化學(xué)反應(yīng)工程間歇釜式反應(yīng)器

化學(xué)反應(yīng)工程間歇釜式反應(yīng)器第1頁(yè)/共27頁(yè)概述化學(xué)反應(yīng)器是化工生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，反應(yīng)器的類型很多，在不同類型的反映器中，能量與物質(zhì)的傳遞特性有很大差異，因此反應(yīng)器的類型對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量及整個(gè)工藝過程的經(jīng)濟(jì)性都起著決定性的作用。反應(yīng)器的選型就是要根據(jù)給定反應(yīng)體系的動(dòng)力學(xué)特性，選擇具有適宜傳遞特性的反應(yīng)器設(shè)備本章將以均相反應(yīng)為背景，討論理想流動(dòng)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本理論。第2頁(yè)/共27頁(yè)理想反應(yīng)器的三種基本形式●間歇反應(yīng)器(Batchreactor)●活塞流反應(yīng)器(Plugflowreactor–PFRs)●全混流反應(yīng)器(Continuousstirredtankreactors–CSTRs)本章內(nèi)容●掌握工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)和開發(fā)計(jì)算中所為基本原理●以反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)反應(yīng)的特點(diǎn)和反應(yīng)器的性能，確定化學(xué)反應(yīng)器的形式和最佳操作條件●復(fù)完成生產(chǎn)任務(wù)所必需的反應(yīng)器體積及生產(chǎn)能力第3頁(yè)/共27頁(yè)理想反應(yīng)器特性●理想混合反應(yīng)器特性返混無窮大，完全混合，混合瞬間完成，器內(nèi)物料具有完全相同的溫度和濃度，且等于反應(yīng)器出口的溫度和濃度。如：攪拌良好的釜式反應(yīng)器?！衿酵屏鞣磻?yīng)器特性器內(nèi)物料以相同的速率和一致的方向進(jìn)行移動(dòng)、返混為0，所有物料在器內(nèi)具有相同的停留時(shí)間。如：長(zhǎng)徑比較大、流速較高的管式反應(yīng)器。第4頁(yè)/共27頁(yè)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的空時(shí)、空速

空時(shí)：是空間時(shí)間的簡(jiǎn)稱。它是指在規(guī)定的條件下，反應(yīng)器有效容積和進(jìn)料體積流量的比值，空時(shí)與平均停留時(shí)間第5頁(yè)/共27頁(yè)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的空時(shí)、空速

空速（SV）：是空間速度的簡(jiǎn)稱，它是空時(shí)的倒數(shù)。指在規(guī)定的條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位反應(yīng)器容積的物料體積空速表明反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，一般說來，空速越大，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力越大。第6頁(yè)/共27頁(yè)第7頁(yè)/共27頁(yè)反應(yīng)設(shè)計(jì)的基本計(jì)算方程式物料衡算方程：A組分累積量=A組分流入量-A組分流出量-A組分反應(yīng)消耗量反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶出量反應(yīng)量累積量間歇式整個(gè)反應(yīng)器00√√全混釜（穩(wěn)態(tài)）整個(gè)反應(yīng)器√√√0平推流（穩(wěn)態(tài)）微元長(zhǎng)度√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√第8頁(yè)/共27頁(yè)3.2間歇攪拌釜式反應(yīng)器（BSTR）本節(jié)所要掌握的內(nèi)容1.間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程、操作方程的建立及應(yīng)用；2.等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（單一反應(yīng)）3.變?nèi)蓍g歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（單一反應(yīng)）4.確定最佳操作條件，計(jì)算完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積第9頁(yè)/共27頁(yè)3.2間歇攪拌釜式反應(yīng)器（BSTR）

排除了物質(zhì)的傳遞（攪拌良好）無需考慮的反應(yīng)器內(nèi)熱量傳遞非定常態(tài)過程，cA、產(chǎn)物隨時(shí)間而變，化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果將唯一地由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)確定，反應(yīng)進(jìn)行的程度決定于反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短具有周期性，一個(gè)周期包括操作（反應(yīng)）時(shí)間t，也包括輔助（非生產(chǎn)性）時(shí)間t’生產(chǎn)靈活性大第10頁(yè)/共27頁(yè)

間歇釜式反應(yīng)器的物料衡算對(duì)整個(gè)反應(yīng)器中A組分物料進(jìn)行衡算：00rAVt

第11頁(yè)/共27頁(yè)當(dāng)t趨于0時(shí)定義產(chǎn)物P組分的生成速率：rP

反應(yīng)速率為單位時(shí)間單位體積生成P的摩爾量第12頁(yè)/共27頁(yè)對(duì)設(shè)計(jì)方程進(jìn)行積分A組分的轉(zhuǎn)化率間歇反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間第13頁(yè)/共27頁(yè)第14頁(yè)/共27頁(yè)恒容間歇反應(yīng)器

當(dāng)n1當(dāng)n＝1第15頁(yè)/共27頁(yè)例題對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)方程：在一間歇反應(yīng)器完成上述反應(yīng)，如k＝0.01s-1，試計(jì)算轉(zhuǎn)化率達(dá)到30%時(shí)所用的反應(yīng)時(shí)間。第16頁(yè)/共27頁(yè)第17頁(yè)/共27頁(yè)恒壓間歇反應(yīng)器

惰性氣體第18頁(yè)/共27頁(yè)第19頁(yè)/共27頁(yè)第20頁(yè)/共27頁(yè)間歇反應(yīng)器的體積計(jì)算

生產(chǎn)任務(wù)給定后，平均每小時(shí)需要處理的物料量，根據(jù)每批操作所需要的時(shí)間可以算出反應(yīng)器的體積。其中每批操作所需要的時(shí)間包括兩部分，一是物料的反應(yīng)時(shí)間t，另外還有反應(yīng)以外的加料、生溫、冷卻、卸料、清洗等時(shí)間，稱為輔助時(shí)間t’。因此反應(yīng)器體積V計(jì)算公式為：第21頁(yè)/共27頁(yè)求得反應(yīng)器的體積V后，根據(jù)實(shí)際反應(yīng)過程的裝料系數(shù)，可以求得反應(yīng)器實(shí)際體積第22頁(yè)/共27頁(yè)例題例題工廠采用間歇反應(yīng)器以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在70℃下進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速率方程式為：

rA=kCACB式中：

rA----以已二酸組分計(jì)的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1

k----反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1cA、cB----分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.L-1cA0、cB0均為0.004kmol.L-1第23頁(yè)/共27頁(yè)求：已二酸的轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5、0.6、0.8所需的反應(yīng)時(shí)間分別為多少？若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，每批操作的輔助時(shí)間為1小時(shí)，試計(jì)算確定反應(yīng)器的體積大小。第24頁(yè)/共27頁(yè)總結(jié)由間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程可知：○反應(yīng)物達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間只取決于過程的反應(yīng)速率，也就是說取決于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素，與反應(yīng)器的大小無關(guān)?！鸱磻?yīng)器的大小僅取決于反應(yīng)物料的處理量。（即生產(chǎn)強(qiáng)度）設(shè)計(jì)間歇反應(yīng)器的計(jì)算：○反應(yīng)時(shí)間t：由設(shè)計(jì)方程與動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立求解，即可求得達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間t；第25頁(yè)/共27頁(yè)○有效容積：V