化工反应原理第3章PPT

第三章釜式反应器间歇操作(batchreactor,BR)连续操作(continuousstirredtankreactor,CSTR)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。操作方式：间歇、连续、半间歇本章内容釜式反应器的物料衡算通式等温间歇釜式反应器的计算连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器的串联与并联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连续釜式反应器的定态操作:反应器进料的体积流量0Q:反应器出料的体积流量Q:反应器进料中关键组分浓度0ic:反应器出料中关键组分浓度ic:反应体积rVicQrV0Q0ic假设反应器内物料温度均一反应器内物料浓度均一取整个反应体积作控制体积釜式反应器的物料衡算通式icQrV0Q0ic釜式反应器的物料衡算通式iriiidndtVdtQcdtcQR00KidtdnVQccQiriii,2,100R其中：MKrMjjijiR1对反应物为负对产物为正假设反应器内物料温度均一反应器内物料浓度均一在dt时间间歇内对整个反应器做关键组分i的物料衡算：)(00ttQVr1.反应体积t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。计算关键t0为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。经验给定操作时间等温BR的计算2.反应器的体积fVVrf：装填系数，由经验确定,一般为0.4～0.85对于沸腾或易起泡沫的液体物料：f=0.4～0.6对于不起泡或不沸腾的液体：f=0.7～0.8500QQ对非定态操作，反应时间内：01dtdnrViMjjijr间歇釜式反应器物料衡算式则物料衡算通式变形为：3.反应时间的计算等温BR的计算00dtdXnVAAArRAfXArAAVdXnt00)(R恒容反应AfXAAAdXct00)(R0,0AXt单一反应fAXAAArdXct00一级反应非一级反应反应时间相同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。温度越高，速率常数k越大，则达到相同转化率所需的反应时间t越短。区别t与cA0无关t与cA0有关101)1(1)1(AAfkcXtAfXkt11ln1等温BR的计算例：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的浓度均为0.02mol/L，反应速率常数等于4.6L/(molmin)。试求乙酸乙酯转化率分别达到80％、90％和95％时的反应时间。解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH523523BAAfXAAAdXct00)(RAfXAAAAXkcdXc02200)1(AAAXXkc110得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5mint↑→CA↓→(-RA)↓,RR↓,而t0是一定的；t↑→产品绝对产量↑→但按单位操作时间计算的产品产量不一定↑。所以，以（产品产量/操作时间）为目标函数。就必然存在一最优反应时间，使该目标函数值为最大。复合反应等温BR的计算3.反应时间的计算平行反应：∵系统中只有两个反应，且两个反应都是独立的。∴关键组分数K=独立反应数M=2。∴只要任选两式就可以了对各组分作物料衡算(恒容条件)：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。对A：对P：对Q：0)(21dtdcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA复合反应等温BR的计算3.反应时间的计算AQAPckrQAckrPA21平行反应：组分浓度APQ反应时间])([021tkkAAecc])([2101211tkkApekkckcAAccnkkt0211])([2102211tkkAQekkckc0000QPAAcccct，，时，设等温BR的计算AQAPckrQAckrPA21平行反应物系组成与反应时间关系示意图PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意时刻两个反应产物浓度之比，等于两个反应速率常数之比等温BR的计算将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统：)(01MiktAAecc反应物A的浓度为：]1[)(101MiktMiAiiekckc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。等温BR的计算复合反应复合反应－连串反应对A作物料衡算：AAckdtdc1对P作物料衡算：PAPckckdtdc21等温BR的计算QPAtkAAecc10)(122101tktkAPeekkckc]1[2112021kkekekcctktkAQ0000QPAAcccct，，时，设0dtdcP令：2121)/(kkkkntopt得：等温BR的计算连串反应组分浓度与反应时间关系示意图QPAt0AcPcQcopttc连续釜式反应器物料衡算式3.4等温CSTR的计算对定态操作，有：0dtdniKirVQccQMjjijrii,2,1100则物料衡算通式变为：AAArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV单一反应∵釜式反应器多用于液相反应∴反应过程中液体体积的变化不明显，可当作恒容过程。可假定Q≈Q0空时与空速的概念：空时：进料体积流量反应体积0QVr（因次：时间）,Qo处理能力表明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。rAArVcFVQ0001空速：-1:时间因次等温CSTR的计算对使用固体催化剂的反应，有质量空速与体积空速之分。质量空速：单位质量催化剂，单位时间内处理的物料量。体积空速:单位催化剂堆体积，单位时间内处理的物料量。还有指以一定反应组分计算的空速，如碳空速，烃空速等。因此不能混淆。对关键组分A有：对目的产物P有：对副产物Q有：三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系AAfArckkXcQV)(21000010pAprcckcQV设，0020QAQrcckcQV设，复合反应－平行反应等温CSTR的计算AAfArckXcQV100对中间产物P：00210ppAprcckckcQV设，对最终产物Q：0020QPQrcckcQV设，等温CSTR的计算复合反应－连串反应对关键组分A有：三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系小结：等温反应釜的设计方程反应BRCSTRAAArcc)(0RBAQAPAQPAAfXAAArdXct0001dtdcckAA0)(21dtdcckckPPA0)(21dtdcckkAA01dtdcckPAAAfAckkXc)(210Apckc1AAfAckXc10pApckckc213.5连续釜式反应器的串联与并联2.若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？（Vr最小)3.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？1.用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小)思考正常动力学)(2200AAAArXXcQVR单釜)()()(212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVRR两釜串联1.图解分析采用两釜（多釜）串联比使用单釜有利。GXA33.5连续釜式反应器的串联与并联正常动力学各釜进料量的分配原则?保证各釜的出口转化率相同。即:保证各釜的空时相同.各釜的进料量之比等于各釜的反应体积之比反常动力学)(2200AAAArXXcQVR单釜正常动力学，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。)(AR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）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。)(AR小结3.5连续釜式反应器的串联与并联2.串联釜式反应器的计算0Q0iC1iC2iC1ipC1iNCiNCipC1rV12rV2rpVprNVN串联釜式反应器对第p釜作组分i的物料衡算：3.5连续釜式反应器的串联与并联011,2,...,()1,2,...,1,2,...,ipiprpMijjjpNQCCViKvrjM对一级不可逆反应：0(1)AAArkcX01()(1)ApAprppApQXXVkX2.串联釜式反应器的计算10(1)rpApApppApVXXQkX11ApApppApXXkX1111ApppApXkX以A为关键组分，对第p釜作组分A的物料衡算：单一反应：11111,1ApkX若则1-122212,1AAXpkX若则1-1111ApppApXkX233313,1AAXpkX若则1-。。。。。。11,1ANNNANXpNkX若则1-11221(1)(1)...(1)1NNANkkkX假设：①各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，则各釜的空时相等。②各釜操作温度相同，则各釜的速率常数k相等。1(1)1NANkX若进行二级不可逆反应：2.串联釜式反应器的计算单一反应：逐釜计算图解法2.串联釜式反应器的计算3.串联釜式反应器的最佳反应体积比][...12121010021ANANANAAAAAAXXXXXXArNrrrcQVVVVRRR对单一反应，总反应体积为：1,2,1,0NPXVApr据此求得各釜的转化率，从而求得此时最小。rpVrV3.5连续釜式反应器的串联与并联即：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。以两釜串联为例（进行单一反应）3.串联釜式反应器的最佳反应体积比第一釜第二釜当矩形ABMC的对角线的斜率等于M点的切线斜率时，则M点所对应的横坐标XA1即为使Vr最小的最优中间转化率。物理意义：对一级不可逆反应3.串联釜式反应器的最佳反应体积比以两釜串联为例（进行单一反应）代入式（*），得化简得：代入物衡式，得结论：对于一级反应，选择两个体积相同的釜串联，可使总反应体积最小。若多釜串联，则选择各釜的体积相同，可使总Vr最小。小结：串联釜式反应器进行级反应：单釜优于串联釜，积。串联总体积等于单釜体，各釜体积依次减小。，各釜体积相等。，釜在前，大釜在后。各釜体积依次增大，小，＜001011＜＜＞3.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例3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性ApAppAAppAdXdYdndnS)()(RR瞬时瞬时收率瞬时选择性::pYS1.总收率与总选择性AfoXApfXSSdXYAf0则：ApSdXdY总收率或最终收率:pfY最终转化率:AfX总选择性:oSAfXAAfoSdXXS01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1.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，收率顺序：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，收率顺序：间歇釜＞多个连续釜串联＞单一连续釜3.6.2平行反应反应器型式、操作方式及加料方式1.若要求A,B浓度均高：①选间歇釜A,B同时一次加入。见图（a）②选多釜串联A,B均从第一釜同时加入。见图（b）（若不同体积釜串联，小釜在前，大釜在后。）见图（c）2.若要求A,B的浓度均