第三章間歇反應(yīng)器與理想反應(yīng)器

1、第三章第三章 間歇反應(yīng)器及理想流動(dòng)反應(yīng)器間歇反應(yīng)器及理想流動(dòng)反應(yīng)器3.1 3.1 概述概述l 反應(yīng)器的操作反應(yīng)器的操作間歇操作：不存在流動(dòng)問題，物料濃度隨時(shí)間變化。間歇操作：不存在流動(dòng)問題，物料濃度隨時(shí)間變化。連續(xù)操作：連續(xù)操作：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)存在流動(dòng)問題存在流動(dòng)問題穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：物料在同一空間位置各質(zhì)點(diǎn)的流量、濃度和物料在同一空間位置各質(zhì)點(diǎn)的流量、濃度和溫度等不隨時(shí)間而變。溫度等不隨時(shí)間而變。l 反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型：反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型：宏觀模型：宏觀模型：反應(yīng)器內(nèi)的濃度、溫度等不隨空間位置而變。反應(yīng)器內(nèi)的濃度、溫度等不隨空間位置而變。微觀模型：微觀模型：反應(yīng)器內(nèi)的濃度

2、、溫度等隨空間位置而變。反應(yīng)器內(nèi)的濃度、溫度等隨空間位置而變。 模型通常含有微分變量。模型通常含有微分變量。l 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)方程：反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)方程：“三傳一反三傳一反”“一反一反”：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)本征動(dòng)力學(xué)：均相反應(yīng)器本征動(dòng)力學(xué)：均相反應(yīng)器宏觀動(dòng)力學(xué)：宏觀動(dòng)力學(xué)： 非均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器“三傳三傳”：質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動(dòng)量傳遞：質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、動(dòng)量傳遞l 物料衡算方程（質(zhì)量平衡）物料衡算方程（質(zhì)量平衡） 物料衡算所針對(duì)的具體體系稱物料衡算所針對(duì)的具體體系稱體積元體積元。體積元有確定的邊界，由這些邊界圍住的體積稱為體積元有確定的邊界，由這些邊界圍住的體積稱為系統(tǒng)體積系統(tǒng)體

3、積。在這個(gè)體積元中，物料溫度、濃度必須是均勻的。在這個(gè)體積元中，物料溫度、濃度必須是均勻的。在滿足這個(gè)條件的前提下盡可能使這個(gè)體積元體積更大。在滿足這個(gè)條件的前提下盡可能使這個(gè)體積元體積更大。在這個(gè)體積元中對(duì)關(guān)鍵組分在這個(gè)體積元中對(duì)關(guān)鍵組分A A進(jìn)行物料衡算。進(jìn)行物料衡算。1b1r1out1insmolAsmolAsmolAsmolAFFFF量的積累元中物料單位時(shí)間內(nèi)體積量物料元中反應(yīng)消失的單位時(shí)間內(nèi)體積量體積元的物料單位時(shí)間排出量體積元的物料單位時(shí)間進(jìn)入broutinFFFF熱量衡算方程（熱量平衡）熱量衡算方程（熱量平衡）1111out1inskskskJQskJQskJQJQJQbru元中

4、積累的熱量單位時(shí)間內(nèi)體積熱效應(yīng)元中化學(xué)反應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)體積換的熱量元與周圍環(huán)境交單位時(shí)間內(nèi)體積量流出體積元的熱單位時(shí)間隨物料量流入體積元的熱單位時(shí)間隨物料bruoutinQQQQQl動(dòng)量衡算方程（動(dòng)量平衡）動(dòng)量衡算方程（動(dòng)量平衡）對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，上述累積量為對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，上述累積量為0.3.2 3.2 間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器Batch ReactorBatch Reactor（BR)BR)反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)過程中不再向反應(yīng)器內(nèi)在反應(yīng)過程中不再向反應(yīng)器內(nèi)投料，也不向外排出，待反應(yīng)投料，也不向外排出，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率后，再全部達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率后，再全部放出

5、反應(yīng)物料。反應(yīng)器內(nèi)的物放出反應(yīng)物料。反應(yīng)器內(nèi)的物料在攪拌的作用下其參數(shù)（溫料在攪拌的作用下其參數(shù)（溫度及濃度）各處均一。度及濃度）各處均一。間歇反應(yīng)器的特點(diǎn)：間歇反應(yīng)器的特點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)有效空間中各位置的物料溫度、濃度都相同；所有物料在反應(yīng)器中停留時(shí)間相同，不存在不同停留時(shí)間物料的混合，即無返混現(xiàn)象；出料組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；為間歇操作，有輔助生產(chǎn)時(shí)間。一個(gè)生產(chǎn)周期應(yīng)包括反應(yīng)時(shí)間、加料時(shí)間、出料時(shí)間、清洗時(shí)間、加熱（或冷卻）時(shí)間等。 反應(yīng)器有效容積中物料溫度、濃度相同，故反應(yīng)器有效容積中物料溫度、濃度相同，故選擇選擇整個(gè)有效容積整個(gè)有效容積V Vr r作為衡算體系。在單位時(shí)間作為衡算

6、體系。在單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)組分內(nèi)，對(duì)組分A A作物料衡算：作物料衡算：的積累量物料中單位時(shí)間內(nèi)的量消失的物料內(nèi)反應(yīng)單位時(shí)間的量的物料單位時(shí)間排出的量的物料單位時(shí)間進(jìn)入AAAArrrrVVVV1AAsmoldd00tnVrr3.2.1 3.2.1 等溫間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算等溫間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算整理得當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為0時(shí)，分離變量并積分得為間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算的通式。它表達(dá)了在一定操作條件下，為達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率xA所需的反應(yīng)時(shí)間t。1A0AAsmolddtxnVrrA0AAA00ddxrtVrxntt在恒容條件下，上式可簡化為：間歇反應(yīng)器內(nèi)為達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間 t，只是動(dòng)力學(xué)方程式的直接積分，

7、與反應(yīng)器大小及物料投入量無關(guān)。A0AA1xccAA0AAA0AAA0ddccxrcrxct) (0ttQVr1.反應(yīng)體積 t t 為反應(yīng)時(shí)間：裝料完畢開始反應(yīng)算起到達(dá)到為反應(yīng)時(shí)間：裝料完畢開始反應(yīng)算起到達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。計(jì)算關(guān)鍵一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。計(jì)算關(guān)鍵t t 為輔助時(shí)間：裝料、卸料、清洗所需時(shí)間之和。為輔助時(shí)間：裝料、卸料、清洗所需時(shí)間之和。經(jīng)驗(yàn)給定經(jīng)驗(yàn)給定操作時(shí)間操作時(shí)間等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算2.2.反應(yīng)器的體積反應(yīng)器的體積 fVVr 裝填系數(shù)，裝填系數(shù)，0.4-0.85 。一般由實(shí)驗(yàn)確定，也可根據(jù)反應(yīng)物料。一般由實(shí)驗(yàn)確定，也可根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)不同而選擇。的性質(zhì)

8、不同而選擇。對(duì)于對(duì)于沸騰或起泡沫沸騰或起泡沫的液體物料，可取的液體物料，可取0.4-0.6對(duì)于對(duì)于不起泡或不沸騰不起泡或不沸騰的液體，可取的液體，可取0.7-0.85:f 3.反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算 單一反應(yīng)AfAfAccAAXAAArdctorrdXct0 00一級(jí)反應(yīng)AAkcr 級(jí)反應(yīng)AAkcr 一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)非一級(jí)反應(yīng)非一級(jí)反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間相同相同 達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器大小無關(guān)，只取決于動(dòng)力學(xué)因素。器大小無關(guān)，只取決于動(dòng)力學(xué)因素。 溫度越高，速率常數(shù)溫度越高，速率常數(shù) k k 越大，則達(dá)到越大，則達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間相同轉(zhuǎn)化率所需的

9、反應(yīng)時(shí)間 t t 越短。越短。區(qū)別區(qū)別t t 與與c cA0A0無關(guān)無關(guān)t t 與與c cA0A0有關(guān)有關(guān)101) 1(1)1 (AAfkcXtAfXkt11ln1對(duì)各組分作物料衡算對(duì)各組分作物料衡算(恒容條件恒容條件)：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)，因此，此三式中僅系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)，因此，此三式中僅二式是獨(dú)立的。二式是獨(dú)立的。對(duì)對(duì)A：對(duì)對(duì)P：對(duì)對(duì)Q：0)(21dtdcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA 復(fù)合反應(yīng)平行反應(yīng)AQkAPkckrQAckrPA21 21組分組分濃度濃度APQ反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間時(shí)間)(021tkkAAecc)(2101211 tkkApekkckcAAcc

10、nkkt0211)(2102211 tkkAQekkckc00 0 0QPAAcccct，時(shí)，設(shè)AQAPckrQAckrPA21 平行反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系示意圖平行反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系示意圖PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意時(shí)刻兩即：任意時(shí)刻兩個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物濃度個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物濃度之比，等于兩個(gè)之比，等于兩個(gè)反應(yīng)速率常數(shù)之反應(yīng)速率常數(shù)之比比 復(fù)合反應(yīng)連串反應(yīng)QPAAcccc0對(duì)對(duì)A作物作物料衡算：料衡算：AAckdtdc1對(duì)對(duì)P作物作物料衡算：料衡算：PAPckckdtdc21)(2121kkQPAkktkAAecc10)(122101tktkAPeekkckc1 21120

11、21kkekekcctktkAQ00 0 0QPAAcccct，時(shí)，設(shè))(0PAAQcccc0dtdcP令：令：2121)/(kkkkntopt得：得：問題：假設(shè)問題：假設(shè)k k1 1= =k k2 2, ,t toptopt=?=?設(shè)計(jì)計(jì)算過程 對(duì)于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即單位時(shí)間處理的原料量F FA Akmolkmolhh-1-1 以及原料組成C CA0A0kmolkmolm m- -3 3 、達(dá)到的產(chǎn)品要求x xAfAf及輔助生產(chǎn)時(shí)間t t、動(dòng)力學(xué)方程等，均作為給定的條件，設(shè)計(jì)計(jì)算出間歇反應(yīng)器的體積。計(jì)算反應(yīng)時(shí)間t；計(jì)算一批料所需時(shí)間tt； t tt t= =t t+ +ttt為輔助生產(chǎn)時(shí)間計(jì)

12、算每批投放物料總量FA； FA=FAtt計(jì)算反應(yīng)器有效容積VR；A0AAA0rdxrxctttQVCFVr0rA0A或計(jì)算反應(yīng)器總體積V。反應(yīng)器總體積應(yīng)包括有效容積、分離空間、輔助部件占有體積。通常有效容積占總體積分率為40-85，該分率稱為反應(yīng)器裝填系數(shù)f，由生產(chǎn)實(shí)際決定。fVVr 間歇釜式反應(yīng)器做到等溫操作很困難，當(dāng)熱效應(yīng)小時(shí)，近似等溫可以辦到，如果熱效應(yīng)大時(shí)，很難做到； 溫度會(huì)影響到和反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度等,很多時(shí)候變溫的效果更好,pAXYr3.2 變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇操作的熱量衡算變溫間歇操作的熱量衡算 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，反應(yīng)器的熱量衡算為：Uq即：與環(huán)境交換的熱

13、即：與環(huán)境交換的熱= =內(nèi)能的變化內(nèi)能的變化HqdHdq 間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器用焓變代替內(nèi)能的變化用焓變代替內(nèi)能的變化 CBACBArTHHT31 2dHTrTr為計(jì)算的基準(zhǔn)溫度為計(jì)算的基準(zhǔn)溫度)(1TTcmdTcmHrpttTTpttr)(3rpttdTTTpttTdTTcmdTcmHr（單一反應(yīng)） 2dtVrHdHrAr變溫間歇操作的熱量衡算變溫間歇操作的熱量衡算dtVrHdTcmHdHHdHrArptt 321為反應(yīng)物系的比熱容ptc為反應(yīng)物系的質(zhì)量tm間的平均比熱容為溫度rptTTc CBACBArTHHT31 2dH討論討論dtTTUAdqCh)(又：式中：式中：U U為總傳

14、熱系數(shù)為總傳熱系數(shù) A Ah h為傳熱面積為傳熱面積 TcTc為環(huán)境溫度為環(huán)境溫度變溫間歇操作的熱量衡算變溫間歇操作的熱量衡算ArrchpttrVHTTUAdtdTcm)(ArrchrVHTTUA)(等溫反應(yīng)等溫反應(yīng)絕熱反應(yīng)絕熱反應(yīng)ApttrAXcmHnTT)(00dtdXHnTTUAdtdTcmArAchptt0)(rAAAVrdtdXn0總結(jié)：通過熱量衡算，找出總結(jié)：通過熱量衡算，找出T與與XA的關(guān)系，代入設(shè)計(jì)基本方程積分，的關(guān)系，代入設(shè)計(jì)基本方程積分，即得反應(yīng)時(shí)間即得反應(yīng)時(shí)間t。3.3 3.3 理想流動(dòng)下的釜式反應(yīng)器理想流動(dòng)下的釜式反應(yīng)器 連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器，簡稱CSTR。流入反應(yīng)器的物

15、料，在瞬間與反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，即在反應(yīng)器中各處物料的溫度、濃度都是相同的。 全混流反應(yīng)器，簡稱MFR。3.3.1 3.3.1 全混流模型全混流模型基本假定：基本假定：反應(yīng)器中的物料，包括剛進(jìn)入的物料，都能立即反應(yīng)器中的物料，包括剛進(jìn)入的物料，都能立即完全均勻地混合，即混合程度達(dá)到最大。完全均勻地混合，即混合程度達(dá)到最大。全混流反應(yīng)器的特性物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；反應(yīng)器的出口組成與器內(nèi)物料組成相同；反應(yīng)器的出口組成與器內(nèi)物料組成相同；連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，是一定態(tài)過程。連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，是一定態(tài)過程。 全混釜中各處物料均一

16、，故選整個(gè)反應(yīng)器有效容積Vr為物料衡算體系，對(duì)組分A作物料衡算。3.3.2 3.3.2 等溫連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算等溫連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算輸入的量輸入的量=輸出的量輸出的量+反應(yīng)消耗掉的量反應(yīng)消耗掉的量+累積量累積量rfAAfA0VrFFrfAA0A0)1 (VrXFFAf 整理得到： 恒容條件下又可以簡化為：rfAAfA0VrXFfAAfA0rrXFVfAAf0A0rrxcQVfAAfA0rcc進(jìn)料的體積流量反應(yīng)體積0QVrAAArXc0定義空時(shí)定義空時(shí)代表代表反應(yīng)器處理物料的能力反應(yīng)器處理物料的能力變小，處理能力變大變小，處理能力變大對(duì)于對(duì)于均相反應(yīng)均相反應(yīng)：空時(shí)空時(shí)空速空速

17、1（體積空速）（體積空速） 設(shè)計(jì)方程的應(yīng)用設(shè)計(jì)方程的應(yīng)用0QVr已知已知r rA A，可求得不同空時(shí)下的組成，可求得不同空時(shí)下的組成AAArcc0AAArXc0已知已知r rA A，可求得不同轉(zhuǎn)化率下的空時(shí)，可求得不同轉(zhuǎn)化率下的空時(shí))()()()(0000AfAAfArAfAAfArcrccQVcrccQV)( )(0000AfAAfArAfAAfArXrXcQVXrXcQV 單一反應(yīng)對(duì)關(guān)鍵組分對(duì)關(guān)鍵組分A A有：有：對(duì)目的產(chǎn)物對(duì)目的產(chǎn)物P P有：有：對(duì)副產(chǎn)物對(duì)副產(chǎn)物Q Q有：有：三式中有兩式獨(dú)立，可解三式中有兩式獨(dú)立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者關(guān)系三者關(guān)系A(chǔ)AfArckkX

18、cQV)(21000 010pAprcckcQV設(shè)，0 020QAQrcckcQV設(shè)， 復(fù)合反應(yīng)平行反應(yīng)AQkAPkckrQAckrPA21 21AAfArckXcQV100對(duì)中間產(chǎn)物對(duì)中間產(chǎn)物P P：0 0210ppAprcckckcQV設(shè)，對(duì)最終產(chǎn)物對(duì)最終產(chǎn)物Q Q：0 020QPQrcckcQV設(shè)， 復(fù)合反應(yīng)連串反應(yīng)對(duì)關(guān)鍵組分對(duì)關(guān)鍵組分A A有有三式中有兩式獨(dú)立，可解三式中有兩式獨(dú)立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者關(guān)系三者關(guān)系QPAkk21例例: 對(duì)于一級(jí)不可逆串聯(lián)反應(yīng)對(duì)于一級(jí)不可逆串聯(lián)反應(yīng)： SPAkk21求求maxpcAAckr1pApckckr21psckr20QVr

19、ppprcc0AAArcc0AAAckcc101011kccAApprcpApckckc21對(duì)于著眼組分對(duì)于著眼組分A有：有：對(duì)于著眼組分對(duì)于著眼組分P 有：有：pApckckc21211011kkkccAp由于由于 :pAAscccc021221011kkkkccAspAckkck210110ddcp可得可得 maxpc時(shí)：時(shí)：211kkopt此時(shí)：此時(shí)：221120max1kkccAp思考思考 1. 1. 用一個(gè)大反應(yīng)器好還是幾個(gè)小反應(yīng)器好用一個(gè)大反應(yīng)器好還是幾個(gè)小反應(yīng)器好? ?（VrVr最小最小) ) 2. 2. 若采用多個(gè)小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？若采用多個(gè)小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并

20、聯(lián)好？ （V Vr r最小最小) ) 3. 3. 若多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作，則各釜的體積是多少？若多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作，則各釜的體積是多少？或各釜的最佳反應(yīng)體積比如何？或各釜的最佳反應(yīng)體積比如何？3.3.3 3.3.3 釜式反應(yīng)器的組合與設(shè)計(jì)計(jì)算釜式反應(yīng)器的組合與設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.3 3.3.3 釜式反應(yīng)器串聯(lián)與并聯(lián)的選擇釜式反應(yīng)器串聯(lián)與并聯(lián)的選擇 正常動(dòng)力學(xué)正常動(dòng)力學(xué)ABDEF2AXAX1AXAr10HK)(2200AAAArXrXcQV 單釜)()()(212001100AAAAAAAAArXrXXcQXrXcQV兩釜串聯(lián)圖解分析圖解分析正常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率正常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率 隨隨X XA A增

21、加而降低。增加而降低。多釜串聯(lián)比單釜有利，總反應(yīng)體積小于單釜體積。多釜串聯(lián)比單釜有利，總反應(yīng)體積小于單釜體積。Ar對(duì)于正常動(dòng)力學(xué)，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。對(duì)于正常動(dòng)力學(xué)，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。( (但操作復(fù)雜程度增大，附屬設(shè)備費(fèi)用增大）但操作復(fù)雜程度增大，附屬設(shè)備費(fèi)用增大）反常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率反常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率 隨隨X XA A增加而增加。增加而增加。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。Ar 小結(jié)小結(jié) 并聯(lián)的釜式反應(yīng)器XAf與Q01,Q02, XAf1, XAf2有關(guān)3.3.3.2 多釜釜式反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算1.流程流程0AC0Q1V1AC1AC1

22、 ,Ar1, iACiAC,1,NACNAC,iVAiCiAr,NVNAC,NAr,Ac對(duì)對(duì)Ar1作圖作圖 Ar1AcAAcr10Ac1ANcANc2. 多釜串聯(lián)反應(yīng)器的總?cè)莘e多釜串聯(lián)反應(yīng)器的總?cè)莘e1）解析法）解析法 以以一級(jí)不可逆反應(yīng)一級(jí)不可逆反應(yīng)為例，對(duì)于恒容系統(tǒng)，任意第為例，對(duì)于恒容系統(tǒng)，任意第i個(gè)反應(yīng)個(gè)反應(yīng)器有：器有：AiAiAiircc1AiiAiAickcc1即：即：iiAiAikcc111假設(shè)反應(yīng)是等溫反應(yīng)，假設(shè)反應(yīng)是等溫反應(yīng)，kki，有：有： nAOANkkkcc1.11121ANx1令各釜的空時(shí)令各釜的空時(shí)i相等，則：相等，則：NiANkx11111111NANixkN個(gè)反應(yīng)

23、器的總?cè)莘e個(gè)反應(yīng)器的總?cè)莘e:RiRNvV 0vNi2）圖解法）圖解法當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)1n可用可用圖解法計(jì)算。圖解法計(jì)算。ArAcAiAiAiircc10Ac11211Ac2Ac3.3.4 串聯(lián)釜式反應(yīng)器體積優(yōu)化串聯(lián)釜式反應(yīng)器體積優(yōu)化對(duì)于第對(duì)于第i個(gè)反應(yīng)器，有：個(gè)反應(yīng)器，有：AiAiAircc0AiAiAiArxxc10反應(yīng)流體在反應(yīng)流體在N個(gè)串聯(lián)全混流反應(yīng)器的總的空時(shí)：個(gè)串聯(lián)全混流反應(yīng)器的總的空時(shí)：Nii1ANANANAAiAiAiArxxcrxxc1010.2120110AAAAAAArxxcrxc滿足滿足為最小的條件為最小的條件:0Aix10210AiAAiAiAiAiAiAiAAir

24、crxrxxrcx得：AiAiAiAAiAirrxxxr111111滿足總?cè)莘e最小的條件滿足總?cè)莘e最小的條件0對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)：對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)： AiAikcrAiAixr1AiAAiAAiAixkcxkcxx1111101012011AiAxkc可得：可得： 11111AiAiAiAiAiAixxxxxx兩邊同時(shí)乘以兩邊同時(shí)乘以00AAkcc，可得：可得：1ii 對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，需求解非線性代數(shù)方程組得各釜出口轉(zhuǎn)化率，然后再計(jì)算反應(yīng)體積，或用圖解法確定各釜出口轉(zhuǎn)化率。結(jié)論：結(jié)論：總反應(yīng)體積最小的條件：總反應(yīng)體積最小的條件：反應(yīng)物流流動(dòng)方向，各釜的體積依次增大，即反應(yīng)物流流動(dòng)方向，各釜的

25、體積依次增大，即小小 釜在前，大釜在后。釜在前，大釜在后。1時(shí)時(shí):各釜反應(yīng)體積依次減小。各釜反應(yīng)體積依次減小。01時(shí)時(shí):=1時(shí)時(shí): 各釜體積相等。各釜體積相等。=0時(shí)時(shí) :串聯(lián)釜式反應(yīng)器的總反應(yīng)體積與單一釜式反應(yīng)串聯(lián)釜式反應(yīng)器的總反應(yīng)體積與單一釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積相等，串聯(lián)操作無必要。器的反應(yīng)體積相等，串聯(lián)操作無必要。單釜操作優(yōu)于串聯(lián)操作。單釜操作優(yōu)于串聯(lián)操作。0時(shí)時(shí):1.1.連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式定態(tài)操作熱量衡算式為：定態(tài)操作熱量衡算式為：Hq)()()(000TTUAVrHTTcQchrATrptqH)()()(0000TTUAXcHTTcQchAATrptp

26、tTrAAcHXcTT0)(00對(duì)絕熱反應(yīng)，有對(duì)絕熱反應(yīng)，有AXTT0ptrAcHc)(0：絕熱溫升，表示當(dāng)反應(yīng)物：絕熱溫升，表示當(dāng)反應(yīng)物A A全部轉(zhuǎn)化時(shí)物系溫度的變化。全部轉(zhuǎn)化時(shí)物系溫度的變化。3.3.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作2.2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)熱穩(wěn)定性連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)熱穩(wěn)定性 定態(tài)下操作的連續(xù)釜式反應(yīng)器，其操作溫度和定態(tài)下操作的連續(xù)釜式反應(yīng)器，其操作溫度和所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率應(yīng)滿足物料及熱量衡算式。所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率應(yīng)滿足物料及熱量衡算式。)1(/exp0AArXRTEAXQV)/exp(1)/exp(RTEARTEAXA000()()exp(/)(1)()p

27、TrrTAoAhcQcTTVHAERT cXUA TT0000()exp(/)()()1exp(/)rArTpthcV cHAE RTQcTTUA TTAE RT物料衡算式：物料衡算式：熱量衡算式：熱量衡算式：gQTrQgQET4TDTBT3TAT432AB C D E126357489TGQrQ0T增大TaTbTcTdTe2.2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)熱穩(wěn)定性連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)熱穩(wěn)定性3.4 3.4 理想流動(dòng)下的管式反應(yīng)器理想流動(dòng)下的管式反應(yīng)器Pipe ReactorThe Pipe Reactors 平推流模型平推流模型 Plug Flow Models 等溫管式反應(yīng)器的計(jì)算等溫管式反應(yīng)器

28、的計(jì)算 Calculation Of Isothermal Pipe Reaction 變溫管式反應(yīng)器變溫管式反應(yīng)器Nonisothermal Pipe Reactor 理想流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型 流動(dòng)模型：是反應(yīng)器中流體流動(dòng)與返混情流動(dòng)模型：是反應(yīng)器中流體流動(dòng)與返混情況的描述，這一狀況對(duì)反應(yīng)結(jié)果有非常重況的描述，這一狀況對(duì)反應(yīng)結(jié)果有非常重要的影響。要的影響。 返混：在流體流動(dòng)方向上返混：在流體流動(dòng)方向上停留時(shí)間停留時(shí)間不同的不同的流體粒子之間的混合稱為返混，也稱為流體粒子之間的混合稱為返混，也稱為逆逆向混合向混合。1.基本概念基本概念 活塞流模型活塞流模型 Plug Flow Models（平

29、推流）：（平推流）： 基本假定：基本假定： (1) (1) 徑向流速分布均勻，所有粒子以相徑向流速分布均勻，所有粒子以相同的速度從進(jìn)口向出口運(yùn)動(dòng)。同的速度從進(jìn)口向出口運(yùn)動(dòng)。 (2) (2) 軸向上無返混軸向上無返混 符合上述假設(shè)的反應(yīng)器，同一時(shí)刻進(jìn)入符合上述假設(shè)的反應(yīng)器，同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的流體粒子必同一時(shí)刻離開反應(yīng)反應(yīng)器的流體粒子必同一時(shí)刻離開反應(yīng)器，所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相同。器，所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相同。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：徑向上物料的所有參數(shù)都相同，徑向上物料的所有參數(shù)都相同，軸向上不斷變化。軸向上不斷變化。層流層流湍流湍流活塞流活塞流等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì) De

30、sign Of Isothermal Tubular Reactor000AAcQF進(jìn)入量進(jìn)入量 = 排出量排出量 + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + 累積量累積量0)(rAAAAdVrFdFFdzAfXrdV0AFAFAAdFF ArArdVdF)1 (0AAAXFFArAArdVdXF0ArAArdVdXcQ00 單一反應(yīng)單一反應(yīng) A Single ReactionA Single ReactionArAArdVdXcQ00AfXAAArrdXcQV000AfXAAAorrdXcQV00AfXAAArdXct00間歇BRXPFRtA等容，等等容過程的表達(dá)式等容過程的表達(dá)式？,.,k,iFFViir210

31、0, , 解該方程組時(shí)，需首先選定反應(yīng)變量，可以選關(guān)鍵組分的解該方程組時(shí)，需首先選定反應(yīng)變量，可以選關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率或收率或各關(guān)鍵反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度。轉(zhuǎn)化率或收率或各關(guān)鍵反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度。然后將然后將 F Fi i 和和 變?yōu)榉磻?yīng)變量的函數(shù)，即可求解方程組。變?yōu)榉磻?yīng)變量的函數(shù)，即可求解方程組。解時(shí)一般用數(shù)值法。簡單情況可解析求解解時(shí)一般用數(shù)值法。簡單情況可解析求解. .jrkirdVdFMjjijiri,.,2, 11 R 復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng) Multiple Reactions對(duì)關(guān)鍵組分作物料衡算的結(jié)果，得到一對(duì)關(guān)鍵組分作物料衡算的結(jié)果，得到一常微分方程組常微分方程組0)(21ddnckkVAAr0

32、1ddnckVPAr02ddnckVQAr對(duì)對(duì)A的物料衡算：的物料衡算：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)反應(yīng)，都是獨(dú)立的，所以關(guān)鍵系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)反應(yīng)，都是獨(dú)立的，所以關(guān)鍵組分?jǐn)?shù)為組分?jǐn)?shù)為2 2，因此，此三式中僅二式是獨(dú)立的。，因此，此三式中僅二式是獨(dú)立的。（副）（主） AckQrQAAckPrPA2,1,對(duì)對(duì)P的物料衡算：的物料衡算：對(duì)對(duì)Q的物料衡算：的物料衡算： 平行反應(yīng)平行反應(yīng)0)(21ddcckkAA01ddcckPA02ddcckQA0, 0,00QPAAcccct時(shí)，)(exp210kkccAA)(exp1212101kkkkckcAp)(exp1212102kkkkckcAQQPAkk2101d

33、dcckAA10kAAecc 連串反應(yīng)連串反應(yīng)0)(21ddcckckPPA)(122101kkAPeekkckc對(duì)對(duì)A的物料衡算：的物料衡算：對(duì)對(duì)P的物料衡算的物料衡算:k1 k2根據(jù)空時(shí)的定義根據(jù)空時(shí)的定義對(duì)恒容均相反應(yīng)，空時(shí)等于物料在反應(yīng)器內(nèi)的對(duì)恒容均相反應(yīng)，空時(shí)等于物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間對(duì)變?nèi)莘磻?yīng)，空時(shí)等否物料在反應(yīng)器內(nèi)的平對(duì)變?nèi)莘磻?yīng)，空時(shí)等否物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間？均停留時(shí)間？問題？問題？ 變溫管式反應(yīng)器變溫管式反應(yīng)器Non-isothermal Tubular Reactor1.管式反應(yīng)器的熱量衡算管式反應(yīng)器的熱量衡算 Heat Balance Equati

34、ons For Tubular Reactors假設(shè)：假設(shè)： 管式反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)符合活塞流假定；管式反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)符合活塞流假定； 反應(yīng)器內(nèi)溫度分布：徑向均勻，軸向變化反應(yīng)器內(nèi)溫度分布：徑向均勻，軸向變化取微元體積取微元體積dVr作為控制體積，作為控制體積，衡算依據(jù)為熱力學(xué)第一定律：衡算依據(jù)為熱力學(xué)第一定律：dqdH 24)(tptTrrAddTGcdZHrdH反應(yīng)熱反應(yīng)熱溫變熱溫變熱G為流體的為流體的質(zhì)量速度質(zhì)量速度GA=Q0dZATTUdqhC)(tCTrrAptdTTUHrdZdTGc/ )(4)(/管式反應(yīng)器軸向溫度分布方程管式反應(yīng)器軸向溫度分布方程1.1.管式反應(yīng)器的熱量衡算管式

35、反應(yīng)器的熱量衡算令令w wA0A0為組分為組分A A的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，M MA A為為A A的相對(duì)分子量的相對(duì)分子量, ,則：則：AAAArdZdXMGw0)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt管式反應(yīng)器中反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式管式反應(yīng)器中反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式絕熱操作絕熱操作0)(4CtTTdUAptATrrAdXcMHwdT)(02.絕熱管式反應(yīng)器絕熱管式反應(yīng)器Adiabatic Tubular Reactors)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrAptAptATrrAXcMHwTT)(00AXTT0ptATrAcM

36、Hwr0等溫反應(yīng)，等溫反應(yīng)，T=TT=T0 0；放熱反應(yīng)，放熱反應(yīng)，T TT T0 0；吸熱反應(yīng)，吸熱反應(yīng)， T TT T0 0吸熱反應(yīng)，較高的進(jìn)料吸熱反應(yīng)，較高的進(jìn)料溫度有利；溫度有利；放熱反應(yīng)，較低的進(jìn)料放熱反應(yīng)，較低的進(jìn)料溫度有利。溫度有利。XA 和和 T的關(guān)系圖的關(guān)系圖吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)等溫反應(yīng)等溫反應(yīng)放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)TXA2.2.絕熱管式反應(yīng)器絕熱管式反應(yīng)器2.2.絕熱管式反應(yīng)器絕熱管式反應(yīng)器 可逆放熱反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系可逆放熱反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系 循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器（循環(huán)反應(yīng)器）循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器（循環(huán)反應(yīng)器）0Q0Q00ACQMN循環(huán)反應(yīng)器的循環(huán)反應(yīng)器的基本假設(shè)基

37、本假設(shè)：反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流流動(dòng)；反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流流動(dòng)；管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；整個(gè)體系處于定常態(tài)操作。整個(gè)體系處于定常態(tài)操作。對(duì)對(duì)M M點(diǎn)作點(diǎn)作A A的物料衡算的物料衡算 1000000111AAAfAAxcQxcQcQ可得：可得： 11AfAxx循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程：循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程：AfAxxAAARrdxFV10001ARcQV即：即： AfAfxxAAAARrdxccQV10001AfAfxxAAARrdxcQV1001AfAfAfAfxxAAAxxAAARrdxcQrdxFV1001011時(shí)：時(shí)： 1110AfAfAfAxxrcA

38、fAfArxc0AfAfrx111AfAfxr0時(shí)時(shí), 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器當(dāng)當(dāng)0 XAm ，則，則 Vrp Vrm若：若：XAf XAm ，則，則 Vrp E2時(shí)，E1-E20，隨著溫度的上升，選擇性SR上升，可見高溫有利于提高瞬時(shí)選擇性；當(dāng)E1E2時(shí)，E1-E2a2，blb2時(shí)，升高濃度，使選擇性增加，若要維持較高的cA、cB，則應(yīng)選擇平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器l例2-2 有一分解反應(yīng)l其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0 =5 kmolm-3，cP0=cS0=0，體積流速為5m3h-1，求轉(zhuǎn)化率為90時(shí)：l(1)全混流反

39、應(yīng)器出口目的產(chǎn)物P的濃度及所需全混流反應(yīng)器的體積。l(2)若采用平推流反應(yīng)器，其出口cP為多少?所需反應(yīng)器體積為多少?l(3)若采用兩釜串聯(lián)，最佳出口cP為多少?相應(yīng)反應(yīng)器體積為多少?2A2SA1pSAPAckrckr付產(chǎn)物目的產(chǎn)物l(1)全混流反應(yīng)器l全混流反應(yīng)器平均選擇性等于瞬間選擇性32AA0A0R3A0APP22A2A1A1AP1PPm7 .255 . 05 . 15 . 015 . 45mkmol57. 25 . 05571. 0%1 .579 . 0155 . 19 . 01519 . 0151rccVVccScckckckrrpaSSl(2)平推流反應(yīng)器A0APPccSc0AAA

40、PA0APd1CCcSccS0AAAPPdcccSc30AAA0A0RAAAAA0RA0APP3A0AAAAA12A2A2A1A1Pm61. 35 . 115 . 11lnln5 . 11dd%3 .235 . 0505. 1mkmol05. 15 . 05 . 1155 . 11ln5 . 115 . 115 . 11ln5 . 11d5 . 111d11d0AA0AAA0A0AA0AAccccVVcccrcVVcccScccccckkcckckckcccccccccccl(3)兩個(gè)全混釜串聯(lián)l為使cP最大，求 ，l得cA1=1.91kmolm-32A2A1A1A1A0A2A1A22A22A

41、12A11A0A21A21A11A12A2P1AP1P5 . 115 . 11ccccccccckckckccckckckcScSc0dd1APcc32222A22A12A1A021A21A11002R1RRP3m5 .105 . 05 . 15 . 015 . 091. 1591. 15 . 191. 1191. 155%7 .355 . 0561. 1mkmol61. 15 . 05 . 115 . 091. 191. 15 . 1191. 15ckckccVckckccVVVVScAAP連串反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型l連串反應(yīng)是指反應(yīng)產(chǎn)物能進(jìn)一步反應(yīng)成其它副產(chǎn)物的過程。l作為討論的例子，考慮下面最簡單型式的連串反應(yīng)(在等溫、恒容下的基元反應(yīng))：l在該反應(yīng)過程中，目的產(chǎn)物為P，若目的產(chǎn)物為S則該反應(yīng)過程可視為非基元的簡單反應(yīng)。SPA21kkl三個(gè)組分的生成速率為：l設(shè)開始時(shí)各組分的濃度為cA0，cP0=cS0=0，則由第一式積分得：A1AAddcktcrP2A1PPddckcktcrP2SSddcktcrtkecc10AAl將此結(jié)果代入第二式得：l為一階線性常微分方程，其解為：l由 于 總 摩 爾 數(shù) 沒 有 變 化 ， 所 以 cA0=cA+cP+cS0dd10A1P2Ptkeckcktctktkeekkkcc122110APtktkekekkkcc21122