第三章-釜式反應(yīng)器

1、w第三章第三章 釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器本章重點(diǎn)w 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)）。 w 連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算 。 w 空時(shí)和空速的概念。 w 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)。 w 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。 w 連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式。釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器w 釜式反應(yīng)器可用于均相、多相反應(yīng)，且三種操作方式皆適用，因此釜式反應(yīng)器又被稱為萬(wàn)能反應(yīng)器。間歇操作間歇操作(batch reactor, BR)連續(xù)操作連續(xù)操作(continuous stirred tank reactor, CSTR) *反應(yīng)器內(nèi)物料溫度、濃度處處均一（攪拌器）反應(yīng)

2、器內(nèi)物料溫度、濃度處處均一（攪拌器）反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：w 選擇合適的反應(yīng)器類型選擇合適的反應(yīng)器類型w 確定最佳操作條件確定最佳操作條件w 計(jì)算完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積計(jì)算完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積（尺寸）（尺寸） 最終的目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)效益最大最終的目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)效益最大( (實(shí)際上不應(yīng)該實(shí)際上不應(yīng)該僅僅針對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)該包括整個(gè)過(guò)程僅僅針對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)該包括整個(gè)過(guò)程) )注意的問題w 首先要選擇控制體首先要選擇控制體1. 如果反應(yīng)器內(nèi)各處濃度均一，衡算的控制體選擇整個(gè)反如果反應(yīng)器內(nèi)各處濃度均一，衡算的控制體選擇整個(gè)反應(yīng)器。應(yīng)器。2. 如果反應(yīng)區(qū)內(nèi)存在兩個(gè)或兩

3、個(gè)以上相態(tài)，反應(yīng)體積內(nèi)各如果反應(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)各點(diǎn)的反應(yīng)物料組成未必相同，這時(shí)只能選擇微元體積作點(diǎn)的反應(yīng)物料組成未必相同，這時(shí)只能選擇微元體積作為控制體。為控制體。w 對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)，方程數(shù)大大增多對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)，方程數(shù)大大增多3.1釜式反應(yīng)器的物料衡算式特征：反應(yīng)器內(nèi)各處溫度特征：反應(yīng)器內(nèi)各處溫度和濃度均一和濃度均一,且與出口一致且與出口一致 dtCQi00dtQCidtVRi3.1釜式反應(yīng)器的物料衡算式 Mjjijir13.1釜式反應(yīng)器的物料衡算式連續(xù)釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器代代數(shù)數(shù)方方程程微微分分方方程程3.2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算特點(diǎn)特點(diǎn)u反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，可

4、排除傳質(zhì)的影響反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，可排除傳質(zhì)的影響u反應(yīng)器內(nèi)溫度處處相等，可排除傳熱的影響反應(yīng)器內(nèi)溫度處處相等，可排除傳熱的影響u物料同時(shí)加入，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間物料同時(shí)加入，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)u操作靈活，可適應(yīng)不同的操作條件與不同的產(chǎn)品，適操作靈活，可適應(yīng)不同的操作條件與不同的產(chǎn)品，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品缺點(diǎn)缺點(diǎn)u裝料、卸料等操作要耗費(fèi)一定時(shí)間裝料、卸料等操作要耗費(fèi)一定時(shí)間( (輔助時(shí)間輔助時(shí)間) )，產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定，操作相對(duì)復(fù)雜質(zhì)量不易穩(wěn)定，操作相對(duì)復(fù)雜3.2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算等溫間歇釜式反應(yīng)器

5、的計(jì)算 間歇操作的操作時(shí)間分成反應(yīng)時(shí)間、輔助時(shí)間間歇操作的操作時(shí)間分成反應(yīng)時(shí)間、輔助時(shí)間兩部分兩部分w反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間 t t 由開始反應(yīng)到停止反應(yīng)（達(dá)到生產(chǎn)要求時(shí)）由開始反應(yīng)到停止反應(yīng)（達(dá)到生產(chǎn)要求時(shí)）所經(jīng)歷的時(shí)間，設(shè)計(jì)反應(yīng)器的關(guān)鍵即為確定反應(yīng)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，設(shè)計(jì)反應(yīng)器的關(guān)鍵即為確定反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)一步根據(jù)產(chǎn)量確定反應(yīng)器的有效體積。間，進(jìn)一步根據(jù)產(chǎn)量確定反應(yīng)器的有效體積。w輔助時(shí)間輔助時(shí)間 t t0 0 操作時(shí)間中除去反應(yīng)時(shí)間之外的時(shí)間，包括操作時(shí)間中除去反應(yīng)時(shí)間之外的時(shí)間，包括裝料、卸料、加熱、冷卻和清洗等時(shí)間。裝料、卸料、加熱、冷卻和清洗等時(shí)間。3.2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算等溫間歇釜式反應(yīng)

6、器的計(jì)算AfAAAxxttxxt003.2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算對(duì)于單一反應(yīng)：對(duì)于單一反應(yīng)：)8 . 3(一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)非一級(jí)反應(yīng)非一級(jí)反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間相同相同 達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器大小無(wú)關(guān)，只取決于動(dòng)力學(xué)因素。大小無(wú)關(guān)，只取決于動(dòng)力學(xué)因素。 溫度越高，速率常數(shù)溫度越高，速率常數(shù) k 越大，則達(dá)到相同越大，則達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間 t 越短。越短。區(qū)別區(qū)別t 與與cA0無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)t 與與cA0有關(guān)有關(guān)101) 1(1)1 (AAfkcXtAfXkt11ln1例：在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：例：在等溫

7、間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯及氫氧該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為化鈉的濃度均為0.02 mol/L，反應(yīng)速率常數(shù)等于，反應(yīng)速率常數(shù)等于4.6 L/(mol min)。試求。試求乙酸乙酯乙酸乙酯轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到 80、90和和 95時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。解：解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH523523BA AfXAAAdXct00)( RAAAXXkc110得：得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，

8、t = 206.5minAfXAAAAXkcdXc02200)1 (3.2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算反應(yīng)時(shí)間 t輔助時(shí)間 t0反應(yīng)體積實(shí)際反應(yīng)器體積計(jì)算反應(yīng)器體積計(jì)算反應(yīng)器體積VrQ0為處理能力，指單位時(shí)間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積為處理能力，指單位時(shí)間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積f為裝填系數(shù)為裝填系數(shù)表表3.1 間歇釜式反應(yīng)器單一反應(yīng)結(jié)果間歇釜式反應(yīng)器單一反應(yīng)結(jié)果w 反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響表現(xiàn)為反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響表現(xiàn)為反應(yīng)級(jí)數(shù)以轉(zhuǎn)化率為目標(biāo)，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率需反應(yīng)時(shí)間以轉(zhuǎn)化率為目標(biāo)，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率需反應(yīng)時(shí)間 零級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間與初始濃度成正比零級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間與初始濃度成正比 一級(jí)反應(yīng)

9、，反應(yīng)時(shí)間與初始濃度無(wú)關(guān)一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間與初始濃度無(wú)關(guān) 二級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間與初始濃度成反比二級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間與初始濃度成反比w 導(dǎo)數(shù)導(dǎo)數(shù) 隨反應(yīng)時(shí)間變化不同：隨反應(yīng)時(shí)間變化不同： 零級(jí)反應(yīng)，成線性關(guān)系零級(jí)反應(yīng)，成線性關(guān)系 一級(jí)或二級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間增加則導(dǎo)數(shù)值下降，特一級(jí)或二級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間增加則導(dǎo)數(shù)值下降，特別是二級(jí)反應(yīng)，在反應(yīng)后期，增加反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的別是二級(jí)反應(yīng)，在反應(yīng)后期，增加反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率的提高不多。轉(zhuǎn)化率的提高不多。dtdxAw速率常數(shù)速率常數(shù)k k值的提高將導(dǎo)致相應(yīng)反應(yīng)時(shí)間減少值的提高將導(dǎo)致相應(yīng)反應(yīng)時(shí)間減少即提高反應(yīng)溫度將使反應(yīng)速率增加即提高反應(yīng)溫度將使反應(yīng)速率增加hrk

10、molAxMFAfRA23.1635. 08824120002412000030016.23 604.153/(1 2 1.35)1020/4.35AAFMmQhr3030030586.171835. 4102035. 135. 435. 1195.104635. 41020235. 420908. 36035. 4102035. 41mkmolMCmkmolMCCmkmolMCSSBBRAAw例例3.13.1 酯化反應(yīng)酯化反應(yīng), , 原料配比原料配比A:B:S=1:2:1.35, A:B:S=1:2:1.35, X XAfAf=0.35, =0.35, 密度密度1020kg/m3,1020k

11、g/m3,輔助時(shí)間輔助時(shí)間t t0 0=1hr,=1hr,裝填裝填系數(shù)系數(shù)f=0.75,f=0.75,產(chǎn)量產(chǎn)量12000kg/Day, 12000kg/Day, 求反應(yīng)體積求反應(yīng)體積? ?w解: 原料處理量原料處理量初始濃度初始濃度AfASSAfARAfABBAfAAxCCCxCCxCCCxCC000000)1 (),()(11ASRBAAxkKCCCCkrhrrdxCtAfxAAA9814. 100300384.12)(mttQVR35 .16/mfVVR對(duì)于反應(yīng)若要FR取最大值，則令FR對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)的值為零：)17. 3(只要滿足只要滿足(3.17)式，對(duì)應(yīng)的時(shí)間式，對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t 就是最

12、優(yōu)反應(yīng)時(shí)間。就是最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間。t0CR ttoptOptimal timetCRRR0dCCdttt RRfTCVataatA000)(1002dtdCataataCCVdtdARfRRRTaatatCdtdCfRR)(000afaa( a0 t0+af )CR ttoptOptimal timetCRRR0 0()/fdCCdtta taa3.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)）A物料衡算P物料衡算在均相恒容條件下： 0, 0,00QPAACCCCt時(shí)，3.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)）1 1 )(0)(212102212101tkkkkCkPAAQtkkkkCkPeCCCCeCA

13、AAAAxkkCCkkt1111lnln210213.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)）同理，對(duì)于多個(gè)平行反應(yīng)由于產(chǎn)物由于產(chǎn)物P是目的產(chǎn)是目的產(chǎn)物，希望物，希望k1k2。例3.2. 在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)3232/()20.5/()PAQAABPc kmolmhAQc kmolmh22222 0.52ApQAAAAcccc 將速率表達(dá)式代入等溫間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程式可有反應(yīng)開始時(shí)A和B的濃度均為2kmol/m3，目的產(chǎn)物為P，試計(jì)算反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)A的轉(zhuǎn)化率和P的收率。解：由題知0000002()()2211122AfAAAAAAAAXcAAAcAAccAAccAAAAcA

14、cAAdXdctcdcdcccccdccc上式積分結(jié)果為00(2)1ln2(2)AAAAcctcc將t=3h、cA0=2kmol/m3代入上式，可求組分A的濃度 因此，A的轉(zhuǎn)化率為 2(2)13ln24AAcc332.482 10/Ackmol m322.482 100.998899.88%2AX2222AAAAAAdcccccdt 上兩式相除可得分離變量進(jìn)行積分得112AApdccdc 下面求P的收率由題給的速率方程可知2ppAdcrcdtP的收率為011.38380.691969.19%2PpAcYc3312/22ln1.3838/12.482 10/2pckmol m代入數(shù)據(jù)得00012

15、1/22ln1/2PAAccAPcAApAdcdccccc QPAkk2100)(02121dtdnPRdtdnAPRdtdnARQPACkVCkCkVCkV0002121dtdCPdtdCAPdtdCAQPACkCkCkCk3.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（連串反應(yīng)）均相恒容初始條件：0, 0,00QPAACCCCt時(shí)，tkAAeCC10)35. 3(tktkAPeekkCkC122101)38. 3()39. 3(211200211kkekekCCCCCtktkAPAAQ代入方程積分積分的方程有3.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（連串反應(yīng)）以目的產(chǎn)物P的收率最大為優(yōu)化目標(biāo)可得最佳反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間

16、令：3.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（連串反應(yīng)）例例3.3 在間歇釜式反應(yīng)器中等溫下進(jìn)行下列反應(yīng)在間歇釜式反應(yīng)器中等溫下進(jìn)行下列反應(yīng)NH3 + CH3OH CH3NH2 + H2Ok1(A)(M)(B)CH3NH2 + CH3OH (CH3)2NH + H2Ok2(B)(M)MAcckr11MB22cckr k2/k1=0.68,計(jì)算一甲胺的最大收率和與其相應(yīng)的計(jì)算一甲胺的最大收率和與其相應(yīng)的氨轉(zhuǎn)化率。氨轉(zhuǎn)化率。(A)(B)3.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（連串反應(yīng)）解：氨的轉(zhuǎn)化速率為解：氨的轉(zhuǎn)化速率為MAAAcckdtdcr11)(R一甲胺的生成速率為一甲胺的生成速率為MBMABBcckcckd

17、tdcrr2121R 112ABABcckkdcdcBABAAAYccXcc00 ),1 ()1 (112ABABXkYkdXdY0 , 0BAYX初始條件: )1 ()1(/1112/12AkkABXXkkY3.3等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（連串反應(yīng)）因?yàn)楫?dāng)YBYBmax時(shí)0ABdXdY )1 ()1(/1112/12AkkABXXkkY)1/(12112)/(1kkAkkX7004. 0)68. 0/1 (1)168. 0/(1AX已知條件 k2/k1=0.684406. 07004. 01 ()7004. 0168. 01168. 0max,BY實(shí)際上第二個(gè)反應(yīng)生成的二甲胺還可和甲醇反應(yīng)實(shí)

18、際上第二個(gè)反應(yīng)生成的二甲胺還可和甲醇反應(yīng)生成三甲胺，若考慮這個(gè)反應(yīng)，對(duì)上述一甲胺的生成三甲胺，若考慮這個(gè)反應(yīng)，對(duì)上述一甲胺的最大收率是否有影響，試分析原因？最大收率是否有影響，試分析原因？3.4連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積Continuous Stir Tank Reactor 間歇釜式反應(yīng)器：各參數(shù)隨時(shí)間變化，一次裝卸料；間歇釜式反應(yīng)器：各參數(shù)隨時(shí)間變化，一次裝卸料；連續(xù)釜式反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器：穩(wěn)態(tài)（：穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）操作，有進(jìn)有出。定態(tài)）操作，有進(jìn)有出。一、連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)：一、連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)：反應(yīng)器的參數(shù)不隨時(shí)間變化反應(yīng)器的參數(shù)不隨時(shí)間變化;不存在時(shí)間自變量，也沒有空間自變量不存在時(shí)

19、間自變量，也沒有空間自變量;多用于液相反應(yīng)，恒容操作多用于液相反應(yīng)，恒容操作;出口處的出口處的C, T= 反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)器內(nèi)的C, T 。3.4連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積對(duì)穩(wěn)態(tài)操作，有：對(duì)穩(wěn)態(tài)操作，有：0dtdni 單一反應(yīng)AAArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV Continuous Stir Tank Reactor w反應(yīng)器內(nèi)C C、T T 恒定，不隨時(shí)間變化，也不隨位置變化。所以其內(nèi)的 A A 在各點(diǎn)處相同，也不隨時(shí)間變化 等速反應(yīng)器。w當(dāng)同時(shí)進(jìn)行多個(gè)反應(yīng)時(shí)，只要進(jìn)出口組成和Q Q0 0已知，就可以針對(duì)一個(gè)組分求出反應(yīng)體積V Vr r（如上式

20、所示）。空時(shí)、空速空時(shí)、空速進(jìn)料體積流量反應(yīng)體積0QVr空時(shí)（因次：時(shí)間）rAArVcFVQ0001空速-1:時(shí)間因次 空速的意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位反應(yīng)體積所處理的物料量?？账俚囊饬x：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位反應(yīng)體積所處理的物料量。 空速越大，反應(yīng)器的原料處理能力越大?？账僭酱?，反應(yīng)器的原料處理能力越大。工業(yè)上有許多不同的空速定義，使用時(shí)注意只針對(duì)連續(xù)反應(yīng)器而言。只針對(duì)連續(xù)反應(yīng)器而言。3.4.2 等溫連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)）等溫連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)） 平行反平行反應(yīng)應(yīng)（主反應(yīng)）（主反應(yīng)）（副反應(yīng)）（副反應(yīng)）PAQAAPckr1AQckr2AAfArckkXcQV)(2100AprckcQV1

21、0Vr、XA、YP三者關(guān)系三者關(guān)系3.4.2 等溫連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)）等溫連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)） 連串反應(yīng)連串反應(yīng)QPAkk21AAfArckXcQV100pAprckckcQV210Vr、XA、YP三者關(guān)系三者關(guān)系例3.4 使用CSTR生產(chǎn)乙酸乙酯, 條件同例3.1求：計(jì)算反應(yīng)器的有效體積？乙酸的轉(zhuǎn)化速率將出口轉(zhuǎn)化率0.35代入反應(yīng)器體積間歇操作整體的反應(yīng)速率較CSTR要快CSTR沒有輔助操作時(shí)間 3030030586.17195.100908. 3mkmolCmkmolCCmkmolCSBRAmin410331076. 492. 2908. 3kmolmmkmolkK

22、Q/ )()(000000001KxCCxCCxCCxCCkrAASAARAABAAAA)/(3871. 03hmkmolrAf33871. 035. 0908. 3155. 468.1400mVAffAArxCQR例3.5 使用CSTR生產(chǎn)乙酸乙酯, 條件同例3.2求：空時(shí)為3小時(shí)，A的轉(zhuǎn)化率和P的收率？解：由A和P的物料衡算將空時(shí)和初始濃度代入上兩式，聯(lián)立求解CA=0.2573kmol/m3(負(fù)根舍去)，相應(yīng)轉(zhuǎn)化率為P的濃度為收率為2002AAAARCCCCQVAPRCCQV2002722AACC8714. 0Afx3/544. 12573. 0322mkmolCCAP772. 0/0AP

23、PCCY等溫等溫CSTR 的計(jì)算的計(jì)算例題3.4 和例題3.5 思考：針對(duì)于一正級(jí)數(shù)的反應(yīng)，如果不考慮間歇操作時(shí)的輔助時(shí)間，同時(shí)當(dāng)連續(xù)操作時(shí)的空時(shí)與間歇操作時(shí)的操作時(shí)間相等時(shí)，哪種操作的轉(zhuǎn)化率高？Why?3.5 CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)的串聯(lián)與并聯(lián) 思考：思考： 1.用一個(gè)大反應(yīng)器好還是幾個(gè)小反應(yīng)器好？用一個(gè)大反應(yīng)器好還是幾個(gè)小反應(yīng)器好？ 2.若幾個(gè)小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好若幾個(gè)小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好 ？ 3.若幾個(gè)小反應(yīng)器，則各釜的體積是多少？若幾個(gè)小反應(yīng)器，則各釜的體積是多少？CSTR的的串串聯(lián)聯(lián)與與并并聯(lián)聯(lián) 1/(-RA）XA0XA1XA2ABDEFHK1/(-RA）XA0XA1X

24、A2GMNEFHP正常動(dòng)力學(xué)正常動(dòng)力學(xué)反常動(dòng)力學(xué)反常動(dòng)力學(xué)CSTR反應(yīng)體積幾何圖示反應(yīng)體積幾何圖示)(-)-X(XCQ)(-)-C(CQVAAAfAAAAr000003.5對(duì)于正常動(dòng)力學(xué)，多釜串聯(lián)有利；對(duì)于反常動(dòng)力學(xué)，則使對(duì)于正常動(dòng)力學(xué)，多釜串聯(lián)有利；對(duì)于反常動(dòng)力學(xué)，則使用單釜有利，如使用多釜，采用并聯(lián)的方式。用單釜有利，如使用多釜，采用并聯(lián)的方式。BR正常動(dòng)力學(xué)正常動(dòng)力學(xué)反常動(dòng)力學(xué)反常動(dòng)力學(xué)反應(yīng)體積幾何圖示反應(yīng)體積幾何圖示1/(-RA）XA0XA1XA2AB1/(-RA）XA0XA1XA2GMNEFHP對(duì)比間歇釜式反應(yīng)器對(duì)比間歇釜式反應(yīng)器3.5 CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)的串聯(lián)與并聯(lián) 1.正常動(dòng)力

25、學(xué)，轉(zhuǎn)化速率隨轉(zhuǎn)化率增加而降低，多釜串聯(lián) 優(yōu)于單釜操作，總反應(yīng)體積??；2.反常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率隨轉(zhuǎn)化率增加而增加，單釜操作 優(yōu)于多釜串聯(lián)，總反應(yīng)體積??；單釜過(guò)大，難于加工時(shí)，需要用若干小釜。對(duì)于單釜過(guò)大，難于加工時(shí)，需要用若干小釜。對(duì)于具有正常動(dòng)力學(xué)的反應(yīng)采用串聯(lián)方式；反常動(dòng)力具有正常動(dòng)力學(xué)的反應(yīng)采用串聯(lián)方式；反常動(dòng)力學(xué)，則應(yīng)各釜單獨(dú)操作，即采用并聯(lián)方式。學(xué)，則應(yīng)各釜單獨(dú)操作，即采用并聯(lián)方式。3.CSTR與BR比較呢？ 轉(zhuǎn)化速率-RA隨轉(zhuǎn)化率存在極值點(diǎn)單釜，面積OACD第一釜，面積OGFE第二釜，面積EBCD雙釜串聯(lián)，總面積OGFE+EBCD1從小釜大釜排列最優(yōu)；01從大釜小釜排列最優(yōu)=1釜體

26、積相等時(shí)最優(yōu)=0rA與與CA無(wú)關(guān),多釜串聯(lián)沒有必要多釜串聯(lián)多釜串聯(lián)單單CSTR 當(dāng)當(dāng)S隨隨XA增加而單調(diào)下降時(shí)增加而單調(diào)下降時(shí)AfXA間PfSdX)(Y0Aff連pfXS)(Y3.6 釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性XASADBEF0HXAfGM當(dāng)當(dāng)S隨隨XA增加而單調(diào)上升時(shí)增加而單調(diào)上升時(shí)達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率下的收率：達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率下的收率：間歇釜間歇釜多釜串聯(lián)多釜串聯(lián)2 12 的反應(yīng)12121211)(BAQppAppAcckkrrrSRRB) 多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入連續(xù)操作A和B濃度均較高適合1 2 12 的反應(yīng)12121211)(BAQppApp

27、AcckkrrrSRRC) 多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,小釜在前連續(xù)操作A和B濃度均較高適合1 2 12的反應(yīng)12121211)(BAQppAppAcckkrrrSRRD) 間歇釜,A一次加入,B連續(xù)加入半連續(xù)操作A間歇操作, B連續(xù)操作A濃度高和B濃度低適合12 12 的反應(yīng)12121211)(BAQppAppAcckkrrrSRRE) 多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,大釜在前連續(xù)操作A和B濃度均較低適合12 12 12 12的反應(yīng)關(guān)于操作溫度w 要得到較高的生產(chǎn)強(qiáng)度，反應(yīng)需在高溫下進(jìn)行。w 當(dāng)E E2 2EEE1 1時(shí)，雖然低溫有利于提高選擇性，但應(yīng)盡可能使反應(yīng)在較高溫度下進(jìn)行，實(shí)

28、際上存在一個(gè)最佳溫度值。w 對(duì)于連續(xù)釜式反應(yīng)器，在此溫度下操作可使目的產(chǎn)物的產(chǎn)量最大；w 間歇釜式反應(yīng)器則存在最佳溫度序列，在不同的反應(yīng)時(shí)刻，應(yīng)保持不同的操作溫度。3.6 釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性例例3.8 以純以純A為原料在連續(xù)釜式反應(yīng)器中生產(chǎn)為原料在連續(xù)釜式反應(yīng)器中生產(chǎn)P，反應(yīng)為反應(yīng)為空時(shí)為空時(shí)為1h，問在什么溫度下操作，問在什么溫度下操作P的收率最大？的收率最大？解：列組分解：列組分A和和P的物料衡算式如下的物料衡算式如下UPAArrrccQV00PPrcPAPAAArYc cXccQV000, )1 (,/141000 = E104.368

29、= A41800 = E103.533 = A252118121AUAPCkrUACkrPA3.6 釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性)1)(21AAXkkX)1 (1APXkY)(1211kkkYP2212112)(1)1 (kkdTdkkdTdkkdTdYP0dTdYP 0)1 (2112dTdkkdTdkk211111)exp(RTEkRTEAdTddTdk2222RTEkdTdk2212)1 (EkEk3.6 釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性 ) 1(ln1222EEARET)/exp(222RTEAk最佳操作溫度與

30、空時(shí)有關(guān)代入數(shù)據(jù)得：T=389.3K在等溫間歇反應(yīng)器中，可以得到最佳反應(yīng)時(shí)間 和目的產(chǎn)物P的最佳收率：QPA21kk kk .e)Y ktkk )kk()Y kk)kk(tPoptkkkPopt)(36801(1)(ln21max12121max21211223.6.3 連串反應(yīng) 假設(shè)如下的連串反應(yīng)均為一級(jí)，假設(shè)如下的連串反應(yīng)均為一級(jí)，P P為目的產(chǎn)物為目的產(chǎn)物 kkkCCYApp211011在連續(xù)釜式反應(yīng)器進(jìn)行上述連串反應(yīng)，最佳空時(shí)（不是反應(yīng)在連續(xù)釜式反應(yīng)器進(jìn)行上述連串反應(yīng)，最佳空時(shí)（不是反應(yīng)時(shí)間）和最佳收率又怎樣？時(shí)間）和最佳收率又怎樣？首先根據(jù)物料衡算式，有首先根據(jù)物料衡算式，有kkCk

31、kCkCC-kCkCC-kCk)-(CQVkCCdVCk-CCQVAAppAppAprAAAAAr2101212121010100111010得到：得到：)k(k k1)k(k kk10ddY211opt2121optp令)k(k 0.25 41)Y()k(k )kk(k)Y(21maxp212211maxp最佳收率為：最佳收率為：3.6 釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性釜式反應(yīng)器中連串反應(yīng)的中間目的產(chǎn)物的最佳收率問題BRCSTR21kk 21kk 21kk 21kk optt或opttmax)(PY2121)/ln(kkkk)/(21122)/(kkkkk

32、11 ke/1 25. 0 121kk )(2211kkk11 k*對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，則有：對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，則有： 2121211 1ln11112kk-X-XYk , k-X-X-kkkYAApA/kkAp間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器性能的差別見下圖間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器性能的差別見下圖 )X(kXCCkCCCkCCAAAAAAAAA11101010目的產(chǎn)物收率與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系可以表示為： )X(kXk)X(XkCCYAAAAAPp111210*對(duì)于對(duì)于CSTR：3.6 釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性釜式反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率與收率的關(guān)系圖釜式反應(yīng)

33、器的轉(zhuǎn)化率與收率的關(guān)系圖YPXABRCSTRk2/k1=1010.11. 轉(zhuǎn)化率相同，轉(zhuǎn)化率相同，BR的收的收率大于率大于CSTR2. k2/k1越小，差異越大越小，差異越大3. 都存在極大值都存在極大值4. 收率隨收率隨k2/k1越小越小而增大而增大應(yīng)該注意的問題w 可以通過(guò)改變操作溫度的辦法來(lái)改變k k2 2/k/k1 1 的相對(duì)大小，但無(wú)論E E2 2和E E1 1相對(duì)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)強(qiáng)度。w 可以使用催化劑來(lái)改變k k2 2/k/k1 1。 w 當(dāng)然，如果Q是目的產(chǎn)物，問題就簡(jiǎn)單多了。采用反應(yīng)時(shí)間t、空時(shí)的辦法即可。 例3.9 在連續(xù)釜式反應(yīng)器中等溫

34、進(jìn)行下列反應(yīng),反應(yīng)均為一級(jí),反應(yīng)溫度下k2/k1=0.68,試計(jì)算一甲胺的最大收率和與其相應(yīng)的氨轉(zhuǎn)化率?解: BABAAAMBMABMAABBAAARYCCxCCCCkCCkrrrCCkrrrCrCCQV0021211100)1 ()(A)41(BB將B1B4代入A式中, 整理方程對(duì)xA求導(dǎo), 并令得到方程D, 并解出將結(jié)果代入C中求出AAABxkkxxY) 1/(1)1 (12)(C0ABdxdY548. 0Ax012) 1/(212AAxxkk)(D)(4406. 03004. 0,間歇釜optBY參見: 例3.9.nb 例3.3.nb3.7 3.7 半間歇釜式反應(yīng)器半間歇釜式反應(yīng)器應(yīng)用場(chǎng)

35、合應(yīng)用場(chǎng)合:w 濃度濃度: 要求一種反應(yīng)物濃度高要求一種反應(yīng)物濃度高,一種反應(yīng)物濃度低一種反應(yīng)物濃度低w 控溫控溫: 強(qiáng)放熱反應(yīng)強(qiáng)放熱反應(yīng), 調(diào)節(jié)加料速度以控制反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)加料速度以控制反應(yīng)溫度w 產(chǎn)物分布產(chǎn)物分布: 可逆反應(yīng)可逆反應(yīng), 不斷移走產(chǎn)物不斷移走產(chǎn)物反應(yīng)精餾反應(yīng)精餾特點(diǎn)特點(diǎn): 反應(yīng)器中物料濃度隨時(shí)間變化反應(yīng)器中物料濃度隨時(shí)間變化, 通過(guò)對(duì)組分作物料通過(guò)對(duì)組分作物料衡算可獲得設(shè)計(jì)方程衡算可獲得設(shè)計(jì)方程, 由于有物料連續(xù)加入或取出由于有物料連續(xù)加入或取出,反反應(yīng)體積是變化的應(yīng)體積是變化的, 非恒容過(guò)程非恒容過(guò)程w 特點(diǎn)：半間歇操作反應(yīng)物系組成隨時(shí)間而變。特點(diǎn)：半間歇操作反應(yīng)物系組成隨時(shí)

36、間而變。BAACCkrA + B R,BV0VcA0Q0cAQ液相反應(yīng)：條件：先注入條件：先注入V0的的B，后連續(xù)加，后連續(xù)加A，流量，流量Q0，濃度為濃度為CA0，出料，出料Q=0 ()00RAd V CAAARdtQ CQCV000()AAARABRRAQ C dtQC dtV dtkC C V dtd V C輸入輸出反應(yīng)累積)69. 3()00()0RAd V CBRAAdtkC V CQ C)71. 3(反應(yīng)體積若B大大過(guò)量, B的濃度可認(rèn)為不變, 初始不含A00000()tRRRVVQQ dtVQ t 恒速加料)72. 3(00000011(/)1(/)BBBkC tARABkC t

37、ABRkC tBRBRQ CV CekCeCkCtVQkCeCkCtVQcA/cA0cp/cA0或t/hcR/cA0cA/cA03.8 變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇釜式反應(yīng)器問題提出問題提出： （沒有體積功）（沒有體積功）n 間歇釜難以做到等溫操作，熱效應(yīng)小時(shí)，可近似等溫，熱效應(yīng)大時(shí)，難做到；間歇釜難以做到等溫操作，熱效應(yīng)小時(shí)，可近似等溫，熱效應(yīng)大時(shí)，難做到；n 溫度影響生產(chǎn)強(qiáng)度，有時(shí)變溫的效果更好。對(duì)于封閉物系，如不考慮軸功則有：溫度影響生產(chǎn)強(qiáng)度，有時(shí)變溫的效果更好。對(duì)于封閉物系，如不考慮軸功則有：使用使用 更為方便，即：物系與環(huán)境交換的熱量等于系統(tǒng)的焓變。更為方便，即：物系與環(huán)境交換的熱量等

38、于系統(tǒng)的焓變。選擇衡算的控制體為整個(gè)反應(yīng)器。選擇衡算的控制體為整個(gè)反應(yīng)器。dt 時(shí)間內(nèi)，物系與外界交換熱量為時(shí)間內(nèi)，物系與外界交換熱量為dq，焓變?yōu)殪首優(yōu)閐H；在；在 t 時(shí)刻，溫度為時(shí)刻，溫度為T，而在，而在t+dt 時(shí)刻，溫度為時(shí)刻，溫度為T+dT。由于焓。由于焓變與過(guò)程無(wú)關(guān)，假定反應(yīng)在基準(zhǔn)溫度變與過(guò)程無(wú)關(guān)，假定反應(yīng)在基準(zhǔn)溫度Tr下進(jìn)行，則：下進(jìn)行，則： dHdUdqdHdq 注意：反應(yīng)熱是對(duì)關(guān)鍵組分A的反應(yīng)熱。與外界的熱交換為： dq=UAh（Tc-T）dt 式中，U為總傳熱系數(shù)，Ah傳熱面積，Tc為換熱介質(zhì)溫度。結(jié)合上面各式，有T)(TCmdTCmdHrpttTrTPtt1dt)V()

39、H(dHrATrr2)TdT(TCmdTCmdHrpttdTTTrPttr3T)(TUA)(V)H(dtdTCmchArTrpttr (dH ) (dq )TcT 向系統(tǒng)供熱；向系統(tǒng)供熱；TcP, rA=kCACB, 反應(yīng)在間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行. 首先將固體順丁烯二酸酐(A)加入釜內(nèi)用蒸汽加熱熔融, 其熔點(diǎn)為326K. 全部熔融后迅速加入已醇, 此時(shí)液體混合物中順丁烯二酸酐和已醇的濃度分別為4.55及5.34kmol/m3. 求:(1) t1=? 326K-(絕熱)-373K-(等溫)-373K xA=0. xA1 xAf=0.98(2) t2=? 373K-(等溫)-373K(3) 比較兩種

40、情況下的冷卻水用量及蒸汽用量.)/()/12628(1037. 1312skmolmTExpkMPaPKTKmkJCmolkJHSCPR405.07)/(1980/5.333解(1): 絕熱升溫,由3.84絕熱反應(yīng)時(shí)溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系:反應(yīng)速率方程:絕熱過(guò)程反應(yīng)溫度升高到373K時(shí)達(dá)到的轉(zhuǎn)化率為KCHCCVmHVnTPtrAPtrtrrA98.76)()/()(/(00AAPtrAxxCHCTT98.76326)(00000()( )(1)()AABAABAArkC Ck T CxCCx)(B6105. 098.7632637311AAxx絕熱過(guò)程反應(yīng)溫度升高到373K時(shí)需要的反應(yīng)時(shí)間在373

41、K等溫反應(yīng)時(shí)需要的反應(yīng)時(shí)間總反應(yīng)時(shí)間:1111000000001383.1623.053min()( )(1)()(32676.98)(1)()AAAxAAAxAABAAxAAABAAdxtCSecrdxk TxCCxdxkxxCCx代入(B)式112000886.9414.782min()(373)(1)()AfAAfAxAAxAxAxABAAdxtCSecrdxkxCCxmin835.3721ttt恒容時(shí)(3.8)式)(E)(G解(2) 在373K等溫反應(yīng)時(shí)需要的反應(yīng)時(shí)間,按G式計(jì)算00000984.22416.404min()(373)(1)()AfAfxAAAxAABAAdxtCSec

42、rdxkxCCx解(3) 按第一種方式反應(yīng), 先絕熱反應(yīng),后進(jìn)行等溫反應(yīng),式等溫反應(yīng)時(shí)放熱量為q1,需要的冷卻水量為Qc1,下面以1立方米反應(yīng)物料為基準(zhǔn)計(jì)算按第二種方式反應(yīng),等溫反應(yīng)時(shí)放熱量為q2,需要的冷卻水量為Qc2kJHxxCqrAAFA5 .563161000*5 .33*)6105. 098. 0(*55. 4*1)(*11103,1923. 11*7*186. 45 .56316122mTCqQOHCOHPCkJHxCqrAFA149377)0(*1203,2098. 5222mTCqQOHCOHPC6525. 2923. 1098. 512CCQQ需要的蒸汽量計(jì)算, 由于加熱到熔

43、點(diǎn)326K時(shí)需要的蒸汽量是相同的, 第二種方式會(huì)增加從326K加熱到373K的熱量q3,相應(yīng)的飽和蒸汽用量QH已知, 0.405MPa的飽和水蒸氣的冷凝熱為2136kJ/kg可見, 第二種方法反應(yīng)時(shí)間較少, 但需要增加冷卻水和加熱蒸汽用量.kJTTCqPt93060)326373(*1980*1)(*1301kgQqQH57.432136930603冷凝3.9 連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作CSTR內(nèi)的反應(yīng)物料溫度均勻一致，若為定態(tài)內(nèi)的反應(yīng)物料溫度均勻一致，若為定態(tài)操作，則反應(yīng)是在等溫下進(jìn)行的，若為非定態(tài)操作，則反應(yīng)是在等溫下進(jìn)行的，若為非定態(tài)操作，則屬變溫過(guò)程。但都不隨空間

44、而變。操作，則屬變溫過(guò)程。但都不隨空間而變。無(wú)論是定態(tài)還是非定態(tài)操作，反應(yīng)過(guò)程的溫度無(wú)論是定態(tài)還是非定態(tài)操作，反應(yīng)過(guò)程的溫度均需由反應(yīng)器的熱量衡算和物料衡算式來(lái)決定。均需由反應(yīng)器的熱量衡算和物料衡算式來(lái)決定。定態(tài)不唯一（定態(tài)穩(wěn)定性問題）定態(tài)不唯一（定態(tài)穩(wěn)定性問題）3.9 連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作3.9.1 連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式連續(xù)釜式反應(yīng)器是一個(gè)敝開物系流動(dòng)系統(tǒng)。在連續(xù)釜式反應(yīng)器是一個(gè)敝開物系流動(dòng)系統(tǒng)。在定態(tài)操作條件下，根據(jù)流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定態(tài)操作條件下，根據(jù)流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律，可以得到整個(gè)反應(yīng)體積的熱量衡算式定律，可以得到整個(gè)反應(yīng)體積的熱量衡算式 d H=d q H 系統(tǒng)的焓變，包括兩個(gè)部分系統(tǒng)的焓變，包括兩個(gè)部分 進(jìn)出料液的焓變進(jìn)出料液的焓變H1、H3 ； 化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)H2 qH H= H1 + H2 + H3我們可以以進(jìn)料溫度我們可以以進(jìn)料溫度T T0 0為基準(zhǔn)溫度下進(jìn)行，基準(zhǔn)溫度下進(jìn)行，則與間歇操作相同，可以得到則與間歇操作相同，可以得到CSTRCSTR的熱衡算式為的熱衡算式為)()()()(000TTUAVHTTCQchrATrptAArAXcQVR00)( )()()(0000TTUAXcHTTcQchAATrpt絕熱操作 U=0AptTrAAXCHXcTT0)(00p