第5章釜式連續(xù)反應(yīng)器課件

1、第5章釜式連續(xù)反應(yīng)器課件定義：連續(xù)釜式反應(yīng)器是一種以釜式反應(yīng)器實現(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，勞動強(qiáng)度低，操作費用小，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易實現(xiàn)自控等優(yōu)點。物料隨進(jìn)隨出，連續(xù)流動，原料進(jìn)入反應(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)推動力較小，反應(yīng)速率較低，可使某些對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)生一定程度的波動時，不會引起釜內(nèi)反應(yīng)條件的明顯變化，穩(wěn)定性好，操作安全。穩(wěn)態(tài)操作時，反應(yīng)器內(nèi)所有參數(shù)不隨時間變化，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2實現(xiàn)理想混合假設(shè)的必要條件：葉輪

2、的排料速率(循環(huán)量)為進(jìn)料流量的510倍。該判據(jù)可由以下公式表示：QR/QF510，其中QF為進(jìn)料流量；葉輪的排料速率QR可由以下經(jīng)驗公式估算：QR/nd3=NQR 式中：n為攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)；d為攪拌器葉輪直徑；NQR為無因次準(zhǔn)數(shù)。在有擋板的條件下，對于推進(jìn)式葉輪NQR=0.5；對于渦輪式葉輪(六葉，寬徑比為1:5)，NQR=0.93D/d(用于Re104，D為反應(yīng)器內(nèi)徑； d為攪拌器槳徑)。3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)器相同。其常見的進(jìn)出料方式如下45.2 連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計穩(wěn)態(tài)操作時，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)不隨時間變化，符合理想混合假設(shè)。由于不存在時間

3、變量，可取整個反應(yīng)釜作為衡算單元，對關(guān)鍵組份A作物料衡算輸入量=FV0CA0=nA0反應(yīng)量=rAVR輸出量=FVfCAf=nA累計量=0，所以FV0CA0=FVfCAf+ rAVR5.2.1 反應(yīng)體積5液相反應(yīng)時，可視為恒容，F(xiàn)V0=FVf；而且穩(wěn)態(tài)操作時，xA=xAf，CA=CAf，于是由于所以這就是等溫恒容液相連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計方程。在給定操作條件以及反應(yīng)的動力學(xué)方程后，可由簡單的代數(shù)計算求得反應(yīng)體積。6如果反應(yīng)器的進(jìn)料轉(zhuǎn)化率xA00，根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義CA0-CA=CA0(xA-xA0)，得到其中rA一般具有rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式，由于其中的溫度、濃度均為恒

4、定值，所以rA亦為恒定值，即連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的是恒速率的化學(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)器的重要特征。7在連續(xù)操作的反應(yīng)系統(tǒng)中，反應(yīng)體積與進(jìn)料的體積流量之比定義為停留時間，以表示。對于釜式連續(xù)反應(yīng)器，由于物料的停留時間并不相同，所以由上述定義計算得到的停留時間稱為平均停留時間。對于恒容過程5.2.2 停留時間此式可用代數(shù)法求解析解，例如在連續(xù)釜式反應(yīng)器中，進(jìn)行二級不可逆反應(yīng)：rA=kCA2=k(CA0(1-xA)2，則停留時間8如果rA的表達(dá)式較為復(fù)雜，如三級反應(yīng)或非整數(shù)級反應(yīng)，求其解析解可能比較困難，此時，可借助計算機(jī)求其數(shù)值解，或采用圖解法求解由此可見，對于給定的化學(xué)反應(yīng)

5、，若其動力學(xué)方程已知，則VR、僅為轉(zhuǎn)化率xA的函數(shù)，即95.2.3 平均停留時間的圖解法求解給定轉(zhuǎn)化率求停留時間以及給定停留時間求轉(zhuǎn)化率實際上是求下列方程組的解。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，因此，上述方程組可采用圖解法求解。10方法于rAxA直角坐標(biāo)系中描繪曲線rA=kCA0 n(1-xA)nMN已知終點轉(zhuǎn)化率xAf，求停留時間： 在xA軸上截取OQ=xAf，過Q作垂線，交MN于P點，由直線OP的斜率可計算出，進(jìn)而求得反應(yīng)體積VR已知停留時間，求終點轉(zhuǎn)化率xAf： 過原點o作斜率為CA0/的直線交MN于P點，P點的橫坐標(biāo)即為終點轉(zhuǎn)化率，直線OP稱為物料衡算線。1

6、1圖解法的優(yōu)點在于既可用已知的動力學(xué)方程作圖，也可以用實驗數(shù)據(jù)作圖，因此，在缺乏動力學(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/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。12rA=kCA=kCA0(1-xA)VR=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：由動力學(xué)方程式rA=kCA=kCA0(1-xA)知，rA與xA的關(guān)系為一直線，因此取兩點很容易地就可以在rAxA圖上繪

7、出動力學(xué)曲線MN。13由物料衡算式在橫坐標(biāo)上取xA=0.6一點做垂線交于MN線上與一點P，因進(jìn)口物料中不含反應(yīng)產(chǎn)物，即xA0=0，過O連接P點得物料衡算線（又稱操作線）OP，其斜率為CA0/,查圖得已知CA0=1 kmol/m3，則VR=FV0 =5.0m3145.3 連續(xù)釜式反應(yīng)器的并聯(lián)與串聯(lián)問題的提出連續(xù)釜式反應(yīng)器在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。但在反應(yīng)器設(shè)計過程中，常常遇到這樣的問題，即，是使用一個較大的反應(yīng)器完成生產(chǎn)任務(wù)，抑或是用若干個較小的反應(yīng)器實現(xiàn)反應(yīng)，這樣的反應(yīng)器組又如何計算，這是本節(jié)要解決的問題。155.3.1 并聯(lián)當(dāng)需要用單釜進(jìn)行連續(xù)操作，其體積過大而難于加工制造時，常常用若干個體積

8、較小的反應(yīng)釜并聯(lián)操作。其設(shè)計方法與單釜連續(xù)相同，但存在流量分配問題。16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xA1= xA2= = xAn由釜式反應(yīng)器的設(shè)計方程可知，為使各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，應(yīng)使反應(yīng)物在各釜的停留時間相同，即1=2= =n由于i=VRi/FV0i，所以，要使各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，應(yīng)使各釜的進(jìn)料流量與其對應(yīng)的反應(yīng)體積比相同，就是17實際生產(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)量過多，設(shè)備及操作費用會增加，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，確定并聯(lián)的臺數(shù)。185.3.2 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

9、動模型。設(shè)計時同樣要解決反應(yīng)體積和臺數(shù)的問題。其計算方法是采用單釜連續(xù)的計算方法進(jìn)行多次計算，也可以用圖解法。19如上圖所示的多釜串聯(lián)，恒容條件下，對第i釜進(jìn)行物料衡算：于是或或 解析法20第i釜的平均停留時間為：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，可確定達(dá)到指定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)器臺數(shù)。21例如，n釜串聯(lián)的反應(yīng)器中，進(jìn)行一級恒容不可逆反應(yīng)，rA=kCA，得即、由22連乘之，得若xAn為終點轉(zhuǎn)化率，則依轉(zhuǎn)化率的定義所以23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

10、 =kn=k ，于是，對于等溫恒容的一級反應(yīng)，在等體積串聯(lián)時，反應(yīng)物濃度、轉(zhuǎn)化率與每釜的停留時間的關(guān)系為：及所以24總反應(yīng)體積為由此可見對于一級反應(yīng)，在滿足等溫、恒容和等體積串聯(lián)的情況下，可由終點轉(zhuǎn)化率求出平均停留時間及反應(yīng)體積，反之亦可，那么對于非一級反應(yīng)呢？此時，總反應(yīng)時間為25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%，問分別以一個反應(yīng)釜兩個等體積的反應(yīng)釜三個等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)操作時，總的反應(yīng)體積各是多少。26解

11、：rA=kCACB=9.92CA2=9.92CA02(1-xA)2；xAf=0.875；FV0=0.278m3/s；CA0=0.08kmol/m3一個反應(yīng)釜 xA0=0兩個等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)相除得27由于xA0=0；xAf=0.875，所以其數(shù)值解為三個等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)28三元方程組，其數(shù)值解為單釜連續(xù)VR=19.6m3；雙釜連續(xù)VR=6.72m3；三釜連續(xù)VR=4.80m329由此可見，采用解析法計算非一級反應(yīng)的多釜串聯(lián)問題是比較繁復(fù)的。此時，可采用圖解法。 圖解法已知反應(yīng)釜串聯(lián)的個數(shù)n以及反應(yīng)體積VR(也就是停留時間)，求終點轉(zhuǎn)化率xAf已知終點轉(zhuǎn)化率xAf，求串聯(lián)的個數(shù)n(已知反應(yīng)體積

12、，即停留時間)已知終點轉(zhuǎn)化率xAf，求反應(yīng)體積VR(已知串聯(lián)的個數(shù)n)30描繪動力學(xué)曲線rA=f(xA)MN于直角坐標(biāo)系中31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)此描繪出動力學(xué)曲線MN；過原點O作直線OP1交動力學(xué)曲線于P1點(OP1為第一釜的物料衡算線)；32過P1作垂線P1S1交橫軸于S1點，過S1作OP1的平行線S1P2交動力學(xué)曲線于P2點，過P2作橫軸的垂線P2S2交橫軸于S2點，于圖上讀得點S2的橫坐標(biāo)(第二釜的轉(zhuǎn)化率)為0.730.875，表明第一次所作的物料衡算線的斜率偏大，

13、即停留時間過短。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P1點對應(yīng)的第一釜的轉(zhuǎn)化率為0.725。量取P1點的縱坐標(biāo)，計算出直線OP1的斜率為0.0066，所以于是，總反應(yīng)體積為335.3.3.4 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轉(zhuǎn)化率一定時，反應(yīng)器的臺數(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，一級不可逆反應(yīng)， r

14、A=kCA0 (1-xA) ，要求終點轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%34總反應(yīng)體積為描繪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，VR達(dá)到最小35多釜串聯(lián)時，仍設(shè)各釜溫度相同，進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，則總反應(yīng)體積VR為使總反應(yīng)體積VR最小，將上式分別對xA1、xA2 xAn求導(dǎo)，于是36此式為總反應(yīng)體積最小應(yīng)滿足的條件。共有n-1個方程(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：37等式兩端再同時減1，得也就是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，對于非一級反應(yīng)，應(yīng)采用類似方法

15、另行處理。385.4.1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，反應(yīng)器在定常態(tài)下操作時無須考慮時間自變量，且以整個反應(yīng)體積為控制體積時，對反應(yīng)器作單位時間的熱量衡算。其熱量衡算式為： 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為摩爾反應(yīng)熱， 為傳熱系數(shù)，F(xiàn)為傳熱面積。 39因 代入上式可得反應(yīng)過程的溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如下： 若在絕熱條件下進(jìn)行反應(yīng)，上式右端的第二項為零 40例5.4有一有效容積為0.75m3的攪拌釜反應(yīng)器，其內(nèi)設(shè)置有換熱面積為5.0m2的冷卻盤管?，F(xiàn)欲利用該反應(yīng)器

16、來進(jìn)行AR的一級不可逆液相反應(yīng)，其速率常數(shù)k1.0788109exp-5525.9/T(h-1)，反應(yīng)熱qr20921Jmol-A，原料液中A的濃度CA0=22 mol/l，但不含R。此原料液的密度1050gl，定壓比熱CP=2.929(Jg)。要求原料液的進(jìn)料速率為Fv0=3m3h，反應(yīng)器出口的反應(yīng)液中CA0.04mol/l。經(jīng)實測得器內(nèi)換熱器的總傳熱系數(shù)K=209.2 kJ/m2h。所用的冷卻介質(zhì)的溫度為25。試求滿足上述反應(yīng)要求所需的反應(yīng)溫度T以及料液的起始溫度T0。 41解：(1)計算所需反應(yīng)溫度T 全混流反應(yīng)器： 一級不可逆液相反應(yīng)：rA=kCA 根據(jù)阿累尼烏斯方程有 42(2)原料

17、液起始溫度T0的計算 （原料液的起始溫度為297.4K(或24.2) 435.4.2連續(xù)釜式反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性分析 工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計，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傳熱要求時，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)象往往會導(dǎo)致反應(yīng)器正常運轉(zhuǎn)的破壞，甚至發(fā)生事故。因此，設(shè)計和操作時都需考慮反應(yīng)器的熱穩(wěn)性問題。44在一種定常態(tài)操作時，由于進(jìn)料、傳熱劑等操作參數(shù)發(fā)生偏離擾動，使反應(yīng)器偏離定常態(tài)操條件，但在擾動消除后，反應(yīng)系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)原來的定常態(tài)，我們稱這

18、種定常態(tài)是穩(wěn)定的定常態(tài)。在一種定常態(tài)操作時，由于進(jìn)料、傳熱劑等操作參數(shù)發(fā)生微小的偏離干擾足以使反應(yīng)器的操作狀態(tài)大大地偏離原先規(guī)定的定常操作，即使擾動消除，系統(tǒng)也不能恢復(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)。45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)一個簡單放熱反應(yīng)其動力學(xué)方程為r=kCA,穩(wěn)定操作時，其熱平衡方程如下：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 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 46圖5-8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，三個交點都滿足熱平衡條

19、件Qr=Qg，表明可能存在三個定常狀態(tài)。 a、b、c三點有什么不同？分析可知a、c點是定態(tài)穩(wěn)定點，b點為不穩(wěn)定的定態(tài)點。 為什么？一般選擇上定態(tài)點，即圖5-8中的c點 47在穩(wěn)定的定態(tài)點a及c處，移熱線的斜率大于放熱曲線的斜率，即： 這是定態(tài)操作穩(wěn)定的必要條件，但不是充分條件，也就是說，如果滿足上式，則定態(tài)可能是穩(wěn)定的；若不滿足該式，則定態(tài)一定是不穩(wěn)定的。 定態(tài)穩(wěn)定的必要條件是： Qg=Qr 48由于需要很多參數(shù)才能確定上述微分式，故上述判據(jù)的應(yīng)用受到一定的限制。對于一恒溫反應(yīng)，設(shè)進(jìn)料溫度T0等于反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度T，并設(shè)rA=kCAn，由及得:及49于是，, 穩(wěn)態(tài)操作下，應(yīng)滿足：所以，50穩(wěn)

20、態(tài)操作下， QgQr，所以：代如上述不等式得：可見，熱穩(wěn)定的必要條件是反應(yīng)溫度與冷卻劑的溫差小于RT2/Ea。因此冷卻劑的溫度不應(yīng)任意選擇，反應(yīng)的活化能越大，容許的溫差越小，需要的A/VR越大。51在實際生產(chǎn)中，希望只在一種穩(wěn)定工況下操作，同時希望在反應(yīng)速率較大的工況下操作，要做到這一點可通過改變進(jìn)料溫度T0和其流量n0來實現(xiàn)。 圖5-9改進(jìn)進(jìn)料溫度得到不同的操作狀態(tài) 在D線時的進(jìn)料溫度一般稱為著火溫度或起燃溫度，相應(yīng)的點4稱為著火點或起燃點。B線溫度為熄火溫度，點6為熄火點。 著火與熄火現(xiàn)象對于反應(yīng)器操作控制甚為重要，特別是開停工的時候 525.5 返混對復(fù)雜反應(yīng)產(chǎn)品分配的影響前面就單一反應(yīng)

21、，討論了連續(xù)操作的反應(yīng)器的物料流動狀況對反應(yīng)器大小的影響另一方面，就復(fù)雜反應(yīng)而言，反應(yīng)過程中主副產(chǎn)物生成量的相對多少，主要取決于主副反應(yīng)的競爭速率。如果不考慮溫度對化學(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(由于不同級數(shù)的反應(yīng)對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平行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)的影響534.6.1 平行反應(yīng)設(shè)在等溫下進(jìn)行下列平行反應(yīng)：速率方程分別為：54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，即顯然，這個比值越大，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