基本反應(yīng)器全冊(cè)配套完整課件

基本反應(yīng)器全冊(cè)配套完整課件一、化學(xué)反應(yīng)工程簡(jiǎn)介1、化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展簡(jiǎn)況化學(xué)反應(yīng)過(guò)程總是伴隨著物理變化同時(shí)進(jìn)行的。

古代——化學(xué)反應(yīng)過(guò)程陶器的制作、酒與醋的釀造、金屬的冶煉以及煉丹、造紙——技藝二戰(zhàn)后——石油化工化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的迫切要求化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究的進(jìn)展化工單元操作方面的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)日趨成熟1957年在荷蘭的Amsterdan城，召開(kāi)了首次化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議化學(xué)反應(yīng)工程：ChemicalReactionEngineering——CRE第一節(jié)

概述2、CRE研究的對(duì)象和內(nèi)容CRE是一門(mén)研究化學(xué)反應(yīng)的工程問(wèn)題的科學(xué)以化學(xué)反應(yīng)為對(duì)象，必須研究這些化學(xué)反應(yīng)的特性以工程問(wèn)題為其對(duì)象，必須熟悉工程裝置的特性CRE研究的是工業(yè)規(guī)模化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及其設(shè)備的共同規(guī)律。工業(yè)規(guī)模化學(xué)反應(yīng)與實(shí)驗(yàn)室化學(xué)反應(yīng)的區(qū)別（1）存在濃度分布（ConcentrationDistribution）CD（2）存在溫度分布（TemperatureDistribution）TD（3）存在停留時(shí)間分布（ResidenceTimeDistribution）RTDCD、TD、RTD的產(chǎn)生，與化學(xué)反應(yīng)本身的機(jī)理無(wú)關(guān)，而與傳遞過(guò)程有關(guān)。故工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)，必須與傳遞規(guī)律結(jié)合起來(lái)研究，因而顯得復(fù)雜而困難。1、物料衡算方程（總的、各部的、局部的等等）；2、熱量衡算方程（能量衡算中的主要部分）；

3、動(dòng)力學(xué)方程；

4、參數(shù)方程。CRE的研究?jī)?nèi)容：（1）研究化學(xué)反應(yīng)器的基本理論；

（2）反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大、控制；

（3）反應(yīng)器設(shè)計(jì)、操作的優(yōu)化。3、CRE的研究方法化工原理（單元操作）——因次分析法或經(jīng)驗(yàn)歸納法化學(xué)反應(yīng)工程——數(shù)學(xué)模擬法或稱為數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型氣相反應(yīng)器液相反應(yīng)器4、CRE研究中的尺度和立場(chǎng)物理化學(xué)——分子尺度CRE——?dú)馀?、液滴、固體顆粒的尺度CRE研究中的立場(chǎng)

抓住問(wèn)題的主要方面，其余的因素則是次要的，僅考慮它們對(duì)主要方面的影響二、化學(xué)反應(yīng)器的分類1、按物料的聚集狀態(tài)分類均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器氣-氣相氣-液相氣-固相液-液相液-固相氣-液-固相2、按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類釜式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器管式反應(yīng)器高徑比近似為1長(zhǎng)徑比很大長(zhǎng)徑比10～203、按反應(yīng)器的操作方式間歇反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器非等溫反應(yīng)器等溫反應(yīng)器換熱式反應(yīng)器絕熱式反應(yīng)器空混=∞第二節(jié)

理想流動(dòng)模型和理想反應(yīng)器

模型——經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化的某個(gè)過(guò)程的本質(zhì)規(guī)律流動(dòng)模型：是指流體流經(jīng)反應(yīng)器時(shí)實(shí)際流動(dòng)和混合的狀況進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后，就其本質(zhì)規(guī)律提出的物理圖象，并以數(shù)學(xué)語(yǔ)言加以描述一、流體混合的概念及意義1、流體粒子（微元）在空間順序上的混合——空混流體在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)，不論其因何種原因而產(chǎn)生的流體粒子在反應(yīng)器內(nèi)相對(duì)位置發(fā)生變化而造成的物料微元之間的混合，稱為空間混合，簡(jiǎn)稱空混。定義：兩種極限情況空混=0完全無(wú)混合完全混合空混的影響：空混越大，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度越均勻。2、流體粒子（微元）在時(shí)間順序上的混合——返混具有不同停留時(shí)間的粒子（微元）的逆向混合定義：兩種極端情況完全無(wú)返混返混=0完全返混返混=∞返混的影響：使反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度降低二、理想流動(dòng)模型1、間歇完全混合流動(dòng)模型空混=∞特點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的濃度均勻溫度相等其它的參數(shù)也是一致各參數(shù)隨時(shí)間而變化，是不穩(wěn)定過(guò)程返混=0凡是符合上述特點(diǎn)的反應(yīng)器稱為理想間歇反應(yīng)器。不存在停留時(shí)間分布2、連續(xù)理想混合流動(dòng)模型空混=∞返混=∞特點(diǎn)：1）器內(nèi)以及出口物料的組成和溫度等參數(shù)均勻一致，且不隨時(shí)間、空間而變化；2）各物料微元在器內(nèi)的停留時(shí)間不盡相同，存在停留時(shí)間分布凡是器內(nèi)物料呈理想混合流動(dòng)的反應(yīng)器，稱為理想混合反應(yīng)器。3、連續(xù)理想排擠流動(dòng)模型活塞流、平推流空混=0；返混=0特點(diǎn)：1）在與流動(dòng)方向垂直的任意截面上各點(diǎn)，物料的流速、濃度、溫度及停留時(shí)間等完全一樣；2）物料的濃度、溫度等各參數(shù)沿流動(dòng)方向遞變；3）在每一截面上物料各參數(shù)都不隨時(shí)間而變化。凡器內(nèi)物料呈理想排擠流動(dòng)的反應(yīng)器就稱為理想排擠反應(yīng)器。非理想流動(dòng)模型軸向擴(kuò)散流動(dòng)模型多級(jí)理想混合串聯(lián)流動(dòng)模型第三節(jié)基本概念及反應(yīng)器的物料衡算

一、基本反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中，把反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式和操作方法結(jié)合起來(lái)考慮，最簡(jiǎn)單、最常用的反應(yīng)器稱為基本反應(yīng)器。1、間歇釜式反應(yīng)器，簡(jiǎn)稱間歇釜；2、管式反應(yīng)器，簡(jiǎn)稱反應(yīng)管；3、連續(xù)釜式反應(yīng)器，簡(jiǎn)稱全混釜。BatchStiredTankReactorPlugFlowReactorBSTRPFRCSTRContinuousStirredTankReactor二、基本概念1、轉(zhuǎn)化率（x）

轉(zhuǎn)化率是指在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物A的消耗量與A的起始量之比。表示反應(yīng)過(guò)程中的消耗量占A起始量的百分率。設(shè)V0為反應(yīng)器入口處的體積流量，則：2、時(shí)間（1）空間時(shí)間τc

反應(yīng)器的有效容積與反應(yīng)器入口處的體積流量之比。意義：定義：處理一個(gè)VR的物料所需的時(shí)間。（2）空間速度SV

定義：反應(yīng)器入口處的體積流量與反應(yīng)器有效容積之比。意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)處理的物料量為反應(yīng)器有效容積多少倍。

從τc

、SV的意義可知，它們均表示連續(xù)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。τc

小，生產(chǎn)能力大；SV大，生產(chǎn)能力大。兩者均表示入口狀態(tài)（T、P）下的反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，一般用于描述連續(xù)反應(yīng)器中氣相反應(yīng)。（3）平均停留時(shí)間τ平均

反應(yīng)器的有效容積與反應(yīng)器中物料的體積流量之比。定義：V—反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)下（T、P）的體積流量。一般用于描述連續(xù)反應(yīng)器中的液相反應(yīng)。（4）反應(yīng)時(shí)間τ

定義：反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率所需持續(xù)的時(shí)間。用于描述間歇反應(yīng)器。三、反應(yīng)器的物料衡算進(jìn)入反應(yīng)器的物料量（1）引出反應(yīng)器的物料量（2）反應(yīng)消耗的物料量（3）積累的物料量（4）間歇反應(yīng)器：連續(xù)穩(wěn)定反應(yīng)器：半連續(xù)反應(yīng)器：（3）+（4）=0（1）=（2）+（3）（1）=（2）+（3）+（4）

反應(yīng)器種類舉例特性適用的反應(yīng)器形式均

相氣相燃燒、裂解、烴高溫氯化等無(wú)相界面，反應(yīng)速率只與濃度、溫度有關(guān)管式液相中和、酯化、水解等釜式、管式非均相氣-液相氧化、氯化、加氫、化學(xué)吸收等有相界面，實(shí)際反應(yīng)速度與相界面大小及相間擴(kuò)散速度有關(guān)釜式、塔式液-液相磺化、硝化、烷基化等釜式、塔式氣-固相燃燒、還原、各種固相催化等固定床、移動(dòng)床、流化床液-固相還原、離子交換等釜式、塔式固-固相電石、水泥制造等回轉(zhuǎn)窯式氣-液-固相加氫裂解、加氫脫硫等釜式、固定床、流化床表4-1按物料聚集狀態(tài)分類的反應(yīng)器返回小結(jié)反應(yīng)器的分類三種理想流動(dòng)模型及基本反應(yīng)器的特點(diǎn)時(shí)間的幾種表示方法了解CRE研究的對(duì)象、內(nèi)容及方法轉(zhuǎn)化率的概念THEEND返回第四章基本反應(yīng)器第四節(jié)基本反應(yīng)器有效容積的計(jì)算均相、等溫、恒容、單一反應(yīng)研究條件：本節(jié)主要內(nèi)容：三種均相基本反應(yīng)器有效容積的計(jì)算均相反應(yīng)器：反應(yīng)器中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)只有一個(gè)相均勻液相反應(yīng)均勻氣相反應(yīng)反應(yīng)速率：

以反應(yīng)物A計(jì)的反應(yīng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位反應(yīng)容積內(nèi)，A減少的量。常用（-rA)表示。化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢程度，用單位時(shí)間反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加來(lái)表示。影響反應(yīng)速率的因素：溫度、壓強(qiáng)、催化劑、其它因素一、間歇理想釜式反應(yīng)器（BSTR）1、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及操作進(jìn)料升溫反應(yīng)降溫出料清洗裝料系數(shù)生產(chǎn)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間輔助時(shí)間2、反應(yīng)器的性能和特點(diǎn)（1）反應(yīng)過(guò)程中，CA、xA、反應(yīng)速率（-rA）是時(shí)間的函數(shù)，它們隨時(shí)間變化，因而是一個(gè)不穩(wěn)定過(guò)程；（2）物料在器內(nèi)混合均勻，釜中任一微元的組成即可代表全釜的組成，即空混=∞；（3）所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間是相等的，即返混=0；（4）操作彈性大，靈活性大，主要用于液相反應(yīng)；（5）不易實(shí)現(xiàn)自控，每批產(chǎn)品質(zhì)量容易不均，占用勞力多，不易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。常用于多品種、小批量的生產(chǎn)如試劑、醫(yī)藥、染料等。3、反應(yīng)器有效容積VR的計(jì)算已知條件：?jiǎn)挝粫r(shí)間處理的物料量V0反應(yīng)時(shí)間τ計(jì)算：在dτ的時(shí)間內(nèi)，以A為衡算對(duì)象，對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算0反應(yīng)消耗的物料量積累的物料量基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程等溫、非等溫、恒容和變?nèi)莸冗^(guò)程均可適用若反應(yīng)物A的起始濃度為CA0mol/m3，對(duì)于恒容過(guò)程，VR為定值，且則一級(jí)反應(yīng)：二級(jí)反應(yīng)：反應(yīng)時(shí)間τ也可用圖解積分法求得4、反應(yīng)器總?cè)莘eVT的確定例1在間歇反應(yīng)釜中進(jìn)行已二酸與已二醇的縮聚反應(yīng)，生產(chǎn)醇酸樹(shù)脂。該反應(yīng)以硫酸作催化劑，已二酸與已二醇以等摩爾比，反應(yīng)在70℃進(jìn)行，已二酸轉(zhuǎn)化速率方程為：

式中：（-rA）—以已二酸計(jì)算的反應(yīng)速率，kmol/m3·h；

k—反應(yīng)速率常數(shù)，m3/kmol·h；

CA—已二酸瞬時(shí)濃度，kmol/m3。70℃時(shí)k=0.118m3/kmol·h，已二酸起始濃度CA0=4kmol/m3。若每天處理2400kg的已二酸，要求已二酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)90%，試計(jì)算所需的反應(yīng)器的VT及VR。每批輔助操作時(shí)間為1小時(shí)，裝料系數(shù)為0.75。解：二、連續(xù)理想管式反應(yīng)器PFR1、結(jié)構(gòu)及操作2、性能和特點(diǎn)（1）通常情況為連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程，在反應(yīng)器的各個(gè)橫截面上，CA、xA、(-rA)均為定值，但隨管長(zhǎng)方向變化；（2）返混=0；（3）空混=0；（4）容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)控制。常用于氣相均相反應(yīng)。3、反應(yīng)器有效容積VR的計(jì)算進(jìn)入引出消耗衡算范圍：dVR衡算基準(zhǔn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間積分得：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程一級(jí)反應(yīng)：二級(jí)反應(yīng)：恒容時(shí)間歇釜與管式反應(yīng)器的比較：二者基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程相同，說(shuō)明轉(zhuǎn)化率相同時(shí)，間歇釜內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間與管式反應(yīng)器內(nèi)的空間時(shí)間相同。原因：例2在管式反應(yīng)器中進(jìn)行已二酸與已二醇的縮聚反應(yīng)，生產(chǎn)醇酸樹(shù)脂。操作條件和產(chǎn)量與例1相同。試計(jì)算管式反應(yīng)器的有效容積。若管式反應(yīng)器內(nèi)徑為300mm，其反應(yīng)器長(zhǎng)度為多少米？解：三、連續(xù)理想釜式反應(yīng)器CSTR1、結(jié)構(gòu)及操作2、性能和特點(diǎn)（1）空混=∞，釜內(nèi)各點(diǎn)的CA

、xA、(-rA)都是相同的，且與出口處的各參數(shù)是一致的，即CA=CAf，xA=xf。（2）返混=∞，這種反應(yīng)器由于返混對(duì)物料濃度的沖稀程度最大，存在停留時(shí)間分布，有平均停留時(shí)間；（3）各參數(shù)不隨時(shí)間變化，是連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程;（4）多用于液相均相反應(yīng)，且反應(yīng)物的濃度要求較低的情況下。3、反應(yīng)器有效容積VR的計(jì)算進(jìn)入引出消耗一級(jí)反應(yīng)：二級(jí)反應(yīng)：例3在CSTR中，進(jìn)行已二酸與已二醇的聚合反應(yīng)，生產(chǎn)醇酸樹(shù)脂。操作條件和產(chǎn)量與例1相同，試計(jì)算反應(yīng)器的有效容積VR。解：代入數(shù)據(jù)：小結(jié)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程一級(jí)反應(yīng)二級(jí)反應(yīng)有效容積BSTRPTRCSTRTHEEND返回第四章基本反應(yīng)器復(fù)習(xí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程一級(jí)反應(yīng)二級(jí)反應(yīng)有效容積BSTRPTRCSTR第五節(jié)組合反應(yīng)器組合反應(yīng)器：將幾個(gè)相同或不相同的基本反應(yīng)器組合起來(lái)形成的反應(yīng)器。多釜串聯(lián)反應(yīng)器：N個(gè)相同容積的CSTR串聯(lián)組合。一、結(jié)構(gòu)及操作二、性能和特點(diǎn)多用于液相反應(yīng)三、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程對(duì)第i釜作物料衡算整理得：四、多釜串聯(lián)反應(yīng)器的計(jì)算

根據(jù)處理的物料量和要求達(dá)到的總轉(zhuǎn)化率，求出所需的釜數(shù)，各釜的有效容積和轉(zhuǎn)化率（或濃度）等。一級(jí)反應(yīng)：若各釜的有效容積和溫度相同，即：故對(duì)第一個(gè)釜為：對(duì)第二個(gè)釜為：依此類推，第N釜為：

上式只可用于一級(jí)不可逆反應(yīng)時(shí)，均相、等溫、恒容的條件下，對(duì)于N個(gè)有效容積相同的多釜串聯(lián)反應(yīng)器的釜數(shù)N及轉(zhuǎn)化率xAN的計(jì)算。例5-4某一級(jí)不可逆反應(yīng)在均相、恒溫、恒容的條件下于一個(gè)VR=10l的PFR中進(jìn)行，CA0=1mol/l、V0=1l/s、xAf=80%?，F(xiàn)將該反應(yīng)在完全相同的條件下用一多釜串聯(lián)反應(yīng)器來(lái)完成，每個(gè)釜的VR均為5l，達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率需要多少個(gè)釜？解：在PFR中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)將VR=10l,V0=1l/s,xAf=0.8代入得:在多釜串聯(lián)反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí),設(shè)釜數(shù)為N,則每一釜：