釜式反應(yīng)器--化工.ppt

2020 1 22 1 第三章釜式反應(yīng)器 2020 1 22 2 反應(yīng)器的分析與設(shè)計(jì)是 反應(yīng)工程 的重要組成部分和主要任務(wù) 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的最佳操作條件和完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積和主要寸 對于反應(yīng)器的分析計(jì)算需要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型 本章將針對兩類理想的反應(yīng)器模型 間歇釜式反應(yīng)器模型和全混流反應(yīng)器模型 進(jìn)行討論和分析 考察反應(yīng)器性能與各種因素的關(guān)系 反應(yīng)器性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題等 具體內(nèi)容包括 2020 1 22 3 研究內(nèi)容3 1等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算 單一反應(yīng) 3 2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算 復(fù)合反應(yīng) 3 3全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)3 4全混流反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3 5釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性3 6變溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算3 7全混流反應(yīng)器的定態(tài)操作與分析 2020 1 22 4 重點(diǎn)掌握 等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算 單一反應(yīng) 平行與連串反應(yīng) 連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算 空時(shí)和空速的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián) 釜式反應(yīng)器中平行與連串反應(yīng)選擇性的分析 連接和加料方式的選擇 連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式的建立與應(yīng)用 2020 1 22 5 深入理解 變溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算 廣泛了解串聯(lián)釜式反應(yīng)器最佳體積的求取方法 連續(xù)釜式反應(yīng)器的多定態(tài)分析與計(jì)算 產(chǎn)生多定態(tài)點(diǎn)的原因 著火點(diǎn)與熄火點(diǎn)的概念 2020 1 22 6 3 1概述 反應(yīng)的特點(diǎn)及其對反應(yīng)器的要求化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜反應(yīng)物料的相態(tài)多樣性 如固相反應(yīng)就難于在攪拌反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)操作 非均相反應(yīng)要求傳質(zhì)效果要好 許多反應(yīng)過程的熱效應(yīng)大工藝條件變化范圍寬反應(yīng)介質(zhì)的腐蝕性 2020 1 22 7 3 1概述 反應(yīng)器開發(fā)的三個(gè)任務(wù)根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)特性 選擇合適的反應(yīng)器形式結(jié)合動力學(xué)和反應(yīng)器特性 確定操作方式和優(yōu)化操作條件根據(jù)產(chǎn)量 設(shè)計(jì)反應(yīng)裝置 確定反應(yīng)器的幾何尺寸 并進(jìn)行評價(jià) 2020 1 22 8 反應(yīng)器的特性 是指器內(nèi)反應(yīng)流體的流動狀態(tài) 混合狀態(tài)以及器內(nèi)的傳熱性能等 它們又將隨反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)和幾何尺寸而異 均相反應(yīng)的特點(diǎn) 反應(yīng)過程中不存在相間傳遞過程 影響反應(yīng)速率物理因素只有物料的混合和流動狀態(tài)兩個(gè)方面 2020 1 22 9 3 1概述 均相反應(yīng)器按物料的混合狀態(tài)分類 反應(yīng)器 完全混合型反應(yīng)器 間歇反應(yīng)器BR 全混流反應(yīng)器CSTR 活塞流反應(yīng)器PFR 2020 1 22 10 完全混合反應(yīng)器的定義是指器內(nèi)反應(yīng)流體處于完全混合狀態(tài) 在反應(yīng)器內(nèi)的混合是瞬間完成的 以致在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)各處物料的濃度和溫度完全相同 且等于反應(yīng)器出口處物料濃度和溫度 返混達(dá)最大限度 2020 1 22 11 平推流反應(yīng)器的定義 指器內(nèi)反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進(jìn)行移動 完全不存在不同停留時(shí)間的物料的混合 不存在返混 2020 1 22 12 3 2反應(yīng)器操作中的幾個(gè)術(shù)語 1 反應(yīng)時(shí)間 是指反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器后 從實(shí)際發(fā)生反應(yīng)的時(shí)刻起 到反應(yīng)達(dá)某個(gè)轉(zhuǎn)化率時(shí)所需的時(shí)間 主要用于間歇反應(yīng)器 P572 停留時(shí)間 是指反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器的時(shí)刻算起到它們離開反應(yīng)器的時(shí)刻為止 所用的時(shí)間 主要用于連續(xù)流動反應(yīng)器 P127 13 2020 1 22 空間時(shí)間 P66 平均停留時(shí)間 P134 流體微元平均經(jīng)歷的時(shí)間稱為平均停留時(shí)間 是反應(yīng)器的有效體積VR與進(jìn)料的體積流量V0之比 物理意義是處理一個(gè)反應(yīng)器體積的物料所需要的時(shí)間 反映反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度 2020 1 22 14 3 3等溫條件下 分批式操作的完全混合反應(yīng)器 BR 理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)分析 3 3 1概述 分批式 又稱間歇 操作 是指反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi) 而在反應(yīng)過程中不再向反應(yīng)器投料 也不向外排出反應(yīng)物 待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率后再全部放出反應(yīng)產(chǎn)物 充分 完全 混合 指反應(yīng)器內(nèi)的物料在攪拌的作用下 其參數(shù) 如溫度 濃度等 各處均一 2020 1 22 15 2020 1 22 16 間歇反應(yīng)器特點(diǎn) 反應(yīng)物料一次加入 產(chǎn)物一次取出 物料充分混合 無返混 同一瞬時(shí) 反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)溫度相同 濃度相同 而且出料與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同 所有物料在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間 停留時(shí)間 相同 非穩(wěn)態(tài)操作 反應(yīng)器內(nèi)濃度 溫度隨反應(yīng)時(shí)間連續(xù)變化 具有周期性具有靈活性 2020 1 22 17 3 3 2間歇反應(yīng)器體積計(jì)算 1 反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算 即 00 若反應(yīng) 以反應(yīng)物A為關(guān)鍵組分 A的反應(yīng)速率記作 rA 根據(jù)間歇反應(yīng)器的特點(diǎn) 在單位時(shí)間內(nèi)對整個(gè)反應(yīng)器VR作物料衡算 2020 1 22 18 上式寫成轉(zhuǎn)化率的形式 19 2020 1 22 t為使A反應(yīng)達(dá)到所要求轉(zhuǎn)化率xA所需時(shí)間 而不是一批產(chǎn)品生產(chǎn)所需時(shí)間 積分得 VR恒定 20 2020 1 22 上述積分式可用解析法 數(shù)值法 圖解法 恒容時(shí) 如下圖 進(jìn)行求解 t 1 rA CA t CA0 1 rA xA 21 2020 1 22 若反應(yīng)速率方程 當(dāng)時(shí) 思考 從上式可得出什么結(jié)論 P58 22 2020 1 22 2 反應(yīng)器有效體積VR的計(jì)算 一批操作若非生產(chǎn)時(shí)間為t0 每批操作所需時(shí)間為t t0 生產(chǎn)一批產(chǎn)品所需反應(yīng)器的有效體積 VR V0 t t0 式中 t0是輔助生產(chǎn)時(shí)間 包括加料 排料 清洗反應(yīng)器和物料的升溫 冷卻 V0是平均每小時(shí)反應(yīng)物料的體積處理量 23 2020 1 22 3 反應(yīng)器實(shí)際體積V的計(jì)算 反應(yīng)器的實(shí)際體積是考慮了裝料系數(shù)后的實(shí)際體積 不包括換熱器 攪拌器的體積 式中 是裝料系數(shù) 一般為0 4 0 85 不起泡 不沸騰物料取0 7 0 85 起泡 沸騰物料取0 4 0 6 24 2020 1 22 例題3 1 祥見P58 自學(xué) 3 3 3最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)器的最佳反應(yīng)條件總是圍繞一定的優(yōu)化目標(biāo)來選擇的 如使產(chǎn)品的成本最低或使單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量最大 對于間歇反應(yīng)器而言 隨著反應(yīng)時(shí)間的延長 產(chǎn)量逐漸增加 但生產(chǎn)效率下降 以單位操作時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量為優(yōu)化目標(biāo)說明此問題 25 2020 1 22 當(dāng)反應(yīng)器體積一定時(shí) 輔助時(shí)間一定 產(chǎn)物濃度一定 則單位操作時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量FR為 利用數(shù)學(xué)知識可得 上式對t求導(dǎo)得 26 2020 1 22 最佳反應(yīng)時(shí)間的求解 可利用積分 也可利用圖解方法求解 圖中曲線MN為產(chǎn)物濃度CR隨反應(yīng)時(shí)間t的變化關(guān)系 通過點(diǎn)A t0 0 對曲線MN作切線AM 其斜率 27 2020 1 22 3 3 4平行反應(yīng) 在等溫間歇反應(yīng)器中 設(shè)進(jìn)行的反應(yīng)為一平行反應(yīng) A PrP k1CAP為目的產(chǎn)物A QrQ k2CA 對于均相 恒容過程 對反應(yīng)A組分進(jìn)行物料衡算 28 2020 1 22 設(shè)初值條件為 t 0時(shí) CA CAO CP 0 CQ 0 則方程的解為 即 同理 29 2020 1 22 同理可得 同理可得 反應(yīng)物系的組成隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3 3所示 由圖可見 t CA 而CP CQ 30 2020 1 22 圖3 3平行反應(yīng)組成隨時(shí)間的變化關(guān)系 31 2020 1 22 由圖可見 t CA 而CP CQ 而且 由于兩個(gè)反應(yīng)均是一級 而且反應(yīng)方程形式完全相同 否則不成立 如例題3 2 由于產(chǎn)物P是目的產(chǎn)物 希望k1 k2 例題3 2 P62 63 自學(xué) 32 2020 1 22 3 3 5連串反應(yīng) 設(shè)在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行如下的一級不可逆連串反應(yīng) 恒容 各組分的動力學(xué)方程 設(shè)初值條件為 當(dāng)t 0時(shí) 則有 33 2020 1 22 反應(yīng)物系組成隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3 4所示 如果P是目的產(chǎn)物 其值有最優(yōu)解 通過CP對時(shí)間求導(dǎo)數(shù) 可以得到 令 34 2020 1 22 35 2020 1 22 當(dāng)時(shí) 則 36 2020 1 22 3 4連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積 3 4 1連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn) 連續(xù)釜式反應(yīng)器 基本在定態(tài)下操作 穩(wěn)定操作 有進(jìn)有出 操作特點(diǎn)反映物料整體始終均一 即無濃度和溫度梯度 瞬間實(shí)現(xiàn)均一 即物料進(jìn)入反應(yīng)器后瞬間實(shí)現(xiàn)均勻混合 多用于液相反應(yīng) 恒容操作 37 2020 1 22 3 4 1連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn) 連續(xù)釜式反應(yīng)器的重要特性 1 反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)不隨時(shí)間變化 2 不存在時(shí)間自變量 也沒有空間自變量 2 出口處的C T與反應(yīng)器內(nèi)的C T相等 所以反應(yīng)恒速進(jìn)行 38 2020 1 22 3 4 2全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程 由于該反應(yīng)操作具有如上特性 因此可以對整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算 若反應(yīng)前后體積流量不變 均為Q0 以A組分為衡算對象 則 進(jìn)口處A組分的摩爾流率 為 出口處A組分的摩爾流率為 在定常態(tài)下 由于關(guān)鍵組分的累積速率 為 0 39 2020 1 22 這就是連續(xù)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程 40 2020 1 22 全混流反應(yīng)器 的圖解 恒容時(shí) 2020 1 22 41 3 5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián) 3 5 1概述轉(zhuǎn)化速率與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系 1 轉(zhuǎn)化速率隨著轉(zhuǎn)化率的增大而降低 正常動力學(xué) 見下圖的A或P68圖3 5A 從該圖可知 在相同條件下 完成相同的任務(wù) 兩釜串聯(lián)的總反應(yīng)體積小于單釜的反應(yīng)體積 即對于正常動力學(xué)反應(yīng) 使用多釜串聯(lián)總是有利的 2020 1 22 42 圖3 5連續(xù)釜式反應(yīng)器體積的幾何圖示 2020 1 22 43 3 5 1概述 2 轉(zhuǎn)化速率隨著轉(zhuǎn)化率的增大而增大 反常動力學(xué) 見上圖的B或P68圖3 5B 從該圖可知 在相同條件下 完成相同的任務(wù) 兩釜串聯(lián)的總反應(yīng)體積大于單釜的反應(yīng)體積 即對于反常動力學(xué)反應(yīng) 使用多釜串聯(lián)是不利的 對于反常動力學(xué) 當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)較大時(shí) 不宜采用多釜串聯(lián) 則只宜采取多釜并聯(lián)方式 這就涉及如何分配各釜的進(jìn)料量問題亦即各釜的處理量的大小問題 2020 1 22 44 圖3 6并聯(lián)的釜式反應(yīng)器 進(jìn)料量的分配原則 保證各釜的空時(shí)相同 即各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同 這時(shí)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)最優(yōu) 即要 2020 1 22 45 3 5 2串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計(jì)算 如果采用幾個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器來進(jìn)行原來由一個(gè)全混流反應(yīng)器所進(jìn)行的反應(yīng) 則除了最后 個(gè)反應(yīng)器外的所有反應(yīng)器都在比原來單個(gè)反應(yīng)器中高的反應(yīng)物濃度下進(jìn)行反應(yīng) 這樣勢必減少了混合作用所產(chǎn)生稀釋效應(yīng) 假設(shè)N個(gè)串聯(lián)的釜式反應(yīng)器如圖3 7所示 通過對每個(gè)釜進(jìn)行物料衡算 可以得到系統(tǒng)的計(jì)算方程 2020 1 22 46 圖3 7多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器 2020 1 22 47 現(xiàn)在針對1級不可逆反應(yīng)進(jìn)行解析計(jì)算 針對其他級數(shù)反應(yīng)的計(jì)算方法相同 動力學(xué)方程為 假定每個(gè)釜的體積相同 即Vr1 Vr2 假定進(jìn)入各釜的體積流率相同 則每一個(gè)釜的空時(shí)相同 1 2 如果反應(yīng)器中的溫度T相同即各釜的k一樣 對第p個(gè)釜進(jìn)行物料衡算 有 2020 1 22 48 即 式中p 1 2 N 即 2020 1 22 49 第N個(gè)反應(yīng)釜的出口轉(zhuǎn)化率及組成 將每一個(gè)釜的衡算方程相乘 得到 當(dāng)XA0 0 2020 1 22 50 整個(gè)系統(tǒng)的空時(shí)為 整個(gè)系統(tǒng)總的反應(yīng)體積為 對于非一級反應(yīng) 沒有解析解 需要進(jìn)行逐釜計(jì)算 根據(jù)已知條件 可以將逐釜計(jì)算過程分成如下兩種 1 每一個(gè)單釜的體積Vri已知此時(shí)每個(gè)釜的空時(shí) 已知 逐一的計(jì)算XAp或CAp 直至求出到達(dá)XAN所需的釜數(shù)N 2020 1 22 51 2 釜數(shù)N已知 試差方法 需要先假設(shè)空時(shí) 按 1 的方法逐釜計(jì)算 求出第N個(gè)釜出口的轉(zhuǎn)化率 并與要求的轉(zhuǎn)化率XAN對比 如果不一致需要重新假設(shè)空時(shí) 重復(fù)進(jìn)行計(jì)算 直到兩者吻合為止 2020 1 22 52 作圖方法 首先要在二維坐標(biāo)中繪出轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)速率的關(guān)系曲線 然后利用下面的公式逐釜作折線 該方程為第p釜的操作線方程 2020 1 22 53 作圖方法 若各釜反應(yīng)體積相同 操作溫度相同 反應(yīng)釜的體積已知 即物料衡算線的斜率已確定 則可求出達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率所需的釜數(shù) 具體步驟 P71 2020 1 22 54 3 5 2串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的最佳反應(yīng)體積 在生產(chǎn)任務(wù) CA0 CAf Q0 和段數(shù)N給定的情況下 總是希望反應(yīng)體積越小越好 這就涉及各段反應(yīng)體積的最優(yōu)分配問題 即各釜的反應(yīng)體積存在一最佳的比例 這實(shí)質(zhì)上也是各釜的出口轉(zhuǎn)化率 最后一釜除外 維持在什么數(shù)值下最好的問題 現(xiàn)設(shè)所進(jìn)行的為單一反應(yīng) 則總反應(yīng)體積為 2020 1 22 55 將上式分別對XAP P 1 2 N 1 求導(dǎo)得 令 0 即反應(yīng)總體積最小 有 2020 1 22 56 若進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)時(shí) P 1 2 N 1 這便是保證反應(yīng)體積最小所必須遵循的條件 2020 1 22 57 若各釜溫度相同 代入上式并化簡 可得 當(dāng)在多段全混流反應(yīng)器中進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)時(shí) 各段的反應(yīng)體積相等 總反應(yīng)體積最小 P 1 2 N 1 即 即 P 1 2 N 1 2020 1 22 58 對于非一級反應(yīng) 不能直接解析求得各釜反應(yīng)體積間的最佳比例關(guān)系 由于多數(shù)反應(yīng)速率方程形式復(fù)雜 涉及偏微分 一般很難用解析法求解 因此 用圖解法是一種行之有效的方法 具體步驟見李紹芬 反應(yīng)工程 P74 或王安杰等編著 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué) P40 41 2020 1 22 59 結(jié)論 對于 級反應(yīng) 2020 1 22 60 3 6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率和選擇性 收率和選擇性與反應(yīng)器的型式 操作方式和操作條件密切相關(guān) 3 6 1總收率與總選擇性 瞬時(shí)選擇性 2020 1 22 61 YPf是總收率 針對整個(gè)反應(yīng)器而言的 YPf是總收率 針對整個(gè)反應(yīng)而言的 討論 1 XA 時(shí) S 的情形 如下圖A 對于間歇釜式反應(yīng)器 對于間歇釜式反應(yīng)器 總選擇性 整個(gè)曲邊梯形的積分面積對于連續(xù)釜式反應(yīng)器 總選擇性 矩形的面積從圖中可以看出 多釜串聯(lián)系統(tǒng)介于間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器之間 2020 1 22 62 圖3 10釜式反應(yīng)器的最終收率 2020 1 22 63 討論 2 XA 時(shí) S 的情形 如上圖B 此情況與上述剛好相反 請自學(xué) 3 6 2平行反應(yīng)設(shè)在釜式反應(yīng)器中進(jìn)行平行反應(yīng) 瞬時(shí)選擇性為 2020 1 22 64 僅討論當(dāng)溫度一定時(shí) 反應(yīng)器種類及操作方式的影響 討論 要獲得高的選擇性 則要求CA CB 選何種反應(yīng)器 2020 1 22 65 宜選擇 a 間歇釜 b 多釜串聯(lián) 如果體積不等 從小到大排列 要獲得高的選擇性 則要求CA CB 選何種反應(yīng)器 宜選擇單釜連續(xù)操作 f 如果串聯(lián)最好從大 小排列 要獲得高的選擇性 則要求CB CA 選何種反應(yīng)器 選擇 d B先加且一次性加入 A為連續(xù)性加入 一般先快后慢 2020 1 22 66 加料方式 加料方式的選擇 a 2020 1 22 67 加料方式 加料方式的選擇 b 2020 1 22 68 3 6 3連串反應(yīng) 假設(shè)如下的連串反應(yīng)均為一級 P為目的產(chǎn)物 反應(yīng)在連續(xù)釜式反應(yīng)器中恒容進(jìn)行 有 對A組分 對P組分 2020 1 22 69 P組分的收率 有 令 P組分的最大收率 2020 1 22 70 小結(jié) 間歇釜連續(xù)釜 2020 1 22 71 目的產(chǎn)物與組成的關(guān)系 對于間歇釜式反應(yīng)器 則有 對于連續(xù)釜式反應(yīng)器 則有 2020 1 22 72 間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進(jìn)行連串反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)率和收率 2020 1 22 73 可以通過改變操作溫度的辦法來改變k2 k1的相對大小 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高的收率 但無論E2和E1相對大小如何 一般采用較高的反應(yīng)溫度 以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)程度 可以使用催化劑來改變k2 k1 應(yīng)該注意 2020 1 22 74 3 7半間歇釜式反應(yīng)器 半間歇式反應(yīng)器 其主要目的 1 提高選擇率 2 降低反應(yīng)溫度 提高反應(yīng)安全性 3 提高反應(yīng)速率 半間歇式反應(yīng)器的特點(diǎn) 反應(yīng)物系的組成均隨時(shí)間而變 因此必須以時(shí)間作為自變量 下面探討反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)組分與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系 2020 1 22 75 假設(shè) 反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行下列液相反應(yīng) 對A組分進(jìn)行物料衡算 有通式 式中 V為反應(yīng)器中反應(yīng)混合物的體積 其值隨時(shí)間而變 假定操作開始時(shí)先向反應(yīng)器中注入體積為V0的B 然后連續(xù)地加入A 流量為Q 濃度為CA0 且不連續(xù)導(dǎo)出物料 即Q 0 則 2020 1 22 76 若為恒速加料 則Q0為常數(shù) 則V V0 Q0t 任意時(shí)間下反應(yīng)混合物的體積為 1 假設(shè)物料B大量過剩 2 若將VCA看成變量 并假設(shè)初始條件 t 0 VCA 0 Q0為常數(shù) 2020 1 22 77 同理 A R組分在半間歇式反應(yīng)釜中的濃度隨時(shí)間的關(guān)系可見P82圖3 13 2020 1 22 78 3 8間歇反應(yīng)器的變溫操作計(jì)算 在變溫操作操作中 通過設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的盤管或夾套向反應(yīng)器提供 或從反應(yīng)器內(nèi)移出 熱量 控制反應(yīng)在所需的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行 如果向反應(yīng)器供熱 采用夾套以蒸汽進(jìn)行加熱較為有利 因?yàn)樗休^大的傳熱面積外還能方便地排放冷凝水 如果從反應(yīng)器移熱則應(yīng)用冷卻盤管更為有利 此時(shí)可以用提高冷卻介質(zhì)流速來增大傳熱系數(shù) 2020 1 22 79 圖3 1 2帶有換熱器的釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖 2020 1 22 80 3 8 1 間歇反應(yīng)器熱平衡 式中 K為總括傳熱系 A為傳熱面積 CV和 分別表示反應(yīng)流體的恒容比熱和密度 HA為反應(yīng)的焓變 Tm為換熱介質(zhì)溫度 由于間歇反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的物料具有相同的溫度 所以可對整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算 即 2020 1 22 81 對于恒容過程 將代入上式 要求反應(yīng)時(shí)間要與聯(lián)立求解 2020 1 22 82 3 8 2 間歇反應(yīng)器恒溫操作計(jì)算 若為恒溫過程即要使反應(yīng)在等溫下進(jìn)行 反應(yīng)放出 或吸收 的熱量必須隨時(shí)等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量 這是辦不到的 2020 1 22 83 3 8 3絕熱操作 與環(huán)境無任何熱交換 對于恒容過程有 2020 1 22 84 當(dāng)t 0時(shí) T T0 xA xA0 積分得 式中 稱為絕熱溫升 在一定工況下 近似為常數(shù) 計(jì)算時(shí) 各參數(shù)取平均操作溫度下物料的各值 2020 1 22 85 3 9全混流反應(yīng)器的定態(tài)操作 3 9 1全混流反應(yīng)器的熱衡算方程 常稱為操作方程式 若忽略反應(yīng)流體的密度和定壓比熱隨溫度的變化 反應(yīng)器在定常態(tài)下操作時(shí)對反應(yīng)器作熱量衡算有 2020 1 22 86 當(dāng)反應(yīng)器在絕熱條件下操作 上式右端的第二項(xiàng)為零 即 2020 1 22 87 3 9 2全混流反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性分析 連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料溫度均勻一致 若為定態(tài)操作 反應(yīng)是在等溫下進(jìn)行的 如為非定態(tài)操作 屬變溫過程 即反應(yīng)溫度系隨時(shí)間而變 但不隨空間而變 無論是定態(tài)操作還是非定態(tài)操作 反應(yīng)過程的溫度均需由反應(yīng)器的熱量衡算式和物料衡算式來決定 2020 1 22 88 3 9 2全混流反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性分析 對于放熱反應(yīng) 這會出現(xiàn)定態(tài)不唯一的問題 即同時(shí)存在多個(gè)定態(tài) 操作溫度都能滿足反應(yīng)器的熱量及物料衡算式 這些定態(tài)中有些定常態(tài)具有抗外界干擾的能力 即在外界干擾使其偏離了原來定態(tài) 而系統(tǒng)本身具有抑制這種使其發(fā)生偏離的干擾的影響并在干擾因素消失后它又能自動回復(fù)到原來的定態(tài)操作點(diǎn) 這類定態(tài)我們稱之為穩(wěn)定的定態(tài) 那些不具有抗干擾能力的定態(tài)則稱為是不穩(wěn)定的 這就是要討論的定態(tài)穩(wěn)定性問題 2020 1 22 89 為了方便地看出反應(yīng)器內(nèi)傳熱過程的這一特點(diǎn) 將熱量衡算式改寫成如下形式 令 放熱速率移熱速率 2020 1 22 90 放熱速率線為一曲線 曲線的形狀和k值與溫度的關(guān)系有關(guān) 以一級不可逆反應(yīng)為例 由上式可知 放熱曲線QG為S型曲線 移熱速率Qr線為一直線 線 Qr線的交點(diǎn)為熱平衡點(diǎn) 由于參數(shù) 冷卻介質(zhì)的進(jìn)料溫度 的不同 Qr線有不同的斜率和位置 如下圖所示 91 2020 1 22 b b 圖T Q的關(guān)系 2020 1 22 92 從