聚合反应器的基本原理

《聚合反应器的基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚合反应器的基本原理（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第七章 化学反应工程学-反应器基本原理,第一节 概述,一、化学反应工程学的发展,20世纪30年代德国科学家丹克莱尔在当时实验数据十分贫乏的情况下,较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础， 40年代末期，霍根和华生的著作化学过程原理及前苏联学者弗兰克卡明涅斯基的著作化学动力学中的扩散与传热相继问世，总结了化学反应与传递现象的相互关系，探讨了反应器设计的问题，对化学反应工程学的发展起到了巨大的推动作用。 1957年荷兰阿姆斯特丹举行的欧洲第一届化学反应工程会议上，正式确定了“化学反应工程学”这一学科的名称。,60年代石油化工的大发展，生产日趋大型化以及原料深

2、加工向化学反应工程领域提出了一系列的课题，加速了这一学科的发展。特别是后来计算机的应用，解决了不少复杂的反应器设计与控制问题。 80年代后，随着高新技术的发展和应用（如微电子器件、光导纤维、新材料及生物技术的应用等），扩大了化学工程的研究领域，形成了一些新的学科分支，如生化反应工程、聚合物反应工程、电化学反应工程等，将化学反应工程的研究推到了一个崭新的阶段。,二、化学反应工程学研究的内容和方法,研究的内容： （1）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，提高效率。 （2）开发新的技术和设备。 （3）指导和解决反应过程开发

3、中的放大问题。 （4）实现反应过程的最优化。,研究的方法：数学模型,在化学工程中，数学模型主要包括以下内容： （1）、动力学方程式 对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。 （2）、物料衡算式 流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量 （3）、热量衡算式 物料带入热=物料带出热 + 反应热 + 与外界换热 + 累积热 （4）、动量衡算式 输入动量 = 输出动量 + 动量损失 （5）、参数计算式 主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。,三、化学反应工程学与相关学科的关系,四、化学反应过程和化学反应器的分类,（一）、化学反应过程分类,判断反应结果的

4、好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性,1、反应速率,反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生成物的变化量。,如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。则上式可写成：,正号-表示产物的生成速率 负号-表示反应物的消失速率,各组分的反应速率为：,各组分反应速率之间的关系：,根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：,k-反应速率表常数，可以根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程求得：,2、转化率,对于间歇系统,对于连续流动系统，转化率则以下式表示：,对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：,3、反应的选择性,反应的选择

5、性是指生成的目的产物量与已转化的反应物量之比。,收率：生成目的产物的量比加入反应物的量,收率、转化率与选择性之间的关系为：,有时也用质量收率表示：,（二）、反应器的分类,1、按反应物料的相态分类：,2、按反应器的结构型式分类,3、按操作方式分类 1）、间歇操作 2）、连续操作 3）、半连续半间歇操作,五、理想均相反应器,1、理想间歇反应器 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理想间歇反应器（batch reactor简称BR）,特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可 以生产多个品种。 缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等

6、辅助操作常消耗 一定时间，产品质量难以控制。,2、活塞流反应器 在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变，反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器（plug flow reactor简称PFR）。,3、全混流反应器 特点：由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中的物料混合均匀，反应器内物料组成、温度均匀一致，并且等于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器（continuous Stirred tank reactor 简称CSTR）近似地看成

7、全混流反应器（是一种返混量为无限大的理想化的流动反应器）,4、多级全混流反应器 多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器（continuous stirred tank reactor series简称CSTRS）与之近似，其特点： （1）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物引出，上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。 （2）各反应釜中组成、温度均匀一致，级与级之间是突然变化的。 （3）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反应器数目越多，其性能越接近活塞流反应器。,第二节 物料在反应器内的流动模型,常见的流动模型分为:,理想置换 理想混合,非理想流动模型,

8、扩散模型,多级理想混合模型,理想流动模型,一、理想流动模型 1、理想置换 理想置换又称为活塞流，理想排挤或列流。 特点： 、在垂直流动方向的截面上，所有的物性都是均匀 一致，即截面上各点的温度、浓度、压力、速度分别相同。 、反应器内所有物料粒子的停留时间相同，物料在 反应器内的停留时间是管长的函数。,2、理想混合 特点： 、反应器内的浓度和温度均均一致，并且等于出口处的物料浓度和温度。 、物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。,“逆向混合” 也叫“返混”,在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。,引起逆向混合的主要原因有：,1）、由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒流。 2）、由于垂直

9、于流向的截面上流速分布不均所致，如管式反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同半径处的物料粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就是不同停留时间的物料间的混合，也就是逆向混合。 3）、反应器内形成的死角也会导致逆向混合。,二、非理想流动模型,凡是流动状况偏离活塞流和全混流这两种理想情况的流动统称为非理想流动。,造成非理想流动的原因有： 、设备内各处速度的不均匀所致,、由于反应器中物料粒子的运动（如搅拌、分子扩散等）导致与主体流动方向相反的运动，导致偏离全混流的特性。,非理想流动模型分为：,、轴向扩散模型,、多釜串联流动模型,c1,c2,ci,cn,CA,0,dx,c,c+dc,第三

10、节 物料在反应器内的停留时间分布,一、停留时间分布函数,为了研究方便，可以作如下假定： 、反应器内为定态操作，流动状况稳定，不变化 、流体为不可压缩流体，系统若进行反应则反应混合物体积不变。,分布函数,停留时间分布密度函数 E（t）,停留时间分布函数 F（t）,1、停留时间分布密度函数E（t）,假设进入反应器有N份物料，停留时间为tt+dt的只有dN份物料，则停留时间为tt+dt的物料占进料物料的分率为：,t,能决定停留时间分布情况的函数E（t）叫做停留时间分布密度函数。E（t）的大小并不表示分率的大小，而是E（t）曲线以下在tt+dt间的面积即E（t）dt才是分率dN/N的大小，所以把E（t

11、）称作“分布密度函数”。,归一化的性质：,2、停留时间分布函数 F（t） 假若在时间0t之间进入反应器的物料粒子中，具有停留时间从0t间的物料粒子的量占进料总量的分数，称为停留时间分布函数，用F（t）表示:,分布函数（）和（）的关系为：,上式表明F（t）曲线上停留时间为t时对应点的斜率为E（t）,二、停留时间分布的实验测定,1、脉冲示踪法,经过tt+dt时间间隔从出口所流出的示踪物占示踪物总量（M0）的分率为：,在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是N，则在反应器内停留时间为tt+dt的物料在N中所占的分率为：,由于示踪物和物料在同一个流动体系里，所以,t,2、阶跃示踪法,在阶跃示踪法中，

12、t秒时由出口测出的是停留时间为0t秒的示踪物，即凡是停留时间小于或等于t的示踪物在t秒都会从出口流出来，所以阶跃法在t秒时所测定的示踪物浓度（t）应为：,三、停留时间分布的数字特征,1、归一化性质,2、数学期望 停留时间是一个随机变量，表示其分布特征的数学期望就是平均停留时间，即：,如果用实验测定，每隔一段时间取一次样，所得E（t）函数一般为离散型，也就是各个等间隔时间下的E（t），则平均停留时间为：,3、方差,衡算物料停留时间分布的离散程度（简称散度），即表征物料粒子各停留时间与平均停留时间的偏离程度，就以方差表示。,利用实验数据计算方差，上式改为：,4、以量纲为1的对比时间作自变量的方差

13、空间时间为 量纲为1的对比时间为: 对应的分布密度函数为:,理想置换型 理想混合型 非理想流动型,对应的分布函数为:,以量纲为1的对比时间作自变量的方差为:,四、理想反应器中的停留时间分布,1、理想置换反应器,t,E(t),t,F(t),1.0,t E(t) = 0,t = E(t) = ,t F(t) = 0,t F(t) = 1,t2 = 0,2 = 0,方差:,2、理想混合反应器,c(t)+dc(t),C0 = M0 /V,t时釜内原有的示踪物的量=(t+dt)时釜内存留的示踪物的量 + dt时间间隔流出的示踪物的量,物料衡算:,Vc(t) = Vc(t) + dc(t) + qVc(t

14、)dt,t,E(t),t,F(t),1.0,0.632,在理想混合反应器中，物料粒子的停留时间很分散，停留时间非常长的粒子不多。当反应器中物料粒子在t=时，F（t）=1-e-1=0.632。说明有63.2%的物料粒子在反应器内停留时间小于平均停留时间。这些粒子可能没有来得及反应就离开了反应器。所以在其他条件相同时，相同容积的理想混合反应所能达到的最终转化率，必然要比理想置换反应器的小。,方差:,五、非理想反应器中的停留时间分布,1、多级理想混合模型,第一釜:,第二釜:在tt+dt时间间隔作物料衡算:,进入釜的示踪物量 离开釜的示踪物量 = 釜内示踪物改变量,qVc1(t)dt qVc2(t)d

15、t=Vc2(t) + dc2(t) Vc2(t),设反应器中平均停留时间相等，即：,解此一阶微分方程得：,第三釜:,第四釜:,第N釜:,物料在N釜串联反应器的停留时间密度分布函数为 ：,总平均停留时间为：,量纲为1的对比时间为:,代入上式得：,积分得停留时间分布函数：,用量纲为1的对比时间表示为:,从上图可以看出：串联级数N增加，峰形愈窄，分布愈趋于集中。当N=时，F（）=1，此时为活塞流。 在多级理想混合反应器中，在前一段停留时间很短的物料粒子可能在后面各级中的停留时间可能会延长，这样会使系统中所有物料粒子分布较均衡，改变了停留时间不均的现象，使停留时间分布趋于集中。串联的级数N是表征系统返

16、混程度的一个定量指标，说明实际反应器的返混程度相当于N级等容串联的理想混合反应器中的返混程度，N是个虚拟级数，称为模型参数。,用量纲为1的比时间表示方差为：,2、分散模型,六、停留时间分布曲线的应用,研究停留时间分布，就考虑如何避免非理想流动。在反应器的结构上加以改进，使之接近理想反应器流动状况。 1)、根据测定的停留时间分布曲线形状可以定性地判断一 个反应器内物料的流动状况，从而制定改进方案。 2)、可以通过计算数学期望和方差，求取模型参数N。 3)、对某些反应，则可以直接运用E（t）函数进行定量 计算。,1、判断物料在反应器里的流动状况,t,E(t),t,E(t),t,E(t),正常,早出峰,晚出峰,其曲线位置与峰形都和预期的相符。,出峰太早,说明反应器内有沟流和短路现象,导致停留时间小于预期值.,