化工原理反应工程2精要

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1、主讲：张颖 Email: zhzhying 1 （1）物料质点、年龄、寿命及其返混: 物料质点:是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个 质点组成。 物料质点的年龄和寿命: 年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一 时刻，称为年龄。 寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到 离开反应器的时间。 二、物料在反应器内的基本概念: 2 返混: （1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。 在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同， 所以没有返混。 在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年 龄的质点混合在一起，所以有返混。 （2）返混的原因: a. 机

2、械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不 同年龄的质点混合在一起； b. 反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。 造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可 避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中 都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。 3 （2）物质质点的停留时间、平均停留时间和反应时间 物料从进入反应器开始到离开反应器的时间称为停留 时间，实际上是物料质点的寿命。 对于间歇反应器，反应物料从开始反应到达到要求的转 化率所持续的时间称为反应时间。 物料流中各质点在反应器中停留时间的平均值称为平均 停留时间。 4 三、物料在反应器内的流动模型

3、: (1) 理想置换（活塞流） 基本特征： 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即: 等于 流体流过该反应器所需的时间。 1. 理想流动模型 适用范围: 管式反应器：L/D较大，30；流速比较大，湍流。 5 (2) 理想混合（全混流） 基本特征： 在整个反应器中，各点的温度与 浓度都相同，且等于反应器出口 处的物料的温度和浓度。 反应器中粒子的停留时间参差 不齐，有一个典型的分布。 适用范围： 搅拌反应器，强烈搅拌。 6 2、非理想流动模型 实际反应器存在着程度不一的工程因素， 流动状况不同程度的偏离理

4、想流动，称为非理 想流动。 1）轴向混合模型 2）多级串联全混流模型 7 一、基本原理一、基本原理 1、反应器设计的基本内容： 选择合适的反应器形式；确定最佳的工艺条件；计算所需反应器体积。 2、反应器设计的基本方程： 1）、物料衡算方程 对于反应物A：输入量 =输出量 + 反应消失量 + 累积量 对于间歇反应器：、项为零。 对于定态操作的连续反应器：不存在累积，项为零。 对于半连续操作和非定态操作的连续流动反应器:四项均需考虑. 第三节 理想均相反应器的计算 8 2）热量衡算方程 物料带入 的热量 物料带出 的热量 反应系统 与外界交 换的热量 反应热效 应 累积的 热量 =+ + 对于间歇

5、操作系统：、项为零。 对于定态连续流动反应器：项为零。 对半连续操作和非定态操作的连续流动反应器：五项均不为零。 3、基本方法： 在反应器体积范围内取一体积元，对该体积元做物料衡算或/和热量 衡算，并结合反应的动力学方程进行相关计算。对所取体积元要求其中各 处浓度、温度均匀一致。 9 特点 n分批操作，物料的反应时间相同 n浓度随时间变化，故反应速率也随时间变化，但 不随器内空间位置而变化。 n灵活方便，适合小规模、多品种的精细化学品生 产 （如香料、医药、涂料、染料、农药、试剂、生物 制品生产） 缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作 常消耗 一定时间。 二、间歇釜式反应器 (Idea

6、l batch reactor，IBR) 10 间歇搅拌釜式反应器的计算间歇搅拌釜式反应器的计算 以反应物A为基准对反应器进行物料衡算， 衡算对象：关键组分 A 衡算基准：整个反应器的有效体积 V 在dt时间内对A作物料衡算：反应物A消耗+累积=0 反应物A消耗速率=(-rA)V 物料衡算式可变为: 反应物A积累速率= 或 式中：rA 组分A的反应速度，molm-3s-1 V反应混合物的体积，m3；t反应时间，s nA反应混合物的物质的量，mol 0 cA t cA0 cAf IBR的性能 11 如果反应过程中,反应混合物的体积不发生变化,即为恒容过程,有 反应时间为: 上式适用于等容、变温和

7、等温的各种反应系统。 为A的初始浓度; 为A的转化率 或 则 CA = CA,0 (1-xA) 12 图解积分示意图 t/cA0 -rA-1 xxAf xA0 t -rA-1 CACA0 CAf 13 如果已知单位时间平均处理物料的量，那么反应器体积VR 计算公式为： 实际反应器的体积VT要比有效容积大，则 装料系数，一般为0.40.8。对不发生泡沫不沸腾的液体 ，取上限。 式中VR为反应器的有效容积。 间歇反应器的一个操作周期除反应时间t外，还有加料、出料 、清洗等非生产时间，称辅助时间t。 14 例：例：温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为 催化剂，在间歇操作搅拌釜式反应器中

8、进行缩聚反应生产 醇酸树脂。以己二酸为关键组分的反应动力学方程式为： cA,0=4103molm-3，k=3.2810-8 m3mol-1s-1 求：1）己二酸转化率分别为0.5，0.6，0.8，0.9时所需的反 应时间； 2） 若每天处理2400kg己二酸，每批操作的辅助时间为 t=1h，装料系数=0.75，要求转化率为80%，试计算该反 应器的体积。 15 解：（1）确定达到要求的转化率所需反应时间 反应速率表达式为 代入数据得 (2）计算反应器体积 每小时己二酸的进料量为： 16 三、 活塞流反应器（Plug flow reactor, PFR） 生成物R 反应物A 反应物B 活塞流反应

9、器 特点 n反应器的长径比较大。 n连续操作，既可用于均相反应，也可用于非均相反应。 n假设不同时刻进入反应器的物料之间不发生逆向混合（ 返混）。 n反应物沿管长方向流动，反应时间是管长的函数，其浓 度随流动方向从一个截面到另一个截面而变化，任一截 面浓度不随时间变化。 17 活塞流反应器的计算活塞流反应器的计算 dL L dVR 定态操作时，对关键组分A进行物料衡算，衡算基准为微元体积 dVR 在单位时间内对A作物料衡算： 流入量 = 流出量 + 反应消失量 + 累积量0 设一反应器体积为VR，进、出反应器的物料参数如图示，其中qv、qn， 分别为反应物A的体积和摩尔流量。 0 cA L c

10、A0 cAf PFR的性能 18 对整个反应器积分得: 简化上式得 或 上式适用于等温、非等温、等容和非等容等过程。 19 上式是活塞流反应器的基本计算式, 关联了qv,0、VR、(-rA)、cA、xA 、等参数，其中为空间时间，定义为反应物料以入口状态体积流量 通过反应器所需的时间。 1、 恒温恒容过程： cA = cA,0 (1-xA), 则 dxA =-dcA/cA,0 代入上式 在其它条件不变的情况下, 空时越小, 表示反应器的处理物料量越大, 说明生产能力大。 20 间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器的比较间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器的比较: : n两反应器中进行同一化学反应，达到

11、相同转化率时所需 反应时间完全相同。 n当反应体积相等时，其生产能力相同。所以在设计、放 大活塞流反应器时，可以利用间歇搅拌釜式反应器的动 力学数据进行计算 n虽然两反应器的设计方程式相同，但物料在其中的流动 型态完全不同。在间歇搅拌釜式反应器中，物料均匀混 合属非定态过程；而活塞流反应器中，物料无返混属定 态过程。活塞流反应器是连续操作，而间歇搅拌釜式反 应器是间歇操作，需要一定的辅助时间，显然活塞流反 应器的生产能力比间歇搅拌釜式反应器要大，生产劳动 强度要小。 21 气相反应的膨胀因子 当 = 0 时反应物A在气相中的摩尔分数为： 当 = 时反应物A在气相中的摩尔分数为： 对于恒温恒压过

12、程，还可以有： pA，0为反应物的起始分压 cA，0为反应物的起始浓度 2 2、恒温变容反应过程、恒温变容反应过程 XA 变化，物料的体积发生变化，动力学中必须把体积变化的因素考虑进去 22 则： A完全反应所引起的摩尔数变化 加入反应器中的总摩尔数 对于气相反应系统，通常可近似认为符合理想气体定律，即： 在反应初始时有： 膨胀率膨胀率 是以组分A为基准的膨胀率 等温等压，则： 23 对于恒容体系而言，空时就是物料在反应器中的平均停留时间；对 于变容体系而言，因为空时是反应器体积与进料情况下的物料体积流 量之比，并没有反映出反应过程的容积变化，所以，空时并不等于平 均停留时间。 空速越大，反应

13、器的生产能力越大。 在反应器的不同位置处，气体混合物的体积流量随操作状态（压力、 温度而变化，某些反应由于反应前后总摩尔数的变化也可能也起体积流量 的变化，因此，工业上常采用不含产物的反应混合物初态组成和标准状况 来计算体积流量，以qV,0表示。 空间速度（简称空速Space Velocity）是空时的倒数，表示单位时 间内通过单位反应器容积的物料体积，即： 平均停留时间 24 四、连续釜式反应器（Continuous stirred tank reactor, CSTR ）（全混流反应器） 反应物A 反应物B 连续釜式反应器 生成物R 特点 n反应器的搅拌良好。 n可以连续操作。 n反应器内

14、物料的组成和温度处处相 等，且等于应器出口的物料组成和 温度。 n操作稳定，反应器内物料的组成和 温度均不随位置和时间而变。 n同一时刻离开反应器的物料质点的 停留时间各不相同，从0，物料 质点的反应时间各不相同。 缺点 n等体积反应器反应物转化率最低25 根据连续流动物料衡算式：衡算对象：关键组分 A衡算基准：整个反应器（V）可得： 或 整理得 恒容过过程中， 全混流反应器一般为等温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。 全混流反应器的计算全混流反应器的计算 如果进入反应器A转化率不为零，则 CSTR的性能 0 cA V cA0 cAf 0 -rA V -rAf 26 图解积分示意图 t/

15、cA0 -rA-1 xxAf xA0 t -rA-1 CACA0 CAf 27 例：例：温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在 间歇操作搅拌釜式反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为 着关键组分的反应动力学方程式为： cA，0=4103molm-3，k=3.2810-8 m3mol-1s-1 求：己二酸转化率分别为0.8，0.9时所需全混流反应器有效体积。 解 相同反应条件下利用活塞流反应器： 28 物料衡算方程 对于反应物A：输入量 =输出量 + 反应消失量 + 累积量 间歇釜式反应器（Batch) 活塞流反应器 (PFR) 全混流反应器(CSTR) 0 cA t cA0 cAf 0 -rA V -rAf 0 cA V cA0 cAf dL L dVR 0 cA L cA0 cAf 衡算式 关系式 设计方程 恒容 =0 =0=0 29 五、理想反应器的组合五、理想反应器的组合 n在实际生产中，若处理的物料量较大，所需反应器体积过大，反应 设备的长度或直径将受到设备制造、安装及操作等的限制，此时需 要采用同类反