釜式反应器10学习.pptx

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1、第1页/共115页第2页/共115页第3页/共115页 釜釜体体一一般般是是由由钢钢板板卷卷焊焊而而成成的的圆圆筒筒体体，再再焊焊上上钢钢制制标标准准釜釜底底，并并配配上上封封头头、搅搅拌拌器器等等零零部部件件。根根据据反反应应物物料料的的性性质质，罐罐体体的的内内壁壁可可内内衬衬橡橡胶胶、搪搪玻玻璃璃、聚聚四四氟氟乙乙烯烯等等耐耐腐腐蚀蚀材材料料。为为控控制制反反应应温温度度，罐罐体体外外壁壁常常设设有有夹夹套套，内内部部也也可可安安装装蛇蛇管管。标标准准釜釜底底一一般般为为椭椭圆圆形形，根根据据工工艺艺要要求求，也也可可采采用用平平底底、半半球球底或锥形底等。底或锥形底等。釜式反釜式反应器

2、的器的结构构图图 开式搅拌釜式反应器结构示意图开式搅拌釜式反应器结构示意图1-搅拌器；搅拌器；2-罐体；罐体；3-夹套；夹套；4-搅拌轴搅拌轴5-压出管；压出管；6-支座；支座；7-人孔；人孔；8-轴封；轴封；9-传动装置传动装置 根根据据釜釜盖盖与与釜釜体体连连接接方方式式的的不不同同，搅搅拌拌釜釜式式反反应应器器可可分分为为开开式式(法法兰兰连连接接)和和闭闭式式(焊焊接接)两两大大类类。目目前前，釜釜式式反反应应器器的的技技术术参参数已实现标准化。数已实现标准化。第4页/共115页操作方式：间歇、连续、半间歇操作方式：间歇、连续、半间歇(a)间歇式 (b)连续式 (c)半间歇式 间间歇歇

3、操操作作的的特特点点是是将将反反应应所所需需的的原原料料一一次次加加入入反反应应器器，达达到到规规定定的的反反应应程程度度后后即即卸卸出出全全部部物物料料。然然后后对对反反应应器器进进行行清清理理，随随后后进进入入下下一一个个操操作作循循环环，即即进进行行下下一一批批投投料料、反反应应、卸卸料料、清清理理等等过过程程。它它是是一一个个典典型型的的非非稳稳态态过过程程，反反应应器器内内物物料料的的组组成成随随时时间间而而变变化化，这这是是间间歇歇过程的基本特征。过程的基本特征。连连续续操操作作的的特特点点是是原原料料连连续续地地输输入入反反应应器器，反反应应物物料料也也从从反反应应器器连连续续流

4、流出出。它它多多属属于于稳稳态态操操作作，反反应应器器内内任任一一位位置置上上的的反反应应物物浓浓度度、温温度度、压压力力、反反应应速速度度等等参参数数均均不不随随时时间间而而变变化化。它它具具有有生生产产能能力力大大、产产品品质质量量稳稳定定、易易实实现现机机械械化化和和自自动动化化等等优优点，因此大规模工业生产的反应器多采用连续操作。点，因此大规模工业生产的反应器多采用连续操作。原原料料或或产产物物中中有有一一种种或或一一种种以以上上的的为为连连续续输输入入或或输输出出，而而其其余余的的(至至少少一一种种)为为分分批批加加入入或或卸卸出出的的操操作作，均均属属半半连连续续操操作作。原原料料

5、药药生生产产中中的的气气液液相相反反应应常常常常采用半连续操作。采用半连续操作。第5页/共115页间歇操作(batch reactor,BR)连续操作连续操作(continuousstirredtankreactor,CSTR)用途：绝大多数用作有液相参与的反应，用途：绝大多数用作有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。如：液液、液固、气液、气液固反应等。第6页/共115页反应器计算反应器计算操作型（查定型）操作型（查定型）-已知已知VrXA(或或t)设计型设计型-已知已知XA(或或YP)Vr均相或拟均相均相或拟均相第7页/共115页釜式反应器的全混流假设：反应区内反应物料的浓度

6、均一反应区内反应物料的温度均匀置置置置装装装装拌拌拌拌搅搅搅搅第8页/共115页本章内容本章内容 釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式 等温间歇釜式反应器的计算等温间歇釜式反应器的计算 连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器的反应体积 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性 变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作第9页/共115页:反应器进料的体积流量:反应器出料的体积流量:反应器进料中关键组分浓度:反应器出料中关键组分浓度:反应体积假设假设 温度均一

7、温度均一 浓度均一浓度均一 取整个反应取整个反应体积体积作控制体积作控制体积3.1 釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式第10页/共115页3.1 釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式其中：其中：对反应物为负对反应物为负对产物为正对产物为正在在dt时间内对整个反应器做关键组时间内对整个反应器做关键组分分i 的物料衡算：的物料衡算：假设假设 温度均一温度均一 浓度均一浓度均一 (进入进入=流出流出+反应反应+累积累积)第11页/共115页3.1 釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式对连续釜式反应器，可简化为：对连续釜式反应器，可简化为：对间歇釜式反应器，可简化

8、为对间歇釜式反应器，可简化为:假设假设 温度均一温度均一 浓度均一浓度均一 第12页/共115页3.2 等温间歇釜式反应器的计算等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）（单一反应）间间歇歇釜釜式式反反应应器器的的特特点点是是分分批批装装料料和和卸卸料料，因因此此操操作作方方式式灵灵活活，特特别别适适用用于于多多品品种种、小小批批量量的的化化学学品品生生产产。因因此此，在在医医药药、试试剂剂、助助剂剂、添添加加剂剂等等精精细细化化工工部部门门得得到到了了广广泛泛的应用。的应用。间间歇歇反反应应器器操操作作时时间间由由两两部部分分组组成成：一一是是反反应应时时间间，即即装装料料完完毕毕后后算算起起至至

9、达达到到所所要要求求的的产产品品收收率率所所需需的的时时间间；另另一一是是辅助时间辅助时间，即装料，卸料及清洗所需时间之和。，即装料，卸料及清洗所需时间之和。设设计计间间歇歇反反应应器器关关键键在在于于确确定定每每批批所所需需时时间间，其其中中尤尤以以反反应时间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。应时间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。第13页/共115页对非稳态操作，反应时间内：对非稳态操作，反应时间内：间歇釜式反应器间歇釜式反应器间歇釜式反应器间歇釜式反应器物料衡算式物料衡算式则物料衡算通式变形为：则物料衡算通式变形为：1.反应时间的计算3.2等温等温BR的计算的计算恒容反应恒容

10、反应 单一反应第14页/共115页积分可得积分可得 对单一反应，反应速率可表示为：对单一反应，反应速率可表示为：3.2等温等温BR的计算的计算第15页/共115页一级反应一级反应非一级反应非一级反应反应时间反应时间相同相同 达到一定转化率所需的反应时间与反达到一定转化率所需的反应时间与反应器大小无关，只取决于动力学因素。应器大小无关，只取决于动力学因素。温度越高，速率常数温度越高，速率常数 k 越大，则达到越大，则达到相同转化率所需的反应时间相同转化率所需的反应时间 t 越短。越短。区别区别t 与与cA0无关无关t 与与cA0有关有关3.2等温等温BR的计算的计算第16页/共115页2.反应体

11、积 t t 为为反反应应时时间间：装装料料完完毕毕开开始始反反应应算算起起到到达达到到一定转化率时所经历的时间。一定转化率时所经历的时间。计算关键计算关键t t0 0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。经验给定经验给定(为提高间歇釜式反应器的生产能力为提高间歇釜式反应器的生产能力,应设应设法减少辅助操作时间法减少辅助操作时间)操操作作时时间间3.2等温等温BR的计算的计算3.3.反应器的体积反应器的体积 ：装装填填系系数数，由由经经验验确确定定,一一般般0.40.85,对对不不起起泡泡、不不沸沸腾腾物物料料，可可取取0.70.85；对对于于起起

12、泡泡或或沸沸腾腾物物料料，可可取取0.40.6。此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。Q Q0 0 一般由生产任务确定一般由生产任务确定第17页/共115页用用间间歇歇反反应应器器进进行行乙乙酸酸与与乙乙醇醇的的酯酯化化反反应应，每每天天生生产乙酸乙酯产乙酸乙酯12000kg，其反应式为，其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A:B:S=1:2:1.35，反反应应液液密密度度为为1020kg/m3，并并假假定定在在反反应应过过程程中中不不变变。辅辅助助时时间间为为1h。反反应应速速率率方方程程为为rA=k1(cAcB

13、-cRcS/K)。反反应应温温度度下下k1=4.7610-4L/(molmin)，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%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系数取充系数取0.75，则反应器实际体积是多少？，则反应器实际体积是多少？例例1 1第18页/共115页解：首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可算出每小时乙酸用量为原料液各组分起示浓度分别为由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为第19页/共115页将题给的反应速率方程变换为转化率的函数(A)其中第20页/共115页将将(A)式代入得反应时间为式代入得反应时间为由a,b及c的定义式知，(B

14、)第21页/共115页反应器的实际体积为 则所需的反应体积为将有关数值代入式（B）中得到反应时间第22页/共115页在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L，反应速率常数等于，反应速率常数等于4.6L/(molmin)。试求乙酸乙酯转化率分别达到。试求乙酸乙酯转化率分别达到80、90和和95时的反应时间。时的反应时间。得：得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min

15、；XA=95%，t=206.5min例例2解：解：第23页/共115页在搅拌良好的间歇釜式反应器在搅拌良好的间歇釜式反应器当丁醇过量时，反应动力学方程式为当丁醇过量时，反应动力学方程式为式式中中CA为为乙乙酸酸浓浓度度，kmol m-3。已已知知反反应应速速度度常常数数k为为1.04m3 kmol-1 h-1，投投料料摩摩尔尔比比为为乙乙酸酸：丁丁醇醇=1：4.97，反反应应前前后后物物料料的的密密度度为为750kg m-3，乙乙酸酸、丁丁醇醇及及醋醋酸酸丁丁酯酯的的分分子子量量分分别别为为60、74和和116。若若每每天天生生产产3000kg乙乙酸酸丁丁酯酯(不不考考虑虑分分离离过过程程损损

16、失失)，乙乙酸酸的的转转化化率率为为50%，每每批批辅辅助助操操作作时时间间为为0.5h，装装料料系系数数f为为0.7，试计算所需反应器的有效容积和总容积，试计算所需反应器的有效容积和总容积。例例3 3第24页/共115页解：解：(1)计算反应时间计算反应时间因为是二级反应，故因为是二级反应，故则则kmol m-3所以所以h第25页/共115页(2)计算算所所需需反反应器器的的有有效效容容积Vr每每天天生生产3000kg乙乙酸丁酸丁酯，则每小每小时乙酸用量乙酸用量为kg h-1每小每小时处理的理的总原料量原料量为kg h-1每小每小时处理的原料体理的原料体积为m3 h-1第26页/共115页故

17、反应器的有效容积为故反应器的有效容积为m3(3)计算所需反应器的总容积计算所需反应器的总容积VTm3第27页/共115页最优反应时间对于反应 ，若反应产物R的浓度为CR，则单位操作时间的产品产量为 (3.15)将式(3.15)对反应时间求导 (3.16)令 ，则由式(3.16)得第28页/共115页图图3.2 3.2 间歇反应器的最优反应时间间歇反应器的最优反应时间OMN为为CR与与t关关系系曲曲线线，自自点点A(-t0,0)作作曲曲线线OMN的的切切线线MA，则则M点点的的横横坐坐标标即为最优反应时间。即为最优反应时间。如如从从单单位位产产品品生生产产费费用用最最低低着着眼眼，并并设设单单位

18、位时时间间内内反反应应操操作作费费用用为为a，辅辅助助费费用用为为a0，固固定定费费用用为为af，则则单单位位质质量量产品总费用，即目标函数为产品总费用，即目标函数为第29页/共115页习题习题3.1、3.2、3.5、3.9、3.13、3.16课后作业：课后作业：第30页/共115页对各组分作物料衡算：对各组分作物料衡算：系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅二式是独立的。二式是独立的。对对A：对对P：对对Q：复合反应-平行反应等温等温BR的计算的计算 3.反应时间的计算第31页/共115页若为若为恒容条件恒容条件下：下：对对A：对对P：对对Q：复

19、合反应-平行反应等温等温BR的计算的计算 3.反应时间的计算第32页/共115页组分组分浓度浓度反应反应时间时间APQ等温等温BR的计算的计算第33页/共115页平行反应物系组成与反应时间关系示意图平行反应物系组成与反应时间关系示意图即即：任任意意时时刻刻两两个个反反应应产产物物浓浓度度之之比比，等等于于两两个个反反应应速速率率常数之比常数之比等温等温BR的计算的计算反反应应物物A的的浓浓度度总总是是随随反反应应时时间间的的增增加加而而减减少少，而而产产物物的的浓浓度度则则随随反反应应时时间的增加而增高。间的增加而增高。第34页/共115页将上述结果推广到含有将上述结果推广到含有M M个一级反

20、应的平行反应系统：个一级反应的平行反应系统：反应物反应物A A的浓度为：的浓度为：反应产物的浓度为：反应产物的浓度为：反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。等温等温BR的计算的计算 复合反应第35页/共115页例例4 4在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应 (A)(A)反反应应开开始始时时A A和和B B的的浓浓度度均均为为2kmol/m2kmol/m3 3，目目的的产产物物为为P P，试试计计算算反反应应时时间间为为3h3h时时A A的的转转化化率率和和P P的的收收率。率。第36页/共115页解：解：由于是恒

21、容系统，将式由于是恒容系统，将式(A)代入式代入式(B)化简后可得化简后可得:积分得积分得:A的消耗速率为的消耗速率为:对组分对组分A作物料衡算：作物料衡算：第37页/共115页解得解得:当当CAo=2kmol/m3，t=3h时：时：组分组分A的转化率：的转化率：第38页/共115页结合初始条件并积分可得结合初始条件并积分可得:式式(C)除以式除以式(E)有：有：为了计算为了计算P的收率，列出关于的收率，列出关于P的设计方程：的设计方程：第39页/共115页P的收率为的收率为：代入代入CA0、CA数值后得数值后得:第40页/共115页 复合反应连串反应复合反应连串反应对对A作物作物料衡算：料衡

22、算：对对P作物料作物料衡算：衡算：等温等温BR的计算的计算第41页/共115页令：令：得：得：等温等温BR的计算的计算连串反应组分浓度与反应时间关系示意图连串反应组分浓度与反应时间关系示意图由由图图可可知知，目目的的产产物物P的的浓浓度度存存在在极极大大值值，该该极极大大值值对对应应的的反反应应时时间间即即为为最最优反应时间优反应时间第42页/共115页例例5 5在间歇釜式反应器中进行等温反应在间歇釜式反应器中进行等温反应这这两两个个反反应应对对各各自自的的反反应应物物均均为为一一级级，并并已已知知反反应应温温度度下下k k2 2/k/k1 1=0.68,=0.68,试试计计算算一一甲甲胺胺的

23、的最最大大收收率率和与其相应的氨的转化率。和与其相应的氨的转化率。第43页/共115页解：解：一甲胺的生成速率为一甲胺的生成速率为:两式相除得两式相除得:氨的转化速率为氨的转化速率为:根据两个反应得速率方程为根据两个反应得速率方程为：第44页/共115页根据初值条件根据初值条件XA、YB，解一阶线性常微分方程（解一阶线性常微分方程（D）得）得:故式（故式（C）又可以写成）又可以写成:因为因为：第45页/共115页为了求一甲胺的最大收率，将式（为了求一甲胺的最大收率，将式（F）对）对XA求导得求导得:则式（则式（E）有）有:式（式（E）中）中c为积分常数，由初始条件得：为积分常数，由初始条件得：

24、令令dYB/dXA=0得得:第46页/共115页根据已知条件根据已知条件k2/k1=0.68,一甲胺的最大收率为一甲胺的最大收率为:将将XA代入式（代入式（F）可得）可得:所以所以：第47页/共115页连续釜式反应器连续釜式反应器连续釜式反应器连续釜式反应器物料衡算式物料衡算式3.4 等温等温CSTR 的计算的计算对连续釜式反应器，稳态操作，有：对连续釜式反应器，稳态操作，有：则物料衡算通式变为：则物料衡算通式变为：单一反应第48页/共115页 空时与空速的概念：空时与空速的概念：空时：（因次：时间）（因次：时间）空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速的意义：单位时间单位反应体积

25、所处理的物料量。空速越大，反应器的原料处理能力越大。空速越大，反应器的原料处理能力越大。空速：空速：3.4 等温等温CSTR 的计算的计算第49页/共115页对关键组分对关键组分A A有：有：对目的产物对目的产物P P有：有：对副产物对副产物Q Q有：有：三式中有两式独立，可解三式中有两式独立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者关系三者关系 复合反应平行反应3.4 等温等温CSTR 的计算的计算第50页/共115页对中间产物对中间产物P P：对最终产物对最终产物Q Q：3.4 等温等温CSTR 的计算的计算 复合反应连串反应对关键组分对关键组分A A有：有：三式中有两式独立，可解三式

26、中有两式独立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者关系三者关系第51页/共115页 例例6用用连续操操作作釜釜式式反反应器器生生产乙乙酸酸丁丁酯，反反应条件和条件和产量同量同例例3，试计算所需算所需VR。解：因解：因为是二是二级反反应，因因为：m3 h-1，xAf=0.5，CA0=1.75kmol m-3，k=1.04 m3 kmol-1 h-1。则第52页/共115页例7 用连续操作釜式反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其反应式为原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时间为1h。

27、反应速率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/R)。反应温度下k1=4.7610-4L/(molmin)，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%所需的反应体积？第53页/共115页首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可算出每小时乙酸用量为解：解：由原料液中各组分质量比可算出原料液量为：原料液各组分起示浓度分别为：第54页/共115页将题给的反应速率方程变换为转化率的函数：将题给的反应速率方程变换为转化率的函数：带入初始组成及带入初始组成及k1、K化简后的：化简后的：第55页/共115页以出口转化率计算反应速率：以出口转化率计算反应速率：则所需的反应体积为：(B)比比较较间间歇歇与与连连

28、续续釜釜式式反反应应器器表表明明，采采用用间间歇歇操操作作所所需需的的反反应应体体积积较较之之连连续续釜釜式式反反应应器器要要小小，其其原原因因是是间间歇歇反反应应器器是是变变速速操操作作，开开始始时时反反应应速速率率大大，终终了了时时最最小小，而而连连续续釜釜式式反反应应器器是是在在等等速速下下操操作作，且且恰恰好好在在相相应应的的间间歇歇反反应应器器最最小小反反应应速速率率下下操操作作。从从这这个角度来说，连续釜式反应器不如间歇反应器。个角度来说，连续釜式反应器不如间歇反应器。第56页/共115页例例8 8在等温连续釜式反应器中进行下列液相反应在等温连续釜式反应器中进行下列液相反应 (A)

29、(A)反反应应开开始始时时A A和和B B的的浓浓度度均均为为2kmol/m2kmol/m3 3，目目的的产产物物为为P P，若若保保持持其其空空时时为为3h3h则则组组分分A A的的最最终终转转化化率率为为多少？多少？P P的收率又是多少？的收率又是多少？第57页/共115页分别列出分别列出A A及及P P的物料衡算式，对的物料衡算式，对A A：对对P P有：有：将将C CA0A0=2kmol/m=2kmol/m3 3代入式（代入式（A A）并整理得：）并整理得：解：解：第58页/共115页CA=0.2573kmol/m3故故A的最终转化率为：的最终转化率为：将将CA=0.2573kmol/

30、m3 代入式（代入式（B B）得）得P P的浓度：的浓度：解得：解得：故故P的收率为：的收率为：比比较较间间歇歇与与连连续续釜釜式式反反应应器器表表明明，当当连连续续釜釜式式反反应应器器的的空空时时和和间间歇歇釜釜的的反反应应时时间间相相同同时时，两两者者的的转转化化率率、收收率率都都不不相相等等，因因此此在在进进行行反反应应器器放放大大时时，这这点点必必须须予予以以足足够够注注意意。另另外外在在本本情情况况下下连连续续操操作作时时的的收收率率大大于于间间歇歇操操作作，这这是是由于由于A A的浓度低有利于目的产物的浓度低有利于目的产物P P的生成之故。的生成之故。第59页/共115页小结：等温

31、反应釜的设计方程小结：等温反应釜的设计方程反应BRCSTR第60页/共115页思考思考 1.用一个大反应器好还是几个小反应器好用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最最小小)2.若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？（Vr最小最小)3.若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？或各釜的最佳反应体积比如何？或各釜的最佳反应体积比如何？3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第61页/共115页第62页/共115页 正常动力学正常动力学单釜两釜串联1.1.图解分析图解分析3.5 连续釜式反应器

32、的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第63页/共115页3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联(a)(a)正常动力学正常动力学 (b)(b)反常动力学反常动力学图图3.5 3.5 连续釜式反应器反应体积的几何图示连续釜式反应器反应体积的几何图示第64页/共115页正常动力学，转化速率 随XA增加而降低。多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。(但操作复杂程度增大，附属设备费用增大，一般釜数不超过但操作复杂程度增大，附属设备费用增大，一般釜数不超过4 4）反常动力学，转化速率

33、随XA增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。1.1.图解分析图解分析 小结小结3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第65页/共115页图3.6 釜式反应器的并联若若为为两两釜釜并并联联，则则存存在在如如何何分分配配各各釜釜进进料料量量的的问问题题，其其分分配配原原则则是是保保持持各各釜釜的的空空时时相相等等，也也就就是是各各釜釜的的出出口口转转化化率率相相等等，这这样样效效果最佳。果最佳。第66页/共115页图图 单单釜釜连连续续操操作作和和多多釜釜串串联联连连续续操操作作反反应应器器内内的的浓浓度度变化变化第67页/共115页2.2.串联釜式反应器的计串联釜式

34、反应器的计算算3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联 串联釜式反应器串联釜式反应器对第对第P P釜作组分釜作组分i i的物料衡算：的物料衡算：第68页/共115页2.2.串联釜式反应器的计串联釜式反应器的计算算3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联实实实实际际际际计计计计算算算算中中中中往往往往往往往往是是是是已已已已知知知知进进进进料料料料组组组组成成成成，确确确确定定定定达达达达到到到到规规规规定定定定输输输输出出出出物物物物料料料料组组组组成成成成所所所所需需需需的的的的釜釜釜釜数数数数和和和和各各各各釜釜釜釜反反反反应应应应体体体体积积积积。

35、一一一一般般般般情情情情况况况况下下下下，釜釜釜釜数数数数越越越越多多多多，总总总总反反反反应应应应体体体体积积积积越越越越小小小小，从从从从这这这这点点点点来来来来看看看看，多多多多用用用用几几几几个个个个釜釜釜釜串串串串联联联联操操操操作作作作是是是是有有有有利利利利的的的的，但但但但是是是是，釜釜釜釜数数数数多多多多了了了了，相相相相应应应应的的的的管管管管道道道道阀阀阀阀门门门门和和和和控控控控制制制制仪仪仪仪表表表表也也也也要要要要增增增增加加加加，操操操操作作作作的的的的复复复复杂杂杂杂程程程程度度度度也也也也要要要要增增增增加加加加，所所所所以以以以，应应应应根根根根据据据据具具

36、具具体体体体情情情情况况况况从从从从经经经经济济济济的的的的角角角角度度度度出出出出发发发发确确确确定定定定最最最最佳佳佳佳的的的的釜釜釜釜数数数数。釜釜釜釜数数数数确确确确定定定定后后后后，需需需需进进进进一一一一步步步步确确确确定定定定各各各各釜釜釜釜的的的的体体体体积积积积比比比比，这是一个优化问题这是一个优化问题这是一个优化问题这是一个优化问题 。第69页/共115页2.2.串联釜式反应器的计串联釜式反应器的计算算3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联在第在第p釜中对反应物釜中对反应物A进行物料衡算得进行物料衡算得注意：注意：注意：注意：由于连续反应，各釜的进料可

37、近似认为相等由于连续反应，各釜的进料可近似认为相等由于连续反应，各釜的进料可近似认为相等由于连续反应，各釜的进料可近似认为相等Q Q Q Q0 0 0 0=Q=Q=Q=Q1 1 1 1=Q=Q=Q=Q2 2 2 2=Q Q Q QN N N N第70页/共115页对一级不可逆反应对一级不可逆反应,以以A为关键组分为关键组分：3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联2.2.串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算N个釜个釜注意：注意：其中的其中的 为单釜空时，总空时为为单釜空时，总空时为N 。注意：注意：注意：注意：假设：假设：假设：假设：各釜体积相同，且各釜各釜体积相同，且

38、各釜各釜体积相同，且各釜各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，的进料可近似认为相等，的进料可近似认为相等，的进料可近似认为相等，则各釜的空时则各釜的空时则各釜的空时则各釜的空时 相等。相等。相等。相等。各釜操作温度相同，则各釜操作温度相同，则各釜操作温度相同，则各釜操作温度相同，则各釜的速率常数各釜的速率常数各釜的速率常数各釜的速率常数 k k k k 相等。相等。相等。相等。总空时总空时总空时总空时 ：总反应总反应总反应总反应体积：体积：体积：体积：K=k1-k2=第71页/共115页对非一级不可逆反应对非一级不可逆反应,以以A为关键组分为关键组分：3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续

39、釜式反应器的串联与并联2.2.串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算注注意意：各各釜釜反反应应体体积积（或或空空时时）已已知知时时，可可从从第第一一釜釜开开始始，逐逐釜釜计计算算各各釜釜出出口口转转化化率率，可可确确定定达达到到最最终终转转化化率率所所需需的的釜釜数数。但但若若规规定定釜釜数数计计算算达达到到最最终终转化率时各釜反应体积（或空时）时，则需假定空时通过试差进行计算。转化率时各釜反应体积（或空时）时，则需假定空时通过试差进行计算。第72页/共115页图图3.8 3.8 作图法确定串联釜式反作图法确定串联釜式反应器各釜的出口转化率应器各釜的出口转化率对对对对于于于于动动动动力力力力

40、学学学学方方方方程程程程更更更更为为为为复复复复杂杂杂杂的的的的反反反反应应应应体体体体系系系系，可可可可采采采采用用用用图图图图解解解解法法法法进进进进行行行行计计计计算算算算。注注注注意意意意到到到到各各各各釜釜釜釜出出出出口口口口转转转转化化化化率率率率既既既既要要要要满满满满足足足足反反反反应应应应速速速速率率率率方方方方程程程程，又又又又要要要要符符符符合合合合物物物物料料料料衡衡衡衡算算算算式式式式，由由由由两两两两者者者者的的的的交交交交点点点点即即即即可可可可决决决决定定定定每每每每釜釜釜釜出出出出口口口口状态状态状态状态 。图图图图中中中中OMOMOMOM、NXANXANXA

41、NXA、PXA2PXA2PXA2PXA2及及及及QXA3QXA3QXA3QXA3分分分分别别别别表表表表示示示示第第第第1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3、4 4 4 4釜釜釜釜的的的的物物物物料料料料衡衡衡衡算算算算式式式式（如如如如果果果果各各各各釜釜釜釜反反反反应应应应体体体体积积积积相相相相同同同同，则则则则这这这这些些些些曲曲曲曲线线线线是是是是相相相相互互互互平平平平行行行行的的的的）。图图图图中中中中曲曲曲曲线线线线MNPQMNPQMNPQMNPQ为为为为动动动动力力力力学学学学曲曲曲曲线线线线，每每每每釜釜釜釜物物物物料料料料衡衡衡衡算算算算曲曲曲曲线线线线和和和和

42、动动动动力力力力学学学学曲曲曲曲线线线线的的的的交交交交点点点点即即即即为为为为该该该该釜釜釜釜出出出出口口口口状状状状态态态态。根根根根据据据据不不不不同同同同的的的的计计计计算算算算要要要要求求求求，可可可可以以以以通通通通过过过过该该该该图图图图进行逐釜计算或视差计算。进行逐釜计算或视差计算。进行逐釜计算或视差计算。进行逐釜计算或视差计算。第73页/共115页用三个体积相同的釜式反应器串联，进行乙酸与乙醇的酯化，每天生产乙酸乙酯12000kg，其反应式为原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时间为1h。反应速率方

43、程为rA=k1(cAcB-cRcS/R)。反应温度下k1=4.7610-4L/(molmin)，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%所需的反应体积。若反应器填充系数取0.75，则反应器实际体积是多少？例例9 9第74页/共115页首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可算出每小时乙酸用量为解：解：由原料液中各组分质量比可算出原料液量为：原料液各组分起示浓度分别为：第75页/共115页将题给的反应速率方程变换为转化率的函数将题给的反应速率方程变换为转化率的函数带入初始组成及带入初始组成及k1、K化简后的：化简后的：第76页/共115页各釜设计方程：对第一釜：对第二釜：对第三釜：第77页/

44、共115页由上三式得：假设各釜体积相等：由于rA为：第78页/共115页联立求解式(D)(E)得：将XA3=0.35与式(C)一起代入式(A)(B)，有：总反应体积为9.897m3 第79页/共115页反应器反应器BRCSTR 三个三个CSTR串联串联Vt/m38.23（12.38）14.689.90不同反应器反应体积比较不同反应器反应体积比较第80页/共115页3.3.串联釜式反应器的最佳反应体积串联釜式反应器的最佳反应体积比比 即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联对单一反应，总反

45、应体积为：对单一反应，总反应体积为：据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。第81页/共115页求解该方程组，可得此总反应体积最小时各釜的反应体积。3.3.串联釜式反应器的最佳反应体积比串联釜式反应器的最佳反应体积比 3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第82页/共115页3.3.串联釜式反应器的最佳反应体积串联釜式反应器的最佳反应体积比比 对一级不可逆反应，有：对一级不可逆反应，有：若各釜温度相同，若各釜温度相同，化简得：化简得：所以：所以：由由此此可可见见，串串联联釜釜式式反反应应器器进进行行一一级级不不可可逆逆反反应应时时，若若各各釜釜体体积积相相等等，则则总

46、总反反应应体体积积最最小。小。3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第83页/共115页小结：串联釜式反应器进行小结：串联釜式反应器进行 级反应：级反应：3.3.串联釜式反应器的最佳反应体积比串联釜式反应器的最佳反应体积比 3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第84页/共115页在在在在反反反反应应应应器器器器中中中中进进进进行行行行复复复复合合合合反反反反应应应应时时时时，目目目目的的的的产产产产物物物物的的的的收收收收率率率率如如如如何何何何，是是是是首首首首先先先先要要要要考考考考虑虑虑虑的的的的事事事事，因因因因为为为为它它它它直直直直接接

47、接接影影影影响响响响到到到到产产产产品品品品的的的的数数数数量量量量与与与与质质质质量量量量；反反反反应应应应选选选选择择择择性性性性也也也也同同同同样样样样重重重重要要要要，它它它它反反反反映映映映了了了了原原原原料料料料利利利利用用用用的的的的程程程程度度度度。收收收收率率率率与与与与选选选选择择择择性性性性与与与与反反反反应应应应器器器器的的的的形形形形式式式式和和和和操操操操作作作作条条条条件件件件密密密密切相关。切相关。切相关。切相关。3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性1.1.总收率与总选择性总收率与总选择性则：则：第85页/共115页 总总选选择择性性和和转转化化率率的的关

48、关系系取取决决于于反反应应动动力力学学，反反应应器器形形式式和和操操作作方方式式等等。因因此此，同同是是釜釜式式反反应应器器，由由于于操操作作方方式式不不同同，虽虽然然最最终终转转化化率率一一样样，但但最最终终收率却不一样。收率却不一样。1.1.总收率与总选择性总收率与总选择性 当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时，当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时，收率顺序：收率顺序：间歇釜多个连续釜串联单一连续釜间歇釜多个连续釜串联单一连续釜 当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时，当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时，收率顺序：收率顺序：间歇釜多个连续釜串联单一连续釜间歇

49、釜多个连续釜串联单一连续釜3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性第86页/共115页(a)(b)图图3.10 3.10 釜式反应器的最终收率釜式反应器的最终收率第87页/共115页2.2.平行反应平行反应若目的产物为若目的产物为P，则瞬时选择性为，则瞬时选择性为在釜式反应器中进行如下平行反应在釜式反应器中进行如下平行反应3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性第88页/共115页2.2.平行反应平行反应在釜式反应器中进行平行反应在釜式反应器中进行平行反应3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率

50、与选择性第89页/共115页 以以纯纯A A为为原原料料在在连连续续釜釜式式反反应应器器中中生生产产产产物物P P，反应为，反应为例例反反应应速速率率常常数数k k1 1和和k k2 2与与温温度度的的关关系系符符合合阿阿累累尼尼乌乌斯斯方方程程，指指前前因因子子A A1 1=4.36810=4.368105 5h h-1-1，A A2 2=3.53310=3.533101818h h-1-1，反反应应活活化化能能E E1 1=41800J/(mol=41800J/(molK)K)，E E2 2=141000J/(mol=141000J/(molK)K)。若若空空时为时为1h1h，试问什么温度