第三章-釜式反应器

反应工程第三章釜式反应器本章重点等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。连续釜式反应器的计算。空时和空速的概念。连续釜式反应器的串联和并联。釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择。连续釜式反应器的热量衡算式。釜式反应器釜式反应器可用于均相、多相反应，且三种操作方式皆适用，因此釜式反应器又被称为万能反应器。间歇操作(batchreactor,BR)连续操作(continuousstirredtankreactor,CSTR)*反应器内物料温度、浓度处处均一（搅拌器）反应器设计的基本内容：选择合适的反应器类型确定最佳操作条件计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺寸）最终的目标是经济效益最大(实际上不应该仅仅针对反应系统，应该包括整个过程)注意的问题首先要选择控制体1.如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体选择整个反应器。2.如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能选择微元体积作为控制体。对于复杂反应，方程数大大增多3.1釜式反应器的物料衡算式特征：反应器内各处温度和浓度均一,且与出口一致►取时间间隔dt，反应器内组分i的累积量为dni组分i进入的量组分i流出的量组分i反应掉的量dtCQi00dtQCidtVRi-3.1釜式反应器的物料衡算式根据总的物料衡算式，则有：写成Mjjijir1其中3.1釜式反应器的物料衡算式连续釜式反应器间歇釜式反应器代数方程微分方程累积速率3.2等温间歇釜式反应器的计算特点反应器内浓度处处相等，可排除传质的影响反应器内温度处处相等，可排除传热的影响物料同时加入，所有物料具有相同的反应时间优点操作灵活，可适应不同的操作条件与不同的产品，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品缺点装料、卸料等操作要耗费一定时间(辅助时间)，产品质量不易稳定，操作相对复杂3.2等温间歇釜式反应器的计算间歇操作的操作时间分成反应时间、辅助时间两部分反应时间t由开始反应到停止反应（达到生产要求时）所经历的时间，设计反应器的关键即为确定反应时间，进一步根据产量确定反应器的有效体积。辅助时间t0操作时间中除去反应时间之外的时间，包括装料、卸料、加热、冷却和清洗等时间。3.2等温间歇釜式反应器的计算AfAAAxxttxxt00因为积分得3.2等温间歇釜式反应器的计算对于单一反应：对恒容过程有：)8.3(等温反应(k为常数),代入(3.8)积分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)(RAAAXXkc110得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5minAfXAAAAXkcdXc02200)1(3.2等温间歇釜式反应器的计算反应时间t辅助时间t0反应体积实际反应器体积计算反应器体积VrQ0为处理能力，指单位时间内处理的反应物料的体积f为装填系数反应级数反应速率浓度积分式转化率积分式n=0krAktCCAA0或AACCkt00ACktAxn=1AAkCrktAAeCC0或AACCkt0lnktAex1n=22AAkCrktCCCAAA001或011AACCktktCktCxAAA001表3.1间歇釜式反应器单一反应结果反应物浓度对反应结果的影响表现为反应级数以转化率为目标，达到相同转化率需反应时间零级反应，反应时间与初始浓度成正比一级反应，反应时间与初始浓度无关二级反应，反应时间与初始浓度成反比导数随反应时间变化不同：零级反应，成线性关系一级或二级反应，反应时间增加则导数值下降，特别是二级反应，在反应后期，增加反应时间对反应的转化率的提高不多。dtdxA速率常数k值的提高将导致相应反应时间减少即提高反应温度将使反应速率增加hrkmolAxMFAfRA23.1635.08824120002412000030016.23604.153/(121.35)1020/4.35AAFMmQhr3030030586.171835.4102035.135.435.1195.104635.41020235.420908.36035.4102035.41mkmolMCmkmolMCCmkmolMCSSBBRAA例3.1酯化反应,原料配比A:B:S=1:2:1.35,XAf=0.35,密度1020kg/m3,辅助时间t0=1hr,装填系数f=0.75,产量12000kg/Day,求反应体积?解:原料处理量初始浓度浓度与转化率关系为代入反应速率方程,整理得将上式代入(3.8)中AfASSAfARAfABBAfAAxCCCxCCxCCCxCC000000)1(),()(11ASRBAAxkKCCCCkrhrrdxCtAfxAAA9814.100300384.12)(mttQVR35.16/mfVVR对于反应若要FR取最大值，则令FR对时间t求导的值为零：在一定的条件下，若以单位时间内产品产量为目标函数，必然存在一个最优反应时间，使得单位时间内的产量取最大值。若产物R的浓度为CR，则单位时间的产品产量为解得)17.3(只要满足(3.17)式，对应的时间t就是最优反应时间。t0CR~ttoptOptimaltimetCRRR0dCCdttt在一定的条件下，若以单位质量产品的生产费用为目标函数，也存在一个最优反应时间。RRfTCVataatA000)(1002dtdCataataCCVdtdARfRRRTaatatCdtdCfRR)(00类似地,则其中,单位时间内反应操作费用单位时间内辅助操作费用单位时间内固定费用0afaa(a0t0+af)CR~ttoptOptimaltimetCRRR00()/fdCCdttataa3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）A物料衡算P物料衡算在等温间歇釜式反应器中进行反应在均相恒容条件下：初始条件:0,0,00QPAACCCCt时，3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）]1[]1[)(0)(212102212101tkkkkCkPAAQtkkkkCkPeCCCCeCAAAAAxkkCCkkt1111lnln21021针对A组分，达到转化率XA需要的反应时间：将其代入原物料衡算式产物浓度比与时间无关,仅为速率常数之比3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）同理，对于多个平行反应由于产物P是目的产物，希望k1k2。例3.2.在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应3232/()20.5/()PAQAABPckmolmhAQckmolmh222220.52ApQAAAAcccc将速率表达式代入等温间歇反应器的设计方程式可有反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。解：由题知0000002()()2211122AfAAAAAAAAXcAAAcAAccAAccAAAAcAcAAdXdctcdcdcccccdccc上式积分结果为00(2)1ln2(2)AAAAcctcc将t=3h、cA0=2kmol/m3代入上式，可求组分A的浓度因此，A的转化率为2(2)13ln24AAcc332.48210/Ackmolm322.482100.998899.88%2AX2222AAAAAAdcccccdt上两式相除可得分离变量进行积分得112AApdccdc下面求P的收率由题给的速率方程可知2ppAdcrcdtP的收率为011.38380.691969.19%2PpAcYc3312/22ln1.3838/12.48210/2pckmolm代入数据得000121/22ln1/2PAAccAPcAApAdcdcccccQPAkk2100)(02121dtdnPRdtdnAPRdtdnARQPACkVCkCkVCkV0002121dtdCPdtdCAPdtdCAQPACkCkCkCk3.3.2连串反应在等温间歇釜式反应器中进行反应3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）各组分物料衡算式均相恒容两个独立反应,A,P,Q中任选两个作为关键组分,只要两个方程即可进行求解.初始条件：0,0,00QPAACCCCt时，tkAAeCC10)35.3(tktkAPeekkCkC122101)38.3()39.3(211200211kkekekCCCCCtktkAPAAQ代入Ｐ方程积分积分Ａ的方程有3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）以目的产物P的收率最大为优化目标可得最佳反应时间令：3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）例3.3在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应NH3+CH3OHCH3NH2+H2Ok1(A)(M)(B)CH3NH2+CH3OH(CH3)2NH+H2Ok2(B)(M)MAcckr11MB22cckrk2/k1=0.68,计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率。(A)(B)3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）解：氨的转化速率为MAAAcckdtdcr11)(R一甲胺的生成速率为MBMABBcckcckdtdcrr2121R112ABABcckkdcdcBABAAAYccXcc00),1()1(112ABABXkYkdXdY0,0BAYX初始条件:)]1()1[(/1112/12AkkABXXkkY3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）因为当YB＝YBmax时0ABdXdY)]1()1[(/1112/12AkkABXXkkY)1//(12112)/(1kkAkkX7004.0)68.0/1(1)168.0/(1AX已知条件k2/k1=0.684406.07004.01()7004.0168.01168.0max,BY实际上第二个反应生成的二甲胺还可和甲醇反应生成三甲胺，若考虑这个反应，对上述一甲胺的最大收率是否有影响，试分析原因？3.4连续釜式反应器的反应体积ContinuousStirTankReactor（CSTR）间歇釜式反应器：各参数随时间变化，一次装卸料；连续釜式反应器：稳态（定态）操作，有进有出。一、连续釜式反应器的特点：反应器的参数不随时间变化;不存在时间自变量，也没有空间自变量;多用于液相反应，恒容操作;出口处的C,T=反应器内的C,T。3.4连续釜式反应器的反应体积对稳态操作，有：0dtdni单一反应AAArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQVContinuousStirTankReactor（CSTR）反应器内C、T恒定，不随时间变化，也不随位置变化。所以其内的