釜式反應(yīng)器二

釜式反應(yīng)器任務(wù)二釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、選型

二、均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、反應(yīng)器流動(dòng)模型三、釜式反應(yīng)器的生產(chǎn)原理四、多個(gè)理想連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)操作五、連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性一、反應(yīng)器流動(dòng)模型化工操作過(guò)程可分為間歇過(guò)程、連續(xù)過(guò)程和半連續(xù)過(guò)程。反應(yīng)器中流體的流動(dòng)模型是針對(duì)連續(xù)過(guò)程而言。由于真實(shí)反應(yīng)器幾何尺寸、操作條件、攪拌等的復(fù)雜性，使得反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)十分復(fù)雜，而反應(yīng)器中流體的流動(dòng)直接影響反應(yīng)器的性能，為此有必要討論反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)。反應(yīng)器流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)理想混合流動(dòng)模型理想置換流動(dòng)模型模塊一釜式反應(yīng)器模塊一釜式反應(yīng)器（一）理想流動(dòng)模型1.理想置換流動(dòng)模型理想置換流動(dòng)模型也稱作平推流模型或活塞流模型。任一截面的物料如同氣缸活塞一樣在反應(yīng)器中移動(dòng)，垂直于流體流動(dòng)方向的任一橫截面上所有物料質(zhì)點(diǎn)的年齡相同，是一種返混量為零的極限流動(dòng)模型。加料產(chǎn)物長(zhǎng)徑比較大和流速較高的連續(xù)操作管式反應(yīng)器中的流體流動(dòng)均可視為理想置換流動(dòng)。模塊一釜式反應(yīng)器①沿流動(dòng)方向，溫度、濃度、反應(yīng)速率隨位置逐漸改變②穩(wěn)定流動(dòng)，各點(diǎn)溫度、濃度、反應(yīng)速率不隨時(shí)間而變③各物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間相同。④穩(wěn)定狀態(tài)下，單元時(shí)間、微元體積內(nèi)，反應(yīng)物積累量為零。理想置換流動(dòng)模型的特點(diǎn)：模塊一釜式反應(yīng)器2.理想混合流動(dòng)模型理想混合流動(dòng)模型也為全混流模型。由于強(qiáng)烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)點(diǎn)返混程度為無(wú)窮大，所有空間位置物料的各種參數(shù)完全均勻一致。攪拌十分強(qiáng)烈的連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器中的流體流動(dòng)均可視為理想混合流動(dòng)。均勻混合加料產(chǎn)物模塊一釜式反應(yīng)器理想混合流動(dòng)模型的特點(diǎn)：①物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；②反應(yīng)器內(nèi)溫度、濃度、反應(yīng)速率處處均一，不隨時(shí)間而變，且與出口相同。③物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間不同。④連續(xù)，穩(wěn)定流動(dòng)，物料的積累項(xiàng)為零。模塊一釜式反應(yīng)器3.返混及其對(duì)反應(yīng)的影響（1）返混返混專指不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間的混合，是逆向的混合，或者說(shuō)是不同年齡質(zhì)點(diǎn)之間的混合。返混是連續(xù)化后才出現(xiàn)的一種混合現(xiàn)象。（2）返混對(duì)反應(yīng)的影響非理想流動(dòng)反應(yīng)器存在不同程度的返混，返混帶來(lái)的最大影響是反應(yīng)器進(jìn)口處反應(yīng)物高濃度區(qū)的消失或減低。①返混改變了反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布，使反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度下降，反應(yīng)產(chǎn)物的濃度上升。②返混的結(jié)果將產(chǎn)生停留時(shí)間分布，并改變反應(yīng)器內(nèi)濃度分布。③返混不但對(duì)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生不同程度的影響，更重要的示對(duì)反應(yīng)器的工程放大所產(chǎn)生的問(wèn)題。間歇操作釜式反應(yīng)器中同樣存在劇烈的攪拌與混合，但不會(huì)導(dǎo)致高濃度的消失，這是因?yàn)榛旌蠈?duì)象不同。間歇操作釜式反應(yīng)器中彼此混合的物料是在同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的，又在反應(yīng)器中同樣條件下經(jīng)歷了相同的反應(yīng)時(shí)間，因而具有相同的性質(zhì)、相同的濃度，這種濃度相同的物料之間的混合不會(huì)使原有的高濃度消失。連續(xù)操作釜式反應(yīng)器中存在的都是早先進(jìn)入反應(yīng)器并經(jīng)歷了不同反應(yīng)時(shí)間的物料，其濃度已經(jīng)下降，進(jìn)入反應(yīng)器的新鮮高濃度物料一旦與這種已經(jīng)反應(yīng)過(guò)的物料相混合，高濃度會(huì)隨之消失。模塊一釜式反應(yīng)器（3）降低返混程度的主要措施降低返混程度的主要措施橫向分割連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器，其返混程度可能達(dá)到理想混合程度。為了減少返混，工業(yè)上采用多釜串聯(lián)操作，這是橫向分割的典型例子。當(dāng)串聯(lián)釜數(shù)足夠多時(shí)，這種連續(xù)多釜串聯(lián)的操作性能就很接近理想置換反應(yīng)器的性能。縱向分割流化床反應(yīng)器是氣固相連續(xù)操作的一種工業(yè)反應(yīng)器。流化床中由于氣泡運(yùn)動(dòng)造成氣相和固相存在嚴(yán)重的返混。為了限制返混，對(duì)高徑比較大的流化床反應(yīng)器常在其內(nèi)部裝置橫向擋板以減少返混，而對(duì)高徑比較小的流化床反應(yīng)器則可設(shè)置垂直管作為內(nèi)部構(gòu)件。模塊一釜式反應(yīng)器（二）非理想流動(dòng)實(shí)際工業(yè)反應(yīng)器中的反應(yīng)物料流動(dòng)與理想流動(dòng)有所偏離，過(guò)程介于兩者之間。所有偏離理想流動(dòng)模型的流動(dòng)模式均稱為非理想流動(dòng)。1.非理想流動(dòng)形成的原因1.滯留區(qū)的存在滯留區(qū)是指反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)極慢以至幾乎不流動(dòng)的區(qū)域，也稱死角、死區(qū)。由于滯留區(qū)的存在，使得部分流體的停留時(shí)間極長(zhǎng)。滯留區(qū)主要產(chǎn)生于設(shè)備的死角中，如設(shè)備兩端、擋板與設(shè)備壁的交接處以及設(shè)備設(shè)有的其他障礙物時(shí)，最易產(chǎn)生死角。若要減少滯留區(qū)的存在，主要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)來(lái)保證。2.溝流和短路在固定床反應(yīng)器、填料塔以及滴流床反應(yīng)器中，由于催化劑顆?；蛱盍涎b填不勻，造成一低阻力通道，使得部分流體快速?gòu)拇送ǖ懒鬟^(guò)從而形成溝流。短路則是在設(shè)備設(shè)計(jì)不良時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象，流體在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間極短，例如當(dāng)設(shè)備的進(jìn)出口離得太近時(shí)就會(huì)出現(xiàn)短路。3.循環(huán)流實(shí)際的釜式反應(yīng)器、鼓泡塔和流化床中都存在著流體的循環(huán)流動(dòng)。4.流體流速分布不均勻5.擴(kuò)散由于流體在反應(yīng)器內(nèi)的徑向流速分布不均勻，從而造成流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間不同。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)流體的流速較小時(shí)，形成滯流，此時(shí)流體在徑向方向上的流速呈拋物線分布；當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)流體的流速較大時(shí)，形成湍流，此時(shí)流體在徑向方向上的流速分布比較平坦。由于分子擴(kuò)散及渦流擴(kuò)散的存在而造成了物料質(zhì)點(diǎn)之間的混合，使停留時(shí)間的分布偏離理想流動(dòng)狀況。模塊一釜式反應(yīng)器在實(shí)際工業(yè)反應(yīng)器計(jì)算中，為了考慮非理想流動(dòng)的情況，一般總是基于一個(gè)反應(yīng)過(guò)程的初步認(rèn)識(shí)，首先分析其實(shí)際流動(dòng)狀況，從而選擇一較為切合實(shí)際的合理簡(jiǎn)化的流動(dòng)模型，并用數(shù)學(xué)模型方法關(guān)聯(lián)返混與停留時(shí)間分布的定量關(guān)系，然后通過(guò)停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定來(lái)檢驗(yàn)假設(shè)的模型的正確程度，確定在假設(shè)模型時(shí)所引入的模型參數(shù)，最后結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)感覺(jué)反應(yīng)結(jié)果。2.非理想流動(dòng)模型模塊一釜式反應(yīng)器均相反應(yīng)：

參與反應(yīng)的各化學(xué)組分處于同一相（氣相或液相）內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。包括氣相均相反應(yīng)液相均相反應(yīng)特點(diǎn)：反應(yīng)物系中不存在相界面

二、均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模塊一釜式反應(yīng)器

均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究均相反應(yīng)進(jìn)行的速率以及溫度、濃度、催化劑等因素對(duì)反應(yīng)速率的影響。

均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究均相反應(yīng)過(guò)程的基礎(chǔ)，也為工業(yè)反應(yīng)裝置的選型、設(shè)計(jì)計(jì)算和反應(yīng)器的操作分析提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。模塊一釜式反應(yīng)器1.化學(xué)計(jì)量方程

（1）化學(xué)反應(yīng)式反應(yīng)物經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的過(guò)程用定量關(guān)系式予以描述時(shí)，該定量關(guān)系式稱為化學(xué)反應(yīng)式。aA+bB+…

→

rR+sS+…

式中：

a、b、

r、s…

——計(jì)量系數(shù)。

注意：化學(xué)反應(yīng)式不是方程式，不允許按方程式的運(yùn)算規(guī)則加以運(yùn)算。（一）基本概念及術(shù)語(yǔ)模塊一釜式反應(yīng)器（2）化學(xué)計(jì)量方程化學(xué)計(jì)量方程只表示反應(yīng)物、生成物在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中量的變化關(guān)系。aA+bB+…

＝

rR+sS+…

(－a)A+(－b)B+…+rR+sS+…

＝0aAA+aBB+…+aRR+aSS+…

＝∑aII＝0式中：

aA、aB、aR、aS

…

——化學(xué)計(jì)量系數(shù)。

注意：化學(xué)計(jì)量方程允許按方程式的運(yùn)算規(guī)則加以運(yùn)算。模塊一釜式反應(yīng)器2.反應(yīng)程度ξ

引入“反應(yīng)程度”來(lái)描述反應(yīng)進(jìn)行的深度。對(duì)于任一化學(xué)反應(yīng)定義反應(yīng)程度式中，nI為體系中參與反應(yīng)的任意組分I的摩爾數(shù)，αI為其計(jì)量系數(shù)，nI0為起始時(shí)刻組分I的摩爾數(shù)。模塊一釜式反應(yīng)器3.轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率是指某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的百分率反應(yīng)進(jìn)行到一定時(shí)刻，各組分的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為：應(yīng)用：nA=nA0(1-xA)CA=CA0(1-xA)關(guān)鍵組分：主要反應(yīng)物（A），它的轉(zhuǎn)化率直接影響反應(yīng)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益。

模塊一釜式反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)程度的關(guān)系：（1）單程轉(zhuǎn)化率：指原料一次通過(guò)反應(yīng)器一次達(dá)到的轉(zhuǎn)化率，即是以反應(yīng)器入口物料為基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化率；（2）全程轉(zhuǎn)化率：指新鮮物料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)到離開(kāi)反應(yīng)系統(tǒng)所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率，即以新鮮進(jìn)料為基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化率。

全程轉(zhuǎn)化率大于單程轉(zhuǎn)化率。

模塊一釜式反應(yīng)器4.化學(xué)反應(yīng)速率定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、單位反應(yīng)體積、反應(yīng)混合物料中某一組分的反應(yīng)量。

用反應(yīng)程度隨時(shí)間的變化率表示用關(guān)鍵組分的消耗速率表示對(duì)于恒容過(guò)程：用產(chǎn)物的生成速率表示模塊一釜式反應(yīng)器5.幾個(gè)時(shí)間概念（1）反應(yīng)持續(xù)時(shí)間也叫反應(yīng)時(shí)間，指間歇反應(yīng)器反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間。其中不包括裝料、卸料、升溫等非生產(chǎn)時(shí)間。（2）停留時(shí)間t又稱接觸時(shí)間，指連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器流體微元從進(jìn)入反應(yīng)器到離開(kāi)反應(yīng)器所經(jīng)歷的時(shí)間。（3）平均停留時(shí)間各流體微元從反應(yīng)器入口到出口所經(jīng)歷的平均時(shí)間稱為平均停留時(shí)間。模塊一釜式反應(yīng)器（4）空間時(shí)間：反應(yīng)器有效容積V’R與流體特征體積流率V0之比值。式中V0——特征體積流率，即在反應(yīng)器入口條件下及轉(zhuǎn)化率為零時(shí)的體積流率；

——表示處理在進(jìn)口條件下一個(gè)反應(yīng)器體積的流體所需要的時(shí)間,h。

空間時(shí)間反映了反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度?？諘r(shí)越大，生產(chǎn)強(qiáng)度越小，空時(shí)越小，生產(chǎn)強(qiáng)度越大。模塊一釜式反應(yīng)器（5）空間速度SV：指單位有效反應(yīng)器容積所能處理的反應(yīng)混合物料的標(biāo)準(zhǔn)體積流率，式中——為進(jìn)口流體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流率模塊一釜式反應(yīng)器空間速度通常用于比較設(shè)備生產(chǎn)能力的大小。對(duì)于氣固相催化反應(yīng)，空間速度定義為在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位催化劑體積（或質(zhì)量）的物料標(biāo)準(zhǔn)體積流率?？账僦械氖侵阜磻?yīng)器入口物料在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流率空時(shí)中的是指反應(yīng)器入口操作條件下的體積流率注意：空間速度不是空間時(shí)間的倒數(shù)。模塊一釜式反應(yīng)器（二）

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率的因素之間的關(guān)系式。對(duì)于不可逆反應(yīng)：

式中cA，cB——A，B組分的濃度mol.m-3kc——以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)。模塊一釜式反應(yīng)器模塊一釜式反應(yīng)器大量實(shí)驗(yàn)表明，均相反應(yīng)的速率是反應(yīng)物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。反應(yīng)壓力通?？捎煞磻?yīng)物系的組成和溫度通過(guò)狀態(tài)方程來(lái)確定，不是獨(dú)立變量。所以主要考慮反應(yīng)物系組成和溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程有多種形式，對(duì)于均相反應(yīng)，方程多數(shù)可以寫為（或可以近似寫為，至少在一定濃度范圍之內(nèi)可以寫為）冪函數(shù)形式，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的某一方次呈正比。1.基元反應(yīng)和非基元反應(yīng)基元反應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)式能代表反應(yīng)的真正過(guò)程的反應(yīng)。非基元反應(yīng)：有若干個(gè)基元反應(yīng)綜合而成的反應(yīng)。例如反應(yīng)：H2+Br2=2HBr

由實(shí)驗(yàn)可知該反應(yīng)是由5個(gè)基元反應(yīng)組成。

Br2→2Br·Br·+H2→HBr+H·H·+Br2→HBr+Br·H·+HBr→H2→Br·2Br·→Br2模塊一釜式反應(yīng)器每個(gè)基元反應(yīng)有一個(gè)速率方程，總反應(yīng)有一個(gè)總速率方程。所以化學(xué)反應(yīng)方程只表示化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向，基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可以利用質(zhì)量作用定律直接寫出；非基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程根據(jù)反應(yīng)機(jī)理推斷或通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。模塊一釜式反應(yīng)器2.反應(yīng)級(jí)數(shù)

定義：動(dòng)力學(xué)方程式中濃度項(xiàng)的指數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)基元反應(yīng)：級(jí)數(shù)即為化學(xué)反應(yīng)式的計(jì)量系數(shù)－aA、－aB對(duì)非基元反應(yīng)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。而級(jí)數(shù)越高濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響越大；級(jí)數(shù)為零的反應(yīng)，濃度對(duì)反應(yīng)速率無(wú)影響。模塊一釜式反應(yīng)器3.反應(yīng)速度常數(shù)不可逆反應(yīng)

k=f(T)k=k0·e－E/RT（阿倫尼烏斯方程）式中：ko——頻率因子

E——活化能J/molR——通用氣體常數(shù)，8.314J/mol·K從阿倫尼烏斯方程看出：（1）活化能越大，溫度對(duì)反應(yīng)速率影響越顯著（2）對(duì)一給定反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系在低溫時(shí)比高溫更敏感。模塊一釜式反應(yīng)器氣相反應(yīng)以分壓表示濃度時(shí)（－rA）＝kppAmpBnkc與kp的關(guān)系kc=kP(RT)n+m模塊一釜式反應(yīng)器4.化學(xué)反應(yīng)的分類單一反應(yīng)過(guò)程：系統(tǒng)中僅發(fā)生一個(gè)不可逆的化學(xué)反應(yīng)，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)單反應(yīng)過(guò)程aA+bB→

rR+sS式中：m、n——A、B組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)（m+n）——該反應(yīng)的總反應(yīng)級(jí)數(shù)模塊一釜式反應(yīng)器復(fù)合反應(yīng)過(guò)程：系統(tǒng)中發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分類：可逆反應(yīng)aA+bB?

rR+sS自催化反應(yīng)A→PA+P→P+P平行反應(yīng)A→BA→C連串反應(yīng)A→P→S模塊一釜式反應(yīng)器（三）單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程等溫恒容過(guò)程對(duì)于不可逆反應(yīng)A→P反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：等溫恒容過(guò)程，可表示為：式中t為達(dá)到某一轉(zhuǎn)化率xA所需時(shí)間，可將上式分離變量積分模塊一釜式反應(yīng)器例：對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)：A→P等溫k＝常數(shù)；恒容c=n/V

分離變量積分，初始條件t＝0、cA=cA0

－㏑(cA/cA0)=㏑(cA0/cA)=kt因?yàn)閤A=(nA0－nA)/nA=(cA0－cA)/cA0=1－cA/cA0

所以模塊一釜式反應(yīng)器若為二級(jí)反應(yīng)：A+B→P（設(shè)cA0=cＢ0）反應(yīng)速