第一章均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)ppt課件

1、第一章第一章 均相反應(yīng)器均相反應(yīng)器l反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)與混合狀態(tài)反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)與混合狀態(tài)u 返混：不同停留時(shí)間的流體微團(tuán)之間的混返混：不同停留時(shí)間的流體微團(tuán)之間的混 合稱之為返混。合稱之為返混。u 停留時(shí)間：停留時(shí)間：u 空時(shí)和空速：空時(shí)和空速：u返混無窮大： 理想混合，是指反應(yīng)流體在反應(yīng)器內(nèi)的混合瞬間完成，混合所需的時(shí)間可以忽略。反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的物料具有相同的溫度和濃度且等于反應(yīng)器出口物料的溫度和濃度。u返混為零： 反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)以同一流速和沿同一方向流動(dòng)，所有的物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間都相同，不存在返混。 全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器 平推流反應(yīng)器理理想想反反應(yīng)應(yīng)器器l根據(jù)流動(dòng)模型，

2、理想反應(yīng)器分為：根據(jù)流動(dòng)模型，理想反應(yīng)器分為：3.1 3.1 間歇操作的完全混合反應(yīng)器間歇操作的完全混合反應(yīng)器n特點(diǎn)n釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)： 加熱方式 攪拌器形式 溫度測量一、間歇反應(yīng)器特點(diǎn)一、間歇反應(yīng)器特點(diǎn)n1. 反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出。需要一定非生產(chǎn)性時(shí)間；n2.非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度隨反應(yīng)時(shí)間連續(xù)變化，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定；n3.同一瞬時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)溫度相同、濃度相同。夾套式蒸汽加熱反應(yīng)釜夾套式蒸汽加熱反應(yīng)釜內(nèi)外盤管式加熱不銹內(nèi)外盤管式加熱不銹鋼反應(yīng)釜鋼反應(yīng)釜裝配式熱電偶裝配式熱電偶鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶WRNK仿進(jìn)口桿式傳感器仿進(jìn)口可調(diào)節(jié)壓簧螺釘式熱電偶二、間歇反應(yīng)器計(jì)算二、間歇

3、反應(yīng)器計(jì)算1.反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算 根據(jù)物料衡算的積累速度反應(yīng)器中的反應(yīng)量單位時(shí)間的流出量單位時(shí)間的流入量單位時(shí)間AAAARAVrAdndtRAVrAdndt 即：即：對(duì)于間歇系統(tǒng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間取決于反應(yīng)速率，而與反應(yīng)器體積大小無關(guān)；反應(yīng)器的大小由處理量決定。AxRAAAVrdxnt0000AfAxAAxAdxtCr積分得積分得(1)：恒容時(shí)：恒容時(shí)：間歇反應(yīng)器的間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程設(shè)計(jì)方程（1）間歇釜反應(yīng)器圖解間歇釜反應(yīng)器圖解CACAfCA0AfACCAArdCt0Ar1Ar1xAxA0 xAfAfAxxAAArdxCt00/2. 反應(yīng)器有效體積反應(yīng)器有效體積VR的計(jì)算的計(jì)算 一個(gè)操作周期

4、時(shí)間：(tt0) 物料處理量為v0(m3/h)反應(yīng)器的有效體積 VR=v0 (tt0)式中：t0 輔助生產(chǎn)時(shí)間，包括加料、排料、 洗反應(yīng)器和物料的升溫、冷卻。v0 平均每小時(shí)反應(yīng)物料的體積處理量。3.反應(yīng)器實(shí)際體積反應(yīng)器實(shí)際體積V的計(jì)算的計(jì)算 反應(yīng)器的實(shí)際體積是考慮了裝料系數(shù)后的實(shí)際體積(不包括換熱器攪拌器的體積)。RVV 是裝料系數(shù)，一般為是裝料系數(shù)，一般為0.40.85，n不起泡、不沸騰物料取不起泡、不沸騰物料取0.70.85，n起泡、沸騰物料取起泡、沸騰物料取0.40.6。n理想間歇反應(yīng)器中簡單反應(yīng)的結(jié)果反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速率式轉(zhuǎn)化率式零級(jí)rA=kkt=cA0 xA一級(jí)rA=kcA二級(jí)rA=k

5、cA21ln11ktAAktxex或 00011AAAAAAc ktxc ktxxc kt或 +3.2 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器（丙烷分解丙烷分解）CA CA0 CAout 管長 Z/2 Z CA CA0 0 Z/2 CAout Z 時(shí)間 圖 3.4-1 平推流反應(yīng)器圖示 一、平推流反應(yīng)器的特征一、平推流反應(yīng)器的特征1.通過反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)，通過反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)，軸向上以同一流速流動(dòng)，軸向上以同一流速流動(dòng)，在在流動(dòng)方向上沒有返混流動(dòng)方向上沒有返混。2.徑向上物料徑向上物料濃度、溫度濃度、溫度相同相同。 3.所有質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中所有質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中 的的停留時(shí)間都相同停留時(shí)間都相同。二、平推流反應(yīng)器

6、時(shí)間的計(jì)算二、平推流反應(yīng)器時(shí)間的計(jì)算流入量流出量反應(yīng)量累積量流入量流出量反應(yīng)量累積量AFAAdFFdARrV0ddAARFrVAA0AddFFxA2A1RAA00AdxxVxcvr平推流反應(yīng)器圖解計(jì)算平推流反應(yīng)器圖解計(jì)算若在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行摩爾數(shù)增加的氣相反若在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行摩爾數(shù)增加的氣相反應(yīng)，則平均停留時(shí)間是否與空時(shí)相等？應(yīng)，則平均停留時(shí)間是否與空時(shí)相等？Ar1xAxA0 xAf00/AfAxAAxAdxCr3.3 理想連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器理想連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器一、特點(diǎn)一、特點(diǎn)1. 反應(yīng)器內(nèi)各空間位置溫度、濃度均一。2. 返混無窮大3.反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度與出口處

7、濃度、溫度相同。CA0 FA0 v0 T0 CA FA v Tm，out Tout G Tm，in G VR T=Tout Ci=Ci，out 全混流反應(yīng)器濃度全混流反應(yīng)器濃度-時(shí)間圖時(shí)間圖tCACA0t0t二、全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程二、全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程 FA0 FA rAVR 0 的積累速度反應(yīng)器中的反應(yīng)量單位時(shí)間的流出量單位時(shí)間的流入量單位時(shí)間AAAAAAARrvFFvV000AAArCC0AAArxC0全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程設(shè)計(jì)方程恒容時(shí)恒容時(shí) FA0 FA = rAVRA0AAC-C =r全混流反應(yīng)器圖解計(jì)算全混流反應(yīng)器圖解計(jì)算CACA0Ar1CCACA0AfA0CAC

8、AdCt = -r間歇釜和全混流反應(yīng)器比較間歇釜和全混流反應(yīng)器比較Ar1CA0AAC-C =r3.4 組合反應(yīng)器平推流反應(yīng)器組合平推流反應(yīng)器組合全混釜反應(yīng)器串聯(lián)全混釜反應(yīng)器串聯(lián)不同形式反應(yīng)器的組合不同形式反應(yīng)器的組合1.平推流反應(yīng)器的串、并聯(lián)操作特點(diǎn)：若忽略物料在管線中的停留，則特點(diǎn)：若忽略物料在管線中的停留，則并聯(lián)反應(yīng)器，每個(gè)支線應(yīng)保證空時(shí)相等；并聯(lián)反應(yīng)器，每個(gè)支線應(yīng)保證空時(shí)相等；串聯(lián)反應(yīng)器，與總體積為串聯(lián)反應(yīng)器，與總體積為V V的單個(gè)反應(yīng)器反應(yīng)的單個(gè)反應(yīng)器反應(yīng) 結(jié)果相同。結(jié)果相同。2.2.多釜串聯(lián)組合的全混流反應(yīng)器多釜串聯(lián)組合的全混流反應(yīng)器多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的特點(diǎn)多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的特

9、點(diǎn)CAfCA0Ar1CA1CA2CA3CA0CA1CA2CA3CA4（橫向切割（橫向切割限制返混）限制返混）解析計(jì)算（逐釜計(jì)算法）：解析計(jì)算（逐釜計(jì)算法）：iAiAiAiAiAiAAiRirCCrxxCVV)()()(,1,1,00,當(dāng)當(dāng)n=1n=1時(shí)時(shí)AiiAiAiiCkCC1iiAiAikCC111當(dāng)各釜容積相同且在相同的溫度下操作時(shí)當(dāng)各釜容積相同且在相同的溫度下操作時(shí)NiAANkCC)1 (10單釜空時(shí)，單釜空時(shí)，V=NVi=Nv0 i穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài) 定容定容)11(.11,1 ,2,01 ,0,miimAmAAAAAAmAkCCCCCCCC)(111AiAiiAiAiAiAiiCCrrCCb

10、.根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程做根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程做rA CA關(guān)系曲線關(guān)系曲線rACACA1CA2CA3CA0 圖解法圖解法 反應(yīng)速率方程為反應(yīng)速率方程為物料衡算式為：物料衡算式為：A+B R （CB0 CA0 ，2級(jí)反應(yīng)）級(jí)反應(yīng)） 3.5 3.5 半連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器半連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器VCR=vCA0t-VCAAB半連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器半連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器CA / CA0CR / CA0C / CA03.6 反應(yīng)器非等溫過程分析基本概念和原理基本概念和原理非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性分析全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性分析一、基本概念和原理n反應(yīng)熱Hr，J/mol。吸熱為正，放熱為負(fù)。

11、21Tr2r1pTHHc dT cp-生成物與反應(yīng)物之差。n平衡常數(shù)平衡常數(shù)K（范（范-霍夫方程）霍夫方程）r2HdlnKdTRTn溫度對(duì)不可逆反應(yīng)的影響允許最允許最高溫度高溫度 最優(yōu)操最優(yōu)操作溫度作溫度 r1r2r3r4n反應(yīng)速率隨反應(yīng)速率隨溫度的升高溫度的升高而增大；而增大；n最優(yōu)操作溫最優(yōu)操作溫度取決于系度取決于系統(tǒng)可允許的統(tǒng)可允許的最高操作溫最高操作溫度。度。n溫度對(duì)可逆反應(yīng)的影響允許最允許最高溫度高溫度 最優(yōu)操最優(yōu)操作溫度作溫度 r1r2r3r4n反應(yīng)速率隨反應(yīng)速率隨溫度的升高溫度的升高而增大；而增大；n最優(yōu)操作溫最優(yōu)操作溫度取決于系度取決于系統(tǒng)可允許的統(tǒng)可允許的最高操作溫最高操作溫

12、度。度。最優(yōu)溫最優(yōu)溫度分布度分布 允許允許最高操最高操作溫度作溫度 n 反應(yīng)速率存在反應(yīng)速率存在一最大值，其一最大值，其對(duì)應(yīng)溫度為最對(duì)應(yīng)溫度為最佳溫度；佳溫度；如何求解最如何求解最優(yōu)溫度？優(yōu)溫度？二、間歇反應(yīng)器熱量衡算二、間歇反應(yīng)器熱量衡算U-總括傳熱系,w/(m2K)； A-傳熱面積,m2；cp-反應(yīng)流體的比熱，J/(kgK)；-密度,kg/m3 ;Tm-換熱介質(zhì)溫度，K；量積累速度反應(yīng)器中熱傳給環(huán)境的熱量單位時(shí)間內(nèi)體系反應(yīng)的放熱量單位時(shí)間內(nèi)p()()()RAARmdc TVHr VUA TTdtHrA-反應(yīng)熱，反應(yīng)熱，J/molA。對(duì)于恒容過程，rA=CA0dxA/dtp()AmRdxdT

13、UATTdtdtc Vr0p()AAHCcp()()()RAARmdc TVHr VUA TTdt對(duì)于間歇操作，溫度與轉(zhuǎn)化率的大小有關(guān)。對(duì)于間歇操作，溫度與轉(zhuǎn)化率的大小有關(guān)。n間歇反應(yīng)器恒溫操作計(jì)算0dtdT()()AARmHr VUA TT反應(yīng)放出反應(yīng)放出( (或吸收或吸收) )的熱量必須等于體系與換熱介質(zhì)交的熱量必須等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量。換的熱量。p()AmRdxdTUATTdtdtc Vn反應(yīng)器絕熱操作計(jì)算0000p()c)(AAAAAATTxHCxxx三、平推流反應(yīng)器熱量衡算設(shè)管徑為D，流體在微元段中恒壓熱容為CP(J/molK)：流體流入微元段帶入的熱量 流體流出微元段帶出的

14、熱量 流體在微元段反應(yīng)放出的熱量 從微元段傳給換熱介質(zhì)的熱量 tptFc TtptFc (T+dT)0ARrATr dV (-H)mU(T-T )(D)dldln帶入的熱量+反應(yīng)放出的熱量= 帶出的熱量傳給換熱介質(zhì)的熱量 T00T0A()()dd()d()/dAr AmtptmAr AtptAr SHDU TTTlFcDU TTTFHFcxr S0T0dd()()dtptAArAmFcTFxHDU TTl對(duì)于絕熱操作，對(duì)于絕熱操作，DU（T-Tm)=0：A2A1x00T0 x()dAr AAtptFTTHxFcn對(duì)于非絕熱操作1.設(shè)計(jì)方程：設(shè)計(jì)方程：2.熱量衡算式：熱量衡算式：A2A1RAA0

15、0AdxxVxcvr0T00A0T0Add()()d() ddd()tptAAr AmAmtptAAr AFcTFxHDU TTlFDU TTxFcTFxHSr3.試差求解以上兩式試差求解以上兩式四、全混流反應(yīng)器的熱量衡算與熱穩(wěn)定性四、全混流反應(yīng)器的熱量衡算與熱穩(wěn)定性n換熱器的選擇與計(jì)算n考察反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的定常態(tài)操作(1)(1)全混流反應(yīng)器的熱量衡算方程全混流反應(yīng)器的熱量衡算方程v0 CpT0v CpTrAVR（-Hr）UA(T-Tm)00()()()ARAPmr VHvCTTUA TT恒容反應(yīng) g()ARAQr VH00m000m()()()()rPPPQvc TTUA TT

16、T vcUAvc TUAT放熱速率，放熱速率，與反應(yīng)溫度呈與反應(yīng)溫度呈非線非線性關(guān)系，性關(guān)系，S形曲線。形曲線。移熱速率（熱交換速率），移熱速率（熱交換速率），與與反應(yīng)溫度呈反應(yīng)溫度呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。00()()()ARAPmr VHvCTTUA TT形狀？形狀？（2 2）全混流反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性分析）全混流反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性分析 （一（一級(jí)放熱反應(yīng)）級(jí)放熱反應(yīng)）QrQTQg123在哪點(diǎn)在哪點(diǎn)操作？操作？放熱反應(yīng)QrQTQg12可逆放熱反應(yīng)穩(wěn)定操作點(diǎn)（真穩(wěn)定）：穩(wěn)定操作點(diǎn)（真穩(wěn)定）： 具有抗外界干擾能力的操作點(diǎn)稱之為穩(wěn)具有抗外界干擾能力的操作點(diǎn)稱之為穩(wěn)定操作點(diǎn)。反之稱為假穩(wěn)定操作點(diǎn)。定

17、操作點(diǎn)。反之稱為假穩(wěn)定操作點(diǎn)。多重定常態(tài)：多重定常態(tài)：判據(jù)：判據(jù)：GrdQdQdTdT具有具有一個(gè)以上一個(gè)以上定常態(tài)點(diǎn)。定常態(tài)點(diǎn)。QT（反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度）Qg234Qr調(diào)節(jié)定常態(tài)點(diǎn)的方法：調(diào)節(jié)定常態(tài)點(diǎn)的方法：1.改變改變T0或或Tm567891 A BCDE000m()()rPPQT vcUAvTcATU進(jìn)料溫度進(jìn)料溫度進(jìn)料溫度進(jìn)料溫度T0對(duì)定常態(tài)操作點(diǎn)的影響對(duì)定常態(tài)操作點(diǎn)的影響123467895T T0A B C D E 著火點(diǎn)著火點(diǎn) 熄火點(diǎn)熄火點(diǎn) 著火著火 溫度溫度 熄火熄火 溫度溫度 調(diào)節(jié)定常態(tài)點(diǎn)的方法：調(diào)節(jié)定常態(tài)點(diǎn)的方法：2.改變改變U或或AQQgQrT增大增大U或或A降低降低U或或A

18、000m()()rPPQT vcvc TTUAUAa調(diào)節(jié)定常態(tài)點(diǎn)的方法：調(diào)節(jié)定常態(tài)點(diǎn)的方法：3.改變進(jìn)料流量改變進(jìn)料流量v0000m0m000 ()()/(1)()rPPPPPQT vcUAvc TUATvcUATUATTcvcv g0()/ARAPQr VHvc （）增加流量增加流量n流量由流量由A A增大增大時(shí)，定態(tài)點(diǎn)如時(shí)，定態(tài)點(diǎn)如何變化？何變化？n流量由流量由D D下降下降時(shí)，定態(tài)點(diǎn)如時(shí)，定態(tài)點(diǎn)如何變化？何變化？n可逆放熱反應(yīng)最適宜操作點(diǎn)a a、b b、c c哪個(gè)操作哪個(gè)操作點(diǎn)合適？點(diǎn)合適？n吸熱反應(yīng)的熱穩(wěn)定性： 只有一個(gè)定態(tài)點(diǎn)，不存在熱穩(wěn)定性問題。TQQgQr3.6 3.6 反應(yīng)器形式和操作方式評(píng)選反應(yīng)器形式和操作方式評(píng)選1.單一反應(yīng)Ar1xAxA0 xAf00/AfAxAAxAdxCr0AfA0A/()/ACxxr00/AiACC轉(zhuǎn)化率很低時(shí)，平推和全轉(zhuǎn)化率很低時(shí)，平推和全混體積相差不大；轉(zhuǎn)化率混體積相差不大；轉(zhuǎn)化率越高，返混對(duì)反應(yīng)影響越越高，返混對(duì)反應(yīng)影響越大，平推的體積遠(yuǎn)小于全大，平推的體積遠(yuǎn)小于全混。而且反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，混。而且反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，影響越大。影響越大。同一反應(yīng)不同反應(yīng)器性能比較同一反應(yīng)不同反應(yīng)器性能比較xA