3釜式反应器讲述.ppt

第三章 釜式反应器 本章内容 概述 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。 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。物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。 反应器特征 分批式操作（间歇操作） 指反应物料一次性投入反应器内 反应过程中不再向反应器投料，也不向外排料 待反应达到要求的转化率后再全部放出反应产物 完全混合 反应器内各点温度、浓度等状态完全相同 间歇操作 batch reactor, BR ? 复合反应－连串反应 ? 空时与空速的概念： ? 空时： 例如：含A和B的液体以1.0 L/min的流量流入体积为1.0 L的CSTR中，并产生复杂反应，其化学计量关系未知，反应器进口物料中A、B浓度分别为CA0 0.1 mol/L，CB0 0.01 mol/L。出口物料中含A、B、C，浓度分别为CAf 0.02 mol/L，CBf 0.03 mol/L，CCf 0.04 mol/L，求此反应器中A、B、C的反应速率分别为多少？ 解：由于为液相反应，因此可当作等容反应。 根据CSTR物料衡算方程，有： 对组分A： 而 因此， 同理，可计算其他组分的反应速率： 分批式反应器和全混流反应器的比较 相同点 反应器内均属于完全混合 不同点 加料方式不同：一次性与连续 反应速率不同：随时间变化与不变 反应器的容积效率不同 反应器的容积效率 设计方程 对分批式操作： 对全混流反应器： 产量的计算方程 分批式操作： 全混流反应器： 可知 对于反应级数大于0的反应，当达到的同样转化率及产量时，τ＞t，即：VCSTR＞VBR 全混流反应器的容积效率 分批式反应器的容积与全混流反应器所需反应器容积之比： 由此可知： 反应级数大于0的反应，η＜1 反应级数小于0的反应，η＞1 产生这一结果的原因 全混流反应器中存在返混 间歇反应器中不存在返混 反应器中的流动模式影响到了反应结果 多釜串联组合全混流反应器特征与目的 CSTR 处于最低浓度下运行 间歇式反应器 B.R. 只在最后才达到CSTR的浓度，所有反应时间内反应器内反应物浓度均高于CSTR 对于反应级数大于0的反应，间歇式反应器的容积利用系数较CSTR为高 为了强化CSTR的容积利用系数，可采用多个CSTR串联的操作方式 思考 ? 1. 用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小 2. 若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？ （Vr最小 3. 若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？ 或各釜的最佳反应体积比如何？ 等温、等容、各级体积相等情况的图解计算 等温、等容、各级体积相等情况的图解计算 2. 串联釜式反应器的计算 3.串联釜式反应器的最佳反应体积比 即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。 小结：串联釜式反应器进行? 级反应： 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 例如：CSTR中进行一级不可逆串联反应：A→P→S 主、副反应均为一级不可逆反应 。其中，k1，k2，CA0，Cp0 Cs0 0 对反应物A： 对中间产物P： 对产物S： 若P为主产物，则Cp为最大时，满足： 可得到最优空时为： 相应最高主产物浓度： 根据上述的结果，可对CSTR反应器进行优化设计。 同时也可与第二章结果进行比较。 半分批式操作的釜式（完全混合）反应器 反应器特征 操作目的 反应器分析 反应器特征 半分批（半间歇）操作 在反应过程中某一反应组分连续缓慢地加入反应器，或某一产物连续不断地从反应器内排出，而其它反应组分或反应产物则象分批操作那样一次投入或一次从反应器内排出。 流动模式 反应器内呈完全混合 操作目的 控制反应速率以控制反应的热效应，以便温度控制 有目的地抑制某一副反应的反应速率以期改善反应的产物分布，提高产物的收率 反应器分析 以A + B → R（二级不可逆反应）为例： 若反应物A连续滴加，反应物B一次性投入反应器，则反应物B远较A过量，可认为CB const，此时，可认为该反应为拟一级不可逆反应，即： 物料衡算 对组分A： CA0：滴加液中A的浓度（注意：不是反应器中A的初始浓度）； CA：t时刻反应器中A的浓度； v：A的滴加速率，体积/时间； V：反应器中反应物体积，为一个随时间t的变化量； 初始条件： 求解微分方程得到： 代入初始条件，得： 对产物R： 能量分析 反应器中的放热速率： 当反应为强放热反应，即（-ΔHr）很大时，可通过控制A的滴加速率vCA0来控