間歇與理想反應(yīng)器1

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1、國家精品課程化學(xué)反應(yīng)工程第三章間歇反應(yīng)器及理想流動(dòng)反應(yīng)器Chapter3BatchReactorandIdealFlowReactor釜式反應(yīng)器的組合3.1概述3.2間歇反應(yīng)器3.3理想流動(dòng)下的釜式反應(yīng)器3.4理想流動(dòng)下的管式反應(yīng)器3.5反應(yīng)器的性能比較本章內(nèi)容反應(yīng)器中是化工廠的心臟，同一化學(xué)反應(yīng)即使在相同的操作條件下進(jìn)行，其反應(yīng)結(jié)果往往是不同的，與反應(yīng)器的型式有關(guān)。反應(yīng)器的操作有間歇操作和連續(xù)操作。連續(xù)操作其物料連續(xù)流入和連續(xù)流出，其流動(dòng)又分為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。穩(wěn)態(tài)流動(dòng)是指物料在同一空間位置各質(zhì)點(diǎn)的流量、濃度和溫度等不隨時(shí)間而變，除此之外，為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)

2、下連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)物料濃度的變化不隨反應(yīng)時(shí)間而變。3.1概述表述如下：（1）質(zhì)量平衡質(zhì)量輸入量-質(zhì)量輸出+產(chǎn)生量-消耗量=累積量對(duì)于有擴(kuò)散影響的過程，上式中的輸入和輸出項(xiàng)應(yīng)包括由擴(kuò)散在邊界上所引起的輸入和輸出。（2）熱量平衡熱量?jī)糇兓?熱量產(chǎn)生量=熱量累積量（3）動(dòng)量平衡動(dòng)量輸入量-動(dòng)量輸出+凈作用力項(xiàng)=動(dòng)量累積量對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，上述累積量為零。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基于“三傳一反”?！叭齻鳌敝纲|(zhì)量、熱量和動(dòng)量傳遞，其質(zhì)量平衡、熱量平衡和動(dòng)量平衡3.1概述3.1概述基于反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程可得結(jié)果反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程質(zhì)量衡算方程熱量衡算方程動(dòng)量衡算方程濃度、轉(zhuǎn)化率等與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系反應(yīng)體積溫度變化壓力變化3

3、.1概述建立反應(yīng)數(shù)學(xué)模型的通式反應(yīng)消耗累積流入流出反應(yīng)單元舉例：物料衡算方程某組分流入量=某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量某組分流出量+流入反應(yīng)單元流出間歇操作物料一次投入反應(yīng)器，待反應(yīng)完成后，物料一次卸出的操作過程。最常用釜式反應(yīng)器，主要結(jié)構(gòu)由筒體、攪拌裝置、傳動(dòng)裝置、軸密封裝置及工藝接管組成。器內(nèi)還可以根據(jù)需要設(shè)置盤管。BatchReactor3.2間歇反應(yīng)器3.2間歇反應(yīng)器特點(diǎn)：1、由于攪拌的劇烈，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，排除物質(zhì)傳遞對(duì)反應(yīng)的影響；2、同樣由于攪拌的影響，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)熱量傳遞問題；3、物料同時(shí)加入且同時(shí)停止反應(yīng)，具

4、有相同的反應(yīng)時(shí)間優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是精細(xì)化工產(chǎn)品缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大非穩(wěn)態(tài)操作?3.2.1等溫間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算3.2間歇反應(yīng)器恒容條件下（多數(shù)情況），上式可以簡(jiǎn)化成：例如，對(duì)于n級(jí)不可逆反應(yīng)代入間歇反應(yīng)器的通用設(shè)計(jì)方程，并整理結(jié)果，得：由于n為已知，上式可解析積分。例如，若n=1，積分結(jié)果為若n=2，則積分結(jié)果為3.2間歇反應(yīng)器如果反應(yīng)速度比較復(fù)雜，即使在等溫條件下設(shè)計(jì)方程也可能無法解析積分，這時(shí)可以采用圖解法或數(shù)值方法求解。3.2間歇反應(yīng)器1.反應(yīng)體積t為反應(yīng)時(shí)間：裝料完畢開始反應(yīng)算起到達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)

5、所經(jīng)歷的時(shí)間。計(jì)算關(guān)鍵t’為輔助時(shí)間：裝料、卸料、清洗所需時(shí)間之和操作時(shí)間2.反應(yīng)器的體積：裝填系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)確定,一般為0.4～0.853.2間歇反應(yīng)器3.2間歇反應(yīng)器3.2間歇反應(yīng)器3.2間歇反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器做到等溫操作很困難，當(dāng)熱效應(yīng)小時(shí)，近似等溫可以辦到，如果熱效應(yīng)大時(shí)，很難做到；溫度會(huì)影響到和反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度等,很多時(shí)候變溫的效果更好。3.2.2變溫間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算3.2間歇反應(yīng)器1、溫度對(duì)反應(yīng)熱（△Hr）的影響2、溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響由公式可得：①平衡常數(shù)只與系統(tǒng)的溫度有關(guān)，而與系統(tǒng)的壓力及惰性物質(zhì)是否存在等因素?zé)o關(guān)。②雖然平衡常數(shù)不受壓力及惰性物質(zhì)的影響，但物料的

6、平衡濃度和反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率是受這些變量的影響。③對(duì)于氣體反應(yīng)，壓力增加，對(duì)反應(yīng)后分子數(shù)減小的反應(yīng)使xAe增加；對(duì)反應(yīng)后分子數(shù)增加的反應(yīng)xAe下降。④對(duì)所有反應(yīng)，惰性組成減小所產(chǎn)生的影響，與壓力增加的影響一樣⑤對(duì)吸熱反應(yīng)，溫度增加，平衡轉(zhuǎn)化率xAe也增加；對(duì)放熱反應(yīng)，溫度增加，平衡轉(zhuǎn)化率xAe下降⑥對(duì)K＞＞1，說明反應(yīng)物可以接近完全轉(zhuǎn)化，故可視為不可逆反應(yīng)變溫間歇操作的熱量衡算根據(jù)熱力學(xué)第一定律，反應(yīng)器的熱量衡算為：即：與環(huán)境交換的熱=內(nèi)能的變化間歇釜式反應(yīng)器用焓變代替內(nèi)能的變化Tr＝298K為計(jì)算的基準(zhǔn)溫度3.2間歇反應(yīng)器3.2間歇反應(yīng)器間的平均比熱容為溫度rptTTc?為反應(yīng)物的

7、比熱容ptc為反應(yīng)物的質(zhì)量tm式中：U為總傳熱系數(shù)Ah為傳熱面積Tc為環(huán)境溫度討論等溫反應(yīng)絕熱反應(yīng)3.2間歇反應(yīng)器對(duì)于吸熱反應(yīng)，ΔHr>0，λ<0，溫度隨反應(yīng)進(jìn)行(或XA增大)而降低；對(duì)于放熱反應(yīng)，ΔHr<0，λ>0，溫度隨反應(yīng)進(jìn)行而升高絕熱溫升指數(shù)（K）3.2間歇反應(yīng)器選擇等溫或非等溫操作的原則：（1）如反應(yīng)的熱效應(yīng)不大，而且在一定的溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)的選擇性變化很小，可采用絕熱操作，但操作溫度范圍不得超過工藝許可的范圍（2）對(duì)中等熱效應(yīng)的反應(yīng)，一般考慮采