第七章 制藥反應(yīng)設(shè)備.ppt

1 第七章制藥反應(yīng)設(shè)備 7 1反應(yīng)器基礎(chǔ)7 2釜式反應(yīng)器的工藝計(jì)算7 3管式反應(yīng)器的工藝計(jì)算7 4反應(yīng)器型式和操作方式選擇7 5攪拌器 2 藥廠用設(shè)備可分為 機(jī)械設(shè)備化工設(shè)備制藥專用設(shè)備一般 原料藥生產(chǎn)以機(jī)械設(shè)備和化工設(shè)備為主 藥物制劑生產(chǎn)以制藥專用設(shè)備為主 本章著重討論原料藥生產(chǎn)的核心設(shè)備 反應(yīng)器的工作原理 工藝計(jì)算和選型 3 7 1反應(yīng)器基礎(chǔ) 7 1 1反應(yīng)器的類型反應(yīng) 分離 制劑構(gòu)成了藥品生產(chǎn)的主要工藝過程 原料在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng) 通過分離等方法獲得原料藥 原料藥經(jīng)過一定的制劑工藝 如混合 造粒 干燥 壓片 包衣 包裝等 即成為出廠的藥品 其中 反應(yīng)是整個(gè)生產(chǎn)工藝過程的核心 而反應(yīng)器則是反應(yīng)過程的核心設(shè)備 反應(yīng)器的類型很多 可按不同的方式進(jìn)行分類 4 按結(jié)構(gòu)分類 a 釜式 b 管式 d 板式塔 e 填料塔 5 f 鼓泡塔 g 噴霧塔 h 固定床 i 流化床 圖7 1不同結(jié)構(gòu)型式的反應(yīng)器 6 2 按相態(tài)來分 反應(yīng)器 圖7 2反應(yīng)器按相態(tài)分類 7 按操作方式分類 間歇式 半間歇式和連續(xù)式反應(yīng)器 按操作溫度分類 等溫和非等溫反應(yīng)器 按流動(dòng)狀況分類 理想反應(yīng)器和非理想反應(yīng)器 8 7 1 2反應(yīng)器的操作方式分為 間歇操作半間歇操作 半連續(xù)操作 連續(xù)操作 間歇操作特點(diǎn) 將反應(yīng)所需的原料一次加入反應(yīng)器 達(dá)到規(guī)定的反應(yīng)程度后即卸出全部物料 然后對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行清理 隨后進(jìn)入下一個(gè)操作循環(huán) 即進(jìn)行下一批投料 反應(yīng) 卸料 清理等過程 9 間歇反應(yīng)過程是一個(gè)典型的非穩(wěn)態(tài)過程反應(yīng)器內(nèi)物料的組成隨時(shí)間而變化這是間歇過程的基本特征 間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7 3所示 圖7 3間歇釜式反應(yīng)器及其濃度變化 10 間歇操作 通常采用釜式反應(yīng)器 且反應(yīng)過程中既無物料加入 又無物料輸出 可視為恒容過程 如氣相反應(yīng) 反應(yīng)體積為整個(gè)反應(yīng)器容積 反應(yīng)過程中保持不變 又如液相反應(yīng) 反應(yīng)體積為液體所占據(jù)的空間 雖不充滿整個(gè)反應(yīng)器 但液體可視為不可壓縮流體 故反應(yīng)體積仍可視為恒定 藥品生產(chǎn)的規(guī)模一般較小 且品種多 生產(chǎn)工藝復(fù)雜 而間歇反應(yīng)器具有裝置簡(jiǎn)單 操作方便 適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 在制藥工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用 11 連續(xù)操作 特點(diǎn) 反應(yīng)原料連續(xù)入反應(yīng)器 連續(xù)流出反應(yīng)器 連續(xù)操作屬于穩(wěn)態(tài)過程 反應(yīng)器內(nèi)任一位置上的反應(yīng)物濃度 T P 反應(yīng)速度等參數(shù)均不隨時(shí)間而變化 管式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度隨管長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖7 4所示 CA0 CAf CRf 圖7 4管式反應(yīng)器及其濃度關(guān)系 L L 12 沿反應(yīng)物料的流動(dòng)方向 反應(yīng)物A的濃度由入口處的濃度CA0降低至出口濃度CAf 產(chǎn)物R的濃度則由入口處的濃度 通常為零 升高至出口濃度CRf 不可逆反應(yīng) 若管長(zhǎng)足夠 反應(yīng)物A 不過量 將由入口處的CA0降低至出口濃度零 但對(duì)某些反應(yīng)管長(zhǎng)需要無限長(zhǎng) 可逆反應(yīng) 則降至其平衡濃度 但要達(dá)到平衡濃度 管長(zhǎng)需要無限長(zhǎng) 注意 對(duì)單一反應(yīng) 產(chǎn)物R的濃度隨管長(zhǎng)的增加而增大 但若同時(shí)存在多個(gè)化學(xué)反應(yīng) 此結(jié)論也未必成立 如連串反應(yīng)A R 產(chǎn)物 S 產(chǎn)物R的濃度先隨管長(zhǎng)的增加而增大 達(dá)一極大值后又隨管長(zhǎng)的增加而減小 13 圖7 3與7 4有些類似 但一個(gè)是隨時(shí)間而變化 另一個(gè)是隨位置 管長(zhǎng) 而變化 這是兩種操作方式的本質(zhì)區(qū)別 連續(xù)操作優(yōu)點(diǎn) 具有生產(chǎn)能力大 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定 易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等 大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)器多采用連續(xù)操作 但連續(xù)操作的適應(yīng)能力較差 系統(tǒng)一旦建成 要改變產(chǎn)品品種往往非常困難 有時(shí)甚至要較大幅度地改變產(chǎn)品的產(chǎn)量也不容易辦到 14 半間歇操作原料或產(chǎn)物中有一種或一種以上的為連續(xù)輸入或輸出 而其余的 至少一種 為分批加入或卸出的操作 均屬半連續(xù)操作 相應(yīng)的反應(yīng)器稱為半連續(xù)反應(yīng)器 原料藥生產(chǎn)中的氣液相反應(yīng)常常采用半連續(xù)操作 例如 由氯氣和對(duì)氯甲苯生產(chǎn)2 4 二氯甲苯即采用半連續(xù)操作方式 對(duì)氯甲苯和催化劑一次加入反應(yīng)器內(nèi) 氯氣則連續(xù)通入反應(yīng)器 未反應(yīng)的氯氣及反應(yīng)產(chǎn)生的氯化氫從反應(yīng)器連續(xù)排出 反應(yīng)結(jié)束后 卸出反應(yīng)物料 15 半連續(xù)操作 具有連續(xù)操作和間歇操作的某些特征 有連續(xù)輸入和輸出物料 這點(diǎn)與連續(xù)操作相似 也有分批加入或卸出的物料 生產(chǎn)是間歇的 這是間歇操作的特點(diǎn) 半連續(xù)反應(yīng)器中的物料組成既隨時(shí)間而變化 又隨位置而變化 釜式 管式 塔式以及固定床反應(yīng)器等都有采用半連續(xù)方式操作的 16 7 1 3反應(yīng)器計(jì)算的基本方程式 反應(yīng)器計(jì)算所應(yīng)用的基本方程式主要 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式物料衡算式和熱量衡算式 若反應(yīng)過程有較大 P 并影響到r時(shí) 還要用動(dòng)量衡算式 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式均相反應(yīng) 反應(yīng)速度r用單位時(shí)間 單位體積的反應(yīng)物料中某一組分摩爾數(shù)的變化量來表示 即式中 rA 以組分A表示的化學(xué)反應(yīng)速度 kmol m 3 s 1VR 反應(yīng)器的有效容積或反應(yīng)體積 m3 nA 組分A的摩爾數(shù) mol或kmol 反應(yīng)時(shí)間 s或h 7 1 17 對(duì)于等容過程 7 2 式中 CA 組分A的濃度 kmol m 3 反應(yīng)速度也可用轉(zhuǎn)化率來表示 由式 4 6 可知 7 3 式中 xA 反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率 nA0 反應(yīng)開始時(shí)反應(yīng)物A的摩爾數(shù) mol nA 某時(shí)刻反應(yīng)物A的摩爾數(shù) mol 18 由式 7 3 得 則 代入式 7 1 并取 號(hào)得 7 4 7 5 7 6 對(duì)于等容過程 式 7 3 可改寫為 則 7 7 7 8 7 9 7 10 19 r與T P和反應(yīng)物濃度有關(guān) r與各影響因素之間的函數(shù)關(guān)系稱為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式或反應(yīng)速度方程式 如反應(yīng)A R為n級(jí)不可逆反應(yīng) 則反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式可寫成 7 11 式中 k 反應(yīng)速度常數(shù) kmol1 n m3 n 1 h 1 n 反應(yīng)級(jí)數(shù) 若為氣相反應(yīng) 則反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式也可組分的分壓表示 式中 kp 以反應(yīng)物P表示的反應(yīng)速度常數(shù) kmol m 3 s 1 Pa n pA 反應(yīng)體系中反應(yīng)物A的分壓 Pa 7 12 20 如果反應(yīng)氣體可視為理想氣體 則kp和k的關(guān)系為 7 13 式中 R 理想氣體常數(shù) 8 314kJ kmol 1 K 1 T 體系溫度 K 反應(yīng)時(shí)各組分的摩爾數(shù)變化不一定相同 用不同組分表示化學(xué)反應(yīng)速度時(shí) 數(shù)值也不一定相同如在反應(yīng)中 組分A B的消耗速度與組分M N的生成速度各不相同 但若將它們分別除以該組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù) 則有下列關(guān)系 7 14 21 對(duì)簡(jiǎn)單反應(yīng) 如aA bB mM nN 只列出任一反應(yīng)物的物算式 其余反應(yīng)物和產(chǎn)物的量可通過化學(xué)計(jì)量關(guān)系確定 反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度 溫度等參數(shù)隨時(shí)間或空間而變化 r也隨之發(fā)生改變 應(yīng)分別選取微元體積dVR和微元時(shí)間d 作為物料衡算的空間基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn) 物料衡算式 反應(yīng)物的消耗量取決于r 在微元時(shí)間d 內(nèi) 在微元體積dVR中因反應(yīng)而消耗的反應(yīng)物A為 物料衡算式 7 15 給出反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度或轉(zhuǎn)化率隨位置或時(shí)間的變化關(guān)系 7 15 22 熱量衡算式 化學(xué)反應(yīng)通常有熱效應(yīng) T隨反應(yīng)進(jìn)行而發(fā)生改變 而T改變又會(huì)影響r 進(jìn)行熱量衡算 以確定T隨反應(yīng)器內(nèi)位置或時(shí)間的變化關(guān)系 從而進(jìn)一步計(jì)算r 與物算一樣 分別選取微元體積dVR和微元時(shí)間d 作為熱量衡算的空間基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn) 在微元時(shí)間d 內(nèi)對(duì)微元體積dVR進(jìn)行熱量衡算得 物理變化熱可忽略時(shí) 在微元時(shí)間d 內(nèi) 在微元體積dVR中因反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)變化熱為 7 16 熱量衡算式 7 16 給出反應(yīng)器內(nèi)T隨位置或時(shí)間的變化關(guān)系 23 7 1 4理想反應(yīng)器 反應(yīng)器計(jì)算 聯(lián)立求解物算式 熱算式和動(dòng)力學(xué)方程式對(duì)等溫過程 T不隨時(shí)間和空間而改變 僅需聯(lián)立求解物算式和動(dòng)力學(xué)方程式 物料流動(dòng)混合狀況直接影響反應(yīng)器內(nèi)的濃度和T分布 在聯(lián)立求解物算式和熱算式時(shí) 必須知道反應(yīng)器內(nèi)物料流動(dòng)混合狀況 下面首先討論流動(dòng)混合處于理想狀況的理想反應(yīng)器 在此基礎(chǔ)上 再討論非理想流動(dòng)反應(yīng)器 理想反應(yīng)器 指流體的流動(dòng)處于理想狀況的反應(yīng)器 對(duì)流體混合 有兩種理想極限 即理想混合和理想置換 24 圖7 4理想混合流型 理想混合的特征 物料達(dá)到完全混合 濃度 T和r處處相等工業(yè)生產(chǎn)中 攪拌良好的釜式反應(yīng)器可近似看成理想混合反應(yīng)器 理想混合釜式反應(yīng)器可采用連續(xù) 半連續(xù)或間歇操作方式 連續(xù)操作時(shí) 物料一進(jìn)入反應(yīng)器 就立即與反應(yīng)器內(nèi)的物料完全混合 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) 反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和T既與位置無關(guān) 又不隨時(shí)間而變 且與出口的濃度和T相同 半連續(xù)或間歇操作時(shí) 反應(yīng)器內(nèi)物料的組成 T等參數(shù)僅隨時(shí)間而變 與位置無關(guān) 25 理想置換的特征 在與流動(dòng)方向垂直的截面上 各點(diǎn)的流速和流向完全相同 就象活塞平推一樣 故又稱 活塞流 或 平推流 這種流動(dòng)特征 在與流動(dòng)方向垂直的截面上 流體的濃度和溫度處處相等 不隨時(shí)間而變 而沿流動(dòng)方向 流體的濃度和溫度不斷改變 在流動(dòng)方向上不存在流體混合 所有的流體質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間相同 工業(yè)生產(chǎn)中 細(xì)長(zhǎng)型的管式反應(yīng)器可近似看成理想置換反應(yīng)器 圖7 5理想置換流型 26 間歇釜式反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器圖7 6理想反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度變化 27 7 2釜式反應(yīng)器的工藝計(jì)算 7 2 1釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)及應(yīng)用 見P90圖6 7 釜體一般是由鋼板卷焊而成的圓筒體 再焊上鋼制標(biāo)準(zhǔn)釜底 并配上封頭 攪拌器等零部件而制成 根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì) 罐體的內(nèi)壁可內(nèi)襯橡膠 搪玻璃 聚四氟乙烯等耐腐蝕材料 為控制T 罐體外壁常設(shè)有夾套 內(nèi)部也可安裝蛇管 標(biāo)準(zhǔn)釜底一般為橢圓形 根據(jù)工藝要求 也可采用平底 半球底或錐形底等 28 根據(jù)釜蓋與釜體連接方式不同 可分為開式 法蘭連接 和閉式 焊接 兩大類 圖6 7是典型的開式結(jié)構(gòu)示意圖目前 釜式反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化 搪玻璃釜式反應(yīng)器的主要技術(shù)參數(shù)見附錄六 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 加工方便 釜內(nèi)設(shè)有攪拌裝置 釜外常設(shè)傳熱夾套 傳質(zhì)和傳熱效率均較高 在攪拌良好的情況下 可近似看成理想混合反應(yīng)器 釜內(nèi)濃度 T均一 r處處相等 操作靈活 適應(yīng)性強(qiáng) 便于控制和改變反應(yīng)條件 尤其適用于小批量 多品種生產(chǎn) 釜式反應(yīng)器在藥品生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用 29 7 2 2間歇釜式反應(yīng)器的工藝計(jì)算 的計(jì)算攪拌良好的間歇釜式反應(yīng)器可視為理想混合反應(yīng)器 其物料衡算具有以下特點(diǎn) 反應(yīng)器內(nèi)濃度 溫度均一 不隨位置而變 可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器有效容積 反應(yīng)體積 進(jìn)行物料衡算 間歇操作 式 7 15 中的輸入量和輸出量均為零 得到間歇釜式反應(yīng)器的物料衡算式為 7 17 即 7 18 30 則 積分得 式中 xAf 反應(yīng)終止時(shí)反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率 式 7 20 對(duì)等溫 非等溫 等容和變?nèi)葸^程均適用 對(duì)于非等溫和變?nèi)葸^程 尤其是非等溫過程 式 7 20 的求解比較復(fù)雜 可參考理想管式反應(yīng)器非等溫和變?nèi)葸^程的計(jì)算方法 參見本章第三節(jié) 此處僅討論等溫等容過程的計(jì)算 7 19 7 20 31 在等容下 VR保持不變 故式 7 20 的VR可移至積分號(hào)外 則上式表明 達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的 僅與反應(yīng)物的初始濃度和r有關(guān) 而與物料的處理量無關(guān) 若能保證放大后的裝置在攪拌和傳熱兩方面均與提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的裝置完全相同 就可以簡(jiǎn)單地計(jì)算出大生產(chǎn)裝置的尺寸 實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)的放大 7 21 32 對(duì)零級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為 代入式 7 21 得 等溫過程 k為常數(shù) 對(duì)一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為 對(duì)等容過程 將式 7 8 代入上式得 代入式 7 21 得 7 22 7 23 7 24 7 25 7 26 33 對(duì)二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為 代入式 7 21 得 7 27 如果反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程比較復(fù)雜 往往不易求得解析解 此時(shí)可采用圖解積分法或數(shù)值積分法求得近似解 34 反應(yīng)器總?cè)莘e的計(jì)算 釜式反應(yīng)器間歇操作時(shí) 每處理一批物料都需要一定的出料 清洗 加料等輔助操作時(shí)間故處理一定量物料所需要的有效體積不僅與反應(yīng)時(shí)間有關(guān) 而且與輔助操作時(shí)間有關(guān) 式中 VR 反應(yīng)器的有效容積或反應(yīng)體積 即物料所占有的體積 m3 Vh 每小時(shí)所需處理的物料體積 m3 h 1 達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)時(shí)間 h 輔助操作時(shí)間 s或h 7 28 35 輔助操作時(shí)間一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定 為提高間歇釜式反應(yīng)器的生產(chǎn)能力 應(yīng)設(shè)法減少輔助操作時(shí)間 決定反應(yīng)器總?cè)莘eVT 還需考慮裝料系數(shù) 一般為0 4 0 85 對(duì)不起泡 不沸騰的物料 可取0 7 0 85 對(duì)起泡或沸騰的物料 可取0 4 0 6 此外 的選擇還應(yīng)考慮攪拌器和換熱器的體積 7 29 36 例7 1 在攪拌良好的間歇釜式反應(yīng)器 當(dāng)丁醇過量時(shí) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為式中CA為HAC濃度 kmol m3 已知k為1 04m3 kmol h 投料摩爾比為HAC 丁醇 1 4 97 反應(yīng)前后物料的密度為750kg m3 HAC 丁醇及醋酸丁酯的M分別為60 74和116 若每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯 不考慮分離過程損失 乙酸的轉(zhuǎn)化率為50 每批輔助操作時(shí)間為0 5h 裝料系數(shù) 為0 7 試計(jì)算所需反應(yīng)器的有效容積 VR 和總?cè)莘e VT 37 解 1 計(jì)算反應(yīng)時(shí)間 是二級(jí)反應(yīng) Kmol m3 h HAC摩爾分?jǐn)?shù) 丁醇摩爾分?jǐn)?shù) 38 2 計(jì)算所需反應(yīng)器的有效容積VR每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯 則每小時(shí)乙酸用量為 Kg h 每小時(shí)處理的總原料量為 Kg h 每小時(shí)處理的原料體積為 m3 h 故反應(yīng)器的有效容積為 3 計(jì)算所需反應(yīng)器的總?cè)莘eVT由式 7 29 知 m3 m3 丁醇質(zhì)量 39 3 反應(yīng)器臺(tái)數(shù)和單釜容積的確定 對(duì)給定生產(chǎn)任務(wù) 在求所需反應(yīng)器的總?cè)莘eVT后 再根據(jù)工藝要求和反應(yīng)器系列標(biāo)準(zhǔn) 可確定所需反應(yīng)器的臺(tái)數(shù)N及單釜容積VTS 生產(chǎn)中可能有以下幾種情況 已知VTS 求N在產(chǎn)品擴(kuò)產(chǎn)或更新時(shí)常見 此時(shí)工廠已有若干臺(tái)反應(yīng)器需通過計(jì)算確定擴(kuò)產(chǎn)或更新后所需的N 對(duì)給定的處理量 每天需操作的總批數(shù)為 式中 Vd 每天需處理的物料體積 m3 d VRS 單臺(tái)反應(yīng)器的有效容積 即裝料容積 m3 7 30 40 每天每臺(tái)反應(yīng)器可操作的批數(shù)為 則完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器臺(tái)數(shù)為 若由式 7 32 算出的NP值不是整數(shù) 則應(yīng)圓整成整數(shù)N 這樣反應(yīng)器的實(shí)際生產(chǎn)能力較設(shè)計(jì)要求提高了 其提高程度可用生產(chǎn)能力后備系數(shù) 表示 即 一般情況下 的數(shù)值在1 1 1 15之間較為合適 7 31 7 32 7 33 Vh Vd 24 41 已知N 求VTS即先確定反應(yīng)器臺(tái)數(shù) 在廠房面積受到限制時(shí)比較常見 由式 7 32 和 7 33 可求得每臺(tái)反應(yīng)器的容積為 式 7 34 中的 可取1 1 1 15 7 34 N及VTS均為未知 求N和VTS在新建制藥工程項(xiàng)目中較為常見 計(jì)算時(shí) 可結(jié)合工藝要求及廠房等情況 先假設(shè)反應(yīng)器的單釜容積VTS或所需臺(tái)數(shù)N 然后按上述方法計(jì)算出N或VTS值 臺(tái)數(shù)一般不會(huì)很多 常先假設(shè)幾個(gè)不同的N值求出相應(yīng)的反應(yīng)釜容積VTS 然后再根據(jù)工藝要求及廠房等具體情況 確定一組適宜的N和VTS值作為設(shè)計(jì)值 42 4 反應(yīng)器主要工藝尺寸反應(yīng)器主要工藝尺寸見P93圖6 8 一般H D 1 2左右 釜蓋和釜底均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭 封頭高度H1 不含直邊高度 0 25D 則園筒體高度H2 含封頭直邊 H2 H 2H1 1 2D 2 0 25D 0 7D反應(yīng)器總?cè)莘e VTS D2H2 4 0 262D3 7 36 由工藝計(jì)算求出單釜容積VTS后 可由式 7 35 和 7 36 求出D計(jì)算 將D計(jì)算按筒體規(guī)格圓整后即得D設(shè)計(jì) 然后按H 1 2D求出H 并檢驗(yàn)裝料系數(shù)是否合適 反應(yīng)器的主要工藝尺寸確定后 其壁厚可通過強(qiáng)度計(jì)算確定 法蘭 手孔 視鏡等附件可根據(jù)工藝條件從相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中選取 7 35 43 44 7 2 3連續(xù)釜式反應(yīng)器的工藝計(jì)算攪拌良好的連續(xù)釜式反應(yīng)器可視為理想混合反應(yīng)器 其構(gòu)造與間歇釜式反應(yīng)器相同 釜式反應(yīng)器采用連續(xù)操作時(shí) 物料連續(xù)流動(dòng) 隨進(jìn)隨出 且出口物料的溫度 組成與釜內(nèi)物料的溫度 組成完全相同 連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)均裝有攪拌器 在強(qiáng)烈攪拌下 各點(diǎn)的濃度 溫度均勻一致 連續(xù)釜式反應(yīng)器的操作達(dá)到穩(wěn)定時(shí) 釜內(nèi)物料的溫度和組成均不隨時(shí)間而變化 即屬于穩(wěn)態(tài)操作過程 45 釜式反應(yīng)器既可采用單釜連續(xù)操作 也可采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作 當(dāng)采用單釜時(shí) 新鮮原料一進(jìn)入反應(yīng)器就立即與釜內(nèi)物料完全混合 釜內(nèi)反應(yīng)物的濃度與出口物料中的反應(yīng)物濃度相同 整個(gè)反應(yīng)都在較低的反應(yīng)物濃度下進(jìn)行 r較慢 這是單釜連續(xù)操作的缺點(diǎn) 管式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度要經(jīng)歷一個(gè)由大到小逐漸變化的過程 相應(yīng)地 r也有一個(gè)由大到小逐漸變化的過程 并在出口處達(dá)到最小 可見 與管式反應(yīng)器相比 同一反應(yīng)要達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率 連續(xù)釜式反應(yīng)器所需的 較長(zhǎng) 對(duì)給定生產(chǎn)任務(wù)所需反應(yīng)器的有效容積較大 46 當(dāng)采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時(shí) 對(duì)單釜連續(xù)操作的缺點(diǎn)可有所克服 例如采用三臺(tái)有效容積均為VR 3的釜式反應(yīng)器串聯(lián)連續(xù)操作 以代替一臺(tái)有效容積為VR的連續(xù)釜式反應(yīng)器 若兩者的反應(yīng)物CA0 CAf和T均相同 則三釜串聯(lián)連續(xù)操作時(shí)僅第三臺(tái)釜內(nèi)的反應(yīng)物濃度CA3與單釜連續(xù)操作反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物濃度CAf相同 而其余二臺(tái)的濃度均較之為高 圖7 7理想連續(xù)釜式反應(yīng)器 47 三釜串聯(lián)連續(xù)操作的r平均 單釜連續(xù)操作的r平均 完成相同的反應(yīng) 若兩者的有效容積相同 則三釜串聯(lián)連續(xù)操作的處理量可增加 反之 若處理量相同 則三釜串聯(lián)連續(xù)操作所需反應(yīng)器的總有效容積可減小 可推知 串聯(lián)的釜數(shù)越多 各釜反應(yīng)物濃度的變化就愈接近于理想管式反應(yīng)器 當(dāng)釜數(shù)為無窮多時(shí) 各釜反應(yīng)物濃度的變化與管式反應(yīng)器內(nèi)的完全相同 為完成相同任務(wù) 兩者所需的有效容積相同 但是 當(dāng)串聯(lián)的釜數(shù)超過某一極限后 因釜數(shù)增加而引起的設(shè)備投資和操作費(fèi)用的增加 將超過因反應(yīng)器容積減少而節(jié)省的費(fèi)用 實(shí)踐表明 采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時(shí) 釜數(shù)一般不宜超過4臺(tái) 48 單釜連續(xù)操作連續(xù)釜式反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)態(tài)操作時(shí) 其物算具有如下特點(diǎn) 1 反應(yīng)器內(nèi)T均一 不隨時(shí)間而變 為等溫反應(yīng)器 計(jì)算反應(yīng)器容積時(shí) 只需進(jìn)行物料衡算 2 反應(yīng)器內(nèi)濃度均一 不隨時(shí)間而變 故可對(duì)反應(yīng)器的有效容積和任意時(shí)間間隔進(jìn)行物料衡算 3 物料衡算式 7 15 中的積累量為零 4 反應(yīng)速度可按出口處的濃度和溫度計(jì)算 反應(yīng)物A的物算式 FA0 FAf rAVR 0 7 37 圖7 8單釜連續(xù)操作反應(yīng)器物算 FA0 進(jìn)料A的摩爾流量 kmol h FAf 出料A的摩爾流量 kmol h 49 對(duì)連續(xù)過程 FA FA0 1 xA FAf FA0 1 xAf 7 38 物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間即反應(yīng)時(shí)間為 7 39 對(duì)零級(jí)等容反應(yīng) 將代入式 6 39 得 7 40 對(duì)一級(jí)等容反應(yīng) 將 代入式 7 39 得 7 41 50 對(duì)二級(jí)等容反應(yīng) 將 代入式 7 39 得 7 42 例7 2 用連續(xù)操作釜式反應(yīng)器生產(chǎn)乙酸丁酯 反應(yīng)條件和產(chǎn)量同例6 1 試計(jì)算所需VR 解 二級(jí)反應(yīng) 由式 7 42 和由例7 1可知 m3 h xAf 0 5 CA0 1 75kmol m3 k 1 04m3 kmol 1 h 1 則 m3 51 多釜串聯(lián)連續(xù)操作 各釜仍具有單釜連續(xù)操作所具有的特點(diǎn) 此外為簡(jiǎn)化假設(shè) 1 釜間不存在混合 2 對(duì)液相反應(yīng) 反應(yīng)和T改變而引起的 變化可忽略不計(jì) 若為液相反應(yīng) 由假設(shè) 2 可知 單位時(shí)間內(nèi)各釜處理的物料體積相等 即Vh V01 V02 V0N 圖7 9多釜串聯(lián)連續(xù)操作反應(yīng)器的物料衡算 在第i釜中對(duì)反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算得 7 43 52 將FAi 1 FA0 1 xAi 1 及FAi FA0 1 xAi 代入上式并整理得 7 44 或由式 7 43 得 7 45 在多釜串聯(lián)連續(xù)操作中 前一釜的出料即為后一釜的進(jìn)料 利用式 7 44 或 7 45 并結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式進(jìn)行逐釜計(jì)算 即可計(jì)算出達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)釜數(shù) 各釜容積和相應(yīng)的轉(zhuǎn)化率 53 例如 對(duì)一級(jí)反應(yīng) 將代入式 7 45 得 則 第一釜第二釜第N釜 kiCAi 54 若各釜等溫等容 則 所以 7 46 或 類似 對(duì)零級(jí)反應(yīng) 若各釜等溫等容 同樣可導(dǎo)出 對(duì)二級(jí)反應(yīng) 若各釜等溫等容 導(dǎo)出 則 濃度不能為負(fù)值 故棄去負(fù)根 即 CAN CA0 1 xAN 7 47 7 48 7 49 7 50 55 例7 3用二釜串聯(lián)連續(xù)操作反應(yīng)器生產(chǎn)乙酸丁酯 第一釜乙酸的轉(zhuǎn)化率為33 第二釜的轉(zhuǎn)化率為50 反應(yīng)條件和產(chǎn)量同例7 1 試計(jì)算各反應(yīng)器所需的VR 解 1 第一臺(tái)反應(yīng)器 是二級(jí)反應(yīng) 由例7 1可知 m3 h 1 CA0 1 75kmol m 3 k 1 04m3 kmol 1 h 1 又xA1 0 33 則 m3 2 第二臺(tái)反應(yīng)器由式 7 49 得 56 Pump 則 m3 所以 采用兩釜串聯(lián)連續(xù)操作所需反應(yīng)器的總有效容積為 m3 57 7 3管式反應(yīng)器的工藝計(jì)算 7 3 1管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)及應(yīng)用管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 易于加工制造和檢修 金屬管子能耐高壓 可用于加壓反應(yīng) 此類反應(yīng)器也可采用玻璃等非金屬材料制成 此時(shí)耐壓能力受到限制 但耐腐蝕能力大為提高 與釜式反應(yīng)器相比 管式反應(yīng)器單位體積所具有的傳熱面積較大 特別適用于熱效應(yīng)較大的反應(yīng) 管式反應(yīng)器是一種典型的連續(xù)操作反應(yīng)器 是連續(xù)操作 生產(chǎn)能力較大 并容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 此外 為保證管式反應(yīng)器內(nèi)具有良好的傳熱和傳質(zhì)條件一般要求反應(yīng)物料在管內(nèi)作高速湍流運(yùn)動(dòng) 58 管式反應(yīng)器可用于氣相 均液相 非均液相 氣液相 氣固相 固相等反應(yīng) 許多反應(yīng) 如乙酸裂解制雙乙烯酮 鄰硝基氯苯氨化制鄰硝基苯氨 石蠟氧化制酯肪酸 已內(nèi)酰胺聚合等均可采用管式反應(yīng)器進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn) 圖7 10管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖7 3 2管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)方程式 59 工業(yè)生產(chǎn)中 細(xì)長(zhǎng)型的管式反應(yīng)器可近似看成理想置換反應(yīng)器 管式反應(yīng)器常用于液相反應(yīng)或氣相反應(yīng) 當(dāng)用于液相反應(yīng)時(shí) 可忽略因反應(yīng)和溫度改變而引起的密度變化 視為等容過程 圖7 11管式反應(yīng)器的物料衡算 60 當(dāng)用于氣相反應(yīng)時(shí) 則有兩種情況 其一 反應(yīng)過程中氣體物質(zhì)的總摩爾量保持不變 應(yīng)按等容過程處理 其二 反應(yīng)過程中氣體物質(zhì)的總摩爾量要發(fā)生改變 則應(yīng)按變?nèi)葸^程處理 溫度也有類似情況 當(dāng)過程的熱效應(yīng)可以忽略或采取適當(dāng)措施使體系的溫度保持不變時(shí) 則按等溫過程處理 否則應(yīng)視為非等溫過程 61 管式反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)操作時(shí) 其物料衡算具有如下特點(diǎn) 物料組成 溫度和反應(yīng)速度不隨時(shí)間而變化 故可對(duì)任意時(shí)間間隔進(jìn)行物料衡算 2 物料組成 溫度和反應(yīng)速度沿流動(dòng)方向而變 故應(yīng)取微元管長(zhǎng)進(jìn)行物料衡算 3 物料在反應(yīng)器中的積累量為零 沿管式反應(yīng)器的管長(zhǎng)方向取長(zhǎng)為dl的微元圓柱體 相應(yīng)的體積為dVR 在微元體內(nèi)對(duì)反應(yīng)物A做物料衡算 流入量 流出量 反應(yīng)量 累積量 0 V0 原料的體積流量 VR 反應(yīng)器的有效容積 62 7 53 式為管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)方程式 式中 c 管式反應(yīng)器的空間時(shí)間 h 7 52 7 53 7 51 63 空間時(shí)間和空間速度管式流動(dòng)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力 用空間時(shí)間和它的倒數(shù) 空間速度 來表示 空間時(shí)間 等容過程 反應(yīng)器的有效容積 進(jìn)料體積流量 反應(yīng)器的有效容積 反應(yīng)器中物料的體積流量空間時(shí)間 物料的停留時(shí)間對(duì)變?nèi)葸^程 反應(yīng)器中物料的體積流量 進(jìn)料體積流量空間時(shí)間 物料的停留時(shí)間 V0一定時(shí) tc愈小 表明VR愈小 反應(yīng)器的生產(chǎn)能力愈大 64 空間速度 空間時(shí)間的倒數(shù) 空速愈高 反應(yīng)器生產(chǎn)能力愈大 7 3 3液相管式反應(yīng)器的工藝計(jì)算7 3 3 1等溫液相管式反應(yīng)器 反應(yīng)器容積的計(jì)算 液相反應(yīng)可視為等容過程 結(jié)合等溫等容條件 應(yīng)用式 7 53 即可計(jì)算出達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)器容積或空間時(shí)間 對(duì)于零級(jí)反應(yīng) 將代入式 7 46 得 7 54 65 對(duì)一級(jí)反應(yīng) 將代入式 7 53 得 對(duì)二級(jí)反應(yīng) 將 代入式 7 53 得 7 55 7 56 66 可看到 7 23 7 26 和 7 27 與 7 54 7 55 和 7 56 完全相同 只是前者多個(gè)非生產(chǎn)時(shí)間 因此生產(chǎn)能力較管式反應(yīng)器低 注意 間歇釜式反應(yīng)器與管式反應(yīng)器 兩種不同結(jié)構(gòu)型式其中物料流動(dòng)狀況也有本質(zhì)區(qū)別 間歇釜式反應(yīng)器 混合均勻的間歇非穩(wěn)定流動(dòng) 管式反應(yīng)器 不混合的連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng) 兩種反應(yīng)器計(jì)算公式相同 是 全部物料粒子的反應(yīng)時(shí)間完全相同 反應(yīng)開始到結(jié)束 物料組成經(jīng)歷的變化過程也完全相同 只是 間歇釜式反應(yīng)器中的物料組成隨時(shí)間而變化 管式反應(yīng)器中的物料組成隨位置 管長(zhǎng) 而變化 67 7 23 7 26 7 27 68 例7 4用管式反應(yīng)器生產(chǎn)乙酸丁酯 反應(yīng)條件和產(chǎn)量同例7 1 試計(jì)算所需反應(yīng)器的容積 解 因?yàn)槭嵌?jí)反應(yīng) 由式 7 49 得 由例7 1可知 m3 h CA0 1 75kmol m3 k 1 04m3 kmol 1 h 1 xAf 0 5 則 m3 69 例7 1 例7 4的計(jì)算結(jié)果列于下表中 以便于比較 若不考慮輔助操作時(shí)間 則間歇釜式反應(yīng)器的有效容積與管式反應(yīng)器有效容積相同 即0 68m3 70 2 管徑與管長(zhǎng)的計(jì)算計(jì)算出所需管式反應(yīng)器的容積VR后 可進(jìn)一步計(jì)算管徑與管長(zhǎng) 具體步驟如下 規(guī)定物料在管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re 如前所述 為保證管式反應(yīng)器內(nèi)具有良好的傳熱和傳質(zhì)條件 物料在管內(nèi)應(yīng)作高速湍流運(yùn)動(dòng) 確定管徑d 由及得 式中d 管式反應(yīng)器的內(nèi)徑 m 物料的密度 kg m3 物料的粘度 Pa s 由式 7 50 計(jì)算出的管內(nèi)徑還需按管子規(guī)格進(jìn)行圓整 驗(yàn)算Re 計(jì)算L 由VR d2L 4L 4VR d2 7 57 7 58 71 例6 5在連續(xù)管式反應(yīng)器中 用鄰硝基氯苯氨化生產(chǎn)鄰硝基苯胺 2300C 式中 A 鄰硝基氯苯 B 氨水 CA CB的單位 kmol m3 k 1 188m3 kmol 1 h 1 進(jìn)料量 氨水0 48m3 h1 濃度35 B 881kg m 3 鄰硝基氯苯0 08m3 h1 濃度99 A 1350kg m 3A和B的M分別為157 6和17 反應(yīng)物料 為0 15 10 3Pa s 擬采用 32 8mm的管子 xA 98 試計(jì)算L 72 解 1 計(jì)算 C代入式 7 46 得B CBO A 2CA0已知 CA0 0 08 1350 0 99 157 6 0 48 0 08 1 2Kmol m3 CB0 0 48 881 0 35 17 0 48 0 08 15 5Kmol m3 xAf 0 98 k 1 188m3 kmolh c 1 1 188 2 1 2 15 5 ln 1 0 98 1 2 1 2 15 5 0 98 0 24h 73 3 校核Re依題意知 kg m 3 故反應(yīng)器內(nèi)的物料流型為湍流 2 計(jì)算管長(zhǎng)L由式 7 51 得 m 74 7 3 3 2變溫液相管式反應(yīng)器 化學(xué)反應(yīng)通常都有一定的熱效應(yīng) 當(dāng)反應(yīng)熱不能及時(shí)傳遞時(shí) 體系的溫度就要發(fā)生改變 管式反應(yīng)器內(nèi)物料組成沿管長(zhǎng)而變 r和Q也隨之發(fā)生改變 管式反應(yīng)器多為非等溫操作 T r 當(dāng)Q不大 且選擇性受T的影響較小時(shí) 常采用絕熱操作 以提高T 加快r 縮小VR或提高設(shè)備的生產(chǎn)能力 若Q較大或T對(duì)反應(yīng)選擇性有顯著影響時(shí) 則應(yīng)通過載熱體及時(shí)移走或供給反應(yīng)熱 以控制T 75 管式反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)操作時(shí) 熱量衡算具有下列特點(diǎn) 1 物料組成 T和r均不隨時(shí)間而變化 故可取任意時(shí)間間隔進(jìn)行熱量衡算 2 物料組成 T和r沿流動(dòng)方向而變 故應(yīng)取微元管長(zhǎng)進(jìn)行熱量衡算 3 反應(yīng)器中沒有熱量的積累 此外 為簡(jiǎn)化推導(dǎo)過程 還作如下假設(shè) 1 反應(yīng)過程中的物理變化熱可忽略不計(jì) 2 反應(yīng)體系中無相變過程發(fā)生 圖7 12管式反應(yīng)器的熱量衡算 76 沿管式反應(yīng)器的管長(zhǎng)方向取長(zhǎng)為dl的微元圓柱體 相應(yīng)的體積為dVR 在微元體內(nèi)做熱量衡算 Q1 Q2 Qc QL 0式中 Q1 物料帶入微元體的熱量 KJ hQ2 物料帶出微元體的熱量 KJ hQc 微元體中的化學(xué)變化熱 KJ hQL 微元體傳遞至環(huán)境或栽熱體的熱量 KJ h取0oC為熱量衡算的基準(zhǔn)溫度 則Q1的計(jì)算式為式中 進(jìn)入微元體的總物料流量 kmol s M 進(jìn)入微元體物料的平均相對(duì)分子質(zhì)量 kg kmol 物料在 0 T oC范圍內(nèi)的平均定壓熱 kJ kg oCT 進(jìn)入微元體物料的溫度 oC 7 59 7 60 77 Q2的計(jì)算式為 式中 離開微元體的總物料流量 kmol h M 離開微元體物料的平均相對(duì)分子質(zhì)量 kg kmol 物料在 0 T 范圍內(nèi)的平均定壓比熱 kJ kg T 離開微元體物料的溫度 由式 7 16 和 7 17 得 式中 化學(xué)反應(yīng)熱 kJ mol QA的計(jì)算式為式中K總傳熱系數(shù) W m2 A 微元體積的傳熱面積 m2 物料的平均溫度 TW 載熱體或環(huán)境的溫度 7 61 7 62 7 63 78 帶入 7 52 式 0 在微元體內(nèi)與的差別很小 且T T dT 則上式可簡(jiǎn)化為 7 64 對(duì)等溫過程 dT 0 式 7 57 可簡(jiǎn)化為 對(duì)絕熱過程 式 7 64 可簡(jiǎn)化為 7 65 7 59 79 絲網(wǎng)波紋規(guī)整填料 下面以絕熱過程為例 討論管式反應(yīng)器容積的計(jì)算方法 MCp是物料組成和溫度的函數(shù) 是溫度的函數(shù) Ft又是轉(zhuǎn)化率的函數(shù) 故式 7 59 的積分計(jì)算非常繁瑣 液相反應(yīng)可視為等容過程 故過程的焓變僅取決于過程的始態(tài)和終態(tài) 而與過程的途徑無關(guān) 根據(jù)這一特點(diǎn)可設(shè)計(jì)如下途徑完成絕熱反應(yīng)過程 圖7 13絕熱反應(yīng)過程 80 如圖7 13所示 總流量為F0的物料先在進(jìn)口溫度T0下進(jìn)行等溫反應(yīng) 使轉(zhuǎn)化率由xA0變化到xA 物料總流量由F0變化到Ft 然后再將轉(zhuǎn)化率為xA 總流量為Ft的物料由溫度T0升至出口溫度T 81 顯然 反應(yīng)所放出的熱量全部用于物料升溫 則 式中 T0時(shí)的化學(xué)反應(yīng)熱 kJ kmol Ft 轉(zhuǎn)化率為xA時(shí)的總物料流量 kmol h M 轉(zhuǎn)化率為xA時(shí)物料的平均相對(duì)分子質(zhì)量 kg kmol 物料在 T0 T 范圍內(nèi)的平均定壓比熱 kJ kg 所以 上式即為絕熱管式反應(yīng)器內(nèi)T與xA的關(guān)系 7 60 7 61 82 若反應(yīng)過程中物料的總摩爾流量保持不變 即Ft F0 則 式中 F0 進(jìn)料總摩爾流量 Kmol h yA0 進(jìn)料中反應(yīng)物A的摩爾分?jǐn)?shù) 令 則 7 62 83 上式表明 絕熱過程中溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系 當(dāng)xA0 0 xA 100 即反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化時(shí) T T0 故 的物理意義為反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到100 時(shí) 反應(yīng)體系升高或降低的溫度 又稱絕熱溫升或絕熱溫降 可見 是體系溫度可能上升或下降的限度 根據(jù)式 7 62 再結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式和物料衡算式 即可求出達(dá)到規(guī)定xA時(shí)所需的VR 例如 變溫等容一級(jí)反應(yīng) 代入式 7 46 得 上式積分后即為達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率時(shí)所需管式反應(yīng)器的容積 84 7 3 4氣相管式反應(yīng)器的工藝計(jì)算 前已述及 對(duì)氣相反應(yīng) 若反應(yīng)過程中氣體物質(zhì)的總摩爾量發(fā)生改變 而體系的溫度和壓力保持不變 則氣體的體積流量將發(fā)生改變 此時(shí)應(yīng)按變?nèi)葸^程處理 為計(jì)算反應(yīng)前后體系的體積變化 可引入膨脹因子的概念 定義 每轉(zhuǎn)化1mol反應(yīng)物所引起的反應(yīng)體系內(nèi)物質(zhì)摩爾量的改變量 例如 對(duì)如下氣相反應(yīng)以反應(yīng)物A表示的膨脹因子為體系中若含有惰性氣體 并不影響 A值的大小 如上述反應(yīng)體系中含umol惰性氣體 則 7 63 85 設(shè)一變?nèi)葸^程 總進(jìn)料體積流量為V0 進(jìn)料總摩爾流量為F0 其中反應(yīng)物A的摩爾流量為FA0 則進(jìn)料中反應(yīng)物A的摩爾分率為當(dāng)轉(zhuǎn)化率為xA時(shí) 反應(yīng)體系中物料的總摩爾流量為 若氣體可視為理想氣體 且流動(dòng)壓力降可以忽略 則相應(yīng)的體積流量為 Ft F0 PVt RT PV0 RT Vt V0 86 則 CA與xA的關(guān)系為 7 64 將上式兩邊同乘RT得 CA nA Vt P RT 式 7 65 給出了管式反應(yīng)器內(nèi)任一截面上的分壓pA與轉(zhuǎn)化率xA之間的關(guān)系 對(duì)等容過程 A 0 代入式 7 64 得 對(duì)氣相非等容過程 可將式 7 64 或 7 65 代入反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式 再利用式 7 46 即可求出達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率時(shí)所需管式反應(yīng)器的容積 7 65 87 例7 6在管式反應(yīng)器中進(jìn)行2 5 二氫呋喃的氣相裂解反應(yīng) 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為式中CA為2 5 二氫呋喃的濃度 kmol m3 已知反應(yīng)在恒溫恒壓下進(jìn)行 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)k 3h 1 A 1 2 5 二氫呋喃的進(jìn)料體積流量為0 3m3 h 1 其中含2 5 二氫呋喃80 體積比 其余為惰性氣體 若要求2 5 二氫呋喃的轉(zhuǎn)化率為75 試計(jì)算所需反應(yīng)器的容積 88 解 將式 7 64 代入得 代入式 7 46 得 0 1 1 8ln 1 xA 0 1 0 8 0 75 0 19m3 89 7 4反應(yīng)器型式和操作方式選擇 反應(yīng)器型式和操作方式選擇是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容 對(duì)特定的化學(xué)反應(yīng)和給定的生產(chǎn)任務(wù) 設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合反應(yīng)特點(diǎn)和操作方式 從生產(chǎn)能力 反應(yīng)選擇性等方面 對(duì)不同型式的反應(yīng)器進(jìn)行認(rèn)真的分析和比較 以確定適宜的反應(yīng)器型式和操作方式 7 4 1簡(jiǎn)單反應(yīng) 簡(jiǎn)單反應(yīng) 指可用一個(gè)反應(yīng)方程式和一個(gè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式來描述的反應(yīng) 不存在副反應(yīng) 產(chǎn)物分布明確 反應(yīng)器性能的比較可簡(jiǎn)單歸結(jié)為生產(chǎn)能力的比較 90 生產(chǎn)能力 指單位時(shí)間 單位容積反應(yīng)器所獲得的產(chǎn)物量 其值越大 反應(yīng)器的生產(chǎn)能力就越大 換言之 為獲得相同的產(chǎn)物量 所需反應(yīng)器的容積越小 生產(chǎn)能力就越大 可見 反應(yīng)器生產(chǎn)能力的比較也就是所需反應(yīng)器容積的比較 間歇釜式反應(yīng)器與管式反應(yīng)器 對(duì)等溫等容過程 同一反應(yīng)在相同條件下 達(dá)到相同x時(shí) 在間歇釜式反應(yīng)器中 c與在管式反應(yīng)器中 c相同 換言之 如果忽略間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時(shí)間 兩種反應(yīng)器所需的容積相同 亦即生產(chǎn)能力相同 當(dāng)然 若考慮間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時(shí)間 則所需間歇釜的實(shí)際容積要大 即間歇釜的生產(chǎn)能力較小 91 兩種反應(yīng)器容積的定量比較 可用容積效率來描述 對(duì)間歇釜式反應(yīng)器與管式反應(yīng)器 容積效率的定義 式中 容積效率 VR P 管式反應(yīng)器的容積 m3 VR I 間歇釜式反應(yīng)器的有效容積 m3 顯然 對(duì)間歇釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器而言 若忽略間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時(shí)間 1 7 66 現(xiàn)以一級(jí)反應(yīng)為例 對(duì)間歇釜式反應(yīng)器 由式 7 26 和 7 28 得 間歇釜式反應(yīng)器與連續(xù)釜式反應(yīng)器 92 當(dāng) 1時(shí) 兩種反應(yīng)器所需的有效容積相同 此時(shí) 間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時(shí)間滿足下列關(guān)系 對(duì)連續(xù)釜式反應(yīng)器 由式 7 41 得 式中 VR c 連續(xù)釜式反應(yīng)器的有效容積 m3 則 即 7 67 7 68 93 例6 7某一級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)速度常數(shù)k為40h 1 規(guī)定的轉(zhuǎn)化率xAf為95 試分別按以下條件比較采用間歇釜式反應(yīng)器和單釜連續(xù)操作反應(yīng)器所需有效容積的大小 1 忽略間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時(shí)間 2 每批輔助操作時(shí)間為0 4h 3 每批輔助操作時(shí)間為1h 解 1 將k 40h 1 xAf 0 95 0代入式 7 67 得 2 將k 40h 1 xAf 0 95 0 4h代入式 7 67 得 3 將k 40h 1 xAf 0 95 1h代入式 7 67 得 94 Reactor 對(duì)零級(jí)反應(yīng) 由式 7 40 和 7 47 得 可見 對(duì)零級(jí)反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng)速度與濃度無關(guān) 反應(yīng)器容積的大小與物料的流動(dòng)型式無關(guān) 對(duì)一級(jí)反應(yīng) 由式 7 41 和 7 48 得 對(duì)于二級(jí)反應(yīng) 由式 7 42 和 7 48 得 7 69 7 70 7 71 連續(xù)釜式反應(yīng)器與管式反應(yīng)器 95 7 40 7 47 7 41 7 48 96 分別由式 7 69 7 71 作出不同反應(yīng)級(jí)數(shù)時(shí)容積效率與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系曲線 如圖7 17所示 圖7 17連續(xù)釜式反應(yīng)器與管式反應(yīng)器的 可見 1 零級(jí)反應(yīng)的 1 且與xA無關(guān) 即達(dá)到規(guī)定xA時(shí) VR 連續(xù)釜式 VR 管式 2 xA一定時(shí) n越高 就越小 VR 連續(xù)釜式比 VR 管式大得多 3 除零級(jí)反應(yīng)外 其它各級(jí)反應(yīng)的 1 且當(dāng)n一定時(shí) xA越高 就越小 即 VR 連續(xù)釜式比 VR 管式大得多 97 多釜串聯(lián)反應(yīng)器與管式反應(yīng)器 仍以一級(jí)反應(yīng)為例 設(shè)有N個(gè)等溫等容釜串聯(lián) 則由式 得 物料在整個(gè)反應(yīng)器中的停留時(shí)間為 7 72 7 73 VR M 多釜串聯(lián)反應(yīng)器的總有效體積 m3 98 由式 7 73 可作出不同釜數(shù)時(shí)容積效率與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系曲線 如圖7 18所示 可知 當(dāng)N一定時(shí) 轉(zhuǎn)化率xAf愈高 容積效率愈低 圖7 18多釜串聯(lián)反應(yīng)器 一級(jí)反應(yīng) 與管式反應(yīng)器的容積效率 99 100 總結(jié) 對(duì)簡(jiǎn)單反應(yīng) 對(duì)零級(jí)反應(yīng) 單臺(tái)連續(xù)釜式反應(yīng)器所需的有效容積與管式反應(yīng)器的相同 但因釜式反應(yīng)器存在裝料系數(shù) 故實(shí)際容積有所增大 而間歇釜式反應(yīng)器既存在裝料系數(shù) 又存在輔助操作時(shí)間 故所需的容積較大 反應(yīng)級(jí)數(shù)越高或轉(zhuǎn)化率越高 單臺(tái)連續(xù)釜式反應(yīng)器所需的有效容積就越大 此時(shí)可采用管式反應(yīng)器 對(duì)熱效應(yīng)很大的反應(yīng) 從有利于傳熱的角度 宜采用管式反應(yīng)器 但為了控溫的方便 亦可采用間歇釜式反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器 101 采用多釜串聯(lián)反應(yīng)器時(shí) 容積效率隨釜數(shù)的增加而增大 但增大的速度漸趨緩慢 串聯(lián)的釜數(shù)一般不超過4 5 對(duì)反應(yīng)速度較慢 且要求的轉(zhuǎn)化率較高的液相反應(yīng) 宜采用間歇釜式反應(yīng)器 6 對(duì)于反應(yīng)速度較快的氣相或液相反應(yīng) 宜采用管式反應(yīng)器 7 對(duì)于反應(yīng)級(jí)數(shù)較低 且要求的轉(zhuǎn)化率不高的液相反應(yīng)以及自催化反應(yīng) 宜采用單臺(tái)連續(xù)釜式反應(yīng)器 102 7 4 2復(fù)雜反應(yīng) 復(fù)雜反應(yīng) 要用多個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式和多個(gè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式來描述 此類產(chǎn)物中 既有目標(biāo)產(chǎn)物 又有副產(chǎn)物副產(chǎn)物的多少 直接影響著原材料的消耗 分離方案的選擇以及分離設(shè)備的大小 在選擇反應(yīng)器型式和操作方法時(shí) 首要考慮反應(yīng)選擇性 平行反應(yīng) 先討論一種最簡(jiǎn)單的平行反應(yīng) 目標(biāo)產(chǎn)物 主反應(yīng) 副產(chǎn)物 副反應(yīng)其反應(yīng)速度方程式為 103 主 副反應(yīng)速度之比為 由反應(yīng)選擇性的定義式 4 9 可知 值越大 反應(yīng)選擇性 的值就越大 目標(biāo)產(chǎn)物R的收率就越高 可見 要提高目標(biāo)產(chǎn)物R的收率 就要提高反應(yīng)選擇性 的值 其實(shí)質(zhì)就是要設(shè)法提高 值 調(diào)節(jié)反應(yīng)物濃度 提高 值 對(duì)特定反應(yīng)體系和溫度 k1 k2 a1和a2均為常數(shù) 此時(shí)可調(diào)節(jié)CA 以得到較大的 值 7 74 104 1 當(dāng) 即主反應(yīng)n較高時(shí) CA 值 R的收率 與單釜連續(xù)反應(yīng)器相比 管式反應(yīng)器和間歇釜式反應(yīng)器中CA較高 宜用管式反應(yīng)器 間歇釜式反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器此外 可采用濃度較高的原料或?qū)庀喾磻?yīng)采用增加壓力等辦法 以提高反應(yīng)器中的反應(yīng)物濃度 2 當(dāng) 即主反應(yīng)n較低時(shí) CA 值 R的收率 此時(shí)宜采用單釜連續(xù)反應(yīng)器 但所需反應(yīng)器的容積較大 故應(yīng)從經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行優(yōu)化選擇 此外 可采用濃度較低的原料或?qū)庀喾磻?yīng)采用降低壓力等辦法 以降低反應(yīng)器中的反應(yīng)物濃度 105 3 當(dāng)時(shí) 反應(yīng)物的濃度對(duì)R的收率沒有影響 總之 對(duì)平行反應(yīng) 提高反應(yīng)物濃度有利于級(jí)數(shù)較高的反應(yīng) 降低反應(yīng)物濃度有利于級(jí)數(shù)較低的反應(yīng) 改變操作溫度 提高 值k隨T而變 其關(guān)系可用阿侖尼烏斯經(jīng)驗(yàn)式表示 即 7 75 式中 A 頻率因子 單位與k相同 E 反應(yīng)活化能 kJ kmol R 理想氣體常數(shù) 8 314kJ kmol K T 溫度 K 則 7 76 當(dāng)E1 E2時(shí) T R的收率 當(dāng)E1 E2時(shí) T R的收率 當(dāng)E1 E2時(shí) 溫度對(duì)R的收率沒有影響 總之 T 有利于E高的反應(yīng) T 有利于E低的反應(yīng) 106 選擇或開發(fā)高選擇性催化劑選擇或開發(fā)高選擇性催化劑是提高反應(yīng)選擇性的最有效方法 其他類型的平行反應(yīng)也可按上述類似方法進(jìn)行分析 如 目標(biāo)產(chǎn)物 主反應(yīng) 副產(chǎn)物 副反應(yīng)其反應(yīng)速度方程式為 同樣 為提高R的收率 必須設(shè)法提高 值 7 77 107 108 連串反應(yīng) 設(shè)有如下連串反應(yīng) 其反應(yīng)速度方程式為 則 當(dāng)k1 k2一定時(shí) 若R為目標(biāo)產(chǎn)物 則應(yīng)設(shè)法使CA高 CR低 以增大 值 提高R收率 此時(shí)宜采用管式反應(yīng)器 間歇釜式反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器 反之 若S為目標(biāo)產(chǎn)物 則應(yīng)設(shè)法使CA低 CR高 以提高S收率 此時(shí)宜采用單釜連續(xù)反應(yīng)器 109 注意 R生成量增加 將有利于S的生成 因此 若R為目標(biāo)產(chǎn)物 則當(dāng)時(shí) 應(yīng)保持較低單程轉(zhuǎn)化率 反之 當(dāng)時(shí) 應(yīng)保持較高轉(zhuǎn)化率 這樣收率降低不多 但可大大減輕反應(yīng)后的分離負(fù)荷 綜上所述 對(duì)于復(fù)雜反應(yīng) 控制反應(yīng)物濃度是提高目標(biāo)產(chǎn)物收率的常用方法 同種原料在反應(yīng)器內(nèi)的濃度還與加料方式有關(guān) 圖7 19和7 20分別給出了間歇操作和連續(xù)操作時(shí)反應(yīng)物濃度與加料方式之間的關(guān)系 110 A B一起A B均A一次加入 迅速加入慢慢加入B慢慢加入 a CA CB均大 b CA CB均小 c CA大 CB小圖7 19間歇操作時(shí)反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系 111 a CA CB均大 b CA CB均小圖6 20連續(xù)操作時(shí)反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系 112 c CA大 CB小圖6 20連續(xù)操作時(shí)反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系 113 7 5攪拌器7 5 1概述攪拌的目的 1 使物料均勻混合 互溶液體 懸浮液 乳濁液 泡沫液 2 強(qiáng)化傳質(zhì) 增大相際接觸面積 降低液膜阻力 3 強(qiáng)化傳熱 提高對(duì)流傳熱系數(shù) 114 攪拌分類 1 氣流攪拌 氣體鼓泡 優(yōu)點(diǎn) 腐蝕性 高溫高壓 缺點(diǎn) 不適合高粘度流體 2 機(jī)械攪拌 適用范圍廣 適用范圍廣 115 設(shè)備攪拌器的結(jié)構(gòu) 1 攪拌裝置 傳動(dòng)裝置 攪拌軸 攪拌器 2 軸封 3 攪拌槽 槽體 附件 116 攪拌器的流動(dòng)狀態(tài) 1 攪拌器的旋轉(zhuǎn) 切向圓周運(yùn)動(dòng) 2 槳葉形狀的不同 軸向流動(dòng) 徑向流動(dòng) 攪拌效果 1 循環(huán)流動(dòng) 將流體輸送到攪拌釜內(nèi)各處大尺度宏觀混合 2 高度湍動(dòng) 產(chǎn)生旋渦 旋渦分裂使流體分散 小尺度微觀混合 117 7 5 2常見攪拌器 小直徑高轉(zhuǎn)速攪拌器 推進(jìn)式攪拌器 葉輪直徑一般為釜徑的0 2 0 5倍 常用轉(zhuǎn)速為100 500rpm 葉端圓周速度可達(dá)5 15m s 1 總體循環(huán)流動(dòng) 軸向速度 總體循環(huán)流動(dòng) 起到混合液體的作用 切向速度 使釜內(nèi)液體產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng) 不利于液體的混合 湍動(dòng)程度不夠 但液體循環(huán)量較大 常用于低黏度 2pa s 液體的傳熱 用途 特點(diǎn) 118 渦輪式攪拌器 a 直葉圓盤葉輪 b 彎葉圓盤葉輪 直葉渦輪 彎葉渦輪 葉輪直徑為釜徑的0 2 0 5倍 轉(zhuǎn)速10 500rpm 葉端圓周速度可達(dá)4 10m s 1 119 軸向速度 總體循環(huán)流動(dòng) 切向速度 使液體以很高的絕對(duì)速度沿徑向流出 流向壁面 形成上 下兩條回路流入攪拌器 使釜內(nèi)液體產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng) 不利于液體的混合 特點(diǎn) 液體循環(huán)量較大 湍動(dòng)程度高 流體有兩個(gè)回路 適合于小尺寸均勻 不利于易分層的物料 常用于低粘度和中等粘度的液體攪拌 用途 120 大直徑低轉(zhuǎn)速攪拌器 流速 粘度 流動(dòng)阻力 機(jī)械能被消耗 湍動(dòng)程度下降 總體流動(dòng)范圍大大縮小 大直徑低轉(zhuǎn)速攪拌器 漿式攪拌器 平漿式 斜漿式 旋轉(zhuǎn)直徑為釜徑的0 35 0 8倍 常用轉(zhuǎn)速為1 100rpm 葉端圓周速度為1 5m s 1 121 特點(diǎn) 3 多斜漿式 1 平漿式 切向和徑向運(yùn)動(dòng) 可用于簡(jiǎn)單的固液懸浮 2 斜漿式 槳葉可分成24 45 或60 傾角 軸向和徑向運(yùn)動(dòng) 釜內(nèi)液位較高時(shí) 多斜漿式 槳式攪拌器的徑向攪拌范圍大 可用于較高粘度液體的攪拌 用途 122 錨式和框攪拌器 a 錨式 b 框式 旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)釜徑的0 9 0 98倍 常用轉(zhuǎn)速為1 100rpm 葉端圓周速度為1 5m s 1 特點(diǎn) 一般在層流狀態(tài)下操作 主要使液體產(chǎn)生水平環(huán)向流動(dòng) 基本不產(chǎn)生軸向流 在槳上增加橫梁和豎梁 常用于中 高粘度液體的攪拌 用途 難以保證軸向混合均勻 123 螺帶式攪拌器 螺帶式攪拌器 一般具有1 2條螺帶目的 提高軸向混合效果 旋轉(zhuǎn)直徑為釜徑的0 9 0 98倍 常用轉(zhuǎn)速為0 5 50rpm 葉端圓周速度 2m s 1 特點(diǎn) 一般在層流狀態(tài)下操作 液體將沿著螺旋面上升或下降形成軸向循環(huán)流動(dòng) 常用于高粘度液體的混合 用途 124 7 5 3提高攪拌效率的措施 打旋現(xiàn)象及其消除 危害 各層液體