第三章釜式反應器

3.1物料衡算式

N個組分、M個反應、關鍵組分數(shù)K≤M、M個反應均為獨立反應時K=M，否則K<M

控制體積Vrdt間隔：i組分流入量=流出量+反消耗量+累積量第三章釜式反應器釜式反應器的物料衡算：Ri對于反應物而言為負,對產(chǎn)物而言為正連續(xù)反應器：間歇反應器：i=1,……k3.2等溫間歇釜式反應器vAA+vBB→vRRM=1K=1積分：間歇反應釜當作恒容過程：

結論：為了達到一定的轉化率所需要的反應時間僅與反應速率有關，而與反應器大小無關。一.單一反應：操作時間包括：反應時間t,反應體積

Q:單位時間內(nèi)處理的物體體積

t0輔助時間反應器實際體積

f:裝料系數(shù)0.4-0.85

二.最優(yōu)反應時間

t↑→(-RA)↓→生產(chǎn)能力/單位時間↓

t↑→產(chǎn)品產(chǎn)量↑①產(chǎn)品產(chǎn)量/單位操作時間最大②單位產(chǎn)品消耗費用最小

a:費用/單位反應時間

a0:費用/單位輔助時間

af:固定費用

AT:費用/單位產(chǎn)品質量

3.3等溫間歇反應器中進行復合反應時的計算一、平行反應

A→PrP=k1cA

A→QrQ=k2CA定組分M=2K=2i=1,2……k

對A:對P：積分：t：0-t對P：可推廣到M個一級平行反應：對反應物A:

產(chǎn)物i:二、連串反應關于的一級線性常微分方程的初始條件：3.4

連續(xù)釜式反應器反應體積的計算物料衡算式：Q0Ci0=QCi-RiVr因為釜式反應器大多數(shù)進行液相反應所以視作為恒容過程Q=Q0空時單位時間處理單位體積無聊所需的空間體積空時越大，反應器的生產(chǎn)能力越小3.5連續(xù)釜式反應器的串聯(lián)與并聯(lián)一、串聯(lián)解決的問題：

1采用小釜在前還是在后好

2采用大小不同的釜好還是相同的好

3為了達到，多釜體積已知，采取幾個釜串聯(lián)或者為了達到，且釜數(shù)已定，多釜反應體積二、并聯(lián)解決的問題：流量的分配原則：應保證多股的空時相同

τ等于物料在反應器內(nèi)的平均停留時間單釜的因為

所以采用兩釜串聯(lián)比采用單釜操作有利多釜對于第一釜：對于第二釜：3.5.1串聯(lián)釜式反應器的計算對第P釜進行計算：對P=1，若進行一級反應對P=2對P=N若各釜反應溫度相同若各釜反應體積相同即

若各釜進行二級反應

（只能進行逐釜計算）

動力學方程兩種情況和已知，求和已知，求先假設若各釜體積同，各操作線平行3.5.2串聯(lián)釜式反應器各釜的最佳反應體積比物理意義：要使為最小，則M點的斜率必須等于矩形ABMC的對角線DB的斜率，此時M點對應的橫坐標就

是最佳中間轉化率.化簡

對一級反應，采用相同體積的釜串聯(lián)，可使總反應體積最小

對為了使總反應體積最小1α>1,則小釜在前，大釜在后20<α<1,大釜在前，小釜在后3α=1,釜體積相當4α<0,單釜操作有利5α=0,串聯(lián)不必要3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.1總收率與總選擇性根據(jù)轉化率、收率和選擇性三者關系系：

都是瞬間積分得：總收率瞬時選擇性瞬時收率總轉化率總選擇性總收率的大小與反應器的操作方式有關。如：對間歇反應器:圖3.10（a)中的曲線BF表示間歇反應器的瞬時選擇性與轉化率的關系。由于間歇反應器中組分的濃度是隨反應時間連續(xù)變化的，因此瞬時選擇性也是隨轉化率而連續(xù)變化的。曲線下的面積即為總收率。對連續(xù)釜式反應器:∵整個釜中物料的濃度就是xAf所對應的濃度

∴整個釜中的S就是xAf

所對應的S。

總收率就對應于矩形面積ODFG。且S0=S

兩釜串聯(lián)：總收率=兩個矩形OABH和HEFG面積之和?！鄰膱D（a）可以看出：不同操作方式的釜式反應器，相同的最終轉化率下總收率的大小次序為：間歇釜>兩個（多個）連續(xù)釜串聯(lián)>單一連續(xù)釜上述順序是針對S隨xA↑而單調(diào)↓的正常情況而言的。若S隨xA↑而單調(diào)↑的情況，則總收率的次序正好與上述相反。參見圖（b）。

3.6.2平行反應∴反應物系的溫度及濃度是影響S的直接原因。而反應器內(nèi)物料濃度的高低與反應器的型式，操作方式，原料初始濃度及加料方式等有關。（P為目的產(chǎn)物）瞬時選擇性若若若若若變化對S無影響，若變化對S無影響反應器型式、操作方式及加料方式

1.若要求A,B濃度均高：

①選間歇釜A,B同時一次加入。見圖（a）②選多釜串聯(lián)A,B均從第一釜同時加入。見圖（b）

（若不同體積釜串聯(lián)，小釜在前，大釜在后。）見圖（c）2.若要求A,B的濃度均低：①采用單釜連續(xù)操作見圖（d）②若多釜串聯(lián)，則做成體積不等的釜。見圖（e）（大釜在前，小釜在后）3.若要求A低，B高：

①釜式反應器半間歇操作B一次性連續(xù)加入，A連續(xù)緩慢加入見圖（f）②連續(xù)操作，多釜串聯(lián)B從第一釜進入，A分釜加入。見圖（g）③按配料，B大大過量，反應產(chǎn)物分離，B循環(huán)。見圖（h）一級不可逆連串反應：

此反應在等溫間歇釜中進行時，發(fā)現(xiàn)目的產(chǎn)物P存在最高收率。若反應在連續(xù)釜中進行，是否也存在最高收率？為了回答這個問題，可列出A，P的物料式。3.6.3

連串反應對反應物A:對反應物P:由（1）式得：式(3)(4)(5)即為反應物系組成與空時的關系將式（4）對τ

求導，并令得最佳空時P的最大收率而間歇釜中的P的最大收率為：

∴在相同的反應溫度下，

總是大于的。

由式（1）可得：代入式（4）中

當時，

為了比較連續(xù)釜式反應器和間歇釜式反應器的收率與轉化率，根據(jù)(6)～(8)式，以收率YP對xA作圖。

令：黑線表示間歇釜中YP～xA的關系。紫線表示連續(xù)釜中YP～xA的關系。根據(jù)k2/k1=0.1,1,10三種情況，分別作出YP～xA的關系曲線。

從圖中可看出：無論k2/k1為何值，①在相同的轉化率下，間歇釜的收率總是大于連續(xù)釜中的收率。且隨著k2/k1值的↓，差異越大。②每一曲線均存在一極大值。若進行不可逆反應

設操作開始時，先注入體積為V0的B，然后連續(xù)地輸入A，流量為Q0，濃度為CA0，且不連續(xù)輸出物料。

則物衡式為：

設B大量過剩，CB≈常數(shù)，則rA=kCA，擬一級反應。

初始條件：

微分方程的解為：而，代入上式，得：的關系式

半間歇釜式反應器的物衡式：3.7半間歇釜式反應器

CR～t的關系式為：在反應時間t內(nèi)，A的反應量=R的生成量=A的輸入量-A的剩余量

以上這兩式是針對Q0為常數(shù)的情況下推得的。若Q0不為常數(shù)，則要求得Q0～t的函數(shù)關系才能求解。

的關系式：絕熱溫升，表示當反應物A全部轉化時物系溫度的變化。對絕熱反應，有定態(tài)操作熱量衡算式為：1.連續(xù)釜式反應器的熱量衡算式3.8連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作設在連續(xù)釜式反應器中所進行的反應為一級不可逆放熱反應∴qg與T成一S型曲線,qr與T成一線性關系。（見下圖）移熱速率:

放熱速率在低溫時：在高溫時：常數(shù)則：A點是qr=0時的溫度

若TC=T0，則TA=T0=TC

與有多個交點，即表示存在多個熱平衡狀態(tài)（或多個定態(tài)）--多態(tài)問題。那么多個定態(tài)點是不是都是熱穩(wěn)定點呢？M點：

∴M點是熱穩(wěn)定點（真熱穩(wěn)定點）

連續(xù)釜式反應器的多態(tài)問題和真假熱穩(wěn)定操作點熱穩(wěn)定性：指反應器操作受到外來擾動后的自衡的能力。當當

這是定態(tài)操作穩(wěn)定的必要條件。但不是充分條件。也就是說,滿足上式，定態(tài)可能是穩(wěn)定的；若不滿足上式，則定態(tài)一定是不穩(wěn)定的。

工業(yè)上一般選擇N點作為定態(tài)操作點。因為N點反應溫度較高，反應速率較快，達到的轉化率也高。而M點由于TM太低，反應速度慢，達到的轉化率也低。

由圖中可見，在穩(wěn)定的定態(tài)點M及N處，移熱線的斜率大于放熱曲線的斜率，即:當改變物料進料溫度T0（或冷卻介質溫度TC）式，移熱線的斜率不變，截距發(fā)生變化。即移熱qr線發(fā)生平行位移，而放熱qg線不變。五條qr～T線相互平行，表示五個不同的進料溫度。

提高進料溫度T0，移熱線向右平移。當移熱線略超過D線時，則反應器內(nèi)溫度將迅速從T4驟增至。這種現(xiàn)象稱為“著火”現(xiàn)象。在D線時的進料溫度稱為著火溫度，或起燃溫度（如果T0=TC，則TOD就是著火溫度或起燃溫度）。點4為著火點或起燃點。

改變進口溫度的影響

相反，降低進料溫度T0，qr線向左平移。當移到B線再向左一點時，則反應器內(nèi)溫度也存在著從點6降到點2的現(xiàn)象。此稱為反應器的“熄火”現(xiàn)象。在B線時所對應的進料溫度稱為熄火溫度，點6為熄火點。在點4和點6，反應器內(nèi)出現(xiàn)一種非連續(xù)性的溫度