度分布，反应速率随空间位置的变化只限于轴向由于径向速度均匀，反应物料在反应器内具有相同的停留时间，即返混为021n管式反应器的长远大于管径，且物系处于湍流状态时接近于平推流流动，可看作是理想反应器n如果反应物系是液相的，在等温反应过程中，物料摩尔流量有无变化，物系的密度均可视为不变，即等容过程等容过程的平均停留时间tm其中 VR：反应器的体积 V0：液相物系进口体积流量22二、平推流均相管式反应器的数学模型（设计方程）二、平推流均相管式反应器的数学模型（设计方程）等温平推流均相反应器取反应器内一微元体积dVR进行物料衡算：流入量流入量

11、=流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量流入量流出量反应量累积量 023积分整理，可得达到一定转化率 xAf 所需的反应体积为：在等温等容条件下将上式与间歇釜式反应器中反应时间的积分式相比，与间歇釜式反应器中反应时间的积分式相比，二者完全相同二者完全相同，即间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器24在平推流反应器中进行等温n级不可逆反应将上两式代入可得等温等容液相反应2526 tm,与与 0 的区的区别：标准接触时间其中 VS0为STP状态下的初态体积流量接触时间而平均停留时间tm只适用于等温等容反应空速SV：27【例33】计算平推流反应器中的反应时间一级不可逆反应在一平推流反应器中进

12、行，求在50 反应转化率达70%所需的空时。若V0=10m3/h，求反应器体积VR。已知：28解：50的反应速率常数为：反应器内的停留时间和反应器的体积为：29【例34】在容积为2.5m3的理想间歇反应器中进行液相反应A+BP，反应维持在75等温操作，实验测得反应速率方程式为(-rA)=kCACB kmol/(Ls)，k=2.7810-3 mol/(Ls)，当反应物A和B的初始浓度CA0=CB0=4 mol/L，而A的转化率xA0.8时，该间歇反应器平均每分钟可处理0.684 kmol的反应物A。今若将反应移到一个管径为125 mm的理想管式反应器中进行，仍维持75 等温操作，且处理量和所要求

13、转化率相同，求所需反应器的管长解：由于CA0=CB0，且是等摩尔反应，所以反应速率方程式可写为：(-rA)=kCACBkCA2此反应在理想间歇釜式反应器中达到要求转化率所需要的反应时间为：30此反应时间应等于理想管式反应器中的空时，即令FA0为摩尔进料流率，则间歇反应器每分钟处理量即为管式反应器的摩尔进料流率由于则31三、PFR的组合1.串联(假设两个有相同的温度，速率表达式相同)即此时相当于一个反应器从xA0 xAf，即符合简单的算术加减32对于一级不可逆等容单一反应则第一个反应器出口的浓度为第二个反应器出口的浓度为若两个反应器体积相等33n对于平推流反应器的串联，把管式反应器中间截断，再把

14、两个反应器串联，其效果是相同的n实际生产中，限于厂房，有时平推流反应器的串联还是很有必要n例如将一个很高的反应器A，分为两个较短的反应器A、B的串联方式便于运输和安装反反应应器器A反应器A、B的串联342.并联当时，两个反应器出口具有相同的转化率即此种情况下，停留时间相同时，转化率相同35若两个反应器体积相同，且V01=V02，两个反应器具有相同的停留时间，那么此时的反应器出口A的浓度为串联时对于体积相同的两个平推流反应器，出口物质的浓度：并联时说明，此种情况下，两种反应器组合的出口物质浓度相等即两种反应器组合具有相同的反应效果36第3节 全混流反应器n全混流反应器：假定反应物料以稳定的流量流

15、入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。反应器中所有的空间位置的物料参数都是均匀的，并且等于反应器出口处的物料性质，即反应器内物料浓度和温度均匀，与出口处物料浓度和温度相等，此种反应器称为全混流反应器，常用CSTR表示n全混流是一种理想化的假设，连续流动釜式反应器在强烈搅拌情况下可视为全混流反应器37一、全混流反应器的特点一、全混流反应器的特点n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n物料参数不随时间而变化；n反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化n返混二、连续流动釜式反应器的数学模型二、连续流动釜式反应器的数学模型根

16、据全混流反应器的特征，对整个反应器进行物料衡算反应物料充满整个反应器，体积VR流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量38流入量流出量反应量累积量0(rA)f 按反应器出口浓度 计算的反应速率反应的接触时间39当反应器进口物料中已经含有反应产物时反应器体积反应器体积三、全混流反应器三、全混流反应器的的图解解积分分全混流反应器中进行反应的接触时间为图中的矩形面积40四、全混流反应器与平推流反应器的对比四、全混流反应器与平推流反应器的对比n全混流反应器中的接触时间为矩形面积n平推流反应器中的接触时间为曲线下的面积n说明，相同条件等温平推流反应器中所需的接触时间低于低于全混流反应

17、器全混流反应器的图解积分平推流反应器的图解积分41全混流反应器的接触时间42CSTR与间歇釜式反应器的比较与间歇釜式反应器的比较【例35】将例34中的反应移到一个连续搅拌釜式反应器中进行，且反应温度、物料初始浓度、反应转化率和物料处理量等都保持不变，求此反应器的体积为多大？又假定该反应在间歇搅拌釜中进行，每两批反应时间还需20min时间用于出料、加料和升温，反应器中物料装填系数为0.8，此时为达到同样的生产能力，间歇釜的体积应为多少？在反应器中进行液相反应A+BP，反应维持在75等温操作，实验测得反应速率方程式为(-rA)=kCACB kmol/(Ls)，k=2.7810-3 mol/(Ls)

18、，当反应物A和B的初始浓度CA0=CB0=4 mol/L，而A的转化率xA0.8时，该反应器平均每分钟可处理0.684 kmol的反应物A。43解：(1)连续搅拌釜式反应器的物料衡算式为：把已知的数据代入可求得由规定的生产能力求取反应器体积44 由上述计算可以看出，在同样的反应条件下，连续搅连续搅拌釜式反应器所需体积比间歇釜式反应器要拌釜式反应器所需体积比间歇釜式反应器要大大。只有间歇反应器中的辅助生产时间占有相当比例时，连续釜式反应器的生产能力才有可能超出间歇釜式反应器(2)例34中算得间歇搅拌釜每批所需时间为6min，加上生产辅助时间20min,共26min，为达到上述生产能力，反应器体积

19、为45CSTR与PFR的比较【例36】某一级反应在一个全混釜中进行，(-rA)=kCA，k=0.38 min-1，若已知进料反应物浓度CA00.3 kmol/m3，体积流量V0=20 L/min，要求出口转化率xAf为0.7，试计算该反应器体积。若反应改在一平推流反应器中进行，反应器体积为多少？解：所以在PFR中在CSTR中46五、全混流反应器的串联和并联1.多级全混釜的串联n全混流反应器中，一旦原料进入反应器，处处温度浓度都是恒定的，出口的浓度与反应器中一致，但入口出口的浓度与反应器中一致，但入口的浓度则是的浓度则是CA0n对于每个反应器，都可根据全混流反应器的设计方程，对于每个反应器，都可

20、根据全混流反应器的设计方程，写出浓度、空时的关系式写出浓度、空时的关系式v1v4v3v2cA0vnv0 xAnxA2xA3xA1xA4cAncAicA3cA2cA147n两釜串联两釜串联其中xAf为全程转化率，若用CA1计算时，此时的转化率应为单程转化率211/rACACAfCA1CA0串联的釜的个数越多，总体积越小，当串联的釜的个数为无穷多个时，面积的线与速率线无限接近，即接近与平推流反应器48n多釜串联任一釜i的接触时间任一釜i的体积只要反应的动力学关系已知，利用上式可计算各釜的反应体积；对于一定的原料、给定各釜的反应体积和规定的最终转化率，可确定各釜出口转化率和反应器的个数49n对于一级

21、不可逆等容单一反应，由物料衡算可以直接建立釜的级数和最终转化率的关系式，而不必逐釜计算，就可以求出反应器的串联个数和反应体积根据接触时间的定义一级不可逆反应的反应速率代入上述接触时间公式可得即对各釜可分别写出50将以上各式相乘，得由于最终转化率故由此，当串联级数及各级反应体积已定时，由上式可直接求出所能达到的最终转化率。而当各级反应体积已定时，也可求出达到最终反应率所需的级数当各级反应釜的体积相等时，51(2)图解计算n对于非一级反应，采用解析法计算各级浓度变化比较麻烦，当已知反应速率和初浓度时，可用图解法接触时间反应系统的总体积n由上式可见，反应釜级数越多，最终转化率越高，处理量一定时，反应

22、釜体积越大，最终转化率也越高52 已知初浓度，那么rA-CA的关系在图上是一条直线，斜率为上式改变形式可得某级出口浓度不仅要满足此直线方程，还要满足动力学方程即，将这两个方程的曲线同时绘制在rA-CA图上，两线的交点的横坐标即为所求的CAi值53n当各级反应釜的温度相等，体积也相同时，作图法求解的步骤如下：(1)在rA-CA图上标出动力学曲线，如图OM曲线(2)以初浓度CA0为起点，作一条斜率为1/i的直线与OM交于A1点，其横坐标为第一级出口浓度CA1(3)由于各级全混釜i相等，从CA1作CA0A1的平行线CA1A2，与OM交于A2点，此点的横坐标即为第二级出口浓度，以此类推当最终浓度等于或

23、略超过规定出口浓度时，所作的平行线的根数就是反应器的级数54多级全混釜串联的优化各级反应体积不同55多级全混釜串联的优化什么条件下反应总体积最小？现讨论一级不可逆等容单一反应，m个全混釜串连，各级反应温度相同，则各级反应釜体积为：对于一级不可逆等容反应代入上式可得56则反应器总体积为：为使反应器VR体积最小，可将上式分别对求偏导57使VR最小必须满足即整理两边 减1得整理化简可得即要保证总的反应体积最小，必需的条件是各釜的反应体积相等58【例37】一级不可逆反应AP，在85时反应速率常数为3.45h-1。今拟在一容积为10m3的釜式反应器中进行。若最终转化率为0.95，该反应器处理的物料量可达

24、1.82m3/h。若用两个容积相同的串联釜时的总体积为多少？解：设采用两个串联釜时总体积为V=2V1=2V2，根据定态操作时，连续釜式反应器的物料衡算式，可得到：整理得59式中V1=V2，两式消去CA1，可得其中则60全混釜的并联n若等温下两个反应釜体积相同，各釜体积均为VR，进行一级不可逆等容单一反应，则每个反应釜出口的浓度即为混合后的出口浓度61第四节 理想反应器的组合和比较平推流全混流(a)(b)反应器体积相同，一级不可逆反应62(c)(g)(d)(e)(f)说明，c和d是等效的说明，e和f是等效的63(a)(b)(c)(d)(e)(f)出口浓度：转化率：（a）（b）（c）=（d）（b）

25、（c）=（d）（e）=（f）64理想流动反应器的组合理想流动反应器的组合某个真实反应器的模型某个真实反应器的模型工业生产中的应用工业生产中的应用65理想反应器体积比较n间歇反应器和平推流反应器二者体积相同（不考虑间歇反应器的辅助时间）原因：二者都不存在返混n全混流反应器由于返混极大，所以反应体积比间歇反应器和平推流反应器要大很多由图可知，当转化率较小时，二者体积差别较小，因此采用低转化率操作可以减少返混带来的影响但会使原料得不到充分利用解决办法是将未反应的物料分离出来循环使用66对于一级不可逆反应当串联级数m一定时，xAf越大VRM与VRP之比也越大 最终转化率xAf一定时，m越大VRM与VR

26、P之比越小，越接近平推流当m6时，再增加级数减少的反应体积有限，因此要从经济上加以权衡k一定时，m不同，转化率也不同67第五节 多重反应的选择率一、平行反应rL为主反应速率，rM为副反应速率，两者的速率比为 rL/rM瞬时选择率瞬时选择率定义为关键反应组分A在总反应速率中生成主产物的反应速率，即AL(主反应)M(副反应)12总选择率：等温等容反应定义为：68n瞬时选择率和总反应选择率的关系为：总反应选择率是反应器中瞬时选择率的积分n对于平推流反应器：n全混流反应器：691.选择率的温度效应n设平行反应中生成主产物L和副产物M的主、副反应级数分别为n1和n2，主、副反应的活化能分别为E1和E2由

27、选择率的定义可知：温度对选择率的影响由比值k2/k1确定，k2/k1 nn2 2,CA,CA升高，升高，S S增大，增大，较高反应物浓度较高反应物浓度对主反应有利对主反应有利若若n n1 1nn2,m1m2 CA,CB 都高都高72n1n2,m1n2,m1EE2 2,则在较高温度下进行则在较高温度下进行若若E E1 1Enn2 2,增加初浓度增加初浓度C CA0A0若若n n1 1nn2 2,降低初浓度降低初浓度C CA0A0若若n n1 1=n=n2 2,初浓度的变化对选择性无影响初浓度的变化对选择性无影响803.转化率转化率CL/CA随随xA的增大而增大的增大而增大转化率过高，选择性降低转

28、化率过高，选择性降低转化率增大转化率增大反应物浓度反应物浓度CA越来越低越来越低瞬时选择率下降瞬时选择率下降工业生成中进行连串反应工业生成中进行连串反应选用低的单程转化率选用低的单程转化率未反应的原料经分离回收之后循环使用未反应的原料经分离回收之后循环使用81连串反应的最佳反应时间与最大收率多重反应中主产物的收率定义：连串反应中，选择率S随转化率的增加而降低，而收率是这二者的乘积，因此连串反应的收率必有极值间歇反应器或平推流反应器当L浓度最大时的最优反应时间目的产物浓度82最大出口浓度最大收率即在间歇反应器或平推流反应器中进行一级连串不可逆液相反应，其最大收率与初浓度无关，只决定于k2/k1之

29、比全混流反应器在全混流反应器中进行一级不可逆、并且进料中只有组分A的等容液相反应，根据物料衡算式83整理可得对L做物料衡算整理可得最佳反应时间最佳反应时间最大出口浓度最大出口浓度最大收率最大收率84即与间歇反应器及平推流反应器相同，在全混流反应器中进行一级连串不可逆液相反应，其最大收率与初浓度无关，只决定于k2/k1之比k2/k1之比越小收率Y值越大85在任何反应器中，总选择率都满足1.xA,k1/k2相同时，BSTR和PFR中产物的选择率比CSTR高2.k1/k21,即使转化率较高，也可得到较高的选择率86连串反应的选择性【例39】连串一级不可逆反应为APS已知k1=0.15min-1，k2

30、=0.05min-1，进料流量为0.5m3/min，CA00，CP0=CS0=0求下列条件下产物P的收率：(1)体积为VR=1m3单个CSTR;(2)采用两个体积各为0.5m3的CSTR串联(3)采用体积为VR=1m3的PFR解：(1)单个CSTR87两个等体积的CSTR串联88在第二个釜中对物料P作衡算：将得到的数据代入收率的公式可得89(3)在PFR中90习题1n苯醌和环二戊烯的液相反应：A+BC，反应在298K下进行。在此温度下，反应速率方程为-rA=kCACB，k9.92m3/(kmolks)。液体进料速度为0.278m3/ks，苯醌和环二戊烯的初始浓度相同，均为0.08kmol/m3

31、，苯醌的转化率为87.5%。试利用代数法求解在下述两种情况中所需的反应器体积：(1)反应在单个全混流反应器中进行(2)两个等体积全混釜串联使用91解：(1)单个反应釜反应器出口A的浓度为：CAf=CA0(1-xAf)=0.08(1-0.875)=0.01物料在反应釜中的停留时间为：由于反应物A、B初浓度相同，且化学计量关系为1：1故所以反应釜体积为：92(2)两个体积相等的全混釜串联两釜体积相等，则停留时间相等 其中 x2=0.875解得x1=0.7251则 93习题2.在不同反应器中进行连串反应的比较一级连串反应APS，(rA)=k1CA，rP=k1CA-k2CP，式中A表示C6H6，P表示

32、C6H5Cl，S表示C6H4Cl2，已知k11，k20.5，CA0=1mol/L，CP0=CS0=0求：(1)在管式流动反应器中，1 (2)在单个CSTR反应器中，1 (3)在两釜串联反应器中，1 21 (4)在两釜串联反应器中，1 20.5求上述情况下，最终产物中P和S的分子比各为多少？94解：(1)管式反应器(2)单个CSTR95(3)两釜串联对P做物料衡算96其中解得(4)同上9798n体积不同的全混釜的串联体积不同的全混釜的串联121/rACACAfCA1CA0121/rACACAfCA1CA0反应级数199两个不同体积的全混釜的串联两个不同体积的全混釜的串联根据全混流反应器的设计方程对于恒容反应v2v1cA0v0cA2cA1注意：第二个反应器计算仍用第一个反应器入口的体积流率V0，是指反应开始时的流率。100两个不同体积的全混釜串联，CA1为多少时，反应器体积的和及空时的和最小？思路：由于，总空时为CA1的函数，将其对CA1求导，令d/dCA1=0，解出CA1，再代入上式，可求出最小的总空时101