化学反应工程课件第三章1-2

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1、第三章理想均相反应器1概述2简单反应器讲授内容3组合反应器4反应器类型和操作方法评选5非等温过程6全混流反应器热稳定性分析3.1概述一、反应器设计的基本内容¾最终的目标：经济效益最大（实际上不应该仅仅针对反应系统，应该包括整个过程）。¾反应器设计的基本内容：©选择合适的反应器类型；©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。二、反应器设计的基本方程¾物料衡算：描述浓度的变化规律对于反应关键组分：⎛⎞关键组分⎛⎞关键组分⎛⎞关键组分⎛⎞关键组分⎜⎟＝＋＋⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠输入速率⎝⎠输出速率⎝⎠转化速率⎝⎠累积速率对于反应产物组分：⎛⎞产物组分⎛

2、⎞产物组分⎛⎞产物组分⎛⎞产物组分⎜⎟＋＝＋⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠输入速率⎝⎠生成速率⎝⎠输出速率⎝⎠累积速率¾能量衡算：描述温度的变化规律⎛⎞单位时间内⎛⎞单位时间内⎛⎞单位时间内⎛⎞单位时间内⎜⎟=+⎜⎟⎜⎟＋⎜⎟⎝⎠输入的热量⎝⎠输出的热量⎝⎠的反应热⎝⎠累积的热量¾动量衡算：描述压力的变化情况⎛⎞单位时间内⎛⎞单位时间内⎛⎞单位时间内⎛⎞单位时间内⎜⎟＝＋⎜⎟+⎜⎟⎜⎟⎝⎠输入的动量⎝⎠输出的动量⎝⎠消耗的动量⎝⎠累积的动量¾动力学方程式：描述反应的变化情况dn(-)rk=−A=CαCβAABVdt首先要选择控制体如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体可选择

3、整个反应器。如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各处的反应物组成未必相同，这时只能选择微元体积作为控制体。三、均相反应系统¾均相反应器的特征：物料在反应器内已达到分子尺度的均匀，混合时间远小于反应时间。¾实现的途径：（1）机械搅拌考察一个反应过程是否为均相反应过程，不应仅仅着眼与反应物（2）湍流脉动系的相态，更重要的是考察微元（3）分子扩散尺度的传递过程是否会影响反应结果。四、理想反应器的主要类型间歇釜式反应器（分批加料的釜式反应器）间歇釜式反应器（分批加料的釜式反应器）BatchStirredTankReactor(BSTR)理想釜式反应器（连续加

4、料的釜式反应器）理想釜式反应器（连续加料的釜式反应器）ContinuedStirredTankReactor(CSTR)理想管式反应器理想管式反应器（连续加料的管式反应器）（连续加料的管式反应器）Piston(Plug)FlowReactor(PFR)3.2简单反应器一、一、间歇釜式反应器（分批加料的釜式反应器）间歇釜式反应器（分批加料的釜式反应器）BatchStirredTankReactor(BSTR)二、二、理想管式反应器理想管式反应器（连续加料的管式反应器）（连续加料的管式反应器）Piston(Plug)FlowReactor(PFR)三、三、理想釜式

5、反应器（连续加料的釜式反应器）理想釜式反应器（连续加料的釜式反应器）ContinuedStirredTankReactor(CSTR)一、间歇反应器1、特点¾分批装、卸；¾适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、试剂、助剂等生产。¾整个操作时间＝反应时间＋辅助时间（装＋卸＋清洗）¾反应器内浓度及温度处处相等。2、物料衡算和能量衡算方程¾控制体：整个反应器体积。¾非定态操作：反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变。¾可忽略压力变化：描述反应器的数学模型应包括物料衡算和能量衡算方程，由于两者间的偶联关系，必须联立求解。¾对于简单反应：A+BCD→++

6、−()ΔHò物料衡算方程：⎛单位时间流入⎞⎛单位时间内⎞⎛单位时间内⎞⎛A在反应器内⎞⎜⎟−⎜⎟−⎜⎟=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝的物料A的量⎠⎝流出的A的量⎠⎝反应掉A的量⎠⎝的积累速度⎠d(VC)00(−r)VAAdtdVC()dndn(1−x)dxAAAA0A−=−=−==nr()−VAA0dtdtdtdtdxAxtAdxnV=dtndA=t=tA0A0∫∫Vr()−A00Vr()−Aò初始条件：xA)0(=0T)0(=T0xAdxCAdCAAt=C=−A0∫∫等容过程，液相反应0(−r)CA0(−r)AA图解积分示意图sketchmapofschemain

7、tegralxAdxCAdCAAt=C=−A0∫∫0(−r)CA0(−r)AA(-r)-1(-r)-1AAt/ctA0xxxCCCA0AA0AA3、理想间歇反应器中的反应结果一级不可逆反应1st.OrderReaction(irreversible)CAdCCAA0()−rk=Ct=−kt=lnAA∫CA0kCCAA−kt−ktCCeAA=0xA=−1ekt=−−ln(1xA)表3-1理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式反应级数反应速率残余浓度式转化率式kt=C−Ckt=CxA0AA0An=0()−=rkktx=ACCk=−tAAA0CA0C1kt=l

8、nA0kt=lnC1−xAn=1()−