化學反應(yīng)工程第三章釜式反應(yīng)器

1、化學反應(yīng)工程化學反應(yīng)工程何景連何景連20122012年年1111月月第第三三章章 釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器第三章第三章 釜式反應(yīng)釜式反應(yīng)器器本章內(nèi)容本章內(nèi)容 釜式反應(yīng)器的物料衡算通式釜式反應(yīng)器的物料衡算通式(一般）一般） 等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（重點）等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（重點） 連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積（重點）（重點） 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)（重點）（重點） 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（重點）（重點） 變溫間歇釜式反應(yīng)器（次重點）變溫間歇釜式反應(yīng)器（次重點） 連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作連續(xù)釜式反應(yīng)

2、器的定態(tài)操作（次重點）（次重點） 種低高徑比的圓筒形反應(yīng)器，用于實現(xiàn)液相單相反應(yīng)過程和液液、種低高徑比的圓筒形反應(yīng)器，用于實現(xiàn)液相單相反應(yīng)過程和液液、氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過程。器內(nèi)常設(shè)有攪拌（機械攪拌、氣流氣液、液固、氣液固等多相反應(yīng)過程。器內(nèi)常設(shè)有攪拌（機械攪拌、氣流攪拌等）裝置。在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉。在反應(yīng)過程中物料攪拌等）裝置。在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉。在反應(yīng)過程中物料需加熱或冷卻時，可在反應(yīng)器壁處設(shè)置夾套，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可需加熱或冷卻時，可在反應(yīng)器壁處設(shè)置夾套，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過外循環(huán)進行換熱。通過外循環(huán)進行換熱。 操作方式操作方式 釜式反

3、應(yīng)器按操作方式可分為：釜式反應(yīng)器按操作方式可分為：間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器,或稱間歇釜。或稱間歇釜。 操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件和產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件和產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇釜的缺點是：需有裝料和卸料等輔助操作，產(chǎn)品質(zhì)量也不易穩(wěn)定。但有些反應(yīng)過程，如一些發(fā)酵反應(yīng)和聚合反應(yīng)，實產(chǎn)品質(zhì)量也不易穩(wěn)定。但有些反應(yīng)過程，如一些發(fā)酵反應(yīng)和聚合反應(yīng)，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)尚有困難，至今還采用間歇釜?，F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)尚有困難，至今還采用間歇釜。釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器概述概述

4、連續(xù)釜式反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器, ,或稱連續(xù)釜或稱連續(xù)釜 可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內(nèi)流體的返混。在攪拌劇可避免間歇釜的缺點，但攪拌作用會造成釜內(nèi)流體的返混。在攪拌劇烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的場合，釜內(nèi)物料流型可視作全混烈、液體粘度較低或平均停留時間較長的場合，釜內(nèi)物料流型可視作全混流，反應(yīng)釜相應(yīng)地稱作全混釜。在要求轉(zhuǎn)化率高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場合，流，反應(yīng)釜相應(yīng)地稱作全混釜。在要求轉(zhuǎn)化率高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場合，釜式反應(yīng)器中的返混現(xiàn)象是不利因素。此時可采用多釜串聯(lián)反應(yīng)器釜式反應(yīng)器中的返混現(xiàn)象是不利因素。此時可采用多釜串聯(lián)反應(yīng)器, ,以減小以減小返混的不利影響，并可分釜控制反應(yīng)條

5、件。返混的不利影響，并可分釜控制反應(yīng)條件。半連續(xù)釜式反應(yīng)器半連續(xù)釜式反應(yīng)器指一種原料一次加入，另一種原料連續(xù)加入的反應(yīng)器，其特性介于間指一種原料一次加入，另一種原料連續(xù)加入的反應(yīng)器，其特性介于間歇釜和連續(xù)釜之間。歇釜和連續(xù)釜之間。 釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器概述概述n物料衡算：3.1釜式反應(yīng)器的物料衡算通式釜式反應(yīng)器的物料衡算通式inoutrbnnnn :反應(yīng)器進料的體積流量0Q:反應(yīng)器出料的體積流量Q:反應(yīng)器進料中關(guān)鍵組分濃度0ic:反應(yīng)器出料中關(guān)鍵組分濃度ic:反應(yīng)體積rVicQrV0Q0ic假設(shè)假設(shè) 反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均一反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均一 反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均一反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均一 取整個反應(yīng)

6、取整個反應(yīng)體積體積作控制體積作控制體積釜式反應(yīng)器的物料衡算通式釜式反應(yīng)器的物料衡算通式icQrV0Q0ic釜式反應(yīng)器的物料衡算通式釜式反應(yīng)器的物料衡算通式iriiidndtVdtQcdtcQR00KidtdnVQccQiriii,2, 100 R其中：其中：MKrMjjiji R 1對反應(yīng)物為負對反應(yīng)物為負對產(chǎn)物為正對產(chǎn)物為正假設(shè)假設(shè) 反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均一反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均一 反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均一反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均一 在在 dt 時間內(nèi)對整個反應(yīng)器做關(guān)鍵時間內(nèi)對整個反應(yīng)器做關(guān)鍵組分組分 i 的物料衡算：的物料衡算：inoutrbnnnn間歇反應(yīng)器：間歇反應(yīng)器：00ino u tnnKidtdn

7、VQccQiriii,2, 100 RR =0 1, 2,iirdnVdtiK連續(xù)釜反應(yīng)器：連續(xù)釜反應(yīng)器：0bnKidtdnVQccQiriii,2, 100 R00R 1, 2,iiirQ cQcViK間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器Batch Reactor間歇操作的充分攪拌槽式反間歇操作的充分攪拌槽式反應(yīng)器。應(yīng)器。用于液相反應(yīng)。用于液相反應(yīng)。在反應(yīng)過程中沒有進出料。在反應(yīng)過程中沒有進出料。反應(yīng)器內(nèi)物料充分混合，器反應(yīng)器內(nèi)物料充分混合，器內(nèi)各點溫度濃度相同。內(nèi)各點溫度濃度相同。間歇操作，需要輔助生產(chǎn)時間歇操作，需要輔助生產(chǎn)時間。間。等溫等溫 間歇間歇BR 的的Vr計算計算間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器)

8、(00ttQVr1.反應(yīng)體積反應(yīng)體積 t t 為反應(yīng)時間：裝料完畢開始反應(yīng)算起到達到為反應(yīng)時間：裝料完畢開始反應(yīng)算起到達到一定轉(zhuǎn)化率時所經(jīng)歷的時間。一定轉(zhuǎn)化率時所經(jīng)歷的時間。計算關(guān)鍵計算關(guān)鍵t t0 0 為輔助時間：裝料、卸料、清洗所需時間之和。為輔助時間：裝料、卸料、清洗所需時間之和。經(jīng)驗給定經(jīng)驗給定操作時間操作時間等溫間歇等溫間歇 BR 的計算的計算2.2.反應(yīng)器的體積反應(yīng)器的體積 fVVrf：裝填系數(shù)裝填系數(shù) ，由經(jīng)驗確定，由經(jīng)驗確定,一般為一般為 0.40.85單位時間物料的處理量單位時間物料的處理量01dtdnrViMjjijr物料衡算式物料衡算式則物料衡算通式變形為：則物料衡算通式

9、變形為： 3.反應(yīng)時間的計算等溫等溫 間歇間歇BR 的計算的計算00dtdXnVAAArRAfXArAAVdXnt00)( R恒容反應(yīng)AfXAAAdXct00)( R0,0AXt 單一反應(yīng)fAXAAArdXct 00一級反應(yīng)一級反應(yīng)非一級反應(yīng)非一級反應(yīng)反應(yīng)時間反應(yīng)時間相同相同 達到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間與反達到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間與反應(yīng)器大小無關(guān)，只取決于動力學因素。應(yīng)器大小無關(guān)，只取決于動力學因素。 溫度越高，速率常數(shù)溫度越高，速率常數(shù) k 越大，則達到越大，則達到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間 t 越短。越短。區(qū)別區(qū)別t 與與cA0無關(guān)無關(guān)t 與與cA0有關(guān)有關(guān)10

10、1) 1(1)1 (AAfkcXtAfXkt11ln1等溫等溫 間歇間歇BR 的計算的計算例：在等溫間歇反應(yīng)器中進行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：例：在等溫間歇反應(yīng)器中進行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應(yīng)開始時乙酸乙酯及氫氧化該反應(yīng)對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應(yīng)開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為鈉的濃度均為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。試求乙酸乙酸乙酯乙酯轉(zhuǎn)化率分別達到轉(zhuǎn)化率分別達到 80、90和和 95時的反應(yīng)時間。時的反應(yīng)時間。解：解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH523523BA AfXAAA

11、dXct00)( RAfXAAAAXkcdXc02200)1 (AAAXXkc110得：得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min在間歇釜式反應(yīng)器中等溫進行某一級不可逆反應(yīng)在間歇釜式反應(yīng)器中等溫進行某一級不可逆反應(yīng)A A轉(zhuǎn)化率達到轉(zhuǎn)化率達到40%40%所需的反應(yīng)時間是所需的反應(yīng)時間是25min25min, ,若反應(yīng)條若反應(yīng)條件完全相同，反應(yīng)時間延長至件完全相同，反應(yīng)時間延長至60min60min，A A的轉(zhuǎn)化率將的轉(zhuǎn)化率將到到對各組分作物料衡算對各組分作物料衡算(恒容條件恒容條件)：對對A：對對Q：0)(21dt

12、dcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA 復(fù)合反應(yīng)等溫等溫 間歇間歇BR 的計算的計算 3.反應(yīng)時間的計算AQAPckrQAckrPA21 R =0 iirdnVdt對對P：系統(tǒng)中只進行系統(tǒng)中只進行兩個獨立反應(yīng)，兩個獨立反應(yīng)，因此，此三式因此，此三式中僅二式是獨中僅二式是獨立的。立的。組分組分濃度濃度APQ反應(yīng)反應(yīng)時間時間)(021tkkAAecc)(2101211 tkkApekkckcAAccnkkt0211)(2102211 tkkAQekkckcAQAPckrQAckrPA21 00 0 0QPAAcccct，時，設(shè)平行反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時間關(guān)系示意圖平行反應(yīng)物系組成與反

13、應(yīng)時間關(guān)系示意圖PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意時刻兩即：任意時刻兩個反應(yīng)產(chǎn)物濃度個反應(yīng)產(chǎn)物濃度之比，等于兩個之比，等于兩個反應(yīng)速率常數(shù)之反應(yīng)速率常數(shù)之比比等溫間歇等溫間歇 BR 的計算的計算將上述結(jié)果推廣到含有將上述結(jié)果推廣到含有M個一級反應(yīng)的平行反應(yīng)系統(tǒng)個一級反應(yīng)的平行反應(yīng)系統(tǒng) ：)(01MiktAAecc反應(yīng)物反應(yīng)物A A的濃度為：的濃度為：1 )(101MiktMiAiiekckc反應(yīng)產(chǎn)物的濃度為：反應(yīng)產(chǎn)物的濃度為：反應(yīng)時間確定后，即可確定必需的反應(yīng)體積。反應(yīng)時間確定后，即可確定必需的反應(yīng)體積。等溫間歇等溫間歇 BR 的計算的計算 復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng) 復(fù)合反應(yīng)連串反應(yīng)復(fù)

14、合反應(yīng)連串反應(yīng)對對A作物作物料衡算：料衡算：AAckdtdc1對對P作物作物料衡算：料衡算：PAPckckdtdc21等溫間歇等溫間歇 BR 的計算的計算QPAtkAAecc10)(122101tktkAPeekkckc1 2112021kkekekcctktkAQ00 0 0QPAAcccct，時，設(shè)R =0 iirdnVdt0dtdcP令：令：2121)/(kkkkntopt得：得：等溫間歇等溫間歇 BR 的計算的計算連串反應(yīng)組分濃度與反應(yīng)時間關(guān)系示意圖連串反應(yīng)組分濃度與反應(yīng)時間關(guān)系示意圖QPAt0AcPcQcopttcn反應(yīng)器的出口組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的組成反應(yīng)器的出口組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的

15、組成相同；連續(xù)、穩(wěn)定流動，在定常態(tài)下操作。相同；連續(xù)、穩(wěn)定流動，在定常態(tài)下操作。3.4 等溫等溫CSTR 的計算的計算對穩(wěn)態(tài)操作，有：對穩(wěn)態(tài)操作，有：0dtdni則物料衡算通式變?yōu)椋簞t物料衡算通式變?yōu)椋?()(00iiirRccQV3.4 等溫等溫CSTR 的計算的計算00R iiirQ cQcVAAArrccQV)(00)( )(0000AfAAfArAfAAfArXrXcQVXrXcQV 單一反應(yīng)單一反應(yīng)3.4 等溫等溫CSTR 的計算的計算則以關(guān)鍵組分表示的形式為：則以關(guān)鍵組分表示的形式為：)()(00iiirRccQV表示成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)為：表示成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)為： 空時與空速的概念： 空

16、時：空時：進料體積流量反應(yīng)體積0QVr（因次：時間） , Q o處理能力表明 空速的意義：單位時間單位反應(yīng)體積所處理的物料量?？账俚囊饬x：單位時間單位反應(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。rAArVcFVQ0001 空速：空速：-1:時間因次3.4 等溫等溫CSTR 的計算的計算對關(guān)鍵組分對關(guān)鍵組分A A有：有：對目的產(chǎn)物對目的產(chǎn)物P P有：有：對副產(chǎn)物對副產(chǎn)物Q Q有：有：三式中有兩式獨立，可解三式中有兩式獨立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者關(guān)系三者關(guān)系A(chǔ)AfArckkXcQV)(21000 010pAprcckcQV

17、設(shè)，0 020QAQrcckcQV設(shè)， 復(fù)合反應(yīng)平行反應(yīng)等溫等溫CSTR 的計算的計算AAfArckXcQV100對中間產(chǎn)物對中間產(chǎn)物P P：0 0210ppAprcckckcQV設(shè)，對最終產(chǎn)物對最終產(chǎn)物Q Q：0 020QPQrcckcQV設(shè)，等溫等溫CSTR 的計算的計算 復(fù)合反應(yīng)連串反應(yīng)對關(guān)鍵組分對關(guān)鍵組分A A有：有：三式中有兩式獨立，可解三式中有兩式獨立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者關(guān)系三者關(guān)系小結(jié)：等溫反應(yīng)釜的設(shè)計方程小結(jié)：等溫反應(yīng)釜的設(shè)計方程反應(yīng)BRCSTRAAArcc)(0RBAQAPAQPAAfXAAArdXct0001dtdcckAA0)(21dtdcckc

18、kPPA0)(21dtdcckkAA01dtdcckPAAAfAckkXc)(210Apckc1AAfAckXc10pApckckc21AACSTRrXc0XAABRrdXct00BR和和CSTR反應(yīng)體積的比較反應(yīng)體積的比較)(00ttQVr0QVr 和和 分別表示產(chǎn)物分別表示產(chǎn)物D D和和R R的生成速率。反應(yīng)用的的生成速率。反應(yīng)用的原料為原料為A A和和B B的混合液，其中的混合液，其中A A的濃度的濃度2kmol/m2kmol/m3 3。計。計算：算：1.1.A A的轉(zhuǎn)化率達到的轉(zhuǎn)化率達到95%95%時，所需的空時；時，所需的空時；2.2.A A的轉(zhuǎn)化率達到的轉(zhuǎn)化率達到95%95%時，時

19、，D D的收率。的收率。解：（解：（1） 當當A的轉(zhuǎn)化率達到的轉(zhuǎn)化率達到95%時，體系中時，體系中A組分的濃度為：組分的濃度為： 所需空時：所需空時：(2) D的收率的收率 或：或： 9375.56 2ADDDCCRC35625. 01 . 069375. 5 2DC35625.0235625.02 00ADDDADCCCY思考思考 1. 用一個大反應(yīng)器好還是幾個小反應(yīng)器好用一個大反應(yīng)器好還是幾個小反應(yīng)器好?（Vr最小最小) 2. 若采用多個小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？若采用多個小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？ （Vr最小最小) 3. 若多個反應(yīng)器串聯(lián)操作，則各釜的體積是多少？若多個反應(yīng)器串聯(lián)

20、操作，則各釜的體積是多少？或各釜的最佳反應(yīng)體積比如何？或各釜的最佳反應(yīng)體積比如何？3.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)iAiAiAiAiAiAAiRirCCrxxCQV)()()(,1,1,00,穩(wěn)態(tài)，定容穩(wěn)態(tài)，定容 正常動力學正常動力學ABDEF2AXAX1AXAR10HK)(R1100AAAArXXcQV單釜)()()(212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVRR兩釜串聯(lián)3.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)1.1.圖解分析圖解分析正常動力學，轉(zhuǎn)化速率正常動力學，轉(zhuǎn)化速

21、率 隨隨XA增加而降低。增加而降低。多釜串聯(lián)比單釜有利，總反應(yīng)體積小于單釜體積。多釜串聯(lián)比單釜有利，總反應(yīng)體積小于單釜體積。)(AR對于正常動力學，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。對于正常動力學，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。( (但操作復(fù)雜程度增大，附屬設(shè)備費用增大）但操作復(fù)雜程度增大，附屬設(shè)備費用增大）反常動力學，轉(zhuǎn)化速率反常動力學，轉(zhuǎn)化速率 隨隨XA增加而增加。增加而增加。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。)(AR3.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)1.1.圖解分析圖解分析 小結(jié)小結(jié)2. 2. 串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計

22、算3.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)0Q0iC1 iC2iC1ipC1iNCiNCipC1rV12rV2rpVprNVN 串聯(lián)釜式反應(yīng)器串聯(lián)釜式反應(yīng)器假設(shè)：假設(shè)：各釜體積相同，且各釜各釜體積相同，且各釜的進料可近似認為相等，的進料可近似認為相等，則各釜的空時則各釜的空時 相等。相等。 各釜操作溫度相同，則各釜操作溫度相同，則各釜的速率常數(shù)各釜的速率常數(shù) k k 相等。相等。)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR對第對第P P釜作組分釜作組分A A的物料衡算：的物料衡算：對對一級不可逆反應(yīng)：一級不可逆反應(yīng)：)1 (0AAXkc

23、rNPXkXXQVApApAprp, 2 , 1,)1 ()(10 3.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)2. 2. 串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR)1 (10ApApAprXkXXQV ANNXk11)1 ( 1)11(11NANXkN個釜個釜ApApXXk1111注意：注意：其中的其中的 為單釜空時，總空時為為單釜空時，總空時為N 。 對對非一級反應(yīng)，只能采用逐釜計算法，非一級反應(yīng)，只能采用逐釜計算法，例如二級反應(yīng)：例如二級反應(yīng)：)1 ( 100101AAAArXkCXXQV)

24、1 ( 201202AAAArXkCXXQV)1 ( 302302AAAArXkCXXQV各級反應(yīng)體積不同各級反應(yīng)體積不同3.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.3.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比 即：在釜數(shù)及最終轉(zhuǎn)化率已規(guī)定情況下即：在釜數(shù)及最終轉(zhuǎn)化率已規(guī)定情況下,為使總的反應(yīng)為使總的反應(yīng)體積最小體積最小,各釜反應(yīng)體積存在一個最佳比例。各釜反應(yīng)體積存在一個最佳比例。.12121010021ANANANAAAAAAXXXXXXArNrrrcQVVVVRRR 3.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)對單一反應(yīng)，總反應(yīng)體積為

25、對單一反應(yīng)，總反應(yīng)體積為：1, 2 , 1, 0NPXVApr 據(jù)此求得各釜的轉(zhuǎn)化率，從而求得據(jù)此求得各釜的轉(zhuǎn)化率，從而求得 此時此時 最小最小。rpVrV對對一級不可逆反應(yīng)，由一級不可逆反應(yīng)，由1, 2 , 1, 0NPXVApr 可得：可得：rprpVV1即：即：串聯(lián)釜式反應(yīng)器進行一級不可逆反應(yīng)時，各串聯(lián)釜式反應(yīng)器進行一級不可逆反應(yīng)時，各釜的反應(yīng)體積相等，則總反應(yīng)體積最小。釜的反應(yīng)體積相等，則總反應(yīng)體積最小。串聯(lián)釜式反應(yīng)器進行串聯(lián)釜式反應(yīng)器進行 級反應(yīng)：級反應(yīng)：單釜優(yōu)于串聯(lián)釜，積。串聯(lián)總體積等于單釜體，各釜體積依次減小。，各釜體積相等。，釜在前，大釜在后。各釜體積依次增大，小， 0 0 1

26、0 1 13.5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.3.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比 對對非一級反應(yīng)，只能通過作圖來確定，一般來說非一級反應(yīng)，只能通過作圖來確定，一般來說存在以下規(guī)律：存在以下規(guī)律：并聯(lián)的釜式反應(yīng)器XAf與Q01,Q02, XAf1, XAf2有關(guān) 對于復(fù)雜反應(yīng)，目的產(chǎn)物的收率和選擇性是非常重要的，反映了原料的有效利用程度。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 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

27、收率與選擇性ApAppAAppAdXdYdndnS)()(RR瞬時瞬時收率瞬時選擇性:pYS 1.1.總收率與總選擇性總收率與總選擇性AfoXApfXSSdXYAf0則則：ApSdXdY 總收率或最終收率:pfY最終轉(zhuǎn)化率:AfX總選擇性:oSAfXAAfoSdXXS01 總選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系取決于反應(yīng)動力學，反總選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系取決于反應(yīng)動力學，反應(yīng)器形式和操作方式等。因此，同是釜式反應(yīng)器，應(yīng)器形式和操作方式等。因此，同是釜式反應(yīng)器，由于操作方式不同，雖然最終轉(zhuǎn)化率一樣，但最終由于操作方式不同，雖然最終轉(zhuǎn)化率一樣，但最終收率卻不一樣。收率卻不一樣。1.1.總收率與總選擇性總收率與總選擇

28、性注意注意：(1) (1) 瞬時收率可能隨時間變化。間歇反應(yīng)器就是一例；瞬時收率可能隨時間變化。間歇反應(yīng)器就是一例；(2) (2) 對于連續(xù)反應(yīng)器（在定態(tài)下操作），瞬時選擇性對于連續(xù)反應(yīng)器（在定態(tài)下操作），瞬時選擇性不隨時間變化，但可能隨位置變化（管式反應(yīng)器），不隨時間變化，但可能隨位置變化（管式反應(yīng)器），這時要用到總收率，其定義為：這時要用到總收率，其定義為： Y YPfPf是總收率，針對整個反應(yīng)器而言的。如果用是總收率，針對整個反應(yīng)器而言的。如果用S S0 0表表示總選擇性示總選擇性( (對整個反應(yīng)而言對整個反應(yīng)而言) )，那么，那么 AfXApfSdXY0AfopfXSYAfAXXAAA

29、foSdXXXS001 (3) (3) 對連續(xù)釜式反應(yīng)器，由于反應(yīng)在等溫和等濃度對連續(xù)釜式反應(yīng)器，由于反應(yīng)在等溫和等濃度下操作，瞬時選擇性為常數(shù)，此時下操作，瞬時選擇性為常數(shù)，此時總選擇性等于瞬總選擇性等于瞬時選擇性（時選擇性（S S0 0=S=S）。）。 討論：討論：(1) X(1) XA A時，時，SS的情形的情形釜式反應(yīng)器的最終收率釜式反應(yīng)器的最終收率AfAXXAAAfoSdXXXS001 對于間歇釜式反應(yīng)器對于間歇釜式反應(yīng)器 = =整個曲邊梯形的積分面積整個曲邊梯形的積分面積對于連續(xù)釜式反應(yīng)器對于連續(xù)釜式反應(yīng)器從圖中可以看出從圖中可以看出, ,多釜串聯(lián)系統(tǒng)介于間歇釜多釜串聯(lián)系統(tǒng)介于間歇

30、釜式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器之間，即式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器之間，即: :0A fXP fAYSdX間PffAfYSX連P fP fP fYYY間多 釜 串 聯(lián) 連 續(xù)單 釜 連 續(xù) = =矩形的面積矩形的面積(2)(2)對于對于XAXA時，時，SS的情況結(jié)果恰恰與上面的情況結(jié)果恰恰與上面的相反（不妨自己分析一下）。的相反（不妨自己分析一下）。 討論：討論：(2) X(2) XA A時，時，S S 的情形的情形釜式反應(yīng)器的最終收率釜式反應(yīng)器的最終收率AfAXXAAAfoSdXXXS001 (2)(2)對于對于XAXA時，時，SS的情況結(jié)果恰恰與上面的情況結(jié)果恰恰與上面的相反（不妨自己分析一下）。

31、的相反（不妨自己分析一下）。 結(jié)論：結(jié)論： 當瞬時選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)增加時，當瞬時選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)增加時，收率順序：收率順序：間歇釜多個連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜間歇釜多個連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜 當瞬時選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)下降時，當瞬時選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)下降時，收率順序：收率順序：間歇釜多個連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜間歇釜多個連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜 2. 2. 平行反應(yīng)平行反應(yīng)設(shè)在釜式反應(yīng)器中進行平行反應(yīng)：設(shè)在釜式反應(yīng)器中進行平行反應(yīng)： A+BPA+BPA+BQA+BQ 假設(shè)假設(shè)P P為目的產(chǎn)物，則瞬時選擇性為為目的產(chǎn)物，則瞬時選擇性為 : :221QA

32、Brk CC111PABrk CC111122212112121p11ABABABABk C CSkk C Ck C CCCk為了增加目的產(chǎn)物的收率，必須從反應(yīng)器型式及工為了增加目的產(chǎn)物的收率，必須從反應(yīng)器型式及工藝條件的優(yōu)化來提高瞬時收率。藝條件的優(yōu)化來提高瞬時收率。1111222121112212121201210p1111ABABABABABk CCSk CCk CCkCCkkEEecckRT 反應(yīng)組分反應(yīng)組分A A和和B B的濃度的濃度C CA A、C CB B，以及溫度，以及溫度T T均均對選擇性對選擇性S S有影響。可以根據(jù)有影響?？梢愿鶕?jù) 和和的相對大小，選擇適當?shù)姆磻?yīng)組分濃度和

33、溫度，的相對大小，選擇適當?shù)姆磻?yīng)組分濃度和溫度，來提高反應(yīng)的選擇性來提高反應(yīng)的選擇性S S。 21EE2121 反應(yīng)器中各組分的濃度與反應(yīng)器型（釜式、反應(yīng)器中各組分的濃度與反應(yīng)器型（釜式、管式管式）、操作方式、加料濃度、原料配比，）、操作方式、加料濃度、原料配比，以及加料方式等因素密切相關(guān)。以及加料方式等因素密切相關(guān)。（1）溫度對選擇性的影響）溫度對選擇性的影響減小增大增大減小T升高E1 E2RTEEe21PS結(jié)論：升高溫度，總是對活化能大的反應(yīng)有利。結(jié)論：升高溫度，總是對活化能大的反應(yīng)有利。若主反應(yīng)活化能大，則應(yīng)升高溫度。反之，則應(yīng)若主反應(yīng)活化能大，則應(yīng)升高溫度。反之，則應(yīng)降低溫度。降低溫度

34、。212120120p111ABSkEEecckRT（2）濃度對選擇性的影響）濃度對選擇性的影響動力學特點對濃度的要求操作示意圖加料方法瞬間加入所有的A和B緩慢加入A和B先把A全部加入，然后緩慢加入BI 間歇操作時，為提高間歇操作時，為提高SP,各種動力學條件下操作方式的變化。各種動力學條件下操作方式的變化。ABABBA2121,都高BAcc ,2121,都低BAcc ,2121,低高，BAcc212120120p111ABSkEEecckRTII 連續(xù)操作時，為提高連續(xù)操作時，為提高SP,各種動力學條件下操作方式的變化及濃度分布。各種動力學條件下操作方式的變化及濃度分布。動力學特點濃度的要求

35、操作示意圖濃度分布圖2121,都高BAcc ,2121,都低BAcc ,2121,低高，BAccAB00BAccBAccABABABABBBAB分離器A0AcBAcc0Bc00BAccBAcc00BAccBcAc212120120p111ABSkEEecckRT 在等溫間歇反應(yīng)器中，可以得到最佳反應(yīng)時間在等溫間歇反應(yīng)器中，可以得到最佳反應(yīng)時間 3 3、 連串反應(yīng)連串反應(yīng)假設(shè)如下的連串反應(yīng)均為一級，假設(shè)如下的連串反應(yīng)均為一級，P P為目的產(chǎn)物為目的產(chǎn)物12kkAPQ )()/(212121kkkkkkntopt)(1211kkktopt目的產(chǎn)物目的產(chǎn)物P P的最佳收率的最佳收率但如果是在連續(xù)釜式

36、反應(yīng)器進行上述連串反應(yīng)，但如果是在連續(xù)釜式反應(yīng)器進行上述連串反應(yīng)，最佳空時（不是反應(yīng)時間）和最佳收率又怎樣呢？最佳空時（不是反應(yīng)時間）和最佳收率又怎樣呢？ 在在連續(xù)釜時連續(xù)釜時反應(yīng)器中，可以得到最佳反應(yīng)時間反應(yīng)器中，可以得到最佳反應(yīng)時間 目的產(chǎn)物目的產(chǎn)物P P的最佳收率的最佳收率請看下圖，對比間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器性請看下圖，對比間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器性能的差別。能的差別。 間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進行連串反應(yīng)時的反應(yīng)率和收率間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進行連串反應(yīng)時的反應(yīng)率和收率在相同條件下，在相同條件下， 應(yīng)該特別關(guān)注應(yīng)該特別關(guān)注最大收率的軌最大收率的軌跡線。跡線。 PBPMYY212

37、211expAEEARTkk 注意注意可以通過改變可以通過改變操作溫度操作溫度的辦法來改變的辦法來改變k k2 2/k/k1 1 的的相對大小，但無論相對大小，但無論E E2 2和和E E1 1相對大小如何，一般相對大小如何，一般采用較高的反應(yīng)溫度，以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)采用較高的反應(yīng)溫度，以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)強度；強度；可以使用催化劑來改變可以使用催化劑來改變k2/k1 k2/k1 ，當然如果，當然如果Q Q是目的產(chǎn)物，問題就簡單多了。采用反應(yīng)時是目的產(chǎn)物，問題就簡單多了。采用反應(yīng)時間間tt、空時、空時的辦法即可。的辦法即可。 變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇釜式反應(yīng)器 間歇釜式反應(yīng)器做到等溫操作很困難

38、，當熱間歇釜式反應(yīng)器做到等溫操作很困難，當熱效應(yīng)小時，近似等溫可以辦到，如果熱效應(yīng)大時，效應(yīng)小時，近似等溫可以辦到，如果熱效應(yīng)大時，很難做到；很難做到； 溫度會影響到溫度會影響到和反應(yīng)器的和反應(yīng)器的生產(chǎn)強度等生產(chǎn)強度等, ,很多時候變溫的效果更好很多時候變溫的效果更好,pAXYr變溫間歇操作的熱量衡算變溫間歇操作的熱量衡算 根據(jù)熱力學第一定律，反應(yīng)器的熱量衡算為：根據(jù)熱力學第一定律，反應(yīng)器的熱量衡算為：Uq即：與環(huán)境交換的熱即：與環(huán)境交換的熱= =內(nèi)能的變化內(nèi)能的變化變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇釜式反應(yīng)器HqdHdq 間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器用焓變代替內(nèi)能的變化用焓變代替內(nèi)能的變化 CBACBArTHHT31 2dHTrTr為計算的基準溫度為計算的基準溫度)(1TTcmdtc