理想流動反應(yīng)器endPPT精品文檔

1、1第3章 理想流動均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)理想反應(yīng)器間歇（攪拌）釜式反應(yīng)器（BSTR）全混流（連續(xù)攪拌釜式）反應(yīng)器（CSTR）平推流（活塞流）反應(yīng)器（PFR）1引引 言言 反應(yīng)器的開發(fā)設(shè)計(jì)，主要有三個任務(wù)：反應(yīng)器的開發(fā)設(shè)計(jì)，主要有三個任務(wù)： 1）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性，選擇合適的反應(yīng)器型式；）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性，選擇合適的反應(yīng)器型式； 2）結(jié)合動力學(xué)和反應(yīng)器兩方面特性，確定操作方式和）結(jié)合動力學(xué)和反應(yīng)器兩方面特性，確定操作方式和 優(yōu)化操作條件；優(yōu)化操作條件； 3）根據(jù)給定的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定反應(yīng)器的幾）根據(jù)給定的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定反應(yīng)器的幾 何尺寸并進(jìn)行評價。何尺寸并進(jìn)行評價。 本章

2、的目的：討論各類理想反應(yīng)器模型，理想反應(yīng)器的本章的目的：討論各類理想反應(yīng)器模型，理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)分析，討論復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)等溫及非等溫反應(yīng)器的選設(shè)計(jì)分析，討論復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)等溫及非等溫反應(yīng)器的選擇性和最佳化問題。擇性和最佳化問題。13.1.1 反應(yīng)器的分類反應(yīng)器的分類本質(zhì)上講，反應(yīng)器的類型不會影響化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，但不同類型的反應(yīng)本質(zhì)上講，反應(yīng)器的類型不會影響化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，但不同類型的反應(yīng)器，物料在其中的流動情況不同，物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動必然引起物料器，物料在其中的流動情況不同，物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動必然引起物料之間的混合。之間的混合。 簡單混合：簡單混合：若相互混合的兩部分物料在相同時間進(jìn)若相互混合

3、的兩部分物料在相同時間進(jìn)入反應(yīng)器，則這兩部分物料的組成是相同的，混合入反應(yīng)器，則這兩部分物料的組成是相同的，混合后形成的新物料其組成必然與原物料的組成相同，后形成的新物料其組成必然與原物料的組成相同，這種混合稱簡單混合。這種混合稱簡單混合。 返混：返混：若處于不同進(jìn)料時間的兩股物料之間發(fā)生混若處于不同進(jìn)料時間的兩股物料之間發(fā)生混合，兩者的組成不同，混合后形成的新物料其組成合，兩者的組成不同，混合后形成的新物料其組成與原物料的組成不同，化學(xué)反應(yīng)的速率亦隨之變化與原物料的組成不同，化學(xué)反應(yīng)的速率亦隨之變化，這種混合稱為返混。，這種混合稱為返混。13.1.1 反應(yīng)器的分類反應(yīng)器的分類 反應(yīng)器：發(fā)生化

4、學(xué)反應(yīng)過程的裝置反應(yīng)器：發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程的裝置 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的要求，反應(yīng)器的形式和操作根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的要求，反應(yīng)器的形式和操作方式有很大差異，在反應(yīng)器的分類上也存在方式有很大差異，在反應(yīng)器的分類上也存在不同的方案。不同的方案。從反應(yīng)器的外形：管式、釜式、塔式、列管式換熱反應(yīng)器等從反應(yīng)器的外形：管式、釜式、塔式、列管式換熱反應(yīng)器等從操作方式：間歇、半間歇半連續(xù)、連續(xù)操作反應(yīng)器從操作方式：間歇、半間歇半連續(xù)、連續(xù)操作反應(yīng)器從物料受熱情況：等溫、非等溫、絕熱反應(yīng)器等從物料受熱情況：等溫、非等溫、絕熱反應(yīng)器等13.1.1 反應(yīng)器的分類反應(yīng)器的分類根據(jù)返混情況，反應(yīng)器又可分為：根據(jù)返混情況，反應(yīng)器又可分為

5、： 1）間歇反應(yīng)器：簡單混合，不返混反應(yīng)器）間歇反應(yīng)器：簡單混合，不返混反應(yīng)器 2）活塞流反應(yīng)器：徑向簡單混合、軸向無返混）活塞流反應(yīng)器：徑向簡單混合、軸向無返混 3）全混流反應(yīng)器：最大返混）全混流反應(yīng)器：最大返混 4）非理想反應(yīng)器：一定程度返混）非理想反應(yīng)器：一定程度返混1反應(yīng)器選型、反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)器中的反應(yīng)器中的流動狀況影流動狀況影響反應(yīng)結(jié)果響反應(yīng)結(jié)果數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型模型流動流動模型模型對實(shí)際過程對實(shí)際過程的簡化的簡化理想理想模型模型非理想非理想模型模型第一節(jié)第一節(jié) 流動模型概述流動模型概述建立模型的建立模型的基本方法基本方法理想氣體理想氣體狀態(tài)方程狀態(tài)方程1間歇反應(yīng)器間

6、歇反應(yīng)器平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動反應(yīng)器連續(xù)流動反應(yīng)器完全沒有返混完全沒有返混返混極大返混極大(a)(b)(c)1間歇攪拌反應(yīng)器間歇攪拌反應(yīng)器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)特點(diǎn)特點(diǎn): 1 1 由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響；響； 2 2 具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題；的

7、熱量傳遞問題； 3 3 物料同時加入并同時停止反應(yīng)，物料同時加入并同時停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時間。所有物料具有相同的反應(yīng)時間。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 操作靈活，適用于小批量、多品種、操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn) 精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定 1BSTR結(jié)構(gòu)特點(diǎn)釜式結(jié)構(gòu)電動機(jī)減速箱夾套排料口疏水閥槳葉攪拌軸測溫管檔版固體進(jìn)料液體進(jìn)料加熱蒸氣入口1 平推流反應(yīng)器 Piston Flow Reactor (PFR)連續(xù)定態(tài)下，各個截面上的各種參數(shù)只是位

8、置的函數(shù)，不隨時間而變化；徑向速度均勻，徑向也不存在濃度分布；反應(yīng)物料具有相同的停留時間。1 全混流反應(yīng)器 Cont inued Stirred Tank Reactor (CSTR)連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器 或理想混合反應(yīng)器或理想混合反應(yīng)器假設(shè)假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物料器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混合。全混合。特點(diǎn)：特點(diǎn)：反應(yīng)器中所有空間位置的物料反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出口處的物料

9、性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時間參差不齊，有的很長，中的停留時間參差不齊，有的很長，有的很短，形成一個停留時間分布。有的很短，形成一個停留時間分布。1第一節(jié) 流動模型概述反應(yīng)器中流體的流動模型反應(yīng)器中流體的流動模型物料質(zhì)點(diǎn)、年齡、壽命及其返混物料質(zhì)點(diǎn)、年齡、壽命及其返混物料質(zhì)點(diǎn) 物料質(zhì)點(diǎn)是指代表物料特性的微團(tuán)。物料由無數(shù)個質(zhì)點(diǎn)組成。年齡反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時間；反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時間；是對仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。是對仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。1壽命反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時間；反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入

10、反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時間；是對已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。是對已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。 返混返混：又稱逆向返混，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。又稱逆向返混，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。是時間概念上的混合是時間概念上的混合在流動反應(yīng)器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)混合在一起，所以有返混。1 返混的原因（1）機(jī)械攪拌引起物料質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向和主體流動方向相反，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)混合在一起；（2）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)造成物料流速不均勻，例如死角、分布器等。造成返混的各種因素統(tǒng)稱為工程因素。 在流動反應(yīng)器中，不可避免的存在工程因素，而且?guī)в须S機(jī)性。 在流動反應(yīng)器中都存在著返混，只是返混程度有

11、所不同而已。1 BSTR PFR CSTR1投料投料 一次加料一次加料(起始起始) 連續(xù)加料連續(xù)加料(入口入口) 連續(xù)加料連續(xù)加料(入口入口)2年齡年齡 年齡相同年齡相同(某時某時) 年齡相同年齡相同(某處某處) 年齡不同年齡不同3壽命壽命 壽命相同壽命相同(中止中止) 壽命相同壽命相同(出口出口) 壽命不同壽命不同(出口出口)4返混返混 全無返混全無返混 全無返混全無返混 返混極大返混極大反應(yīng)器特性分析反應(yīng)器特性分析 1濃度分布 - 推動力反應(yīng)器特性分析反應(yīng)器特性分析反應(yīng)推動力隨反應(yīng)推動力隨反應(yīng)時間逐漸反應(yīng)時間逐漸降低降低反應(yīng)推動力反應(yīng)推動力隨反應(yīng)器軸隨反應(yīng)器軸向長度逐漸向長度逐漸降低降低反

12、應(yīng)推動力反應(yīng)推動力不變，等于不變，等于出口處反應(yīng)出口處反應(yīng)推動力推動力1非理想流動模型非理想流動模型 實(shí)際反應(yīng)器存在著程度不一的工程因素，造成流動狀況不同程度的偏離理想流動，稱為非理想流動。1. 非理想流動模型在理想流動模型的基礎(chǔ)上考慮非理想因素的流動模型，稱為非理想流動模型。1 偏離平推流的情況非理想流動模型非理想流動模型 漩渦運(yùn)動：渦漩渦運(yùn)動：渦流、湍動、碰流、湍動、碰撞填料撞填料截面上流截面上流速不均勻速不均勻溝流、短路：填溝流、短路：填料或催化劑裝填料或催化劑裝填不均勻不均勻1非理想流動模型非理想流動模型 偏離全混流的情況死角死角短路短路攪拌造成攪拌造成的再循環(huán)的再循環(huán)1 流動狀況對化

13、學(xué)反應(yīng)的影響 - 由物料停留時間不同所造成由物料停留時間不同所造成非理想流動模型非理想流動模型 短路、溝流短路、溝流停留時間減少停留時間減少轉(zhuǎn)化率降低轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、死區(qū)、再循環(huán)再循環(huán)停留時停留時間過長間過長A+BP：有效反應(yīng)體積減少：有效反應(yīng)體積減少A+BPS 產(chǎn)物產(chǎn)物P減少減少 停留時間的不均停留時間的不均1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式選擇合適的反應(yīng)器型式 反應(yīng)動力學(xué)特性反應(yīng)動力學(xué)特性+ +反應(yīng)器的流動特征反應(yīng)器的流動特征+ +傳遞特性傳遞特性確定最佳的工藝條件確定最佳的工藝條件 最大反應(yīng)效果最大反應(yīng)效果+ +反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性反應(yīng)器

14、的操作穩(wěn)定性 進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率計(jì)算所需反應(yīng)器體積計(jì)算所需反應(yīng)器體積 規(guī)定任務(wù)規(guī)定任務(wù)+ +反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化11反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程物料衡算方程某組分流入量某組分流入量= =某組分流出量某組分流出量+ +某組分反應(yīng)消耗量某組分反應(yīng)消耗量+ +某組分累積量某組分累積量反應(yīng)消耗反應(yīng)消耗累積累積流入流入流出流出反應(yīng)單元反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)器反應(yīng)單元反應(yīng)單元流入量流入量流出量流出量反應(yīng)量反應(yīng)量累積量累積量間歇式間歇式整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長度微元長度

15、0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)1反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程熱量衡算方程帶入的熱焓帶入的熱焓= =帶出的熱焓帶出的熱焓+ +反應(yīng)熱反應(yīng)熱+ +熱量的累積熱量的累積+ +傳給環(huán)境的熱量傳給環(huán)境的熱量反應(yīng)熱反應(yīng)熱累積累積帶入帶入帶出帶出反應(yīng)單元反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)器反應(yīng)單元反應(yīng)單元帶入量帶入量帶出量帶出量反應(yīng)熱反應(yīng)熱累積量累積量間歇式間歇式整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長度微元長度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)傳給環(huán)境傳給環(huán)境1反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程動量衡算方程氣相流動反應(yīng)器的壓降大時，需

16、要考慮壓氣相流動反應(yīng)器的壓降大時，需要考慮壓降對反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動量衡算。但有降對反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動量衡算。但有時為了簡化計(jì)算，常采用估算法。時為了簡化計(jì)算，常采用估算法。1 間歇操作間歇操作 指物料一次投入反應(yīng)器，待反應(yīng)完成后，物料一次卸出的操作過程。 最常用最常用釜式釜式反應(yīng)器反應(yīng)器，主要結(jié)，主要結(jié)構(gòu)由筒體、攪拌構(gòu)由筒體、攪拌裝置、夾套組成。裝置、夾套組成。器內(nèi)還可以根據(jù)器內(nèi)還可以根據(jù)需要設(shè)置盤管。需要設(shè)置盤管。第二節(jié)第二節(jié) 理想流動反應(yīng)器理想流動反應(yīng)器1 間歇反應(yīng)器特點(diǎn)特點(diǎn): 1 1 由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)

17、器內(nèi)濃度處處相等，因而排除上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響；了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響； 2 2 具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題；慮器內(nèi)的熱量傳遞問題； 3 3 物料同時加入并同時停止反應(yīng)，所有物料具有相物料同時加入并同時停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時間。同的反應(yīng)時間。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn) 精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定：裝料、卸料

18、等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定1理想化條件理想化條件 反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)攪拌均勻； 反應(yīng)物料各參量只隨時間改變。如果是非理想工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器，則經(jīng)理想化后的濃度、溫度函數(shù)則為Designequation；),(tzyxfcA),(tzyxfT ；)(tfcA)(tfT 1間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述 對整個反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：對整個反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：)1 (00AAAAAAAxnndtdxndtdnVr流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量00單位時間內(nèi)反應(yīng)量單位時間內(nèi)反應(yīng)量 = = 單位時間內(nèi)消失量單位時間內(nèi)消失量AfAfxAAAxAAA

19、rdxCrdxVnt0000AAAfCCAAxAAArdCrdxCt000等容過程，液相反應(yīng)等容過程，液相反應(yīng)1間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述 實(shí)際操作時間實(shí)際操作時間=反應(yīng)時間反應(yīng)時間(t) + 輔助時間輔助時間 (t)反應(yīng)體積反應(yīng)體積V VR R是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積 V VR R=V(t+t=V(t+t) )1/rA xAt/CA01/rA CAt1圖解積分示意圖圖解積分示意圖t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA000AfxAAAdxtCr00AfxAAAdxtCr1反應(yīng)速率rA=kCArA=kCA2AACCkt0l

20、nAfxAAArdxCt00Axkt11ln011AACCktAAAxxktC10AACCAArdCt0間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)1反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n1AArkCArk2AArkCAnArkC0AACktlnC0AAktCC0AAktCx0ktAACC e1ktAxe 11Aktlnx011AAktCC011AAAxktCx0AACCkt0AAktxC001AAACCC kt001AAAktxCC kt1101()1nnAAktCCn11011 (1)nnAAxktnC ）（表表3 31 1 理想間歇反應(yīng)器中整級數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達(dá)式理想

21、間歇反應(yīng)器中整級數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達(dá)式1k k增大增大( (溫度升高）溫度升高）t t減少減少反應(yīng)體積減小反應(yīng)體積減小間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)2. 反應(yīng)濃度反應(yīng)濃度的影響的影響1. k的影響的影響零級反應(yīng)：零級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0正比正比一級反應(yīng)：一級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0無關(guān)無關(guān)二級反應(yīng)：二級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0反比反比3. 殘余濃度殘余濃度零級反應(yīng)：殘余濃度隨零級反應(yīng)：殘余濃度隨t t直線下降直線下降一級反應(yīng)：殘余濃度隨一級反應(yīng)：殘余濃度隨t t逐漸下降逐漸下降二級反應(yīng)：殘余濃度隨二級反應(yīng)：殘余濃度隨t t慢

22、慢下降慢慢下降反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機(jī)理的變化反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機(jī)理的變化1第三章 均相反應(yīng)過程 間歇反應(yīng)器所需的實(shí)際操作時間包括反應(yīng)時間間歇反應(yīng)器所需的實(shí)際操作時間包括反應(yīng)時間t 與輔助時間與輔助時間t0, t0包括加料、調(diào)溫、卸料、清洗等時間。則間歇反應(yīng)器的體積為：包括加料、調(diào)溫、卸料、清洗等時間。則間歇反應(yīng)器的體積為：式中，式中，v0為單位時間需要加工的物料量；為單位時間需要加工的物料量；為反應(yīng)器的裝料系數(shù)，為反應(yīng)器的裝料系數(shù)，一般在一般在0.650.85間。間。 /00ttvV1（3）BSTR一般設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例【例3-1】 在擬等溫間歇釜中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)CH2Cl-CH

23、2OH + NaHCO3 CH2OH-CH2OH + NaCl + CO2生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為 20kg/h 。以 15 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaHCO3水溶液及 30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的氯乙醇水溶液為原料，反應(yīng)釜裝料中氯乙醇和碳酸氫鈉的摩爾比為 1:1 ，混合液的相對密度為 1.02 。該反應(yīng)對氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級，在該反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)為：5.2 L / (molh) 。要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到 98% ，若輔助時間為 0.5 h，裝填系數(shù)取0.75 。試計(jì)算反應(yīng)釜的實(shí)際體積。1（3）BSTR一般設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例【問題思考】 （1）該反應(yīng)過程是等容還是變?nèi)葸^程？（2）該反應(yīng)是幾級反應(yīng)？（3）反應(yīng)級數(shù)與

24、速率常數(shù)單位有何聯(lián)系？（4）該物料體系是難發(fā)泡體系還是易發(fā)泡體系？（5）該反應(yīng)的動力學(xué)方程有幾種表達(dá)形式？（6）各反應(yīng)物的初始濃度是多少？1 根據(jù)動力學(xué)方程計(jì)算反應(yīng)時間：因氯乙醇的初始濃度為1.232 kmol /m3，所以2AAAkcdtdcr)1 (10AAAxcxkt)1 (0AAAxcc注意：)(649. 7)98. 01 (232. 198. 02 . 51)1 (10hxcxktAAA【設(shè)計(jì)計(jì)算步驟】（3）BSTR一般設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例1 查閱輔助時間計(jì)算每批次的操作時間，即 操作時間 根據(jù)物料處理量計(jì)算單位時間內(nèi)處理物料的體積量，即 計(jì)算反應(yīng)體積5 . 0649. 7)(tt)/(

25、2673. 0)/( 3 .26702. 1684.272)/(330hmhLhmWv)(178. 2)5 . 0649. 7(2673. 0)(30mttvVR（3）BSTR一般設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例1 根據(jù)物料特性確定裝料系數(shù) ，計(jì)算反應(yīng)器體積)(904. 275. 0178. 23mfVVRt對于沸騰或鼓泡的物料：6 . 04 . 0f對于不沸騰或不鼓泡的物料：85. 07 . 0f 對設(shè)備結(jié)構(gòu)如攪拌裝置進(jìn)行合理放大（化工原理）。 依據(jù)反應(yīng)物系的腐蝕性能、操作壓強(qiáng)的大小和環(huán)保要求，選用不同材質(zhì)的反應(yīng)器（設(shè)備與防腐）。作業(yè)：P61，T3-1.（3）BSTR一般設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例1（4）BSTR反應(yīng)

26、時間優(yōu)化 問題分析0tt 操作時間單位時間產(chǎn)量最優(yōu)操作時間0t不變；t延長；Ac降低Ar減??；ctoptt1 建立目標(biāo)函數(shù)0ttCVPRRR存在極值的必要條件：0)()(200ttcVdtdcttVdtdPRRRRR即:0ttcdtdcRR（最優(yōu)條件式）對于反應(yīng)：RA總操作時間最終總產(chǎn)量單位產(chǎn)量 （4）BSTR反應(yīng)時間優(yōu)化1ADMDttcdtdcRR0根據(jù) 確定 A 點(diǎn)，由A點(diǎn)作直線與曲線相切，得切點(diǎn)M，由M點(diǎn)作D點(diǎn)，由D點(diǎn)確定 最佳操作時間 。0tOAD0tRctMADMD鄰邊對邊斜率C圖解法優(yōu)化t)(tfcR（4）BSTR反應(yīng)時間優(yōu)化1 若以生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)，設(shè)單位時間內(nèi)操作費(fèi)用為 ，輔

27、助操作費(fèi)用為 ，固定費(fèi)用為 ，則單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費(fèi)用設(shè)為 ，則a0afaTA 注意：目標(biāo)函數(shù)不同，結(jié)果也不同RRfTcVataatA000dtdATaatatcdtdcfRR/)(00極值條件：（4）BSTR反應(yīng)時間優(yōu)化1OBEaataf/ )(00NFtRc圖解法優(yōu)化根據(jù) 確定 B 點(diǎn)，由B點(diǎn)作直線與曲線相切，得切點(diǎn)N，由N點(diǎn)坐標(biāo)確定 E ，從而確定最佳操作時間 t 。aataf/ )(00（4）BSTR反應(yīng)時間優(yōu)化同樣用圖解法確定最優(yōu)操作時間1第三章 均相反應(yīng)過程 1連續(xù)定態(tài)下，各個截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù)，不隨時間而變化；徑向速度均勻，徑向也不存在濃度分布；反應(yīng)物料具有相同的停留時

28、間。 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器一一. 特點(diǎn)：特點(diǎn)：10AcAfc0AxAfx軸向無混合，無返混；徑向達(dá)全混 均相管式反應(yīng)器內(nèi)物料的流動特點(diǎn)：均相管式反應(yīng)器內(nèi)物料的流動特點(diǎn)：與BSTR比較：相同于無返混；不同點(diǎn)于無混合且連續(xù)操作與CSTR比較：相同于連續(xù)操作；不同點(diǎn)于無混合，無返混13.3.1 一般設(shè)計(jì)方程一般設(shè)計(jì)方程流入量流入量 = = 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 流出量流出量 + + 累積量累積量RAAAAAAdVrdxxcxc)1 ()1 (0000微元法：微元法：在一不均勻體系中取一微小單元dVR作為衡算范圍，以建立微分方程的方法。1RAAAdVrdxCV00AfxAAARrdxCVV000二

29、二. 基本公式：基本公式：1. k與與xA的關(guān)系的關(guān)系等溫時等溫時k k為常數(shù)為常數(shù)2. V0與與xA的關(guān)系的關(guān)系等分子反應(yīng)？變分子反應(yīng)？等分子反應(yīng)？變分子反應(yīng)？3. 等容過程等容過程AfxAAARrdxCVV000與間歇反應(yīng)器的公式相同與間歇反應(yīng)器的公式相同1 等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算AfxAAARrdxCVV000)1 (0AAAxCCAfAfAxCCnAAnAnAARkCdCVxkCdxVV001000)1 (與BSTR一般方程比較： 在方程左邊存在空間時間與反應(yīng)時間的區(qū)別； 在方程右邊不存在任何差異。1 空時（空時（），平均停留時間），平均停留時間 ，反應(yīng)時間（，反

30、應(yīng)時間（t）間的區(qū)別）間的區(qū)別 對于返混為對于返混為0的反應(yīng)器，停留時間等于反應(yīng)時間的反應(yīng)器，停留時間等于反應(yīng)時間 對于返混不為對于返混不為0的反應(yīng)器，停留時間不等于反應(yīng)時間的反應(yīng)器，停留時間不等于反應(yīng)時間 對于平推流反應(yīng)器，平均停留時間等于反應(yīng)時間對于平推流反應(yīng)器，平均停留時間等于反應(yīng)時間 （恒容的時候兩者相等）（恒容的時候兩者相等） 即，空時，平均停留時間和反應(yīng)時間相同即，空時，平均停留時間和反應(yīng)時間相同Vt0V1 1. 比較恒容條件下進(jìn)行某一反應(yīng)，要達(dá)到同一轉(zhuǎn)化率，在間歇比較恒容條件下進(jìn)行某一反應(yīng)，要達(dá)到同一轉(zhuǎn)化率，在間歇 釜中經(jīng)歷的時間長，還是平推流？釜中經(jīng)歷的時間長，還是平推流？ 2

31、.比較恒容條件下進(jìn)行某一反應(yīng)，要在相同的反應(yīng)時間達(dá)到同比較恒容條件下進(jìn)行某一反應(yīng)，要在相同的反應(yīng)時間達(dá)到同 一轉(zhuǎn)化率，所一轉(zhuǎn)化率，所需的平推流反應(yīng)器體積大，還是間歇釜？需的平推流反應(yīng)器體積大，還是間歇釜？ （反應(yīng)器的處理能力）（反應(yīng)器的處理能力）AA0AA0CACACACAdCt()( r )dC()( r )恒 容 條 件 下 ，間 歇 釜平 推 流1反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率反應(yīng)器體積轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n1AArkCArk2AArkCAnArkC1kAfxe 0AfAkxC001AAAfC kxC k01111 1 (1)nAnAfxCkn 表表3 32 2 等溫等容平推流反應(yīng)器計(jì)算式等

32、溫等容平推流反應(yīng)器計(jì)算式00(1)(1)(1)1AAkfCkCASxeS eABArkC C000BAACCSC00RAAfVVCxk011RAfVVlnkx001RAfAAfVVxCkx（）001(1)(1)AfAAfRSxCSxVVlnSk111001 (1)(1)(1)nAfnARnAfVVk nxCx1 全混流反應(yīng)器 Cont inued Stirred Tank Reactor (CSTR)連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器 或理想混合反應(yīng)器或理想混合反應(yīng)器假設(shè)假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物料器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物

33、料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混合。全混合。特點(diǎn)：特點(diǎn)：反應(yīng)器中所有空間位置的物料反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時間參差不齊，有的很長，中的停留時間參差不齊，有的很長，有的很短，形成一個停留時間分布。有的很短，形成一個停留時間分布。連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)0AcAfcAfx0Ax1 連續(xù)操作連續(xù)操作 攪拌均勻攪拌均勻 溫度、濃度等既不隨時間

34、改溫度、濃度等既不隨時間改 變，也不隨空間位置點(diǎn)的改變，也不隨空間位置點(diǎn)的改 變。變。3.2 穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器操作特點(diǎn)操作特點(diǎn)（示意圖）0AcAfcfT0TAcT釜內(nèi)濃內(nèi)Ac釜內(nèi)溫度T;0AAccAfAcc ;0TT ;fTT 1全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量0RfAAfAAVrxCVCV)()1 (0000fAAfAfAAARrxCrCCVV)()(000fAAfARrxCVV)(00f

35、AAAfARrxxCVV)()(000進(jìn)口中已有產(chǎn)物進(jìn)口中已有產(chǎn)物（或者進(jìn)口轉(zhuǎn)化（或者進(jìn)口轉(zhuǎn)化率不為零）率不為零）1 衡算范圍：衡算范圍：V VR R 衡算對象：反應(yīng)物衡算對象：反應(yīng)物A A 輸入量：輸入量： FA0=V0CA0 輸出量：輸出量：FA 反應(yīng)量：反應(yīng)量：rAfVR 累積量：累積量：0根據(jù)物料衡算方程，得：根據(jù)物料衡算方程，得： 0AA0A0AA0A0AxVFCrC xVrAAAF xrV 整理得：或10000A000CVAAAAAfAAfAAAAfAfCCxVFrCrxCCrr或恒容條件下，全混流的設(shè)計(jì)方程恒容條件下，全混流的設(shè)計(jì)方程60全混釜一般設(shè)計(jì)方程討論動力學(xué)特征動力學(xué)特征

36、Ax0Afr1AfxAr1（全混釜）AffAAxrc)(10矩形面積矩形面積Ax0AfxAr1（間歇釜）AfxAAArdxct00梯形面積梯形面積反反應(yīng)應(yīng)時時間間空空間間時時間間梯梯形形面面積積矩矩形形面面積積1平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較1用全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙用全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為，其化學(xué)反應(yīng)式為(/)AABRSrk C CC CK原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度，反應(yīng)液的密度為為1020kg/m3，

37、并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在100下等下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時，時，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數(shù)），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時所需的反應(yīng)體積。時所需的反應(yīng)體積。3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)=例題：例題：1分析：分析：fVVR求RV求V00ttQVR0t已知求0Q和t0Qt設(shè)計(jì)方程已知1由于原料液中乙酸由于原料液中乙酸:乙醇乙醇:水水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為，當(dāng)乙酸為1kg時，加入的時，加入

38、的總原料為總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應(yīng)器的原料液量為由此可求單位時間需加入反應(yīng)器的原料液量為首先計(jì)算原料處理量首先計(jì)算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時乙酸需用量為乙酸需用量為1200016.23/88 24 0.35kmol h316.23 60 4.354.155(/ )1020mh其次計(jì)算原料液的起始組成。其次計(jì)算原料液的起始組成。0316.23/3.908/4.155/Amol hCmol Lmh通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和

39、水的起始濃度為醇和水的起始濃度為03.908 60 210.2(/ )46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/ )18SCmol L10000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArk abxcxC000000/1/1 1/BABASAaCCbCCCC KcK 將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。因?yàn)閷㈩}給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。因?yàn)榇胨俾史匠?，整理后得代入速率方程，整理后得式中式?0000322014.68()()AAfAAfRAfAfAfAV CxV CxVmrk abxcxC所以所以 1用間歇式反應(yīng)器進(jìn)行乙

40、酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙用間歇式反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為，其化學(xué)反應(yīng)式為(/)AABRSrk C CC CK原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度，反應(yīng)液的密度為為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在100下等下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時，時，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數(shù)），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時所需的反應(yīng)體積。時所需的反應(yīng)體積。

41、3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)=例題：例題：1由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應(yīng)器的原料液量為解：首先計(jì)算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時乙酸需用量為1200016.23/88 24 0.35kmol h316.23 60 4.354.155(/ )1020mh其次計(jì)算原料液的起始組成。0316.23/3.908/4.155/Amol hCmol Lmh通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始

42、濃度為03.908 60 210.2(/ )46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/ )18SCmol L10000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArk abxcxC然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。代入速率方程，整理后得代入到基本公式中式中 0000004/2.611/5.151 1/0.65754.76 10/()BABASAaCCbCCCC KcKkLmol min 2001AfxAAAAdxtkCabxcx得：t=118.8min30()4.155 (118.8/60 1.0)12.38RVV ttm

43、實(shí)際反應(yīng)器體積：12.38m3/0.7516.51m31用平推流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙用平推流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為，其化學(xué)反應(yīng)式為(/)AABRSrk C CC CK原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度，反應(yīng)液的密度為為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在100下等下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時，時，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數(shù)），平衡常數(shù)K=2.92。

44、試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時所需的反應(yīng)體積。時所需的反應(yīng)體積。3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)=例題：例題：1由于乙酸與乙醇的反應(yīng)為液相反應(yīng)，故可認(rèn)為是等容過程。等由于乙酸與乙醇的反應(yīng)為液相反應(yīng)，故可認(rèn)為是等容過程。等容下平推流反應(yīng)器的空時與條件相同的間歇反應(yīng)器反應(yīng)時間相容下平推流反應(yīng)器的空時與條件相同的間歇反應(yīng)器反應(yīng)時間相等，已求出達(dá)到題給要求所需的反應(yīng)時間為等，已求出達(dá)到題給要求所需的反應(yīng)時間為t=118.8min。改用平推流反應(yīng)器連續(xù)操作，如要達(dá)到同轉(zhuǎn)化率，要求應(yīng)使空改用平推流反應(yīng)器連續(xù)操作，如要達(dá)到同轉(zhuǎn)化率，要

45、求應(yīng)使空時時=t=118.8min。原料處理理為。原料處理理為V0=4.155m3/h因此，反應(yīng)體積因此，反應(yīng)體積VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3解：解：1例題中三種反應(yīng)器體積比較BSTR：VR 12.38m3 (實(shí)際體積為實(shí)際體積為16.51m3） PFR： VR8.227m3CSTR：VR14.68m3反應(yīng)器體積反應(yīng)器體積: BSTR CSTR PFR 間歇反應(yīng)器 平推流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器1例題 2-2：工廠采用間歇反應(yīng)器以硫酸為催化劑使已二酸工廠采用間歇反應(yīng)器以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在與已二醇以等摩爾比在70下進(jìn)行縮聚反應(yīng)生下進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹

46、脂，實(shí)驗(yàn)測得該反應(yīng)的速率方程式為：產(chǎn)醇酸樹脂，實(shí)驗(yàn)測得該反應(yīng)的速率方程式為： （-rA）=kCACB式中：式中：（-rA）-以已二酸組分計(jì)的反應(yīng)速率，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)，反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.L-1 CA0、CB0均為均為0.004 kmol.L-11求：求：已二酸的轉(zhuǎn)化率分別為已二酸的轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5、0.6、0.8所需的所需的反應(yīng)時間分別為多少？反應(yīng)時間分別為多少？若每天處理已二酸若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為，轉(zhuǎn)

47、化率為80%，每，每批操作的輔助時間為批操作的輔助時間為1小時，試計(jì)算確定反應(yīng)器小時，試計(jì)算確定反應(yīng)器的體積大小，裝填系數(shù)的體積大小，裝填系數(shù)=0.75，單釜生產(chǎn)。，單釜生產(chǎn)。1解：求達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率所需時間：計(jì)量方程式中， A、B的初始濃度相同，則反應(yīng)動力學(xué)方程可寫為： 由于反應(yīng)為液相等溫過程，故可按恒容處理，可將已知數(shù)據(jù)代入設(shè)計(jì)方程求解：1BA2AAkC)r(AA0Ax1xkC1t1 計(jì)算結(jié)果 xA=0.5 t=2.10h xA=0.6 t=3.18h xA=0.8 t=8.47h1反應(yīng)器體積的計(jì)算反應(yīng)器體積的計(jì)算VR=v(t+t0) FA0=2400/(24*146)=0.685kmol

48、/hv=0.685/0.004=171L/h生 產(chǎn) 周 期 = 反 應(yīng) 時 間 + 輔 助 時 間 = t + t0 =8.47+1=9.47h反應(yīng)有效體積： VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考慮裝填系數(shù)，則反應(yīng)器的實(shí)際體積： V=VR /=1619/0.75=2160L=2.16m300AACFv 1全混釜設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例3.2.2 簡單反應(yīng)單個全混釜設(shè)計(jì)【例3-2】P35， 過氧化異丙苯在全混流反應(yīng)器中分解生產(chǎn)苯酚和丙酮（AB+C），反應(yīng)溫度為50，初始過氧化異丙苯溶液濃度為3.2kmol/m3。該反應(yīng)為一級，反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)為810-3s-1，最終轉(zhuǎn)化率為98.

49、9%。若加料速率為10kmol/h，則需多大體積的全混流反應(yīng)器？若在一個體積為1m3的等溫間歇釜中進(jìn)行，輔助操作時間為30min，求苯酚的產(chǎn)量和處理10kmol/h過氧化異丙苯時的反應(yīng)體積？并與全混釜比較?！舅伎?23】 恒容過程？變?nèi)葸^程？ 求反應(yīng)器體積？反應(yīng)體積? 怎樣從設(shè)計(jì)方程到反應(yīng)體積？b.p=97.4；b.p=182；b.p=56.4878全混釜設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例【解】（1）CSTR 由分析可知，選用恒容過程設(shè)計(jì)方程求解 其中:fAAfARrxcV)(00)1 ()(0000AfAAfAfAAfARxkcxFrxcV;/100hkmolFA;989. 0Afx13108sk;/2 .

50、330mkmolcA)(756. 9)989. 01 (2 . 31083600989. 01033mVR79全混釜設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例（2）BSTR 間歇釜恒容過程設(shè)計(jì)方程(min)4 . 9989. 011ln81000)1 (1ln1Afxkt)(052. 2)304 . 9(2 . 36010)()(3000mttcFttVAAR)(000000AAAAcFcF80全混釜設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例（3）結(jié)果比較)(052. 2)(756. 93,3,mVmVBSTRRCSTRR（返混程度最大）（不存在返混現(xiàn)象） 體積比較： 產(chǎn)量比較：產(chǎn)量單位時間單位反應(yīng)體積的轉(zhuǎn)化量 CSTR： BSTR：)(014

51、. 1756. 9989. 0103100mhkmolVxcRAfA產(chǎn)量產(chǎn)量)(819. 4052. 2989. 0103100mhkmolVxcRAfA產(chǎn)產(chǎn)量量1【例3-3】 在一個全混流反應(yīng)器中，進(jìn)行下述平行反應(yīng)，RBADA )/(5 . 13hmkmolcrAR)/(0 . 33hmkmolcrAD rD 和 rR分別為產(chǎn)物D和R的生成速率，反應(yīng)用的原料為A 與B 的混合液，其中B的量足夠，A的初始濃度等于2kmol/m3，R為目的產(chǎn)物。（1）計(jì)算A轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時所需的空時；（2） A轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時，R的收率是多少？（3）若進(jìn)料體積流速為3m3/h，所需的體積至少多大？【思考123】

52、 B的量足夠說明什么？ A的消耗速率怎么表達(dá)？全混釜設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例1全混釜設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例【解】根據(jù)題意，建立A組分的平行反應(yīng)速率方程 （1）計(jì)算A轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時所需的空時將轉(zhuǎn)化率達(dá)95%代入，得)1 (5 . 4000AfAAfAAfAfAxcxcrccAfAfAfRfDfAfcccrrr5 . 45 . 10 . 3)(222. 4h（恒容過程）83全混釜設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例0ARfRccY（2）計(jì)算 A 轉(zhuǎn)化率達(dá) 95% 時 R 的收率，由收率定義知其中：將其代入定義式，得 （注意:產(chǎn)物 R 濃度的求解 ）000395. 05 . 15 . 4AAfAfAfARfAfAfARfRfccc

53、xcrrxcrc%67.31395. 00ARfRccY1全混釜設(shè)計(jì)方程應(yīng)用舉例（3）若進(jìn)料體積流速為3m3/h，所需的體積至少多大？ 根據(jù)空間時間定義式： 由前面的計(jì)算結(jié)果可知 題給數(shù)據(jù) 所以，所需的體積至少為0RV)(666.12222.4330mVR)(222. 4h)/(330hm1多級平推流反應(yīng)器的串聯(lián)多級平推流反應(yīng)器的串聯(lián)0V12in2RVRiVRnV0Ax1RV0AC1Ax2Ax1, iAxiAx,1,NAxANxiAiAxxAAAiRirdxCVV,1,00,).(.,1,2110021NANAAAAAxxAAxxAAxxAAAnrdxrdxrdxCNAAxxAAArdxC,0

54、0與單一平推流與單一平推流反應(yīng)器相同反應(yīng)器相同1多級全混流反應(yīng)器的串聯(lián)多級全混流反應(yīng)器的串聯(lián)全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率始終全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率始終處于出口反應(yīng)物濃度的低速率處于出口反應(yīng)物濃度的低速率狀態(tài)，采用多級全混流反應(yīng)器狀態(tài)，采用多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)后，可以降低返混影響的串聯(lián)后，可以降低返混影響的程度，提高反應(yīng)速率或減少反程度，提高反應(yīng)速率或減少反應(yīng)器體積。應(yīng)器體積。多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)級數(shù)越多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)級數(shù)越多，過程就越接近平推流反應(yīng)多，過程就越接近平推流反應(yīng)器，那么，是不是級數(shù)越多越器，那么，是不是級數(shù)越多越好呢？好呢？1iAiAiAiAiAiAAiRirCCrxxCVV)()(

55、)(,1,1,00,穩(wěn)態(tài)，定容穩(wěn)態(tài)，定容多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算(解析法解析法)一級反應(yīng)，一級反應(yīng)，m級反應(yīng)器串聯(lián)級反應(yīng)器串聯(lián)iAiAiAikCCC,1,iiAiAkCC111,)11(.11,1 ,2,01 ,0,miimAmAAAAAAmAkCCCCCCCC0,1AmAmACCx由于由于故故)11(11,NiimAkx1 具有相同或不相同體積的具有相同或不相同體積的N N個全混釜的串聯(lián)個全混釜的串聯(lián) 011111011101222112202333112233A 0A NN11111111+ k:CC1kAAAAAAAAAAACCVk CCCkCCCkkkCCC

56、kkk同 理 ：若 各 釜 容 積 和 溫 度 相 同1多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算mmAkx)11(1,m.21Amx各級反應(yīng)器體積相同時：各級反應(yīng)器體積相同時： 1)1 (11/1,mmAxk或或 1)1 (1/1,00,mmAiRRxkmVmVmVV反應(yīng)總體積反應(yīng)總體積可見，已知可見，已知 和最終轉(zhuǎn)化率和最終轉(zhuǎn)化率 ，可求出每級反應(yīng)釜體積。，可求出每級反應(yīng)釜體積。mVk,0一定時0VmAmxRiVAmx1 具有相同或不相同體積的具有相同或不相同體積的N N個全混釜的串聯(lián)個全混釜的串聯(lián)由設(shè)計(jì)方程得：由設(shè)計(jì)方程得：1111AiAiAiAiAiiirCCCC 1多級全混

57、流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算（圖解法）多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算（圖解法）對非一級反應(yīng)，圖解計(jì)算更方便對非一級反應(yīng)，圖解計(jì)算更方便以以 為縱坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，C CA A為橫坐標(biāo)作圖，每一級為橫坐標(biāo)作圖，每一級 均為直線關(guān)均為直線關(guān)系，直線斜率為系，直線斜率為 ，并經(jīng)過點(diǎn)，并經(jīng)過點(diǎn) 。又該級的出口濃度又該級的出口濃度 亦滿足動力學(xué)方程式，若各級反應(yīng)釜動力亦滿足動力學(xué)方程式，若各級反應(yīng)釜動力學(xué)方程相同，反映到學(xué)方程相同，反映到 圖上就是同一曲線，由此曲線和上圖上就是同一曲線，由此曲線和上述直線即可確定出口濃度述直線即可確定出口濃度。11AiAiAiAiiAiAiiiCCCCAi1)0 ,(1AiCAiCAA

58、CCA3CA2CA1CA0A3A2A1AiiAC1各級反應(yīng)體積相等時，即各級反應(yīng)體積相等時，即 相同，各級直線平行。相同，各級直線平行。若各級反應(yīng)釜內(nèi)溫度不相同，則需作出不同溫度下的動力學(xué)若各級反應(yīng)釜內(nèi)溫度不相同，則需作出不同溫度下的動力學(xué)曲線。曲線。 若各級體積不同，各條直線的斜率不同，但仍可求出各釜的若各級體積不同，各條直線的斜率不同，但仍可求出各釜的出口濃度。出口濃度。i1多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)- 圖示圖示各級反應(yīng)體積不同各級反應(yīng)體積不同1根據(jù)全混流反應(yīng)的設(shè)計(jì)方程，對于恒容反應(yīng)根據(jù)全混流反應(yīng)的設(shè)計(jì)方程，對于恒容反應(yīng)01121212001201121212,AAAAAAA

59、AAAAACCVVCCvrvrCCCCrr問題一：問題一：不同體積全混釜串聯(lián)的容積優(yōu)化不同體積全混釜串聯(lián)的容積優(yōu)化1對CA1求導(dǎo)，并令d/dCA1=0,從而解出CA1。再將CA1分別代入011212120012,AAAAAACCVVCCvrvr解出V1、1和V2、2，從而得到V、11結(jié)論：對于一級不可逆反應(yīng)，串聯(lián)體積相同的全混流反結(jié)論：對于一級不可逆反應(yīng)，串聯(lián)體積相同的全混流反應(yīng)器得到的轉(zhuǎn)化率最大應(yīng)器得到的轉(zhuǎn)化率最大1多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的優(yōu)化多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的優(yōu)化 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中常碰到類似這樣的問反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中常碰到類似這樣的問題，物料處理量題，物料處理量V V0 0，進(jìn)料組成，進(jìn)料組成

60、C CA0A0及最終轉(zhuǎn)化及最終轉(zhuǎn)化率率 X XAm Am 均提前確定。反應(yīng)器級數(shù)因受生產(chǎn)條均提前確定。反應(yīng)器級數(shù)因受生產(chǎn)條件限制亦確定。如何分配各級反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化件限制亦確定。如何分配各級反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率才合理呢？通常以總體積為目標(biāo)函數(shù)來求率才合理呢？通常以總體積為目標(biāo)函數(shù)來求解此類問題即使反應(yīng)總體積為最小來確定各解此類問題即使反應(yīng)總體積為最小來確定各級反應(yīng)釜的轉(zhuǎn)化率。級反應(yīng)釜的轉(zhuǎn)化率。1多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的優(yōu)化多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的優(yōu)化優(yōu)化總反應(yīng)體積最小一級不可逆反應(yīng)一級不可逆反應(yīng))1 (0AAAAxkCkCr)1.11(,1,2,1 ,2,1 ,01 ,0,1mAmAmAAAAAAAiRmi