复合反应与反应器选型.ppt

第二章 复合反应与反应器选型 化学反应动力学关联温度及单位反应体积内反应物的摩尔数（浓度）与反应速率的函数关系。而反应速率讲的是单位反应体积内反应物（或产物）摩尔数随时间的变化率。二者都涉及到“单位反应体积”。化学反应工程学重视反应体积的概念，强调在反应器中不同时间、不同位置上的局部浓度可能不相同。这就造成了同一个反应发生在不同反应器中会有不同的结果。 间歇反应器与平推流反应器 平推流反应器在结构和操作方式上与间歇反应器截然不同，一个没有搅拌一个有搅拌；一个连续操作一个间歇操作；一个是管式一个是釜式，但有一点是共同的，就是二者都没有返混，所有物料在反应器内的停留时间都相同。既然停留时间都相同，没有不同停留时间（即不同转化率，不同浓度）物料的混合，两种反应器在相同的进口（初始）条件和反应时间下，就应该得到相同的反应结果。 间歇反应器与全混流反应器 间歇反应器与全混流反应器在结构上大体相同，但从返混的角度上看却是完全不同的。间歇反应器完全没有返混，而全混流反应器的返混达到了极大的程度。因而，二者的设计方程不同，同一个反应在这两种反应器中进行，产生的结果也就不一样。 单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较 对于平推流反应器，在恒温下进行，其设计式为： 对于全混流反应器，在恒温下进行，其设计式为： 二式相除，当初始条件和反应温度相同时： 理想流动反应器的组合 (1)平推流反应器的并联操作 VR=VRl+VR2 因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和： V0=V01+V02 由平推流反应器的设计方程 尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。如果各支路之间的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物流的混合，就是返混。因此， 是应当遵循的条件 (2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并联操作同样道理，必须满足的条件相同。即 (3)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作， 对串联的N个反应器而言 (2)全混流反应器的串联操作 N个全混流反应器串联操作在工业生产上经常遇到。其中各釜均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间符合平推流假定，没有返混，也不发生反应。 对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。 对恒容、定常态流动系统，V0不变， ，故有： 对于N釜串联操作的系统，总空间时间： ? = ?1 + ?3 + .... + ?N τ小于单个全混釜达到相同转化率xAN操作时的空间时间。 计算出口浓度或转化率 对于一级反应： 依此类推： 如果各釜体积相同，即停留时间相同，则： 对二级反应，以上面方法，可以推出： 例2-1 条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采用四釜串联的全混釜，求己二酸转化率为80％时，各釜出口己二酸的浓度和所需反应器的体积。 解： 已知 要求第四釜出口转化率为80%，即 以试差法确定每釜出口浓度 设τi=3h代入 由cA0求出cA1，然后依次求出cA2、 cA3、 cA4，看是否满足cA4=0.8的要求。将以上数据代入，求得： cA4=0.824 kmol·m-3 结果稍大，重新假设τi=3.14h，求得： cA1=2.202kmol·m-3 cA2=1.437kmol·m-3 cA3=1.037kmol·m-3 cA4=0.798kmol·m-3 基本满足精度要求。 循环反应器 在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度，以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法，如图所示。 循环反应器的基本假设：①反应器内为理想活塞流流动；②管线内不发生化学反应；③整个体系处于定常态操作。 反应器体积可按下式计算： 为方便起见，设循环物料体积流量与离开反应系统物料的体积流量之比为循环比β，即 对图中M点作物料衡算： 对整个体系而言，有： 可以推导出： 平推流反应器设计方程中，转化率的基准应当与反应器入口处体积流量及这一体积流量下转化率为0时的A组分的摩尔流率对应： 式中，F’A0是一个虚拟的值，它由两部分组成，新鲜进料FA0和循环回来的物流V3中当转化率为0时应当具有的A的摩尔流率。即： 由此得到循环反应器体积： 当循环比β为0时，还原为普通平推流反应器设计方程。 当循环比β→∞时，变为全混流反应器设计方程。 当0β∞时，反应器属于非理想流动反应器。 自催化反应特性与反应器选型 自催化反应是复合反应中的一类。其主要特点是反应产物能对该反应过程起催化作用，加速该反应过程的进行。这类反应频繁出现在生化反应过程