化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第三章_均相等温反应器概念.pptVIP

第三章均相等温反应器本章要求：掌握均相反应器设计计算的基本原理和方法；熟悉各种均相反应器的性能特征，并能结合反应的特点选择反应器形式和操作方式。3.1概述3.1.1反应器中的流动问题几个重要的概念微观流体以分子为独立单元流动的流体。宏观流体以大量分子构成的微元为独立单元流动的流体。停留时间分布同时进入反应器的流体微元在反应器内停留时间长短不一而形成的分布。返混停留时间不同的流体微元之间的混合。理想流动指流体微元返混程度达到两种极端状况的流动。平推流——不存在返混；全混流——完全混合。非理想流动流体微元存在部分返混的流动。3.1.2反应器操作中的几个常用名词（1）反应时间与停留时间停留时间反应物料进入反应器至离开反应器所经历的时间。反应时间反应物进入反应器开始反应至反应到某一时刻的时间。平均停留时间（2）空时与空速空时空速讨论：（1）间歇反应器，不存在空时概念。（2）连续操作反应器恒容过程非恒容过程（3）连续操作的反应器出口处，每个微元内反应物的转化率不同。实际测量的转化率只是所有微元转化率的平均值。（4）流体微元内部反应仅取决于反应的动力学特性，而整个流体的反应结果不仅与动力学特性有关，还与流动特性有关。3.2简单反应器反应工程计算主要有两种类型设计型计算：已知v0、cA0、T0、xA，计算t或τ，再求V。操作型计算：已知V、v0、cA0、T0、t，求xA或T。基本方程式：物料衡算式、热量衡算式、动力学方程式等温恒容过程只需进行物料衡算。物料衡算通式：3.2.1间歇反应器（BatchReactor简称BR）特点：（1）一次性进料，一次性出料；（2）反应器内各点物料浓度、温度相同；（3）反应器内物料浓度、温度随时间变化，是非定常态过程。应用：小批量、多品种的精细化工生产。物料衡算式积分（3.2-2）恒容时（3.2-3）上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出t。若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。解：（1）求t，由式（3.2-3）xA0.50.60.80.9t2.103.188.5019.0将转化率数据代入上式求得对应的反应时间如下：讨论：为何反应后期反应时间随转化率增大而急剧增加？（2）计算反应器体积V辅助操作时间t0进料、出料、清洗等操作需要的时间。操作周期t+t0处理一批物料所需总时间。生产能力V0单位时间处理反应物料的体积。转化率为0.8时操作周期有效体积VR反应器中反应物料体积。装料系数γ有效体积与实际体积之比。3.2.2平推流反应器（PlugFlowReactor简称PFR）特点：（1）连续进料，连续出料；（2）反应物料的浓度和温度沿流动方向位置连续变化；（3）与流动方向垂直截面上的反应物料的浓度和温度相等，且不随时间变化，是定常态操作过程。应用：气相反应物料衡算对管内任一微元体积dV，衡算式如下：即或∵∴则得（3.2-4）式（3.2-4）积分得PFR设计方程利用设计方程计算τ再根据定义求反应器体积V或管长L。（3.2-5）（3.2-7）（3.2-3）与BR设计方程的比较注意：非恒容反应计算时动力学方程中反应物浓度必须考虑膨胀因子，即采用式（2.6-7）或（2.6-8）表示。表3.2-1列出几种整数级数反应的PFR的设计方程的解析式。其中，一级反应的设计式要熟练掌握。用Simpson法则求积分Simpson公式对函数y=f（x），积分可表示为式中，称为积分步长。n是分区数，一般取偶数。计算方法：（1）计算处的函数值（2）将函数值代入Simpson公式计算积分值。本题取n=4，步长Δx=0.8÷4=0.2，计算过程列于下表代入Simpson公式得所以3.2.3全混流反应器（ContinuousStirredTankReactor简称CSTR）特点：（1）连续进料，连续出料；（2）反应器内各点浓度和温度均匀一致，且与出口处相等；（3）反应器内浓度和温度不随时间变化，是定常态操作过程。物料衡算故整理得若则有（3.2-8）式（3.3-8）是CSTR设计方程，它是代数方程，不需积分。表3.2-2列出不同反应的CSTR设计方程。解：依题意B是着眼组分。反应前后各组分浓度计算如下：A+BP+RxB=03.0/22.0/200xB=0.81.5－1.0×0.81.0×(1－0.8)1.0×0.81.0×0.8CSTR中，等温反应速率可由反应器出口浓度计算所以，每股进料流量应为2.5L/min。3.3组合反应器3.3.1多个全混釜串联多釜串联反应器的操作流程见图3.3-1。定常态操作时，对任意第i釜进行物料衡算：（3.3-1）对恒容系统可导出（3.3-2）假设是一级不可逆反应代入式（3.3-2）整理得：i=1i=2逐级计算。。。。。。i=N从i=1至N将以上各式连乘得（3.3-4）假设则式（3.3-4）可写为（3.