第六章 基本反應(yīng)器

1、1第六章第六章 基本反應(yīng)器基本反應(yīng)器2第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或變化過(guò)程分為物理過(guò)程與化學(xué)過(guò)程兩大類，其中物理過(guò)程可以不涉及化學(xué)反應(yīng)，例如分析力學(xué)，電動(dòng)力學(xué)，統(tǒng)計(jì)力學(xué)等。但化學(xué)反應(yīng)過(guò)程卻總是與物理因素，例如濃度，壓力，濃度等，有著緊密的聯(lián)系。所以化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是物理與化學(xué)兩類因素的綜合過(guò)程。1957年第一次歐洲反應(yīng)工程會(huì)議上確定了“化學(xué)反應(yīng)工程”這一學(xué)科名稱。 一、化學(xué)反應(yīng)工程簡(jiǎn)介一、化學(xué)反應(yīng)工程簡(jiǎn)介3反應(yīng)工程與其它學(xué)科的關(guān)系反應(yīng)工程與其它學(xué)科的關(guān)系反應(yīng)工程反應(yīng)工程 化工熱力學(xué)化工熱力學(xué)工程控制工程控制傳遞過(guò)程傳遞過(guò)程催化劑催化劑化學(xué)工藝化學(xué)工藝流體力學(xué)流體力學(xué)穩(wěn)定性穩(wěn)定性反應(yīng)動(dòng)力

2、學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)量化學(xué)計(jì)量化學(xué)最優(yōu)化技術(shù)最優(yōu)化技術(shù)放大放大設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)4一個(gè)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)一般要經(jīng)過(guò)下面三個(gè)步驟：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 提出數(shù)學(xué)模型中型實(shí)驗(yàn) 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用 大設(shè)備的設(shè)計(jì) 放大的依據(jù)：相似論 (相似準(zhǔn)數(shù)Re、Pr、Nu、Pe、Sc等)1. 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法5 綜上所述，可見(jiàn)目前化學(xué)反應(yīng)工程處理問(wèn)題的方法是實(shí)驗(yàn)研究和理論分析并舉。在解決新過(guò)程的開(kāi)發(fā)問(wèn)題時(shí)，可先建立動(dòng)力學(xué)和傳遞過(guò)程模型，然后再綜合成整個(gè)過(guò)程的初步的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型所作的估計(jì)來(lái)制定試驗(yàn)，特別是中間試驗(yàn)方案，然后用試驗(yàn)結(jié)果來(lái)修正和驗(yàn)證模型。6化工過(guò)程：化工過(guò)程：一個(gè)特定的化工產(chǎn)品，從原料到

3、產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)后處理產(chǎn)品 化學(xué)反應(yīng)這一步是化工過(guò)程的核心，起著主導(dǎo)是化工過(guò)程的核心，起著主導(dǎo)作用作用，它的要求和結(jié)果決定著預(yù)處理的程度和后處理的難度?；瘜W(xué)反應(yīng)器的定義：化學(xué)反應(yīng)器的定義：用于化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，是用于化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，是化工企業(yè)的關(guān)鍵裝置化工企業(yè)的關(guān)鍵裝置。2. 化學(xué)反應(yīng)器簡(jiǎn)介化學(xué)反應(yīng)器簡(jiǎn)介7對(duì)反應(yīng)器的要求對(duì)反應(yīng)器的要求1 反應(yīng)器反應(yīng)器 要有足要有足 夠的體夠的體 積積2 反應(yīng)器反應(yīng)器 要有適要有適 宜的結(jié)宜的結(jié) 構(gòu)構(gòu)4 反應(yīng)器反應(yīng)器 要有足要有足 夠的機(jī)夠的機(jī) 械強(qiáng)度械強(qiáng)度 和耐腐和耐腐 蝕能力蝕能力3 反應(yīng)器反應(yīng)器 要有足要有足 夠的傳夠的傳 熱面積熱面積5

4、反應(yīng)器要反應(yīng)器要 易操作、易操作、 易制造、易制造、 易安裝、易安裝、 易維修易維修8按物料的聚集狀態(tài)1按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)23二、化學(xué)反應(yīng)器的分類二、化學(xué)反應(yīng)器的分類按操作方式9均相反應(yīng)器均相反應(yīng)器：氣相（石油氣裂解）、互溶液相（醋酸和乙醇的酯化反應(yīng)）非均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器：氣液相（乙烯和苯反應(yīng)生成乙苯）、氣固相、液固相、液液相、固固相、氣液固三相按物料的聚集狀態(tài)按物料的聚集狀態(tài)10反應(yīng)器反應(yīng)器按操作方式按操作方式11按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器12釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：

5、釜體釜體換熱裝置換熱裝置攪拌裝置攪拌裝置13釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器釜體釜體：由殼體和上、下封頭組成，其高與直徑之比一般13之間。在加壓操作時(shí)，上、下封頭多為半球形或 橢圓形；而在常壓操作時(shí)，上、下封頭可做為平蓋，為了放料方便，下底也可做成錐形。14釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器換熱裝置換熱裝置15攪拌裝置攪拌裝置釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器16特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣泛，投資少，投產(chǎn)容易，可以方便地改變反應(yīng)內(nèi)容。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：換熱面積小，反應(yīng)溫度不易控制，停留時(shí)間不一致。絕大多數(shù)用于有液相參與的反應(yīng)，如：液液、液固、氣液、氣液固反應(yīng)等。釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器17釜式反應(yīng)器串聯(lián)釜式反應(yīng)器串聯(lián)18管式反應(yīng)器管式反應(yīng)

6、器基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)主要用于氣固主要用于氣固相反應(yīng)相反應(yīng)由一根或多根管子串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的反應(yīng)器，長(zhǎng)度與直徑之比一般大于。19固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器202122固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器23固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器對(duì)對(duì)外外換換熱熱式式固固定定床床反反應(yīng)應(yīng)器器24自熱式固定床反應(yīng)器自熱式固定床反應(yīng)器催化劑層催化劑層25流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器1. 散式流化和聚式流化散式流化和聚式流化2. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3. 床型床型261. 散式流化和聚式流化散式流化和聚式流化272. 流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)1-加料口加料口2-氣固分離裝置氣固分離裝置3-殼體殼體4-換熱器換熱器5-內(nèi)部構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)件6-卸料

7、口卸料口7-氣體分布裝置氣體分布裝置283. 流化床反應(yīng)器的床型流化床反應(yīng)器的床型29第二節(jié)第二節(jié) 理想流動(dòng)模型和理想反應(yīng)器理想流動(dòng)模型和理想反應(yīng)器 空間上的混合 時(shí)間上的混合（反混）一、流體混合的概念及意義一、流體混合的概念及意義二、理想流動(dòng)模型二、理想流動(dòng)模型 間歇完全混合流動(dòng)模型 連續(xù)理想混合流動(dòng)模型 連續(xù)理想排擠流動(dòng)模型30間歇完全混合流動(dòng)模型間歇完全混合流動(dòng)模型空間混合完全完全反混完全不完全不1. 混合情況混合情況2. 特點(diǎn)特點(diǎn)所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間相同停留時(shí)間相同，并可人為地加以控制；物料在空間上各點(diǎn)的參數(shù)是均一的，但隨著時(shí)間物料在空間上各點(diǎn)的參數(shù)是均一的，但隨著時(shí)間而變化而

8、變化。間歇攪拌釜式反應(yīng)器間歇攪拌釜式反應(yīng)器31連續(xù)理想混合流動(dòng)模型連續(xù)理想混合流動(dòng)模型空間混合完全完全反混完全完全1. 混合情況混合情況2. 特點(diǎn)特點(diǎn)反應(yīng)器內(nèi)以及出口物料的組成和溫度等參數(shù)均勻一致參數(shù)均勻一致，且不隨時(shí)間、空間變化；各物料微元在反應(yīng)器內(nèi)的停留停留時(shí)間不盡相同時(shí)間不盡相同，存在停留時(shí)間分布。帶強(qiáng)烈攪拌的連續(xù)釜式反應(yīng)器帶強(qiáng)烈攪拌的連續(xù)釜式反應(yīng)器物料以穩(wěn)定的流量穩(wěn)定的流量進(jìn)入反應(yīng)器后，瞬間瞬間就在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分散均勻并與反應(yīng)器內(nèi)原存留的物料完全混合32連續(xù)理想排擠流動(dòng)模型連續(xù)理想排擠流動(dòng)模型空間混合完全不完全不反混完全不完全不1. 混合情況混合情況2. 特點(diǎn)特點(diǎn)在與流動(dòng)方向垂直的任意

9、截面上各點(diǎn)物料的流速、濃度、溫度以及停留時(shí)間等完全一樣；物料的濃度、溫度等個(gè)參數(shù)沿著流動(dòng)方向遞變；在每一截面上物料各參數(shù)都不隨時(shí)間而變化。細(xì)長(zhǎng)型的連續(xù)流動(dòng)管式反應(yīng)器細(xì)長(zhǎng)型的連續(xù)流動(dòng)管式反應(yīng)器物料以穩(wěn)定的流量穩(wěn)定的流量由反應(yīng)器的一端流入反應(yīng)器后，各物料微元沿流動(dòng)方向齊頭并進(jìn)，完全沒(méi)有軸向混合與擴(kuò)散完全沒(méi)有軸向混合與擴(kuò)散，就好像活塞在氣缸里向前平推一樣，又稱“活塞流”。33第三節(jié)第三節(jié) 基本反應(yīng)器有效容積的計(jì)算基本反應(yīng)器有效容積的計(jì)算 基本反應(yīng)器：間歇理想釜式反應(yīng)器、連續(xù)理想釜式反應(yīng)器、連續(xù)理想管式反應(yīng)器和多釜串聯(lián)反應(yīng)器對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：流入量流入量 = 流出量流出量 + 反應(yīng)量反應(yīng)量 +

10、 累積量累積量某組分流入量某組分流入量=某組分流出量某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗某組分反應(yīng)消耗量量+某組分累積量某組分累積量流入流入流出流出反應(yīng)消耗反應(yīng)消耗累積累積反應(yīng)單元反應(yīng)單元34一、間歇理想釜式反應(yīng)器一、間歇理想釜式反應(yīng)器dtdtdndtVrARA)(00特點(diǎn)：1）一般為液相反應(yīng)，密度變化不大，可視為等容過(guò)程；2）物料混合完全；3）間歇操作反應(yīng)期間無(wú)進(jìn)料和出料1. 反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算某組分流入量某組分流入量=某組分流出量某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗量某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量某組分累積量現(xiàn)以現(xiàn)以A組分為衡算基準(zhǔn)物組分為衡算基準(zhǔn)物)(Ar以反應(yīng)物以反應(yīng)物A為基準(zhǔn)的反應(yīng)速度，負(fù)

11、號(hào)是表示為基準(zhǔn)的反應(yīng)速度，負(fù)號(hào)是表示A的消耗速度，的消耗速度， mol/m3.sRV反應(yīng)器的有效體積，反應(yīng)器的有效體積， m3Ant時(shí)刻反應(yīng)物時(shí)刻反應(yīng)物A的量，的量， mol35等容過(guò)程，液相反應(yīng)等容過(guò)程，液相反應(yīng)00000AAAfAfCCAAxAAAxAARArdCrdxCrdxVnt此為間歇反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)方程此為間歇反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)方程)1 (00AAAAAARAxnndtdxndtdnVrAfxARAArVdxnt00)(Ax反應(yīng)物反應(yīng)物A的瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率的瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率0An反應(yīng)物反應(yīng)物A起始的量，起始的量， molt反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間，sAfx反應(yīng)物反應(yīng)物A在反應(yīng)時(shí)間在反應(yīng)時(shí)間t時(shí)的轉(zhuǎn)化率時(shí)的

12、轉(zhuǎn)化率0AC反應(yīng)物反應(yīng)物A的起始濃度，的起始濃度，mol/m336圖解表示圖解表示37間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)速率-rA=kCA=kCA0(1-xA)一級(jí)反應(yīng)-rA=kCA2二級(jí)反應(yīng)0AACCAArdCtAfxAAArdxCt00AACCkt0lnAfxkt11lnAfAfAxxktC10011AACCkt382. 反應(yīng)器有效容積和總體積的計(jì)算反應(yīng)器有效容積和總體積的計(jì)算實(shí)際操作時(shí)間實(shí)際操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間(t) + 輔助時(shí)間輔助時(shí)間 (t)反應(yīng)器有效體積反應(yīng)器有效體積VR是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積的體積 VR=V0

13、(t+t)V0為平均每小時(shí)處理物料體積為平均每小時(shí)處理物料體積/RTVV 反應(yīng)器的總體積：反應(yīng)器的總體積：裝料系數(shù)裝料系數(shù)，一般在，一般在0.40.85之間，不起泡不沸騰的物之間，不起泡不沸騰的物料可取料可取0.70.85，易起泡或沸騰的物料可取，易起泡或沸騰的物料可取0.40.639例題：在一個(gè)間歇理想釜式反應(yīng)器中，用乙酸和丁醇生產(chǎn)乙酸丁酯。其反應(yīng)式為：CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O在100 oC下進(jìn)行等溫反應(yīng)。進(jìn)料配比為乙酸/丁醇1/4.97（摩爾比），以少量硫酸作為催化劑。當(dāng)使用過(guò)量丁醇時(shí)，其反應(yīng)速度式為 (-rA)=kCA2（下標(biāo)A表示乙酸）。在上述條件下，反

14、應(yīng)速度常數(shù)為k=17.4 L/(kmol.min)。假設(shè)反應(yīng)前后物料密度不變?yōu)?50 kg/m3。每天生產(chǎn)2400kg乙酸丁酯（不考慮分離過(guò)程的損失），每批輔助時(shí)間為0.5小時(shí)。要求乙酸轉(zhuǎn)化率為80，試計(jì)算反應(yīng)器的有效容積和總?cè)莘e（裝料系數(shù)取0.75）40解：已知每天生產(chǎn)任務(wù)解：已知每天生產(chǎn)任務(wù)2400Kg乙酸丁酯乙酸丁酯hLV/61675. 0/4620平均每小時(shí)處理的原理體積為：平均每小時(shí)處理的原理體積為：根據(jù)反應(yīng)方程式可以得到平均每小時(shí)的乙酸用量根據(jù)反應(yīng)方程式可以得到平均每小時(shí)的乙酸用量)116(乙酸丁酯MhkmolM/08. 18 . 011162424001242400乙酸轉(zhuǎn)化率乙酸丁酯)74,60(丁酯乙酸MMhkgMM/4627497. 408. 16008. 197. 408. 108. 1丁酯乙酸平均每小時(shí)處理的原料總量為：平均每