分離工程第三章釜式反應(yīng)器

分離工程第三章釜式反應(yīng)器第1頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四第2頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四第3頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四

釜體一般是由鋼板卷焊而成的圓筒體，再焊上鋼制標(biāo)準(zhǔn)釜底，并配上封頭、攪拌器等零部件。根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)，罐體的內(nèi)壁可內(nèi)襯橡膠、搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蝕材料。為控制反應(yīng)溫度，罐體外壁常設(shè)有夾套，內(nèi)部也可安裝蛇管。標(biāo)準(zhǔn)釜底一般為橢圓形，根據(jù)工藝要求，也可采用平底、半球底或錐形底等。

釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖開式攪拌釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖1-攪拌器；2-罐體；3-夾套；4-攪拌軸5-壓出管；6-支座；7-人孔；8-軸封；9-傳動裝置

根據(jù)釜蓋與釜體連接方式的不同，攪拌釜式反應(yīng)器可分為開式(法蘭連接)和閉式(焊接)兩大類。目前，釜式反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

第5頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四操作方式：間歇、連續(xù)、半間歇(a)間歇式(b)連續(xù)式(c)半間歇式

間歇操作的特點是將反應(yīng)所需的原料一次加入反應(yīng)器，達(dá)到規(guī)定的反應(yīng)程度后即卸出全部物料。然后對反應(yīng)器進(jìn)行清理，隨后進(jìn)入下一個操作循環(huán)，即進(jìn)行下一批投料、反應(yīng)、卸料、清理等過程。它是一個典型的非穩(wěn)態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成隨時間而變化，這是間歇過程的基本特征。

連續(xù)操作的特點是原料連續(xù)地輸入反應(yīng)器，反應(yīng)物料也從反應(yīng)器連續(xù)流出。它多屬于穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)任一位置上的反應(yīng)物濃度、溫度、壓力、反應(yīng)速度等參數(shù)均不隨時間而變化。它具有生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、易實現(xiàn)機(jī)械化和自動化等優(yōu)點，因此大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)器多采用連續(xù)操作。原料或產(chǎn)物中有一種或一種以上的為連續(xù)輸入或輸出，而其余的(至少一種)為分批加入或卸出的操作，均屬半連續(xù)操作。原料藥生產(chǎn)中的氣液相反應(yīng)常常采用半連續(xù)操作。第6頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四間歇操作(batchreactor,BR)連續(xù)操作(continuousstirredtankreactor,CSTR)

用途：絕大多數(shù)用作有液相參與的反應(yīng)，如：液液、液固、氣液、氣液固反應(yīng)等。第7頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四反應(yīng)器計算操作型（查定型）----已知Vr→XA(或t)設(shè)計型----已知XA(或YP)→Vr

均相或擬均相第8頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四釜式反應(yīng)器的全混流假設(shè)：反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)物料的濃度均一反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)物料的溫度均勻置裝拌攪第9頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四本章內(nèi)容釜式反應(yīng)器的物料衡算通式等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性變溫間歇釜式反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作第10頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四:反應(yīng)器進(jìn)料的體積流量:反應(yīng)器出料的體積流量:反應(yīng)器進(jìn)料中關(guān)鍵組分濃度:反應(yīng)器出料中關(guān)鍵組分濃度:反應(yīng)體積假設(shè)

溫度均一濃度均一

取整個反應(yīng)體積作控制體積3.1釜式反應(yīng)器的物料衡算通式第11頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.1釜式反應(yīng)器的物料衡算通式其中：對反應(yīng)物為負(fù)對產(chǎn)物為正在dt時間內(nèi)對整個反應(yīng)器做關(guān)鍵組分i的物料衡算：假設(shè)

溫度均一濃度均一

(進(jìn)入=流出+反應(yīng)+累積)第12頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.1釜式反應(yīng)器的物料衡算通式對連續(xù)釜式反應(yīng)器，可簡化為：對間歇釜式反應(yīng)器，可簡化為:假設(shè)

溫度均一濃度均一

第13頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.2

等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（單一反應(yīng)）間歇釜式反應(yīng)器的特點是分批裝料和卸料，因此操作方式靈活，特別適用于多品種、小批量的化學(xué)品生產(chǎn)。因此，在醫(yī)藥、試劑、助劑、添加劑等精細(xì)化工部門得到了廣泛的應(yīng)用。間歇反應(yīng)器操作時間由兩部分組成：一是反應(yīng)時間，即裝料完畢后算起至達(dá)到所要求的產(chǎn)品收率所需的時間；另一是輔助時間，即裝料，卸料及清洗所需時間之和。設(shè)計間歇反應(yīng)器關(guān)鍵在于確定每批所需時間，其中尤以反應(yīng)時間確定最為重要，而輔助時間則根據(jù)經(jīng)驗確定。第14頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四對非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)時間內(nèi)：間歇釜式反應(yīng)器物料衡算式則物料衡算通式變形為：

1.反應(yīng)時間的計算3.2等溫BR的計算恒容反應(yīng)

單一反應(yīng)第15頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四積分可得

對單一反應(yīng)，反應(yīng)速率可表示為：3.2等溫BR的計算第16頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四一級反應(yīng)非一級反應(yīng)反應(yīng)時間相同

達(dá)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(xué)因素。

溫度越高，速率常數(shù)k越大，則達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間t越短。區(qū)別t與cA0無關(guān)t與cA0有關(guān)3.2等溫BR的計算第17頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四2.反應(yīng)體積t為反應(yīng)時間：裝料完畢開始反應(yīng)算起到達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時所經(jīng)歷的時間。計算關(guān)鍵t0為輔助時間：裝料、卸料、清洗所需時間之和。經(jīng)驗給定(為提高間歇釜式反應(yīng)器的生產(chǎn)能力,應(yīng)設(shè)法減少輔助操作時間

)操作時間3.2等溫BR的計算3.反應(yīng)器的體積：裝填系數(shù)，由經(jīng)驗確定,一般0.4～0.85,對不起泡、不沸騰物料，可取0.7~0.85；對于起泡或沸騰物料，可取0.4~0.6。此外，裝料系數(shù)的選擇還應(yīng)考慮攪拌器和換熱器的體積。Q0

一般由生產(chǎn)任務(wù)確定第18頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸與乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。輔助時間為1h。反應(yīng)速率方程為rA=k1(cAcB-cRcS/K)

。反應(yīng)溫度下k1=4.76×10-4L/(mol?min)，平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%所需的反應(yīng)體積。若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75，則反應(yīng)器實際體積是多少？例1第19頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四解：首先計算原料處理量Q0，根據(jù)乙酸乙酯產(chǎn)量可算出每小時乙酸用量為原料液各組分起示濃度分別為由原料液中各組分質(zhì)量比可算出原料處理量Q0為第20頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四將題給的反應(yīng)速率方程變換為轉(zhuǎn)化率的函數(shù)(A)其中第21頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四將(A)式代入得反應(yīng)時間為

由a,b及c的定義式知，(B)第22頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四反應(yīng)器的實際體積為則所需的反應(yīng)體積為將有關(guān)數(shù)值代入式（B）中得到反應(yīng)時間第23頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)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鈉的濃度均為0.02mol/L，反應(yīng)速率常數(shù)等于4.6L/(molmin)。試求乙酸乙酯轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到80％、90％和95％時的反應(yīng)時間。得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5min例2解：第24頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四在攪拌良好的間歇釜式反應(yīng)器

當(dāng)丁醇過量時，反應(yīng)動力學(xué)方程式為式中CA為乙酸濃度，kmolm-3。已知反應(yīng)速度常數(shù)k為1.04m3kmol-1h-1，投料摩爾比為乙酸：丁醇=1：4.97，反應(yīng)前后物料的密度為750kgm-3，乙酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分別為60、74和116。若每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯(不考慮分離過程損失)，乙酸的轉(zhuǎn)化率為50%，每批輔助操作時間為0.5h，裝料系數(shù)f為0.7，試計算所需反應(yīng)器的反應(yīng)體積和實際體積。例3第25頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四解：(1)計算反應(yīng)時間

因為是二級反應(yīng)，故

則

kmolm-3

所以

h第26頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四(2)計算所需反應(yīng)器的反應(yīng)體積Vr

每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯，則每小時乙酸用量為

kgh-1

每小時處理的總原料量為

kgh-1

每小時處理的原料體積為

m3h-1第27頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四故反應(yīng)器的反應(yīng)體積為

m3

(3)計算所需反應(yīng)器的實際體積VT

m3

第28頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.2.2最優(yōu)反應(yīng)時間對于反應(yīng)，若反應(yīng)產(chǎn)物R的濃度為CR，則單位操作時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為

(3.15)將式(3.15)對反應(yīng)時間求導(dǎo)

(3.16)令，則由式(3.16)得第29頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四圖3.2間歇反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)時間OMN為CR與t關(guān)系曲線，自點A(-t0,0)作曲線OMN的切線MA，則M點的橫坐標(biāo)即為最優(yōu)反應(yīng)時間。如從單位產(chǎn)品生產(chǎn)費用最低著眼，并設(shè)單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費用為a0，輔助費用為a，固定費用為af，則單位質(zhì)量產(chǎn)品總費用，即目標(biāo)函數(shù)為第30頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四

習(xí)題3.1、3.2、3.5、3.9、3.13、3.16課后作業(yè)：第31頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四對各組分作物料衡算：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個獨立反應(yīng)，因此，此三式中僅二式是獨立的。對A：對P：對Q：復(fù)合反應(yīng)-平行反應(yīng)等溫BR的計算

3.反應(yīng)時間的計算第32頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四若為恒容條件下：對A：對P：對Q：復(fù)合反應(yīng)-平行反應(yīng)等溫BR的計算

3.反應(yīng)時間的計算第33頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四組分濃度反應(yīng)時間APQ等溫BR的計算第34頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四平行反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時間關(guān)系示意圖即：任意時刻兩個反應(yīng)產(chǎn)物濃度之比，等于兩個反應(yīng)速率常數(shù)之比等溫BR的計算反應(yīng)物A的濃度總是隨反應(yīng)時間的增加而減少，而產(chǎn)物的濃度則隨反應(yīng)時間的增加而增高。第35頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四將上述結(jié)果推廣到含有M個一級反應(yīng)的平行反應(yīng)系統(tǒng)：反應(yīng)物A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。等溫BR的計算復(fù)合反應(yīng)第36頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四例4在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)

(A)反應(yīng)開始時A和B的濃度均為2kmol/m3，目的產(chǎn)物為P，試計算反應(yīng)時間為3h時A的轉(zhuǎn)化率和P的收率。第37頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四解：由于是恒容系統(tǒng)，將式(A)代入式(B)化簡后可得:積分得:A的消耗速率為:對組分A作物料衡算：第38頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四解得:當(dāng)CAo=2kmol/m3，t=3h時：組分A的轉(zhuǎn)化率：第39頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)合初始條件并積分可得:式(C)除以式(E)有：為了計算P的收率，列出關(guān)于P的設(shè)計方程：第40頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四P的收率為：代入CA0、CA數(shù)值后得:第41頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)合反應(yīng)－連串反應(yīng)對A作物料衡算：對P作物料衡算：等溫BR的計算第42頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四令：得：等溫BR的計算連串反應(yīng)組分濃度與反應(yīng)時間關(guān)系示意圖由圖可知，目的產(chǎn)物P的濃度存在極大值，該極大值對應(yīng)的反應(yīng)時間即為最優(yōu)反應(yīng)時間第43頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四例5在間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行等溫反應(yīng)這兩個反應(yīng)對各自的反應(yīng)物均為一級，并已知反應(yīng)溫度下k2/k1=0.68,試計算一甲胺的最大收率和與其相應(yīng)的氨的轉(zhuǎn)化率。

第44頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四解：一甲胺的生成速率為:兩式相除得:氨的轉(zhuǎn)化速率為:根據(jù)兩個反應(yīng)得速率方程為：第45頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)初值條件XA、YB，解一階線性常微分方程（D）得:故式（C）又可以寫成:因為：第46頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四為了求一甲胺的最大收率，將式（F）對XA求導(dǎo)得:則式（E）有:式（E）中c為積分常數(shù)，由初始條件得：令dYB/dXA=0得:第47頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)已知條件k2/k1=0.68,一甲胺的最大收率為:將XA代入式（F）可得:所以：第48頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四連續(xù)釜式反應(yīng)器物料衡算式3.4等溫CSTR的計算對連續(xù)釜式反應(yīng)器，穩(wěn)態(tài)操作，有：則物料衡算通式變?yōu)椋?/p>

單一反應(yīng)第49頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四

空時與空速的概念：空時：（因次：時間）

空速的意義：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?？账伲?.4等溫CSTR的計算第50頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四對關(guān)鍵組分A有：對目的產(chǎn)物P有：對副產(chǎn)物Q有：三式中有兩式獨立，可解Vr、XA、YP三者關(guān)系復(fù)合反應(yīng)－平行反應(yīng)3.4等溫CSTR的計算第51頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四對中間產(chǎn)物P：對最終產(chǎn)物Q：3.4等溫CSTR的計算復(fù)合反應(yīng)－連串反應(yīng)對關(guān)鍵組分A有：三式中有兩式獨立，可解Vr、XA、YP三者關(guān)系第52頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四

例6用連續(xù)操作釜式反應(yīng)器生產(chǎn)乙酸丁酯，反應(yīng)條件和產(chǎn)量同例3，試計算所需VR。

解：因為是二級反應(yīng)，因為：m3h-1，xAf=0.5，CA0=1.75kmolm-3，k=1.04m3kmol-1h-1。則

第53頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四例7用連續(xù)操作釜式反應(yīng)器進(jìn)行乙酸與乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。輔助時間為1h。反應(yīng)速率方程為rA=k1(cAcB-cRcS/R)。反應(yīng)溫度下k1=4.76×10-4L/(mol?min)，平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%所需的反應(yīng)體積？第54頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四首先計算原料處理量Q0，根據(jù)乙酸乙酯產(chǎn)量可算出每小時乙酸用量為解：由原料液中各組分質(zhì)量比可算出原料液量為：原料液各組分起示濃度分別為：第55頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四將題給的反應(yīng)速率方程變換為轉(zhuǎn)化率的函數(shù)：帶入初始組成及k1、K化簡后的：第56頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四以出口轉(zhuǎn)化率計算反應(yīng)速率：

則所需的反應(yīng)體積為：(B)比較間歇與連續(xù)釜式反應(yīng)器表明，采用間歇操作所需的反應(yīng)體積較之連續(xù)釜式反應(yīng)器要小，其原因是間歇反應(yīng)器是變速操作，開始時反應(yīng)速率大，終了時最小，而連續(xù)釜式反應(yīng)器是在等速下操作，且恰好在相應(yīng)的間歇反應(yīng)器最小反應(yīng)速率下操作。從這個角度來說，連續(xù)釜式反應(yīng)器不如間歇反應(yīng)器。第57頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四例8在等溫連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)

(A)反應(yīng)開始時A和B的濃度均為2kmol/m3，目的產(chǎn)物為P，若保持其空時為3h則組分A的最終轉(zhuǎn)化率為多少？P的收率又是多少？第58頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四分別列出A及P的物料衡算式，對A：對P有：將CA0=2kmol/m3代入式（A）并整理得：解：第59頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四CA=0.2573kmol/m3故A的最終轉(zhuǎn)化率為：將CA=0.2573kmol/m3

代入式（B）得P的濃度：解得：故P的收率為：比較間歇與連續(xù)釜式反應(yīng)器表明，當(dāng)連續(xù)釜式反應(yīng)器的空時和間歇釜的反應(yīng)時間相同時，兩者的轉(zhuǎn)化率、收率都不相等，因此在進(jìn)行反應(yīng)器放大時，這點必須予以足夠注意。另外在本情況下連續(xù)操作時的收率大于間歇操作，這是由于A的濃度低有利于目的產(chǎn)物P的生成之故。第60頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四小結(jié)：等溫反應(yīng)釜的設(shè)計方程反應(yīng)BRCSTR第61頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四思考1.用一個大反應(yīng)器好還是幾個小反應(yīng)器好?（Vr最小)2.若采用多個小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？（Vr最小)3.若多個反應(yīng)器串聯(lián)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？3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)第62頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四第63頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四正常動力學(xué)單釜兩釜串聯(lián)1.圖解分析3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)第64頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)(a)正常動力學(xué)(b)反常動力學(xué)圖3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的幾何圖示第65頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四正常動力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率隨XA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。對于正常動力學(xué)，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，一般釜數(shù)不超過4）反常動力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率隨XA增加而增加。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。1.圖解分析小結(jié)3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)第66頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四圖3.6釜式反應(yīng)器的并聯(lián)若為兩釜并聯(lián)，則存在如何分配各釜進(jìn)料量的問題，其分配原則是保持各釜的空時相等，也就是各釜的出口轉(zhuǎn)化率相等，這樣效果最佳。第67頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四圖單釜連續(xù)操作和多釜串聯(lián)連續(xù)操作反應(yīng)器內(nèi)的濃度變化第68頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四2.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)

串聯(lián)釜式反應(yīng)器對第P釜作組分i的物料衡算：第69頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四2.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)實際計算中往往是已知進(jìn)料組成，確定達(dá)到規(guī)定輸出物料組成所需的釜數(shù)和各釜反應(yīng)體積。一般情況下，釜數(shù)越多，總反應(yīng)體積越小，從這點來看，多用幾個釜串聯(lián)操作是有利的，但是，釜數(shù)多了，相應(yīng)的管道閥門和控制儀表也要增加，操作的復(fù)雜程度也要增加，所以，應(yīng)根據(jù)具體情況從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)確定最佳的釜數(shù)。釜數(shù)確定后，需進(jìn)一步確定各釜的體積比，這是一個優(yōu)化問題。第70頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四2.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)在第p釜中對反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算得注意：由于連續(xù)反應(yīng)，各釜的進(jìn)料可近似認(rèn)為相等Q0=Q1=Q2=…QN第71頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四對一級不可逆反應(yīng),以A為關(guān)鍵組分：3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)2.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算N個釜注意：其中的為單釜空時，總空時為N

。注意：假設(shè)：①各釜體積相同，且各釜的進(jìn)料可近似認(rèn)為相等，則各釜的空時相等。②各釜操作溫度相同，則各釜的速率常數(shù)k相等?？偪諘r：總反應(yīng)體積：K=k1-k2=…第72頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四對非一級不可逆反應(yīng),以A為關(guān)鍵組分：3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)2.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算注意：各釜反應(yīng)體積（或空時）已知時，可從第一釜開始，逐釜計算各釜出口轉(zhuǎn)化率，可確定達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率所需的釜數(shù)。但若規(guī)定釜數(shù)計算達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率時各釜反應(yīng)體積（或空時）時，則需假定空時通過試差進(jìn)行計算。第73頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四圖3.8作圖法確定串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的出口轉(zhuǎn)化率對于動力學(xué)方程更為復(fù)雜的反應(yīng)體系，可采用圖解法進(jìn)行計算。注意到各釜出口轉(zhuǎn)化率既要滿足反應(yīng)速率方程，又要符合物料衡算式，由兩者的交點即可決定每釜出口狀態(tài)。圖中OM、NXA、PXA2及QXA3分別表示第1、2、3、4釜的物料衡算式（如果各釜反應(yīng)體積相同，則這些曲線是相互平行的）。圖中曲線MNPQ為動力學(xué)曲線，每釜物料衡算曲線和動力學(xué)曲線的交點即為該釜出口狀態(tài)。根據(jù)不同的計算要求，可以通過該圖進(jìn)行逐釜計算或視差計算。第74頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四用三個體積相同的釜式反應(yīng)器串聯(lián)，進(jìn)行乙酸與乙醇的酯化，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。輔助時間為1h。反應(yīng)速率方程為rA=k1(cAcB-cRcS/R)。反應(yīng)溫度下k1=4.76×10-4L/(mol?min)，平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%所需的反應(yīng)體積。若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75，則反應(yīng)器實際體積是多少？例9第75頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四首先計算原料處理量Q0，根據(jù)乙酸乙酯產(chǎn)量可算出每小時乙酸用量為解：由原料液中各組分質(zhì)量比可算出原料液量為：原料液各組分起示濃度分別為：第76頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四將題給的反應(yīng)速率方程變換為轉(zhuǎn)化率的函數(shù)帶入初始組成及k1、K化簡后的：第77頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四各釜設(shè)計方程：對第一釜：對第二釜：對第三釜：第78頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四由上三式得：假設(shè)各釜體積相等：由于rA為：第79頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四聯(lián)立求解式(D)(E)得：將XA3=0.35與式(C)一起代入式(A)(B)，有：總反應(yīng)體積為9.897m3

第80頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四反應(yīng)器BRCSTR三個CSTR串聯(lián)Vt/m38.23（12.38）14.689.90不同反應(yīng)器反應(yīng)體積比較第81頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.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,為使總的反應(yīng)體積最小,各釜反應(yīng)體積存在一個最佳比例。3.5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：據(jù)此求得各釜的轉(zhuǎn)化率，從而求得此時最小。第82頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四求解該方程組，可得此總反應(yīng)體積最小時各釜的反應(yīng)體積。3.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)第83頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比對一級不可逆反應(yīng)，有：若各釜溫度相同，化簡得：所以：由此可見，串聯(lián)釜式反應(yīng)器進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)時，若各釜體積相等，則總反應(yīng)體積最小。3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)第84頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四小結(jié)：串聯(lián)釜式反應(yīng)器進(jìn)行級反應(yīng)：3.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比3.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)第85頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四在反應(yīng)器中進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)時，目的產(chǎn)物的收率如何，是首先要考慮的事，因為它直接影響到產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量；反應(yīng)選擇性也同樣重要，它反映了原料利用的程度。收率與選擇性與反應(yīng)器的形式和操作條件密切相關(guān)。3.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性1.總收率與總選擇性則：第86頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四

總選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系取決于反應(yīng)動力學(xué)，反應(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，但最終收率卻不一樣。1.總收率與總選擇性當(dāng)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：間歇釜＜多個連續(xù)釜串聯(lián)＜單一連續(xù)釜當(dāng)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：間歇釜＞多個連續(xù)釜串聯(lián)＞單一連續(xù)釜3.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性第87頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四(a)(b)

圖3.10釜式反應(yīng)器的最終收率第88頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四2.平行反應(yīng)若目的產(chǎn)物為P，則瞬時選擇性為

在釜式反應(yīng)器中進(jìn)行如下平行反應(yīng)3.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性第89頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四2.平行反應(yīng)

在釜式反應(yīng)器中進(jìn)行平行反應(yīng)3.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性第90頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四

以純A為原料在連續(xù)釜式反應(yīng)器中生產(chǎn)產(chǎn)物P，反應(yīng)為

例反應(yīng)速率常數(shù)k1和k2與溫度的關(guān)系符合阿累尼烏斯方程，指前因子A1=4.368×105h-1，A2=3.533×1018h-1，反應(yīng)活化能E1=41800J/(mol?K)，E2=141000J/(mol?K)。若空時為1h，試問什么溫度下操作P的收率最大？第91頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四分別列出組分A和P的物料衡算式：解：式(A)(B)可分別改寫為：由式(C)(D)得：第92頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四上式對溫度T求導(dǎo)得：令：代入式(G)有：則有：此即為P收率最大所要求的條件式由于：第93頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四將阿累尼烏斯方程代入并整理得：代入已知條件可算得：第94頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.連串反應(yīng)在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)存在最大收率，若在連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行，是否也存在最大收率呢？首先針對連續(xù)釜式反應(yīng)器列出組分A和P的物料衡算方程：將上式對空時求導(dǎo)：得最佳空時：3.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性第95頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四P最大收率為：相同的反應(yīng)溫度下，間歇反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器收率的比較：在連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行連串反應(yīng)時，同樣存在著最大收率間歇反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器進(jìn)行連串反應(yīng)時，間歇釜式反應(yīng)器與連續(xù)釜式反應(yīng)器同樣存在著最大收率，在相同反應(yīng)溫度下，間歇釜式反應(yīng)器的最大收率總要大于連續(xù)釜式反應(yīng)器第96頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四間歇反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器收率與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系：間歇反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器第97頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四圖3.12間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進(jìn)行連串反應(yīng)時的轉(zhuǎn)化率與收率由圖可知，任意k2/k1下，收率YP對轉(zhuǎn)化率XA變化存在最大值。且在相同的轉(zhuǎn)化率下，間歇操作時的收率總大于連續(xù)操作。間歇釜最大收率軌跡連續(xù)釜最大收率軌跡第98頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四可以通過改變操作溫度的辦法來改變k2/k1的相對大小，但無論E2和E1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)程度；可以使用催化劑來改變k2/k1當(dāng)然，如果Q是目的產(chǎn)物，問題就簡單多了。采用反應(yīng)時間t↑、空時τ↑的辦法即可。第99頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四在連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行甲醇和氨的反應(yīng):

例這兩個反應(yīng)對各自的反應(yīng)物均為一級，并已知反應(yīng)溫度下k2/k1=0.68,則一甲胺的最大收率是多少？相應(yīng)氨的轉(zhuǎn)化率又是多少？第100頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四解：兩式相除得:分別作組分A和B的物料衡算可得:根據(jù)兩個反應(yīng)得速率方程為：以A、B、M代表氨、一甲胺及甲醇第101頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四代入并化簡得:因為：為了求一甲胺的最大收率，將式（C）對XA求導(dǎo)得:令dYB/dXA=0得:第102頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)已知條件k2/k1=0.68，一甲胺的最大轉(zhuǎn)化率為:將XA代入式（C）可得，一甲胺的最大收率為:第103頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四連續(xù)釜式反應(yīng)器最大收率小于間歇釜式反應(yīng)器。BRCSTRXA0.70040.548YB,max0.44060.3004將連續(xù)釜式反應(yīng)器與間歇釜式反應(yīng)器比較第104頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四3.7半間歇釜式反應(yīng)器

要求一種反應(yīng)物濃度高而另一種濃度低時，采用半間歇反應(yīng)是有利的；對于某些強(qiáng)放熱反應(yīng)，采用半間歇反應(yīng)還可以通過調(diào)節(jié)加料速度以控制反應(yīng)溫度；對于某些可逆反應(yīng)，可通過移走產(chǎn)物而提高產(chǎn)品收率，同時還可以提高反應(yīng)速率。半間歇操作與間歇操作的共同點是反應(yīng)物系的組成均隨時間而變，因而設(shè)計方程必須以時間為自變量。半間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計方程：第105頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四對下列液相反應(yīng)有：1.半間歇釜式反應(yīng)器的計算3.7半間歇釜式反應(yīng)器設(shè)計方程可寫成：假設(shè)開始時反應(yīng)器中注入體積為V0的B，反應(yīng)過程中連續(xù)輸入A，其流量為Q0，濃度為CA0，若不連續(xù)導(dǎo)出物料，即Q=0假設(shè)過程中B大量過剩，則該反應(yīng)可視為對A的一級反應(yīng)，即rA=kcA第106頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四任意時刻反應(yīng)體積為：1.半間歇釜式反應(yīng)器的計算3.7半間歇釜式反應(yīng)器若VcA視為變量，初始條件t=0,VcA=0,則可解得該一階線形微分方程為:將V代入可得：若恒速加料，則Q0為常數(shù)：半間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)組分A濃度與時間的關(guān)系因VcR=Q0cA0t-VcA：半間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)組分R濃度與時間的關(guān)系注意：若Q0不為常數(shù)，則需知道Q0與t的函數(shù)關(guān)系才能求解。若B的濃度對反應(yīng)速率不能忽略，則為非線性微分方程難以得到解析解，需用數(shù)值解法。第107頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四圖3.13半間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)組分濃度與時間的關(guān)系P82：例3.10第108頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四BR和CSTR反應(yīng)體積的比較第109頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四

對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，在求得所需反應(yīng)器的總?cè)莘eVT后，再根據(jù)工藝要求和反應(yīng)器系列標(biāo)準(zhǔn)，即可確定所需釜式反應(yīng)器的臺數(shù)N及單釜容積VTS。生產(chǎn)中可能有以下幾種情況：

(1)已知VTS，求N

這種情況在產(chǎn)品擴(kuò)產(chǎn)或更新時比較常見。此時，工廠已有若干臺反應(yīng)器，需通過計算確定擴(kuò)產(chǎn)或更新后所需的反應(yīng)器臺數(shù)。

單釜容積及臺數(shù)確定3.8釜式反應(yīng)器的工業(yè)設(shè)計第110頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四

對于給定的處理量，每天需操作的總批數(shù)為

式中

Vd—每天需處理的物料體積，m3d-1；

VrS—單臺反應(yīng)器的反應(yīng)體積,即裝料容積,m3。

單釜容積及臺數(shù)確定第111頁，共122頁，2023年，2月20日，星期四每天每臺反應(yīng)器可操作的批數(shù)為

則完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器臺數(shù)為

單釜容積及臺數(shù)確定NP值不是整數(shù)，則應(yīng)圓整成整數(shù)N第112頁，共122頁，2023年，