制药工程原理与设备-反应器基本理论-公开课件.ppt

第二章 反应器基本理论 第一节 理想反应器类型 第二节 等温等容过程反应器的计算 第三节 反应器型式及操作方式的选择 第四节 停留时间分布及测定 第五节 流动模型与停留时间的应用 第一节 理想反应器类型 一、反应器的基本类型 1.间歇搅拌釜 　　特点:物料一次加入，反应结束一次放出，物料反应时间完全相同，温度Ｔ和物料浓度Ｃ都完全相同。 　反应釜内反应物和产物浓度的变化： 　　　　Ａ→Ｒ ２.连续操作搅拌釜 特点：物料随进随出，连续进行，定常态下，物料温度Ｔ和物料浓度Ｃ都不变．出口物料浓度和釜内物料浓度相同。 物料出口浓度随时间变化规律： 优点：连续操作，Ｔ和Ｃ恒定；缺点：反应物浓度低，反应慢，达到同样的转化率需要的反应时间长。 3.连续操作管式反应器 特点:反应物从管一端进入，产物从另一端流出。 管内反应物浓度随停留时间变化曲线： 二、理想反应器 １.概念 ①停留时间分布：连续反应器中 ②平均停留时间： ③返混：不同停留时间的物料混合在一起的现象。返混与停留时间分布的关系：对应关系。 ④返混的原因：涡流、扰动、速度分布、沟流、倒流、短路、死角。 ⑤返混对反应的影响 　返混降低了反应物的浓度，从而降低了反应速率，使得反应时间延长；停留时间长的粒子可能进一步反应成为副产物；产品的收率和选择性都降低，产品质量降低。 ２.理想反应器 根据：返混程度的大小 （１）平推流反应器（Plug Flow Reactor, PFR） 　特点:不存在返混，在垂直于流动方向的截面上性质（如流速、物料浓度等）完全相同，在轴向上无混合和扩散。 典型实例：管式反应器。 （２）全混流反应器（Continuous Stirred Tank Reactor , CSTR） 　特点：物料立刻均匀分散在整个反应器，成为均相反应，物料的Ｔ和Ｃ在整个反应器内完全相同。 　典型实例：连续搅拌釜为典型。 （３）中间流反应器　　存在部分返混 第二节　等温等容过程的计算 一、反应速率 转化率 如：Ａ→Ｒ n=０ 零级反应 n=１ 一级反应 n=２ 二级反应 k为反应速率常数，根据Arrhenius: 　 其中：k0为频率因子 　　　　　　　　　　　　Ｅa为活化能 　　　　　　　　　　　　Ｒ为气体常数 关键组分--不过量的反应物 收率 选择性 收率、 转化率、选择性之间的关系: 二、间歇釜式反应器的计算 条件：等温条件 对物料A作物料衡算 间歇反应釜的基础计算式: 药物合成过程中多为液相反应，恒温V变化很小，视为恒容 结论：同温度、同原料浓度下，反应达到同样转化率的时间是相同的，与物料的量是无关的。 讨论：Ａ→Ｒ 　反应速率方程： ① n=0时　零级反应　 ② n=1时　一级反应 ③ n=2时 二级反应 作业： 推导：对于n级反应，A初始浓度为CA0 ，反应速率方程： 推导反应转化率xA为时，反应釜内反应时间τ的表达式： τ＝f (xA，n，k，CA0) 注意：求导数时的意义。 基本关系： 假设反应器加料、出料、 清洗等辅助时间为τ′ 每批物料操作时间为τ+τ′ 单位时间处理量为 v（L/h） 每批操作物料量为ＶR＝ v (τ+τ′) A+B→R 生产要求Ｒ的产量为w（kmol/h） 　Ａ与Ｒ为等摩尔反应，则：　 若为 a A + b B → r R 装料系数 一般情况下： 三、PFR的计算 边界条件: VR= 0 XA= 0 VR=VR XA=XA PFR基础式 　　　　　　形式在间歇反应器中已详细解释过。 若为等容过程，v为常数 普通形式反应： 四 CSTR等容液相反应计算 反应速率形式: ① n=0时　零级反应　 ② n=1时　一级反应 ③ n=2时 二级反应 ④ n=N时 N级反应 五 三种反应器反应时间和反应器容积的比较 同一反应，同样条件下，达到相同转化率和产量，CSTR需要的容积最大。 原因： CSTR返混程度大，反应物浓度低，反应速度小，达到相同转化率，反应时间就长，所以同样产量反应器容积最大。 分析： 六 多釜串联反应器的计算及其优化 多釜串联反应器基础公式  对于等温等容一级反应  若每个釜的容积相等，则 优化： 多釜串联： 以N级理想混合，各级等温进行一级不可逆反应为例 整理： 结论： 多釜串联时总体积最小的方案为： 串联的各个釜的体积相等！！！ 等温等容反应釜计算公