3 釜式反應(yīng)器

1、第三章 釜式反應(yīng)器 化工設(shè)備是化工生產(chǎn)的重要技術(shù)裝備?，F(xiàn)代化工企業(yè)的雄姿這是反應(yīng)器間歇操作(batch reactor, BR)連續(xù)操作(continuous stirred tank reactor, CSTR) 用途：絕大多數(shù)用作有液相參與的反應(yīng)，如：液液、液固、氣液、氣液固反應(yīng)等。操作方式：間歇、連續(xù)、半間歇本章內(nèi)容 釜式反應(yīng)器的物料衡算通式 等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算 連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián) 釜式反應(yīng)器中復合反應(yīng)的收率與選擇性 變溫間歇釜式反應(yīng)器 連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作:反應(yīng)器進料的體積流量:反應(yīng)器出料的體積流量:反應(yīng)器進料中關(guān)鍵組分濃度:反應(yīng)器出料中關(guān)鍵

2、組分濃度:反應(yīng)體積假設(shè) 反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均一 反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均一 取整個反應(yīng)體積作控制體積釜式反應(yīng)器的物料衡算通式釜式反應(yīng)器的物料衡算通式其中：對反應(yīng)物為負對產(chǎn)物為正假設(shè) 反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均一 反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均一 在 dt 時間間歇內(nèi)對整個反應(yīng)器做關(guān)鍵組分 i 的物料衡算：1.反應(yīng)體積 t 為反應(yīng)時間：裝料完畢開始反應(yīng)算起到達到一定轉(zhuǎn)化率時所經(jīng)歷的時間。計算關(guān)鍵t0 為輔助時間：裝料、卸料、清洗所需時間之和。經(jīng)驗給定操作時間等溫 BR 的計算2.反應(yīng)器的體積 ：裝填系數(shù) ，由經(jīng)驗確定,一般為 0.40.85對非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)時間內(nèi)：間歇釜式反應(yīng)器物料衡算式則物料衡算通式變形為： 3.反應(yīng)時

3、間的計算等溫 BR 的計算恒容反應(yīng) 單一反應(yīng)一級反應(yīng)非一級反應(yīng)反應(yīng)時間相同 達到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間與反應(yīng)器大小無關(guān)，只取決于動力學因素。 溫度越高，速率常數(shù) k 越大，則達到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間 t 越短。區(qū)別t 與cA0無關(guān)t 與cA0有關(guān)等溫 BR 的計算例：在等溫間歇反應(yīng)器中進行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應(yīng)開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02 mol/L，反應(yīng)速率常數(shù)等于4.6 L/(mol min)。試求乙酸乙酯轉(zhuǎn)化率分別達到 80、90和 95時的反應(yīng)時間。解：得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8m

4、in； XA=95%，t = 206.5min對各組分作物料衡算(恒容條件)：系統(tǒng)中只進行兩個獨立反應(yīng)，因此，此三式中僅二式是獨立的。對A：對P：對Q： 復合反應(yīng)等溫 BR 的計算 3.反應(yīng)時間的計算組分濃度APQ反應(yīng)時間等溫 BR 的計算平行反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時間關(guān)系示意圖即：任意時刻兩個反應(yīng)產(chǎn)物濃度之比，等于兩個反應(yīng)速率常數(shù)之比等溫 BR 的計算將上述結(jié)果推廣到含有M個一級反應(yīng)的平行反應(yīng)系統(tǒng) ：反應(yīng)物A的濃度為：反應(yīng)產(chǎn)物的濃度為：反應(yīng)時間確定后，即可確定必需的反應(yīng)體積。等溫 BR 的計算 復合反應(yīng) 復合反應(yīng)連串反應(yīng)對A作物料衡算：對P作物料衡算：等溫 BR 的計算令：得：等溫 BR 的計算

5、連串反應(yīng)組分濃度與反應(yīng)時間關(guān)系示意圖連續(xù)釜式反應(yīng)器物料衡算式等溫CSTR 的計算對穩(wěn)態(tài)操作，有：則物料衡算通式變?yōu)椋?單一反應(yīng) 空時與空速的概念： 空時：（因次：時間） 空速的意義：單位時間單位反應(yīng)體積所處理的物料量。 空速越大，反應(yīng)器的原料處理能力越大。 空速：等溫CSTR 的計算對關(guān)鍵組分A有：對目的產(chǎn)物P有：對副產(chǎn)物Q有：三式中有兩式獨立，可解Vr、XA、YP三者關(guān)系 復合反應(yīng)平行反應(yīng)等溫CSTR 的計算對中間產(chǎn)物P：對最終產(chǎn)物Q：等溫CSTR 的計算 復合反應(yīng)連串反應(yīng)對關(guān)鍵組分A有：三式中有兩式獨立，可解Vr、XA、YP三者關(guān)系小結(jié)：等溫反應(yīng)釜的設(shè)計方程反應(yīng)BRCSTRBR和CSTR反

6、應(yīng)體積的比較思考 1. 用一個大反應(yīng)器好還是幾個小反應(yīng)器好?（Vr最小) 2. 若采用多個小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？ （Vr最小) 3. 若多個反應(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？連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián) 正常動力學單釜兩釜串聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)1.圖解分析正常動力學，轉(zhuǎn)化速率 隨XA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。對于正常動力學，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。(但操作復雜程度增大，附屬設(shè)備費用增大）反常動力學，轉(zhuǎn)化速率 隨XA增加而增加。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)1.圖解分析 小結(jié)2. 串聯(lián)釜

7、式反應(yīng)器的計算連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián) 串聯(lián)釜式反應(yīng)器假設(shè)：各釜體積相同，且各釜的進料可近似認為相等，則各釜的空時 相等。 各釜操作溫度相同，則各釜的速率常數(shù) k 相等。對第P釜作組分A的物料衡算：對一級不可逆反應(yīng)：連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)2. 串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算N個釜注意：其中的 為單釜空時，總空時為N 。3.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比 即：在釜數(shù)及最終轉(zhuǎn)化率已規(guī)定情況下,為使總的反應(yīng)體積最小,各釜反應(yīng)體積存在一個最佳比例。連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)對單一反應(yīng)，總反應(yīng)體積為：據(jù)此求得各釜的轉(zhuǎn)化率，從而求得 此時 最小。小結(jié)：串聯(lián)釜式反應(yīng)器進行 級反應(yīng)：連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.

8、串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比 釜式反應(yīng)器中復合反應(yīng)的收率與選擇性1.總收率與總選擇性則： 總選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系取決于反應(yīng)動力學，反應(yīng)器形式和操作方式等。因此，同是釜式反應(yīng)器，由于操作方式不同，雖然最終轉(zhuǎn)化率一樣，但最終收率卻不一樣。釜式反應(yīng)器中復合反應(yīng)的收率與選擇性1.總收率與總選擇性 當瞬時選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)增加時，收率順序：間歇釜多個連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜 當瞬時選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)下降時，收率順序：間歇釜多個連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜變溫間歇操作的熱量衡算 根據(jù)熱力學第一定律，反應(yīng)器的熱量衡算為：即：與環(huán)境交換的熱=內(nèi)能的變化變溫間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器用焓變代替內(nèi)能的變化Tr為計算的基準溫度變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇操作的熱量衡算式中：U為總傳熱系數(shù) Ah為傳熱面積 Tc為環(huán)境溫度變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇操作的熱量衡算討論等溫反應(yīng)絕熱反應(yīng)1.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：連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作對絕熱反應(yīng)，有：