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1、第 3 章均相反应过程,3.1 概述,目的：介绍工业均相反应过程开发及均相反应器设计计算中有关的基本原理和方法 需解决的问题： （1）如何通过实验建立反应的动力学方程并加以应用； （2）如何根据反应的特点与反应器的性能特征选择反应器型式及操作方式； （3）如何计算等温与非等温过程的反应器大小及其生产能力。 分类：按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。,第 3 章均相反应过程,反应器开发的任务： （1）选择合适的反应器； （2）确定操作方式的优化设计； （3）确定反应器尺寸和进行经济评价。 反应器的特性： 流动状态 混合状态 传热特性,这些特性因反应器的
2、几何结构及几何尺寸而异,3.1 概述,1.间歇反应器 物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的温度和浓度是均一的。温度与温度都是均一的处处相等。,物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。 物料在反应器内的流动过程不同。有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。停留时间不同的流体颗粒之间的混合，称为“返混”将导致反应效率的降低。,2.流动反应器,在流动反应器中物料的流动过程不相同，造成物料浓度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。 我们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状
3、况。,平推流反应器,全混流反应器：其特点返混无穷大,平推流反应器：其特点是反应器无返混,全混流反应器,流动模型分类如下： 理想流动模型 流动模型 非理想流动模型 流动模型是专指流动反应器而言的。 对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况。,平推流反应器（活塞流或理想排挤流等）平推流反应器是指其中物料的流动状况满足平推流的假定。平均停留时间相等，无返混。也即某一时刻进入反应器的流体，到某一时刻同时流出反应器。 全混流反应器（也称完全混合流或理想混合流）全混流反应器，是指反应器中的流动状况满足全混流的假定的反应器。返混无穷大的含义，指新鲜的物料，进入反应器，即于反应器内原有的物料达到充分完
4、全的混合，意味着反应器中的温度和浓度处处相等。出口的温度、浓度同反应器内。温度和浓度不随时间变化，反应速率处处相等并保持恒定。,平均停留时间：进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短，形成一个时间分布，称为停留时间分布，常用平均停留时间来描述。,平推流和全混流都是理想的连续流动反应器。实际反应器中的流动状况，介于这两种理想流动之间。之所以研究理想反应器是为把问题简化，把接近于理想流动的过程当作该种理想流动来处理。,空速：在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积。,空时：进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间 。,
5、年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。 寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。,返混又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。 是时间概念上的混合,3.2 简单反应器,理想反应器,理想间歇式反应器 简称间歇式反应器,理想平推流反应器 简称平推流反应器,理想全混流反应器 简称全混流反应器,理想反应器的分类,间歇式反应器中的物料平衡：,1、间歇式反应器,1、间歇式反应器,间歇反应器的性能方程首先进行物料平衡,单位时间反应器A的累积量,单位时间流出反应器A的量,单位时间反应消失的A的量,单位时间 进入反应 器A
6、的量,=,单位时间反应消失的A的量（-rA）V,物料平衡：流入流出反应累积 0 0+（-rA）V+d(VcA)/dt,若反应为恒容,也可以这样写,(对于恒容反应),从而得出反应时间和转化率关系的理想反应的间歇式反应器性能方程,一级不可逆反应在一间歇式反应器中进行，求在50 反应转化率达70%所需的时间。 已知：,例题：计算反应时间,据已知条件分析： 1）一级不可逆反应就可写出速率方程； 2）间歇式反应器，50 反应转化率达70%指由070%需要的时间，可应用间歇式反应器性能方程； 3）由AR可知是等摩尔反应，无论是否液相反应都是恒容的； 4）据k的值，可推知活化能E和指前因子 5）反应温度50
7、 转换为绝对温度,解： 50 的反应速率常数 反应时间,-7448.4/(273.15+50),计算结果t仅为反应时间 间歇式反应器的操作周期中还包括非反应时间，反应前的升温（或降温）、反应器的清洗等非反应过程 间歇式反应器的特点:,1）结构简单； 2）操作灵活； 3）适合小品种、多批次生产； 4）非反应时间的延长，使得生产效率低； 5）难于控制每批生产的条件，故质量不稳定。,3.2 简单反应器,2、平推流反应器,dV,dl,FA0进入反应器反应物A的摩尔流率 FA 单位时间流出反应器的A的摩尔流率 cA0进口浓度 cA 出口浓度 V0反应器入口的体积流率,平推流反应器的设计方程,初始转化率不
8、为0,对于恒容反应,式中：,平推流反应器的设计方程,图35平推流反应器图解计算示意图,一级不可逆反应在一平推流反应器中进行，求在50 反应转化率达70%所需的空时。若v0=10m3/h，求反应器体积V。 已知：,例题：计算平推流反应器中的反应时间,与间歇式反应器相同 据已知条件分析： 1）一级不可逆反应就可写出速率方程； 2）平推流反应器，50 反应转化率达70%指由070%需要的时间，可应用平推流反应器性能方程； 3）由AR可知是等摩尔反应，无论是否液相反应都是恒容的； 4）据k的值，可推知活化能E和指前因子 5）反应温度50 转换为绝对温度,解： 50 的反应速率常数 反应空时和反应器体积
9、,小 结,理想反应器的分类及各自的特点 重要概念： 平均停留时间 空时 空速 年龄、寿命、返混 间歇反应器设计方程的推导及应用； 平推流反应器设计方程的推导及应用。,习题2,P851、2,1、在一等温操作的间歇反应器中进行某一液相反应，13min后反应物转化掉70%。今若把此反应移至平推流管式反应器或全混流釜式反应器中进行，为达到相同的转化率，所需的空时和空速各是多少？ 2、用物料衡算式推导间歇式反应器的性能方程。,2、在555K及3kgf/cm2下，在平推流管式反应器中进行AP，已知进料中含30%A(摩尔数)，其余为惰性物料，加料流量为6.3mol/s，动力学方程为(-rA)=0.27nAm
10、ol/(m3s)，为达到95%的转化率，试求(1)所需空速为多少？(2)反应器容积大小。,3.2 简单反应器,3、全混流反应器,全混流反应器也是 连续流动反应器其特点： 连续操作效率高 操作参数易控制，使连续反应器在稳态下运行质量稳定 适合大规模生产 若要保证在稳态下生产，控制参数需要较多的辅助设施（如泵、压缩机、温控系统、自动化操作系统等配套设施） 投资大,全混流反应器理想的内涵：返混无穷大 这意味着新鲜原料进入反应器后与反应器内原有的物料瞬间达到均匀混合，因而与间歇式反应器一样，全混流反应器内浓度和温度处处相等，且等于出口的浓度和温度。 因为是连续操作，所以不存在原料累积。,图3-6全混流
11、釜式反应器示意图,全混流反应器的设计方程（性能方程）,FA0进入反应器反应物A的摩尔流率 FA 单位时间流出反应器的A的摩尔流率 cA0进口浓度 cA 出口浓度 v0反应器入口的体积流率,未转化的A的量,图3-7全混流反应器图解计算示意图,面积=,全混流反应器设计方程,若xA0不为0则：,一级不可逆反应在一全混流反应器中进行，求在50 反应转化率达70%所需的空时。若v0=10m3/h,求反应器体积V。,例：计算空时和反应器体积,解： 同间歇反应器的计算一样，首先计算50 的反应速率常数,转化率已知，又因在全混流浓度温度始终不变反应速率为一常数。将速率常数和转化率代入已知的速率方程,前面我们求
12、出了平推流反应器的空时和体积,可见用平推流和全混流反应器的空时不同，显然平推流反应器效率高，单纯由反应器的设备投资的经济性角度考虑，反应器的体积越大投资越高，平推流当然优于全混流。,全混流反应器的空时和体积,3.3 组合反应器,3.3.1 平推流反应器的串联、并串或并串联,平推流反应器的串并联 全混流反应器的串联 全混流与平推流反应器的串联,平推流反应器的串联,对于平推流反应器的串联，把管式反应器中间截断，再把两个反应器串联，其效果是相同的。实际生产中，限于厂房，有时平推流反应器的串联还是很有必要。,例如将一个很高的反应器A，分为两个较短的反应器A、B的串联方式便于运输和安装。,反应器A,反应
13、器A、B的串联,平推流反应器的并联,根据实际的需要，有时因单个平推流反应器的管径太粗加工运输不便等实际情况，要用到平推流反应器的串并联。但应满足：此时总的反应器的效率最高。,2 、具有相同或不同体积的N个全混釜的串联,图 3-8 多釜串联操作示意图,一级不可逆反应在N个串联的等体积全混流反应器中进行反应,注意：全混流反应器中，一旦原料进入反应器，处处温度浓度都是恒定的，出口的浓度与反应器中一致，但入口的浓度则是cA0.,对于每个反应器，都可根据全混流反应器的设计方程，写出浓度、空时的关系式,2 、具有相同或不同体积的N个全混釜的串联,一级不可逆反应在N个串联的等体积全混流反应器中进行反应 两个
14、不同体积的全混流反应器的串联 未知反应在串联的全混流反应器中进行反应的图解法,对于一级不可逆恒容反应，速率方程为,根据全混流反应器的设计方程,变形得,对于单个反应器：,将N个反应器串联每个反应器的体积都是V、每个反应器的空时都是,第1个反应器：,第2个反应器：,若想求最终出口浓度CAN与第一个反应器入口浓度的关系，令N个关系式左右相乘得：,1： 2： ,N：,或,这样就得到了转化率、反应器开始和最终的浓度、反应器的个数及单个反应器的空时的关系。,根据平推流反应器的设计方程，对一级不可逆反应有,N个全混流反应器串联，当N越大，反应器总体接近平推流,而平推流反应器：,显见无限多个全混流反应器串联与
15、平推流反应器一致,根据全混流反应器的设计方程对于恒容反应,两个不同体积的全混釜的串联,注意：第二个反应器计算仍用第一个反应器入口的体积流率v0，是指反应开始时的流率。因为公式推导时设定的就是转化率为0时的量。,两个不同体积的全混釜串联，cA1为多少时，体积的和、空时的和最小，总空时为cA1的函数。将空时的和对cA1求导，令d/dcA1= 0，解出cA1。再分别代入上式，求出总空时。,例：一级不可逆恒容反应-rA=cA在两个串联的全混流反应器中进行，最终出口的转化率为90%。若使总空时最小，第一个反应器出口的转化率应为多少？两个反应器的空时各为多少？ 解：总空时,也即当cA10.316cA0时，
16、反应器的总空时最小。得第一个反应器的转化率为：,反应器的总空时为1+2：,可见，本例中当两个反应器的大小相等时，总空时最小。但多数情况下，两个反应器的大小是不一样的。 实际上，采用两个大小不等的反应器串联，使反应器总体积最小，在经济上并没多大优势。,图示：,图 3-9 多釜串联操作的图解计算,对给定了处理量和转化率要需选釜数和釜容积时，避免求解的试差。r是c的函数：,得到以空时负倒数为斜率的直线，与x轴的交点为入口的浓度。,得到以空时负倒数为斜率的直线，与x轴的交点为入口的浓度。,为斜率,作图直到所要求的出口浓度为止，有 n 个阶梯，即代表所需的釜数。斜率不同表示釜的大小不同。,图解计算只适用于反应速率最后能以单一组分的浓度来表达的简单反应。,3 、不同型式反应器的串联,在全混混流反应器后连接两个平推流反应器，然后再接另一个全混流反应器,图 3 - 10 不同型式反应器串联的图解计算,其相互关系以图解型式表示在图 3-10 中。该图可供推算系统的总转化率、中间阶段的转化率
