化工原理反应工程2精要.ppt

主讲：张颖 Email: zhzhying@ustc.edu.cn;（1）物料质点、年龄、寿命及其返混: 物料质点:是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。 物料质点的年龄和寿命: 年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一时刻，称为年龄。 寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。;返混: （1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年龄的质点混合在一起，所以有返混。 （2）返混的原因: a. 机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起； b. 反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。 ;（2）物质质点的停留时间、平均停留时间和反应时间 物料从进入反应器开始到离开反应器的时间称为停留时间，实际上是物料质点的寿命。;三、物料在反应器内的流动模型:;(2) 理想混合（全混流）;2、非理想流动模型 实际反应器存在着程度不一的工程因素，流动状况不同程度的偏离理想流动，称为非理想流动。 1）轴向混合模型 2）多级串联全混流模型;一、基本原理 1、反应器设计的基本内容： 选择合适的反应器形式；确定最佳的工艺条件；计算所需反应器体积。 2、反应器设计的基本方程： ;2）热量衡算方程;特点 分批操作，物料的反应时间相同 浓度随时间变化，故反应速率也随时间变化，但不随器内空间位置而变化。 灵活方便，适合小规模、多品种的精细化学品生产 （如香料、医药、涂料、染料、农药、试剂、生物制品生产）;间歇搅拌釜式反应器的计算 ;如果反应过程中,反应混合物的体积不发生变化,即为恒容过程,有;图解积分示意图; 如果已知单位时间平均处理物料的量，那么反应器体积VR计算公式为： ;例：温度为343K时，等摩尔??的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在间歇操作搅拌釜式反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为关键组分的反应动力学方程式为： cA,0=4×103[mol·m-3]，k=3.28×10-8 [m3·mol-1·s-1] 求：1）己二酸转化率分别为0.5，0.6，0.8，0.9时所需的反应时间； 2） 若每天处理2400kg己二酸，每批操作的辅助时间为t′=1h，装料系数φ=0.75，要求转化率为80%，试计算该反应器的体积。;解：（1）确定达到要求的转化率所需反应时间 反应速率表达式为 ;三、 活塞流反应器（Plug flow reactor, PFR）;活塞流反应器的计算;对整个反应器积分得:;上式是活塞流反应器的基本计算式, 关联了qv,0、VR、(-rA)、cA、xA、等参数，其中τ为空间时间，定义为反应物料以入口状态体积流量通过反应器所需的时间。;间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器的比较:;气相反应的膨胀因子;则：; 对于恒容体系而言，空时就是物料在反应器中的平均停留时间；对于变容体系而言，因为空时是反应器体积与进料情况下的物料体积流量之比，并没有反映出反应过程的容积变化，所以，空时并不等于平均停留时间。 ;四、连续釜式反应器（Continuous stirred tank reactor, CSTR）（全混流反应器）;根据连续流动物料衡算式：衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（V）可得： ;图解积分示意图;例：温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在间歇操作搅拌釜式反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为着关键组分的反应动力学方程式为： cA，0=4×103[mol·m-3]，k=3.28×10-8 [m3·mol-1·s-1] 求：己二酸转化率分别为0.8，0.9时所需全混流反应器有效体积。 解;物料衡算方程 对于反应物A：输入量 =输出量 + 反应消失量 + 累积量;五、理想反应器的组合;多级全混流反应器（Continuous stirred tank reactor in series, CSTRs）（全混流串联反应器）; 设计每级反应器的有效容积VR,i、串联反应器的级数N、最终转化率xA,N、反应物最终浓度cA,N等四个参数，可用代数法和图解法求解。 ;（1）代数法 ;生产中往往各级反应器的体积相等,反应条件相同,有;（2）图解法 ; 如