均相反应器0

12
rA =kpA3 pB3 mol/(g h)
260℃时k=0.0141mol/(atm·g·h)，A为乙烯。
化学工程系
组建年产2亿磅乙二醇的工厂。 由乙烷裂解生产乙烯，然后催化氧化生成环氧乙烷， 水解生成乙二醇。
化学工程系
C2H4,H2
C2H6 1
C2H6 C2H4+H2
分离器
6
H2O C2H4O
化学工程系 装配式热电偶
化学工程系
二、间歇反应器计算
1.反应时间的计算 根据物料衡算
单A的位流时入间量 单A的位流时出间量 单A的位反时应间量 的反积应累器速中A度
0
0
rAVR
dnA dt
即： rAVR dnA
dt
化学工程系
积分得(1)：
t nA0
xA dxA 0 rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
xA0
xAf xA
化学工程系
2. 反应器有效体积VR的计算
一个操作周期时间：(t＋t0) 物料处理量为v0(m3/h) ∴反应器的有效体积 VR=v0 (t＋t0)
式中： t0－ 辅助生产时间，包括加料、排料、 洗反应器和
物料的升温、冷却。 v0 －平均每小时反应物料的体积处理量。
化学工程系
3.反应器实际体积V的计算 反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实际 体积(不包括换热器搅拌器的体积)。
C2H6=C2H4+H2
化学工程系
1.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点
CA0 FA0 v0
T0
1. 反应器内各空间位置温
度、浓度均一。 Tm，out
2. 返混无穷大 3.反应器内浓度、温度与 G
出口处浓度、温度相同。
VR T=Tout Ci=Ci，out
CA FA v Tout
Tm，in G
A
r C A0
A
CA
CA0
C
化学工程系
CSTR和PFR的选择：
有一液相均相反应：
，可选择350K的CSTR和
300K的PFR两种反应器进行反应，已知
300 K时 k = 0.07 dm3/（mol·min），E = 85000 J/(mol·K) CA0B = CB0B = 2 mol/dm 3 ,vA0 = vB0 = 0.5v0 = 5 dm3/min
Ag O
C2H6
C2H4+0.5O2 CH2-CH2 C2H4 3
5
分离器
7
4 8
0.9%H2SO4
C2H4O(aq)
EG
吸收器
化学工程系
1.4 组合反应器
•平推流反应器组合 •全混釜反应器串联 •不同形式反应器的组合
化学工程系
1.平推流反应器的串、并联操作
特点：若忽略物料在管线中的停留，则 •并联反应器，每个支线应保证空时相等； •串联反应器，与总体积为V的单个反应器反应结果相同。
CA,i1 CA,i (rA )i
当n=1时
i
C Ai1 C Ai kiC Ai
CAi 1
C Ai1 1 ki i
V VR
φ是装料系数，一般为0.4～0.85， 不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85， 起泡、沸腾物料取0.4～0.6。
化学工程系
理想间歇反应器中简单反应的结果
反应级数 反应速率式
转化率式
零级
rA=k
一级
rA=kcA
二级
rA=kcA2
kt=cA0xA
kt
ln
1 1 xA
或xA＝1－ekt
cA0kt
化学工程系
2.多釜串联组合的全混流反应器
化学工程系
多级全混流反应器串联的特点
1
CA4
CA3
CA2
CA1
CA0
rA
（横向切割 限制返混）
CAf CA3 CA2 CA1 CA0
化学工程系
•解析计算（逐釜计算法）：
化学工程系
稳态 定容
i
VR,i V0
CA0 ( xA,i xA,i1) (rA )i
化学工程系
1.2 平推流反应器（丙烷、乙烷分解）
一、平推流反应器的特征 1.通过反应器的物料质点，
轴向上以同一流速流动， 在流动方向上没有返混。 2.径向上物料浓度、温度相 同。 3.所有质点在反应器中 的停 留时间都相同。
CA CA0
CAout CA
管长
Z/2
Z
CA0
0
Z/2
CAout
Z 时间
图 3.4-1 平推流反应器图示
16mol/l的环氧乙烷水溶液A与等体积含有0.9％（质量） 的硫酸催化剂水溶液一起加入反应器中。如果达到80 ％转化率，确定反应器体积。反应速率常数为 0.311min-1 ,1磅=0.4536kg
化学工程系
平推流和全混流反应器比较
1 rA
τ = CA0 - C A rA
t = -
dC C Af
化学工程系
二、平推流反应器时间的计算
流入量＝流出量＋反应量＋累积量
FA
FA dFA rAdVR
0
dFA rAdVR dFA FA0dxA
VR
v0
cA0
dx xA2
A
r xA1
A
化学工程系
平推流反应器图解计算
1
rA
/ CA0
dx xAf
A
r x A 0
A
xA0
xAf xA
若在平推流反应器中进行摩尔数增加的气相反 应，则平均停留时间是否与空时相等？
rA
※全混流反应器设 计方程※
化学工程系
全混流反应器图解计算
1
τ = CA0 - C A
rA
rA
CA
CA0 C
化学工程系
CSTR反应器的设计步骤
设计方程
恒容时 速率方程 （一级反应）
VR
FA0 FA rA
FA0 x rA
VR CA0 xA
v0
rA
CA0 CA
rA
rA kCA
计算V
kC
2 A0
(1 xA )2
化学工程系
求反应器长度 设反应器面积为A，则
V FA0 (1 yA0 xA )2 dxA
kCA20
(1 xA)2
L FA0 (1 yA0 xA )2 dxA
kCA20A
(1 xA)2
对某二级反应，k=5.0L/mols，A=1.0dm2 CA0=0.2mol/L，v0=1L/s
恒容时：
t CA0
dx xAf
A
r xA0 A
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于反应速 率，而与反应器体积大小无关；反应器的大小由处理 量决定。
化学工程系
间歇釜反应器图解 1
rA
t CAf dCA
r CA0
A
CAf
CA0 CA
化学工程系
1
rA
t / CA0
xAf dxA r xA0 A
化学工程系
C2H4,H2
C2H6 1
6
H2O C2H4O
C2H6 C2H4+H2
分离器
Ag O
C2H6
C2H4+0.5O2 CH2-CH2 C2H4 3
5
分离器
7
4 8
0.9%H2SO4
C2H4O(aq)
EG
吸收器
化学工程系
例1.3 乙二醇可用作抗冻剂和生产聚酯、瓶子及胶片。 希望年产2亿磅乙二醇，反应器等温操作。浓度为
化学工程系
管式反应器设计步骤
设计方程
rAdV = -dFA
V =
- dFA rA
FA0
dx A rA
速率方程
rA kCA2
（二级反应） 若反应为恒温恒压
V = FA0
dxA
C
A
CA
0
1 xA 1 yA0
xA
kCA2
FA0
(1 yA0 xA )2 dxA
kC
2 A0
(1
xA
)2
FA0 (1 yA0 xA )2 dxA
dx k(1- x) dt
dx kC (1- x)2
dt
A0
积分
t 1 ln 1 k 1- x
t
x
kC (1- x)
A0
有效反应体积VR如何计算？
化学工程系
例1.1 拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反应： ClCH2CH2OH＋NaHCO3→OHCH2CH2OH
＋NaCl＋CO2 乙二醇产量为20kg／h。使用15％的NaHCO3水溶液及 30％(均为质量)的氯乙醇水溶液作原料，摩尔比为 1∶1，混合液密度为1.02kg/L。该反应对氯乙醇和碳 酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于 5.2L／(mol·h)。要求氯乙醇转化率达到95％。 (1)若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。 (2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
化学工程系
全混流反应器浓度-时间图
CA0
CA t0
tt
化学工程系
二、全混流反应器的设计方程
单A的位流时入间量 单A的位流时出间量 单A的位反时应间量 的反积应累器速中A度
FA0
FA
rAVR
0
FA0 －FA = rAVR
VR FA0 FA CA0 xA
v0
v0 rA
rA
恒容时 CA0 CA
C2H6 1
6
H2O C2H4O
C2H6 C2H4+H2
分离器
Ag O
C2H6
C2H4+0.5O2 CH2-CH2 C2H4 3
5
分离器
7
4 8
0.9%H2SO4
C2H4O(aq)
EG
吸收器
化学工程系
稳态等温反应器设计
化学工程系
1.1 间歇操作的完全混合反应器
特点 釜式反应器结构：
加热方式 搅拌器形式 温度测量
5
分离器
7
4 8
0.9%H2SO4
C2H4O(aq)
EG
吸收器
化学工程系
例1.4 确定由纯乙烷裂解年产3亿磅乙烯，转化率为80% 时所需活塞流反应器体积。反应为不可逆且遵循基 元反应速率方程，反应在6atm和1100K的条件下等 温操作。已知1000K时，k=0.072s-1，活化能为 82kcal/mol。 1磅=0.4536kg。
αp0/2
化学工程系
C2H4,H2
C2H6 1
6
H2O C2H4O
C2H6 C2H4+H2
分离器
Ag O
C2H6
C2H4+0.5O2 CH2-CH2 C2H4 3
5
分离器
7
4 8
0.9%H2SO4
C2H4O(aq)
EG
吸收器
化学工程系
例3. 乙烯氧化生产环氧乙烷。乙烯和氧气按化学计 量比进入260℃等温操作填充床反应器中，10atm下 乙烯进料流率为136.2mol/s假定用10个管束式反应 器，每个反应器中有100根直径为1.5in装有催化剂 的管子。反应流体的性质与该温度压力下空气性质 相 同，催 化剂颗 粒直径 为 0.635cm， 颗粒 密度 为 1.923g/cm3，空隙率为0.45。若使转化率达到60%， 计算所需催化剂的质量。（等温反应）
反应物料在反应器内以同一流速和沿同 一方向流动，所有的物料质点在反应器内的 停留时间都相同，不存在返混。
化学工程系
根据操作方式和流动模型，理想反应器分为：
理想反应器
间歇反应器
连续反应器
全混流反应器 平推流反应器
化学工程系
组建生产乙二醇工厂？
乙二醇 水解 环氧乙烷
乙烷
氧化 裂解
乙烯
化学工程系
C2H4,H2
化学工程系
一、间歇反应器特点
1. 反应物料一次加入，产物一次取出。需 要一定非生产性时间；
2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应 时间连续变化，产品质量不易稳定；
3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度 相同。
化学工程系
化学工程系
化学工程系
夹套式蒸汽加热反应釜
内外盘管式加热不锈 钢反应釜
化学工程系
xA 1 xA
或x
＝ cA0kt A 1+cA0kt
化学工程系
液相间歇反应器设计步骤
反应时间t 有效反应体积VR
间歇聚合过程典型循环时间
循环时间: t=t反+t辅助
化学工程系
设计过程：
摩尔衡算 速率方程 化学计量学 结合
rA kCA
dx rAV dt nA0
rA kCA2
CA CA0 (1 xA )
选择哪种反应器？
化学工程系
1.4 填充床反应器设计
摩尔衡算 动力学方程 计量关系
压降P和催化剂 质量W关系？
CA
CA0
1
1 x
yA0
A
x
p p0
T0 T
dx dW
kC2 A0 FA0
(1 x)2
(1 yA0Ax)2
p
p0
T0 T
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2
化学工程系
压降方程——ergun方程
压降沿管长变化：
β0
压降随催化剂质量变化：
原因是在温度和压力一定的条件下，因为总摩尔数减少，体 积流率随转化率的增加而减少，反应物在反应器中的停留时 间比总摩尔数没有变化的反应物停留时间长，因此转化率相 应要高。
化学工程系
C2H4,H2
C2H6 1
6
H2O C2H4O
C2H6 C2H4+H2
分离器
Ag O
C2H6
C2H4+0.5O2 CH2-CH2 C2H4 3
转化率和反应器长度关系如下。
化学工程系
转化率
1 0.9
A→B/2
0.8 0.7
A→B
0.6
A→3B
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8 10 12
L
N N0 (1 yA0A X A )
V
=V（（0 1理+y想A0气A体XA）) TT0
p0 p
反应速率参数相同时，在反应器长度一定时，总摩尔数减少 的反应具有最高的转化率。
反 应 器 的 尺 寸、设 计 ——理想反应器
化学工程系
反应器内流体的流动与混合状态
返混：不同停留时间的流体微团之间的混 合称之为返混。 停留时间： 空时和空速：
化学工程系
返混无穷大： 理想混合，是指反应流体在反应器内的
混合瞬间完成，混合所需的时间可以忽略。 反应器内各点的物料具有相同的温度和浓度 且等于反应器出口物料的温度和浓度。 返混为零：