• / 76
  • 下载费用:10 金币  

3 釜式反应器.ppt

关 键 词:
3 釜式反应器.ppt
资源描述:
釜式反应器,反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产任务所需的反应器体积和主要尺寸。 对于反应器的分析计算需要建立适当的数学模型,本章将针对两类理想的反应器模型(间歇釜式反应器模型和全混流反应器模型)进行讨论和分析,考察反应器性能与各种因素的关系,反应器性能的优化设计问题等。具体内容包括:,研究内容,3.1 釜式反应器的物料衡算方程 3.2 等温间歇釜式反应器的计算(单一反应) 3.3 等温间歇釜式反应器的计算(复合反应) 3.4 全混流反应器的设计 3.5 全混流反应器的串联与并联 3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性 3.7 半间歇釜式反应器 3.8 变温间歇釜式反应器的计算 3.9 全混流反应器的定态操作与分析,重点掌握内容,等温间歇釜式反应器的计算(单一反应、平行与连串反应)。 连续釜式反应器的计算 。 空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。 连续釜式反应器的串联和并联。 釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析,连接和加料方式的选择。 连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。,其它要求,深入理解: 变温间歇釜式反应器的计算。 广泛了解: 串联釜式反应器最佳体积的求取方法。 连续釜式反应器的多定态分析与计算。 产生多定态点的原因,着火点与熄火点的概念。,3.1 釜式反应器的物料衡算方程,反应器设计的基本内容: 选择合适的反应器类型 确定最佳操作条件 计算完成规定的生产任务所需的反应器体积(尺寸)最终的目标是经济效益最大(实际上不应该仅仅针对反应系统,应该包括整个过程),动量衡算-描述压力的变化情况,能量衡算-描述温度的变化规律,物料衡算-描述浓度的变化规律,衡算的基本方程,注意的问题,首先要选择控制体 如果反应器内各处浓度均一,衡算的控制体选择整个反应器。 如果反应区内存在两个或两个以上相态,反应体积内各点的反应物料组成未必相同,这时只能选择微元体积作为控制体。 对于复杂反应,方程数大大增多,3.2 等温间歇釜式反应器的计算(单一反应),间歇反应器特点: 分批装、卸; 适用于不同品种和规格的产品的生产,广泛用于医药、试剂、助剂等生产; 整个操作时间=反应时间+辅助时间(装料+卸料+清洗); (每批) 计算经验估计。,,一、 反应时间和体积的计算,(A —— 关键组分),(总是成立的),(单一反应),(复杂反应),对反应,则:,因为整个反应器中浓度均一,将整个反应器作为控制体,那么根据物料衡算方程,有,初值条件为:t=0, XA =0 ;t=t,XA=XAf,该式可用于均相、多相,等温或非等温过程。 对于间歇反应器,由于dV=0,若为均相,积分上式,得,则,此时,对于单一反应,式(1)也可写成:,(1),(2),反应时间和体积的计算,,,对于可逆放热反应,是上面的结论仍然正确吗?,设反应速率方程为,(不可逆反应),则,在等温下有:,当温度T↑时,反应速率常数k↑,导致达到规定转化率所用的反应时间t↓。,实际的反应器体积为: f -装填系数 ,一般取0.4~0.85 对于沸腾或易发泡液体物料 f = 0.4~0.6 对于一般流体 f = 0.7~0.85,α=1,t与 CAO无关 t与 rA 有关与 Vr无关 Vr与Q0(单位时间内处理的反应物料的体积)有关,有,注意的问题,二、最优反应时间,对于一定的化学反应和反应器,当反应时间t↑时, nR(总产量)↑,但 nR/tT (按单位操作时间计算的产品产量)不总是增加的,存在最优值。如果将目标函数定义为:,对于间歇釜式反应器,总反应时间可以表示为:,那么通过求解:,若以生产费用最低为目标,并设单位时间内反应操作费用为a,辅助操作费用为a0,而固定费用为af,则单位质量产品的总费用为,令,则得,最优反应时间,最优反应时间的图解解法,3.3等温间歇釜式反应的计算(复合反应),一、平行反应 在等温间歇反应器中,设进行的反应为一平行反应: A→P rP=k1CA P为目的产物 A→Q rQ=k2CA,根据物料衡算可以得到:,(反应体系只有两个独立反应,当然只要两个方程就够了)。,设初值条件为:t=0 时,CA=CA0,CP=0,CQ=0,则方程的解为,对于均相,恒容过程方程进一步变为:,反应物系的组成随时间的变化关系如图3-3所示,由图可见,t ↑,CA↓,而CP↑、CQ↑,进一步:,由于产物P是目的产物,希望k1k2。,而且,(由于两个反应均是一级),图3-3 平行反应组成随时间的变化关系,例. 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3,目的产物为P,试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。解:由题知,将速率表达式代入等温间歇反应器的设计方程式 可有,上式积分结果为,,将t=3h、cA0=2kmol/m3代入上式,可求组分A的浓度因此,A的转化率为,上两式相除可得分离变量进行积分得,下面求P的收率 由题给的速率方程可知,P的收率为,代入数据得,二、连串反应,若t =0时,CA=CA0,Cp=0,CQ=0,积分得:,一级不可逆连串反应,物料衡算方程:,图3.4 连串反应的组分浓度,令dCp/dt =0可得最优反应时间 topt:,以上结论是针对两个一级反应而言的,但也适用于多个反应; 对于非一级反应,可按上边的方法同样处理,只是大多数情况都很难获得解析解,需用数值解法。 思考题: k1=k2时,上面各式均变成了不定式,这种情况下应如何来确定反应时间与P和Q的浓度间的关系?中间产物P的浓度变化曲线是否还存在极大点?,小 结,CP=k1CA0te-k1t,3.4 连续釜式反应器的反应体积,间歇釜式反应器:各参数随时间变化,一次装卸料; 连续釜式反应器:基本在定态下操作,有进有出。 一、连续釜式反应器的特点: 反应器的参数不随时间变化; 不存在时间自变量,也没有空间自变量; 多用于液相反应,恒容操作; 出口处的C, T= 反应器内的C, T 。,对于恒容过程,有 :,二、设计方程,Q0-m3/s,CA-kmol/m3,根据物料衡算方程:,注意对于单一反应 (-A)=rA,最后得到连续釜式反应器设计方程为 :,即,由此得到 :,几何意义,,演示,Q0,,,反应器内C、T 恒定,不随时间变化,也不随位置变化。所以其内的A 在各点处相同,也不随时间变化 — 等速反应器。 当同时进行多个反应时,只要进出口组成和Q0已知,就可以针对一个组分求出反应体积Vr(如上式所示)。,几点注意,τ↓,生产能力↑(比较时QO应在相同的T, P 下求得,即在同一基准下进行比较。) ;τ↑生产能力↓; dV=0的过程τ= t,即物料在反应器内的停留时间等于空时。 2. 空速-单位反应体积、单位时间内所处理的物料量,可表示为空时的倒数,即,二、两个重要的物理量-空时、空速,1. 空时-衡量生产能力(只针对连续反应器而言),其定义为:,s↑时,生产能力↑。,为了便于比较,通常采用“标准情况下的体积流量”。 对于有固体催化剂参与的反应, 用催化剂空速(往往以催化剂质量或体积衡量)。 几种不同的空速:质量空速(m3/g-cat)、体积空速(m3/ m3 cat)液空速(m3液体原料/g-cat、 m3液体原料/ m3 cat )碳空速、烃空速等,其他几种术语,3.5 连续釜式反应器的串联与并联,从图中看出,对于正常动力学,多釜串联有利;对于反常动力学,则使用单釜有利,如使用多釜,采用并联的方式。,几何意义,问题的提出:实际生产中,常常遇到使用多个釜式反应器的问题。那如何将这些反应器联接起来使用呢?,一、 概述 设计方程为:,对第一釜有:,对第二釜有:,图3-5 连续釜式反应器体积的几何图示,,问题之一:串联操作各釜体积如何分配,图3-6 并联的釜式反应器,问题之二:并联操作各釜流量如何分配,通常可以采取τ1=τ2,这时整个反应系统最优。即要,这时有 :,并联情况,二、 串联釜式反应器的计算,现在针对1级不可逆反应进行计算(针对其他级数反应的计算方法相同),动力学方程为: rA=kCA=kCA0(1 - XA),假设N个串联的釜式反应器如图 所示。可以通过对每个釜进行物料衡算,得到系统的计算方程。,图3-7 串联的釜式反应器,假定每个釜的体积相同,即Vr1=Vr2=……,那么每一个釜的空时相同τ1=τ2=……=τ,如果反应器中的温度T相同(保证k 一样),针对第p个釜进行物料衡算,有,整理后得到,p=1,2,…… N,p=1,2,…… N,其中, =Vn/Q0 。将每一个釜的衡算方程相乘,得到,总的反应体积为:,即,或,最后有,整个系统的空时为,,对于非一级反应,没有解析解,需要进行逐釜计算。根据已知条件,可以将逐釜计算过程分成如下两种。 (1) 每一个单釜的体积V r i已知 此时每个釜的空时τ已知 ,X A N或C A N(逐一的计算),直至求出到达XAN 所需的釜数N。 (2) 釜数N已知 需要先假设空时τ,按(1)的方法逐釜计算 求出第N个釜出口的转化率,并与要求的转化率XAN对比,如果不一致需要重新假设空时τ,重复进行计算,直到两者吻合为止。 也可采用作图法来求解,但首先要在二维坐标中绘出转化率与反应速率的关系曲线,然后利用下面的公式逐釜作折线。,方程求解,图3.8 作图法确定串联釜式反应器各釜的出口转化率,三、串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比,将上式分别对X A p(p=1,2,…,N-1)求导得,优化的目标函数为,令Vr /XAP=0,得:,对于 级反应, ,得到的结论为:,结论,3.6 釜式反应器中复合反应的收率和选择性,对于复杂反应,目的产物的收率和选择性是非常重要的,反映了原料的有效利用程度。收率和选择性与反应器的型式,操作方式和操作条件密切相关。,,,其中,μPA的物理意义是生成1mol的目的产物P要消耗A的mol数。,或,一、 总收率与总选择 瞬时选择性,(1) 瞬时收率可能随时间变化。间歇反应器就是一例; (2) 对于连续反应器(在定态下操作),瞬时选择性不随时间变化,但可能随位置变化,这时要用到总收率,其定义为:,,总选择性与瞬时选择性关系,YPf是总收率,针对整个反应器而言的。如果用S0表示总选择性(对整个反应而言),那么,应该注意,图 3.10 釜式反应器的最终收率,(1) XA↑时,S↓的情形,对于间歇釜式反应器,= 整个曲边梯形的积分面积,对于连续釜式反应器,= 矩形的面积,(2) 对于XA↑时,S↑的情况 结果恰恰与上面的相反(不妨自己分析一下)。,从图中可以看出,多釜串联系统介于间歇釜式反应器和连续釜式反应器之间,即: (Yaf)间 (Yaf)串 (Yaf)连,讨论,二、平行反应,设在釜式反应器中进行平行反应: A+B→P rp=k1CA 1CB 1 A+B→Q rQ=k2CA 2CB 2 假设P为目的产物,则瞬时选择性为,,,,反应组分A和B的浓度CA、CB,以及温度T均对选择性S有影响。可以根据 2-1、 2-1和 E2-E1 的相对大小,选择适当的反应组分浓度和温度,来提高反应的选择性S。,(1)若1 2 、 1 2,此时A、B的浓度越高,选择性越大。属于XA↑时,S↓的情形。结论:间歇釜优于多釜串联(如果体积不等,从小到大排列)优于单釜连续操作。这是因为间歇釜中CA 和CB高于多釜串联高于单釜连续操作,因此有利于反应选择性提高。,(2) 若1 2 、 1 2,此时CA ↑ , CB ↓ ,选择性越大。结论:可选择A 一次性加入, B流加。,,,,,A,,B,CA高、CB低,关于操作温度,另外,要得到较高的生产强度,反应过程需要在较高的温度下进行。当E2E1时,虽然温度低有利于选择性的提高,但应尽可能使反应在较高的温度下进行,实际上存在一个最佳温度值。 对于连续釜式反应器,在此温度下操作可使目的产物的产量最大; 间歇釜式反应器则存在最佳温度程序,对于不同反应时间,应保持不同的操作温度。,在等温间歇反应器中,可以得到最佳反应时间 和目的产物P的最佳收率:,三、 连串反应,假设如下的连串反应均为一级,P为目的产物,在连续釜式反应器进行上述连串反应,最佳空时(不是反应时间)和最佳收率又怎样呢?首先根据物料衡算式,有,得到:,最佳空时和最佳收率,目的产物收率与转化率的关系可以表示为:,最佳收率为:,由设计方程得:,对于间歇釜式反应器,则有:,,图例,间歇釜式反应器和连续釜式反应器性能的差别,图 3.12 间歇及连续釜式反应器进行连串反应时的转化率和收率,YP,间歇 YP,连续,关注最大收率的轨迹线,应该注意的问题,可以通过改变操作温度的办法来改变k2/k1 的相对大小,但无论E2和E1相对大小如何,一般采用较高的反应温度,以提高反应器的生产程度;可以使用催化剂来改变k2/k1。 当然,如果Q是目的产物,问题就简单多了。采用反应时间t↑、空时τ↑的办法即可。,3.7 半间歇釜式反应器(自学),内容掌握: 特点、应用场合; 反应物、产物浓度变化特点;,问题提出: (没有体积功)间歇釜式反应器做到等温操作很困难,当热效应小时,近似等温可以办到,如果热效应大时,很难做到;温度会影响到 和反应器的生产强度等,很多时候变温的效果更好。 对于封闭物系,如不考虑轴功则有:,使用 更为方便 选择衡算的控制体为整个反应器。dt 时间内,物系与外界交换热量为dq,焓变为dH;在 t 时刻,温度为T,而在t+dt 时刻,温度为T+dT。由于焓变与过程无关,假定反应在基准温度Tr下进行,则:,3.8 变温间歇釜式反应器,注意: 反应热是对关键组分A的反应热,而且是在基准温度下的值。 与外界的热交换为: dq=UAh(Tc-T)dt 式中,U为总传热系数,Ah传热面积,Tc为换热介质温度。这样结合上面各式,有,(dH ) (dq ) TcT 向系统供热;TcT 向外界移热。无论是吸热还是放热,开工时都需要先加热。,积分上式得:,几种特殊情况,,等温操作:dT =0,,绝热操作:A=0,,间歇反应器物料衡算式:,,结合(1)(2)得到dT与dXA的关系为:,温度T的控制很重要,如果控制不住,反应热不能及时移走,会导致反应物系温度急剧上升,严重的会产生爆炸。如苯的硝化反应就是一例。,(1),(2),连续釜式反应器(CSTR)内物料的温度和浓度均一。 若达到定态操作,T, C不再随时间变化,即此时CSTR内的T 和C不随位置变化,也不随时间变化,为定值。 CSTR的定态点,即操作的T和C由物料平衡和热量平衡确定。 一、 CSTR的热量衡算式 连续釜式反应器是一个敝开物系流动系统。在定态操作条件下,根据流动系统的热力学第一定律,可以得到整个反应体积的热量衡算式 d H=d q ΔH -系统的焓变,包括两个部分 ① 进出料液的焓变ΔH1、ΔH3 ; ② 化学反应热效应ΔH2,3.9 连续釜式反应器的定态操作,ΔH= ΔH1 + ΔH2 + ΔH3,注意: ΔH 为状态函数,只与起始状态有关。,我们可以以进料温度T0为基准温度下进行, 则与间歇操作相同,可以得到CSTR的热衡算式为 :,结合物料衡算式,,有 Vr(-RA)=Q0CA0XA ,代入上式:,称为绝热温升,,绝热温升意义:当反应物系中的A全部转化时,物系温度升高(放热)或降低(吸热)的度数。,其中,绝热操作:A=0,则有:,将上式代入热衡算式,二、 定态操作,现仅针对一级不可逆放热反应看一下CSTR的定态点问题,此时,CSTR物料衡算式为,或,则仅当qr=qg时(交叉时)才能够达到定态。 由于qr ~T 线性关系,qg ~T 为非线性关系,即交点可能是一个,二个或三个,那么有可能出现下面两种情况:,生热速率,对T 高度非线性关系,令:,移热速率,对T 是线性关系,图中具有稳定性的定常态点:1、2、6、7、8 不具有稳定性的定常态点:3、4、5,观察稳定的定态点及不稳定的定态点看出: 稳定定态点的必要条件是:,(又称为斜率条件),(2) 改变其它条件之一,Tc或Q0 a. Tc 变化结果与To 变化相似,可以得到类似的结果 b. 但如果Q0 变化,τ=Vr / Q0 也变化。 qr~T 的斜率,截距的改变 qg~T 的曲线发生变形,(1) 其它条件不变,只改变进料温度T0 To↑截距↓截距直线向右方向移动,为什么是必要条件?原因是当改变其它条件时,操作点(交叉点)会随之变化,并不能达到稳定!如Tc 随时间变化等等,概念题,1. 在间歇或连续釜式反应器中进行一级不可逆连串反应,如果中间的产物是所要的目的产物,在两种反应器中目的产物的收率均随转化率改变。两种反应器中目的产物的收率符合: A. 间歇釜式反应器中的收率大 B. 连续釜式反应器中的收率大 C. 两者相等 D. 依具体情况确定,2. 对于变温间歇釜式反应器和连续釜式反应器,在绝热反应条件下具有相同的温度随转化率的变化关系式。对于连续釜式反应器,该关系式表示: A. 不同时间下转化率与温度的关系 B. 不同轴向位置上温度与转化率的关系 C. 不同径向位置上温度与转化率的关系 D. 反应器中温度与转化率的关系,3. 如果选择性随转化率的增加而下降,那么不同操作方式下的釜式反应器,在相同的转化率下最终收率的大小的顺序是: A. 间歇釜、多个釜串联、单一连续釜 B. 多个釜串联、单一连续釜、间歇釜 C. 单一连续釜、间歇釜、多个釜串联 D. 间歇釜、单一连续釜、多个釜串联,4. 连续釜式反应器操作中存在着火点和熄火点问题,无论是着火点还是熄火点,均是由于釜式反应器中存在的 A. 多定态问题 B. 稳定的定态点问题 C. A和B两者的综合 D. 都不是,5. 在实际生产中,有时需要对釜式反应器进行并联操作。若要达到最佳效果,对并联的各釜有一定的要求,即: A. 各釜体积相等 B. 各釜进料流量相同 C. 各釜的空时相同 D. 都不是,
展开阅读全文
  微传网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:3 釜式反应器.ppt
链接地址:https://www.weizhuannet.com/p-9797073.html
微传网是一个办公文档、学习资料下载的在线文档分享平台!

网站资源均来自网络,如有侵权,请联系客服删除!

 网站客服QQ:80879498  会员QQ群:727456886

copyright@ 2018-2028 微传网络工作室版权所有

     经营许可证编号:冀ICP备18006529号-1 ,公安局备案号:13028102000124

收起
展开