設(shè)備第5章 釜式連續(xù)反應(yīng)器

1、1第五章第五章 連續(xù)釜式反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器第五章第五章 連續(xù)釜式反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器5.1 5.1 連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)及應(yīng)用連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)及應(yīng)用5.2 5.2 連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)5.35.3連續(xù)釜式反應(yīng)器的并聯(lián)與串聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的并聯(lián)與串聯(lián)5.4釜式反應(yīng)器的熱量衡算與定態(tài)操作釜式反應(yīng)器的熱量衡算與定態(tài)操作 5.5返混對(duì)復(fù)雜反應(yīng)產(chǎn)品分配的影響返混對(duì)復(fù)雜反應(yīng)產(chǎn)品分配的影響3 定義：定義：連續(xù)釜式反應(yīng)器是一種以釜式反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的操作方式。 與間歇釜式相比，具有生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，操作費(fèi)用小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)自控等優(yōu)點(diǎn)。 物料隨進(jìn)隨出，連續(xù)流動(dòng)，原料進(jìn)入

2、反應(yīng)釜后，立即被稀釋，使反應(yīng)物濃度降低，所以，釜式連續(xù)反應(yīng)器的反應(yīng)推動(dòng)力較反應(yīng)推動(dòng)力較小，反應(yīng)速率較低小，反應(yīng)速率較低，可使某些對(duì)溫度敏感的快速放熱反應(yīng)得以平穩(wěn)進(jìn)行。 由于釜式反應(yīng)器的物料容量大，當(dāng)進(jìn)料條件發(fā)生一定程度的波動(dòng)時(shí)，不會(huì)引起釜內(nèi)反應(yīng)條件的明顯變化，穩(wěn)定性好，操穩(wěn)定性好，操作安全作安全。 穩(wěn)態(tài)操作穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)所有參數(shù)不隨時(shí)間變化，符合理想混合假設(shè)，這是連續(xù)釜式反應(yīng)器的基本特征。連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)連續(xù)釜式反應(yīng)器是一種以連續(xù)生產(chǎn)的操作方式操作的釜式反應(yīng)器葉輪的排料速率葉輪的排料速率( (循環(huán)量循環(huán)量) )為進(jìn)料流量的為進(jìn)料流量的5-105-10倍。倍。該判據(jù)

3、可由以下公式表示：該判據(jù)可由以下公式表示：QQR R/ /QQF F 5-105-10，其中，其中QQF F為進(jìn)為進(jìn)料流量；葉輪的排料速率料流量；葉輪的排料速率QQR R可由以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：可由以下經(jīng)驗(yàn)公式估算： QQR R/ /ndnd3 3=NNQR QR 式中：式中：n n為攪拌器轉(zhuǎn)速；為攪拌器轉(zhuǎn)速； d d為攪拌器葉輪直徑；為攪拌器葉輪直徑；NNQRQR為無因次準(zhǔn)數(shù)：為無因次準(zhǔn)數(shù)：在有擋板的條件下，對(duì)于推進(jìn)式葉輪在有擋板的條件下，對(duì)于推進(jìn)式葉輪NNQRQR=0.5=0.5；對(duì)于渦輪式葉輪對(duì)于渦輪式葉輪( (六葉，寬徑比為六葉，寬徑比為1:5)1:5)，NNQRQR=0.93=0.93

4、D D/ /d d( (用于用于ReRe 104104，D D為反為反應(yīng)器內(nèi)徑；應(yīng)器內(nèi)徑； d d為攪拌器槳徑為攪拌器槳徑) )。實(shí)現(xiàn)理想混合假設(shè)的必要條件：實(shí)現(xiàn)理想混合假設(shè)的必要條件：連續(xù)釜式反應(yīng)器在連續(xù)釜式反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上通常與間歇釜式反應(yīng)結(jié)構(gòu)上通常與間歇釜式反應(yīng)器相同器相同。其常見的進(jìn)出料方式如下。其常見的進(jìn)出料方式如下5.2 5.2 連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度、溫穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度、溫度、壓力等操作參數(shù)不隨時(shí)間變化，符合理想混度、壓力等操作參數(shù)不隨時(shí)間變化，符合理想混合假設(shè)。由于不存在時(shí)間變量，可取整個(gè)反應(yīng)釜合假設(shè)。

5、由于不存在時(shí)間變量，可取整個(gè)反應(yīng)釜作為衡算單元，作為衡算單元，對(duì)關(guān)鍵組份對(duì)關(guān)鍵組份A A作物料衡算：作物料衡算：輸入量輸入量=F FV V0 0C CA A0 0=n=nA0A0反應(yīng)量反應(yīng)量=r rA AV VR R輸出量輸出量=F FVfVfC CAfAf=n=nA A累計(jì)量累計(jì)量=0=0， 所以所以F FV V0 0C CA A0 0=F FVfVfC CAfAf+ + r rA AV VR R5.2.1 5.2.1 反應(yīng)體積反應(yīng)體積液相反應(yīng)時(shí)，可視為恒容，液相反應(yīng)時(shí)，可視為恒容，F(xiàn) FV0V0=F FVfVf；而且穩(wěn)態(tài)；而且穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，操作時(shí)，x xA A=x xAfAf，C CA A=

6、C CAfAf，于是，于是AAAVRrCCFV)-(0000-AAAACCCx 由于由于所以所以AAAVRrxCFV00=這就是等溫恒容液相連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。這就是等溫恒容液相連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。在給定操作條件以及反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程后，可由在給定操作條件以及反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程后，可由簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算求得反應(yīng)體積。簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算求得反應(yīng)體積。如果反應(yīng)器的進(jìn)料轉(zhuǎn)化率如果反應(yīng)器的進(jìn)料轉(zhuǎn)化率x xA0A000，根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義C CA A0 0-C-CA A=C CA A0 0( (x xA A- -x xA A0 0) )，得到，得到AAAAVRrxxCFV)-(000其 中

7、其 中r rA A一 般 具 有一 般 具 有r rA A= A= A0 0e x p ( -e x p ( -Ea/RT)CEa/RT)CA AmmC CB Bn n 的形式，由于其中的溫度、的形式，由于其中的溫度、濃度均為恒定值，所以濃度均為恒定值，所以r rA A亦為恒定值，即連續(xù)亦為恒定值，即連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的是釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的是恒速率恒速率的化學(xué)反應(yīng)，這的化學(xué)反應(yīng)，這是連續(xù)釜式反應(yīng)器區(qū)別于其它類型反應(yīng)器的重是連續(xù)釜式反應(yīng)器區(qū)別于其它類型反應(yīng)器的重要特征要特征 在連續(xù)操作的反應(yīng)系統(tǒng)中，反應(yīng)體積與在連續(xù)操作的反應(yīng)系統(tǒng)中，反應(yīng)體積與進(jìn)料進(jìn)料的體積的體積流量之比定義為停留時(shí)間，以流量之

8、比定義為停留時(shí)間，以表示。表示。對(duì)于釜式連續(xù)反應(yīng)器，由于物料的停留時(shí)間并不相對(duì)于釜式連續(xù)反應(yīng)器，由于物料的停留時(shí)間并不相同，所以由上述定義計(jì)算得到的停留時(shí)間稱為同，所以由上述定義計(jì)算得到的停留時(shí)間稱為平均平均停留時(shí)間停留時(shí)間。對(duì)于恒容過程對(duì)于恒容過程5.2.2 5.2.2 停留時(shí)間停留時(shí)間AAAAVRrxxCFV)-(000此式可用代數(shù)法求解析解，例如在連續(xù)釜式反應(yīng)此式可用代數(shù)法求解析解，例如在連續(xù)釜式反應(yīng)器中，進(jìn)行二級(jí)不可逆反應(yīng)：器中，進(jìn)行二級(jí)不可逆反應(yīng)：r rA A=kCkCA A2 2=k k( (C CA A0 0(1 (1-x-xA A) )2 2，則停留時(shí)間，則停留時(shí)間20)1 (

9、AAAxkCx如果如果r rA A的表達(dá)式較為復(fù)雜，如三級(jí)反應(yīng)或非的表達(dá)式較為復(fù)雜，如三級(jí)反應(yīng)或非整數(shù)級(jí)反應(yīng)，求其解析解可能比較困難，此整數(shù)級(jí)反應(yīng)，求其解析解可能比較困難，此時(shí)，可借助時(shí)，可借助計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)求其數(shù)值解，或采用求其數(shù)值解，或采用圖解圖解法求解法求解 )()(=fxxfAA或由此可見，對(duì)于給定的化學(xué)反應(yīng)，若其動(dòng)力由此可見，對(duì)于給定的化學(xué)反應(yīng)，若其動(dòng)力學(xué)方程已知，則學(xué)方程已知，則V VR R、僅為轉(zhuǎn)化率僅為轉(zhuǎn)化率x xA A的函數(shù)，的函數(shù)，即即5.2.3 5.2.3 平均停留時(shí)間的圖解法求解平均停留時(shí)間的圖解法求解給定轉(zhuǎn)化率求停留時(shí)間以及給定停留時(shí)間求給定轉(zhuǎn)化率求停留時(shí)間以及給定停留

10、時(shí)間求轉(zhuǎn)化率實(shí)際上是求下列方程組的解。轉(zhuǎn)化率實(shí)際上是求下列方程組的解。AAAnAnAAxrC xkCr00)1 (由方程組的解的幾何意義可知，其解就是方由方程組的解的幾何意義可知，其解就是方程所代表的曲線的交點(diǎn)，因此，上述方程組程所代表的曲線的交點(diǎn)，因此，上述方程組可采用圖解法求解?？刹捎脠D解法求解。方法方法于于r rA A- -x xA A直角坐標(biāo)系中描繪曲線直角坐標(biāo)系中描繪曲線r rA A=kCkCA A0 0 n n(1 (1-x-xA A) )n nMNMN已知終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率已知終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率x xAfAf，求，求停留時(shí)間停留時(shí)間： 在在x xA A軸上截取軸上截取OQ=OQ=x xAfAf，

11、過過QQ作垂線，交作垂線，交MNMN于于P P點(diǎn)，由直線點(diǎn)，由直線OPOP的斜率可的斜率可計(jì)算出計(jì)算出，進(jìn)而求得反，進(jìn)而求得反應(yīng)體積應(yīng)體積V VR R已知停留時(shí)間已知停留時(shí)間，求終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率，求終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAf： 過原點(diǎn)過原點(diǎn)o作斜率為作斜率為CA0/的直線交的直線交MN于于P點(diǎn)，點(diǎn)，P點(diǎn)的橫點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率，直線坐標(biāo)即為終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率，直線OP稱為物料衡算線。稱為物料衡算線。圖解法的優(yōu)點(diǎn)在于既可用已知的動(dòng)力學(xué)方程作圖，也可以用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，因此，在缺乏動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，圖解法尤其顯示出其優(yōu)越性。例5.1 等溫條件下，一液相分解反應(yīng)AB+C，rA=kCA，已知操作條件下速率常數(shù)k=0.6/

12、h。A的起始濃度為1.0kmol/m3，恒容，要求A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%，試計(jì)算物料的處理量為2.0m3/h的連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積。14例5.1 等溫條件下，一液相分解反應(yīng)AB+C，rA=kCA，已知操作條件下速率常數(shù)k=0.6/h。A的起始濃度為1.0kmol/m3，恒容，要求A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%，試計(jì)算物料的處理量為2.0m3/h的連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積。rA=kCA=kCA0(1-xA)h5 . 2) 6 . 0-1 ( 6 . 06 . 0)-1 (0AAAAAxkxxrCVR=FV0 =5.0m3（1）解析法 解：（2）圖解法以rA為縱坐標(biāo)，xA為橫坐標(biāo)作圖：由動(dòng)力學(xué)方程式rA=

13、kCA=kCA0(1-xA)知，rA與xA的關(guān)系為一直線，因此取兩點(diǎn)很容易地就可以在rAxA圖上繪出動(dòng)力學(xué)曲線MN。例5.1 等溫條件下，一液相分解反應(yīng)AB+C，rA=kCA，已知操作條件下速率常數(shù)k=0.6/h。A的起始濃度為1.0kmol/m3，恒容，要求A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%，試計(jì)算物料的處理量為2.0m3/h的連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積。16由物料衡算式AAAxCr0=在橫坐標(biāo)上取xA=0.6一點(diǎn)做垂線交于MN線上與一點(diǎn)P，因進(jìn)口物料中不含反應(yīng)產(chǎn)物，即xA0=0，過O連接P點(diǎn)得物料衡算線（又稱操作線 ） O P ， 其 斜 率 為CA0/,查圖得6 . 024. 0=0AC已知CA0=1

14、kmol/m3，則h5 . 2=6 . 024. 01=VR=FV0 =5.0m35.3 5.3 連續(xù)釜式反應(yīng)器的并聯(lián)與串聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的并聯(lián)與串聯(lián)問題的提出：?jiǎn)栴}的提出：連續(xù)釜式反應(yīng)器在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。連續(xù)釜式反應(yīng)器在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。但在反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程中，常常遇到這樣的但在反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程中，常常遇到這樣的問題，即，是使用一個(gè)較大的反應(yīng)器完成問題，即，是使用一個(gè)較大的反應(yīng)器完成生產(chǎn)任務(wù)，抑或是用若干個(gè)較小的反應(yīng)器生產(chǎn)任務(wù)，抑或是用若干個(gè)較小的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，這樣的反應(yīng)器組又如何計(jì)算，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，這樣的反應(yīng)器組又如何計(jì)算，這是本節(jié)要解決的問題。這是本節(jié)要解決的問題。當(dāng)需要用單釜進(jìn)行連

15、續(xù)操作，其體積過大而難于加工制造時(shí)，常常用若干個(gè)體積較小的反應(yīng)釜并聯(lián)操作。其設(shè)計(jì)方法與單釜連續(xù)相同，但存在流量分配問題。為能穩(wěn)定地控制產(chǎn)品質(zhì)量，通常使并聯(lián)各釜為能穩(wěn)定地控制產(chǎn)品質(zhì)量，通常使并聯(lián)各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，即的出口轉(zhuǎn)化率相同，即x xA A1 1= = x xA A2 2= = = = x xA An n由釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程可知，為使各釜的由釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程可知，為使各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，應(yīng)使反應(yīng)物在各釜的停留出口轉(zhuǎn)化率相同，應(yīng)使反應(yīng)物在各釜的停留時(shí)間相同，即時(shí)間相同，即1 1=2 2= = =n n由于由于i i=V VR Ri i/ /F FV V0i0i，所以，要使各釜的出

16、口轉(zhuǎn)，所以，要使各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，應(yīng)使各釜的進(jìn)料流量與其對(duì)應(yīng)的化率相同，應(yīng)使各釜的進(jìn)料流量與其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)體積比相同，就是反應(yīng)體積比相同，就是實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用等體積的反應(yīng)釜并聯(lián)，實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用等體積的反應(yīng)釜并聯(lián)，并平均地分配進(jìn)料流量。但如果并聯(lián)的數(shù)量并平均地分配進(jìn)料流量。但如果并聯(lián)的數(shù)量過多，設(shè)備及操作費(fèi)用會(huì)增加，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)角過多，設(shè)備及操作費(fèi)用會(huì)增加，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，確定并聯(lián)的臺(tái)數(shù)。度出發(fā)，確定并聯(lián)的臺(tái)數(shù)。n0n022011= =VRVRVRFVFVFV5.3.2 串聯(lián)多釜串聯(lián)是工業(yè)上一種常見的操作方式。是一種介于理想混合和理想置換的流動(dòng)模型。設(shè)計(jì)時(shí)同樣要解決反應(yīng)體積和臺(tái)數(shù)的問題

17、。其計(jì)算方法是采用單釜連續(xù)的計(jì)算方法進(jìn)行多次計(jì)算，也可以用圖解法。如上圖所示的多釜串聯(lián)，恒容條件下，對(duì)第i釜進(jìn)行物料衡算：RiAiiAViAVVrxCFxCF)1 ()1 (001 -00RiAiAiVAiVVrCFCF01 -0于是或AiAiAiVRirCCFV)-(1 -0AiAiAiAVRirxxCFV)-(1 -00或5.3.2.1 解析法AAAAVRrxxCFV)-(000已知第i釜的平均停留時(shí)間為：AiAiAiirCC-1 -AiAiAiAirxxC)-(1 -0或因此，在給出FV0、VRi、CA0及串聯(lián)數(shù)目n后，可依次求出第1、2n釜的出口濃度或轉(zhuǎn)化率；在各釜的反應(yīng)體積已定時(shí)，可

18、確定達(dá)到指定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)器臺(tái)數(shù)。例如，n釜串聯(lián)的反應(yīng)器中，進(jìn)行一級(jí)恒容不可逆反應(yīng)，rA=kCA，AiAiAiirCC-1 -iiAiAikCC111 -得即1101+11=kCCAA2212+11=kCCAA3323+11=kCCAA、nnAnAnkCC111 -由連乘之，得1=0+11=niiiAAnkCC若xAn為終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率，則依轉(zhuǎn)化率的定義0001-AAnAAnAAnCCCCCx所以111-1niiiAnkx工業(yè)上一般采用等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)，故1=2= =n= ；又若各釜的反應(yīng)溫度相同，則k1=k2 =kn=k ，于是，對(duì)于等溫恒容的一級(jí)反應(yīng)，在等體積串聯(lián)時(shí)，反應(yīng)物濃度、轉(zhuǎn)化率與每

19、釜的停留時(shí)間的關(guān)系為：nAnkx)1 (11nAAnkCC)+1 (=0及所以) 1-)11(11nAnxk) 1-)11(1nAnTxknn) 1-)11(1010nAnVniVRiRxknFnFVV總反應(yīng)體積為由此可見對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在滿足等溫、恒容和等體積串聯(lián)的情況下，可由終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率求出平均停留時(shí)間及反應(yīng)體積，反之亦可。此時(shí)，總反應(yīng)時(shí)間為例5.2 在理想混合反應(yīng)器中進(jìn)行液相等溫恒容反應(yīng)A+BR，A和B按等摩爾配成，rA=kCACB，k=9.92m3/(kmols)，進(jìn)料速率0.278m3/s，A的初濃度為0.08kmol/m3。要求A的轉(zhuǎn)化率為87.5%，問分別以一個(gè)反應(yīng)釜兩個(gè)等體積的反應(yīng)

20、釜三個(gè)等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)操作時(shí)，總的反應(yīng)體積各是多少。解：rA=kCACB=9.92CA2=9.92CA02(1-xA)2；xAf=0.875；FV0=0.278m3/s；CA0=0.08kmol/m3一個(gè)反應(yīng)釜 xA0=0兩個(gè)等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)s6 .70)875. 01 (08. 092. 9875. 0)-(200AAAfArxxC30m6 .19=6 .70278. 0=VRFV2100110101)-1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC2012102)1 (-)-(AfAAAfAAAfAxkCxxrxxC相除得 （或兩式相等） 212101)1 (-)1 (-AfAAfA

21、AAxxxxxx由于xA0=0；xAf=0.875，所以21112)1)(875. 0()875. 01 (AAAxxx其數(shù)值解為%5 .72=1Axs08.12)725. 01 (08. 092. 9725. 0)1 (-2210011AAAAxkCxx310m72. 6=08.12278. 02=2=VRFV三個(gè)等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)2100110101)1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC2201221202)1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC2023203)-1 (-)-(AfAAAfAAAfAxkCxxrxxC三元方程組，其數(shù)值解為s76. 5=%4 .80=%

22、9 .62=32121AAxx310m80. 4=76. 5278. 03=3=VRFV單釜連續(xù)VR=19.6m3；雙釜連續(xù)VR=6.72m3；三釜連續(xù)VR=4.80m3由此可見，采用解析法計(jì)算非一級(jí)反應(yīng)的多釜串聯(lián)問題是比較繁復(fù)的。此時(shí)，可采用圖解法。5.3.2.2 圖解法)-(1 -0AiAiiAAixxCr得AiAiAiAirxxC)-(1 -0由描繪動(dòng)力學(xué)曲線rA=f(xA)MN于直角坐標(biāo)系中X軸平移已知反應(yīng)釜串聯(lián)的個(gè)數(shù)n以及反應(yīng)體積VR(也就是停留時(shí)間)，求終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAf已知終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAf，求串聯(lián)的個(gè)數(shù)n(已知反應(yīng)體積，即停留時(shí)間)已知終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAf，求反應(yīng)體積VR(已知串聯(lián)的個(gè)

23、數(shù)n)例5.3 用圖解法解決例5.2中的兩等體積釜串聯(lián)問題。解：屬圖解法的第種情況，應(yīng)采用試差法由 已 知 條 件 知rA=9.92CA02(1-xA)2，據(jù)此描繪出動(dòng)力學(xué)曲線MN；過原點(diǎn)O作直線OP1交動(dòng)力學(xué)曲線于P1點(diǎn)(OP1為第一釜的物料衡算線)；過P1作垂線P1S1交橫軸于S1點(diǎn)，過S1作OP1的平行線S1P2交動(dòng)力學(xué)曲線于P2點(diǎn)，過P2作橫軸的垂線P2S2交橫軸于S2點(diǎn)，于圖上讀得點(diǎn)S2的橫坐標(biāo)(第二釜的轉(zhuǎn)化率)為0.830.875，表明第一次所作的物料衡算線的斜率偏大，即停留時(shí)間過短。按上述方法重新作圖，直到第二釜的出口轉(zhuǎn)化率為0.875，如圖所示的物料衡算線OP1、S1P2，此時(shí)

24、P1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第一釜的轉(zhuǎn)化率為0.725。量取P1點(diǎn)的縱坐標(biāo)，計(jì)算出直線OP1的斜率為0.0066，所以s 1 .12=0066. 008. 0=于是，總反應(yīng)體積為3m72. 6=1 .12278. 02=RV)-(1 -0AiAiiAAixxCr得5.3.3 多釜串聯(lián)反應(yīng)器組以總反應(yīng)體積最小為目標(biāo)的各釜轉(zhuǎn)化率的最佳分配問題的提出：由以上的討論可以看出，對(duì)于多釜串聯(lián)反應(yīng)器組，當(dāng)物料處理量、物料的初濃度及終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，反應(yīng)器的臺(tái)數(shù)、各釜的反應(yīng)體積和轉(zhuǎn)化率之間存在一定關(guān)系，那么，在各釜之間是否存在一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)化率分配，使得總的反應(yīng)體積為最小呢？先以兩釜串聯(lián)為例設(shè)兩釜串聯(lián)，等溫恒容，一級(jí)不可逆反應(yīng)

25、， rA=kCA0 (1-xA) ，要求終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%)1-1(21211021AAAAAVRRRxxxxxkFVVV總反應(yīng)體積為 ( rA=kCA0 (1-xA) )描繪VRk/FV0 xA1于直角坐標(biāo)系中，可見總反應(yīng)體積隨著xA1的變化而變化，當(dāng)xA1=0.55時(shí)，VR達(dá)到最小多釜串聯(lián)時(shí)，仍設(shè)各釜溫度相同，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，則總反應(yīng)體積VR)- 1- 1-(1 -10101AnAnAnAAAVniRiRxxxxxxkFVV 為使總反應(yīng)體積VR最小，將上式分別對(duì)xA1、xA2 xAn求導(dǎo)，于是) 1-,., 2 , 1(),11-)1 (1(121 -0nixxxkFxVAiAiAi

26、VAiR則令, 0AiRxV) 1, 2 , 1( , 011)1 (1121 nixxxAiAiAi此式為總反應(yīng)體積最小應(yīng)滿足的條件。共有n-1個(gè)方程(因xAn已確定)，聯(lián)立求解可算出各釜轉(zhuǎn)化率。將上面的方程變形：) 1, 2 , 1( ,111111 nixxxxAiAiAiAi等式兩端再同時(shí)減1，得) 1, 2 , 1( ,11111 nixxxxxxAiAiAiAiAiAi) 1, 2 , 1( ,1111010 nixxxkFxxxkFAiAiAiVAiAiAiV即也就是VRi=VR(i+1)，這說明要保證總反應(yīng)體積最小，應(yīng)使各釜反應(yīng)體積相等。但此結(jié)論不可無條件推廣，對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，

27、應(yīng)采用類似方法另行處理。415.4.15.4.1連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱衡算方程連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱衡算方程 若忽略反應(yīng)流體的密度和定壓比熱隨溫度的變化，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)無須考慮時(shí)間自變量，反應(yīng)器在定常態(tài)下操作時(shí)無須考慮時(shí)間自變量，且以整個(gè)反應(yīng)體積為控制體積時(shí)，對(duì)反應(yīng)器作單且以整個(gè)反應(yīng)體積為控制體積時(shí)，對(duì)反應(yīng)器作單位時(shí)間的熱量衡算。其熱量衡算式為：位時(shí)間的熱量衡算。其熱量衡算式為： )()(00srARpTTKFqrVTTcn式中0為物料進(jìn)口溫度，T為反應(yīng)溫度，Ts為換熱介質(zhì)溫度， 為溫度在T與0之間的平均定壓熱容， n0為物料進(jìn)口的總摩爾流量， r為

28、摩爾反應(yīng)熱， 為傳熱系數(shù)，F(xiàn)為傳熱面積。 pc42 工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，不僅要確定反應(yīng)器的大小尺寸，而且要考慮如何控制溫度和確定可操作條件。 對(duì)快速、溫度敏感性強(qiáng)的、反應(yīng)熱效應(yīng)大的化學(xué)反應(yīng)，在散熱條件不能滿足及時(shí)傳熱要求時(shí)，很容易出現(xiàn)“飛溫”或“溫度失控”，這就是熱不穩(wěn)定性現(xiàn)象。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象往往會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的破壞，甚至發(fā)生事故。因此，設(shè)計(jì)和操作時(shí)都需考慮反應(yīng)器的熱穩(wěn)性問題。43在一種定常態(tài)操作時(shí)，由于進(jìn)料、傳熱劑等操作參數(shù)發(fā)生偏離擾動(dòng)發(fā)生偏離擾動(dòng)，使反應(yīng)器偏離定常態(tài)操條件偏離定常態(tài)操條件，但在擾動(dòng)消除消除后，反應(yīng)系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)原來盡快地恢復(fù)原來的定常態(tài)，我們稱這種定常態(tài)是穩(wěn)定的定常

29、態(tài)。在一種定常態(tài)操作時(shí)，由于進(jìn)料、傳熱劑等操作參數(shù)發(fā)生微小的偏離干擾微小的偏離干擾足以使反應(yīng)器的操作狀態(tài)大大地偏離大大地偏離原先規(guī)定的定常操作，即使擾動(dòng)消消除除，系統(tǒng)也不能恢復(fù)不能恢復(fù)至原有狀態(tài)，不具有抗干擾能力，這就叫不穩(wěn)定的定常態(tài)。44以理想混合反應(yīng)器為例，介紹有關(guān)熱穩(wěn)定性的問題。 設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單放熱反應(yīng)APk其動(dòng)力學(xué)方程為r=kCA,穩(wěn)定操作時(shí)，其熱平衡方程如下：)()(00sprRATTKFTTcnqVr方程的左邊為化學(xué)反應(yīng)熱，設(shè)為Qr，右邊為系統(tǒng)與外界的熱交換，設(shè)為Qg，則 rRArqVrQ )()(00spgTTKFTTcnQAaAACRTEAkCr)/exp(0ArRrCRTEaAq

30、VQ)/exp(0sppgKFTTcnTKFcnQ000)(從Qr-T和g-T關(guān)系式可以看到，r和T是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而g和T則是線性關(guān)系 45圖5-10放熱反應(yīng)的Qr和Qg線圖上反應(yīng)放熱曲線和散熱線相交于a、b、c三點(diǎn)，三個(gè)交點(diǎn)都滿 足 熱 平 衡 條 件Qr=Qg，表明可能存在三個(gè)定常狀態(tài)。 a、b、c三點(diǎn)有什么不同？分析可知a、c點(diǎn)是定態(tài)穩(wěn)定點(diǎn)，b點(diǎn)為不穩(wěn)定的定態(tài)點(diǎn)。 為什么？一般選擇上定態(tài)點(diǎn)，即圖5-10中的c點(diǎn) (a轉(zhuǎn)化率低）46在實(shí)際生產(chǎn)中，希望只在一種穩(wěn)定工況下操作，同時(shí)希望在反應(yīng)速率較大的工況下操作，要做到這一點(diǎn)可通過改變進(jìn)料溫度T0和其流量n0來實(shí)現(xiàn)。 圖5-11改變進(jìn)料溫度得

31、到不同的操作狀態(tài) 在D線時(shí)的進(jìn)料溫度一般稱為著火溫度或起燃溫度，相應(yīng)的點(diǎn)4稱為著火點(diǎn)或起燃點(diǎn)。B線溫度為熄火溫度，點(diǎn)6為熄火點(diǎn)。 著火與熄火現(xiàn)象對(duì)于反應(yīng)器操作控制甚為重要，特別是開停工的時(shí)候 課本圖標(biāo)錯(cuò)了，改正一下5.5 返混對(duì)復(fù)雜反應(yīng)產(chǎn)品分配的影響就復(fù)雜反應(yīng)而言，反應(yīng)過程中主副產(chǎn)物生成量的相對(duì)多少，主要取決于主副反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)速率主副反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)速率。如果不考慮溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，則產(chǎn)品分布主要決定于反應(yīng)物的濃度分布濃度分布(由于不同級(jí)數(shù)的反應(yīng)對(duì)濃度的敏感程度不同)，而返混恰恰可以通過影響反應(yīng)物的濃度分布而影響產(chǎn)品分布.下面分別討論返混對(duì)平行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)的影響4.6.1 平行反應(yīng)設(shè)在等溫下進(jìn)行

32、下列平行反應(yīng)：)(主RARK)(副SASK速率方程分別為：mARRRCkdtdCrnASSSCkdtdCr目的產(chǎn)物R和副產(chǎn)物S的生成量的比取決于兩者生成速率之比，即nmASRSRSRCkkdCdCrr顯然，這個(gè)比值越大，目標(biāo)產(chǎn)物R的生成量就越多；反之，副產(chǎn)物S的生成量就越多在一定的溫度下，由于kR/kS為定值，所以rR/rS的比值取決于CAm-n的大小在連續(xù)釜式反應(yīng)器中，由于存在物料的返混現(xiàn)象，返混現(xiàn)象，使反應(yīng)物的濃度降低使反應(yīng)物的濃度降低，從而影響CAm-n的大小(1) mn，即主反應(yīng)的級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù)，即主反應(yīng)的級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù)CA降低之后使CAm-n的值減小，使得rR/rS變小，表明

33、返混對(duì)生成主產(chǎn)物R不利(2) mn，即主反應(yīng)的級(jí)數(shù)小于副反應(yīng)級(jí)數(shù)，即主反應(yīng)的級(jí)數(shù)小于副反應(yīng)級(jí)數(shù)CA降低之后使CAm-n的值增加，使得rR/rS變大，表明返混對(duì)生成主產(chǎn)物R有利(3) m=n，即主反應(yīng)的級(jí)數(shù)等于副反應(yīng)級(jí)數(shù)，即主反應(yīng)的級(jí)數(shù)等于副反應(yīng)級(jí)數(shù)rR與rS的比值與CA無關(guān)，表明返混對(duì)這類平行反應(yīng)的產(chǎn)品分配無影響由上述分析可知改變反應(yīng)物濃度是控制平行反應(yīng)中目標(biāo)化合物收率的重要手段一般而言，高的反應(yīng)物濃度對(duì)高級(jí)數(shù)反應(yīng)有利，高的反應(yīng)物濃度對(duì)高級(jí)數(shù)反應(yīng)有利，而對(duì)于主副反應(yīng)級(jí)數(shù)相同的平行反應(yīng)，濃度的而對(duì)于主副反應(yīng)級(jí)數(shù)相同的平行反應(yīng)，濃度的高低不影響產(chǎn)品分配高低不影響產(chǎn)品分配所以在選擇反應(yīng)器的型式時(shí)，除考慮物料相態(tài)等一般性因素之外，對(duì)于平行反應(yīng)，還應(yīng)盡量使目標(biāo)產(chǎn)物的收率提高。一般而言，對(duì)于第(1)種情況，應(yīng)采用間歇反應(yīng)器、管式連