反应过程与技术第一章均相反应技术课件.ppt

1、第一章 均相反应技术n知识目标 了解均相反应器的结构、特点和应用 掌握釜式反应器、管式反应器的计算 掌握反应器形式和操作方式的选择方法 掌握均相反应动力学方程式n能力目标 能解释理想反应器串、并联操作的特点与应用 能分析非等温反应器操作的影响因素 能操作釜式反应器（开车、停车、异常事故的处理等）能灵活运用动力学方程式第一节 均相反应器的特点及结构n一、釜式反应器（一）釜式反应器的壳体结构几种反应釜底的形式（二）搅拌器n（a）浆式搅拌器；n（b）框式搅拌器；n（c）锚式搅拌器；n（d）旋桨式搅拌器；n（e）涡轮式搅拌器；n（f）螺带式搅拌器釜式搅拌混合器浆式搅拌器框式搅拌器锚式搅拌器涡轮式搅拌器

2、旋桨式搅拌器螺带式搅拌器搅拌状态搅拌状态搅拌状态搅拌状态（三）传动装置及密封（四）换热装置（a）直管反应器；（b）盘管反应器；（c）多管反应器二、管式反应器管式反应器结构第二节 均相反应器的生产原理 n一、均相反应技术基础一、均相反应技术基础 n（一）动力学方程定义（一）动力学方程定义n（二）均相简单反应动力学方程（二）均相简单反应动力学方程(等温恒容过程等温恒容过程)1.基元反应和非基元反应基元反应和非基元反应 2.反应级数反应级数 3.反应速度常数反应速度常数 4.反应转化率与反应程度反应转化率与反应程度 5.不可逆反应不可逆反应 6.可逆反应：可逆反应：（三）复合反应动力学及选择率（三）

3、复合反应动力学及选择率n1.平行反应（一级）平行反应（一级）n2.连串反应连串反应 n3.复合反应的收率与选择性复合反应的收率与选择性n收率 Y 恒容过程 Y=n选择率 恒容过程 n注：付产物为零。n收率与选择率之间的关系：Yx PAvv的摩尔数进入反应系统关键组分组分的摩尔数生成目的产物消耗关键 PAAOPOPvvCCC PAAAOPOPvvNNNN尔数反应消耗关键组分的摩组分的摩尔数生成目的产物消耗关键 PAAAOPOPvvCCCC 收率和选择率（四）等温变容过程n影响因素n1.膨胀因子膨胀因子 n2.膨胀率膨胀率n变容过程浓度与转化率的关系查一查查一查 膨胀因子与膨胀率在应用中的异同点。

4、膨胀因子与膨胀率在应用中的异同点。二、釜式反应器的生产原理二、釜式反应器的生产原理n（一）间歇操作（一）间歇操作n1.特点特点 n2.基础方程式基础方程式 n3.反应器体积的计算反应器体积的计算 特特 点点n全混流（理想混合）；n反应器内、（r）处出均匀一致且随t逐渐变化不稳定过程，t；n进、出料项为零。n存在非生产时间。基础方程式基础方程式 ace equationn物料衡算：微元时间内：（转化掉反应物量）（反应物的积累量AAdNVdtr)(kmolhmhmkmol33AxAAAOrVdxNt0)(AAxAAAOxAAAOrdxCrdxVN00)()(反应器体积的计算反应器体积的计算 Cal

5、culation of reactor volumen有效体积n实际体积)(0ttvVVVR（二）连续操作（二）连续操作n1.特点特点n2.基础方程式基础方程式 n3.反应器体积的计算反应器体积的计算 特特 点点 construction and featuresn连续操作，属于稳定流动。物料的积累项为零。n定常态，T、CA、(rA)处处均一，不随时间而变，且与出口相同。n物料粒子在反应器内的停留时间不同。基础方程式基础方程式 Bedding equation n物料衡算n进入反应器反应物量离开反应器反应物量反应器内转化掉反应物量0nFAO-FAO(1-xA)-(-rA)V=0)(AAAOor

6、xCvV 反应器体积的计算反应器体积的计算 Calculation of reactor volume0vV0vV三、管式反应器的生产三、管式反应器的生产n(a)操作过程操作过程n(b)反应器内的浓度变化反应器内的浓度变化n1.特点特点 n2.基础方程式基础方程式 n3.反应器体积的计算反应器体积的计算 特特 点点 Construction and featuresn稳定流动，各点CA、T、(rA)不随t而变，t；n沿流动方向，CA、T、(rA)在逐渐改变，V=dV。n稳定状态下，单元时间、微元体积内，反应物积累量为零。n各物料质点在反应器内的停留时间相同。基础方程式基础方程式 base(be

7、dding)equationn物料衡算：单元时间内、微元体积n进入反应物的量离开反应物的量内转化掉反应物的量00)()(tdVrtdFFtFAAAA)(0AAAOrdxCvV反应器体积的计算反应器体积的计算 Calculation of reactor volume n有效体积：V=vOn说明：等温等容过程，相同反应条件下，为达到相同的转化率，理想间歇釜式器（CA随t而变）需要的反应时间和平推流反应器（CA随位置而变）需要的空间时间是相等的。这是由于反应过程中两种反应器内物料浓度的变化具有相似规律。但平推流无辅助时间，处理量更大。第三节 反应器的选择与评价n一、反应器的组合操作一、反应器的组合

8、操作n（一）平推流反应器的串、并联（一）平推流反应器的串、并联 n（二）全混釜反应器的串、并联（二）全混釜反应器的串、并联 反应器的组合操作反应器的组合操作 Composite operation of reactorn 单个反应器串联操作（反应器大小、类型、操作条件可各不相同）提高反应深度。n单个反应器并联操作（一般为相同的操作条件、相同的结构尺寸）增大处理能力。二、反应器型式和操作方式的选择二、反应器型式和操作方式的选择 针对某特定反应，采用什么型式的反应器和操作方法？针对某特定反应，采用什么型式的反应器和操作方法？应结合化学反应特点和不同反应器的性能进行比较来决定。应结合化学反应特点和不

9、同反应器的性能进行比较来决定。一是生产能力的比较；二是反应选择性的比较。简单反应一是生产能力的比较；二是反应选择性的比较。简单反应不存在选择性问题，只需进行生产能力的比较。对于复合不存在选择性问题，只需进行生产能力的比较。对于复合（复杂）反应，不仅要考虑生产能力，还要分析反应的选（复杂）反应，不仅要考虑生产能力，还要分析反应的选择性，因为副产物的多少影响原料的消耗量及后续分离设择性，因为副产物的多少影响原料的消耗量及后续分离设备的大小。所以复合反应要重点进行选择性的比较。备的大小。所以复合反应要重点进行选择性的比较。n（一）生产能力的比较（一）生产能力的比较 n（二）复合反应选择性的比较（二）

10、复合反应选择性的比较 生产能力的比较 Comparison productive capabilityn定义定义：单位时间、单位体积反应器所能得到的产物量（越多越好）。或给定生产任务所需反应器体积（越小越好）。间歇反应器和平推流反应器的比较 Comparison CSTR and PFR 间歇反应器 平推流反应器 有辅助时间 稳定流动 劳动强度大；更换产品灵活 适于大规模生产 反应时间t 空间时间平推流反应器和全混流反应器的比较平推流反应器和全混流反应器的比较相同条件下：CA平推流CA全混流两种反应器体积比：VP/Vm P 平推流 m全混流容积效率容积效率（coefficient of per

11、formance）对同一等温等容反应过程，在相同产量、相同转化率、相同初始浓度和温度下，平推流反应器和全混流反应器所需有效体积之比。即 式中 VP平推流反应器的有效体积 Vm全混流反应器的有效体积n影响因素：反应级数、转化率(对变容过程还要考虑物料体积变化的影响)mPVV 容积效率与转化率、反应级数的关系1kxCVkxCVVVAAO0AAO0mP0 AAAAA0A0mP1x11lnxx1x1xkVx11lnkVVV A2AAOA0AAOA0mP2x1)x1(CxkV)x1(CxkVVV 零级反应：n0 一级不可逆反应n=1 二级不可逆反应 n=2 结论：结论：由图可知：反应级数越高，容积效率越

12、低；转化率越高，容积效率越低。高级数、高转化率的反应：选平推流。若只有反应釜，可用间歇釜（存在非生产时间）或多釜串联。零级反应与浓度无关。流动形式不影响反应体积，选任何反应器均可。对于n0不可逆反应 nAAkC)r(CA(-rA)选具有返混的全混流（单釜）反应器。热量衡算n 全混釜的热稳定性n 全混釜的热稳定条件讨论：釜式反应器的热稳定性热稳定条件热稳定条件rgQQ 定常条件：稳定条件：dTdQgdTdQr 理想流动反应器公式一览表理想流动反应器公式一览表(表表1-1)间歇釜式反应器间歇釜式反应器 平推流反应器平推流反应器 全混釜反应器全混釜反应器n基础方程基础方程 n反应时间反应时间n一级不

13、可逆反应：n二级不可逆反应：n有效体积有效体积 n实际体积实际体积 技能训练技能训练 釜式反应器的仿真操作釜式反应器的仿真操作n训练目标训练目标 釜式反应器的仿真操作釜式反应器的仿真操作n训练准备训练准备 熟悉操作流程熟悉操作流程n训练步骤（要领）训练步骤（要领）n一、冷态开车一、冷态开车n二、正常运行操作二、正常运行操作n三、停车操作三、停车操作间歇釜式反应器现场操作图间歇釜式反应器现场操作图间歇釜式反应器间歇釜式反应器DCS仪表控制图仪表控制图拓展型训练拓展型训练 常见事故处理常见事故处理n1超温(压)事故n2搅拌器M1停转n3蛇管冷却水阀V22卡n4出料管堵塞n5测温电阻连线故障复习与思

14、考复习与思考 n1.对同一反应在相同条件下，达到相同转化率，为什么全混釜反应器所需有效体积最大，平推流反应器所需有效体积最小？多釜串联全混釜所需有效体积介于其间？n2.怎样分析全混釜反应器串联和全混釜与平推流反应器串联的转化率和生产能力的大小？n3.何谓全混釜反应器的热稳定性？符合什么条件的操作点为稳定操作点？如何判断稳定与不稳定操作点？n4.何谓反应器的容积效率？它与反应级数、转化率和串联釜数有何关系？n5.何种化学反应才需考虑其选择性？试根据公式来讨论选择反应器形式和操作方式。n6.何谓返混？产生返混的主要原因有哪些？工业上采取哪些措施来改善、限制返混？本章小结本章小结 均相反应技术反应动力学等温变容过程生产原理等温等容过程非等温过程非理想流动操作训练反应器结构反应器计算 反应器的组合选择反应器及操作方式间歇釜式反应器平推流式反应器全混釜式反应器多釜串联式反应器停留时间、分布函数、应用、改善措施膨胀因子、膨胀率复合反应：选择性简单反应：生产能力釜式反应器操作指导釜式反应器操作训练连续釜的热稳定性动力学方程式反应器的并联、串联