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1、2 均相反应过程,2.1 间歇反应器 2.2 平推流反应器 2.3 全混流反应器 2.4 多釜串联全混流反应器 2.5 反应器型式和操作方式的评选 2.6 反应器的热衡算与热稳定性,2/10/2020,主要讲述理想反应器的设计原理及反应器的选型。,1.理想反应器的设计计算方法,要求掌握的内容：,2.根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器型式,2/10/2020,反应器操作中的几个术语,1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实际发生反应的时刻起，到反应达某个转化率时所需的时间。(主要用于间歇反应器) 2.停留时间：是指反应物料从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止所用的时间。(
2、主要用于连续流动反应器)。,2/10/2020,3.平均停留时间： 流体微元平均经历的时间称为平均停留时间。,4.空时：反应器的有效体积VR与进料的体积流量v0之比。物理意义是处理一个反应器体积的物料所需要的时间。,2/10/2020,5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可以处理多少个反应器体积的物料。,6.返混：具有不同停留时间的流体微元之间的混合称为返混。,空时、空速用于连续流动反应器。进料体积流量按反应器入口处温度、压力求取。,2/10/2020,2.1 间歇反应器,分批式(又称间歇式)操作，是指反应物料一次加入反应器内，而在反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，待反应达到
3、要求的转化率后再全部放出反应产物。,（间歇操作搅拌釜式反应器）,2/10/2020,图2.1-1带搅拌的釜式反应器,2/10/2020,一、间歇反应器特点,1. 反应物料一次加入，产物一次取出。 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。,2/10/2020,二、间歇反应器体积计算,1.反应时间的计算,即：,0 0,(2.1-1),以反应物A为关键组分，A的反应速率记作 （-rA），根据间歇反应器的特点，在单位时间内对整个反应器作物料衡算：,2/10/2020,无论是等温变温等容变容(2.1-2)式均成立。,或：,(2.1-2),=,
4、积分得：,恒容时：,(2.1-3),(2.1-4),间歇反应器的设计基础式,2/10/2020,2.反应器有效体积VR的计算,由(2.1-2)式所得的时间是指在一定的操作条件下，为达到所要求转化率xA所需的反应时间,而不是每批操作所需的时间，每批操作所需的时间应是(t + t0) 反应器的有效体积为 VR = v0 (t + t0) (2.1-5) 式中：t0是辅助生产时间，包括加料、出料、 清洗反应器和物料的升温、冷却。v0是平均每小时反应物料的体积处理量。,2/10/2020,3.反应器实际体积V的计算,反应器的实际体积是考虑了装料系数后 的实际体积(不包括换热器搅拌器的体积)。,(2.1
5、-6),式中：是装料系数，一般为0.40.85，不起泡、不沸腾物料取0.70.85，起泡、沸腾物料取0.40.6。,2/10/2020,生产乙二醇，产量为20kgh。使用15(质量)NaHCO3水溶液及30(质量)的氯乙醇水溶液作原料，反应器投料氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为11，混合液相的密度为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2 l(molh)。要求转化率达到95。(1)若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。(2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。,例2.1-1 在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反应,ClCH2CH2 OH NaHC
6、O3,OHCH2CH2OH NaClCO2,2/10/2020,各组分的分子量 MA= 80.5 MB= 84 MP= 62 各组分的摩尔处理量NP = 20/62 = 0.3226 mol/h NA0 = NB0 = NP / 0.95 = 0.3396 mol/h 求两股物料的重量流量 0.3WA/80.5 = 0.15WB/84 = 0.3396 mol/h WA= 91.126 kg/h WB= 190.167 kg/h W = WAWB= 281.239 kg/h v0= W/= 281.239/1.02 = 275.78 l/h,解：计量方程式可写成：AB,PDS,2/10/202
7、0,VR= v0 (t+t0) = 275.78(2.97+0.5) = 956.92 l,反应时间,反应器有效体积,= 1275.893 l,反应器实际体积,2/10/2020,2.2 平推流反应器,工业上的管式反应器其长径比较大的可近似地按平推流反 应器处理。 一、平推流反应器的特征 1.通过反应器的物料质点，沿同一方 向以同一流速流动，在流动方向上没 有返混。 2.所有物料质点在反应器中的停留时 间都相同。 3.同一截面上的物料浓度相同、温度 相同。 4.物料的温度、浓度沿管长连续变化。,2/10/2020,二、平推流反应器设计,1. 平推流反应器的设计方程 根据平推流反应器的特点，可取
8、反应器中一微元段作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得到平推流反应器的设计基础式。,2/10/2020,FA = FAdFA +（rA）dVR + 0 即：,2/10/2020,积分得 或 (2.2-1) 平推流反应器基础设计式 恒容时 (2.2-2),2/10/2020,恒容过程，平推流反应器与间歇釜式反应器的设计方程完全一致；所以只要反应是等容的，间歇反应器所导得的积分式均适用。对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。如果反应速率方程过于复杂，往往需要用数值积分或如图2.2-2所示的图解法求解。 对于非等温反应，式(2.2-1)或(2.2-2)应结合热量衡算式(又称操
9、作方程)联立求解。,2/10/2020,图2.2-2 平推流反应器的图解计算示意图,2. 图解计算,2/10/2020,例2.2-1,在215和5大气压下，均相气相反应 3在平推流反应器中进行。215时，速率方程式为：(rA)=10-2CA0.5(mol/ls)，原料气中含有50A和50惰性气体(CA0=0.0625mol/l)，求转化率为80时所需的时间。,2/10/2020,解：根据题中所给出的已知条件有： yA00.5A (rA)10-2CA0.510-2CA00.5 100CA00.5 式中积分项可用图解、数值解或解析解计算，下面依次说明这些解法。,2/10/2020,图解积分 首先计
10、算被积函数值，再作图 令： 面积 用目测法计算面积得： 面积1.700.81.3,2/10/2020, 数值积分 辛普森公式：,n为偶数 对于上表数据，用辛普森公式计算：,= 1.000+41.227+21.528+42.000+3.0000.23 = 1.331 (也可用梯型公式计算),2/10/2020, 解析积分 所推荐的积分方法要取决于具体情况，在本题中数值解可能是最快、最简单的方法。,2/10/2020,2.3 全混流反应器,实际生产中的连续搅拌釜式反应器几乎都是在定常态下操作的。反应物料连续不断地以恒定的流速流入反应器内，而产物也以恒定的速率不断地从反应器内排出。,(连续操作搅拌釜
11、式反应器),2/10/2020,图2.3-1 全混流反应器,2/10/2020,一、全混流反应器特点,1.物料连续以恒定的流速流入、流出反应器，稳态操作。 2.反应器内各空间位置温度均一，浓度均一。 3.反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。,图2.3-2 全混流反应器的平衡,2/10/2020,二、全混流反应器的设计方程,以反应物A为关键组分，A的反应速率记作(rA)，根据全混流反应器的特点，在单位时间内对整个反应器作物料衡算： FA0 = FA + （rA）VR + 0 FA0 FA = （rA） VR (2.3-1) 全混流反应器的设计基础式 恒容时 (2.3-2),2/10/202
12、0,例2.3-1 在一体积为120升的全混流反应器中进行下列液相反应： 式中k1= 7 l/(molmin)，k2= 3 l/(molmin)，两种物料以等体积加入反应器，一种含2.8 molA/l，另一种含1.6 molB/l。假设系统的密度不变， 希望B组分的转化率为75，求每种物料的流量。,2/10/2020,解： 在混合进料中各组分的浓度为CA0 = 1.4 mol/l , CB0= 0.8 mol/l, CR0= CS0= 0 。当转化率为75,A= 0 时，反应器内和出口处 物料的组成为： CA= 1.40.6 = 0.8 mol/l CB= 0.80.6 = 0.2 mol/l
13、CR= 0.6 mol/l CS= 0.6 mol/l,2/10/2020,全混流反应器： 而：(rA) = (rB) = k1CACBk2CRCS = 70.80.230.60.6 = 0.04 mol/lmin 因此流入反应器的体积流量为: 即每种物料的流量为4l/min。,2/10/2020,2.4 多釜串联全混流反应器,工业生产中常同时使用数个釜式反应器进行同样的反应；反应器设计中也经常出现用一个大反应器好，还是用几个小反应器好的问题。同时使用几个反应器时，应该采用什么样的联结方式效果最好，这样的反应器组合应如何去计算，就是本节所要讨论的中心内容。 如果采用几个串联的全混流反应器来进行
14、原来由一个全混流反应器所进行的反应，则除了最后个反应器外的所有反应器都在比原来高的反应物浓度下进行反应。这样势必减少了混合作用所产生的稀释效应。,2/10/2020,图2.4-1 多釜串联的全混流反应器,2/10/2020,图2.4-1(b)中给出这种多釜串联的全混流反应器，图2.4-1(a)给出每个全混流反应器所需的空时i和总的空时i。可以看出，用的釜数N愈多则所需的总容积就愈接近间歇搅拌釜式反应器。对任意第i个釜作组分A的物料衡算，对于恒容系统都有： (2.4-1) 将具体的速率方程代入，从第1釜开始逐釜的计算下去。对于n级不可逆反应，则有： (2.4-2),2/10/2020,当n=1时
15、： 即 (2.4-3) 若各釜具有相同的体积和相同的温度 则 (2.4-4) 或 (2.4-5) N个反应釜的总体积为VR=NVRi= Niv0,2/10/2020,一、图解计算法,图解法适用于给定转化率和处理量后选定釜的个数和釜的体积。用这种方法可以省去试差的麻烦。应该说明的是这种方法仅适用反应速率最终可以用单一组分表达的反应。 图解步骤： 1.根据实验数据(动力学方程)作操作温度下的(rA)CA(或xA)关系曲线图1。 2.在图1上作相应温度下第i釜的(rAi) CAi操作线： (2.4-6),2/10/2020,从CA0点出发作斜率为(rA1) /(CA1CA0)的直线，直线与速率曲线的交点的横座标为第一釜的出口浓度CA1，交点的纵座标为第一釜的反应速率(rA1) 。,从CA1点出发作斜率为(rA2) /(CA2CA1)的直线，直线与速率曲线的交点
