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1、1,第三章 理想流动反应器,第一节 流动模型概述 第二节 理想流动反应器 第三节 思考题 第四节 计算题,欣赏,3-1 反应器中流体的流动模型 3-2 反应器设计的基本方程,3-3 间歇反应器 3-4 平推流反应器 3-5 全混流反应器 3-6 多级全混流反应器的串连及优化 3-7 理想流动反应器的组合与反应体积比较 3-8 理想流动反应器中多重反应的选择性 3-9 全混流反应器的热稳定性,2,第一节 流动模型概述,3-1 反应器中流体的流动模型,反应器类型： 1、间歇反应器：不存在停留时间分布 2、平推流反应器：不存在停留时间分布 3、全混流反应器：存在停留时间分布,一、理想流动模型,由流体
2、的流动状态分类：,作业,3,图3-1 间歇反应器与理想流动反应器,作业,4,1、平推流模型(活塞流、理想置换),指反应物在反应器中流体流动方向的垂直截面上，各点的流速、流向相同。,特点： (1) 物料的停留时间相同； (2) 在同一截面上浓度、温度相同； (3) 返混程度最小。 用PFR表示。,作业,5,2、全混流模型(理想混和模型),理想化的条件： (1) 假定反应器搅拌完全良好； (2) 物料完全混和均匀； (3) 反应器内各处物料的浓度、温度相同。,指刚进入反应器的物料与已存在的物料达到瞬间混和。,特点： (1) 反应器内各点的温度、浓度均相同；,作业,6,(2) 返混程度最大； (3)
3、 各粒子的停留时间不同，具有停留时间分布。 用CSTR表示。,二、非理想流动模型,非理想流动：凡是流体流动状态偏离PFR和CSTR 两种理想情况的流动，称为非理想流动。,非理想流动模型介于PFR和CSTR之间； 非理想流动停留时间介于PFR和CSTR之间。,作业,7,图3-2 反应器的推动力,作业,8,图3-3 偏离平推流的几种情况,作业,9,图3-4 偏离全混流的几种情况,作业,10,非理想流动产生的影响： (1) 影响化学反应的转化率、选择性等； (2) 各种参数不同。,非理想流动的形成： (1) 流体流动速度发生变化； (2) 分子的扩散效应。,年龄：流体粒子在反应器内停留的时间。 返混
4、：指不同年龄的粒子之间的混和。,作业,11,3-2 反应器设计的基本方程,基本方程包括：,1、物料衡算,进入量出去量+反应量+累积量,(1) 连续系统：累积量0。 (2) 间歇系统：进入量0；出去量0,2、热量衡算,进入热量出去热量+反应热+累积热量+热损失,反应热：放热为负；吸热为正。,作业,12,3、动量衡算,以动量守恒定律为基础。,实际计算时应联立三个方程求解。,第二节 理想流动反应器,3-3 间歇反应器,对A组分作物料衡算：,作业,13,其中：,此式表示了,的关系。,作业,14,图3-7 间歇反应过程反应时间t的图解积分,作业,15,对于恒容系统：,作业,16,图3-6 间歇反应过程t
5、/CA0的图解积分,作业,17,表3-1 理想间歇反应器中反应结果,作业,18,实际操作时间包括：反应时间t和辅助时间t。,反应器的有效体积：,例3-1 以醋酸A和正丁醇B为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B，已知反应速率,试求醋酸转化率分别为0.5、0.9、0.99时所需的反应时间。已知醋酸和正丁醇的密度分别为960,和740,解：加入物料的体积,作业,19,作业,20,作业,21,例题：用间歇反应器生产乙酸乙酯50t/d，反应方程式为：,C2H5OH(A)+CH3COOH(B)CH3COOC2H5(P)+H2O(S),原料质量配比
6、为A:B:S=0.46:0.23:0.31，反应在100等温下进行，反应速率为：,反应液密度为1020kg/m3，求乙酸转化率达到35时所需的反应器体积，每批物料的辅助操作时间为1h。,解：分子量：,进料中各组分的含量：,作业,22,假定进料为100kg(混合物)，则物料的总体积为：,则各组分的初始浓度为：,作业,23,各组分与转化率的关系：,作业,24,反应时间：,每批物料的生产时间为2.97小时。,乙酸乙酯单位时间产量：,作业,25,乙酸的投入量为：,乙酸的体积流量：,反应器的体积：,作业,26,例题：如反应：A+B产物，动力学方程：,恒容，,初始浓度分别为0.1和0.08,，间歇反应，A
7、、B的,为95时所需的反应时间。,试求B的转化率,解：,令：,对于恒容过程：,作业,27,作业,28,例题：某气相分解反应可按二级动力学方程进行：2AB+C，已知,1atm下进行反应，反应开始时反应器中全部为A，试计算在间歇反应器中反应时间为1s、10s和10min时的转化率。,，在850和,解：由题条件：,作业,29,当t1s时，,当t=10s时，,作业,30,当t=10min，,例题：醋酐浓度为,反应混合物密度为,反应速率为,，求：,(1) 说明为什么二级反应速率可写成如上式表示的表达式； (2) 当醋酐转化率达70时需多少时间； (3) 物料的条件流量为多少。,作业,31,解：(1),B
8、组分的浓度在反应过程中基本不变，所以动力学方程：,(2),(3),作业,32,3-4 平推流反应器,应满足三个条件： 1、正常情况下，连续稳定操作； 2、反应器内轴向各点的浓度不同； 3、反应器径向速度分布均匀，不存在浓度梯度。,作业,33,对A组分作物料衡算：,进入量出去量+反应量+累积量,化简后得：,由,作业,34,反应时间：,一、等温平推流反应器,动力学方程：,1、反应过程中无体积变化,浓度与转化率的关系：,作业,35,当n1时：,当n1时：,作业,36,2、反应过程中有体积变化,定义化学膨胀率：,化学膨胀率的意义：当反应物A全部转化后系统体积的变化分率。,气相反应：,化学膨胀因子：,作
9、业,37,化学膨胀率：,其中：Ci0初始反应混合物的浓度(包括惰性组分),反应物体积的变化：,浓度与转化率的关系：,作业,38,当n=1时：,作业,39,当n2时：,例题：在平推流反应器中进行某等温二级不可逆分解反应，反应过程中无体积变化，物料体积流率,，反应物A的初始浓度,，反应速率常数,求转化率为70时所需的反应器体积为多少？,解：对于二级反应：,作业,40,例题：在等温下进行丙烷裂解反应：C3H8C2H4+H2，若忽略副反应，系统保持恒压P=0.1MPa，V0=800 l/h，当丙烷转化率达到50时所需平推流反应器体积。已知动力学方程为：,，该温度下,作业,41,解：,动力学方程为：,化
10、学膨胀率：,作业,42,例题：在平推流反应器中进行气相反应：,和50惰性物料组成，物料流量为4000,，进料由50A,，A与,惰性物料的分子量分别为40和20，反应速率常数为,器体积。,，试求当A的转化率达到35时的反应,作业,43,解：动力学方程：,化学膨胀率：,作业,44,作业,45,例题：某气相一级不可逆反应：,，在等温平,推流反应器中进行，加入原料为含A50，惰性物料为50，反应时间为10min，出口处的体积流体为进口处的1.5倍，求此时A的转化率及该反应条件下的反应速率常数。,解：化学膨胀率：,其中：,作业,46,对一级反应：,作业,47,例题：在平推流反应器中进行丁烯脱氢反应生产丁
11、二烯：C4H8C4H6+H2，反应速率方程为：,，原料气为丁烯和水蒸汽的混,合物，丁烯含量体积百分比为0.5，操作压力为0.10133MPa，在650时,试求丁烯转化率为90时的空速为多少？,作业,48,解：,作业,49,表3-2 等温恒容平推流反应器计算式,作业,50,二、变温平推流反应器,物料衡算式：,热量衡算：,进入热量出去热量+反应热+累积热量+传递热量,由物料衡算式：,作业,51,代入热量衡算式中：,作业,52,讨论：,1、绝热操作,此时：,物料衡算式：,称为绝热温升,作业,53,绝热温升的意义：在绝热条件下，A组分完全反应使物系温度升高的数值。,2、等温操作,作业,54,3-5 全
12、混流反应器,对全混流反应器作物料衡算：,进入量出去量+反应量+累积量,作业,55,图3-9 全混流反应器反应时间的图解法,作业,56,表3-3 平推流反应器和全混流反应器反应结果,作业,57,如果反应器入口转化率不等于0。,例题：在全混流反应器中进行液相可逆反应：,，反应速率,A与B分别进入反应器，其体积流量均等于4l/min，加入的物料中A与B的浓度分别为,作业,58,与,，现要求B的转化率为75，试反应器,的体积多大？设物料密度恒定不变。,解：,作业,59,例3-2：生化工程中酶反应AR为自催化反应，反应速率式为,，某温度下k=1.512,原料中含有A0.99kmol/m3，含R为0.01
13、kmol/m3，要求A的最终浓度降到0.01kmol/m3，当原料的进料量为V010m3/h时，试求：(1) 反应速率达到最大时，A的浓度为多少；(2) 采用全混流反应器时，反应器体积是多大；(3) 采用平推流反应器时，反应器体积是多大；,作业,60,(4) 为使反应器体积为最小，将全混流和平推流配合使用，组合方式如何，其最小体积为多少。,解：,(1),为使反应速度最大，应有：,即：,作业,61,(2) 全混流反应器的体积,(3) 平推流反应器体积：,作业,62,(4) 反应速度达最大，反应器体积可达最小,假定先用全混流，后用平推流：,全混流反应器：,作业,63,平推流反应器：,假定先用平推流
14、，后用全混流。,平推流反应器：,作业,64,全混流反应器：,作业,65,例题：由醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，化学反应为：,CH3COOH(A)+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O,，每小时处理原料量为735kg，,反应混合物密度为0.75kg/l，原料配比为醋酸:丁醇1:4.97(mol)，动力学方程为,求反应器的有效容积：(1) 用一个全混流反应器；(2) 用两个全混流反应器串连，已知：,，(3) 用一个平推流反应器。,解：进料中醋酸含量：,进料中丁醇含量：,作业,66,进料的平均分子量：,作业,67,(1) 全混流反应器：,(2) 全混流反应器串连：,作业,68,(3) 平推流反应器：,
15、3-6 多级全混流反应器的串连及优化,对于平推流反应器的串连：,设,1、2、N时的转化率。,为组分A离开反应器,作业,69,对于反应器1：,同样对于反应器i：,对于N个平推流反应器的串连：,作业,70,如果系统的温度相同，则有：,即对于N个平推流反应器串连，相当于总体积和为VRS的一个平推流反应器所能获得的转化率相同。,对于平推流反应器的并联，可按上述方法简化为一个反应器的情况。但为使反应器的总体积和最小，应使每个反应器的体积相同。,一、多级全混流反应器串连的计算,推动力：平推流反应器全混流反应器,提高推动力：全混流反应器采用串连方式，如图3-10。,作业,71,图3-10 多级串连全混流反应
16、器的推动力,作业,72,2、多级全混流反应器串连的解析计算,多级串连情况：,对第i个全混流反应器A组分作物料衡算：,进入量出去量+反应量+累积量,作业,73,或,对于一级反应：,或,作业,74,作业,75,如果各反应器的容积与温度均相同，则有：,作业,76,3、多级全混流反应器串连的图解计算,由物料衡算式：,图解法的步骤：,(1) 作出,动力学方程或实验数据)；,的曲线(由,(2) 由式作出操作线；,作业,77,(3) 以,为起点，作斜率为,的直线，与,线交点，再作横轴垂线，即得,一直达到要求为止。,值，依次作下去，,例题：在全混流反应器中用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：,CH3COOH(A)+C4H9OH(B)CH3COOC4H9(C)+H2O(D),反应在100下进行，动力学方程为,以少量硫酸为催化剂，反应物密度为0.75kg/l，每天生产2400kg醋酸丁酯，当醋酸的转化率为50，求：(1) 用单个全混流反应器的体积；(2) 用解析法计算,，配料摩尔比为A:B1:4.97，,作业,78,两个等体积串连的全混流反应器的体积；(3) 用图解法计算三个等体积串连的全混流反应器的总体
