重庆三峡学院：《化学反应工程》教学资源（电子教案）第三章理想反应器（连续操作的完全混合流反应器）.pdf_大学文库

《北学反应工程》款橐苇3章理想反应罾 3.3连续操作的完全混合流反应器复习旧课] 1.理想间歇反应器的特点 2.物料衡算式及其建立方法单位时间内)(单位时间内)(单位时间内)(A在反应在物料A流人物料A流出反应应掉的内的积的积 [引入新课] 反应应器的(反应应器的的量 [板书]3.31几个基本概念 1.反应时间(t) [讲解] 反应物料进入反应器后从实际发生反应时刻起到反应达到某一程度 (如某转化率)时所经历的时间。这一概念是针对间歇反应过程而言。 [板书]2.停留时间它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止所经历的时间。分批式反应器连续操作的平推流反应器 [板书]3.平均停留时间() [讲解] 对于分批式操作的反应器和连续操作的平推流反应器来说反应时间和停留时间是一致的,而对于所有具有“返混”的反应器,由于器内反应流体的流动状况极为复杂,既可能有短路,亦可能有死区和循环流。所以其出口物料中有些微团可能在器内停留很短的时间,而有的可能很长。所以其出口物料是种种不同停留时间的混合物,即具有停留时间分布。对于这种场合常用平均停留时间t来表征它,其定义为反应器的有效容积与器内物料的体积流速之比(即t=V/v,v是流体在器内的体积流速)。反应器的有效容积反应器内物料的体积流率 [板书]4.空间时间(r) 反应器的有效容积 (量纲:时间) 进料容积流速v0 讲解] 空间时间是度量连续流动反应器生产强度的一个参数。空间时间越大反应器生产强度越小。例如:空时为1分钟,表明每分钟可以处理与反应器体积相等的物料量:如果为8分钟,则表示每8分钟可以处理与反应体积相等的物料量。显然,对于恒容定态过程,系统物料的密度不随反应转化率而改变即y=vo,所以r=i;对于非恒容体系, [板书]3.32设计方程(亦称物料衡算式) 讲解] 在这种操作中,反应物料连续不断地以恒定的流速流入完全混合的反应器内,而产物也以恒定的速率不断地从反应器内排出故又简称全混流。作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系第2页共18页

《化学反应工程》教案第 3 章理想反应器 3.3 连续操作的完全混合流反应器［复习旧课］［引入新课］［板书］［讲解］［板书］［板书］［讲解］［板书］［讲解］［板书］［讲解］ 1．理想间歇反应器的特点； 2．物料衡算式及其建立方法。                                 率内的积的积Ａ在反应在＝的量反应应掉的单位时间内－反应应器的物料Ａ流出单位时间内－反应应器的物料Ａ流入单位时间内 3.3.1 几个基本概念１．反应时间（t）反应物料进入反应器后从实际发生反应时刻起到反应达到某一程度（如某转化率）时所经历的时间。这一概念是针对间歇反应过程而言。２．停留时间它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止所经历的时间。分批式反应器 t反 = t 停连续操作的平推流反应器３．平均停留时间（t ）对于分批式操作的反应器和连续操作的平推流反应器来说反应时间和停留时间是一致的，而对于所有具有“返混”的反应器，由于器内反应流体的流动状况极为复杂，既可能有短路，亦可能有死区和循环流。所以其出口物料中有些微团可能在器内停留很短的时间，而有的可能很长。所以其出口物料是种种不同停留时间的混合物，即具有停留时间分布。对于这种场合常用平均停留时间t 来表征它，其定义为反应器的有效容积与器内物料的体积流速之比(即t = V v , v是流体在器内的体积流速)。 v V t = = 反应器内物料的体积流率反应器的有效容积 4. 空间时间（τ ） 0 v V = = 进料容积流速反应器的有效容积 τ (量纲：时间) 空间时间是度量连续流动反应器生产强度的一个参数。空间时间越大，反应器生产强度越小。例如：空时为 1 分钟，表明每分钟可以处理与反应器体积相等的物料量；如果为 8 分钟，则表示每 8 分钟可以处理与反应体积相等的物料量。显然，对于恒容定态过程，系统物料的密度不随反应转化率而改变，即v = v0 ，所以τ = t ；对于非恒容体系，τ ≠ t 。 3.3.2 设计方程（亦称物料衡算式）在这种操作中，反应物料连续不断地以恒定的流速流入完全混合的反应器内，而产物也以恒定的速率不断地从反应器内排出故又简称全混流。作者：傅杨武重庆三峡学院化学工程系第 2 页共 18 页

《化学反应工程》教案第 3 章理想反应器 3.3 连续操作的完全混合流反应器［板书］［讲解］［举例］［讲解］１．操作特点： ① 反应物料和产物流速恒定； ② 反应流体在器内是完全混合的，故在反应器内时具有均一的温度和组成，且与从反应器流出的物料的温度和组成是一致的； ③ 这是—种定常态操作； ④ 当反应流体的密度是恒定时，则流出和流入反应器的容积流速v 是相同的； 0 ⑤ 器内的反应速率亦维持恒定。２．物料衡算方程对组份 A 就整个反应器作物料衡算可得：        =       −       −      的累积累积 A在在反应在 A的的反应单位时间内出A的量单位时间流入A的量单位时间流 v 0CA0 CA v0 ( ) A V − r 0 即有： ( ) A A CA r v C v V − = 0 0 − 0 A A A A A A r C x r C C v V − = − − = = 0 0 0 τ (3-3-1) 式中 τ 称为空间时间，它具有与时间相同的因次。３．不同空时下反应器内或出口物料的组成的计算方法：应用式(3-3-1)，将具体的速率方程代入此式即可求得不同空时下反应器内或出口物料的组成。（１）Ｃ（浓度）—τ关系推导例如：对于一级不可逆串联反应： A ，若在原始物料中不含产物，即 P S →k1 →k2 CP0 = CS 0 = 0 。对组份 A 作物料衡算（根据物料衡算式 (3-3-1)），可得： τ A A A Ar v V C C r = −         − = − 0 0 ① 对Ｐ作物料衡算：        =       +       −      的累积速度 P在反应反应生成P的量单位时间内出P的量单位时间流入P的量单位时间流０ v0CP (rP )V ０即有： v0CP = rPV ，即 P CP τ ⋅r = ② 而： P A CP r k C k = 1 − 2 ③ A CA r k − = 1 ④ ④式代入①式有： A A A C C C k − = 0 1τ (3-3-2) 或： τ 0 1 1 1 C k C A A + = (3-3-3) 作者：傅杨武重庆三峡学院化学工程系第 3 页共 18 页

《北学反应工程》款橐苇3章理想反应罾 3.3连续操作的完全混合流反应器 ②当n=0时(即反应物浓度不影响反应速率时,亦即浓度效应为零的零级反应),返混也将不影响反应速率,所以η=0,且不随X而变; ③当n>0时(即反应对于浓度效应为负的反应时),返混将导致反应速率的增大,因而使全混流反应的容积效率η>10,且随κA的增大而增大。 [举例] 例3-3-1应用连续操作的全混流反应器在50℃进行下一计量方程所示的一级不可逆液相反应:A=2R-r4= kCa kme/m3h 74484 其中:k=952×10T 已知:MHr=51047J/mol,A(吸热反应);C=2.09J/g反应物料 C80=0,R的分子量Ma=60,CA0=230kml/m3。要求反应终了转化率x4=0.7。装置的生产能力为5000Kg产物R天所提供的加热蒸汽可在110℃至180℃之间调节,根据该生产规模估算得用于非生产性的时间to=0.75h。试求此连续操作的全混流反应器的有效容积和它的容积效率η 解讲解] (1)进料速度v的计算: CR=2C 50000 VOCR=2CA0VoxA X 以CA0=230km0/m3,x4=0.7,MR=60代入上式可得 10.78m3/h (2)反应器有效容积V的计算: V C 27.34m x4)092×(1-0.70) 或r=2734/10.78=254h 3)n的计算:在分批式操作中t=1.3h 7=-=131/2.54=0.516 讲解] 由此例可看出,由于“返混”所造成的稀释效应使全混流反应器的容积效率只有0.516。换言之,全混流反应器的有效容积将是分批式反应器的 1/0.516=1.94倍。但是,实际上不可能大得这么多。因为分批式操作的非生产性操作时间to是不可忽略的,所以分批式反应器的有效容积要比按考虑反应时间t所算得的结果大得多,如果以η表示用全混流反应器容积V与分批式反应器的实际有效容积来定义的容积效率,则有分批式反应器的实际有效容积t+t0 (3-3-11) 全混流反应器的有效容积应用上式来计算例3-3-1的n有: t+t01.31+0.75 n 0.81 2.54 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系第9页共18页

《化学反应工程》教案第 3 章理想反应器 3.3 连续操作的完全混合流反应器［举例］［讲解］［讲解］ ② 当时（即反应物浓度不影响反应速率时，亦即浓度效应为零的零级反应），返混也将不影响反应速率，所以 n = 0 η = 0 ，且不随 χA而变； ③ 当时（即反应对于浓度效应为负的反应时），返混将导致反应速率的增大，因而使全混流反应的容积效率 n > 0 η > 1.0 ，且随 χA的增大而增大。例 3-3-1 应用连续操作的全混流反应器在 50℃进行下一计量方程所示的一级不可逆液相反应： A=2R − rA = kCA kmol m ⋅ h 3 其中： ( ) 9 4 1 7448. 9.52 10 exp −       = × − h T k 已知： H J mol ∆ r = 51047 ，A(吸热反应)； V J g Cο C = 2.09 反应物料⋅ ， CR0 = 0 ，R 的分子量 M R = 60 ， 3 CA0 = 2.30 kmol m 。要求反应终了转化率 x A = 0.7 75h 。装置的生产能力为 , 所提供的加热蒸汽可在 110℃至 180℃之间调节，根据该生产规模估算得用于非生产性的时间 50000Kg产物R/天 t 0. 0 = 。试求此连续操作的全混流反应器的有效容积和它的容积效率 η。解： (1) 进料速度v0 的计算： ∵ CR A A C x = 2 0 ∴ R R A A M v C C v x × = = 24 50000 2 0 0 0 以 3 CA0 = 2.30 kmol m ， x A = 0.7 ， M R = 60 代入上式可得： v m h 3 0 = 10.78 。 (2) 反应器有效容积 V 的计算： ∵ ( ) A A A A A k x x kC C x v V − = = = 1 0 0 τ ∴ ( ) ( ) 0 3 27.34 0.92 1 0.70 10.78 0.70 1 m k x v x A A = × − × = − V = 或 τ = 27.34 /10.78 = 2.54h (3) η 的计算：在分批式操作中 t=1.31h = = 1.31/ 2.54 = 0.516 τ η t 由此例可看出，由于“返混”所造成的稀释效应使全混流反应器的容积效率只有 0.516。换言之，全混流反应器的有效容积将是分批式反应器的 1/0.516=1.94 倍。但是，实际上不可能大得这么多。因为分批式操作的非生产性操作时间t 是不可忽略的，所以分批式反应器的有效容积要比按考虑反应时间 t 所算得的结果大得多，如果以 η'表示用全混流反应器容积Ｖ与分批式反应器的实际有效容积来定义的容积效率，则有 0 τ η 0 ' t + t = = 全混流反应器的有效容积分批式反应器的实际有效容积 (3-3-11) 应用上式来计算例 3-3-1 的 η'有： 0.81 2.54 1.31 0.75 ' 0 = + = + = τ η t t 作者：傅杨武重庆三峡学院化学工程系第 9 页共 18 页

《北学反应工程》款橐苇3章理想反应罾 3.3连续操作的完全混合流反应器实际上全混流反应器的有效容积只是分批反应器有效容积的 1/0.81=1.23倍。这一结果表明,分批式反应器的非生产性操作时间t0所占的比例愈大,它的有效容积就愈接近于全混流反应器的有效容积,甚至会出现(+10)/r>1.0的情况。以例3-3-1举例,如果 to7\1-xA 就会出现n>1的情况。 [板书]3.3-4全混流反应器的热衡算与热稳定性 [讲解] 大容量的全混流反应器通常很容易实现等温操作,在反应热效应不大的场合反应器内可以不设置换热面:如果反应的热效应很大则可能需要设置必要的换热面。但是否要设置换热面则需通过热量衡算来确定。另一方面,根据全混流反应器的热衡算式还可以考察反应器操作的热稳定性,寻求实现稳定的定常态操作点的条件 [板书]1.全混流反应器的热衡算方程(通常又称为操作方程式) [讲解] (1)非绝热条件若忽略反应流体的密度和定压比热Cp随温度的变化,反应器在定常态下操作时对反应器作热量衡算有单位时间1单位时间虫单位时回]「单位时间由]「热量的放热量入的热量出的热量传出的热量/[累积量 o 0 V(rAXAH )+voPCpTo-VopCP T-UA(T-Tm)=0 v(raXAH,)=vopCP (T-To)+UA(T-To) (3-3-13) (2)绝热条件当反应器在没有设置换热面的绝热条件下操作,上式右端的第二项为零,即 rAX-△H)= VoPC(T-T0) (3-3-14) 将式(3-3-13)或(3-3-14)与全混流反应器的设计方程式(3-3-1)联立求解来确定反应器容积传热面积或有关反应温度、流体入口温度等操作参数 [举例] 例3-3-2现有一有效容积为075m3的搅拌釜反应器,其内设置有换热面积为50m2的冷却盘管。欲利用该反应器来进行A→R的一级不可逆的液相反应,其速率常数-1080531),反应热 (-△H)=2092lJ/mo-A,原料液中A的浓度CA0=0.2mo/L,但不含有反应物R。此原料液的密度p=1050g/L;定压比热Cp=2.929Jg·°C)。要求原油的进划油为y=3m3h后应山口的后应由C=004molL奴作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系第10页共18页

《化学反应工程》教案第 3 章理想反应器 3.3 连续操作的完全混合流反应器［板书］［讲解］［板书］［讲解］［举例］实际上全混流反应器的有效容积只是分批反应器有效容积的 1/0.81=1.23 倍。这一结果表明，分批式反应器的非生产性操作时间所占的比例愈大，它的有效容积就愈接近于全混流反应器的有效容积，甚至会出现 0t ( ) t + t0 τ > 1.0的情况。以例 3-3-1 举例，如果 t > τ − t 0 或 x x k x A A A 1 1 1 ln 1 0         − − − t > (3-3-12) 就会出现 η'>1 的情况。 3.3-4 全混流反应器的热衡算与热稳定性大容量的全混流反应器通常很容易实现等温操作，在反应热效应不大的场合反应器内可以不设置换热面；如果反应的热效应很大则可能需要设置必要的换热面。但是否要设置换热面则需通过热量衡算来确定。另一方面，根据全混流反应器的热衡算式还可以考察反应器操作的热稳定性，寻求实现稳定的定常态操作点的条件。１．全混流反应器的热衡算方程(通常又称为操作方程式) （1）非绝热条件若忽略反应流体的密度和定压比热CP 随温度的变化，反应器在定常态下操作时对反应器作热量衡算有：       =         −         −         +         累积量热量的传出的热量通过换热面单位时间内出的热量内流体带单位时间入的热量反应流体带单位时间内放热量内反应的单位时间 V( ) -rA (− ∆H r ) v0ρCPT0 v0ρCPT UA(T −Tm ) ０ V( ) -rA (− ∆Hr )+ v0ρCPT0 − v0ρCPT −UA(T −Tm ) = 0 ( )( ) ( ) ( m ) V -rA − ∆Hr = v0ρCP T − T0 +UA T −T (3-3-13) （2）绝热条件当反应器在没有设置换热面的绝热条件下操作，上式右端的第二项为零，即 ( )( ) ( ) A v0ρCP T T0 V -r − ∆H r = − (3-3-14) 将式(3-3-13)或(3-3-14)与全混流反应器的设计方程式(3-3-1)联立求解来确定反应器容积传热面积或有关反应温度、流体入口温度等操作参数。例 3-3-2 现有一有效容积为的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为5 的冷却盘管。欲利用该反应器来进行 A 的—级不可逆的液相反应，其速率常数 3 0.75m 2 .0m R →k ( 5525.9 −    − h T ) 9 1 10 exp   k = 1.0788× ，反应热 ( ) −∆H = 20921J/mol − A ，原料液中 A 的浓度CA0 = 0.22mol / L ，但不含有反应物 R。此原料液的密度ρ = 1050g/L ；定压比热 ( P C = 2.929 J g ⋅°C)。要求原料液的进料速率为反应器出口的反应液中经作者：傅杨武重庆三峡学院化学工程系第 10 页共 18 页 v m h 3 = 3 C = 0 04 mol L

重庆三峡学院：《化学反应工程》教学资源（电子教案）第三章 理想反应器（连续操作的完全混合流反应器）

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