化学反应工程学习第3章罗2PPT推荐.ppt

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实际进行反应的时间实际进行反应的时间平均停留时间平均停留时间：

进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时：

进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短，形成一个时间分布，称为停留时间分布，间可能有长有短，形成一个时间分布，称为停留时间分布，常用平均停留时间来描述。

常用平均停留时间来描述。

空速空速：

在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积：

在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积。

容积的物料体积。

空时空时：

进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间：

进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间。

化学动力学方程化学动力学方程物料衡算方程热量衡算方程动量衡算方程第第22章中讲过章中讲过计算反应体积计算反应体积计算温度变化计算温度变化计算压力变化计算压力变化反应器设计的基本方程3.2间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征一、釜式反应器的特征基基本本结结构构搅拌器进料口出料口夹套图3-1间歇反应器示意图操操作作状状态态特点特点:

11、由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到、由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；

相等，因而排除了物质传递对反应的影响；

22、具有足够强的传热条件，温度始终相等，、具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；

无需考虑器内的热量传递问题；

33、物料同时加入并同时停止反应，所有物料具、物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。

有相同的反应时间。

44、反反应应物物料料间间歇歇加加入入与与取取出出，反反应应物物料料的的温温度度和和浓浓度度等等操操作作参参数数随随时时间间而而变变，不不随随空空间间位位置置而而变变，所所有有物物料料质质点点在在反反应应器器内内经经历历相相同同的的反反应时间应时间优点：

优点：

操作灵活，适用于小批量、多品种、操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产反应时间较长的产品生产精细化工产品的生产精细化工产品的生产缺点缺点：

装料、卸料等辅助操作时间长，产品：

装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定质量不稳定对整个反应器进行物料衡算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00单位时间内反应量单位时间内反应量=单位时间内累积量单位时间内累积量二、间歇釜式反应器的数学模型二、间歇釜式反应器的数学模型温度浓度均一由于等容条件下分离变量并积分在没有任何假设的条件下导出，不论在等温条件和在没有任何假设的条件下导出，不论在等温条件和变温条件，还是在等容条件和变容条件下都是适用变温条件，还是在等容条件和变容条件下都是适用的，是间歇反应釜用于反应时间计算的一般公式。

的，是间歇反应釜用于反应时间计算的一般公式。

等容过程，液相反应等容过程，液相反应以转化率表示，主要是着眼于原料的利用率，以转化率表示，主要是着眼于原料的利用率，或是减轻反应后的分离任务。

或是减轻反应后的分离任务。

以残余浓度表示，主要是为了适应后续工序的以残余浓度表示，主要是为了适应后续工序的要求，如有害杂质的去除。

要求，如有害杂质的去除。

图解积分图解积分三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化1工程放大工程放大反应物达到一定的转化率所需反应物达到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的的反应时间，只取决于过程的反应速率，与反应器的大小无反应速率，与反应器的大小无关，反应器的大小由反应物料关，反应器的大小由反应物料的处理量决定。

的处理量决定。

实验室结果实验室结果工业过程工业过程反应条件相同反应条件相同设备结构合理放大设备结构合理放大反应时间反应时间t辅助时间辅助时间t0反应体积单位时间所要处理的物料体积反应体积单位时间所要处理的物料体积操作周期操作周期由生产任务决定由生产任务决定装料装料卸料卸料清洗清洗填充系数填充系数沸腾或鼓泡的液体，可取沸腾或鼓泡的液体，可取0.40.6不沸腾或不鼓泡的液体，可取不沸腾或不鼓泡的液体，可取0.70.85n某某厂厂生生产产醇醇酸酸树树脂脂是是使使己己二二酸酸与与己己二二醇醇以以等等摩摩尔尔比比在在70用用间间歇歇釜釜并并以以H2SO4作作催催化化剂剂进进行行缩缩聚聚反反应应而而生生产产的，实验测得反应动力学方程为：

的，实验测得反应动力学方程为：

ncA0=4kmol.m-3n若若每每天天处处理理2400kg己己二二酸酸，每每批批操操作作辅辅助助生生产产时时间间为为1h，反应器装填系数为，反应器装填系数为0.75，求：

，求：

n

（1）转转化化率率分分别别为为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时时，所所需需反反应应时时间为多少间为多少?

n

（2）求转化率为求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少时，所需反应器体积为多少?

例3-1n解：

（1）达到要求的转化率所需反应时间为：

由上述结果可见，随转化率的增加，所需反应时间急剧增随转化率的增加，所需反应时间急剧增加加。

因此，在确定最终转化率时应该考虑到这一情况。

n

（2）

（2）反应器体积的计算反应器体积的计算nxA=0.8时：

时：

tt=tr+t=8.5+1=9.5hn每每小小时时己己二二酸酸进进料料量量FA0，己己二二酸酸相相对对分分子子质质量量为为146146，则有：

，则有：

n处理体积为：

处理体积为：

n实际反应器体积实际反应器体积VVRR：

n反应器有效容积反应器有效容积VR：

n实际反应器体积实际反应器体积VR：

n当当xA=0.9时：

ntt=19+1=20hnVR=0.17120=3.42m3nVR=3.420.75=4.56m32反应时间的优化反应时间的优化反应时间延长反应时间延长反应物浓度降低反应物浓度降低产物生成速率降低产物生成速率降低产量增加产量增加单位操作时间的产品产量不一定增加单位操作时间的产品产量不一定增加存在一最优操作时间存在一最优操作时间单位操作时间的产品产量最大单位操作时间的产品产量最大反应时间反应时间5101520产品产量20303537平均产量11.21.171.06辅助时间辅助时间15对于反应对于反应若要求产物若要求产物R最终最终的浓度为的浓度为cR则单位操作时间的产品产量为则单位操作时间的产品产量为将上式对反应时间求导，并令其等于将上式对反应时间求导，并令其等于0：

可得：

若以单位质量产品生产费用最低为目标若以单位质量产品生产费用最低为目标设单位位时间内反内反应操作操作费用用为a，辅助操作助操作费用用为a0，而固定，而固定费用用为af，则单位位质量量产品品总费用用为：

将上式对反应时间求导，并令其等于将上式对反应时间求导，并令其等于0：

3.2.2平推流管式反应器第第四四章章管管式式反反应应器器层流层流湍流湍流活塞流活塞流基本概念基本概念活塞流模型（平推流）：

基本假定：

（1）径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。

（2）轴向上无返混符合上述假设的反应器，同一时刻进入反应器的流体粒子必同一时刻离开反应器，所有粒子在反应器内停留时间相同。

特点：

径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。

1.连续定态下，各个截面上的各种参数只是位连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；

置的函数，不随时间而变化；

2.径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；

径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；

3.反应物料具有相同的停留时间。

反应物料具有相同的停留时间。

平推流反应器的特点平推流反应器的特点对于平推流反应器，可采用空时：

对于平推流反应器，可采用空时：

设计方程单位时间进入反应器划定体积微元的A的摩尔数单位时间流出反应器划定体积微元的A的摩尔数单位时间划定体积微元反应掉的A的摩尔数dl11/1/2022平推流反应器的设计方程平推流反应器的设计方程-dFAV/v011/1/2022图35平推流反应器图解计算示意图CACA0011/1/2022一级不可逆反应在一平推流反应器中进行，求在一级不可逆反应在一平推流反应器中进行，求在50反应转化率达反应转化率达70%所需的空时。

若所需的空时。

若v0=10m3/h，求反，求反应器体积应器体积V。

已知：

例题例题2：

11/1/2022解：

解：

50的反应速率常数的反应速率常数反应空时和反应器体积反应空时和反应器体积11/1/2022在常压及在常压及800800等温下在平推流反应器中进行下列等温下在平推流反应器中进行下列气相均相反应：

气相均相反应：

反应的速率方程为：

式中式中ccTT及及ccHH分别为甲苯和氢的浓度（分别为甲苯和氢的浓度（mol/Lmol/L）。

原）。

原料处理量为料处理量为2kmol/h2kmol/h，其中甲苯与氢的摩尔比等于，其中甲苯与氢的摩尔比等于11。

若反应器的直径为若反应器的直径为50mm50mm，试计算甲苯最终转化率为，试计算甲苯最终转化率为95%95%时的反应器长度。

时的反应器长度。

例题例题解解:

由题意知，甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的由题意知，甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的进料比等于进料比等于11，即：

，即：

所需反应体积为所需反应体积为：

所以反应器的长度为所以反应器的长度为：

2、在、在555K及及3kgf/cm2下，在平推流管式反应器中进行下，在平推流管式反应器中进行AP，已知进料中含，已知进料中含30%A（摩尔数摩尔数），其余为惰性物料，其余为惰性物料，A加加料流量为料流量为6.3mol/s，动力学方程为，动力学方程为（-rA）=0.27cAmol/（m3s），为达到，为达到95%的转化率，的转化率，试求试求

（1）所需空速为多少？

所需空速为多少？

（2）反应器体积大小。

反应器体积大小。

11/1/2022全混流模型：

全混流模型：

径向混合和轴向返混都达到最大径向混合和轴向返混都达到最大符合此假设的反应器，物料的停留符合此假设的反应器，物料的停留时间参差不齐时间参差不齐特点特点反应物系的所有参数在径向上均一，反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上也均一，即：

各处物料均一，轴向上也均一，即：

各处物料均一，均为出口值均为出口值管径较小，流速较大的管式反应器可按活塞流处理剧烈搅拌的连续釜式反应器可按全混流处理3.2.3全混流反应器（全混流反应器（CSTRCSTR）ContinuousContinuousStirredTankReactorStirredTankReactor全混流反应器图流入量流入量=流出量流出量+反应量反应量+累积量累积量0进口中已有产物进口中已有产物n=0时时n=1时时n=2时时反应器反应器特征时间特征时间的的图解解积分分间歇釜间歇釜全混流全混流矩形面积为全混流矩形面积为全混流曲线下的面积为间歇釜曲线下的面积为间歇釜在反应体积为在反应体积为1m1m33的釜式反应器中，环氧丙烷的的釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生产甲醇溶液与水反应生产11，2-2-丙二醇：

丙二醇：

n该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下反应速率该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下反应速率常数等于常数等于0.98h0.98h-1-1，原料液中环氧丙烷的浓度为，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m2.1kmol/m33,环氧丙烷的最终转化率为环氧丙烷的最终转化率为90%90%。

n（11）若采用