間歇釜式反應(yīng)器

1、會計學1間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器第1頁/共97頁21.釜的主體釜的主體，提供足夠的容積，確保達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的時間 2.攪拌裝置攪拌裝置，由攪拌軸和攪拌器組成，使反應(yīng)物混合均勻，強化傳質(zhì)傳熱 3.傳熱裝置傳熱裝置，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(yīng)溫度 4.傳動裝置傳動裝置,是使攪拌器獲得動能以強化液體流動。6.工藝接管工藝接管, ,為適應(yīng)工藝需要為適應(yīng)工藝需要 5.軸密封裝置軸密封裝置，用來防止釜體與攪拌軸之間的泄漏 第2頁/共97頁3第3頁/共97頁4輔助時間占的比例大輔助時間占的比例大 , ,勞動強度高，生產(chǎn)效率低勞動強度高，生產(chǎn)效率低. .操作靈活性大，便于控

2、制和改變反應(yīng)條件操作靈活性大，便于控制和改變反應(yīng)條件 非穩(wěn)態(tài)操作非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)過程中，溫度、濃度、反應(yīng)，反應(yīng)過程中，溫度、濃度、反應(yīng)速度隨著反應(yīng)時間而變速度隨著反應(yīng)時間而變 同一瞬時，反應(yīng)器內(nèi)各點同一瞬時，反應(yīng)器內(nèi)各點溫度、濃度分布均勻溫度、濃度分布均勻* *結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，傳質(zhì)、傳熱效率高結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，傳質(zhì)、傳熱效率高 l反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出第4頁/共97頁52、應(yīng)用應(yīng)用適合于多品種、小批量生產(chǎn)適合于多品種、小批量生產(chǎn)適應(yīng)于各種不同相態(tài)組合的反應(yīng)物料適應(yīng)于各種不同相態(tài)組合的反應(yīng)物料第5頁/共97頁61、求算反應(yīng)器的容積與數(shù)量需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)求

3、算反應(yīng)器的容積與數(shù)量需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)第6頁/共97頁7DDGV=FV=VD/24GD每天所需處理的物料總重量 物料的密度第7頁/共97頁8時第8頁/共97頁9第9頁/共97頁10VR=FVt第10頁/共97頁11條 件裝料系數(shù)范圍無攪拌或緩慢攪拌的反應(yīng)釜0.800.85帶攪拌的反應(yīng)釜0.700.80易起泡或沸騰狀況下的反應(yīng)0.400.60液面平靜的貯罐和計量槽0.850.90第11頁/共97頁12VaFVVVaD2424=t按設(shè)計任務(wù)需用的設(shè)備個數(shù)為： VatFVtVmVaD=24=第12頁/共97頁13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(shè)備總能力比設(shè)計需求提高了。其提

4、高的程度稱為設(shè)備能力的后備系數(shù)后備系數(shù)，以表示，%100mmm則 第13頁/共97頁14（2）已知每小時處理的物料體積FV與操作周期t,求設(shè)備體積與個數(shù) 需要設(shè)備的總?cè)莘e為：mVmVVtF=如果反應(yīng)器容積V V的計算值很大，可選用幾個小的反應(yīng)器 若以m表示反應(yīng)釜的個數(shù)，則每個釜的容積:Vm=V/m=FVt/( m) 為便于反應(yīng)器的制造和選用，釜的規(guī)格由標準(GB 9845-88)而定。 %100%100mmmaaVVVVVV第14頁/共97頁15第15頁/共97頁16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)，

5、求需要還原鍋的個數(shù)與容積。設(shè)備裝料系數(shù)取0.753、計算示例、計算示例物料處理量FV一般由生產(chǎn)任務(wù)確定，輔助時間t0視實際操作情況而定，反應(yīng)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以及等第16頁/共97頁17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(shè)備的總?cè)莘e為37 .1775. 0/1683. 0/ mtFVV 取兩臺釜，每釜容積為8.85m3，采用標準容積為10m3的反應(yīng)釜，后備能力為%0 .13%10085. 8/

6、 )85. 810(思考 如果取受料時間為1h，結(jié)果如何？第17頁/共97頁18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%第18頁/共97頁19受料還原024681012

7、141618202224246810時間（小時）鍋號還原受料受料還原還原受料還原受料還原受料101102201202301302123第19頁/共97頁20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(shè)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)： =24/17=1.41 每天生產(chǎn)西維因農(nóng)藥數(shù)量： 10001000300=3330Kg（GD） 需要設(shè)備總?cè)莘e: mVm=（3330/1.41）20010-3/12.5=37.8m3 取Va為10 m3的最大搪瓷

8、鍋4臺。=（4-3.78）/3.78100%=5.82%第20頁/共97頁21第21頁/共97頁22L6269631000984. 0175. 01441282433099. 01040003L27084. 1100098. 0175. 014407. 1982433099. 01040003LtFVV439075. 067. 3896%9 .13%1004390439025002根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，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(yīng)器的體積為：若采用2500L標準反應(yīng)器兩個，則反應(yīng)器的生產(chǎn)能力后備系數(shù)為：SO3HOH12

9、8144H2SO4+98第22頁/共97頁23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：總操作批數(shù)相等的條件是：m11 = m22 = =mnn或 2211=.=nntmtmtm即各工序的設(shè)備個數(shù)與操作周期之比要相等 各工序的設(shè)備容積之間保證互相平衡 即333222111=aVaVaVVFVFVF或 333222111=aDaDaDVVVVVV第23頁/共97頁24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?，F(xiàn)有鑄鐵磺化鍋的規(guī)格2 m3，2.5 m3及3m3三種。試設(shè)計各工序的設(shè)備容積與數(shù)量。已知各工序的VD，t及 如下表：工序VD（m

10、3） t （h）磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.54.01.53.05.00.800.850.600.60第24頁/共97頁25解： （1）先作磺化工序的計算 如取Va=2 m3，計算5 .12=28 . 020=VaVD6=424=24=t65 .12=m%44%10008. 208. 23%100mmm再取Va=2.5 m3與Va=3 m3做同樣計算，結(jié)果列于下表中：mVam%2.02.53.00.80.80.812.510.08.346662.081.671.58322442044第25頁/共97頁26使水解工序：=10=24/1.5=16，m=10/16=0.625取

11、m水解鍋容積的計算：VaVD=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第26頁/共97頁27同樣方法計算吹萘及中和二個工序。將各工序計算結(jié)果列表如下：m工序VD（m3）m%Va磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.51010101061684.81.670.6251.252.08212319.86060442.52.52190.80.850.60.6第27頁/共97頁283.3 等溫間歇釜式反應(yīng)釜釜的計算*反應(yīng)器容積V反應(yīng)器有效體積VR

12、FV, tt = t + t0確定反應(yīng)時間的兩種方法：經(jīng)驗法; 動力學法間歇反應(yīng)屬非定態(tài)操作，反應(yīng)時間取決于所要達到的反應(yīng)進程反應(yīng)器內(nèi)各處濃度、溫度均一，所以，可對其中某一反應(yīng)物做物料衡算，以確定反應(yīng)時間。第28頁/共97頁29設(shè)在間歇反應(yīng)器內(nèi)進行如下化學反應(yīng) ABR 的積累速度反應(yīng)器中的反應(yīng)量單位時間的流出量單位時間的流入量單位時間AAAARAVr dtCVddtdnARA）（= 0 0 1.1.反應(yīng)時間的計算反應(yīng)時間的計算若VR為反應(yīng)混合物的體積(反應(yīng)器有效容積)；rA為t時刻的反應(yīng)速率；nA0為反應(yīng)開始時A的摩爾量；nA為t時刻的A的摩爾量。并以A為關(guān)鍵組分作微元時間dt內(nèi)的物料衡算。

13、dtdnVrARA/第29頁/共97頁30*00AxRAAAVrdxnt00/ )(AAAAnnnx適用于任何間歇反應(yīng)過程。 AAAdxndn0dtdxnVrAARA/0第30頁/共97頁31恒容條件下：RAAVnC/00所以00000/ )(/ )(AAAAAAAAAACdCdxCCCnnnx取 t=0 時 xA= 0、CACA0；t=t 時 xA=xAf、CA= CAf，積分得*00AfxAAArdxCt*0AfACCAArdCt其中rA一般具有 rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式 反應(yīng)器的有效體積反應(yīng)器的有效體積 VR=FV (tt0) 第31頁/共97

14、頁32等溫恒容下的簡單反應(yīng)的反應(yīng)時間積分表*化學反應(yīng)速率微分式反應(yīng)時間積分式 (1) 零級反應(yīng)AR (2) 一級反應(yīng)AR(3) 二級反應(yīng)AR(4) 二級反應(yīng)A+BR(CA0=CB0)(5) 二級反應(yīng)A+BR(CA0CB0)AAACCkxkt0ln1)1/(1ln(1AAkCr AACkr2)11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt0AAkCr kCCkCxtAfAAAf00/BAACkCr BAACkCr )11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt)()(ln)(1000000RBARABBACCCCCCCCkt第32頁/共97頁33例3-6間歇反應(yīng)A+BR+S，二級不

15、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(yīng)體積反應(yīng)體積為9.0m3時的A的轉(zhuǎn)化率。解：由解上述方程得%0 .80Afx)1 (0AfAAfxkCxt001AAAfktCktCx)(0ttFVVR得又由得0/tFVtVR第33頁/共97頁34例3-7：在間歇反應(yīng)器中進行己二酸和己二醇的縮聚反應(yīng),其動力學方程為rA=kCA2 kmol/(Lmin)，k=1.97L/(kmolmin)。己二酸與己二醇的摩爾配比為1:1，反應(yīng)混合物混合物中己二酸的初始濃度為0.004kmol/L。若每天

16、處理己二酸2400kg,要求己二酸的轉(zhuǎn)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(yīng)器體積。解：h5 . 8)1 (0AfAAfxkCxt2202)1 (AAAAAxkCkCdtdCr積之得第34頁/共97頁35物料的處理量為L/h0 .171004. 0146242400VF操作周期為h5 . 90ttt反應(yīng)體積為L1625tFVVR反應(yīng)器容積為L2167/RVV思考 計算FV時，為什么不考慮己二醇？第35頁/共97頁36CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OABRS例3-8在攪拌良好間歇操作釜式反應(yīng)器中，以鹽酸作為催化劑，用乙酸和乙醇生產(chǎn)乙酸乙酯，反

17、應(yīng)式為：已知100時，反應(yīng)速率方程式為SRBAACCkCCkr21第36頁/共97頁37解：乙酸的初始濃度0 . 4=3785. 0608 .90=0AC乙醇的初始濃度4 .10=3875. 0466 .181=0BC水的初始濃度183785. 018)6 .1818 .90(043. 13875. 00SC設(shè)XA為乙酸的轉(zhuǎn)化率，則各組分的瞬時濃度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為)1 (4AAxCABxC44 .10ARxC4=ASxC4+18=kmol/m3kmol/m3kmol/m3第37頁/共97頁38代入反應(yīng)速率方程式，則得)418(41063. 1)44 .10)(1 ( 41076. 444AAA

18、AAxxxxr=)063. 049. 0248. 0(10822AAxx 所以AfAfxAAAxAAAxxdxrdxCt02200063. 049. 0248. 01084 =AfxAAxx0422. 0490. 0125. 0422. 0490. 0125. 0ln422. 050 =912. 0068. 0068. 0125. 0912. 0125. 0ln422. 050AfAfxx當t=120min，用上式算得：xAf=0.356，即35.6%乙酸轉(zhuǎn)化成乙酸乙酯。第38頁/共97頁39（2） 間歇反應(yīng)釜的最佳反應(yīng)時間問題的提出 ：操作時間包括反應(yīng)時間和輔助時間，輔助時間一般是固定的；延

19、長反應(yīng)時間可提高產(chǎn)品收率，但反應(yīng)后期，反應(yīng)物濃度降低，反應(yīng)的推動力變小，反應(yīng)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(yīng)時間，產(chǎn)品收率低，但反應(yīng)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(yīng)存在一最佳反應(yīng)時間，使得操作單位時間內(nèi)獲得的產(chǎn)品量為最大。第39頁/共97頁40 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(yīng)AR，若反應(yīng)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(yīng)時間求導200)/()/)(/ttCdtdCttVdtdGRRRR若使GR為最大，可令 dGR/dt = 0，于是)/(/0ttCdtdC

20、RR此為使單位操作時間內(nèi)產(chǎn)物收獲量為最大應(yīng)滿足的條件。思考 上述結(jié)果是否表明該最優(yōu)反應(yīng)時間與其動力學特征無關(guān)？第40頁/共97頁41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(yīng)時間。 第41頁/共97頁42 以單位產(chǎn)品生產(chǎn)費用最低為目標設(shè)一個操作周期中單位時間內(nèi)反應(yīng)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(yīng)時間求導)/()/)(/200RRRFRCVdtdCataataCdtdZ若使Z為最大，可

21、令 dZ/dt = 0，于是)/ )(/(/00aatatCdtdCFRR此為單位生產(chǎn)量的總費用最小應(yīng)滿足的條件。第42頁/共97頁43圖解法圖解法/ )(00FtOB.自B0,/ )(00Ft 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(yīng)時間t=OE， 相應(yīng)的CR值由縱坐標得知。 .作CRt圖間歇反應(yīng)最佳反應(yīng)時間圖解法示意圖 目標不同時，最佳反應(yīng)時間不同。第43頁/共97頁443.3.2 復雜反應(yīng)(考慮平行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)) 平行反應(yīng) 平行反應(yīng)的基本特征是相同的反應(yīng)物能進行兩個或兩個以上的反應(yīng)。其中R為目標產(chǎn)物，則A的轉(zhuǎn)化率、組份濃度與反應(yīng)時間

22、的關(guān)系可由物料衡算求得。 A1kR （主反應(yīng)） ARCkr1A2kS （副反應(yīng)） ASCkr2ASRAAACkkrrrrr)(212,1 ,設(shè)等溫間歇反應(yīng)器中進行一級平行反應(yīng)：第44頁/共97頁45對于A：對于R：對于S：0/)(21dtdnCkkVAAR0/-1dtdnCkVRAR0/-2dtdnCkVSAR第45頁/共97頁46對于A：對于R：對于S：0=/+)+(21dtdCCkkAA0/-1dtdCCkRA0/-2dtdCCkSA恒容條件下，上述方程可用濃度表達第46頁/共97頁47A的衡算方程表達了A的濃度(A的轉(zhuǎn)化率)與反應(yīng)時間的關(guān)系。設(shè) t=0時，CA=CA0，xA0=0，積之得

23、:AfAAxkkCCkkt11ln1ln121021把CA關(guān)于t的表達式代入R的衡算方程，并設(shè) t=0時，CR=0，積之得:也就是)(exp(210tkkCCAA)(exp(1 (212101tkkkkCkCAR第47頁/共97頁48同理)(exp(1 (212120tkkkkCkCAS由CR和CS的關(guān)于反應(yīng)時間的表達式可知:21kkCCSR第48頁/共97頁49對于上例瞬時選擇性： 211kkkdCdCrrSARARR收率： AARRRxkkkCCCY21100-第49頁/共97頁50例3-8 在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進行以下恒容液相反應(yīng)：A+BR，rR=2CA kmol/(m3h)2AS，

24、rS=0.5CA2 kmol/(m3h)反應(yīng)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(yīng)時間為3h的A的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率和R的收收率率以及生成R的選擇性選擇性。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22/-AAAACCrdtdC積之得第50頁/共97頁51)+2()+2(ln21=00AAAACCCCt代入已知條件得CAf=2.4810-3kmol/m3，即反應(yīng)3h后A的濃度此時xA=(2.0-2.4810-3)/2.0=0.9988=99.88%22/-AAACCdtdC又由及ARCdtdC2=/得2/11

25、-/AARCdCdC積之得第51頁/共97頁52AfARfCCAARCdCdC02/1C0于是2/+12/+1ln2=0AfARfCCC代入數(shù)據(jù)得CRf=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(zhuǎn)化了99.88%，而轉(zhuǎn)化生成R只有69.2%，其余的30.68%則轉(zhuǎn)化為S。第52頁/共97頁53 串聯(lián)反應(yīng) 設(shè)在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進行某一級不可逆串聯(lián)反應(yīng)各組分的速率方程分別為： AACkr1 =-dtdCAPAPCkCkr21- = =dtdCPPSCkr2dtdCS=12k

26、kAPS 第53頁/共97頁54若0t 時0000AAPSCCCC 由AACkdtdC1得tkAAeCC10所以tkAex11AAAxkCCkt11ln1ln1101PAPCkCkdtdC21-tkAAeCC10把代入得到tkAPPeCkCkdtdC1012)()(xQyxpdxdy形如的一階線性微分方程取t=0時，CP=0，積之得)exp()exp(120211tktkCkkkCAP第54頁/共97頁55 因 CA + CP + CS = CA0所以 CS= CA0- CA- CP )exp()exp(112112210tkktkkkkCCAS01210120exp()exp()pAPAAA

27、ACCkk tk tCCkk CC 12112exp()exp()PkYk tk tkk第55頁/共97頁56根據(jù)各反應(yīng)組分濃度與反應(yīng)時間關(guān)系的三個關(guān)系式以時間對濃度作圖 串聯(lián)反應(yīng)的組分濃度與反應(yīng)時間的關(guān)系 當目的產(chǎn)物為P時就需要控制反應(yīng)時間，以使P的收率最大. 第56頁/共97頁57為使YR最大，應(yīng)滿足dYR/dt=0，即0)exp()exp(1122211tkktkkkkkdtdYP2112)exp()exp(kktktk將上式兩邊取對數(shù)整理得最優(yōu)反應(yīng)時間 即2121ln1kkkktP的最大濃度 )lnexp()lnexp(21211212120211max,kkkkkkkkkkCkkkC

28、AP212102()kkkAkCk122210maxmaxkkkAPPkkCCY第57頁/共97頁583.4 變溫間歇釜的計算問題的提出問題的提出*化學反應(yīng)經(jīng)常伴有熱效應(yīng)。對于釜式間歇反應(yīng)而言，要做到等溫時極其困難的；化學反應(yīng)通常要求溫度隨著反應(yīng)進程有一個適當?shù)姆植迹垣@得較好的反應(yīng)效果。因此研究非等溫間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計與分析具有重要的實際意義。變溫操作時，要對反應(yīng)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。第58頁/共97頁59內(nèi)熱量的積累微元體積微元時間、或載熱體的熱量體積傳遞至環(huán)境微元時間內(nèi)微元生的熱量產(chǎn)體積內(nèi)由于反應(yīng)微元時間、微元料帶走的熱量微元體積的物微元時間內(nèi)

29、離開所帶進的熱量微元體積的物料微元時間內(nèi)進入由于是間歇操作，可取整個釜作為衡算單元。量積累速度反應(yīng)器中熱傳給環(huán)境的熱量單位時間內(nèi)體系反應(yīng)的放熱量單位時間內(nèi)第59頁/共97頁60設(shè)Q1、Q4分別為時刻t時物料帶入、帶出微元體積的熱量；Q2表示時刻t時間壁傳熱量；Q3表示時刻t時化學反應(yīng)產(chǎn)生的熱； Q5表示時刻t時熱累積量，于是：Q1 = Q4 = 0)(2TsTKAQdtdxnqVrqQAArRAr03=5dtdTCnQi vi第60頁/共97頁61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為基準基準的摩爾反應(yīng)熱，放熱反應(yīng)取正直；nA0為

30、A組份的起始摩爾流量；ni、Cvi分別表示反應(yīng)器中的組份i的摩爾數(shù)和定容摩爾熱容摩爾熱容；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(yīng)釜的傳熱面積；T為反應(yīng)物溫度；Ts為傳熱介質(zhì)溫度*)(-0TsTKAdtdxnqdtdTCnAArivi第61頁/共97頁62由此可見，對于一定的反應(yīng)物系，反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度、關(guān)鍵組份的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率都取決于物系與外界的傳熱速率傳熱速率.另一方面，對于非等溫過程，由于其反應(yīng)速率常反應(yīng)速率常數(shù)數(shù)是隨溫度的變化而變化的，所以，要想準確描述反應(yīng)溫度、關(guān)鍵組份的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系，須聯(lián)立熱平衡方程與動力學方程(物料平衡方程)求解。第62頁/共97頁

31、63當Q2=0，即絕熱情況下，熱平衡方程為dtdxnqdtdTCnAAriVi0=起始條件積分上式得*)-(000AAi viArxxCnnqTTT0、xA0分別為反應(yīng)開始時的物系溫度及A組份的轉(zhuǎn)化率此式稱為間歇釜式反應(yīng)器的絕熱方程，表明絕熱條件下，反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系。第63頁/共97頁64若平均熱容可視為常數(shù)，絕熱方程可表達為*)(00AAxxTTvArCyq0其中稱為絕熱溫升，其物理意義為反應(yīng)物中的A組份完全轉(zhuǎn)化時，引起物系溫度變化的度數(shù)。 思考 就間歇釜式反應(yīng)器而言，該絕熱方程有哪些應(yīng)用？若以yA0表示組份A的初始摩爾分數(shù)，則*)-(000AAvArxxCyqTT第64頁/共97

32、頁650dtdT)(0TsTKAdtdxnqAAr若為恒溫過程qTTKAVqrSRrA)(第65頁/共97頁66為了保持在等溫下進行操作，化學反應(yīng)過程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)必須與外界進行熱交換，而且反應(yīng)系統(tǒng)與外界交換的熱量應(yīng)該等于反應(yīng)放出的熱量（放熱反應(yīng)）或吸收的熱量（吸熱反應(yīng)），其關(guān)系式可以下式表示RrAVqqr=q 反應(yīng)系統(tǒng)與外界傳熱速率kJ/h上式變形為RrAVqrq = 因為反應(yīng)物料VR和等溫下進行的熱效應(yīng)qr均為定值，所以傳熱量變化規(guī)律可以根據(jù)化學反應(yīng)速率來確定。對于不同反應(yīng)，則可按照其化學反應(yīng)動力學方程式進行具體計算。第66頁/共97頁67例3-9 設(shè)在間歇釜式反應(yīng)器中進行某二級不可逆反應(yīng)

33、A+BR。已知反應(yīng)熱為33.5kJ/molA；反應(yīng)物平均熱容為1980kJ/(m3K)。反應(yīng)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(yīng)物預熱預熱到326.0K后，從326.0K開始在絕熱絕熱條件下進行反應(yīng)，在溫度達到373.0K時開始等溫等溫反應(yīng)。計算A的轉(zhuǎn)化率達到0.98所需要的時間；若反應(yīng)始終在373K等溫進行，所需反應(yīng)時間又是多少？第67頁/共97頁68解：絕熱反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率和溫度的關(guān)系由絕熱方程確定。注意到反應(yīng)開始時混合物中不含產(chǎn)物，即xA0=0，所以AiiArxCvn

34、nqTT00ARiiAxVCvnCqTT/0r0 右端分子分母同除反應(yīng)體積VR，得右端分母即是以kJ/(m3K)給出的反應(yīng)混合物平均熱容AxT98.760 .326第68頁/共97頁69rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s)1.371012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0 xA)所以AxAAArdxCt00AxAABAAAxCCxdxx000)(1 (1037. 1)98.760 .32612628exp(12第69頁/共97頁70可知由AxT98.760 .326當絕熱反應(yīng)到373.0K開始等溫反應(yīng)時, xA=0.6105絕熱反

35、應(yīng)23.1min，A的轉(zhuǎn)化率達到0.6105后，開始在373.0K維持等溫反應(yīng)，至xA=0.98止于是 t絕熱 = 23.1min98. 06105. 000)(1 (1037. 1)12628exp(12AABAAxCCxdxTt等溫min8 .14第70頁/共97頁71所以，先絕熱再等溫的總反應(yīng)時間是37.9min若反應(yīng)始終再373.0K下等溫進行，則98. 0000)(1 (1037. 1)12628exp(12AABAAxCCxdxTt等溫min4 .16 思考 為什么先絕熱后等溫的反應(yīng)時間較始終等溫的長？第71頁/共97頁72例3-10鄰甲氧基重氮鹽水解反應(yīng)生成鄰甲氧基苯酚OCH3C

36、uSO4OHH2SO4N2OCH3N2SO4H+H2O+反應(yīng)動力學式為rAkCACB,以硫酸銅為催化劑，反應(yīng)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(yīng)熱效應(yīng)qr為502kJmol。在間歇攪拌鍋中進行，重氮鹽的終點轉(zhuǎn)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(guān)系。第72頁/共97頁73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/m3CA=CA0（1-xA），

37、CB=CB0-CA0 xArA=k CA CB= k CA0（1-xA）（CB0-CA0 xA）則 00AxAAArdxCt =xAAABAAAAxCCxkCdxC00000)(1 (=AABABABxxCCCCkC11ln)1 (100000=AAxx1)5/25. 0(1ln)5/25. 01 (5102 . 213第73頁/共97頁74簡化為：)694.95/exp(05. 0)694.95/exp(1ttxA式RrAVqrq =中dtdxCdtdCrAAAA0則 RrAAVqdtdxCq0=AxArRAtdxqVCdtq000)(第74頁/共97頁75積分得ArRAxqVcqt)(=0

38、上式中qt即為反應(yīng)進行至t時總需傳出熱量，亦即反應(yīng)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(zhuǎn)化率為0.8，則AArPxxqNQt5028 . 0124101008 . 03即 Qt=5.06105xAkJ所需冷卻水量為kgxxCQGAAPtt5510151. 0)2230(18. 41006. 5水第75頁/共97頁76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t（min）xAQt（kJ） Gt（kg） t（min）Q（kJ） G（kg）030609012015000.27930.47860.62170.72500.800

39、001411602419003142503664604042900422072409400109601209003030303030014116010074723605221037830042203020216015601130第76頁/共97頁771、半分批操作形式 （）此種操作主要適應(yīng)于以下幾種情況可以在沸騰溫度下進行的強放熱反應(yīng)，用氣化潛熱帶走大量反應(yīng)熱；要求嚴格控制反應(yīng)物A濃度；濃度高，A和C濃度低對反應(yīng)有利的場合；可逆反應(yīng)。第77頁/共97頁78（）主要適用于以下情況：要求嚴格控制鍋內(nèi)的濃度防止A過量副反應(yīng)增加的情況；保持在較低溫度下進行的放熱反應(yīng);A濃度低，濃度高對反應(yīng)有利的情況。

40、第78頁/共97頁79（）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(yīng)有利的場合。第79頁/共97頁80（）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(yīng)過程中的高濃度，對可逆反應(yīng)尤為適合。第80頁/共97頁812.半間歇反應(yīng)器設(shè)計計算半間歇反應(yīng)器設(shè)計計算 液相、等溫反應(yīng)A + B C 按（b）形式進行操作 V1 FVO CAO V C x r 反應(yīng)器內(nèi)瞬時物料體積隨時間變化關(guān)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(yīng)消耗量 = 積累量)(00VCdVdtrdtCFAAAV100()()(1)

41、AAAVAAd C Vdnd nF C txAAVAAVAdxtCFndtCFx)()1 (00100第81頁/共97頁82dtxCFVrdxtCFnAAVAAAVA)()(00001該式即可計算xA與t的關(guān)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 txCFVrxtCFnAAVAAAVA)()(00001平均若nA1=0，則 VdtrtxdCFAAAV=)(00寫成差分式為tVrtxCFAAAV平均)(=)(00第82頁/共97頁83例3-12在半連續(xù)操作反應(yīng)器中進行一級不可逆等溫反應(yīng)A+BC，rA=kCA，先在反應(yīng)器內(nèi)加入5

42、00l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(yīng)速度常數(shù)k=1.3310-2min-1。求（1）100分鐘后釜內(nèi)物料體積；（2）A的轉(zhuǎn)化率隨時間變化情況。解：（1）V=V1+FV0t=500+10100=1500l （2）因為nA1=0，所以可用差分式 計算 VxtFkCkCrAVAAA)1 (00tVrtxCFAAAV平均)(=)(00txFkCVrAVAA)1 (00第83頁/共97頁84）（平均1+1+21=)(iAiiAiAVrVrVr1121100iAiiAiAVtxtxCkF）（）（iittt1iAAiiAiAtxxt

43、xtx111)(將)(txA、（rAV）代入式 得 tVrtxCFAAAV平均)(=)(00)(1/2() 1/2(21tttktxtkttxiiAiiAi第84頁/共97頁85取t，初始條件i=0，t0=0和上式進行迭代求解 例如取t=10min計算結(jié)果如下表：T（min）102030405060708090100 xA0.0620.1210.1740.2240.2690.3110.3490.3840.4170.447第85頁/共97頁86例3-13將例3-9改為半間歇操作，溫度不變。先把1m3濃度為4.0kmol/m3的B投入釜內(nèi)，再將1m3濃度為4.0kmol/m3的A于3h內(nèi)均勻地連續(xù)加到釜內(nèi)，使之與B反應(yīng)，問加完后，A的轉(zhuǎn)化率、R的收率和生成R的選擇性各是多少。解：該間歇操作屬連續(xù)加料而間歇出料的情況，對反應(yīng)物A進行物料衡算加入量=反應(yīng)量+累計量，也就是dtCVdVrCFARRAAV/ )(00其中第86頁/共97頁872234/AAAACCtCdtdCrA= rR+2rS=2CA+CA2，F(xiàn)V0=1/3 m3/h，VR=1 + t/3于是一階非線性方程，可由計算機求其數(shù)值解t/hCA/kmolm-3t/hCA/kmolm-3002.00.33670.40.31032.40.31600.80.38022.80.29721.20.37833.0