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第2章聚合反应工程基础;;无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程,均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分:;2.1概述;2.1概述;汽加热反应釜;高压反应釜;膜反应器;AutoclavesLDPEReactor;平行双螺杆挤出机;2.2化学反应工程基础
2.2.1化学反应与反应器分类;反应器种类;(2)反应器结构形式分类;反应器简要说明;移动床:固体在床层上部加入,向下移,底部排出;流体由下向上通过填充层。
搅拌反应器:搅拌;应用最广泛
鼓泡反应器:流体中含非挥发性催化剂,反应物料由气体鼓泡通过液体反应,产物被气流带出。
浆态反应器:固体在床层上部加入,向下移,底部排出;流体由下向上通过填充层。;2.2化学反应工程基础
2.2.1化学反应与反应器分类;间歇反应器:
反应器操作时,反应前将反应物一次加入反应器内,当反应达到规定转化率后取出反应产物;这种反应器均称为间歇反应器。;半连续反应器:反应器操作时,反应前将某些反应物一次加入反应器内,而其余物料则在反应过程中连续加入,或在反应过程中连续将某种物料从反应器中取出。
半连续反应器的特点:;(c);;1.化学反应分类:;反应机理:简单反应/复杂反应
反应的可逆性:可逆反应,不可逆反应
反应分子数:单分子反应,双分子反应,三分子反应
反应级数:零、分数、一、二、三级
反应热效应:放热反应,吸热反应;2.2.2.1化学反应和反应速率;2.2.2.1化学反应和反应速率;;;;均相反应动力学;;;;;;;;;;;;;;均相混合—包括微观混合和宏观混合两个过程;;开始;流体流动形态分类:根据物料在反应器中返混程度不同;物料与流向相反的运动造成
不均匀的速度分布所引起
反应器结构引起的死角、短路、沟流、旁路等;;;反应器内流体流动形态分为三类:
平推流
理想混合流
非理想混合流;;BSTRPFRCSTR
1投料一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)
2年龄年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同
3寿命寿命相同(中止)寿命相同(出口)寿命不同(出口)
4返混全无返混全无返???返混极大;;;反应器设计的基本内容
反应器型式的选择
反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
所需反应器体积的计算
设计任务+反应器结构、尺寸的优化(体积、搅拌)
最佳工艺条件的确定
最佳反应效果+反应器的操作稳定性
进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率;;反应器设计的基本方程共分三类:;物料衡算方程;间歇反应器:流入量=流出量=0
间歇反应器方程为:反应消失量=-累积量;热量衡算方程;间歇反应器:带入量=带出量=0
热量衡算方程为:-反应热-累积热量-反应系统与环境交换的热量=0;动量衡算方程;;;;恒容时:;举例:一级不可逆反应;举例:二级不可逆反应;对于间歇反应器,达到规定转化率所需的反应时间t只取决于rA和CA0,而与反应体积无关;所以在设计间歇反应器时,无论物料的处理量多少,只要CA0、xA相同,则所需反应时间是相等的。
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,即可方便地应用小试结果来设计、放大反应器。;对上述方程作图;间歇反应器的容积计算;等温平推流反应器:;故;恒容过程:;利用动力学方程作图,以图解法求解;平推流反应器与间歇反应器的基本设计方程形式完全一致,且图解形式也相同;所以设计、放大平推流反应器时可以利用间歇反应的动力学数据来进行计算;
两者虽设计方程形式相同,但是物料流动形态不同;间歇反应器为非稳态过程,平推流反应器为稳态过程;另外平推流反应器为连续操作,不需要辅助时间,因此其生产能力大于间歇反应器。;理想混合反应器的特点:;其中:;故:;理想混合反应器图解法:;举例:一级不可逆反应;多釜串联理想混合反应器;第i级反应器中的A组分列出物料衡算:;代数解法;第二级出口浓度CA2;各釜容积Vi相同,则:;;因:rA为浓度的函数;故:此直线与动力学曲线相交的交点的横坐标即为反应器的出口浓度。;作动力学曲线;
确定一级反应器出口浓度CA0;
过CA0作直线,其斜率为-1/?,与动力学曲线相交于A点,A点的横坐标即为一级反应器的出口浓度CA1;
过CA1作直线,其斜率为-1/?,与动力学曲线相交于B点,A点的横坐标即为一级反应器的出口浓度CA2
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