第三章均相反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

第三章均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)13.1概述一、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容最終目標(biāo)：經(jīng)濟(jì)效益最大（應(yīng)該包括整個(gè)過(guò)程）反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：1、選擇合適的反應(yīng)器類(lèi)型2、確定最佳操作條件3、計(jì)算完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積23.1概述二、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程物料衡算式（描述濃度變化）

能量衡算式（描述溫度變化）

動(dòng)量衡算式（描述壓力變化）

33.1概述動(dòng)力學(xué)方程式：描述反應(yīng)的變化情況

如果反應(yīng)器內(nèi)各處濃度均一，恒算的控制體可選擇整個(gè)反應(yīng)器；如果反應(yīng)區(qū)內(nèi)存在兩個(gè)或兩個(gè)以上相態(tài)，反應(yīng)體積內(nèi)各處的反應(yīng)物組成未必相同，這時(shí)只能選擇微元體積作為控制體。43.1概述三、均相反應(yīng)系統(tǒng)均相反應(yīng)器的特征：

物料在反應(yīng)器內(nèi)已達(dá)到分子尺度的均勻，混合時(shí)間遠(yuǎn)小于反應(yīng)時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)途徑：

1、機(jī)械攪拌2、湍流脈動(dòng)3、分子擴(kuò)散

考察一個(gè)反應(yīng)過(guò)程是否為均相反應(yīng)過(guò)程，不應(yīng)僅僅著眼于反應(yīng)物系的相態(tài)，更重要的是考察微元尺度的傳遞過(guò)程是否會(huì)影響反應(yīng)效果。53.1概述四、理想反應(yīng)器的主要類(lèi)型間歇釜式反應(yīng)器（分批加料）

BatchStirredTankReactor(BSTR)連續(xù)釜式反應(yīng)器（連續(xù)加料）

ContinuedStirredTankReactor(CSTR)

理想管式反應(yīng)器（連續(xù)加料）

PlugFlowReactor(PFR)

63.2間歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積Vr反應(yīng)器體積V有反應(yīng)發(fā)生的空間體積反應(yīng)體積+預(yù)留空間體積間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)：（1）反應(yīng)時(shí)間t；（2）反應(yīng)體積Vr7一、特點(diǎn)分批裝料、卸料適用于不同品種和規(guī)格的產(chǎn)品的生產(chǎn)，廣泛用于醫(yī)藥、試劑、助劑等生產(chǎn)。

操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間+輔助時(shí)間（裝料+卸料+清洗）反應(yīng)器內(nèi)濃度及溫度處處相等

3.2間歇釜式反應(yīng)器8二、物料衡算和能量衡算方程3.2間歇反應(yīng)器控制體

整個(gè)反應(yīng)器體積非定態(tài)操作

反應(yīng)器內(nèi)物料組成和溫度隨時(shí)間或反應(yīng)進(jìn)程而改變

可忽略壓力變化（常用于液相反應(yīng)）

描述反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型包括物料衡算和能量衡算。

93.2間歇反應(yīng)器A+B→C+D

衡容過(guò)程三、等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（單一反應(yīng)）103.2間歇反應(yīng)器

II一級(jí)不可逆反應(yīng)

I零級(jí)不可逆反應(yīng)一級(jí)不可逆反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)物料起始濃度無(wú)關(guān)113.2間歇反應(yīng)器

III二級(jí)不可逆反應(yīng)

IIIn級(jí)不可逆反應(yīng)反應(yīng)體積：Q0為單位時(shí)間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積t0為輔助時(shí)間（經(jīng)驗(yàn)）123.2間歇反應(yīng)器例題：用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)是為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S:=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助時(shí)間為1h。反應(yīng)在1000C下等溫操作，起反應(yīng)速率方程如下：1000C時(shí)，k1=4.76×10-4L/(mol·min)，平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35%時(shí)所需的反應(yīng)體積。根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75，則反應(yīng)器的實(shí)際體積是多少？133.2間歇反應(yīng)器解：143.2間歇反應(yīng)器15最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間單位時(shí)間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿(mǎn)足的條件說(shuō)明：目標(biāo)函數(shù)不同，結(jié)果不同。（1）如從單位產(chǎn)品所消耗的原料量最少著眼，則反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，原料單耗越少；（2）以生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)，則需滿(mǎn)足其中a為單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作費(fèi)用；a0為輔助操作費(fèi)用；af為固定費(fèi)用。

16四、等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)）

1、平行反應(yīng)主反應(yīng)A的轉(zhuǎn)化率目的產(chǎn)物的產(chǎn)量17Aiki

通式：183.2間歇反應(yīng)器作業(yè)1、反應(yīng)如下：A+BPrP=2cAkmol/(m3h)2AQ rQ=0.5cA2kmol/(m3h)初始狀態(tài)：cA=cA=2kmol/m3目的產(chǎn)物為P，求3h后A的轉(zhuǎn)化率及P的收率。193.2間歇反應(yīng)器2、連串反應(yīng)APQ k1

k2

203.2間歇反應(yīng)器top

213.2間歇反應(yīng)器作業(yè)2、對(duì)下列反應(yīng)：NH3(A)+CH3OH(M)CH3NH2(B)+H2Or1=k1cAcM

CH3NH2+CH3OH(CH3)2NH+H2O

r2=k2cBcMk1/k2=0.68求一甲胺的最大收率和相應(yīng)的氨的轉(zhuǎn)化率。

k1

k2

xA=0.7004YB,max=0.4406221列與反應(yīng)相同個(gè)數(shù)的設(shè)計(jì)方程，且方程中至少包括每步反應(yīng)的一個(gè)組分；2根據(jù)反應(yīng)條件，確定定解條件；3解方程（組），求出反應(yīng)時(shí)間；4Vr=Q0(t+t0)5V=Vr/f間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)步驟：裝料系數(shù)，常在0.4~0.85，對(duì)于沸騰或易發(fā)泡液體反應(yīng)物料取0.4~0.6；對(duì)一般液體物料，取0.7~0.853.2間歇反應(yīng)器233.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR一、單個(gè)連續(xù)釜式反應(yīng)器的相關(guān)計(jì)算（1）定態(tài)下操作（2）等容下反應(yīng)24例題：用連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)是為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S:=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。反應(yīng)在1000C下等溫操作，起反應(yīng)速率方程如下：1000C時(shí)，k1=4.76×10-4L/(mol·min)，平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35%時(shí)所需的反應(yīng)體積。3.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTRABRS253.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR反應(yīng)器CSTRBRVr/m314.6812.38間歇反應(yīng)器是變速操作，開(kāi)始時(shí)反應(yīng)速率最大，終了時(shí)最小，而連續(xù)式反應(yīng)器是等速操作，且恰恰是在相應(yīng)于間歇反應(yīng)器的最小反應(yīng)速率下操作，反應(yīng)體積自然就增大。263.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR空時(shí)越小，表示該反應(yīng)器的處理物料量越大。空速越大，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力越大。有質(zhì)量空速和體積空速之分。273.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR二、連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)1、CSTR的串聯(lián)

Q0

xA1

xA2283.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR正常動(dòng)力學(xué)

反常動(dòng)力學(xué)

對(duì)CSTR，兩釜串聯(lián)所需總的反應(yīng)體積要小于單釜；串聯(lián)的釜數(shù)越多，所需總的反應(yīng)體積越小。故對(duì)正常動(dòng)力學(xué)，使用多釜串聯(lián)總是比單釜有利。293.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR2、CSTR的并聯(lián)

xAf

Q0

xA1

xA2

c0

Q01

Q02

c1

c2

Vr2

Vr1303.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR同一處理量，對(duì)BR只計(jì)反應(yīng)時(shí)間，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)體積正常動(dòng)力學(xué)單釜≥多釜串聯(lián)宜采用串聯(lián)操作（零級(jí)反應(yīng)相等）=等體積多釜并聯(lián)BR≤CSTR零級(jí)反應(yīng)相等反常動(dòng)力學(xué)單釜≥多釜串聯(lián)宜采用并聯(lián)操作（零級(jí)反應(yīng)相等）=等體積多釜并聯(lián)BR≤CSTR零級(jí)反應(yīng)相等313.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR三、串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計(jì)算計(jì)算基準(zhǔn)：第一個(gè)反應(yīng)器的入口，逐釜計(jì)算一般情況下，釜數(shù)越多，總反應(yīng)體積越小，但釜數(shù)增多，相應(yīng)的管道閥門(mén)和控制儀表等也要增多，操作的復(fù)雜程度也隨之增加。

323.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR各釜的反應(yīng)體積間的比例也是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。前提：釜數(shù)及最終轉(zhuǎn)化率一定目標(biāo)：總反應(yīng)體積最小反應(yīng)級(jí)數(shù)a>1小釜在前，大釜在后=1各釜相等0<a<1大釜在前，小釜在后=0與排列方式無(wú)關(guān)<0無(wú)需串聯(lián)，并聯(lián)更佳333.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR總收率和總選擇性曲線類(lèi)型達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率下的收率IS隨xA增加二單調(diào)下降間歇釜>多釜串聯(lián)>單一釜IIS隨xA增加二單調(diào)上升間歇釜<多釜串聯(lián)<單一釜四、連續(xù)釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)343.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR1、平行反應(yīng)

獲得選擇性和收率：（1）滿(mǎn)足有利的濃度和溫度條件；（2）反應(yīng)器的型式及操作方式、所采用的原料濃度及配比以及加料方式等有關(guān)。（3）E主=E次時(shí)，反應(yīng)的瞬時(shí)選擇性與溫度無(wú)關(guān)，一般選擇較高溫度，以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度；E主<E次時(shí)，低溫瞬時(shí)選擇性好，但生產(chǎn)強(qiáng)度不大，故存在一最佳溫度，此溫度下在連續(xù)釜式反應(yīng)器中，可使目的產(chǎn)物的產(chǎn)量最大；353.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR2、串聯(lián)反應(yīng)

（1）不論k2/k1為何值，在相同轉(zhuǎn)化率下，間歇釜的收率總是大于連續(xù)釜的收率；（2）隨k2/k1減小，釜式反應(yīng)器的收率增大；（3）E1>E2，溫度越高，則k2/k1越小，則收率越大；E1>E2，情況相反，低溫下操作可獲得較大的收率，但是溫度降低導(dǎo)致反應(yīng)速率下降，反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度減小；（4）選擇合適的催化劑363.4半間歇釜式反應(yīng)器

（1）要求一種反應(yīng)物的濃度高而另一種反應(yīng)物濃度低時(shí)；（2）為了提高某些可逆反應(yīng)的產(chǎn)品收率，需要不斷移走產(chǎn)物373.4半間歇釜式反應(yīng)器

383.4半間歇釜式反應(yīng)器

393.4半間歇釜式反應(yīng)器

403.4半間歇釜式反應(yīng)器

413.4半間歇釜式反應(yīng)器

423.4半間歇釜式反應(yīng)器

433.4半間歇釜式反應(yīng)器

443.5連續(xù)管式反應(yīng)器

45463.5連續(xù)管式反應(yīng)器

473.5連續(xù)管式反應(yīng)器

483.5連續(xù)管式反應(yīng)器

493.