冶金反應(yīng)工程-2課件

三、理想反應(yīng)器反應(yīng)器分類反應(yīng)器研究開(kāi)發(fā)的主要目的：選擇合適的反應(yīng)器型式；反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算（確定反應(yīng)器的尺寸）；確定操作方式和優(yōu)化操作條件；反應(yīng)器性能的評(píng)價(jià)。反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的流動(dòng)狀態(tài)、混合狀態(tài)、濃度與溫度分布、質(zhì)量和能量傳遞性能等反應(yīng)器的特性及其決定因素反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式、操作方式、操作條件等反應(yīng)器按操作連續(xù)性分類（一）間歇操作（分批操作）將反應(yīng)原料一次加入反應(yīng)器，反應(yīng)一段時(shí)間或達(dá)到一定的反應(yīng)程度后一次取出全部的反應(yīng)物料，然后進(jìn)入下一輪操作。濃度CA物質(zhì)量nA體積V操作特點(diǎn)∶反應(yīng)過(guò)程中既沒(méi)有物料的輸入，也沒(méi)有物料的輸出，不存在物料的進(jìn)與出?；咎卣鳌瞄g歇反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，反應(yīng)器內(nèi)組成隨時(shí)間變化而變化。反應(yīng)時(shí)間濃度完全混合流反應(yīng)器反應(yīng)物反應(yīng)產(chǎn)物主要優(yōu)點(diǎn)∶操作靈活，設(shè)備費(fèi)低，適用于小批量生產(chǎn)或小規(guī)模廢水的處理。主要缺點(diǎn)∶設(shè)備利用率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，每批的操作條件不易相同，不便自動(dòng)控制。間歇操作的主要特點(diǎn)

操作特點(diǎn)∶物料連續(xù)輸入，產(chǎn)物連續(xù)輸出，時(shí)刻伴隨著物料的流動(dòng)。基本特征∶連續(xù)反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，反應(yīng)器內(nèi)各處的組成不隨時(shí)間變化。（反應(yīng)組分、濃度可能隨位置變化而變化。）主要優(yōu)點(diǎn)∶便于自動(dòng)化，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，反應(yīng)程度與產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。規(guī)模大或要求嚴(yán)格控制反應(yīng)條件的場(chǎng)合，多采用連續(xù)操作。主要缺點(diǎn)∶靈活性小，設(shè)備投資高。連續(xù)操作的主要特點(diǎn)操作：原料與產(chǎn)物中的一種或一種以上為連續(xù)輸入或輸出，而其它成分分批加入或取出的操作稱為半間歇操作或半連續(xù)操作。（三）半間歇操作/半連續(xù)操作主要特點(diǎn)：半間歇操作具有間歇操作和連續(xù)操作的某些特點(diǎn)。反應(yīng)器內(nèi)的組成隨時(shí)間變化而變化。反應(yīng)量-rAV濃度CA，CB體積VA的流入量應(yīng)用：生物反應(yīng)器的分批補(bǔ)料操作(fed–batchoperation)，又稱“補(bǔ)料分批操作”，俗稱“流加操作”流化床反應(yīng)器移動(dòng)床反應(yīng)器a-豎式爐；b-石油裂解爐；c-回轉(zhuǎn)爐；d-移動(dòng)床工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的過(guò)程十分復(fù)雜，可以分解為化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和包含三傳在內(nèi)的物理過(guò)程?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程的本征規(guī)律是化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究的范疇；三傳過(guò)程不改變化學(xué)反應(yīng)的本征規(guī)律，但影響化學(xué)反應(yīng)的條件及其反應(yīng)結(jié)果。三傳過(guò)程中，流動(dòng)起著關(guān)鍵性作用，影響傳熱和傳質(zhì)。反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)狀態(tài)是實(shí)際反應(yīng)過(guò)程最重要的動(dòng)力學(xué)因素之一。理想流動(dòng)模型（2）理想混合流或完全混合流理想反應(yīng)器分類理想反應(yīng)器研究揭示的規(guī)律和解析方法是研究復(fù)雜反應(yīng)器的基礎(chǔ)完全混合流（亦稱全混流、理想混合）(completemixing)：反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)器后，能瞬間達(dá)到完全混合，反應(yīng)器內(nèi)的濃度、溫度等處處相同。全混流可以認(rèn)為返混為無(wú)限大。（平）推流（亦稱活塞流、擠出流）(Plug/pistonflow)：反應(yīng)物以相同的流速和一致的方向移動(dòng)，即反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)齊頭并進(jìn)。在徑向充分混合，但不存在軸向混合，即返混為零。理想流動(dòng)狀態(tài)：全混流和推流是兩種極端的流動(dòng)狀態(tài)，通稱為理想流。介于全混流和推流之間的流態(tài)為非理想流態(tài)。反應(yīng)器設(shè)計(jì)原則簡(jiǎn)稱反應(yīng)時(shí)間，主要用于間歇反應(yīng)器，指達(dá)到一定反應(yīng)程度所需的時(shí)間。亦稱接觸時(shí)間，指連續(xù)操作中一物料“微元”從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的實(shí)際時(shí)間。平均停留時(shí)間：在實(shí)際的反應(yīng)器中，各物料“微元”的停留時(shí)間不盡相同，存在一個(gè)分布，即停留時(shí)間分布。各“微元”的停留時(shí)間的平均稱平均停留時(shí)間。①反應(yīng)持續(xù)時(shí)間(Reactiontime)：有關(guān)反應(yīng)器設(shè)計(jì)與操作的幾個(gè)工程概念②停留時(shí)間(Retentiontime)：④空間速度（空速）(Spacevelocity)單位反應(yīng)器有效體積所能處理的物料的體積流量?？臻g速度注意：?jiǎn)挝粸闀r(shí)間的倒數(shù)。表示單位時(shí)間內(nèi)能處理幾倍于反應(yīng)器體積的物料，反映了一個(gè)反應(yīng)器的強(qiáng)度。（SV＝2h-1表示1h處理2倍于反應(yīng)體積的流體。）空速越大，反應(yīng)器的負(fù)荷越大。停留時(shí)間理想反應(yīng)器模型（2）完全混合反應(yīng)器模型基本假設(shè)理想反應(yīng)器模型（3）活塞流反應(yīng)器模型理想反應(yīng)器串聯(lián)組合全混流多級(jí)串聯(lián)理想反應(yīng)器比較操作特性比較（1）操作特性比較（2）操作特性比較（3）轉(zhuǎn)化率比較理想反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的啟示反應(yīng)器選擇的原則全混流反應(yīng)器設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)的參數(shù)有：xA、(-rA)、VR、FA0

注意：上圖中矩形可求出出口轉(zhuǎn)化率xA或出口濃度為CA所需空時(shí)，一定要明確上圖黑點(diǎn)所代表的意義。釜式反應(yīng)器管道化浸出系統(tǒng)多槽串聯(lián)分解系統(tǒng)思考題：如果有一個(gè)地方正在采用單槽連續(xù)作業(yè)方式，而且過(guò)程進(jìn)行的反應(yīng)為非零級(jí)，為了提高設(shè)備的使用效果，你認(rèn)為在槽的結(jié)構(gòu)上宜作哪些改進(jìn)？例題工廠采用全混槽以A與B以等摩爾比在70℃下進(jìn)行反應(yīng)生產(chǎn)C，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速率方程式為：（-rA）=kCACB式中：（-rA）----以A組分計(jì)的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1k----反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1CA、CB----分別為A和B的濃度，kmol.L-1CA0、CB0均為0.004kmol.L-1若每天處理A2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，按間斷作業(yè)和連續(xù)作業(yè)兩種操作方式，試計(jì)算確定反應(yīng)器的體積大小。若采用兩釜串聯(lián)，第一釜轉(zhuǎn)化率60%，第二釜轉(zhuǎn)化率80%，試計(jì)算確定反應(yīng)器的總體積大小。請(qǐng)思考：為何間歇釜式反應(yīng)器所需反應(yīng)體積要小得多？間歇反應(yīng)器所需的體積僅為：2.16m3解：根據(jù)連續(xù)作業(yè)全混槽反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程可知，反應(yīng)速率方程可轉(zhuǎn)化為：(-rA)=第一釜有效容積的計(jì)算：總有效容積：VR=VR1+VR2=3170L。很明顯，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，兩釜串聯(lián)的有效容