聚合反应工程课件_3.ppt

第三节 理想反应器的设计 设计中主要解决的问题： （a）提高反应物料进行反应所需要的容积，保证设备有一定的生产能力。 （b）具有足够的传热面积，保证反应过程中热量的传递，使反应指控在最适合的温度下进行。 （c）保证参加反应的物料均匀混合。 在进行化学反应时，伴有动量、热量和能量的传递，这些传递过程对反应速率有直接的影响，所以在设计反应器时，必须进行物料、热量及动量的衡算。 一般情况下，当流体通过反应器前后的压力差不太大时，动量衡算可以不予考虑，本节我们只了解物料衡算和热量衡算。 物料衡算 物料衡算的理论基础是质量守恒定律，即反应前后的物料质量应该相等。 上式是普遍的物料衡算式，无论对流动系统或间歇系统均可适用。 即：（流入量）—（流出量）—（反应消失量）—（累积量）= 0 对于间歇式，流入量和流出量均为0，对于稳态操作的连续流动反应器累积项为0，而非稳态的连续流动反应器及半连续反应器式中4项均不为0. 热量衡算 热量衡算的依据是能量守恒定律，对于流动系统和间歇系统可列出均可适用的普遍的热量衡算式： 对于间歇操作，式中1、2项为0；对于稳态操作的连续流动反应器第5项为0，而非稳态的连续流动反应器及半连续反应器式中所有各均不为0. 根据物料衡算、热量衡算可以得到反应器设计的基本方程式，再结合动力学方程式，便可以计算反应器的体积。所以反应器的设计，实际上是对物料衡算、热量衡算及动力学方程三者联立求解。 1、 间歇反应器 （1）反应时间的确定： 反应物A 恒容时： 物料A的反应消失量＝－(物料A的累积量) 设计间歇式反应器主要是求达到规定转化率，物料在反应器中所需的反应时间。 这是间歇式反应器基本设计方程式 对于间歇式反应器，达到规定转化率所需的反应时间t只取决于rA及CAo，与反应体积无关，所以在设计间歇式反应器时，不论物料的处理量多少，只要xA及Cao相同，则所需的反应时间是相等的。 因而，在间歇反应器放大时，只要保证大、小反应器的混合及温度条件相同，即可以方便的用小试结果来设计、放大反应器。 又，恒容时： 所以： 恒容情况下间歇反应器的图解计算 xA0 xAf 恒容情况下间歇反应器的图解计算 CA CAf CA0 ta 辅助时间，tR反应时间，每小时处理物料体积为v0 有效体积： 设计实际体积： ψ为装料系数，对于不起不泡沸腾的液体，ψ＝0.75~0.85，反之，ψ＝0.4~0.6 VR=(ta+tR)v0 = tTv0 V=VR/ψ （2）间歇反应器的容积计算： 间歇反应操作时，除了反应需要一定时间外，其他操作均需要一定时间，所以，总时间（操作周期tT）为反应时间（tR）与辅助时间（ta）之和。即：tT = tR + ta 2 、平推流反应器 平推流反应器物料衡算示意图 反应物A的流入速度＝反应物A的流出速度＋反应物A的消失速度 如上图所示，在等温平推流反应器中，物料的组成沿反应器流动的方向，从一个截面到另一个截面而变化，因而可以对反应器中某一微元体积dV对组分A进行物料衡算（系统中不存在物料的累计）： ∫ 反应物A的流入速度＝反应物A的流出速度＋反应物A的消失速度 其中：反应物A进入dV的摩尔流量为FA 反应物A流出dV的摩尔流量为FA+dFA 由于反应而消失的A的量为rAdV 所以： 上式积分，得： 代入FA0 = v0 CA0，则反应时间τ为： 恒容时： 所以 或 ∫ 以上是平推流反应器基本设计方程式，它涉及了反应速率、转化率、反应器体积和进料量四个基本参数。 平推流反应器的图解计算示意图 1/rA 面积= xA (a)适用一般场合 面积= 1/rA 0 0 CA CA0 (b)仅适用恒容过程 由计算结果可知：平推流反应器所需的容积比间歇反应器小，这是由于平推流反应器不需要辅助时间。 3、理想混合反应器 A的流入速度为 A的流出速度为 A由于反应的消失速度为 恒容时 故 整理得 理想混合反应器的特点是：反应器内各点的组成均一、温度相等、而且不随时间而变化，出口流体的组成与反应器内的流体相同，实际生产中连续搅拌釜式反应器可以看作是理想混合反应器。 反应物A的流入速度 = 反应物A的流出速度 +反应物A由于反应的消失速度 该式是理想混合反应器的基本设计方程式 理想混合反应器物料衡算示意图 理想混合反应器图解计算示意图 面积=V/FA0=r/CA0 面积=V/v=r 物料出口时情况 1/rA 1/rA 0 xA xA 0 CA CA0 CA 由式