第一章_反應(yīng)器基本理論1

1、第一章第一章 反應(yīng)器基本理論反應(yīng)器基本理論 第一節(jié)第一節(jié) 理想反應(yīng)器理想反應(yīng)器 一、基本的反應(yīng)器型式一、基本的反應(yīng)器型式 二、連續(xù)操作反應(yīng)器的流動(dòng)特性二、連續(xù)操作反應(yīng)器的流動(dòng)特性返混返混 三、理性反應(yīng)器三、理性反應(yīng)器 一、基本的反應(yīng)器形式一、基本的反應(yīng)器形式 間歇操作的攪拌釜 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 特點(diǎn)：物料一次加入，一起放出，全部物料t相同時(shí)，T，n 可以達(dá)到均勻一致，反應(yīng)物料的溫度和濃度等操作參數(shù)隨時(shí) 間而變，不隨空間位置而變。 裝置簡(jiǎn)單、操作方便、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 設(shè)備利用率不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不易自動(dòng)控制，產(chǎn)品質(zhì) 量不穩(wěn)定 連

2、續(xù)操作管式反應(yīng)器 Piston Flow Reactor (PFR) 特點(diǎn)：一端加入反應(yīng)物，一端引出，n，v沿流動(dòng)方向 逐漸降低，定常態(tài)時(shí)，各參數(shù)不變 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備利用率高，節(jié)省勞力，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易 于控制，適合于大規(guī)模生產(chǎn) 連續(xù)操作攪拌釜 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 特點(diǎn)：強(qiáng)烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)T，n相同，物料 隨進(jìn)隨出，出口物料n與釜內(nèi)反應(yīng)物相同 優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)物的濃度、溫度及v（速率）保持恒定不變，對(duì) 自催化反應(yīng)有利 缺點(diǎn)：釜內(nèi)n很低，v很慢，達(dá)到同樣的P，需要的VR(反應(yīng)容 積)較大、時(shí)間較長(zhǎng) 二、連續(xù)操作反應(yīng)器的流動(dòng)特性二、連續(xù)操作反應(yīng)器的

3、流動(dòng)特性-返混返混 1.混合現(xiàn)象的分類 v流體粒子（微元）在空間順序上的混合空混 流體在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)，不論其因何種原因而產(chǎn)生的流體粒子在反 應(yīng)器內(nèi)相對(duì)位置發(fā)生變化而造成的物料微元之間的混合，稱為空 間混合，簡(jiǎn)稱空混。 空混=0 空混= 空混越大，傳質(zhì)越快，傳熱越好，各位置的 濃度、溫度的差異就越小，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)濃 度、溫度的均勻。 按混合對(duì)象的年齡來分：按混合對(duì)象的年齡來分： 年齡年齡物料在反應(yīng)器中已經(jīng)停留的時(shí)間。 壽命壽命物料在反應(yīng)器中總共停留的時(shí)間 對(duì)仍留在反 應(yīng)器中的物 料而言 對(duì)已經(jīng)離開 反應(yīng)器的物 料而言 （1）相同年齡物料之間的混合）相同年齡物料之間的混合同齡混合同齡混合 例如：間

4、歇反應(yīng)過程中攪拌引起的混合例如：間歇反應(yīng)過程中攪拌引起的混合 v流體粒子（微元）在時(shí)間順序上的混合返混 具有不同停留時(shí)間的粒子（微元）的逆向混合，稱為返混。所謂逆向， 是指時(shí)間順序上的顛倒，比如先進(jìn)入反應(yīng)器的物料的粒子后流出反應(yīng)器， 而后進(jìn)入反應(yīng)器的物料的粒子卻先流出反應(yīng)器。 例如：連續(xù)流動(dòng)的釜式連續(xù)流動(dòng)的釜式 反應(yīng)器反應(yīng)器 返混=0 返混= 在連續(xù)操作的反應(yīng)器中， 返混的程度越大，顯著地降低 了反應(yīng)物的濃度。一般來說一般來說，返混對(duì)反應(yīng)來說是一個(gè)不 利的因素，它影響反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。 （1）不同年齡物料之間的混合）不同年齡物料之間的混合返混返混 連續(xù)操作反 應(yīng)器特有的 現(xiàn)象 2.返混與停留時(shí)

5、間分布 停留時(shí)間分布 RTD（residence time distribution） 在連續(xù)反應(yīng)器中，同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的物料粒子，有的很快從出口流出， 有的則經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才從出口流出，停留時(shí)間有長(zhǎng)有短，形成一定的分 布。 返混停留時(shí)間分布 ？ 返混的兩個(gè)孿生現(xiàn)象 改變反應(yīng)器的濃度分布 造成物料的RTD 不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系！不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系！ 相同的相同的RTD可以有不同的返混情況可以有不同的返混情況 停留時(shí)間分布有兩種 年齡分布 壽命分布 對(duì)象 描述 關(guān)系 反應(yīng)器內(nèi)的物料反應(yīng)器的出口物料 從進(jìn)入反應(yīng)器的瞬間開始算 年齡，到所考慮的瞬間為止， 不同年齡的物料粒子混在一 起，形成一定的分布。 從

6、進(jìn)入反應(yīng)器的瞬間開始算壽命， 到離開反應(yīng)器瞬間為止，反應(yīng)器 的出口物料中不同壽命的物料粒 子混在一起，形成一定的分布。 兩者存在一定的關(guān)系，可換算，一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定壽命分布。 渦流與擾動(dòng) 速度分布 溝流、填料 或催化劑裝 填不均勻 短路 3. 返混產(chǎn)生的原因 死角 4.返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響 1)總的來說，使產(chǎn)品的收率、質(zhì)量降低。 2)返混使反應(yīng)物的濃度降低。 3)返混使系統(tǒng)中的溫度分布和濃度分布趨于平坦，對(duì) 要求有較大溫度差或濃度差的場(chǎng)合不利。 思考？ ？ 返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)一定是不利的嗎？ 自催化反應(yīng)可控制在最佳濃度下操作 復(fù)雜反應(yīng) 反應(yīng)物濃度高有利于副 反應(yīng)進(jìn)行時(shí) 有利！ 沖稀的 作用 返混對(duì)

7、連串副反應(yīng)是有利還是返混對(duì)連串副反應(yīng)是有利還是不利不利的因素？的因素？ （1）平均停留時(shí)間 物料流過反應(yīng)器所需要的時(shí)間 反應(yīng)器的有效容積物料的體積流量 5. 5. 各種不同反應(yīng)器中時(shí)間的概念各種不同反應(yīng)器中時(shí)間的概念 反應(yīng)器幾何容 積中，用于反 應(yīng)的體積。 連續(xù)反應(yīng)器中 的液相反應(yīng) 反應(yīng)器內(nèi)（T、P） 下的體積流量 （2）空間時(shí)間 簡(jiǎn)稱空時(shí)， 用 表示 意義：處理一個(gè)VR的物料所需要的時(shí)間。 （3）空間速度 簡(jiǎn)稱空速 Sv=1/ =v/VR=入口體積流量/反應(yīng)器有效體積 意義：?jiǎn)挝环磻?yīng)體積、單位反應(yīng)時(shí)間內(nèi)所處理的物料量 小結(jié)小結(jié)：從 、Sv的意義可知道，它們均表示連續(xù) 反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。 小，

8、Sv大，生產(chǎn)能力大， 兩者均表示入口狀態(tài)下反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，一般 用于描述連續(xù)反應(yīng)器中的氣相反應(yīng)連續(xù)反應(yīng)器中的氣相反應(yīng)。 （4）反應(yīng)時(shí)間 t 反應(yīng)持續(xù)的時(shí)間，指反應(yīng)物料達(dá)到所要求的 轉(zhuǎn)化率所需持續(xù)的時(shí)間，用于描述間歇反應(yīng)間歇反應(yīng)。 平推流全混流中間流 返混 程度 不存在返混返混程度最大 部分返混 特點(diǎn) 流體通過細(xì)長(zhǎng)管道時(shí)，與流 動(dòng)方向成垂直的截面上，各 粒子的流速完全相同，就像 活塞平推過去一樣，粒子在 軸向沒有混合、擴(kuò)散。 物料一進(jìn)入反應(yīng)器就均勻 分散在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，物 料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間 有長(zhǎng)有短，最為分散。 非 理 想 流 動(dòng) 實(shí)例 細(xì)長(zhǎng)型的管式反應(yīng) 器，當(dāng)Re數(shù)很大時(shí)， 接近PFR

9、 連續(xù)攪拌釜CSTR 實(shí)際生產(chǎn)中 連續(xù)操作的 反應(yīng)器 間歇反應(yīng)釜返混程 度為零 理想反應(yīng)器 三、理想反應(yīng)器 nRe又為雷諾數(shù)（Reynolds number）的數(shù)學(xué)符號(hào)，一種可用來表 征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)。公式為：Re=vd/，其中v、 分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為一特征長(zhǎng)度。例如流 體流過圓形管道，則d為管道直徑。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流 動(dòng)是層流或湍流，也可用來確定物體在流體中流動(dòng)所受到的阻力。 例如，對(duì)于小球在流體中的流動(dòng)，當(dāng)Re比“1”小得多時(shí)，其阻力 f=6rv（稱為斯托克斯公式），當(dāng)Re比“1”大得多時(shí)， f=0.2r2v2而與無關(guān)。 n雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)

10、點(diǎn)間的粘性力占主要地位， 流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷 諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流（也稱湍流）流 動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re4000為紊流 狀態(tài)，Re=20004000為過渡狀態(tài)2。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流 體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平 均流速與最大流速max的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小 決定了粘性流體的流動(dòng)特性。 間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器 平推流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器 連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器 返混極大 (a) (b) (c) 三、理想反應(yīng)器 BSTR PFR CSTR 1投料 一次加料(起始) 連續(xù)加料(入口) 連續(xù)加

11、料(入口) 2年齡 年齡相同(某時(shí)) 年齡相同(某處) 年齡不同 3壽命 壽命相同(中止) 壽命相同(出口) 壽命不同(出口) 4返混 全無返混 全無返混 返混極大 三、理想反應(yīng)器 第二節(jié) 等溫等容過程反應(yīng)器容積 一、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 二、間歇釜式反應(yīng)器 三、連續(xù)管式反應(yīng)器 四、連續(xù)釜式反應(yīng)器 五、多釜串聯(lián)反應(yīng)器 1、反應(yīng)速率及其表達(dá)式、反應(yīng)速率及其表達(dá)式 均相反應(yīng) 的速率 +表示生成速率，當(dāng) A為生成物時(shí) -表示消耗速率，當(dāng) A為反應(yīng)物時(shí) 意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間，單位體積反應(yīng)物料中某一組分摩爾 數(shù)的變化。 轉(zhuǎn)化率反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉的量占原始量的分率 反應(yīng)速率用轉(zhuǎn)化率 表示 一、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基

12、礎(chǔ) 反應(yīng)速率方程式 定量描述反應(yīng)速率與溫度和濃度 的關(guān)系式（動(dòng)力學(xué)方程） AR k (-rA)=kCAn 反應(yīng)級(jí)數(shù) 速率常數(shù) 不同組分表示化學(xué)反應(yīng) 速率關(guān)系 2. 濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響 基元反應(yīng)：質(zhì)量作用定律基元反應(yīng)：質(zhì)量作用定律 反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)級(jí)數(shù)是速率對(duì)濃度敏感的標(biāo)志。 a. 不可逆反應(yīng)的反應(yīng)物濃度越高，r越大。 b. n越大，A的濃度變化對(duì)r的影響大。 c. 為改善高級(jí)數(shù)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，工業(yè)上常采 用使某種反應(yīng)物過量的有效方法。 rA=kCAaCBb 質(zhì)量作用定律 n19世紀(jì)中期，德貝格和 瓦格提出：化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物 的有效質(zhì)量成正比的有效質(zhì)量成正比。此即質(zhì)量作用定律

13、，其中的有效質(zhì)量實(shí) 際是指濃度。近代實(shí)驗(yàn)證明，質(zhì)量作用定律只適用于基元反 應(yīng)，因此該定律可以更嚴(yán)格完整地表述為：基元反應(yīng)的反應(yīng)基元反應(yīng)的反應(yīng) 速率與各反應(yīng)物的濃度的冪的乘積成正比，其中各反應(yīng)物的速率與各反應(yīng)物的濃度的冪的乘積成正比，其中各反應(yīng)物的 濃度的冪的指數(shù)即為基元反應(yīng)方程式中該反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量數(shù)濃度的冪的指數(shù)即為基元反應(yīng)方程式中該反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量數(shù) 的絕對(duì)值。的絕對(duì)值。如對(duì)基元反應(yīng)NO2+CO=CO2+NO，其速率方程 式可根據(jù)質(zhì)量作用定律寫作： nr=kNO2CO 式中r為反應(yīng)速率，NO2、 CO分別 為反應(yīng)物NO2和CO的濃度，k稱為反應(yīng)的速率常數(shù)。根據(jù)質(zhì) 量作用定律，基元反應(yīng)的級(jí)數(shù)與反

14、應(yīng)的分子數(shù)是相等的。基元反應(yīng)的級(jí)數(shù)與反應(yīng)的分子數(shù)是相等的。 3. 溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響 從阿累尼烏斯方程可看出：從阿累尼烏斯方程可看出： 反應(yīng)速率對(duì)溫度敏感的程度取決于反應(yīng)速率對(duì)溫度敏感的程度取決于E的大小的大小 4. 轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性 轉(zhuǎn)化率 X-針對(duì)反應(yīng)物反應(yīng)物而言 注意：注意： 1. 如果反應(yīng)物不只是一種，針對(duì)不同反應(yīng)物計(jì)算出來X 是不一樣的 2. 關(guān)鍵組分關(guān)鍵組分（著眼組分）為不過量、貴重的組分（相 對(duì)而言） 針對(duì)關(guān)鍵組分計(jì)算，可使X最大到100% 計(jì)算基準(zhǔn)：起始狀態(tài)選擇問題（分母部分的計(jì)量） 使用的原則： 對(duì)于連續(xù)反應(yīng)器對(duì)于連續(xù)反應(yīng)器，進(jìn)口處的狀態(tài) 間歇反應(yīng)器

15、間歇反應(yīng)器，開始反應(yīng)時(shí)的狀態(tài) 串聯(lián)使用的反應(yīng)器串聯(lián)使用的反應(yīng)器，進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器的原料為準(zhǔn) 如圖1.2所示的甲醇合成流程簡(jiǎn)圖，生產(chǎn)中采用循環(huán)操作，一部 分未能轉(zhuǎn)化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全轉(zhuǎn)化反應(yīng) 物的循環(huán)，在計(jì)算全程轉(zhuǎn)化率時(shí)，計(jì)算基準(zhǔn)為新鮮原料進(jìn)入反 應(yīng)系統(tǒng)到離開所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。而單程轉(zhuǎn)化率是一次性從反應(yīng) 器進(jìn)入到離開所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。兩者相比較，全程轉(zhuǎn)化率必定 大于大于單程轉(zhuǎn)化率。 單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率的區(qū)別單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率的區(qū)別 收率與選擇性收率與選擇性-是對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物而言的是對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物而言的 注意: 1. 對(duì)于單一反應(yīng) Y=X(關(guān)鍵組分)(無論用哪種產(chǎn)物計(jì)算結(jié)果 均是如此

16、) 對(duì)于復(fù)雜反應(yīng) YX 2. 收率也有單程和全程之分（循環(huán)物料系統(tǒng)） 無論是收率還是選擇性,還有其它的定義(結(jié)果不一樣，但說 明同樣的問題) 3. 轉(zhuǎn)化率X只能說明總的結(jié)果，Y說明在轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物生成 目的產(chǎn)物的比例，評(píng)價(jià)復(fù)合反應(yīng)。 理論上應(yīng)生成的理論上應(yīng)生成的 產(chǎn)物量產(chǎn)物量 例：甲苯（M=92）用濃硫酸磺化制備對(duì)甲苯磺酸，甲苯投 料量為184kg，反應(yīng)產(chǎn)物中含對(duì)甲苯磺酸258kg，未反應(yīng)的 甲苯18.4kg，則甲苯的轉(zhuǎn)化率為 (184-18.4) /184 ，對(duì) 甲苯磺酸（M=172）的選擇性為 0.75/0.9 ，收率為 ( 258/172 ) /(184/92) 。 X=90% ，S= 8

17、3.3% ， Y=75% 選擇性選擇性S，其定義為，其定義為 同一原料經(jīng)幾種不同反應(yīng)可生成不同產(chǎn)物時(shí)，可用消耗的原料 中轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟óa(chǎn)物的分率表示，即用實(shí)際生成的特定產(chǎn)物之摩 爾數(shù)除以所耗用的原料在理論上能生成的同一產(chǎn)物之摩爾數(shù) 典型反應(yīng)過程的反應(yīng)器體積計(jì)算典型反應(yīng)過程的反應(yīng)器體積計(jì)算 設(shè)計(jì)型 操作型 根據(jù)物料處理量及反應(yīng)工藝要求根據(jù)物料處理量及反應(yīng)工藝要求，選選 擇反應(yīng)器類型擇反應(yīng)器類型，求求VR 根據(jù)反應(yīng)特征及反應(yīng)器體積根據(jù)反應(yīng)特征及反應(yīng)器體積，決定最優(yōu)決定最優(yōu) 控制條件控制條件，使反應(yīng)過程達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)使反應(yīng)過程達(dá)到優(yōu)化目標(biāo). 反應(yīng)器計(jì)算的基本方法反應(yīng)器計(jì)算的基本方法 1.建立動(dòng)力學(xué)方程 2

18、. 物料衡算方程 a. 選取關(guān)鍵組分 b. 選擇控制體 c. 溫度、濃度均一，才可取 單位時(shí)間，否則微元時(shí)間 選控制體的原則選控制體的原則 如果反應(yīng)器內(nèi)各處濃度均一,衡算的控制體選整個(gè)整個(gè) 反應(yīng)器反應(yīng)器,存在兩個(gè)或兩個(gè)以上相態(tài),各點(diǎn)物料組成 未必相同,選微元體積微元體積為控制體. 對(duì)確定的關(guān)鍵組分：對(duì)確定的關(guān)鍵組分： 進(jìn)入反應(yīng)器的物料量=引出反應(yīng)器的物料量+ 反應(yīng)消耗的物料量+累積的物料量 12 34 間歇： 1=2+3 連續(xù)： 1=2+3 半連續(xù)： 1=2+3+4 二、間歇釜式反應(yīng)器二、間歇釜式反應(yīng)器 特點(diǎn)特點(diǎn)： 1.分批裝、卸分批裝、卸(周期性、非穩(wěn)態(tài)性周期性、非穩(wěn)態(tài)性)； 2.適用于不同

19、品種和規(guī)格的產(chǎn)品的生產(chǎn)，廣泛用于醫(yī)藥、適用于不同品種和規(guī)格的產(chǎn)品的生產(chǎn)，廣泛用于醫(yī)藥、 試劑、助劑等生產(chǎn)。試劑、助劑等生產(chǎn)。 3.整個(gè)操作時(shí)間整個(gè)操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間+輔助時(shí)間（裝輔助時(shí)間（裝+卸卸+清洗）清洗） (每批）每批） 計(jì)算計(jì)算 經(jīng)驗(yàn)估計(jì)經(jīng)驗(yàn)估計(jì) A+B C A為為 關(guān)鍵組關(guān)鍵組 ，對(duì)整個(gè)反應(yīng)器作物料，對(duì)整個(gè)反應(yīng)器作物料A的衡算的衡算 二、間歇釜式反應(yīng)器二、間歇釜式反應(yīng)器 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式 等容過程等容過程 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式 討論：討論： 1. 2. 圖解法圖解法 一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng) 二級(jí)反應(yīng)二級(jí)反應(yīng) 零級(jí)反應(yīng)零級(jí)反應(yīng) =1，t與與CAO無關(guān)無關(guān) 一

20、批操作總時(shí)間一批操作總時(shí)間 單位時(shí)間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積單位時(shí)間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積 輔助時(shí)間輔助時(shí)間 討論：討論：1. v + v 反應(yīng)容積反應(yīng)容積輔助容積輔助容積 W為Kmol/h 對(duì)于沸騰或易發(fā)泡液體物料： =0.40.6 對(duì)于一般流體 ： =0.70.85 3.最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間 目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)：?jiǎn)挝徊僮鲿r(shí)間的產(chǎn)品質(zhì)量最大：?jiǎn)挝徊僮鲿r(shí)間的產(chǎn)品質(zhì)量最大 A R 單位操作時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量 對(duì)反應(yīng)時(shí)間求導(dǎo) 最優(yōu)時(shí)間最優(yōu)時(shí)間 目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)：以生產(chǎn)費(fèi)用最低：以生產(chǎn)費(fèi)用最低 3.最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間 設(shè)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作費(fèi)用為a ，輔助操作為a0，固定費(fèi)用為af 單位質(zhì)量產(chǎn)品的總

21、費(fèi)用：AT= a+ a0 +af VRCR 對(duì)反應(yīng)時(shí)間求導(dǎo) 最優(yōu)時(shí)間最優(yōu)時(shí)間dAT/dt=0 單位時(shí)間單位時(shí)間 設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 空時(shí)空時(shí)=平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間 等容等容 討論討論：可知在等容過程中，對(duì)在相同的反應(yīng)條件下的同一反應(yīng)，達(dá)到同樣的 轉(zhuǎn)化率，理想管式反應(yīng)器中需要的停留時(shí)間與間歇釜中需要的反應(yīng)時(shí)間是相同 的。所以，可以用間歇反應(yīng)器中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大。可以用間歇反應(yīng)器中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大。 原因：物料在這兩種反應(yīng)器中都沒有返混。原因：物料在這兩種反應(yīng)器中都沒有返混。 一、連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)一、連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)： 1.反應(yīng)器的參數(shù)不

22、隨時(shí)間變化 2.不存在時(shí)間自變量，也沒有空間自變量 3.多用于液相反應(yīng)，恒容操作 4.出口處的C, T=反應(yīng)器內(nèi)的C, T 注意：注意： 反應(yīng)器內(nèi)C、T恒定，不隨時(shí)間變化，也不隨位 置變化。所以其內(nèi)的 在各點(diǎn)處相同，也不隨時(shí) 間變化-等速反應(yīng)器。 設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 討論：討論：同一反應(yīng)，達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)量，CSTR需要的 容積較PFR和BSTR大得多。 原因：原因：CSTR中返混程度最大，反應(yīng)始終在最低濃度下進(jìn)行。中返混程度最大，反應(yīng)始終在最低濃度下進(jìn)行。 改進(jìn)：改進(jìn)：采用采用多釜串聯(lián)多釜串聯(lián)的辦法的辦法 可見串聯(lián)的釜可見串聯(lián)的釜 數(shù)越多，反應(yīng)數(shù)越多，反應(yīng) 時(shí)的濃度提高時(shí)的濃度提高 越多，反應(yīng)

23、速越多，反應(yīng)速 度越快，需要度越快，需要 的反應(yīng)時(shí)間或的反應(yīng)時(shí)間或 反應(yīng)器容積就反應(yīng)器容積就 越小。越小。 設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 計(jì)算計(jì)算式式 設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式 1. 知道N，各釜的，求XAN, CAN 2. 已知XAN, CAN ，求VR=N* * 對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，沒有解析解，需要進(jìn)行逐釜計(jì)算。根對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，沒有解析解，需要進(jìn)行逐釜計(jì)算。根 據(jù)已知條件，可以將逐釜計(jì)算過程分成如下兩種。據(jù)已知條件，可以將逐釜計(jì)算過程分成如下兩種。 （1） 每一個(gè)單釜的體積每一個(gè)單釜的體積Vri已知已知 此時(shí)每個(gè)釜的空時(shí)此時(shí)每個(gè)釜的空時(shí)已知已知 XAp或或CAp（逐一的計(jì)算），（逐一的計(jì)算）， 直至求出到

24、達(dá)直至求出到達(dá)XAN所需的釜數(shù)所需的釜數(shù)N。 （2） 釜數(shù)釜數(shù)N已知已知 需要先假設(shè)空時(shí)需要先假設(shè)空時(shí)，按（，按（1）的方法逐釜計(jì)算）的方法逐釜計(jì)算 求出第求出第N 個(gè)釜出口的轉(zhuǎn)化率，并與要求的轉(zhuǎn)化率個(gè)釜出口的轉(zhuǎn)化率，并與要求的轉(zhuǎn)化率XAN對(duì)比，如果不對(duì)比，如果不 一致需要重新假設(shè)空時(shí)一致需要重新假設(shè)空時(shí)，重復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到兩者吻合，重復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到兩者吻合 為止。為止。 例題：化學(xué)反應(yīng)例題：化學(xué)反應(yīng) CBA D 催化劑 該反應(yīng)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)溫度為該反應(yīng)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)溫度為20，液料的體，液料的體 積流量為積流量為0.5m3/h, CA0=96.5mol/m3, CB

25、0=184mol/m3,催化劑的催化劑的 濃度濃度CD=6.63mol/m3。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速度方程為：。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速度方程為： rA=kCACD 式中式中k=1.15*10-3m3/(mol.ks)。若要求。若要求A的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為40%，試，試 求反應(yīng)器的體積。求反應(yīng)器的體積。 解：設(shè)解：設(shè)A的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為x，則有：，則有： DAA CxkCr)1( 0 DDA A A A Cxk x CxkC xC r xxC )1 ()1 ( )( 0 000 hks28.244 .87 )63. 6)(4 . 01)(1015. 1 ( 40. 0 3 3 0 14.1228.24

26、5 . 0mVVR P13，1-14 例題：某二級(jí)液相反應(yīng)例題：某二級(jí)液相反應(yīng)A+BC，已知，已知CAo=CBO ， 在間歇反應(yīng)器中達(dá)到在間歇反應(yīng)器中達(dá)到x=0.99，需反應(yīng)的時(shí)間為，需反應(yīng)的時(shí)間為 10min, 在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)， 應(yīng)為多少？應(yīng)為多少？ m 000 9 .9 )99.01 (10 99.0 )1 ( AAA CCxC x k （）在單個(gè)（）在單個(gè)CSTR中中 2 0 )1 (xkC x A 解：解：在間歇反應(yīng)器中，對(duì)二級(jí)反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中，對(duì)二級(jí)反應(yīng) （CA0=CB0,所以相當(dāng)于所以相當(dāng)于 r=-kCA2） 0 2 0 2 0 9900 )99.

27、01( 99.0 )1( AAA CCxC x k (1)=(2) 則 P9,1-10 (2) min1000 0 V V R m P14,1-10a (1) 第三節(jié)第三節(jié) 反應(yīng)器型式及操作方式的選擇反應(yīng)器型式及操作方式的選擇 決策變量 技術(shù)目標(biāo) 經(jīng)濟(jì)目標(biāo) 反應(yīng)器的型式、結(jié)構(gòu)、尺寸的選擇 轉(zhuǎn)化率 設(shè)備費(fèi)用 反應(yīng)器操作方式的選擇 選擇性 原料費(fèi)用 反應(yīng)器工藝和操作條件的選擇 能耗 操作費(fèi)用 依據(jù)：用同樣數(shù)量的原料能生產(chǎn)出最多的產(chǎn)品，用同樣數(shù)量的原料能生產(chǎn)出最多的產(chǎn)品， 而且反應(yīng)器容積要小。而且反應(yīng)器容積要小。 1. BSTR 與 PFR a. 兩者所需要得反應(yīng)容積相等兩者所需要得反應(yīng)容積相等 b

28、. 由于由于 ，VBSTRVPFR c. 小，小， 大的反應(yīng)，宜用大的反應(yīng)，宜用PFR 2. BSTR 與 CSTR 一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng) 討論： 1. 超過某一值后，超過某一值后， VBSTRVCSTR 2. 對(duì)速度很快的反應(yīng)，對(duì)速度很快的反應(yīng)， 很小，也會(huì)使很小，也會(huì)使 得得 VBSTRVCSTR 3. 對(duì)反應(yīng)速度較快，對(duì)反應(yīng)速度較快， 相對(duì)較長(zhǎng)的反應(yīng)，相對(duì)較長(zhǎng)的反應(yīng)， 不適宜用不適宜用BSTR 3. CSTR與PFR CSTR的容積效率：VP/VM P/M XA,V相同 與級(jí)數(shù)有關(guān)與級(jí)數(shù)有關(guān) 討論： 1. 零級(jí)反應(yīng)，零級(jí)反應(yīng)，1，兩者容積相等，兩者容積相等 2. XA一定，隨著一定，隨著n

29、， ， VmVp 3. 總總Vp 4. 多釜串聯(lián)反應(yīng)器與多釜串聯(lián)反應(yīng)器與PFR 一級(jí)反應(yīng) 討論： 1. N1，單個(gè)連續(xù)釜的，單個(gè)連續(xù)釜的最小最小 2. N， 1， 多釜串聯(lián)總?cè)莘e多釜串聯(lián)總?cè)莘eV VPFR PFR 3. 當(dāng)當(dāng)N少時(shí)，增加釜數(shù)，少時(shí)，增加釜數(shù)， 增大增大 明顯，當(dāng)明顯，當(dāng)N多時(shí)，效果不明顯，多時(shí)，效果不明顯， 實(shí)際生產(chǎn)一般不超過實(shí)際生產(chǎn)一般不超過4. 連續(xù)反應(yīng)器的串并聯(lián)連續(xù)反應(yīng)器的串并聯(lián) 多釜串聯(lián)有利使用單釜有利 釜式反應(yīng)器的并聯(lián)釜式反應(yīng)器的并聯(lián) 操作中有分配加入每個(gè)反應(yīng)器中物料量的問題，那 么如何分配呢？ 通?？梢圆扇⊥ǔ？梢圆扇?=2，這時(shí)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)最優(yōu)。，這時(shí)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)最優(yōu)。 即要即要 這時(shí)這時(shí) 釜式反應(yīng)器的串聯(lián)釜式反應(yīng)器的串聯(lián) 串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的最佳反應(yīng)體積串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的最佳反應(yīng)體積 優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為 對(duì)于 級(jí)反應(yīng)， ，得到的結(jié)論為： 1 01 =1 =0 EE2 2, , 則在較高溫度下進(jìn)行則在較高溫度下進(jìn)行 若若E E1 1Enn2 2, , 較高反應(yīng)物濃度較高反應(yīng)物濃度 對(duì)主反應(yīng)有利對(duì)主