化工基礎(chǔ)ch反應(yīng)器

2均相反應(yīng)過程§2.1間歇反應(yīng)器

§2.2

平推流反應(yīng)器§2.3

全混流反應(yīng)器§2.4

多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器§2.5反應(yīng)器型式和操作方式的評選§2.6反應(yīng)器的熱衡算與熱穩(wěn)定性12/8/2022

主要講述理想反應(yīng)器的設(shè)計原理及反應(yīng)器的選型。

1.理想反應(yīng)器的設(shè)計計算方法要求掌握的內(nèi)容：

2.根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特性來選擇合適的反應(yīng)器型式12/8/2022反應(yīng)器操作中的幾個術(shù)語

1.反應(yīng)時間：是指反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器后，從實際發(fā)生反應(yīng)的時刻起，到反應(yīng)達(dá)某個轉(zhuǎn)化率時所需的時間。(主要用于間歇反應(yīng)器)

2.停留時間：是指反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器的時刻算起到它們離開反應(yīng)器的時刻為止所用的時間。(主要用于連續(xù)流動反應(yīng)器)。12/8/20223.平均停留時間：

流體微元平均經(jīng)歷的時間稱為平均停留時間。4.空時：反應(yīng)器的有效體積VR與進(jìn)料的體積流量v0之比。物理意義是處理一個反應(yīng)器體積的物料所需要的時間。12/8/2022

5.空速：空時的倒數(shù)。物理意義是單位時間可以處理多少個反應(yīng)器體積的物料。6.返混：具有不同停留時間的流體微元之間的混合稱為返混?！諘r、空速用于連續(xù)流動反應(yīng)器。進(jìn)料體積流量按反應(yīng)器入口處溫度、壓力求取。12/8/2022§2.1間歇反應(yīng)器

分批式(又稱間歇式)操作，是指反應(yīng)物料一次加入反應(yīng)器內(nèi)，而在反應(yīng)過程中不再向反應(yīng)器投料，也不向外排出反應(yīng)物，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率后再全部放出反應(yīng)產(chǎn)物。

（間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器）12/8/2022圖2.1-1帶攪拌的釜式反應(yīng)器12/8/2022一、間歇反應(yīng)器特點1.反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出。2.非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度隨反應(yīng)時間連續(xù)變化。3.同一瞬時，反應(yīng)器內(nèi)各點溫度相同、濃度相同。12/8/2022二、間歇反應(yīng)器體積計算

1.反應(yīng)時間的計算

即：00(2.1-1)

以反應(yīng)物A為關(guān)鍵組分，A的反應(yīng)速率記作（-rA），根據(jù)間歇反應(yīng)器的特點，在單位時間內(nèi)對整個反應(yīng)器作物料衡算：12/8/2022

無論是等溫變溫等容變?nèi)?2.1-2)式均成立?；颍?2.1-2)=積分得：恒容時：(2.1-3)(2.1-4)※間歇反應(yīng)器的設(shè)計基礎(chǔ)式※12/8/20222.反應(yīng)應(yīng)器器有有效效體體積積VR的計計算算由(2.1-2)式所所得得的的時時間間是是指指在在一一定定的的操操作作條條件件下下，，為為達(dá)達(dá)到到所所要要求求轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化率率xA所需需的的反反應(yīng)應(yīng)時時間間,而而不不是是每每批批操操作作所所需需的的時時間間，，每每批批操操作作所所需需的的時時間間應(yīng)應(yīng)是是(t+t0)∴反應(yīng)應(yīng)器器的的有有效效體體積積為為VR=v0(t+t0)(2.1-5)式中中：：t0是輔輔助助生生產(chǎn)產(chǎn)時時間間，，包包括括加加料料、、出出料料、、清清洗洗反反應(yīng)應(yīng)器器和和物物料料的的升升溫溫、、冷冷卻卻。。v0是平平均均每每小小時時反反應(yīng)應(yīng)物物料料的的體體積積處處理理量量。。12/6/20223.反應(yīng)器實實際體積積V的計算反應(yīng)器器的實實際體體積是是考慮慮了裝裝料系系數(shù)后后的實際際體積積(不包括括換熱熱器攪攪拌器器的體體積)。(2.1-6)式中：：Ф是裝料料系數(shù)數(shù)，一一般為為0.4～～0.85，不不起泡泡、不不沸騰騰物料料取0.7～0.85，，起泡泡、沸沸騰物物料取取0.4～～0.6。。12/6/2022生產(chǎn)乙乙二醇醇，產(chǎn)產(chǎn)量為為20kg／h。使用用15％(質(zhì)量量)NaHCO3水溶液液及30％％(質(zhì)質(zhì)量)的氯氯乙醇醇水溶溶液作作原料料，反反應(yīng)器器投料料氯乙乙醇和和碳酸酸氫鈉鈉的摩摩爾比比為1∶1，混混合液液相的的密度度為1.02。。該反反應(yīng)對對氯乙乙醇和和碳酸酸氫鈉鈉均為為一級級，在在反應(yīng)應(yīng)溫度度下反反應(yīng)速速率常常數(shù)等等于5.2l／(mol·h)。要要求轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率達(dá)到到95％。。(1)若若輔助助時間間為0.5h，試計計算反反應(yīng)器器的有有效體體積。。(2)若若裝填填系數(shù)數(shù)取0.75，，試計計算反反應(yīng)器器的實實際體體積。。[例2.1-1]在等溫溫間歇歇反應(yīng)應(yīng)器進(jìn)進(jìn)行氯氯乙醇醇的皂皂化反反應(yīng)ClCH2CH2OH＋＋NaHCO3OHCH2CH2OH＋＋NaCl＋＋CO212/6/2022①各組組分的的分子子量MA=80.5MB=84MP=62②各組組分的的摩爾爾處理理量NP=20/62=0.3226mol/hNA0=NB0=NP/0.95=0.3396mol/h③求兩兩股物物料的的重量量流量量0.3WA/80.5=0.15WB/84=0.3396mol/h∴WA=91.126kg/hWB=190.167kg/hW=WA＋WB=281.239kg/hv0=W/ρ=281.239/1.02=275.78l/h解：計量方方程式可寫寫成：A＋＋BP＋D＋S12/6/2022VR=v0(t+t0)=275.78×(2.97+0.5)=956.92l④反應(yīng)時間間⑤反應(yīng)器有有效體積=1275.893l⑥反應(yīng)器實實際體積12/6/2022§2.2平推流反應(yīng)應(yīng)器工業(yè)上的管管式反應(yīng)器器其長徑比比較大的可可近似地按按平推流反反應(yīng)器處理。。一、平推流流反應(yīng)器的的特征1.通過反反應(yīng)器的物物料質(zhì)點，，沿同一方方向以同一流流速流動，，在流動方方向上沒有返混。2.所有物物料質(zhì)點在在反應(yīng)器中中的停留時時間都相同。。3.同一截截面上的物物料濃度相相同、溫度度相同。4.物料的的溫度、濃濃度沿管長長連續(xù)變化化。12/6/2022二、平推流反反應(yīng)器設(shè)計1.平推流反應(yīng)器器的設(shè)計方程程根據(jù)平推流反反應(yīng)器的特點點，可取反應(yīng)應(yīng)器中一微元元段作物料衡衡算，然后沿沿管長對整個個反應(yīng)器積分分，就可得到到平推流反應(yīng)應(yīng)器的設(shè)計基基礎(chǔ)式。12/6/2022FA=FA＋dFA+（–rA）dVR+0即：12/6/2022積分得得或(2.2-1)※平推流流反應(yīng)應(yīng)器基基礎(chǔ)設(shè)設(shè)計式式※恒容時時∴(2.2-2)12/6/2022恒容過過程，，平推推流反反應(yīng)器器與間間歇釜釜式反反應(yīng)器器的設(shè)設(shè)計方方程完完全一一致；；所以以只要要反應(yīng)應(yīng)是等等容的的，間間歇反反應(yīng)器器所導(dǎo)導(dǎo)得的的積分分式均均適用用。對對于氣氣相變變?nèi)葸^過程，，用含含膨脹脹因子子的式式子表表示各各個濃濃度即即可。。如果果反應(yīng)應(yīng)速率率方程程過于于復(fù)雜雜，往往往需需要用用數(shù)值值積分分或如如圖2.2-2所示示的圖圖解法法求解解。對于非非等溫溫反應(yīng)應(yīng)，式式(2.2-1)或或(2.2-2)應(yīng)應(yīng)結(jié)合合熱量量衡算算式(又稱稱操作作方程程)聯(lián)聯(lián)立求求解。。12/6/2022圖2.2-2平平推流反應(yīng)應(yīng)器的圖解解計算示意意圖2.圖解解計算12/6/2022[例2.2-1]在215℃℃和5大氣氣壓下，均均相氣相反反應(yīng)Ａ─→3Ｒ在在平推流反反應(yīng)器中進(jìn)進(jìn)行。215℃時，，速率方程程式為：(–rA)=10-2CA0.5(mol/l·s)，原料氣氣中含有50％A和和50％惰惰性氣體(CA0=0.0625mol/l)，求轉(zhuǎn)化化率為80％時所需需的時間。。12/6/2022解：根據(jù)題題中所給出出的已知條條件有：yA0＝0.5δδA＝(–rA)＝10-2CA0.5＝10-2CA00.5τ＝＝100CA00.5式中積分項項可用圖解解、數(shù)值解解或解析解解計算，下下面依次說說明這些解解法。12/6/2022①圖解積積分首先計算被被積函數(shù)值值，再作圖圖令：面積＝用目測法計計算面積得得：面積＝1.70×0.8＝1.3xA0.00.20.40.60.8Y1.0001.2771.5282.0003.00012/6/2022②數(shù)值積積分辛普森公式式：n為偶數(shù)∴對于上表數(shù)數(shù)據(jù)，用辛辛普森公式式計算：=[1.000+4×1.227+2×1.528+4×2.000+3.000]×0.2÷3=1.331(※也可用用梯型公式式計算)12/6/2022③解析積積分所推薦的積積分方法要要取決于具具體情況，，在本題中中數(shù)值解可可能是最快快、最簡單單的方法。。12/6/2022§2.3全混流反反應(yīng)器實際生產(chǎn)產(chǎn)中的連連續(xù)攪拌拌釜式反反應(yīng)器幾幾乎都是是在定常常態(tài)下操操作的。。反應(yīng)物物料連續(xù)續(xù)不斷地地以恒定定的流速速流入反反應(yīng)器內(nèi)內(nèi)，而產(chǎn)產(chǎn)物也以以恒定的的速率不不斷地從從反應(yīng)器器內(nèi)排出出。(連續(xù)操作攪攪拌釜式反應(yīng)應(yīng)器)12/6/2022圖2.3-1全混流反反應(yīng)器12/6/2022一、全混流反反應(yīng)器特點1.物料連續(xù)以恒恒定的流速流流入、流出反反應(yīng)器，穩(wěn)態(tài)態(tài)操作。2.反應(yīng)器內(nèi)各空空間位置溫度度均一，濃度度均一。3.反應(yīng)器內(nèi)濃度度、溫度與出出口處濃度、、溫度相同。。圖2.3-2全混流反反應(yīng)器的平衡衡12/6/2022二、全混流反反應(yīng)器的設(shè)計計方程以反應(yīng)物A為為關(guān)鍵組分，，A的反應(yīng)速速率記作(–rA)，根據(jù)全混混流反應(yīng)器的的特點，在單單位時間內(nèi)對對整個反應(yīng)器器作物料衡算算：FA0=FA+（–rA）VR+0FA0－FA=（–rA）VR(2.3-1)※全混流反應(yīng)器器的設(shè)計基礎(chǔ)礎(chǔ)式※恒容時(2.3-2)12/6/2022[例2.3-1]在一體積為120升的全全混流反應(yīng)器器中進(jìn)行下列列液相反應(yīng)：：式中k1=7[l/(mol·min)]，k2=3[l/(mol·min)]，兩種種物料以等等體積加入入反應(yīng)器，，一種含2.8molA/l，另一種含含1.6molB/l。假設(shè)系統(tǒng)統(tǒng)的密度不不變，希希望B組分分的轉(zhuǎn)化率率為75％％，求每種種物料的流流量。12/6/2022解：在在混合合進(jìn)料中各各組分的濃濃度為CA0=1.4mol/l,CB0=0.8mol/l,CR0=CS0=0。。當(dāng)轉(zhuǎn)化率率為75％％,δA=0時，反應(yīng)器器內(nèi)和出口口處物料的組成成為：CA=1.4－0.6=0.8mol/lCB=0.8－0.6=0.2mol/lCR=0.6mol/lCS=0.6mol/l12/6/2022全混流反應(yīng)應(yīng)器：而：(–rA)=(–rB)=k1CACB－k2CRCS=7×0.8×0.2－3×0.6×0.6=0.04mol/[l·min]因此流入反反應(yīng)器的體體積流量為為:即每種物料料的流量為為4l/min。12/6/2022§2.4多釜串聯(lián)全全混流反應(yīng)應(yīng)器工業(yè)生產(chǎn)中中常同時使使用數(shù)個釜釜式反應(yīng)器器進(jìn)行同樣樣的反應(yīng)；；反應(yīng)器設(shè)設(shè)計中也經(jīng)經(jīng)常出現(xiàn)用用一個大反反應(yīng)器好，，還是用幾幾個小反應(yīng)應(yīng)器好的問問題。同時時使用幾個個反應(yīng)器時時，應(yīng)該采采用什么樣樣的聯(lián)結(jié)方方式效果最最好，這樣樣的反應(yīng)器器組合應(yīng)如如何去計算算，就是本本節(jié)所要討討論的中心心內(nèi)容。如果采用幾幾個串聯(lián)的的全混流反反應(yīng)器來進(jìn)進(jìn)行原來由由一個全混混流反應(yīng)器器所進(jìn)行的的反應(yīng)，則則除了最后后—個反應(yīng)應(yīng)器外的所所有反應(yīng)器器都在比原原來高的反反應(yīng)物濃度度下進(jìn)行反反應(yīng)。這樣樣勢必減少少了混合作作用所產(chǎn)生生的稀釋效效應(yīng)。12/6/2022圖2.4-1多多釜釜串串聯(lián)聯(lián)的的全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器12/6/2022圖2.4-1(b)中中給給出出這這種種多多釜釜串串聯(lián)聯(lián)的的全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器，，圖圖2.4-1(a)給給出出每每個個全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器所所需需的的空空時時ττi和總總的的空空時時∑∑ττi?？煽梢砸钥纯闯龀?，，用用的的釜釜數(shù)數(shù)N愈愈多多則則所所需需的的總總?cè)萑莘e積就就愈愈接接近近間間歇歇攪攪拌拌釜釜式式反反應(yīng)應(yīng)器器。。對對任任意意第第i個個釜釜作作組組分分A的的物物料料衡衡算算，，對對于于恒恒容容系系統(tǒng)統(tǒng)都都有有：：(2.4-1)將具具體體的的速速率率方方程程代代入入，，從從第第1釜釜開開始始逐逐釜釜的的計計算算下下去去。。對對于于n級級不不可可逆逆反反應(yīng)應(yīng)，，則則有有：：(2.4-2)12/6/2022當(dāng)n=1時時：：即(2.4-3)若各各釜釜具具有有相相同同的的體體積積和和相相同同的的溫溫度度則(2.4-4)或(2.4-5)N個個反反應(yīng)應(yīng)釜釜的的總總體體積積為為VR=NVRi=Nττiv012/6/2022一、、圖圖解解計計算算法法圖解解法法適適用用于于給給定定轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化率率和和處處理理量量后后選選定定釜釜的的個個數(shù)數(shù)和和釜釜的的體體積積。。用用這這種種方方法法可可以以省省去去試試差差的的麻麻煩煩。。應(yīng)應(yīng)該該說說明明的的是是這這種種方方法法僅僅適適用用反反應(yīng)應(yīng)速速率率最最終終可可以以用用單單一一組組分分表表達(dá)達(dá)的的反反應(yīng)應(yīng)。。圖解解步步驟驟：：1.根根據(jù)據(jù)實實驗驗數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)(動動力力學(xué)學(xué)方方程程)作作操操作作溫溫度度下下的的(–rA)～CA(或xA)關(guān)系系曲線線圖1。2.在在圖1上作作相應(yīng)應(yīng)溫度度下第第i釜釜的(–rAi)～CAi操作線線：(2.4-6)12/6/2022①從CA0點出發(fā)發(fā)作斜斜率為為(–rA1)/(CA1–CA0)的直直線，，直線線與速速率曲曲線的的交點點的橫橫座標(biāo)標(biāo)為第第一釜釜的出出口濃濃度CA1，交點點的縱縱座標(biāo)標(biāo)為第第一釜釜的反反應(yīng)速速率(–rA1)。②從CA1點出發(fā)發(fā)作斜斜率為為(–rA2)/(CA2–CA1)的直直線，，直線線與速速率曲曲線的的交點點的橫橫座標(biāo)標(biāo)為第第二釜釜的出出口濃濃度CA2，交點點的縱縱座標(biāo)標(biāo)為第第二釜釜的反反應(yīng)速速率(–rA2)。這樣一一直作作到要要求達(dá)達(dá)到的的出口口濃度度，有有幾個個梯級級就表表示需需要幾幾個釜釜串聯(lián)聯(lián)使用用。若若各釜釜體積積相同同，則則圖上上各操操作線線平行行。若若各釜釜體積積不同同，圖圖上各各操作作線的的斜率率也不不同。。對于于多釜釜串聯(lián)聯(lián)，若若追求求整體體反應(yīng)應(yīng)器體體積最最小，，應(yīng)增增加反反應(yīng)器器的個個數(shù)，，但反反應(yīng)器器體積積最小小是有有限的的，即即使反反應(yīng)釜釜的個個數(shù)趨趨于無無窮，，反應(yīng)應(yīng)釜的的總體體積最最小為為速率率倒數(shù)數(shù)曲線線、起起始濃濃度、、最終終濃度度和橫橫座標(biāo)標(biāo)圍成成的面面積（（見下下圖中中綠影影部分分）與與進(jìn)料料體積積流量量的乘乘積。。12/6/202212/6/2022二、串串聯(lián)釜釜式反反應(yīng)器器各釜釜的最最佳反反應(yīng)體體積比比現(xiàn)設(shè)所所進(jìn)行行的為為簡單單反應(yīng)應(yīng)，則則總反反應(yīng)體體積VR(2.4-7)將上式式分別別對xAi(i=1，2…N－1)求求偏導(dǎo)導(dǎo)：令則則有有：(i=1，，2……N－－1)(2.4-8)這是保保證總總反應(yīng)應(yīng)體積積最小小所必必須遵遵循的的條件件。求求解方方程組組(2.4-8)，可可得各各釜的的出口口轉(zhuǎn)化化率，，從而而求出出各釜釜的反反應(yīng)體體積，，此時時總和和為最最小。。12/6/2022例：對對于一一級不不可逆逆反應(yīng)應(yīng)，若若各釜釜溫度度相同同，代入式式(2.4-8)化簡后后得：：(i=1，，2……N)12/6/2022由此可可見串串聯(lián)釜釜式反反應(yīng)器器進(jìn)行行一級級不可可逆反反應(yīng)時時各釜釜體積積相同同時總總反應(yīng)應(yīng)體積積最小小。上式也也可寫寫成：：12/6/2022§2.5反反應(yīng)應(yīng)器型型式和和操作作方式式的評評選本節(jié)僅僅從反反應(yīng)器器生產(chǎn)產(chǎn)能力力和產(chǎn)產(chǎn)品分分布這這兩個個影響響過程程經(jīng)濟(jì)濟(jì)性的的主要要因素素出發(fā)發(fā)，就就單一一反應(yīng)應(yīng)和復(fù)復(fù)合反反應(yīng)來來分別別討論論其反反應(yīng)器器型式式和操操作方方法的的評選選。一、單單一反反應(yīng)：：由于不不存在在副反反應(yīng)，，所以以，在在反應(yīng)應(yīng)器選選型時時只需需考慮慮如何何有利利于反反應(yīng)速速率的的提高高。對對于單單一反反應(yīng)，，反應(yīng)應(yīng)速率率與反反應(yīng)物物濃度度的關(guān)關(guān)系可可能有有下述述三種種性狀狀：12/6/2022(1)1/(–rA)隨xA的增大呈單調(diào)調(diào)上升，如圖圖2.5-1所示。對于于n＞0的不可逆逆等溫反應(yīng)均均有圖示的特特征。此時采采用平推流反反應(yīng)器或間歇歇操作的完全全混合的反應(yīng)應(yīng)器所需的反反應(yīng)容積最小小，其次是采采用多釜串聯(lián)聯(lián)的全混流反反應(yīng)器，而單單一的全混流流反應(yīng)器所需需的容積最大大。圖2.5-1不同反反應(yīng)器所需的的體積(τ=VR/v0)12/6/2022(2)1/(–rA)隨xA的增大而單調(diào)調(diào)下降，如圖圖2.5-2所示，對于于n＜0的不不可逆等溫反反應(yīng)均具有此此性狀。采用用具有返混的的全混流為最最佳，多釜串串聯(lián)將導(dǎo)致反反應(yīng)器容積增增大，且釜數(shù)數(shù)愈多容積就就愈大。平推推流將不利于于這類反應(yīng)。。圖2.5-2不同反反應(yīng)器所需的的體積(τ=V/v0)12/6/2022(3)1/(–rA)對xA的曲線上存存在著極小小值，如圖圖2.5-3所示，，自催化反反應(yīng)和絕熱熱操作的放放熱反應(yīng)具具有這種特特征。當(dāng)反反應(yīng)器出口口轉(zhuǎn)化率大大于相應(yīng)于于最小值的的xAM時，全混流流反應(yīng)器最最佳，而平平推流反應(yīng)應(yīng)器所需的的反應(yīng)容積積最大，若若反應(yīng)物料料的起始轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率xA0大于xAM應(yīng)選用平推推流反應(yīng)器器或多釜串串聯(lián)的全混混流反應(yīng)器器；而當(dāng)xA0＜xAM而xA＞xAM的場合，則則全混流反反應(yīng)器串聯(lián)聯(lián)平推流反反應(yīng)器最優(yōu)優(yōu)。圖2.5-3不不同反應(yīng)器器所需的體體積(τ=V/v0)12/6/2022二、復(fù)合反反應(yīng)以目的產(chǎn)物物選擇性最最大為目標(biāo)標(biāo)函數(shù)，由由瞬時選擇擇性的定義義：(2.5-1)對于間歇反反應(yīng)器或平平推流反應(yīng)應(yīng)器應(yīng)用：：(2.5-2)(2.5-3)12/6/2022對于于全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器，，瞬瞬時時選選擇擇性性與與總總選選擇擇性性相相同同：：(2.5-3)從上上述述討討論論看看，，復(fù)復(fù)合合反反應(yīng)應(yīng)的的產(chǎn)產(chǎn)物物分分布布不不僅僅與與反反應(yīng)應(yīng)的的型型式式、、反反應(yīng)應(yīng)動動力力學(xué)學(xué)特特性性有有關(guān)關(guān)，，而而且且還還與與反反應(yīng)應(yīng)器器的的型型式式有有關(guān)關(guān)。。12/6/20221.一一級級不不可可逆逆串串連連反反應(yīng)應(yīng)R是是目目的的產(chǎn)產(chǎn)物物對于于間間歇歇反反應(yīng)應(yīng)器器或或平平推推流流反反應(yīng)應(yīng)器器P的的最最大大濃濃度度：：(2.5-4)對于于全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器R的的最最大大濃濃度度：：(2.5-5)將上上面面兩兩式式相相除除，，并并以以對對作作圖圖：：12/6/2022由圖圖2.5-4可可見見平平推推流流反反應(yīng)應(yīng)器器對對產(chǎn)產(chǎn)物物P來來說說總總是是優(yōu)優(yōu)于于全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器。。圖2.5-4平平推推流流反反應(yīng)應(yīng)器器與與全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器的的比比較較12/6/20222.不不可可逆逆平平行行反反應(yīng)應(yīng)P是是目目的的產(chǎn)產(chǎn)物物P的的瞬瞬間間選選擇擇性性與與CA之間間可可能能有有三三種種變變化化形形狀狀：：(1)隨隨CA的增增大大而而單單調(diào)調(diào)地地增增大大，，此此時時由由圖圖2.5-5(a)的的圖圖解解示示意意圖圖可可看看出出，，反反應(yīng)應(yīng)器器內(nèi)內(nèi)的的返返混混作作用用將將是是不不利利的的，，應(yīng)應(yīng)選選用用無無返返混混的的平平推推流流反反應(yīng)應(yīng)器器。。圖2.5-5(a)平平推推流流最最優(yōu)優(yōu)，，多多釜釜串串聯(lián)聯(lián)次次之之，，全全混混流流反反應(yīng)應(yīng)器器最最差差圖2.5-5平平行行反反應(yīng)應(yīng)中中反反應(yīng)應(yīng)器器比比較較的的圖圖解解示示意意12/6/2022(2)φP隨CA的增大而單調(diào)調(diào)地下降，從從圖2.5-5(b)可可看出返混將將有利于收率率的提高，以以全混流反應(yīng)應(yīng)器為最優(yōu)。。圖2.5-5(b)全混混流最優(yōu)，多多釜串聯(lián)全混混流次之，平平推流最差圖2.5-5平行反反應(yīng)中反應(yīng)器器比較的圖解解示意12/6/202212/6/2022§2.6反應(yīng)器器的熱熱衡算算與熱熱穩(wěn)定定性(1)全混流流反應(yīng)應(yīng)器的的熱衡衡算方方程(通常又又稱為為操作作方程程式)若忽略略反應(yīng)應(yīng)流體體的密密度和和定壓壓比熱熱隨溫溫度的的變化化，反反應(yīng)器器在定常常態(tài)下下操作作時對對反應(yīng)應(yīng)器作作熱量量衡算算有：：單位時時間單單位時時間單單位時時間單單位位時間間[物料料帶入入熱量量]-[物料料帶出出熱量量]-[傳傳給介介質(zhì)熱熱量]+[反應(yīng)應(yīng)放熱熱]=0即：(2.6-1)12/6/2022當(dāng)反應(yīng)應(yīng)器在在絕熱熱條件件下操操作，，上式式右端端的第第二項項為零零，即即：(2.6-2)將式(2.6-1)或(2.6-2)與全全混流流反應(yīng)應(yīng)器的的設(shè)計計方程程式(2.2-1)聯(lián)立立求解解來確確定反反應(yīng)器器容積積，傳傳熱面面積或或有關(guān)關(guān)反應(yīng)應(yīng)溫度度、流流體入入口溫溫度等等操作作參數(shù)數(shù)。12/6/2022[例2.6-1]有一有有效容容積為為0.75m3的攪拌拌釜反反應(yīng)器器，其其內(nèi)設(shè)設(shè)置有有換熱熱面積積為5.0m2的冷卻卻盤管管?，F(xiàn)現(xiàn)欲利利用該該反應(yīng)應(yīng)器進(jìn)進(jìn)行的的一級級不可可逆液液相反反應(yīng)，，其其速率率常數(shù)數(shù)k＝1.0788××109exp[–5525.9/T](h-1)，反應(yīng)熱熱(–△HA)＝20921J／mol，原原料液液中A的濃濃度CA0=22mol/l，但但不含含R。。該原原料液液的密密度ρ＝1050g／／l，，定壓壓比熱熱CP=2.929(J／／g··℃)。要要求原原料液液的進(jìn)進(jìn)料速速率為為v0=3m3／h，，反應(yīng)應(yīng)器出出口的的反應(yīng)應(yīng)液中中CA＝0.04mol/l。。經(jīng)實實測得得器內(nèi)內(nèi)換熱熱器的的總傳傳熱系系數(shù)K=209.2kJ/[m2·h··℃]。所所用冷冷卻介介質(zhì)的的溫度度為25℃℃。試試求滿滿足上上述反反應(yīng)要要求所所需的的反應(yīng)應(yīng)溫度度以及及料液液的起起始溫溫度T0。12/6/2022解：①計算所需反反應(yīng)溫度T全混流反應(yīng)應(yīng)器：一級不可逆逆液相反應(yīng)應(yīng)：(–rA)=kCA根據(jù)阿累尼尼烏斯方程程有∴所以，反應(yīng)應(yīng)應(yīng)在308.6K(或35.4℃)下操作。。12/6/2022②原料液起始始溫度T0的計算原料液的起起始溫度為為297.4K(或或24.2℃)12/6/2022(2)全混流反反應(yīng)器操操作的熱熱穩(wěn)定性性分析連續(xù)釜式式反應(yīng)器器內(nèi)反應(yīng)應(yīng)物料溫溫度均勻勻一致，，若為定定態(tài)操作作，反應(yīng)應(yīng)是在等等溫下進(jìn)進(jìn)行的。。如為非非定態(tài)操操作,屬屬變溫過過程，即即反應(yīng)溫溫度隨時時間而變變，但不不隨空間間而變。。無論是是定態(tài)操操作還是是非定態(tài)態(tài)操作，，反應(yīng)過過程的溫溫度均需需由反應(yīng)應(yīng)器的熱熱量衡算算式和物物料衡算算式來決決定。對對于放熱熱反應(yīng)，，這會出出現(xiàn)定態(tài)態(tài)不唯一一的問題題，即同同時存在在多個定定態(tài)，操操作溫度度都能滿滿足反應(yīng)應(yīng)器的熱熱量及物物料衡算算式。這這些定態(tài)態(tài)中有些些定態(tài)具具有抗外外界干擾擾的能力力，即在在外界干干擾使其其偏離了了原來定定態(tài)，而而系統(tǒng)本本身具有有抑制這這種使其其發(fā)生偏偏離的干干擾的影影響并在在干擾因因素消失失后它又又能自動動回復(fù)到到原來的的定態(tài)操操作點，，這類定定態(tài)我們們稱之為為穩(wěn)定的的定態(tài)。。那些不不具有抗抗干擾能能力的定定態(tài)則稱稱為是不不穩(wěn)定的的定態(tài)，，這就是是要討論論的定態(tài)態(tài)穩(wěn)定性性問題。。12/6/2022為了方便便地看出出反應(yīng)器器內(nèi)傳熱熱過程的的這一特特點，將將式(2.6-1)改改寫成如如下形式式：(2.6-3)令：生熱速率率移移熱熱速率12/6/2022放熱速率率線為一一曲線，，曲線的的形狀和和k值與溫度度的關(guān)系系有關(guān)。。以一級級不可逆逆反應(yīng)為為例：(2.6-4)(2.6-4)式為S型曲線線。移熱熱速率Qr線為一直直線，QG線、Qr線的交點點為熱平平衡點。。由于參參數(shù)的不不同，Qr線有不同同的斜率率和位置置，如圖圖2.6-1。。12/6/2022(b)圖2.6-1T～Q的關(guān)系12/6/2022現(xiàn)在來看圖2.6-1(b)中中QG線、Qr線的a、b、c三個個交點。三個個交點都滿足足熱平衡條件件QG=Qr，也都稱做定定態(tài)操作點，，下面就分析析這三個點的的穩(wěn)定情況及及操作態(tài)的選選擇。a點：當(dāng)有擾動使T略大于Ta時(dT＞＞0)，有QG＜Qr,移熱速率大大于放熱速率率，體系溫度度下降，自動動恢復(fù)到a點點。當(dāng)有擾動使T略小于Ta時，有QG＞Qr，移熱速率小小于放熱速率率，體系溫度度上升，自動動恢復(fù)到a點點。12/6/2022b點：：當(dāng)有擾擾動使使T略略大于于Tb時(dT＞＞0)，有有Qr＜QG，移熱熱速率率小于于放熱熱速率率，體體系溫溫度繼繼續(xù)上上升，，直至至到c點。。當(dāng)有擾擾動使使T略略小于于Tb時，有有Qr＞QG，移熱熱速率率大于于放熱熱速率率，體體系溫溫度繼繼續(xù)下下降，，直至至到a點。。12/6/2022c點：：當(dāng)有擾擾動使使T略略大于于Tc時(dT＞0)，，有QG＜Qr,移熱熱速率率大于于放熱熱速率率，體體系溫溫度下下降，，自動動恢復(fù)復(fù)到c點。。當(dāng)有擾擾動使使T略略小于于Tc時，，有QG＞Qr，移熱熱速率率小于于放熱熱速率率，體體系溫溫度上上升，，自動動恢復(fù)復(fù)到c點從上面面的分分析可可知a、c點是是穩(wěn)定定的定定態(tài)點點，b點點為不不穩(wěn)定定定態(tài)態(tài)點。。設(shè)計計連續(xù)續(xù)釜式式反應(yīng)應(yīng)器時時，應(yīng)應(yīng)選擇擇在穩(wěn)穩(wěn)定的的定態(tài)態(tài)點操操作，，而且且一般般選擇擇上定定態(tài)點點，即即圖2.6-1(b)中中的c點。。a點點雖穩(wěn)穩(wěn)定，，但轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率率低，，失去去了實實際價價值。。。12/6/2022由圖圖可可見見，，在在穩(wěn)穩(wěn)定定的的定定態(tài)態(tài)點點a