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1、第三章釜式反应器反应工程本讲稿第一页，共三十七页本讲稿第二页，共三十七页间歇操作间歇操作(batch reactor,BR)连续操作连续操作(continuous stirred tank reactor,CSTR)用途：绝大多数用作有液相参与的反应，如：液液、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。液固、气液、气液固反应等。操作方式：间歇、连续、半间歇操作方式：间歇、连续、半间歇本讲稿第三页，共三十七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
2、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本讲稿第四页，共三十七页: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 反应器内物料温度均一反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一反应器内物料浓度均一 取整个反应取整个反应体积体积作控制体积作控制体积釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式本讲稿第五页，共三十七页釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物
3、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假设假设 反应器内物料温度均一反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一反应器内物料浓度均一 在在 dt 时间间歇内对整个反应器做时间间歇内对整个反应器做关键组分关键组分 i 的物料衡算：的物料衡算：本讲稿第六页，共三十七页1.反应体积 t t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。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。经验给定经验给定操操作作时时间间等温等温 BR
4、 的计算的计算2.2.反应器的体积反应器的体积 ：装填系数，由经验确定,一般为 0.40.85本讲稿第七页，共三十七页对非稳态操作，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：3.反应时间的计算等温等温 BR 的计算的计算恒容反应 单一反应本讲稿第八页，共三十七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应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。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，
5、速率常数 k 越大，则达到相越大，则达到相同转化率所需的反应时间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有关有关等温等温 BR 的计算的计算本讲稿第九页，共三十七页例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：例：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及氢氧化钠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的浓度均为0.02 mol/L，反应速率常数等于，反应速率常数等于4.6 L/(mol min)。试求。试求乙酸乙乙酸乙酯酯转化率分别达到转化率分别达到 80、90和
6、和 95时的反应时间。时的反应时间。解：解：得：得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5min本讲稿第十页，共三十七页对各组分作物料衡算对各组分作物料衡算(恒容条件恒容条件)：系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅二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。式是独立的。对对A：对对P：对对Q：复合反应等温等温 BR 的计算的计算 3.反应时间的计算本讲稿第十一页，共三十七页组分组分浓度浓度APQ反应时反应时间间等温等温 BR 的计算的计算本讲稿第十二页，共三十七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
7、反应时间关系示意图即：任意时刻两个反即：任意时刻两个反应产物浓度之比，等应产物浓度之比，等于两个反应速率常数于两个反应速率常数之比之比等温等温 BR 的计算的计算本讲稿第十三页，共三十七页将上述结果推广到含有将上述结果推广到含有M个一级反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 复合反应本讲稿第十四页，共三十七页 复合反应连串反应对对A作物作物料衡算：料衡算：对对P作物料作物料衡算：衡算：等温等温 BR 的计算的
8、计算本讲稿第十五页，共三十七页令：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本讲稿第十六页，共三十七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等温等温CSTR 的计算的计算对稳态操作，有：对稳态操作，有：则物料衡算通式变为：则物料衡算通式变为：单一反应本讲稿第十七页，共三十七页 空时与空速的概念：空时：空时：（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
9、速：空速：等温等温CSTR 的计算的计算本讲稿第十八页，共三十七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 复合反应平行反应等温等温CSTR 的计算的计算本讲稿第十九页，共三十七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：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，可解三式中有两式独立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者关系三者关系本讲稿第二十页，共三十七页小结：
10、等温反应釜的设计方程小结：等温反应釜的设计方程反应BRCSTR本讲稿第二十一页，共三十七页BR和和CSTR反应体积的比较反应体积的比较本讲稿第二十二页，共三十七页思考思考 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最小最小)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？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本讲稿第二十三页，共三十七页 正常动力学正
11、常动力学单釜两釜串联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1.1.图解分析图解分析本讲稿第二十四页，共三十七页正常动力学，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）但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）反常动力学，转化速率 随XA增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。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1.1.图解分析图解分析 小结小结本讲稿第二十五页，共三十七页2.2.串联釜式反应器的计算串联釜
12、式反应器的计算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假设：假设：各釜体积相同，且各釜的进料各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，可近似认为相等，则各釜的空时则各釜的空时 相等。相等。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 k k 相等。相等。对第对第P P釜作组分釜作组分A A的物料衡算：的物料衡算：本讲稿第二十六页，共三十七页对对一级不可逆反应：一级不可逆反应：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
13、为单釜空时，总空时为N 。本讲稿第二十七页，共三十七页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 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。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。本讲稿第二十八页，共三十七页小结：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：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 本讲稿第二十九页，共三十
14、七页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1.1.总收率与总选择性总收率与总选择性则：则：本讲稿第三十页，共三十七页 总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反应器总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反应器形式和操作方式等。因此，同是釜式反应器，由于操作形式和操作方式等。因此，同是釜式反应器，由于操作方式不同，虽然最终转化率一样，但最终收率却不一样。方式不同，虽然最终转化率一样，但最终收率却不一样。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
15、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釜多个连续釜串联单一连续釜本讲稿第三十一页，共三十七页变温间歇操作的热量衡算变温间歇操作的热量衡算 根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：即：与环境交换的热即：与环境交换的热=内能的变化内能的变化变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器间歇釜式反应器间歇釜式反应器用焓变代替内能的变化用焓变代替内能的变化TrTr为计算的基准温度为计算的
16、基准温度本讲稿第三十二页，共三十七页变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算变温间歇操作的热量衡算本讲稿第三十三页，共三十七页式中：式中：U U为总传热系数为总传热系数 A Ah h为传热面积为传热面积 Tc Tc为环境温度为环境温度变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算变温间歇操作的热量衡算讨论讨论等温反应等温反应绝热反应绝热反应本讲稿第三十四页，共三十七页1.1.连续釜式反应器的热量衡算式连续釜式反应器的热量衡算式定态操作热量衡算式为：定态操作热量衡算式为：连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作对绝热反应，有对绝热反应，有：绝热温升，表示当反
17、应物：绝热温升，表示当反应物A A全部转化时物系温度的变化。全部转化时物系温度的变化。本讲稿第三十五页，共三十七页2.2.连续釜式反应器的定态热稳定性连续釜式反应器的定态热稳定性 定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。的转化率应满足物料及热量衡算式。连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作物料衡算式：物料衡算式：热量衡算式：热量衡算式：本讲稿第三十六页，共三十七页连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作2.2.连续釜式反应器的定态热稳定性连续釜式反应器的定态热稳定性本讲稿第三十七页，共三十七页