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1、第三章 均相反应过程3.1概述概述3.2简单反应器简单反应器3.3组合反应器组合反应器非等温过程非等温过程反应器类型和操作方法反应器类型和操作方法全混流釜式反应器的热稳定性全混流釜式反应器的热稳定性搅拌釜中的流动与传热搅拌釜中的流动与传热13.43.53.63.7第1页/共122页教学目标教学目标掌握等温间歇反应器反应时间、反应掌握等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法；体积的计算方法；理解流动反应器空时和空速的概念及理解流动反应器空时和空速的概念及其应用；其应用；掌握定态下连续釜式反应器反应体积掌握定态下连续釜式反应器反应体积及产物组成的计算方法；及产物组成的计算方法；掌握连续釜式反应器
2、串联或并联操作掌握连续釜式反应器串联或并联操作的计算及热量衡算与应用；的计算及热量衡算与应用；根据不同的反应类型能正确地选择釜根据不同的反应类型能正确地选择釜式反应器的加料方式、连接方式、原式反应器的加料方式、连接方式、原料配比及操作温度；料配比及操作温度；理解全混流反应器的多定态特性、着理解全混流反应器的多定态特性、着火现象和熄火现象；火现象和熄火现象；了解半间歇反应器的计算方法了解半间歇反应器的计算方法教学重点教学重点v等温间歇反应器反应时间、反应等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算；体积的计算；v流动反应器空时的概念；流动反应器空时的概念；v连续釜式反应器（全混流反应器）连续釜式反应器
3、（全混流反应器）反应体积及产物分布的计算；反应体积及产物分布的计算；v连续釜式反应器串联或并联操作连续釜式反应器串联或并联操作的计算；的计算；v釜式反应器的加料方式、连接方釜式反应器的加料方式、连接方式、原料配比及操作温度的选择式、原料配比及操作温度的选择2第2页/共122页3.13.1 概概 述述均相反应工业化过程中要解决的问题大致有三：均相反应工业化过程中要解决的问题大致有三：31)1)反应动力学方程的建立与应用；反应动力学方程的建立与应用；2)2)反应器型式与操作方式的选择；反应器型式与操作方式的选择；3)3)反应器大小及其生产能力的计算反应器大小及其生产能力的计算1.1.流动与混合流动
4、与混合a)a)层流层流（一）层流与湍流（一）层流与湍流b)b)湍流湍流第3页/共122页4c)理想排挤流理想排挤流反反应应物物料料以以一一致致的的方方向向与与流流速速向向前前运运动动，在在流流动动方方向向上上象活塞一样有序向前移动。象活塞一样有序向前移动。（二）理想排挤流与理想混合流（二）理想排挤流与理想混合流1 1）任一径向截面上各处的流速完全相等；）任一径向截面上各处的流速完全相等；2 2）所有物料颗粒在反应器中的停留时间均相同）所有物料颗粒在反应器中的停留时间均相同第4页/共122页5反反应应原原料料以以稳稳定定流流率率v0 0流流入入反反应应器器，刚刚进进入入的的新新鲜鲜物物料料与与存
5、存留留在在反反应应器器中中的的物物料料瞬瞬间间达达到到完完全全混混合合，反反应应器器出出口口处处反反应应物物料料以以同同样的样的稳定稳定v0流量流出流量流出d)理想混合流理想混合流1)1)釜内物料的浓度和温度处处相等，且等于出口处的釜内物料的浓度和温度处处相等，且等于出口处的物料的浓度与温度；物料的浓度与温度；2)2)返混达到最大限度，物料在釜内停留时间有长有短。返混达到最大限度，物料在釜内停留时间有长有短。第5页/共122页62.2.空时、空速、停留时间与反应时间空时、空速、停留时间与反应时间1)空时空时，又称为空间时间，定义为反应器体积，又称为空间时间，定义为反应器体积VR与流与流体进反应
6、器的体积流量体进反应器的体积流量v0的比值的比值空空时时的的单单位位是是时时间间，是是度度量量连连续续流流动动反反应应器器生生产产强强度度的的一一个个参参数数。如如空空时时为为1min，表表明明每每分分钟钟可可以以处处理理与与反反应应器器体体积积相相等等的的物物料料量量。空空时时越越大大，反反应应器器生生产产强度越小强度越小第6页/共122页2)空速空速，为空时的倒数，定义为，为空时的倒数，定义为空空速速的的单单位位是是时时间间-1，其其物物量量意意义义是是单单位位时时间间通通过过单单位位反反应应器器容容积积的的物物料料体体积积。如如空空速速为为10 min-1，表表示每分钟能处理进口物料的体
7、积为反应器体积的示每分钟能处理进口物料的体积为反应器体积的10倍。倍。第7页/共122页3)停留时间停留时间，指的是从反应物料，指的是从反应物料进入反应器时算起到进入反应器时算起到离开反应器时为止离开反应器时为止所经历的时间，定义为：所经历的时间，定义为：对对于于恒恒容容过过程程，系系统统物物料料的的密密度度不不随随反反应应转转化化率率而而变变，即即v=v0，所所以以空空时时和和停停留留时时间间两两者者相相等等。对对于于非非恒恒容容过过程程，反反应应器器内内物物料料的的体体积积流流率率v 随随反反应应转转化化率率而而变变化化，因因此此空空时时和和停停留留时间两者就有差异时间两者就有差异。4)反
8、应时间反应时间，指的是从反应物料加入反应器后，指的是从反应物料加入反应器后实际进行实际进行反应时算起至反应到某一时刻反应时算起至反应到某一时刻所需的时间。所需的时间。第8页/共122页93.23.2 简单反应器简单反应器反应器的分类（绪论）反应器的分类（绪论）操作方式的分类（绪论）操作方式的分类（绪论）反应器设计的基本内容和基本方程（绪论）反应器设计的基本内容和基本方程（绪论）【前景知识回顾前景知识回顾】第9页/共122页10 间歇间歇(搅拌搅拌)反应器反应器(Batch Reactor)1)1)反反应应物物料料按按一一定定配配比比同同时时投投入入反反应应器器，经经过过一一定定时时间间达达到到
9、额额定定转转化化率率后后，停停止止反反应应并并排排出出物物料料，完完成成一一个个生生产产周周期期，所所有有物物料具有相同的反应时间；料具有相同的反应时间；2)2)剧剧烈烈搅搅拌拌，器器内内物物料料浓浓度度达达到到分分子子尺尺度度上上的的均均匀匀，浓浓度度处处处处相相等，排除物质传递对反应的影响；等，排除物质传递对反应的影响；3)3)足足够够的的传传热热条条件件，器器内内各各处处温温度度始始终终相相等等，无无需需考考虑虑反反应应器器内内的热量传递；的热量传递；第10页/共122页优点：操作灵活，易于适应不同操作条件和不同产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，特别是精细化工、生物
10、化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间；产品质量不易稳定11v间歇（搅拌）反应器的优点与缺点间歇（搅拌）反应器的优点与缺点第11页/共122页12在在间间歇歇反反应应器器中中，剧剧烈烈搅搅拌拌，器器内内物物料料的的浓浓度度和和温温度度达达到到均均一一，对对整整个个反反应应器器中中关关键键组组分分A进进行行物物料料衡算，则有：衡算，则有：间歇操作中，物料间歇操作中，物料A输入量和流出量都等于零，故有输入量和流出量都等于零，故有可导出，可导出，间歇反应器性能的数学描述间歇反应器性能的数学描述第12页/共122页13当反应总体积不变时，当反应总体积不变时，则有，则有分离变量和积分运
11、算后，可得到分离变量和积分运算后，可得到在在间间歇歇反反应应器器中中，反反应应物物料料达达到到一一定定转转化化率率所所需需的的反反应应时时间间，只只取取决决于于过过程程的的速速率率，而而与与反反应应器器的大小无关；上式对大型或小型设备均适用。的大小无关；上式对大型或小型设备均适用。第13页/共122页14图图 间歇反应过程间歇反应过程t/cA0的图解积分的图解积分图图 间歇反应过程间歇反应过程t的图解积分的图解积分第14页/共122页15第15页/共122页16间间歇歇反反应应器器的的反反应应体体积积是是指指反反应应物物料料在在反反应应器器中中所所占占的的体体积积，取取决决于于单单位位生生产产
12、时时间间所所处处理理的的物物料料量量和和每每批生产所需的操作时间；批生产所需的操作时间；式中，式中，v0 体积流率，体积流率，单位时间所处理的物料量，单位时间所处理的物料量，m3/h；tT 每批物料的操作时间，等于反应时间每批物料的操作时间，等于反应时间t与辅助时间与辅助时间t0之和。之和。反应器的实际体积反应器的实际体积应大于反应体积，即：应大于反应体积，即：式中，式中，装料系数，对不沸腾不起泡的物系取装料系数，对不沸腾不起泡的物系取0.70.8，对沸，对沸腾或起泡的物系取腾或起泡的物系取0.40.6第16页/共122页17【例例1】某某厂厂生生产产醇醇酸酸树树脂脂是是使使己己二二酸酸和和己
13、己二二醇醇以以等等摩摩尔尔比比在在70用用间间歇歇釜釜并并以以H2SO4作作催催化化剂剂进进行行缩缩聚聚反反应应而而生生产产的的，实实验测得反应的动力学方程式为：验测得反应的动力学方程式为：（1）求求己己二二酸酸转转化化率率分分别别为为xA=0.5、0.6、0.8、0.9所所需需的的反反应应时时间间为为多多少少？（2）若若每每天天处处理理2400kg己己二二酸酸，转转化化率率为为80%，每每批批操操作作的的非非生生产产时时间间为为1hr，计计算算反反应应器器体体积积为为多多少少？设设反反应应器器的装料系数为的装料系数为0.75。第17页/共122页18解解：(1)达到所需要求的转化率所需的反应
14、时间为：达到所需要求的转化率所需的反应时间为：第18页/共122页19随随着着转转化化率率的的增增加加，所所需需的的反反应应时时间间将将急急剧剧增增加加；在确定最终转化率时应该考虑这一因素。在确定最终转化率时应该考虑这一因素。第19页/共122页20(2)(2)反应器体积的计算：反应器体积的计算：每批操作的非生产时间每批操作的非生产时间转化率达转化率达80%80%时所需的生产时间时所需的生产时间 ，反应体积反应体积装料系数为装料系数为0.75第20页/共122页21【例例2】：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯每天生产乙酸乙酯1200
15、0kg，其化学反应式为，其化学反应式为原原料料中中反反应应组组分分的的质质量量比比为为：A:B:S=1：2：1.35，反反应应液液体体的的密密度度为为1020kg/m3，并并假假定定在在反反应应过过程程中中不不变变。每每批批装装料料、卸卸料料及及清清洗洗等等辅辅助助操操作作时时间间为为1h。反应在反应在100下等温操作，其反应速率方程如下下等温操作，其反应速率方程如下:100时时，k1=4.76 10-4L/min，平平衡衡常常数数K=2.92。试试计计算算乙乙酸酸转转化化35%时时所所需需的的反反应应体体积积。若若反反应应器器填填充充系系数数取取0.75，则反应器的实际体积是多少？，则反应器
16、的实际体积是多少？第21页/共122页22解：解：首先计算原料处理量首先计算原料处理量FA0，根据题给的乙酸乙酯产量，根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为：可算出每小时乙酸需用量为：由由于于原原料料液液中中乙乙酸酸:乙乙醇醇:水水(质质量量比比)=1:2:1.35，所所以以1+2+1.35=4.35kg原原料料液液中中含含1kg乙乙酸酸；由由此此可可求求单单位位时时间间的的原原料料液液量量(体体积积)为：为：原料液的起始组成如下原料液的起始组成如下:第22页/共122页23则有：则有：代入速率方程：代入速率方程：其中其中第23页/共122页24则反应时间为：则反应时间为：将将a、b
17、、c的值代入上式，得：的值代入上式，得：所需反应体积为：所需反应体积为：反应器实际体积为：反应器实际体积为：xA0第24页/共122页25对于间歇反应器内的简单反应和可逆反应对于间歇反应器内的简单反应和可逆反应(没有副没有副产物生成产物生成)，优化的目标是，优化的目标是单位时间、单位反应体积的单位时间、单位反应体积的产量最大产量最大。设反应时间为设反应时间为t时的产物浓度为时的产物浓度为cP，辅助时间为，辅助时间为t0，则单位时间的产物生成量为则单位时间的产物生成量为求导得：求导得：间歇反应器的最优反应时间间歇反应器的最优反应时间第25页/共122页26当当 时，时，FP将取最大值；将取最大值
18、；故单位时间故单位时间 反应量最大条件为：反应量最大条件为：图图 间歇反应器最优反应时间的图解法间歇反应器最优反应时间的图解法第26页/共122页27【例例3 3】欲欲用用一一间间歇歇反反应应器器在在为为100、催催化化剂剂硫硫酸酸的的质质量量分分数数为为0.032%的条件下，由乙酸和丁醇生产乙酸丁酯的条件下，由乙酸和丁醇生产乙酸丁酯经经研研究究当当丁丁醇醇过过量量时时，此此反反应应可可视视为为乙乙酸酸浓浓度度为为二二级级反反应应，在在上上述述反反应应条条件件下下，其其反反应应速速率率方方程程为为 ,反反应应速速率率常常数数为为 ，若若原原料料中中丁丁醇醇和和乙乙酸酸的的物物质质量量比比为为5
19、：1，要要求求乙乙酸酸丁丁酯酯的的生生产产速速率率为为100kg/h，两两批批反反应应时时间间之之间间装装、卸卸料料等等辅辅助助操操作作时时间间为为30min。试试问问为为完完成成上上述述生生产产任任务务，反反应应器器的的最最小小容容积积为为多多少少？(因因为为丁丁醇醇大大大大过过量量，反反应应混混合物的密度可视为恒定，等于合物的密度可视为恒定，等于0.75g/cm3)第27页/共122页28解解：丁丁醇醇和和乙乙酸酸相相对对分分子子质质量量分分别别为为74和和60，所所以以反反应应混混合合物中乙酸的初始浓度为：物中乙酸的初始浓度为：乙酸丁酯的相对分子质量为乙酸丁酯的相对分子质量为116116
20、，要求的生产速率为：，要求的生产速率为：对二级反应，转化率和反应时间的关系为：对二级反应，转化率和反应时间的关系为：根据化学计量关系可知，乙酸丁酯浓度和反应时间的关系为根据化学计量关系可知，乙酸丁酯浓度和反应时间的关系为第28页/共122页29令上两式相等，可得令上两式相等，可得化简得化简得第29页/共122页30此时乙酸丁酯的浓度为此时乙酸丁酯的浓度为于是反应器容积为于是反应器容积为此即为完成该生产任务所需的反应器最小容积。此即为完成该生产任务所需的反应器最小容积。第30页/共122页 常常称称为为活活塞塞流流式式(或或理理想想排排挤挤式式)反反应应器器，多多指指假假想想反反应应器器内内径径
21、向向不不存存在在浓浓度度梯梯度度与与温温度度梯梯度度，轴轴向向没没有任何混合有任何混合的管式反应器的管式反应器平推流流体平推流流体反反应应物物料料以以稳稳定定的的流流率率进进入入反反应应器器，在在流流动动方方向向上上象象活活塞塞一一样样有有序序向向前前移移动动，任任一一径径向向截截面面上上各各处处的的流流速完全相等速完全相等 平推流反应器平推流反应器(Plug/Piston Flow Reactor)第31页/共122页1)1)垂垂直直于于物物料料流流动动方方向向的的任任一一截截面面上上物物料料的的所所有有参参数数，如如温温度度、浓浓度度、压压力力、流流速速都都均均匀匀；即即：径径向向任任一一
22、截截面上的流速均匀，且不存在浓度或温度分布；面上的流速均匀，且不存在浓度或温度分布；2)2)连连续续定定态态下下，垂垂直直于于物物料料流流动动方方向向的的各各个个截截面面上上的的各各种种参参数数是是位位置置的的函函数数；即即：径径向向不不同同截截面面上上的的各各种种参参数均与截面所在的位置有关；数均与截面所在的位置有关；3)3)轴轴向向不不存存在在流流体体质质点点间间的的混混合合；故故所所有有物物料料质质点点在在反反应器中应器中具有相同的停留时间具有相同的停留时间，且，且不存在返混。不存在返混。PFR具有的特点：具有的特点：第32页/共122页33图图 平推流反应器轴向浓度分布示意图平推流反应
23、器轴向浓度分布示意图第33页/共122页沿沿反反应应器器轴轴向向位位置置取取长长度度为为dl的的一一个个微微元元管管段段作作为为反反应应器器的的体体积积微微元元，对对其其中关键组分中关键组分A作物料衡算有：作物料衡算有：v 平推流反应器的数学模型平推流反应器的数学模型第34页/共122页 ，只只要要满满足足平平推推流流这这一一假假定定前前提提，无无论论是是等等温温、变变温温或或反反应应过过程程中中反反应应物料的总物质的量是否发生变化物料的总物质的量是否发生变化均可适用均可适用对整个反应器而言，以边界条件：对整个反应器而言，以边界条件：l=0，xA=0；l=L，xA=xAf 进行积分，则有进行积
24、分，则有第35页/共122页36图图 平推流反应器图解示意图平推流反应器图解示意图与间歇反应器图解具有完全相同的形式，与间歇反应器图解具有完全相同的形式，PFR的的反应结果也唯反应结果也唯 一地由化学反应动力学所确定一地由化学反应动力学所确定第36页/共122页37【例例4】在在均均相相气气体体反反应应在在185oC和和压压力力4kgf/cm2下下按按照照反反应应式式 在在平平推推流流反反应应器器中中进进行行，已已知知其其在在此此条件下的动力学方程为：条件下的动力学方程为：当当进进料料含含50%惰惰性性气气体体时时，求求A的的转转化化率率为为80%时时所所需需的时间。的时间。第37页/共122
25、页38解：解：由由平推流反应器的基础设计式开始构思，平推流反应器的基础设计式开始构思，第38页/共122页39xA01.000.21.2240.41.5250.62.000.83.00第39页/共122页40用图解法积分或辛普森数值积分法可解上式，用图解法积分或辛普森数值积分法可解上式，如辛普森法：如辛普森法：故有：故有：第40页/共122页【例例 5 5】在在 容容 积积 为为 2.5m3的的 间间 歇歇 反反 应应 器器 中中 进进 行行 均均 相相 反反 应应 ，反应维持在等温操作，实验测得反应速率方程为：，反应维持在等温操作，实验测得反应速率方程为：k=2.78L/(kmol.s)，当
26、当cA0=cB0=4mol/L，而而A的的转转化化率率xA=0.8时时，该该间间歇歇反反应应器器平平均均可可处处理理0.684kmol/min的的反反应应物物A。今今若若将将反反应应移移到到一一个个管管内内径径为为125mm的的理理想想流流动动管管式式反反应应器器中中进进行行，仍仍维维持持75等等温温操操作作，且且处处理和所要求转化率相同，求所需要反应器的管长。理和所要求转化率相同，求所需要反应器的管长。第41页/共122页解：解：cA0=cB0，且是等物质的量反应，所以反应速率方程为，且是等物质的量反应，所以反应速率方程为此反应在间歇反应器中达到要求转化率所需反应时间为：此反应在间歇反应器中
27、达到要求转化率所需反应时间为：此反应时间等于理想流动管式反应器中的空时，即此反应时间等于理想流动管式反应器中的空时，即第42页/共122页令令FA0为摩尔进料流率，按题意可知为摩尔进料流率，按题意可知反应器体积反应器体积VR为为管长为管长为第43页/共122页一、全混流假定一、全混流假定反反应应原原料料以以稳稳定定流流率率v0 0流流入入反反应应器器，刚刚进进入入的的新新鲜鲜物物料料与与存存留留在在器器内内的的物物料料瞬瞬间间达达到到完完全全混混合合，器器内内物物料料的的浓浓度度与与温温度度处处处处相相等等且且等等于于出出口口处处的的温温度度与与浓浓度度，反反应应物物料料以以同同样样的的稳稳定
28、定v0流流量量流出流出44 全混流反应器全混流反应器(Continuous Stirred-Tank Reactor)第44页/共122页二、二、CSTR的特点的特点1.反反应应器器中中的的各各种种操操作作参参数数(如如浓浓度度、温温度度等等)不不随随时时间间变变化化，也也不不随随位位置置变变化化；出出口口处处物物料料的的浓浓度度、温温度度等于反应器内物料的浓度、温度；等于反应器内物料的浓度、温度；2.物物料料质质点点在在反反应应器器内内停停留留时时间间有有长长有有短短，存存在在不不同同停留时间物料的混合停留时间物料的混合(即返混即返混)，且返混程度无穷大；，且返混程度无穷大；3.器器内内的的
29、反反应应速速率率在在各各点点均均相相同同，且且不不随随时时间间变变化化，即为等速反应器即为等速反应器全混流反应器，定态操作全混流反应器，定态操作*时具有以下特点：时具有以下特点：45第45页/共122页三、三、CSTR的基本设计方程的基本设计方程在全混流反应器内进行等温恒容液相反应在全混流反应器内进行等温恒容液相反应 ，对关键组分，对关键组分A在整个反应器内进行定常态物料衡算：在整个反应器内进行定常态物料衡算：46第46页/共122页47图图 CSTR图解计算示意图图解计算示意图第47页/共122页均相反应动力学方程常以幂函数的形式表示为：均相反应动力学方程常以幂函数的形式表示为：全混流动釜式
30、反应器的基本设计方程为：全混流动釜式反应器的基本设计方程为：联合两式，联合两式，可解得在一定处理量和反应转化率的情况可解得在一定处理量和反应转化率的情况下所需要反应器体积的大小，下所需要反应器体积的大小，或者或者对某一反应器在确对某一反应器在确定生产能力条件下所能达到的反应程度等定生产能力条件下所能达到的反应程度等。48四、四、CSTR中的均相反应中的均相反应第48页/共122页49表表 PFR和和CSTR中反应结果比较中反应结果比较第49页/共122页【例例6】液相反应液相反应在在120时正、逆反应速率常数分别为时正、逆反应速率常数分别为k1=8 L/(molmin)，k2=1.7 L/(m
31、olmin)反应在全混流釜反应器中进行，其中物料容量为反应在全混流釜反应器中进行，其中物料容量为100L，两股进料流同时等流量倒入反应器，其中一股含，两股进料流同时等流量倒入反应器，其中一股含A 3.0 mol/L，另一股含，另一股含B 2.0mol/L，求当组分，求当组分B的转化率的转化率为为80%时，每股料液的进料流量应为多少？时，每股料液的进料流量应为多少？50第50页/共122页解解：假假定定在在反反应应过过程程中中物物料料的的密密度度恒恒定定不不变变，当当B的的转转化化率率为为0.8时时，在在反反应应器器中中和和反反应应器器出出口口流流中中各各组分的浓度应为组分的浓度应为51第51页
32、/共122页由于是可逆反应，有由于是可逆反应，有对于连续流动釜式反应器：对于连续流动釜式反应器：所以，两股进料流中每一股进料流量为：所以，两股进料流中每一股进料流量为：52第52页/共122页【例例7】在在全全混混流流反反应应器器中中进进行行丁丁二二烯烯(A)和和丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯(B)反反 应应 生生 成成 环环 已已 烷烷 甲甲 酸酸 甲甲 酯酯(C)的的 液液 相相 反反 应应：，以以氯氯化化铝铝(P)为为催催化化剂剂，反反应应温温度度20，液液料料的的体体积积流流率率0.5m3/h，丁丁二二烯烯和和丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯的的初初始始浓浓度度分分别别为为CA0=96.5mol/m3和和
33、CB0=184mol/m3，催催 化化 剂剂 的的 浓浓 度度CP=6.63mol/m3，速速 率率 方方 程程(-rA)=kCACP，式式 中中k=1.1510-3m3/(mol.ks)，若若要要求求丁丁二二烯烯转转化化率率为为40%，求反应器体积。求反应器体积。53第53页/共122页解：解：54第54页/共122页【例例8】在在全混流反应器中一级不可逆反应液相反应，全混流反应器中一级不可逆反应液相反应，已知反应速率、速率常数与原料起始组成分别为：已知反应速率、速率常数与原料起始组成分别为：若转化率若转化率xA=0.7，装置的日生产能力为，装置的日生产能力为50000 kg产物产物R，求，
34、求50等温操作时进料容积流速等温操作时进料容积流速v0？所需反应器的有？所需反应器的有效容积？效容积？55第55页/共122页解：解：56第56页/共122页573.33.3 组合反应器组合反应器并并联联：扩扩大大生生产产能能力力。通通常常要要求求每每个个平平行行支支线线上上的的或或V/F均相同。均相同。串串联联：提提高高xA；降降低低cA。PFR：避避免免反反应应管管过过长长而而受受到到设设备备制制造造、安安装装、操操作作等等限限制制；CSTR：降降低低返返混的影响，提高过程推动力。混的影响，提高过程推动力。循环反应器循环反应器：使原为使原为PFR具有具有CSTR 的某种特征的某种特征。多个
35、简单反应器常见的组合操作方式：多个简单反应器常见的组合操作方式：第57页/共122页58 PFR的串联、并联或并串联的串联、并联或并串联1.串串联联：设设x1、x2、xN为为反反应应组组分分A离离开开反反应应器器1#、2#、N#时的转化率，作物料衡算有：时的转化率，作物料衡算有：PFR-1PFR-2PFR-n若若每每个个反反应应器器内内的的温温度度相相同同、(-rA)在在0，xN区区间间连连续续变变化化时时，则则总总体体积积为为VT的的N个个PFR的的串串联联操操作作，与与一一个个具具有有体体积积为为VT的单个的单个PFR获得的转化率相同。获得的转化率相同。第58页/共122页592.并并联联
36、与与并并串串联联：对对单单个个反反应应器器中中的的反反应应组组分分A作作物物料料衡衡算算仍有：仍有：，此外，此外对每个并行线上要求对每个并行线上要求V/F或或相同相同【例例9】在如下图所示的在如下图所示的PFR的并串组合，求总进料流的并串组合，求总进料流中进入支线中进入支线A的分率为多少？的分率为多少？解：解：即：总进料流中进入支线即：总进料流中进入支线A的分率为的分率为2/3。第59页/共122页60图图 单釜和多釜串联操作时的反应物浓度水平单釜和多釜串联操作时的反应物浓度水平 CSTR的串联的串联第60页/共122页61图图 单釜和多釜串联操作时的反应器体积比较单釜和多釜串联操作时的反应器
37、体积比较-在在相相同同操操作作条条件件下下，达达到到相相同同转转化化率率要要求求时时，三三釜釜相相串串联联的的阴阴影影面面积积较较小小，即即三三釜釜串串联联的的总总反反应应体体积积要要比比单单釜釜的的反反应应体体积积小小；也也就就是是说说，三三釜釜串串联联时时单单位位反反应应体体积积的的生生产能力比单釜的单位反应体积的生产能力大产能力比单釜的单位反应体积的生产能力大。cA0cAfa)单釜单釜cA0cAf123b)三釜三釜第61页/共122页62定态操作时，对第定态操作时，对第i釜做物料衡算：釜做物料衡算：导出，导出，只只要要知知道道反反应应动动力力学学方方程程就就可可进进行行多多釜釜串串联联操
38、操作作的的计计算算。如如反反应应为为一一级级不不可可逆逆反反应应，且且各各釜釜的的体体积积和和操操作作温温度度均相同，则有：均相同，则有：或或或或第62页/共122页63图图 多釜串联操作时的图解法多釜串联操作时的图解法第63页/共122页64【例例10】：应应用用串串联联全全混混流流反反应应器器进进行行一一级级不不可可逆逆反反应应，假假设设各各釜釜的的容容积积和和操操作作温温度度均均相相同同，已已知知在在该该温温度度下下的的速速率率常常数数k=0.92h-1，原原料料的的进进料料速速率率v0=10 m3/h，要要求求最最终终转转化化率率为为0.90。试试计计算算当当串串联联釜釜数数N分分别别
39、为为1、2、3、4、5、10、50和和100时时的的反反应应器器总总体体积积。如如果果应应用用间间歇歇反反应应器器操操作作，计计算算不不考考虑虑辅辅助助生生产产时间条件下所需间歇釜的体积。时间条件下所需间歇釜的体积。第64页/共122页65解：解：由由 ，可导出，可导出可得相应于可得相应于N值下的总体积，其计算结果列于下表：值下的总体积，其计算结果列于下表：N个个123451050100V(m3)97.8 47.037.633.831.828.125.625.3第65页/共122页66对间歇操作，所需反应时间对间歇操作，所需反应时间t为：为：根据处理能力要求，其反应器体积为：根据处理能力要求，
40、其反应器体积为：1)串串联联釜釜数数N愈愈多多时时，所所需需反反应应器器体体积积愈愈小小，当当N50时时，已已接近间歇反应器所需的体积；接近间歇反应器所需的体积；2)在在N5后，增加釜数的效果不明显，且后，增加釜数的效果不明显，且N愈大，效果愈小；愈大，效果愈小；3)考考虑虑到到反反应应器器的的制制造造、维维修修、操操作作和和控控制制方方面面的的原原因因，实实际际生产中的釜数生产中的釜数常以常以34个为宜个为宜。第66页/共122页67【思考思考】下图中下图中(a)和和(b)两种组合方式的意义有何不同？两种组合方式的意义有何不同？第67页/共122页68 PFR与与CSTR间的串联间的串联图图
41、 不同型式反应器串联的图解计算不同型式反应器串联的图解计算第68页/共122页69图图 管式循环反应器示意图管式循环反应器示意图1.1.循环比循环比 循环反应器循环反应器B第69页/共122页702.物料衡算物料衡算(一一)1)当循环比等于零时，当循环比等于零时，cA1=cA0，简化为，简化为PFR;2)循环比愈大，循环返回量愈多，入口浓度下降得愈厉害循环比愈大，循环返回量愈多，入口浓度下降得愈厉害;3)当当循循环环比比趋趋于于无无穷穷大大时时，入入口口浓浓度度接接近近于于出出口口浓浓度度，这这时时循循环环反反应应器器中中各各处处的的反反应应物物浓浓度度接接近近于于反反应应器器出出口口浓浓度度
42、，具有具有CSTR的特征。的特征。对反应器入口前的物料汇合点对反应器入口前的物料汇合点A作物料衡算，可得作物料衡算，可得第70页/共122页71对循环反应器可按理想管式反应器进行物料衡算对循环反应器可按理想管式反应器进行物料衡算2.物料衡算物料衡算(二二)由由 ，导出，导出又因为对循环管式反应器入口处的物料流分析可知：又因为对循环管式反应器入口处的物料流分析可知：故有：故有：进而推出：进而推出：和和第71页/共122页72图图 不同循环比时循环反应器的性能不同循环比时循环反应器的性能当循环比当循环比R=0时，与时，与PFR相同；相同；随着循环比的增大，且当循环比足够大时，循环反应随着循环比的增
43、大，且当循环比足够大时，循环反应器的性能趋于器的性能趋于CSTR的性能的性能第72页/共122页73【例例1111】：有一自催化反应：有一自催化反应已已知知cA0=1mol/L，cP0=0，FA0=1mol/s，k=1L/(mol.s)；今今在在一一循循环环反反应应器器中中进进行行此此反反应应，要要求求达达到到的的转转化化率率为为98%，求求：当当循循环环比比分分别别为为R=0，R=3，R=时时，所所需要的反应器体积为多少？需要的反应器体积为多少？第73页/共122页74解：解：对于自催化反应，其反应动力学方程式为：对于自催化反应，其反应动力学方程式为：对于任意循环比对于任意循环比R，反应器计
44、算的基础设计式为：，反应器计算的基础设计式为：把动力学方程式代入基础设计式，并积分可得：把动力学方程式代入基础设计式，并积分可得：第74页/共122页751)当当R=0时，即平推流反应器的情况，时，即平推流反应器的情况，由于进料中没有产物，该反应无法启动，所以由于进料中没有产物，该反应无法启动，所以V=2)当当R=3时，时，3)当当R=时，即连续流动釜式反应器的情况，时，即连续流动釜式反应器的情况，第75页/共122页76 半连续操作反应器半连续操作反应器考虑反应：考虑反应：设设在在反反应应开开始始前前，预预先先加加入入物物料料量量为为nB0和和nA0(少少量量)，此此时时体体积积为为V0；以
45、以稳稳定定流流率率v连连续续加加入入浓浓度度为为cA0的的料料液液(含含少少量量B，浓浓度度为为cB0)，液液面面不不断断上上升升，体体积积由由V0上上升升到到V，一一段段时时间间t后后，器器内内A、B的的含含量量分分别别为为nA和和nB，若器内全混且等温，并定义转化率为：，若器内全混且等温，并定义转化率为：第76页/共122页77则有：则有：或或在微元时间在微元时间dt内对组分内对组分A作物料衡算：作物料衡算：输入量=输出量 +反应量 +累积量vcA0dt0(-rA)VdtdnA故有：故有：vcA0dt-(-rA)Vdt=dnA而而代入得：代入得：(半连续操作反应器的基础设半连续操作反应器的
46、基础设计方程，自学其求解方法）计方程，自学其求解方法）第77页/共122页温度是化学反应速率最敏感的影响因素。温度是化学反应速率最敏感的影响因素。783.43.4 非等温过程非等温过程温度是化学反应速率最敏感的影响因素。为使反应温度是化学反应速率最敏感的影响因素。为使反应器的性能达到最优级，应该采用怎样的反应温度或温度器的性能达到最优级，应该采用怎样的反应温度或温度系列系列?温度的影响温度的影响图图 不同反应的不同反应的xAT关联图（关联图（图图3-15，P53）第78页/共122页79对一级可逆放热反应对一级可逆放热反应 ，在恒容过程纯，在恒容过程纯A加料时，有：加料时，有：而：而：当当转转
47、化化率率一一定定时时，要要使使(-rA)最最大大，求求d(-rA)/dT=0时时的的反反应应温温度度即即为为最优温度，故有：最优温度，故有：-使反应速率最大的温度控制轨迹使反应速率最大的温度控制轨迹(红线红线)称最优操作温度线。称最优操作温度线。第79页/共122页80 非等温操作非等温操作根根据据不不同同的的反反应应特特点点和和温温度度效效应应，采采用用不不同同的的操操作作方方式，如等温、绝热或非等温操作。其一般原则是：式，如等温、绝热或非等温操作。其一般原则是：i.rH不不大大、反反应应选选择择性性随随温温度度变变化化也也小小的的反反应应，常常采采用用既不供热也不除热的既不供热也不除热的绝
48、热操作绝热操作；ii.rH中中等等的的反反应应，先先考考虑虑绝绝热热操操作作；但但应应对对收收率率、反反应应器大小、操作费用等衡算后，确定采用绝热或变温的方式；器大小、操作费用等衡算后，确定采用绝热或变温的方式；iii.rH较大较大的反应，在的反应，在整个反应过程中进行有效的热交换整个反应过程中进行有效的热交换；iv.极极为为快快速速的的反反应应，考考虑虑采采用用绝绝热热操操作作或或利利用用溶溶剂剂的的蒸蒸发发来控制温度。来控制温度。第80页/共122页81物料衡算式物料衡算式热量衡算式热量衡算式动力学方程动力学方程联立求解联立求解浓度分布浓度分布温度分布温度分布图图 非等温过程设计思路示意图
49、非等温过程设计思路示意图第81页/共122页82一、一、BR中非等温过程的计算中非等温过程的计算定容操作的定容操作的BR中热量衡算可简化为：中热量衡算可简化为：即，即，或或若为绝热操作，则若为绝热操作，则(绝热温升绝热温升，随着，随着xA增大，增大，T线性变化线性变化)第82页/共122页83【例例1212】：有等容下的二级液相反应：有等容下的二级液相反应在在间间歇歇操操作作的的反反应应釜釜内内进进行行，已已知知rH=11800kJ/kmol，nA0=nB0=2.5kmol，V=1m3，U=1836kJ/(m2.h.K)。在在70oC的的恒恒温温条条件件下下进进行行试试验验，经经过过1.5h后
50、后，转转化化率率达达到到90%，若若加加热热介介质质的的最最高高温温度度为为Tm=200oC，为为达达到到75%转化率，传热面积应如何配置？转化率，传热面积应如何配置？第83页/共122页84解：解：间歇反应釜中的热量衡算式为：间歇反应釜中的热量衡算式为：因过程恒温，即因过程恒温，即dT/dt=0，故有：，故有：进而导出，进而导出，又恒温等容下二级反应速率方程为：又恒温等容下二级反应速率方程为：第84页/共122页85由恒温等容下的二级反应动力学方程可知：由恒温等容下的二级反应动力学方程可知：又又cA0=nA0/V=2.5kmol/m3，且当，且当t=1.5h时，时，xA=0.9，故有：，故有