第三章均相反應(yīng)器

1、Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology第三章第三章 均相反應(yīng)器均相反應(yīng)器 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3 均相理想反應(yīng)器反 應(yīng) 器開(kāi) 發(fā) 的任務(wù)選擇合適的反應(yīng)器型式根據(jù)動(dòng)力學(xué)特性確定操作方式和優(yōu)化操作條件結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器特性設(shè)計(jì)計(jì)算、確定反應(yīng)器尺寸、評(píng)價(jià)。根據(jù)產(chǎn)量理 想 反應(yīng) 器 的型式間歇操作充分?jǐn)嚢韪椒磻?yīng)器連續(xù)操作充分?jǐn)嚢韪椒磻?yīng)器活塞流反應(yīng)器反應(yīng)器組合 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang 3.1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 3.2 等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)分析 3.3 非等溫條件下理想

2、反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 3.4 理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合 3.5 循環(huán)反應(yīng)器 3.6 反應(yīng)器型式和操作方式評(píng)選 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.1.1 反應(yīng)器的分類反應(yīng)器的分類反應(yīng)器分類依據(jù)反應(yīng)器型式相態(tài)結(jié)構(gòu)型式操作方式換熱方式均 相 、 非 均 相管式、釜式、塔式等連 續(xù) 式 、 間 歇 式絕 熱 式 、 換 熱 式 等 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.1.2 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)方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算反應(yīng)器的工藝尺寸校核計(jì)算反應(yīng)器的壓力降、傳熱面積、產(chǎn)品質(zhì)量等是否合格反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)方程式物料衡算式熱

3、量衡算式動(dòng)量衡算式動(dòng)力學(xué)方程式 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang（1）物料衡算式）物料衡算式反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，必須建立物料濃度、溫度均勻的單元體積V和單元時(shí)間。進(jìn)入v物料A的量Finmol/s+排出v物料A的量Foutmol/s內(nèi)v中物料A的消耗量Frmol/s=+內(nèi)v中物料A的累積量Fbmol/s（3.1-1） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang（2）熱量衡算式）熱量衡算式內(nèi)隨物流流入v的熱量QinkJ/s+內(nèi)隨物流流出v的熱量QoutkJ/s內(nèi)v與環(huán)境交換的熱量QuKJ/s=+內(nèi)v中累積的熱量QbKJ/s內(nèi)v中化學(xué)反應(yīng)放出的熱量QrkJ/s+（3.1-

4、2） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.1.3 幾個(gè)時(shí)間概念幾個(gè)時(shí)間概念（1）反應(yīng)持續(xù)時(shí)間反應(yīng)持續(xù)時(shí)間tr 簡(jiǎn)稱為反應(yīng)時(shí)間簡(jiǎn)稱為反應(yīng)時(shí)間，是反應(yīng)物料反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間。（2）停留時(shí)間停留時(shí)間t 又稱接觸時(shí)間又稱接觸時(shí)間，是指流體微元從反應(yīng)器入口到反應(yīng)器出口所經(jīng)歷的時(shí)間。（3）平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間 是指各流體微元從反應(yīng)器入口到反應(yīng)器出口所經(jīng)歷的平均時(shí)間。t（4）空間時(shí)間空間時(shí)間 是指反應(yīng)器有效容積VR與流體體積流率V0之比 。（5）空間速度空間速度SV 是指單位時(shí)間內(nèi)投入單位有效反應(yīng)器容積VR內(nèi)的物料標(biāo)準(zhǔn)體積。RNVVVS0（3.1-3） 石油化學(xué)工程系 化

5、學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.2 等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)分析等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)分析3.2.1 間歇操作的充分?jǐn)嚢韪椒磻?yīng)器間歇操作的充分?jǐn)嚢韪椒磻?yīng)器Batch Reactor 等溫條件下等溫條件下反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算就是動(dòng)力 學(xué) 方 程 式 、 物 料 衡 算 式 的 結(jié) 合攪拌器進(jìn)料口出料口夾套圖3-1 間歇反應(yīng)器示意圖1、間歇反應(yīng)器特點(diǎn)、間歇反應(yīng)器特點(diǎn)（1）由于良好的攪拌、混合，反應(yīng)器各位置物料溫度、濃度處處均一。（2）由于一次性加料，一次性出料，反應(yīng)過(guò)程中無(wú)進(jìn)料、出料；反應(yīng)器內(nèi)物料停留時(shí)間相等，無(wú)返混現(xiàn)象。（3）間歇操作，有輔助生產(chǎn)時(shí)間。一個(gè)生產(chǎn)周期包括：反應(yīng)時(shí)間、加料

6、時(shí)間、出料時(shí)間、清洗時(shí)間、加熱（或冷卻）時(shí)間等。 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang2、間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程、間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程由式（3.1-1）可知：broutinFFFF（3.2-1）對(duì)于間歇反應(yīng)過(guò)程，dtdnVrARA)(00（3.2-2）由于，)1 (0AAAxnn（3.2-3）所以，AAAdxndn0（3.2-4）故：dtdxnVrAARA0)(（3.2-5）分離變量積分得：AxRAAAtrVrdxndtt000)(（3.2-6）根據(jù)間歇反應(yīng)器的特點(diǎn)，選擇反應(yīng)器的有效體積VR為單元體積，單元時(shí)間為dt。 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang式（3.2-

7、6）的幾何意義如下圖：0Arct面積)(1ArAx0rt面積)(1Ar0Ac0Ac圖3-3 恒容情況BR的圖解計(jì)算0Arnt面積)(1RAVrAx0圖3-2 BR的圖解計(jì)算 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.2.2 理想置換反應(yīng)器（平推流反應(yīng)器）理想置換反應(yīng)器（平推流反應(yīng)器） the Plug Flow Reactor理想置換反應(yīng)器是指通過(guò)反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同通過(guò)反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同速度向前流動(dòng)，猶如活塞一樣在反應(yīng)其中向前平推速度向前流動(dòng)，猶如活塞一樣在反應(yīng)其中向前平推，故又稱為活塞流或平推流反應(yīng)器。1、理想置換反應(yīng)器的特性、理想置換反應(yīng)器的特性（1）由于

8、流體沿同一方向，以相同速度向前推進(jìn)，在反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有物料的返混，所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間相同停留時(shí)間相同。（2）在同一截面上，不同徑向位置的流體特性（組成、濃度同一截面上，不同徑向位置的流體特性（組成、濃度等）是一致的等）是一致的。（3）在定常態(tài)下操作，反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)只隨軸向位置改變，不反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)只隨軸向位置改變，不隨時(shí)間改變隨時(shí)間改變。 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang2、等溫理想置換反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程、等溫理想置換反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程0000VxFcAAAVxFcAAAAAxFAAAAdxxdFFdVdlL圖3-5 平推流反應(yīng)器物料衡算示意圖根據(jù)平推流反應(yīng)器的特點(diǎn)，選擇單元

9、時(shí)間d及單元體積dV（下圖所示）。物料衡算：broutinFFFF（3.2-7）定常態(tài)下：0bF累積量（3.2-8）由于，)1 (0AAAxFF（3.2-10）所以，AAAdxFdF0（3.2-11）所以：0)()(RAAAAdVrdFFF（3.2-9） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang故：RAAAdVrdxF)(0（3.2-12）分離變量積分得：ARxAAVARARrdxFVFdV0000)(（3.2-13）對(duì)于恒容過(guò)程：AxAAARrdxcVV000)(（3.2-14）式（3.2-14）的幾何意義如圖3-6：面積)(1Ar0Ac0Afc面積)(0AArcAx0圖3-6

10、PFR的圖解計(jì)算Afx常用的數(shù)值積分法對(duì)（3.2-14）進(jìn)行積分運(yùn)算，如辛普森法：)(2)(434253100nxxIIIIIIIxIdxf（3.2-15） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang化學(xué)反應(yīng)工程均相理想反應(yīng)器3.2.3 全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器 the Continuous Stirred Tank Reactor全混流反應(yīng)器是指流入反應(yīng)器的物料，在瞬間與反應(yīng)器內(nèi)流入反應(yīng)器的物料，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。都是相同的。1、全混流反應(yīng)器的特性、全混流反應(yīng)器的特性（1）物料

11、在反應(yīng)器內(nèi)充分返混。（2）反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一。（4）連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，是一個(gè)定常態(tài)過(guò)程。（3）反應(yīng)器的出口組成與器內(nèi)物料組成相同。攪拌器進(jìn)料口出料口圖3-7 全混流反應(yīng)器示意圖0000VxFcAAAVxrcAfAAf)(VxFcAfAfAf 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang2、全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程、全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程物料衡算：broutinFFFF（3.2-16）定常態(tài)下：0bF累積量（3.2-17）所以：0)(0RAAfAVrFF（3.2-18）根據(jù)全混流反應(yīng)器的特點(diǎn)，選擇單元時(shí)間為平均停留時(shí)間 單元體積為整個(gè)反應(yīng)器體積VR。t即，（3.2-19）)(0AAfA

12、RrFFV或，（3.2-20）)(0AAfARrxFV（3.2-21）)()(00AAfARrccVV對(duì)于恒容過(guò)程：或，（3.2-22）)()(000AAfAAAfARrccrxcVV 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang式（3.2-22）的幾何意義如圖3-8：面積)(1Ar0Ac0Afc圖3-8 CSTR的圖解計(jì)算 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.3 非等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)非等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)非等溫條件下非等溫條件下反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算就是動(dòng)力學(xué)方程式、物料衡算式、熱量恒算式的結(jié)合3.3.1 間歇反應(yīng)器的熱量衡算間歇反應(yīng)器的熱量衡算建立單元體

13、積和單元時(shí)間（如前），根據(jù)式（3.1-2)得：bouturinQQQQQ（3.3-1）已知：dtdTcVQTTKAQHrVQQQpRbwurARroutin)()(00所以，熱量衡算式為：dtdTcVTTKAHrVpRwrAR)()(（3.3-2） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程式：)()()()(AAAAxkfrr（3.3-3）物料衡算是為：0)(ARAAnVrdtdx（3.3-4）2、絕熱條件時(shí)、絕熱條件時(shí)Qu=0：dTcVHdxnpRrAA)(0（3.3-7）積分得絕熱操作線方程：pRrAAcVHnxT)(0（3.3-8）（3.3-9）0)()(TTK

14、AHrVwrAR（3.3-5）1、等溫條件時(shí)、等溫條件時(shí) ：0dtdT（3.3-6）所以0)()(0TTKAHdtdxnwrAA式（3.3-6）用差分法聯(lián)立動(dòng)力學(xué)方程式解。 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.3.2 平推流反應(yīng)器的熱量衡算平推流反應(yīng)器的熱量衡算建立單元體積和單元時(shí)間（如前），根據(jù)式（3.1-2)得：bouturinQQQQQ（3.3-10）已知：0)()()()()(bwTwuTrARrArpoutpinQdlTTdKTTKAQdlAHrdVHrQdTTGcQTGcQ所以，熱量衡算式為：0)()(dlTTdKdlAHrdTGcwTTrAp（3.3-11）整

15、理得：)()(1TTdKAHrGcdldTwTTrAp（3.3-12）物料衡算式為：)(0AATArFAdldx（3.3-13） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang動(dòng)力學(xué)方程式：)()()()(AAAAxkfrr（3.3-14）1、等溫條件時(shí)、等溫條件時(shí) ：0dldT2、絕熱條件時(shí)、絕熱條件時(shí)Qu=0：式（3.3-16）用差分法聯(lián)立動(dòng)力學(xué)方程式解。（3.3-15）（3.3-16）所以0)()(0TTKAHdldxFwTrAA0)()(TTdKAHrwTTrA（3.3-17）pTrAGcAHrdldT)(積分得絕熱操作線方程：pTrAGcAHrlT)(（3.3-19）（3.3-

16、18） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang建立單元體積和單元時(shí)間（如前），根據(jù)式（3.1-2)得：bouturinQQQQQ（3.3-20）已知：0)()(221bwuRrArpoutpinQTTKAQVHrQTGcQTGcQ3.3.3 全混流反應(yīng)器的熱量衡算全混流反應(yīng)器的熱量衡算所以，熱量衡算式為：（3.3-21）0)()()(221RrAwpVHrTTKATTGc物料衡算式為：（3.3-22）)(.0ARAfArVxF動(dòng)力學(xué)方程式：)()()()(AAAAxkfrr（3.3-23） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang1、等溫條件時(shí)、等溫條件時(shí) ：2、絕熱

17、條件時(shí)、絕熱條件時(shí)Qu=0：（3.3-24）（3.3-25）即0)()()(0221rAfAwpHxFTTKATTGc0)()()(221RrAwpVHrTTKATTGc（3.3-28）積分得絕熱操作線方程：prAAGcHFxT)(0（3.3-27）（3.3-26）0)()(021rAfApHxFTTGc 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.4 理想流動(dòng)反應(yīng)器組合理想流動(dòng)反應(yīng)器組合3.4.1 理想流動(dòng)反應(yīng)器的并聯(lián)組合理想流動(dòng)反應(yīng)器的并聯(lián)組合在工業(yè)生產(chǎn)中，為了滿足不同的要求，有時(shí)將相同或不同型式的反應(yīng)器組合在一起。1、平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作、平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作若干個(gè)體積相

18、同或不同的平推流反應(yīng)器并聯(lián)在一起，如何如何使最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高或使反應(yīng)器體積最小？使最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高或使反應(yīng)器體積最?。咳缬袃蓚€(gè)并聯(lián)PFR，VR= VR1+ VR2（3.4-1）ixAAAiRiArdxcVV000)(式中（3.4-2）因?yàn)槭遣⒙?lián)操作，故 V0= V01+ V02（3.4-3）2000210001)()( AAxAAAxAAARrdxcVrdxcVV所以（3.4-4） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang當(dāng)反應(yīng)溫度相同，反應(yīng)器體積最小時(shí)：212001000 )()(0即AAxAAAxAAAiRrdxcrdxcVV（3.4-5）（3.4-6）（3.4-7）結(jié)論：

19、要使結(jié)論：要使反應(yīng)器體積最小反應(yīng)器體積最小，并聯(lián)操作的多個(gè)平推流反并聯(lián)操作的多個(gè)平推流反應(yīng)器，其體積流量應(yīng)按反應(yīng)器體積大小分派。應(yīng)器，其體積流量應(yīng)按反應(yīng)器體積大小分派。NRNRRVVVVVV0020121 ：即（3.4-8）2、全混流反應(yīng)器的并聯(lián)操作、全混流反應(yīng)器的并聯(lián)操作結(jié)論：多個(gè)全混流反應(yīng)器并聯(lián)操作，達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率要結(jié)論：多個(gè)全混流反應(yīng)器并聯(lián)操作，達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率要使反應(yīng)器使反應(yīng)器體積最小體積最小，與平推流反應(yīng)器一樣與平推流反應(yīng)器一樣，必須使：，必須使：1= 2= N（3.4-9）NRNRRVVVVVV0020121 ：即（3.4-10） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weiga

20、ng261、平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作、平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作3.4.2 理想流動(dòng)反應(yīng)器串聯(lián)操作理想流動(dòng)反應(yīng)器串聯(lián)操作考慮N個(gè)平推流反應(yīng)器串聯(lián)操作，如圖3-9所示：就反應(yīng)組分A對(duì)任意反應(yīng)器i作物料衡算，并積分得：000 ,VcFAA1Ax2Ax)1(NAxANx圖3-9 平推流反應(yīng)器串聯(lián)操作1RV2RVRNViixxAAAiARirdxcFV1)(00（3.4-11）對(duì)串聯(lián)N個(gè)反應(yīng)器而言：00201100ARNARARNiARiARFVFVFVFVFV（3.4-12）即：RNRRNiRiRVVVVV211（3.4-13） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang結(jié)論：結(jié)論：N個(gè)平推流反

21、應(yīng)器個(gè)平推流反應(yīng)器串聯(lián)操作串聯(lián)操作，其總體積，其總體積VR與一個(gè)體與一個(gè)體積為積為VR的單個(gè)平推流反應(yīng)器的單個(gè)平推流反應(yīng)器所能獲得的所能獲得的轉(zhuǎn)化率相同轉(zhuǎn)化率相同。2、全混流反應(yīng)器的串聯(lián)操作、全混流反應(yīng)器的串聯(lián)操作考慮N個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作，如圖3-10所示：0000VxcFAAA11AAxc圖3-10 全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作示意圖22AAxc)1()1(iAiAxcAiAixc)1()1(NANAxcANANxc對(duì)恒容、定常態(tài)系統(tǒng)，就任意釜i對(duì)關(guān)鍵組分A作物料衡算得：iAAi)1i (AiA)1i (AAi0A)r(cc)r()xx(c（3.4-14）對(duì)于N釜串聯(lián)系統(tǒng)，總空間時(shí)間： =1+

22、2+ N（3.4-15） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang28式（3.4-15）的幾何意義如圖3-11所示：123451Ax2Ax3Ax4Ax5Ax0)(0AArc圖3-11 多釜串聯(lián)反應(yīng)器的空間時(shí)間)( 0321AAfANrxc顯然（3.4-16）這是因?yàn)楦c釜之間不存在返混，故這是因?yàn)楦c釜之間不存在返混，故總的返混小于單個(gè)全混釜的返混。總的返混小于單個(gè)全混釜的返混。 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigangA 解析法確定出口濃度或轉(zhuǎn)化率解析法確定出口濃度或轉(zhuǎn)化率（1）0級(jí)反應(yīng)，恒溫恒容過(guò)程，RNRiRRRAVVVVVkr321,)(且根據(jù)設(shè)計(jì)方程， 得：i

23、AiAcck,1,kcciAiA1,0,0,0,0,1,0,2,3,0,1 ,2,0,1 ,33221AANAAANANANAAAAAAAAAcNkcccxNkckccNikckccikckccikcci總轉(zhuǎn)化率根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義：時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)（3.4-17）（3.4-18） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang（2）1級(jí)反應(yīng)，恒溫恒容過(guò)程，RNRiRRRAAVVVVVkcr321,)(且根據(jù)設(shè)計(jì)方程得：kcciAiA11,)1 (11 )1 (1)1 (13)1 (12110,0,0,1,30,2,3,20,1 ,2,0,1 ,NANAAANNANANAAAAAAA

24、AAkcccxkckccNikckccikckccikcci總轉(zhuǎn)化率根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義：時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)（3.4-19）（3.4-20） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang（3）2級(jí)反應(yīng)，恒溫恒容過(guò)程，RNRiRRRAAVVVVVkcr3212,)(且根據(jù)設(shè)計(jì)方程得：2,1,iAkccciAiAkckcccckiAiAiAiAiA24110:i1,1,2,則：則對(duì)任意釜（3.4-21）（3.4-22） 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigangB 圖解法確定出口濃度或轉(zhuǎn)化率圖解法確定出口濃度或轉(zhuǎn)化率（3.4-24）重排得：)(1)(1,iAiAiAccr根據(jù)多

25、釜串聯(lián)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程：iAiAiAiAiAiAArccrxxc)()()(,1,1,0（3.4-23）式（3.4-24）的幾何意義是：?；蚣纯蓤D解求出線，再結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程（的直線。，斜率為過(guò)點(diǎn)（NANAAiAxcrc,1,)1)0 ,釜的操作點(diǎn)。、第第二釜、第三釜、分別為第一釜、N321NMMMM)(Ar0Ac01Ac2Ac3Ac4AcAic1M2M3M4M圖3-12 多釜串圖解示意圖 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.5 循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器3.5.1 循環(huán)反應(yīng)器的基本假設(shè)循環(huán)反應(yīng)器的基本假設(shè)1、為了控制反應(yīng)物的合適濃度，以便于控制溫度、轉(zhuǎn)化率和收率。2、為了提高原料

26、的利用率。常采用部分物料循環(huán)的方法。1、反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流流動(dòng)。2、循環(huán)管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。3、整個(gè)體系處于定常態(tài)操作。 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.5.2 循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程式循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程式循環(huán)反應(yīng)器如圖3-13所示：1、定義循環(huán)比、定義循環(huán)比：為循環(huán)物料量與反應(yīng)器出料量之比2323AAFFVV即3.5-10000AAAcxVF1111AAAcxVF2222AAAcxVF新鮮進(jìn)料總進(jìn)料出料循環(huán)料V3圖3-13 循環(huán)反應(yīng)器示意圖M 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang2、物料衡算：、物料衡算：對(duì)于整個(gè)反應(yīng)器而言，)1 (202AAAxFF3

27、.5-2)1 ( 2202AAAxFF同時(shí)3.5-3020 AAFF所以3.5-4對(duì)圖3-14中點(diǎn)M作物料衡算可知：)1 ( )1 (2020020301AAAAAAAAAAxFxFFFFFFF3.5-5020030010)1 ( AAAAAAFFFFFF此外)1 ()1 ()1 ( 101101AAAAAxFxFF同時(shí)3.5-63.5-7對(duì)比式（3.5-5）和式（3.5-7）得：211AAxx3.5-8 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang所以：2210)()1 (AAxxAAARrdxFV3.5-10根據(jù)PFR的設(shè)計(jì)方程式可知：21)(10AAxxAAARrdxFV3.5-

28、9 循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程式 循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程式討論3.5-11（1）當(dāng)=0時(shí)，式（3.5-10）為：200)(AxAAARrdxFV變?yōu)槠胀ɑ钊鞣磻?yīng)器的計(jì)算公式。（2）當(dāng)時(shí)，22211111AAAAxxxx3.5-12 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang2Ax反應(yīng)器處于恒 下操作，2202220)( )1 ()(1)1 (AAAAAAARrxFxxrFV3.5-13變?yōu)槿炝鞣磻?yīng)器的計(jì)算公式。（3）當(dāng)00的不可逆等溫反應(yīng)均有圖示特征?？梢?jiàn)采用可見(jiàn)采用PFR所用反應(yīng)器容積最小，多個(gè)所用反應(yīng)器容積最小，多個(gè)CSTR串聯(lián)次之串聯(lián)次之。)(0AArcAxP F R)(0AArcAx

29、多個(gè)CSTR串聯(lián)圖3-15 n0時(shí)、單一反應(yīng)、所需不同反應(yīng)器容積的比較)(0AArcAxCSTR 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang單調(diào)遞減，隨）（AAx-r)(1 2如圖3-16所示，對(duì)于一切n0的不可逆等溫反應(yīng)均有圖示特征?？梢?jiàn)采用可見(jiàn)采用CSTR所用反應(yīng)器容積最小，多個(gè)所用反應(yīng)器容積最小，多個(gè)CSTR串聯(lián)次之串聯(lián)次之。)(0AArcAxP F R)(0AArcAx多個(gè)CSTR串聯(lián)圖3-16 n0時(shí)，選用PFR，BR，CSTR串比選用CSTR更經(jīng)濟(jì)，反 應(yīng)級(jí)數(shù)增加，這種趨勢(shì)增加。（2）n E2。3.6-10對(duì)于可逆反應(yīng)A B，動(dòng)力學(xué)方程式為：AARTEAARTEAxcek

30、xcekr02001021)1 ()(0)1 (1)(02020101221AARTEAARTEAxcekExcekERTTr則3.6-9可逆吸熱反應(yīng))(ArT圖3-19 反應(yīng)溫度對(duì)可逆吸熱反應(yīng)速度的影響結(jié)論：升高溫度對(duì)可逆吸熱反應(yīng)有利，但要考慮催化劑或設(shè)備材質(zhì)的耐熱情況。 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang2、可逆放熱反應(yīng)、可逆放熱反應(yīng)01)(0AAAcKkxr）（由于3.6-11（1）反應(yīng)器選型）反應(yīng)器選型結(jié)論：使用PFR或CSTR串聯(lián)，反應(yīng)器體積最小。（2）溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響）溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響由于是吸熱反應(yīng)，E10時(shí)，PFR、BR平均選擇率與瞬時(shí)選擇率的關(guān)系（1）

31、對(duì)于平推流和間歇反應(yīng)器，平均選擇率 和瞬時(shí)選擇率SP的關(guān)系為：PS 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang（2）對(duì)于全混流反應(yīng)器，釜內(nèi)濃度均一，且等于出口濃度，所以：PPSS（3）對(duì)N個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器，進(jìn)口和各釜中A的濃度分別為 則有： ,10AnAAccc)()()()(01212101AnAAnAnPnAAPAAPPccccSccSccSS3.6-93.6-10 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3、影響瞬時(shí)選擇率的關(guān)系、影響瞬時(shí)選擇率的關(guān)系為了增加目的產(chǎn)物的收率，必須從反應(yīng)器型式及工藝條件的優(yōu)化來(lái)提高瞬時(shí)收率。)11)12211AAAAAPrrrrrS

32、（將動(dòng)力學(xué)方程代入得：121221102021111)bbBaaAAAAPccRTEEekkrrrS（3.6-113.6-1222112211bBaAAbBaAAcckrcckr副產(chǎn)物的生成速率為：目的產(chǎn)物的生成速率為 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang（1）溫度對(duì)選擇性的影響減小增大增大減小T升高E1 E2RTEEe21PS結(jié)論：升高溫度，總是對(duì)活化能大的反應(yīng)有利。若主反應(yīng)活化能大，則應(yīng)升高溫度。反之，則應(yīng)降低溫度。 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang（2）濃度對(duì)選擇性的影響動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)對(duì)濃度的要求操作示意圖加料方法瞬間加入所有的A和B緩慢加入A和B,或者加

33、入稀釋劑先把A全部加入，然后緩慢加入BI 間歇操作時(shí)，為提高SP,各種動(dòng)力學(xué)條件下操作方式的變化。ABABBA2121,bbaa都高BAcc ,2121,bbaa都低BAcc ,2121,bbaa低高，BAcc121221102021111)bbBaaAAAAPccRTEEekkrrrS（ 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigangII 連續(xù)操作時(shí)，為提高SP,各種動(dòng)力學(xué)條件下操作方式的變化及濃度分布。動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)濃度的要求操作示意圖濃度分布圖2121,bbaa都高BAcc ,2121,bbaa都低BAcc ,2121,bbaa低高，BAccAB00BAccBAccABABABABBB

34、AB分離器A0AcBAcc0Bc00BAccBAcc00BAccBcAc121221102021111)bbBaaAAAAPccRTEEekkrrrS（ 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang3.6-5 連串反應(yīng)連串反應(yīng)為了提高中間產(chǎn)物P的收率，應(yīng)盡可能使k1k2，使反應(yīng)物A的濃度盡可能高，中間產(chǎn)物P的濃度合理的低。副產(chǎn)物）目的產(chǎn)物）一級(jí)反應(yīng)）：元連串反應(yīng)對(duì)于等溫、恒容下的基(21SPAkkPSSPAPPAAAckdtdcrckckdtdcrckdtdcr2211)(其動(dòng)力學(xué)方程為：3.6-133.6-143.6-15)(APPAApPAPrrdndnS定義 石油化學(xué)工程系 化學(xué)

35、工程與工藝教研室 weigang對(duì)于一級(jí)反應(yīng)：1PAAPRTEEAPAPAAPPccekkckckckckckrrS11 )(21102012121（1）溫度對(duì)選擇性的影響減小增大增大減小T升高E1 E2RTEEe21PS結(jié)論：升高溫度，總是對(duì)活化能大的反應(yīng)有利。若主反應(yīng)活化能大，則應(yīng)升高溫度。反之，則應(yīng)降低溫度。這一點(diǎn)與平行反應(yīng)是一致的。3.6-161、影響因素、影響因素 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigang（2）濃度對(duì)選擇性的影響有公式（3.6-16）可知，提高 濃度，降低 濃度，有利于提高瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率，顯然PFR（或BR）比CSTR易滿足這一條件。AcPc2、反應(yīng)器計(jì)算、反應(yīng)器計(jì)算對(duì)于連串反應(yīng)，以提高平均選擇率為目標(biāo)函數(shù)，分別討論CSTR和PFR（或BR）的計(jì)算。（1）CSTR的計(jì)算（ ）值和相應(yīng)的計(jì)算最佳空間時(shí)間max, poptc以一級(jí)連串反應(yīng)為例：SPAkk 210,0t000SPAAcccc時(shí)，恒容過(guò)程中，在CSTR中對(duì)A作物料衡算：RAAAVrcVcV)(0003.6-17 石油化學(xué)工程系 化學(xué)工程與工藝教研室 weigangkccVVkcrAARAA1,)(00得：帶入動(dòng)力學(xué)方程)1)(1 (1, P210121021000kkckkckcVVckckrcVVrcVAAP