[材料科学]理想反应器的设计.ppt

理想反应器的设计 概述 化学反应器是化工生产中的关键设备，反应器的类型很多，在不同类型的反映器中，能量与物质的传递特性有很大差异，因此反应器的类型对产品的质量及整个工艺过程的经济性都起着决定性的作用。 反应器的选型就是要根据给定反应体系的动力学特性，选择具有适宜传递特性的反应器设备 本章将以均相反应为背景，讨论理想流动反应器设计的基本理论。 间歇搅拌釜式反应器 本节所要掌握的内容 1.间歇反应器的设计方程、操作方程的建立及应用； 2.确定最佳操作条件，计算完成规定的生产任务所需的反应器体积 间歇搅拌釜式反应器 间歇釜式反应器的体积设计 1.概念 生产时间：即装料完毕后算起至达到所要求的产品收率所需时间。 辅助时间：装料，卸料以及清洗所需时间之和。 装料系数（φ）：设备中物料所占体积与设备实际容积之比。 反应器的有效体积：设备中物料所占的体积 反应器的实际体积：即设备的总体积，实际体积除以装料系数 ◇间歇釜式反应器的物料衡算 对整个反应器中A组分物料进行衡算 间歇反应器的体积计算 生产任务给定后，平均每小时需要处理的物料量 ，根据每批操作所需要的时间可以算出反应器的体积。其中每批操作所需要的时间包括两部分，一是物料的反应时间t，另外还有反应以外的加料、生温、冷却、卸料、清洗等时间，称为辅助时间t’。因此反应器体积V计算公式为： 例题 例题 工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在70℃下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为： rA=kCACB 式中： rA----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 cA、cB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 cA0、cB0均为0.004 kmol.L-1 苯乙烯集合设备设计参数 参数选定依据 聚合物的生产速度：WD=9000000/7200=1250kg/h 反应物的流量：W=1250/0.795=1572.3kg/h 稀释剂的流量：WS=1572.3*0.12=188.679kg/h CAO=W/P=1572.3/880=1.79kmol/L 假设该反应是二级反应： ?=1/K*XA/CA0（1-XA）=0.795/0.0917=8.67h 总时间=8.67+1=9.67h 有效体积：VR=?*W=9.67*1572.3=15203.4=15.2M3 实际体积：V=15.2/0.8=19M3 单级理想混合连续反应器 单级理想混合反应器广泛应用于液相反应中,在此类反应器中,器内物料的流动状态为理想混合型,器内所有物料充分混合,因而有下述特点:物料的温度、组成处处相等,并等于产物流的组成和温度，由于器内物料的反应条件恒定,故器内化学反应稳定,较易控制产品质量,可以连续生产 理想混合连续搅拌釜式反应器 反应器内，物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。 图像 单级连续反应器 加入反应物A的速度=引出反应物A的速度+由于反应而消耗的反应物A的速度 理想混合反应器 对于一级反应 对于二级反应 聚苯乙烯聚合设备参数 单级连续苯乙烯聚合釜体积设计 P79页： 聚合物的生产速度：WD=9000000/7200=1250kg/h 反应物的流量：W=1250/0.975=1572.3kg/h 稀释剂的流量：WS=1572.3*0.12=188.679kg/h CAO=W/P=1572.3/880=1.79kmol/L 假设该反应是一级反应： 计算过程 生产时间=XA/k*(1-XA)=0.795/0.051=15.6h 有效体积=15.6*1572.3=24509=24.5m3 实际体积=24.5/0.8=30.7m3 平推流反应器 多级串联理想反应器 此类反应器的设计方法，是以每级反应釜内为理想混合，级际无反混为基础的，在多级串联混合釜式反应器的操作中，前一釜的出口物料就是后釜的进口物料，因此，前一釜的出口物料组成就是后一釜的进口物料组成，多级串联分开来看，每一釜可以看作是单级理想混合连续过程。 多级串联反应器体积设计 计算过程 假设是四级串联釜：第一级转化率是：30% 第二级是50%，第三级是60%，第四级是79.5% 代入公式计算得：VR1=2.2M3 VR2=2.9M3 VR3=2.2M3 VR4=16.3M3 反应器总的有效体积为2.2+2.9+2.2+16.3=23.6m3 总结 从反应器的容积角度来说明： 为完成一定生产任务达到一定的最终转化率时所需的反应器体积以平推流最小，以单级理想混合反应器为最大。 当转化率越高，理想混合反应器比平推流反应器体积增大的倍数越多 这说明，转化率