化學反應工程第三章理想流動反應器1

化學反應工程-第三章理想流動反應器-12024/3/25化學反應工程第三章理想流動反應器1第一節(jié)流動模型概述

間歇過程－－時間變化過程，間歇反應器流動過程－－空間變化過程，三釜串聯(lián)，平推流反應器

實例1：管式反應器實例2：串聯(lián)釜式反應器3－1反應器中流體的流動模型

3－2反應器設計的基本方程化學反應工程第三章理想流動反應器1SchematicofaSteamCrackerforEthyleneProductionfromNaphthaheatinggasCrackgascoolerCrackgas125barsteamSteamNaphthapreheaterNaphthaburnerRadiationzoneconvectionzoneFeedwater石腦油蒸餾制乙烯產(chǎn)品化學反應工程第三章理想流動反應器1HighPressurePolymerisationofEthylenePressure:1500–2500bar（1bar＝0.1MPa）Residencetime:100–150sReactor:Diam.34–50mm;L=400–900mcompressionpurgepolymerisationdepositionLP-stripperHP-stripper150-300atHP-compressorLP-compressor1500-3000barTubularreactorandstirredtankWaxseparation乙烯高壓聚合化學反應工程第三章理想流動反應器1串聯(lián)反應釜化學反應工程第三章理想流動反應器1理想流動模型DispersionRecyclereactor(Semi-)Batchreactor3－1反應器中流體的流動模型流動模型：反應器中流體流體與返混的描述非理想流動模型Plug-FlowReactor(PFR)Continuousstirredtank(CSTR)化學反應工程第三章理想流動反應器13－1反應器中流體的流動模型

一、理想流動模型Outlet=f(inlet,kinetics,contactingpattern)流動模型：簡化，抽象平推流模型（Plug-FlowReactor，PFR)全混流模型(Continuousstirredtankreactor，CSTR)Stirredtankcascade化學反應工程第三章理想流動反應器1（1）平推流模型(PFR)CAf出料進料V0CA0一、理想流動模型化學反應工程第三章理想流動反應器1PFR假設：反應物料以穩(wěn)定流量流入反應器，在反應器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動特點：沿著物料的流動方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動方向的任一截面上物料的所有參數(shù)，如溫度、濃度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質(zhì)點在反應器中具有相同的停留時間，反應器中不存在返混?；瘜W反應工程第三章理想流動反應器1X=Z/2X=ZCA,OCA,outCAtx=0timeZZ/2CA,OCA,outCAxpositionxx+xx0ZZ/2PFR化學反應工程第三章理想流動反應器1（2）全混流模型假設：反應物料以穩(wěn)定流量流入反應器，在反應器中，剛進入的新鮮物料與存留在反應器中的物料瞬間達到完全混合。特點：反應器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應器出口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點在反應器中的停留時間參差不齊，有的很長，有的很短，形成一個停留時間分布?；瘜W反應工程第三章理想流動反應器1tresidencetimeCA,inCA,outCAttime0tCA,OCA,outCAxposition0CSTR化學反應工程第三章理想流動反應器1Batchreactor

(discontinuouslyoperatedstirredtankreactor)Idealreactorstouttout/2CA,OCA,outCAttimet=tout/2t=toutCA,OCA,outCAxt=0position00化學反應工程第三章理想流動反應器1年齡——反應物料質(zhì)點從進入反應器算起已經(jīng)停留的時間；是對仍留在反應器中的物料質(zhì)點而言的。壽命——反應物料質(zhì)點從進入反應器到離開反應器的時間；是對已經(jīng)離開反應器的物料質(zhì)點而言的。返混——又稱逆向返混，不同年齡的質(zhì)點之間的混合。是時間概念上的混合流動模型相關的重要概念化學反應工程第三章理想流動反應器1

BSTRPFRCSTR1投料一次加料(起始)連續(xù)加料(入口)連續(xù)加料(入口)2年齡年齡相同(某時)年齡相同(某處)年齡不同3壽命壽命相同(中止)壽命相同(出口)壽命不同(出口)4返混無返混無返混返混極大第一節(jié)流動模型概述反應器特性分析化學反應工程第三章理想流動反應器1濃度分布——推動力反應器特性分析流體流動推動力：壓力差傳熱推動力：溫差傳質(zhì)推動力：濃度差（化學位差）化學反應推動力：體系組成與平衡組成的差。過程的速率：與推動力成正比，與阻力成反比。化學反應工程第三章理想流動反應器1反應器特性分析反應推動力隨反應時間逐漸降低反應推動力隨反應器軸向長度逐漸降低反應推動力不變，等于出口處反應推動力化學反應工程第三章理想流動反應器1傳質(zhì)推動力化學反應工程第三章理想流動反應器1偏離平推流的情況二、非理想流動模型漩渦運動：渦流、湍動、碰撞填料截面上流速不均勻溝流、短路：填料或催化劑裝填不均勻化學反應工程第三章理想流動反應器1偏離全混流的情況死角短路攪拌造成的再循環(huán)二、非理想流動模型化學反應工程第三章理想流動反應器1流動狀況對化學反應的影響-----主要由物料停留時間不同所造成二、非理想流動模型短路、溝流停留時間減少轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、再循環(huán)停留時間過長A+B→P：有效反應體積減少A+B→P→S產(chǎn)物P減少→停留時間的不均化學反應工程第三章理想流動反應器13-2反應器設計的基本方程一、反應器設計的基本內(nèi)容選擇合適的反應器型式反應動力學特性+反應器的流動特征+傳遞特性確定最佳的工藝條件最大反應效果+反應器的操作穩(wěn)定性進口物料的配比、流量、反應溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率計算所需反應器體積規(guī)定任務+反應器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化化學反應工程第三章理想流動反應器13-2反應器設計的基本方程thekineticequationthemassbalanceequationtheenergybalanceequationthemomentumbalanceequation第二章中討論過計算反應體積計算溫度變化計算壓力變化化學反應工程第三章理想流動反應器1物料衡算方程針對任一反應單元，在任一時間段內(nèi)：某組分累積量=某組分流入量－某組分流出量－某組分反應消耗量反應消耗累積流入流出反應單元反應器反應單元流入量流出量反應量累積量間歇式整個反應器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√化學反應工程第三章理想流動反應器1帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應熱+熱量的累積+傳給環(huán)境的熱量反應熱累積帶入帶出反應單元反應器反應單元帶入量帶出量反應熱累積量間歇式整個反應器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√傳給環(huán)境能量衡算方程化學反應工程第三章理想流動反應器1動量衡算方程（流體力學方程）氣相流動反應器的壓降大時，需要考慮壓降對反應的影響，需進行動量衡算。化學反應工程第三章理想流動反應器1第二節(jié)理想流動反應器一、間歇反應器的特征3-3間歇反應器（1）反應器內(nèi)物料濃度達到分子尺度上的均勻，且反應器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應的影響；（2）具有足夠強的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題；（3）物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相同的反應時間。優(yōu)點：操作靈活，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)——精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定化學反應工程第三章理想流動反應器1Standardisedstirredtankreactorsizes反應釜規(guī)格4006301000250040006300總?cè)莘eL5338471447346053748230夾套容積L120152216368499677換熱面積m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸

(mm)d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170019002100h2125013001550206025003050標準尺寸(accordingtoDIN)化學反應工程第三章理想流動反應器1二、間歇反應器的數(shù)學描述用數(shù)學模型描述反應物組成隨時間的變化情況對整個反應器進行物料衡算：0流入量=流出量+反應量+累積量0單位時間內(nèi)反應量=單位時間內(nèi)消失量等容過程，液相反應化學反應工程第三章理想流動反應器1圖解積分示意圖t/cA0[rA]-1xxAfxA0t[rA]-1CACAfCA0化學反應工程第三章理想流動反應器1二、間歇反應器的數(shù)學描述

一級不可逆反應（1st.OrderReaction，irreversible）實際操作時間=反應時間(t)+輔助時間(t’)反應體積VR是指反應物料在反應器中所占的體積VR=V(t+t’)據(jù)此關系式，可以進行反應器體積的設計計算

FP為單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量Cf為反應終了時的產(chǎn)物濃度化學反應工程第三章理想流動反應器1反應級數(shù)反應速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n≠1表3－1理想間歇反應器中整級數(shù)單反應的反應結(jié)果表達式化學反應工程第三章理想流動反應器1k增大(溫度升高）→t減少→反應體積減小討論：間歇反應器中的單反應2、反應濃度的影響1.k的影響零級反應：t與初濃度CA0正比一級反應：t與初濃度CA0無關二級反應：t與初濃度CA0反比3.殘余濃度零級反應：殘余濃度隨t直線下降一級反應：殘余濃度隨t逐漸下降二級反應：殘余濃度隨t慢慢下降反應后期的速度很小；反應機理的變化化學反應工程第三章理想流動反應器1Reactionrater:reactionprogressasafunctionofthereactionordern

C0tdcdtCn=1n=2n=0tangent化學反應工程第三章理想流動反應器1C0tCn=1n=2n=0reactionprogressasafunctionofthereactionordern

化學反應工程第三章理想流動反應器1例3－1以醋酸（A）和正丁醇（B）為原料在間歇反應器中生產(chǎn)醋酸丁酯（C），操作溫度為100℃，每批進料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反應速率試求醋酸轉(zhuǎn)化率xA分別為0.5、0.9、0.99時所需反應時間。解：CH3COOH+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2OA的初始濃度計算：可求出，投料總體積為0.559m3醋酸A1kmol60kg0.062m3正丁醇B4.96kmol368kg0.496m3化學反應工程第三章理想流動反應器1例題：用間歇反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質(zhì)量比為A：B：S=1：2：1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時間為1h。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程為

100℃時，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應體積。根據(jù)反應物料的特性，若反應器填充系數(shù)取0.75，則反應器的實際體積是多少？=化學反應工程第三章理想流動反應器1通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應器的原料液量為解：首先計算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時乙酸需用量為

其次計算原料液的起始組成。

化學反應工程第三章理想流動反應器1然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。

代入速率方程，整理后得

式中

代入到基本公式中得：t=118.8min實際反應器體積：12.38m3/0.75＝16.51m3化學反應工程第三章理想流動反應器13-4平推流反應器化學反應工程第三章理想流動反應器1一.特點：（1）連續(xù)定態(tài)下，各個截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù)，不隨時間而變化；（2）徑向速度均勻，徑向也不存在濃度分布；（3）反應物料具有相同的停留時間。3-4平推流反應器Tubereactor化學反應工程第三章理想流動反應器1裂解爐用于乙烯生產(chǎn)的管式裂解爐化學反應工程第三章理想流動反應器1V0CA0CAfxAfxAf=0v0cA0(1-xA)v0cA0(1-xA-dxA)rAdVRdVRxAxA+dxA二.平推流反應器計算的基本公式化學反應工程第三章理想流動反應器1BSTR與FPR的等效性二.平推流反應器計算的基本公式流入量=流出量+反應量+累積量0化學反應工程第三章理想流動反應器1三、等溫平推流反應器的計算化學計量學，膨脹因子若反應過程無體積變化化學反應工程第三章理想流動反應器1反應級數(shù)反應速率反應器體積轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n≠1表3－2等溫等容平推流反應器計算式化學反應工程第三章理想流動反應器1反應級數(shù)反應速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n≠1表3－1理想間歇反應器中整級數(shù)單反應的反應結(jié)果表達式化學反應工程第三章理想流動反應器1Balancingofacontinuousstirredtankreactor3-5全混流反應器反應器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應器流出物料的濃度和溫度。V0CA0V0CAfCAf化學反應工程第三章理想流動反應器1例題：用平推流反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為：原料中反應組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程為已知100℃時，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應體積。=化學反應工程第三章理想流動反應器1由于乙酸與乙醇的反應為液相反應，故可認為是等容過程。等容下活塞流反應器的空時與條件相同的間歇反應器反應時間相等，已求出達到題給要求所需的反應時間為t=118.8min。改用活塞流反應器連續(xù)操作，如要達到同轉(zhuǎn)化率，要求應使空時τ=t=118.8min。原料處理理為V0=4.155m3/h因此，反應體積

VR=4.155(118.8/60)=8.227m3解：3-5全混流反應器化學反應工程第三章理想流動反應器1流入量=流出量+反應量+累積量0進口中已有A取整個反應器為衡算對象3-5全混流反應器化學反應工程第三章理想流動反應器1全混流反應器τ的圖解積分(對比右圖的PFR圖解積分)CA0CACAfCACA0CAf3-5全混流反應器化學反應工程第三章理想流動反應器1平推流反應器與全混流反應器的比較化學反應工程第三章理想流動反應器1用全混流反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程為已知100℃時，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應體積。=例題：化學反應工程第三章理想流動反應器1通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應器的原料液量為首先計算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時乙酸需用量為其次計算原料液的起始組成。

化學反應工程第三章理想流動反應器1將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。因為

代入速率方程，整理后得

式中

所以化學反應工程第三章理想流動反應器1例題中三種反應器體積比較BSTR：VR＝12.68m3(實際體積為16.51m3）