《間歇釜式反應器》PPT課件

1、第三章 間歇釜式反應器BR（Batch Reactor,3.1 釜式反應器的特點及其應用 3.2 間歇釜式反應器的容積與數(shù)量及設備間的平衡 3.3 等溫間歇反應釜的計算 3.4 變溫間歇釜的計算 3.5 半間歇釜式反應器,3.1.1釜式反應器的結構,1.釜的主體，提供足夠的容積，確保達到規(guī)定轉化率所需的時間,2.攪拌裝置，由攪拌軸和攪拌器組成，使反應物混合均勻，強化傳質(zhì)傳熱,3.傳熱裝置，主要是夾套和蛇管，用來輸入或移出熱量，以保持適宜的反應溫度,4.傳動裝置,是使攪拌器獲得動能以強化液體流動,6.工藝接管,為適應工藝需要,5.軸密封裝置，用來防止釜體與攪拌軸之間的泄漏,3.1.2間歇釜式反應

2、器的特點及其應用,1、特點,輔助時間占的比例大 ,勞動強度高，生產(chǎn)效率低,操作靈活性大，便于控制和改變反應條件,非穩(wěn)態(tài)操作，反應過程中，溫度、濃度、反應速度隨著反應時間而變,同一瞬時，反應器內(nèi)各點溫度、濃度分布均勻,結構簡單、加工方便，傳質(zhì)、傳熱效率高,反應物料一次加入，產(chǎn)物一次取出,幾乎所有有機合成的單元操作,2、應用,適合于多品種、小批量生產(chǎn),適應于各種不同相態(tài)組合的反應物料,3.2.1間歇釜式反應器的容積與數(shù)量,確定反應器的容積與數(shù)量是車間設計的基礎，是實現(xiàn)化學反應工業(yè)放大的關鍵,1、求算反應器的容積與數(shù)量需要的基礎數(shù)據(jù),1）每天處理物料總體積VD和單位時間的物料處理量為FV,FV=VD

3、/24,GD每天所需處理的物料總重量,物料的密度,2） 操作周期t,操作周期又稱工時定額或操作時間，是指生產(chǎn)每一批料的全部操作時間，即從準備投料到操作過程全部完成所需的總時間t ，操作時間t包括反應時間t和輔助操作時間t0 兩部分組成。 即t = t + t0,例如萘磺化制取2-萘磺酸的操作周期: 檢查設備 15分 加萘 15分 加硫酸及升溫 25分 反應 160分 壓出料 15分 操作周期 240分或4小時,反應時間t的求算方法,由動力學方程理論計算或經(jīng)驗獲得，但應注意： (1)不少強烈放熱的快速反應，反應過程的速率往往受傳熱速率的控制，不能簡單地用動力學方程式來求算反應過程的時間。 (2)

4、某些非均相反應，過程進行的速率受相間傳質(zhì)速率的影響，也不能單純地從化學動力學方程式計算反應時間。 (3)某些反應速率較快的反應，在加料過程及升溫過程中已開始反應。在保溫階段之前可能已達到相當高的轉化率。有時需分段作動力學計算,3）反應體積VR,反應體積是指設備中物料所占體積，又稱有效體積,VR=FVt,確定反應器的容積V的前提是確定反應器的有效容積(反應容積)VR。 如果由生產(chǎn)任務確定的單位時間的物料處理量為FV，操作時間為t(包括反應時間t和輔助操作時間t0 )，則反應器的有效容積,其中 t = t + t0,4）*設備裝料系數(shù),反應器有效體積與設備實際容積之比稱為設備裝料系數(shù)，以符號 表示

5、，即： =VR/V。其值視具體情況而定,實際生產(chǎn)中，反應器的容積要比有效容積大，以保證液面上留有空間,2、反應器的容積和個數(shù)的確定,1）已知VD或FV與t ，根據(jù)已有的設備容積Va，求算需用設備的個數(shù)m。 設備裝料系數(shù)為 ，則每釜物料的體積為 Va，按設計任務，每天需要操作的總批次為： 每個設備每天能操作的批數(shù)為,按設計任務需用的設備個數(shù)為,由上式算出的m值往往不是整數(shù)，需取成整數(shù)m, mm,因此實際設備總能力比設計需求提高了。 其提高的程度稱為設備能力的后備系數(shù)，以表示,則,2）已知每小時處理的物料體積FV與操作周期t,求設備體積與個數(shù),需要設備的總容積為,如果反應器容積V的計算值很大，可選

6、用幾個小的反應器,若以m表示反應釜的個數(shù)， 則每個釜的容積:Vm=V/m=FVt/( m,為便于反應器的制造和選用，釜的規(guī)格由標準(GB 9845-88)而定。在選擇標準釜時，應注意使選擇的容積與計算值相當或略大。如果大，則實際生產(chǎn)能力較要求為大，富裕的生產(chǎn)能力稱為反應器的后備能力，可用后備系數(shù)來衡量后備能力的大小，若標準釜的容積為Va，那么,思考 選用個數(shù)少而容積大的設備有利還是選用個數(shù)多而容積小的設備有利 ,例3-1：鄰硝基氯苯連續(xù)氨化，然后分批還原生產(chǎn)鄰苯二胺。已知氨化出料速率為0.83m3/h，還原操作時間為7h(不計受料時間)，求需要還原鍋的個數(shù)與容積。設備裝料系數(shù)取0.75,3、計

7、算示例,物料處理量FV一般由生產(chǎn)任務確定，輔助時間t0視實際操作情況而定，反應時間t可由動力學方程確定，也可由實驗得到。由以上數(shù)據(jù)可求VR、V、m、Vm以及等,解：因氨化為連續(xù)操作，故至少需要兩臺還原釜交替進行受料和還原。還原操作時間為7h，可取受料時間為8h，安排每班進行一次還原操作，則每批的操作時間為16h。裝料系數(shù)取0.75，于是需要設備的總容積為,取兩臺釜，每釜容積為8.85m3，采用標準容積為10m3的反應釜，后備能力為,思考 如果取受料時間為1h，結果如何,例3-2同例3-1，如果根據(jù)工廠的加工能力能夠制造的最大容積的還原鍋為6m3。問需用幾個還原鍋,解,選用6 m3的鍋，每鍋受料

8、體積為VR=0.756=4.5 m3， 則,受料時間,4.5/0.83=5.44h,操作周期,5.44+8=13.44h,每天操作總批數(shù),24X0.83/4.5=4.45,每鍋每天操作批數(shù),24/13.44=1.78,需要鍋的個數(shù),m=4.55/1.78=2.5,取用三個鍋，生產(chǎn)能力后備系數(shù)為,（3-2.5）/2.5100%=20,三個還原鍋交替操作的時間安排圖,例3-3西維因農(nóng)藥中試車間取得以下數(shù)據(jù)：用200升搪瓷鍋做實驗，每批操作可得西維因成品12.5Kg，操作周期為17小時。今需設計年產(chǎn)1000噸的西維因車間，求算需用搪瓷鍋的數(shù)量與容積。年工作日取300天,解,每臺鍋每天操作批數(shù),24/

9、17=1.41,每天生產(chǎn)西維因農(nóng)藥數(shù)量,10001000300=3330Kg（GD,需要設備總容積,mVm=（3330/1.41）20010-3/12.5=37.8m3,取Va為10 m3的最大搪瓷鍋4臺,（4-3.78）/3.78100%=5.82,例3-4萘磺化反應器體積的計算。萘磺化生產(chǎn)2-萘磺酸，然后通過堿熔得2-萘酚。已知2-萘酚的收率按萘計為75%，2-萘酚的純度為99%，工業(yè)萘純度為98.4%，密度為963kg/m3 。磺化劑為98%硫酸，密度為1.84。萘與硫酸的摩爾比為1：1.07。每批磺化操作周期為3.67小時。萘磺化釜的裝料系數(shù)為0.7。年產(chǎn)2-萘酚4000t，年工作日3

10、30天,根據(jù)生產(chǎn)任務，每小時需處理工業(yè)萘的體積為,每小時需處理硫酸的體積為,每小時處理物料總體積為:FV=626+270=896L 反應器的體積為,若采用2500L標準反應器兩個，則反應器的生產(chǎn)能力后備系數(shù)為,3.2.2 間歇操作設備間的平衡,保證各道工序每天操作總批次相等,即,1 = 2 = = n,總操作批數(shù)相等的條件是,m11 = m22 = =mnn,或,即各工序的設備個數(shù)與操作周期之比要相等,各工序的設備容積之間保證互相平衡,即,或,例3-5萘酚車間的磺化工段有四道工序：磺化、水解、吹萘及中和。現(xiàn)有鑄鐵磺化鍋的規(guī)格2 m3，2.5 m3及3m3三種。試設計各工序的設備容積與數(shù)量。已知

11、各工序的VD，t及 如下表,解,1）先作磺化工序的計算,如取Va=2 m3，計算,再取Va=2.5 m3與Va=3 m3做同樣計算，結果列于下表中,使水解工序：=10 =24/1.5=16，m=10/16=0.625 取,水解鍋容積的計算,Va=VD,21.25/（100.85）=2.5m3,1,（1-0.625）/0.625 100%=60,比較三種方案，選用2個2.5 m3的磺化鍋較為合適,2）水解及其他工序的計算,同樣方法計算吹萘及中和二個工序。 將各工序計算結果列表如下,3.3 等溫間歇釜式反應釜的計算,反應器容積V,反應器有效體積VR,FV, t,t = t + t0,確定反應時間的

12、兩種方法：經(jīng)驗法; 動力學法,間歇反應屬非定態(tài)操作，反應時間取決于所要達到的反應進程,反應器內(nèi)各處濃度、溫度均一，所以，可對其中某一反應物做物料衡算，以確定反應時間,3.3.1 單一反應,設在間歇反應器內(nèi)進行如下化學反應 ABR,0,0,1.反應時間的計算,若VR為反應混合物的體積(反應器有效容積)；rA為t時刻的反應速率；nA0為反應開始時A的摩爾量；nA為t時刻的A的摩爾量。并以A為關鍵組分作微元時間dt內(nèi)的物料衡算,所以,適用于任何間歇反應過程,由反應物A轉化率xA的定義,得到,于是,積分得,恒容條件下,所以,取 t=0 時 xA= 0、CACA0；t=t 時 xA=xAf、CA= CA

13、f，積分得,其中rA一般具有 rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式,反應器的有效體積 VR=FV (tt0,等溫恒容下的簡單反應的反應時間積分表,其它反應的積分請參閱參考書1，6,例3-6間歇反應A+BR+S，二級不可逆rA=kCACB， 等溫恒容，k=1.0m3/(kmol.h)，處理量為2.0m3/h，A、B的初濃度均為1.0kmol/m3，每批輔時為0.5h，求反應體積為9.0m3時的A的轉化率,解：由,解上述方程得,得,又由,得,例3-7：在間歇反應器中進行己二酸和己二醇的縮聚反應,其動力學方程為rA=kCA2 kmol/(Lmin)，k=1.97L/(

14、kmolmin)。己二酸與己二醇的摩爾配比為1:1，反應混合物中己二酸的初始濃度為0.004kmol/L。若每天處理己二酸2400kg,要求己二酸的轉化率達到80%，每批操作的輔時為1h，裝料系數(shù)取為0.75，計算反應器體積,解,積之得,物料的處理量為,操作周期為,反應體積為,反應器容積為,思考 計算FV時，為什么不考慮己二醇,正反應速率常數(shù)k1為4.7610-4m3/（kmol.min），逆反應速率常數(shù)k2為1.6310-4m3/（kmol.min）。反應器內(nèi)裝入0.3785m3水溶液，其中含有90.8kg乙酸，181.6lkg乙醇。物料密度為1043kg/m3，假設反應過程不改變。試計算反

15、應2h后乙酸的轉化率,例3-8在攪拌良好間歇操作釜式反應器中，以鹽酸作為催化劑，用乙酸和乙醇生產(chǎn)乙酸乙酯，反應式為,已知100時，反應速率方程式為,解：乙酸的初始濃度,乙醇的初始濃度,水的初始濃度,設XA為乙酸的轉化率，則各組分的瞬時濃度與轉化率的關系為,kmol/m3,kmol/m3,kmol/m3,代入反應速率方程式，則得,所以,當t=120min，用上式算得：xAf=0.356， 即35.6%乙酸轉化成乙酸乙酯,2） 間歇反應釜的最佳反應時間,問題的提出 ：操作時間包括反應時間和輔助時間，輔助時間一般是固定的；延長反應時間可提高產(chǎn)品收率，但反應后期，反應物濃度降低，反應的推動力變小，反應

16、速率變低，所以，從宏觀上看，單位操作時間內(nèi)的產(chǎn)品收獲量未必高；縮短反應時間，產(chǎn)品收率低，但反應速率一直較大，所以單位操作時間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量未必低,由此看來，應存在一最佳反應時間，使得操作單位時間內(nèi)獲得的產(chǎn)品量為最大,以單位操作時間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量最大為目標,對于反應AR，若反應產(chǎn)物的濃度為CR，則單位時間內(nèi)獲得的產(chǎn)品量GR為,GR = VRCR /(t+t0,對反應時間求導,若使GR為最大，可令 dGR/dt = 0，于是,此為使單位操作時間內(nèi)產(chǎn)物收獲量為最大應滿足的條件,思考 上述結果是否表明該最優(yōu)反應時間與其動力學特征無關,圖解法,描繪產(chǎn)物濃度CR與時間t的曲線于坐標軸上(OMN); 在橫軸

17、上取A(-t0,0)；過A點作OMN的切線交OMN于M點; M點的橫坐標就是最佳反應時間,以單位產(chǎn)品生產(chǎn)費用最低為目標,設一個操作周期中單位時間內(nèi)反應操作所需費用為a；輔助操作所需費用為a0；固定費用為aF，則單位產(chǎn)品的總費用Z為,Z= (at+a0t0+aF) /(VRCR,對反應時間求導,若使Z為最大，可令 dZ/dt = 0，于是,此為單位生產(chǎn)量的總費用最小應滿足的條件,圖解法,自B,做CRt曲線的切線切點N， 斜率NE/BE=dCR/dt,作,由切點N的橫坐標值 ， 確定最佳反應時間t=OE， 相應的CR值由縱坐標得知,作CRt圖,間歇反應最佳反應時間圖解法示意圖,目標不同時，最佳反應

18、時間不同,3.3.2 復雜反應(考慮平行反應和串聯(lián)反應,平行反應,平行反應的基本特征是相同的反應物能進行兩個或兩個以上的反應,其中R為目標產(chǎn)物，則A的轉化率、組份濃度與反應時間的關系可由物料衡算求得,A,R （主反應,A,S （副反應,設等溫間歇反應器中進行一級平行反應,對于A,對于R,對于S,對于A,對于R,對于S,恒容條件下，上述方程可用濃度表達,A的衡算方程表達了A的濃度(A的轉化率)與反應時間的關系。設 t=0時，CA=CA0，xA0=0，積之得,把CA關于t的表達式代入R的衡算方程，并設 t=0時，CR=0，積之得,也就是,同理,由CR和CS的關于反應時間的表達式可知,對于上例瞬時選

19、擇性,收率,例3-8 在等溫間歇釜式反應器中進行以下恒容液相反應,A+BR，rR=2CA kmol/(m3h) 2AS， rS=0.5CA2 kmol/(m3h,反應開始時A和B的濃度均為2.0kmol/m3，目的產(chǎn)物為R，計算反應時間為3h的A的轉化率和R的收率以及生成R的選擇性,解：rA= rR+2rS=2CA+20.5CA2=2CA+CA2，所以,恒容條件下，組份A的物料衡算式為,積之得,代入已知條件得,CAf=2.4810-3kmol/m3，即反應3h后A的濃度 此時,xA=(2.0-2.4810-3)/2.0=0.9988=99.88,又由,及,得,積之得,于是,代入數(shù)據(jù)得,CRf=

20、1.384kmol/m3，則R的收率為,YR=1.384/2=0.692，即69.2%；生成R的選擇性為,SR=YR/xA=0.693%，即69.3,上述計算表明，A轉化了99.88%，而轉化生成R只有69.2%，其余的30.68%則轉化為S,串聯(lián)反應,設在等溫間歇釜式反應器中進行某一級不可逆串聯(lián)反應,各組分的速率方程分別為,若,時,由,得,所以,把,代入,得到,形如,的一階線性微分方程,取t=0時，CP=0，積之得,因 CA + CP + CS = CA0 所以 CS= CA0- CA- CP,根據(jù)各反應組分濃度與反應時間關系的三個關系式 以時間對濃度作圖,串聯(lián)反應的組分濃度與反應時間的關系

21、,當目的產(chǎn)物為P時就需要控制反應時間，以使P的收率最大,為使YR最大，應滿足dYR/dt=0，即,將上式兩邊取對數(shù)整理得最優(yōu)反應時間,即,P的最大濃度,3.4 變溫間歇釜的計算,問題的提出* 化學反應經(jīng)常伴有熱效應。對于釜式間歇反應而言，要做到等溫時極其困難的；化學反應通常要求溫度隨著反應進程有一個適當?shù)姆植?，以獲得較好的反應效果。 因此研究非等溫間歇釜式反應器的設計與分析具有重要的實際意義,變溫操作時，要對反應進程進行數(shù)學描述，需要聯(lián)立物料衡算方程(速率方程)和熱平衡方程,3.4.1.間歇反應器熱平衡,由于是間歇操作，可取整個釜作為衡算單元,設Q1、Q4分別為時刻t時物料帶入、帶出微元體積的

22、熱量；Q2表示時刻t時間壁傳熱量；Q3表示時刻t時化學反應產(chǎn)生的熱； Q5表示時刻t時熱累積量，于是,Q1 = Q4 = 0,由熱量守恒方程知(假定傳熱劑從系統(tǒng)取熱) Q5 = Q1Q2 + Q3Q4，所以,式中： qr為以組份A為基準的摩爾反應熱，放熱反應取正直； nA0為A組份的起始摩爾流量； ni、Cvi分別表示反應器中的組份i的摩爾數(shù)和定容摩爾熱容； dT為物料在dt時間間隔內(nèi)溫度的變化； K為總傳熱系數(shù)； A為反應釜的傳熱面積； T為反應物溫度； Ts為傳熱介質(zhì)溫度,由此可見，對于一定的反應物系，反應溫度、關鍵組份的轉化率都取決于物系與外界的傳熱速率,另一方面，對于非等溫過程，由于其

23、反應速率常數(shù)是隨溫度的變化而變化的，所以，要想準確描述反應溫度、關鍵組份的轉化率隨反應時間的變化關系，須聯(lián)立熱平衡方程與動力學方程(物料平衡方程)求解,2.間歇反應器絕熱操作計算,當Q2=0，即絕熱情況下，熱平衡方程為,起始條件：t=0，T=T0，xA= xA0,積分上式得,T0、xA0分別為反應開始時的物系溫度及A組份的轉化率,此式稱為間歇釜式反應器的絕熱方程，表明絕熱條件下，反應溫度與轉化率成線性關系,若平均熱容可視為常數(shù)，絕熱方程可表達為,稱為絕熱溫升，其物理意義為反應物中的A組份完全轉化時，引起物系溫度變化的度數(shù),思考 就間歇釜式反應器而言，該絕熱方程有哪些應用,若以yA0表示組份A的

24、初始摩爾分數(shù)，則,3.間歇反應器恒溫操作計算,即要使反應在等溫下進行，反應放出(或吸收)的熱量必須等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量。 應用：求換熱面積,若為恒溫過程,4.等溫間歇操作反應器的放熱規(guī)律,為了保持在等溫下進行操作，化學反應過程所產(chǎn)生的熱效應必須與外界進行熱交換，而且反應系統(tǒng)與外界交換的熱量應該等于反應放出的熱量（放熱反應）或吸收的熱量（吸熱反應），其關系式可以下式表示,q 反應系統(tǒng)與外界傳熱速率kJ/h,上式變形為,因為反應物料VR和等溫下進行的熱效應qr均為定值，所以傳熱量變化規(guī)律可以根據(jù)化學反應速率來確定。對于不同反應，則可按照其化學反應動力學方程式進行具體計算,例3-9 設在間歇

25、釜式反應器中進行某二級不可逆反應A+BR。已知反應熱為33.5kJ/molA；反應物平均熱容為1980kJ/(m3K)。反應速率 rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s)，A和B的初濃度分別為4.55kmol/m3和5.34kmol/m3 ，在反應物預熱到326.0K后，從326.0K開始在絕熱條件下進行反應，在溫度達到373.0K時開始等溫反應。計算A的轉化率達到0.98所需要的時間；若反應始終在373K等溫進行，所需反應時間又是多少,解：絕熱反應過程的轉化率和溫度的關系由絕熱方程確定。注意到反應開始時混合物中不含產(chǎn)物，即xA0=0，所以,右端分子分母同除反

26、應體積VR，得,右端分母即是以kJ/(m3K)給出的反應混合物平均熱容,rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s,1.371012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0 xA,所以,當絕熱反應到373.0K開始等溫反應時, xA=0.6105,絕熱反應23.1min，A的轉化率達到0.6105后，開始在373.0K維持等溫反應，至xA=0.98止,于是 t絕熱 = 23.1min,所以，先絕熱再等溫的總反應時間是37.9min,若反應始終再373.0K下等溫進行，則,思考 為什么先絕熱后等溫的反應時間較始終等溫的長,例3-10鄰甲氧基重氮鹽

27、水解反應生成鄰甲氧基苯酚,反應動力學式為rAkCACB,以硫酸銅為催化劑，反應溫度96時2. 2 X 10-3M3/(kmolmin)，重氮鹽的初濃度CAO為0.25 kmol/m3，水初濃度CBO為5 kmol/m3，化學反應熱效應qr為502kJmol。在間歇攪拌鍋中進行，重氮鹽的終點轉化率為0.8，夾套冷卻水進出口溫度分別為22和30。求生成100 kg甲氧基苯酚過程中放熱量、冷卻水用量隨時間變化的關系,解：因為液相體積視為不變，過程作為等溫等容計算,CAO=0.25 kmol/m3 CBO=5 kmol/m3 CA=CA0（1-xA）， CB=CB0-CA0 xA rA=k CA CB

28、= k CA0（1-xA）（CB0-CA0 xA,則,簡化為,式,中,則,積分得,上式中qt即為反應進行至t時總需傳出熱量，亦即反應總放熱量，以Qt表示：Qt=NA0qr xA 式中NA0為A的投料總摩爾數(shù)，終點轉化率為0.8，則,即 Qt=5.06105xAkJ,所需冷卻水量為,取一定的時間間隔t=30min，計算不同 xA、Qt、 Gt及Q、G之值如下表,3.5 半間歇釜式反應器,1、半分批操作形式,此種操作主要適應于以下幾種情況 可以在沸騰溫度下進行的強放熱反應，用氣化潛熱帶走大量反應熱； 要求嚴格控制反應物A濃度； 濃度高，A和C濃度低對反應有利的場合； 可逆反應,主要適用于以下情況：

29、要求嚴格控制鍋內(nèi)的濃度防止A過量副反應增加的情況； 保持在較低溫度下進行的放熱反應; A濃度低，濃度高對反應有利的情況,這種操作可以嚴格計量控制、的加料比例，而且可以保持和B都在低濃度下進行，適合于濃度降低對反應有利的場合,此種操作方式既能滿足A,B的比例要求，又能保持A, B在反應過程中的高濃度，對可逆反應尤為適合,2.半間歇反應器設計計算,液相、等溫反應A + B C 按（b）形式進行操作,V1,FVO,CAO,V,C,x,r,反應器內(nèi)瞬時物料體積隨時間變化關系為：V=V1+FV0t,在dt時間內(nèi)對A組分進行物料平衡， 由恒算式,加入量 - 反應消耗量 = 積累量,該式即可計算xA與t的關系。式中rA=f（xA）和V=f（t），比較復雜時難于求解析解，可寫成差分形式用數(shù)值法求解,寫成差分形式為,若nA1=0，則,寫成差分式為,例3-12在半連續(xù)操作反應器中進行一級不可逆等溫反應A+BC，rA=kCA，先在反應器內(nèi)加入500l物料B，含B8kmol，不含A。然后連續(xù)加入物料A，含A濃度為8mol/l，加入速度為10l/min。反應速度常數(shù)k=1.331