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1、第六章 基本反应器2023/1/251第1页，共41页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 概述概述 自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反应过程却总是与物理因素，例如浓度，压力，浓度等，有着紧密的联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素的综合过程。1957年第一次欧洲反应工程会议上确定了“化学反应工程”这一学科名称。一、化学反应工程简介一、化学反应工程简介2023/1/252第2页，共41页，编辑于2022年，星期三反应工程与其它学科的关系反应工程与其它学科的关系反应工程反应工程 化工热力学化工热
2、力学工程控制工程控制传递过程传递过程催化剂催化剂化学工艺化学工艺流体力学流体力学稳定性稳定性反应动力学反应动力学计量化学计量化学最优化技术最优化技术放大放大设计设计2023/1/253第3页，共41页，编辑于2022年，星期三一个新技术的开发一般要经过下面三个步骤：实验数据 提出数学模型中型实验 数学模型验证数学模型的应用 大设备的设计 放大的依据：相似论(相似准数Re、Pr、Nu、Pe、Sc等)1.化学反应工程学的研究方法化学反应工程学的研究方法2023/1/254第4页，共41页，编辑于2022年，星期三 综上所述，可见目前化学反应工程处理问题的方法是实验研究和理论分析并举。在解决新过程的
3、开发问题时，可先建立动力学和传递过程模型，然后再综合成整个过程的初步的数学模型，根据数学模型所作的估计来制定试验，特别是中间试验方案，然后用试验结果来修正和验证模型。2023/1/255第5页，共41页，编辑于2022年，星期三化工过程：化工过程：一个特定的化工产品，从原料到产品的生产过程。原料预处理化学反应后处理产品 化学反应这一步是化工过程的核心，起着主导作用是化工过程的核心，起着主导作用，它的要求和结果决定着预处理的程度和后处理的难度。化学反应器的定义：化学反应器的定义：用于化学反应的设备，是化工用于化学反应的设备，是化工企业的关键装置企业的关键装置。2.化学反应器简介化学反应器简介20
4、23/1/256第6页，共41页，编辑于2022年，星期三对反应器的要求对反应器的要求1 反应器反应器 要有足要有足 够的体够的体 积积2 反应器反应器 要有适要有适 宜的结宜的结 构构4 反应器反应器 要有足要有足 够的机够的机 械强度械强度 和耐腐和耐腐 蚀能力蚀能力3 反应器反应器 要有足要有足 够的传够的传 热面积热面积5 反应器要反应器要 易操作、易操作、易制造、易制造、易安装、易安装、易维修易维修2023/1/257第7页，共41页，编辑于2022年，星期三按物料的聚集状态1按反应器的结构23二、化学反应器的分类二、化学反应器的分类按操作方式2023/1/258第8页，共41页，编
5、辑于2022年，星期三均相反应器均相反应器：气相（石油气裂解）、互溶液相（醋酸和乙醇的酯化反应）非均相反应器非均相反应器：气液相（乙烯和苯反应生成乙苯）、气固相、液固相、液液相、固固相、气液固三相按物料的聚集状态按物料的聚集状态2023/1/259第9页，共41页，编辑于2022年，星期三间间歇歇操操作作反反应应器器反应器反应器按操作方式按操作方式连连续续操操作作反反应应器器半半连连续续反反应应器器2023/1/2510第10页，共41页，编辑于2022年，星期三按反应器的结构按反应器的结构釜式反应器釜式反应器管式反应器管式反应器塔式反应器塔式反应器固定床反应器固定床反应器流化床反应器流化床反
6、应器2023/1/2511第11页，共41页，编辑于2022年，星期三釜式反应器釜式反应器基本结构：基本结构：釜体釜体换热装置换热装置搅拌装置搅拌装置2023/1/2512第12页，共41页，编辑于2022年，星期三釜式反应器釜式反应器釜体釜体：由壳体和上、下封头组成，其高与直径之比一般13之间。在加压操作时，上、下封头多为半球形或 椭圆形；而在常压操作时，上、下封头可做为平盖，为了放料方便，下底也可做成锥形。2023/1/2513第13页，共41页，编辑于2022年，星期三釜式反应器釜式反应器换热装置换热装置2023/1/2514第14页，共41页，编辑于2022年，星期三搅拌装置搅拌装置釜
7、式反应器釜式反应器2023/1/2515第15页，共41页，编辑于2022年，星期三特点特点 优点优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。缺点缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。釜式反应器釜式反应器2023/1/2516第16页，共41页，编辑于2022年，星期三釜式反应器串联釜式反应器串联2023/1/2517第17页，共41页，编辑于2022年，星期三管式反应器管式反应器基本结构基本结构主要用于气固相主要用于气固相反应反应由一根或多根管子串联或并联构成的反应器，长度与直径之比一般大于。2
8、023/1/2518第18页，共41页，编辑于2022年，星期三固定床反应器固定床反应器2023/1/2519第19页，共41页，编辑于2022年，星期三2023/1/2520第20页，共41页，编辑于2022年，星期三2023/1/2521第21页，共41页，编辑于2022年，星期三固定床反应器固定床反应器2023/1/2522第22页，共41页，编辑于2022年，星期三固定床反应器固定床反应器对对外外换换热热式式固固定定床床反反应应器器2023/1/2523第23页，共41页，编辑于2022年，星期三自热式固定床反应器自热式固定床反应器催化剂层催化剂层2023/1/2524第24页，共41
9、页，编辑于2022年，星期三流化床反应器流化床反应器1.散式流化和聚式流化散式流化和聚式流化2.结构结构3.床型床型2023/1/2525第25页，共41页，编辑于2022年，星期三1.散式流化和聚式流化散式流化和聚式流化2023/1/2526第26页，共41页，编辑于2022年，星期三2.流化床反应器的结构流化床反应器的结构1-加料口加料口2-气固分离装置气固分离装置3-壳体壳体4-换热器换热器5-内部构件内部构件6-卸料口卸料口7-气体分布装置气体分布装置2023/1/2527第27页，共41页，编辑于2022年，星期三3.流化床反应器的床型流化床反应器的床型2023/1/2528第28页
10、，共41页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 理想流动模型和理想反应器理想流动模型和理想反应器 空间上的混合时间上的混合（反混）一、流体混合的概念及意义一、流体混合的概念及意义二、理想流动模型二、理想流动模型间歇完全混合流动模型连续理想混合流动模型连续理想排挤流动模型2023/1/2529第29页，共41页，编辑于2022年，星期三间歇完全混合流动模型间歇完全混合流动模型空间混合完全完全反混完全不完全不1.混合情况混合情况2.特点特点所有物料在反应器中的停留时间相同停留时间相同，并可人为地加以控制；物料在空间上各点的参数是均一的，但随着时间而变化物料在空间上各点的参数是均一的，但随着时间而
11、变化。间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器2023/1/2530第30页，共41页，编辑于2022年，星期三连续理想混合流动模型连续理想混合流动模型空间混合完全完全反混完全完全1.混合情况混合情况2.特点特点反应器内以及出口物料的组成和温度等参数均匀一致参数均匀一致，且不随时间、空间变化；各物料微元在反应器内的停留时间不尽相停留时间不尽相同同，存在停留时间分布。带强烈搅拌的连续釜式反应器带强烈搅拌的连续釜式反应器物料以稳定的流量稳定的流量进入反应器后，瞬间瞬间就在整个反应器内分散均匀并与反应器内原存留的物料完全混合2023/1/2531第31页，共41页，编辑于2022年，星期三连续理想排挤流
12、动模型连续理想排挤流动模型空间混合完全不完全不反混完全不完全不1.混合情况混合情况2.特点特点在与流动方向垂直的任意截面上各点物料的流速、浓度、温度以及停留时间等完全一样；物料的浓度、温度等个参数沿着流动方向递变；在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。细长型的连续流动管式反应器细长型的连续流动管式反应器物料以稳定的流量稳定的流量由反应器的一端流入反应器后，各物料微元沿流动方向齐头并进，完全没有轴向混合与扩散完全没有轴向混合与扩散，就好像活塞在气缸里向前平推一样，又称“活塞流”。2023/1/2532第32页，共41页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 基本反应器有效容积的计算基本反应器有
13、效容积的计算 基本反应器：间歇理想釜式反应器、连续理想釜式反应器、连续理想管式反应器和多釜串联反应器对整个反应器进行物料衡算：流入量流入量=流出量流出量+反应量反应量+累积量累积量某组分流入量某组分流入量=某组分流出量某组分流出量+某组分反应消耗量某组分反应消耗量+某某组分累积量组分累积量流入流入流出流出反应消耗反应消耗累积累积反应单元反应单元2023/1/2533第33页，共41页，编辑于2022年，星期三一、间歇理想釜式反应器一、间歇理想釜式反应器特点：1）一般为液相反应，密度变化不大，可视为等容过程；2）物料混合完全；3）间歇操作反应期间无进料和出料1.反应时间的计算反应时间的计算某组分
14、流入量某组分流入量=某组分流出量某组分流出量+某组分反应消耗量某组分反应消耗量+某组分累积量某组分累积量现以现以A组分为衡算基准物组分为衡算基准物以反应物以反应物A为基准的反应速度，负号是表示为基准的反应速度，负号是表示A的消耗速度，的消耗速度，mol/m3.s反应器的有效体积，反应器的有效体积，m3t时刻反应物时刻反应物A的量，的量，mol2023/1/2534第34页，共41页，编辑于2022年，星期三等容过程，液相反应等容过程，液相反应此为间歇反应器基本设计方程此为间歇反应器基本设计方程反应物反应物A的瞬时转化率的瞬时转化率反应物反应物A起始的量，起始的量，mol反应时间，反应时间，s反
15、应物反应物A在反应时间在反应时间t时的转化率时的转化率反应物反应物A的起始浓度，的起始浓度，mol/m32023/1/2535第35页，共41页，编辑于2022年，星期三图解表示图解表示2023/1/2536第36页，共41页，编辑于2022年，星期三间歇反应器中的单反应的反应时间间歇反应器中的单反应的反应时间反应速率-rA=kCA=kCA0(1-xA)一级反应-rA=kCA2二级反应2023/1/2537第37页，共41页，编辑于2022年，星期三2.反应器有效容积和总体积的计算反应器有效容积和总体积的计算实际操作时间实际操作时间=反应时间反应时间(t)+辅助时间辅助时间(t)反应器有效体积
16、反应器有效体积VR是指反应物料在反应器中所占是指反应物料在反应器中所占的体积的体积 VR=V0(t+t)V0为平均每小时处理物料体积为平均每小时处理物料体积反应器的总体积：反应器的总体积：装料系数装料系数，一般在，一般在0.40.85之间，不起泡不沸腾的物料可取之间，不起泡不沸腾的物料可取0.70.85，易起泡或沸腾的物料可取，易起泡或沸腾的物料可取0.40.62023/1/2538第38页，共41页，编辑于2022年，星期三例题：在一个间歇理想釜式反应器中，用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯。其反应式为：CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O在100 oC下进行等温反应。进料配比为乙
17、酸/丁醇1/4.97（摩尔比），以少量硫酸作为催化剂。当使用过量丁醇时，其反应速度式为(-rA)=kCA2（下标A表示乙酸）。在上述条件下，反应速度常数为k=17.4 L/(kmol.min)。假设反应前后物料密度不变为750 kg/m3。每天生产2400kg乙酸丁酯（不考虑分离过程的损失），每批辅助时间为0.5小时。要求乙酸转化率为80，试计算反应器的有效容积和总容积（装料系数取0.75）2023/1/2539第39页，共41页，编辑于2022年，星期三解：已知每天生产任务解：已知每天生产任务2400Kg乙酸丁酯乙酸丁酯平均每小时处理的原理体积为：平均每小时处理的原理体积为：根据反应方程式可以得到平均每小时的乙酸用量根据反应方程式可以得到平均每小时的乙酸用量平均每小时处理的原料总量为：平均每小时处理的原料总量为：则乙酸初始浓度为：则乙酸初始浓度为：2023/1/2540第40页，共41页，编辑于2022年，星期三则每批次所需反应时间：则每批次所需反应时间：反应器的有效体积：反应器的有效体积：反应器的总体积：反应器的总体积：2023/1/2541第41页，共41页，编辑于2022年，星期三