分離工程第四章管式反應(yīng)器-6教材

1、第四章第四章 管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器本章內(nèi)容本章內(nèi)容 活塞流假設(shè)（活塞流假設(shè)（理想流動模型）理想流動模型） 等溫管式反應(yīng)器的計算等溫管式反應(yīng)器的計算 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較 循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器 變溫管式反應(yīng)器的計算變溫管式反應(yīng)器的計算理想流動模型理想流動模型 流動模型流動模型：是反應(yīng)器中流體流動與返混情況的：是反應(yīng)器中流體流動與返混情況的描述，這一狀況對反應(yīng)結(jié)果有非常重要的影響。描述，這一狀況對反應(yīng)結(jié)果有非常重要的影響。 返混返混：在流體流動方向上：在流體流動方向上停留時間停留時間不同的流體不同的流體粒子之間的混合稱為返混，也稱為粒子之間的混合稱為返混，也

2、稱為逆向混合逆向混合。1.1.基本概念基本概念 活塞流模型（平推流）：活塞流模型（平推流）： 基本假定：基本假定： (1) (1) 徑向流速分布均勻，所有粒子以相徑向流速分布均勻，所有粒子以相同的速度從進(jìn)口向出口運(yùn)動。同的速度從進(jìn)口向出口運(yùn)動。 (2) (2) 軸向上無返混軸向上無返混 符合上述假設(shè)的反應(yīng)器，同一時刻進(jìn)入符合上述假設(shè)的反應(yīng)器，同一時刻進(jìn)入反應(yīng)器的流體粒子必同一時刻離開反應(yīng)反應(yīng)器的流體粒子必同一時刻離開反應(yīng)器，所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時間相同。器，所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時間相同。 特點：徑向上物料的所有參數(shù)都相同，特點：徑向上物料的所有參數(shù)都相同，軸向上不斷變化。軸向上不斷變化。1

3、.1.基本概念基本概念理想流動模型理想流動模型層流層流湍流湍流活塞流活塞流 全混流模型全混流模型： 基本假定：基本假定： 徑向混合和軸向返混都達(dá)到最大徑向混合和軸向返混都達(dá)到最大 符合此假設(shè)的反應(yīng)器，物料的停符合此假設(shè)的反應(yīng)器，物料的停留時間參差不齊留時間參差不齊 特點特點 反應(yīng)物系的所有參數(shù)在徑向上均反應(yīng)物系的所有參數(shù)在徑向上均一，軸向上也均一，即：各處物一，軸向上也均一，即：各處物料均一，均為出口值料均一，均為出口值理想流動模型理想流動模型1.1.基本概念基本概念 管徑較小，流管徑較小，流速較大的管式速較大的管式反應(yīng)器反應(yīng)器可可按活塞流處理按活塞流處理 劇烈攪拌的連劇烈攪拌的連續(xù)釜式反應(yīng)器

4、續(xù)釜式反應(yīng)器可按全混可按全混流處理流處理等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計000AAcQF進(jìn)入量進(jìn)入量 = 排出量排出量 + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + 累積量累積量0)()(riiiidVFdFFiridVdFdzAfXrdV0iFiFiidFF ArAdVdF)1 (0AAAXFF)(0AArAAXdVdXF)(00AArAAXdVdXcQ 單一反應(yīng)單一反應(yīng)等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計dzAfXrdV0iFiFiidFF )(00AArAAXdVdXcQAfXAAAArXdXcQV000)(AfXAAAAorXdXcQV00)(AfXAAAAXdXct00)(間歇BRXPFRtA等

5、容，等幾種理想反應(yīng)器設(shè)計方程的基本形式幾種理想反應(yīng)器設(shè)計方程的基本形式AfXAAAAorXdXcQV00)(AfXAAAAorXdXcQVt00)(PFR：BR：CSTR：)(0AAAfAorXXcQVt與與二者盡管形式上二者盡管形式上相同，但一個是反應(yīng)相同，但一個是反應(yīng)時 間時 間 t ， 一 個 空 時， 一 個 空 時 （與所選擇的進(jìn)口狀（與所選擇的進(jìn)口狀態(tài)有關(guān)）。另外，間態(tài)有關(guān)）。另外，間歇釜式反應(yīng)器總是恒歇釜式反應(yīng)器總是恒容的。如果管式反應(yīng)容的。如果管式反應(yīng)器也在恒容下進(jìn)行，器也在恒容下進(jìn)行，則有則有=t；否則，；否則，t。 用連續(xù)管式反應(yīng)器進(jìn)行乙酸與乙醇的酯化反應(yīng)，每用連續(xù)管式反應(yīng)

6、器進(jìn)行乙酸與乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其反應(yīng)式為，其反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比 A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液密，反應(yīng)液密度為度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)速，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)速率方程為率方程為rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反應(yīng)溫度下。反應(yīng)溫度下k1=4.7610-4L/(molmin)，平衡常數(shù)，平衡常數(shù)K=2.92。試計。試計算乙酸轉(zhuǎn)化算乙酸轉(zhuǎn)化35%所需的反應(yīng)體積。所需的反應(yīng)體積。例例1 1)()()()(2523523RRBAOHHCOOCCHOHHCCOOHCH解：首先計算

7、原料處理量解：首先計算原料處理量Q0，根據(jù)乙酸乙酯產(chǎn)量可，根據(jù)乙酸乙酯產(chǎn)量可算出每小時乙酸用量為算出每小時乙酸用量為lmolCS59.171835. 160908. 30lmolCB2 .1046260908. 30lmolCA908. 3155. 423.160hm3155. 4102035. 46023.16hkmol/23.1635. 0248812000原料液各組分起示濃度分別為原料液各組分起示濃度分別為由原料液中各組分質(zhì)量比可算出原料流量為由原料液中各組分質(zhì)量比可算出原料流量為由式由式(3.8)可求反應(yīng)時間，為此需將題給的反應(yīng)速率可求反應(yīng)時間，為此需將題給的反應(yīng)速率方程變換為轉(zhuǎn)化率的

8、函數(shù)方程變換為轉(zhuǎn)化率的函數(shù)kckCCCCbCCaASABAB11)1 (0000002021)(AAAACcxbxakrAASSAARAABBAAAxCCCxCCxCCCxCC000000)1 (A)其中其中將將(A)式代入式式代入式(3.8)得反應(yīng)時間為得反應(yīng)時間為axacbbaxacbbacbCkcxbxadxCktAfAfAxAAAAAf2)4(2)4(ln411222010201由由a,b及及c的定義式知，的定義式知，434. 46575. 061. 24)15. 5(46575. 092. 2/1115. 5)92. 2908. 3/(59.17908. 3/2 .101 61. 2

9、908. 3/2 .1022acbcba(B)則所需的反應(yīng)體積為將有關(guān)數(shù)值代入式（B）中得到反應(yīng)時間30227. 8)60/8 .118(155. 4mtQVrmin8 .11861. 2235. 0)434. 415. 5(61. 2235. 0)434. 415. 5(ln434. 4908. 31074. 414t在等容條件下，活塞流反應(yīng)器的空時與條件相同間在等容條件下，活塞流反應(yīng)器的空時與條件相同間歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)時間相等。若不考慮間歇釜式反歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)時間相等。若不考慮間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時間，兩者的反應(yīng)體積相等。應(yīng)器的輔助操作時間，兩者的反應(yīng)體積相等。在活塞流反應(yīng)器中，于在

10、活塞流反應(yīng)器中，于923K等溫下進(jìn)行丁烯脫氫等溫下進(jìn)行丁烯脫氫反應(yīng)以生成丁二烯：反應(yīng)以生成丁二烯：反應(yīng)速率方程為反應(yīng)速率方程為: 原料氣為丁烯與水蒸氣的混合氣，丁烯的摩爾分原料氣為丁烯與水蒸氣的混合氣，丁烯的摩爾分?jǐn)?shù)為數(shù)為10%，操作壓力為，操作壓力為105Pa。973K時，時，k=1.07910-4kmol/(h.m3.Pa).若要求丁烯的轉(zhuǎn)化率若要求丁烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)達(dá)35%，空時是多少？，空時是多少？例例2 2)()()(26484CBAHHCHC)/(3hmkmolkprAA解：將速率方程代入式（解：將速率方程代入式（4.6）即可求空時）即可求空時:)(1 . 01)1 (1)1 (000

11、CXXCXyXCCAAAAAAAAA)(BRTCpAA)(35. 000AkpdXCAAA丁烯脫氫反應(yīng)為變?nèi)葸^程，由化學(xué)計量關(guān)系知丁烯脫氫反應(yīng)為變?nèi)葸^程，由化學(xué)計量關(guān)系知:由理想氣體定律得由理想氣體定律得:所以空時為所以空時為: :35. 0035. 0035. 001 . 0)1 (1ln1 . 11 1 . 0)1 (1 . 11)1 ()1 . 01 (AAAAAAAXXkRTdXXkRTdXXkRTX將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式可得空時為將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式可得空時為1.933 s1.933 s如按恒容計算如按恒容計算: :35. 00898. 1)1 (1ln111SXkRTXdXkRTAAA該

12、方程組初值為：,.,k,iFFViir2100, , 解該方程組時，需首先選定反應(yīng)變量，可以選關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率或收率或各關(guān)鍵反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度。然后將 Fi 和 變?yōu)榉磻?yīng)變量的函數(shù)，即可求解方程組。解時一般用數(shù)值法。簡單情況可解析求解。jr等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計kirdVdFMjjijiri,.,2 , 1 1 復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)對關(guān)鍵組分作物料衡算的結(jié)果，得到一對關(guān)鍵組分作物料衡算的結(jié)果，得到一常微分方程組常微分方程組0)(21ddnckkVAAr01ddnckVPAr02ddnckVQAr對對A的物料衡算：的物料衡算：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個反應(yīng)，都是獨立的，所以關(guān)鍵系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個反

13、應(yīng)，都是獨立的，所以關(guān)鍵組分?jǐn)?shù)為組分?jǐn)?shù)為2 2，因此，此三式中僅二式是獨立的。，因此，此三式中僅二式是獨立的。（副）（主） AckQrQAAckPrPA2,1,對對P的物料衡算：的物料衡算：對對Q的物料衡算：的物料衡算：等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計 復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)0)(21ddcckkAA01ddcckPA02ddcckQA0, 0,00QPAAcccct時，)(exp210kkccAA)(exp1212101kkkkckcAp)(exp1212102kkkkckcAQ等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計 復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)QPAkk2101ddcckAA10kAAecc等溫管

14、式反應(yīng)器的設(shè)計等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計 復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)0)(21ddcckckPPA)(122101kkAPeekkckc對對A的物料衡算：的物料衡算：對對P的物料衡算：的物料衡算：k1 k2如果計算得到的反應(yīng)器如果計算得到的反應(yīng)器太長，可以改用多管并太長，可以改用多管并聯(lián)的方式。若能保證管聯(lián)的方式。若能保證管內(nèi)氣體仍呈活塞流，其內(nèi)氣體仍呈活塞流，其產(chǎn)物分布應(yīng)與上面計算產(chǎn)物分布應(yīng)與上面計算結(jié)果相同。結(jié)果相同。但應(yīng)注意，并聯(lián)后氣但應(yīng)注意，并聯(lián)后氣體流速降低了，是否體流速降低了，是否仍符合活塞流的假定仍符合活塞流的假定就需要考慮。就需要考慮。列管式反應(yīng)器列管式反應(yīng)器4.2.3 擬均相模型擬均相模型擬

15、均相模型條件：擬均相模型條件： 傳質(zhì)、傳熱速率大傳質(zhì)、傳熱速率大 濃度、溫度的差異小濃度、溫度的差異小在管式反應(yīng)器中進(jìn)行多相催化反應(yīng)時，如果在管式反應(yīng)器中進(jìn)行多相催化反應(yīng)時，如果符合擬均相假定，若基于催化劑的質(zhì)量來表符合擬均相假定，若基于催化劑的質(zhì)量來表示反應(yīng)速率：示反應(yīng)速率： 注意：反應(yīng)體積注意：反應(yīng)體積V Vr r對均相反應(yīng)而言是指進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)對均相反應(yīng)而言是指進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的空間，對多相催化反應(yīng)則為催化劑的堆體積，即催的空間，對多相催化反應(yīng)則為催化劑的堆體積，即催化劑顆粒本身的體積加上顆粒與顆粒間的空隙體積?；瘎╊w粒本身的體積加上顆粒與顆粒間的空隙體積。床層體積催化劑質(zhì)量其中：bMjjij

16、ibriKirdWdFdVdF, 2 , 1,1均相和擬均相模型的比較均相和擬均相模型的比較 均相均相擬均相擬均相衡算基準(zhǔn)衡算基準(zhǔn)反應(yīng)體積反應(yīng)體積催化劑質(zhì)量催化劑質(zhì)量r的單位的單位mol/(m3.s)mol/(kgs) 前提條件：進(jìn)行相同的反應(yīng)；前提條件：進(jìn)行相同的反應(yīng)； 采用相同的進(jìn)料流量與進(jìn)料濃度；采用相同的進(jìn)料流量與進(jìn)料濃度； 反應(yīng)溫度與最終轉(zhuǎn)化率相同。反應(yīng)溫度與最終轉(zhuǎn)化率相同。4.3 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較表表4.1 4.1 型式不同的反應(yīng)器的反應(yīng)體積型式不同的反應(yīng)器的反應(yīng)體積 反應(yīng)器類型反應(yīng)器類型管式管式例例4.1釜式釜式單釜單釜間歇例間歇例3.

17、1 單釜單釜連續(xù)連續(xù) 例例3.4兩釜兩釜串聯(lián)例串聯(lián)例3.6三釜三釜串聯(lián)例串聯(lián)例3.6反應(yīng)體積反應(yīng)體積m38.2312.388.23+4.15514.6810.889.90 分三種情況分三種情況 1. 1.正常動力學(xué)正常動力學(xué) 2. 2.反常動力學(xué)反常動力學(xué) 3. 3.反應(yīng)速率有極反應(yīng)速率有極大值的情況大值的情況管式反應(yīng)器內(nèi)的濃度變化4.3 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較1.1.正常動力學(xué)正常動力學(xué)AfpXAAAArXdXcQV000)()(00AfAAfArXXcQVM達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，管式反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積小于釜式反應(yīng)器達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，管式反應(yīng)器所需的反應(yīng)體

18、積小于釜式反應(yīng)器AfXAX1AX)(1ARABDEF0KH)()()(1001100AfAAAfAAAAArXXXcQXXcQVM1)()(0AfAAfXAAArrXXXdXVVAfMp4.3 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較對反常動力學(xué)情況，結(jié)論與正常動力學(xué)相反。對反常動力學(xué)情況，結(jié)論與正常動力學(xué)相反。2.2.反常動力學(xué)反常動力學(xué))(1ARAX1AXAfXLGMNP0)(00AfAAfArXXcQVM)()()(1001100AfAAAfAAAAArXXXcQXXcQVMAfpXAAAArXdXcQV000)(4.3 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較管式與釜式反應(yīng)器

19、反應(yīng)體積的比較3.3.有極大值情況有極大值情況若若:XAf Vrm若：若：XAf XAm ，則，則 Vrp 與與 Vrm不確定不確定此時，可以：此時，可以：釜式與管式的串聯(lián)釜式與管式的串聯(lián)AXAmXAfX0)(1ARAfX4.3 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較有極小值情況？有極小值情況？ 在這種特殊條件下，最好的辦法是采用兩個在這種特殊條件下，最好的辦法是采用兩個反應(yīng)器串聯(lián)（見下圖），現(xiàn)采用一個釜式反反應(yīng)器串聯(lián)（見下圖），現(xiàn)采用一個釜式反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化率達(dá)到應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化率達(dá)到X XAm，然后，然后再送入一管式反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)至最終轉(zhuǎn)化率再送入一管式

20、反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)至最終轉(zhuǎn)化率X XAf，這種辦法所需的反應(yīng)體積最小。，這種辦法所需的反應(yīng)體積最小。 至于多個反應(yīng)，管式與釜式反應(yīng)器的比較，主要是看在相同的最終轉(zhuǎn)化率下，哪一個的目的產(chǎn)物最終收率大。瞬時選擇性與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖3.10所示，有兩種情況，一種是S隨XA的增加而降低，另一種則是S隨XA的增加而增加。由于管式反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率是沿軸向而增大的，而釜式反應(yīng)器則始終保持在最終轉(zhuǎn)化率下操作。由式（由式（3.553.55）知，）知，圖圖3.103.10中矩形面積中矩形面積應(yīng)等于釜式反應(yīng)器應(yīng)等于釜式反應(yīng)器的最終收率，而曲的最終收率，而曲線下的面積則等于線下的面積則等于管式反應(yīng)器的最終管式反應(yīng)器的最終收

21、率。由圖收率。由圖3.103.10（a a）可見，管式反應(yīng)器可見，管式反應(yīng)器的最終收率大于釜的最終收率大于釜式反應(yīng)器，圖式反應(yīng)器，圖3.103.10（b b）的情況則相反，）的情況則相反，所以，關(guān)鍵是瞬時所以，關(guān)鍵是瞬時選擇性與轉(zhuǎn)化率的選擇性與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。關(guān)系。圖圖3.10（a）圖圖3.10（b）管式與釜式反應(yīng)器選擇性的比較管式與釜式反應(yīng)器選擇性的比較 瞬時選擇性與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，實質(zhì)上也是與反應(yīng)瞬時選擇性與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，實質(zhì)上也是與反應(yīng)組分濃度的關(guān)系，如果要求反應(yīng)物濃度低，以獲組分濃度的關(guān)系，如果要求反應(yīng)物濃度低，以獲得高的選擇性，顯然對于此種情況釜式反應(yīng)器優(yōu)得高的選擇性，顯然對于此種情況釜

22、式反應(yīng)器優(yōu)于管式，若要求反應(yīng)物濃度高，則管式好于釜式。于管式，若要求反應(yīng)物濃度高，則管式好于釜式。根據(jù)對反應(yīng)物濃度的不同要求，可以對管式反應(yīng)根據(jù)對反應(yīng)物濃度的不同要求，可以對管式反應(yīng)器采用不同的加料方式。器采用不同的加料方式。（A A）（B B）（C C）要求要求A A和和B B的的濃度都高濃度都高要求要求A A的濃度的濃度高，而高，而B B的濃的濃度低度低要求要求B B的濃度的濃度高，而高，而A A的濃的濃度低度低 管式反應(yīng)器的加料方式管式反應(yīng)器的加料方式反應(yīng)級反應(yīng)級數(shù)大小數(shù)大小 對濃度對濃度要求要求 適宜的反應(yīng)器型式和操作方式適宜的反應(yīng)器型式和操作方式 CA、CB均高均高 A A、B B同

23、時加入管式反應(yīng)器、間歇釜式反同時加入管式反應(yīng)器、間歇釜式反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器 CA、CB均低均低 單釜連續(xù)反應(yīng)器單釜連續(xù)反應(yīng)器; ;將將A、B緩緩滴入間歇緩緩滴入間歇釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器; ;使用稀釋劑降低使用稀釋劑降低CA和和CB CA高高 CB低低 管式反應(yīng)器，管式反應(yīng)器，A在進(jìn)口處連續(xù)加入，在進(jìn)口處連續(xù)加入，B沿管沿管長分幾處連續(xù)加入；半連續(xù)釜式反應(yīng)器，長分幾處連續(xù)加入；半連續(xù)釜式反應(yīng)器，A一次加入，一次加入，B連續(xù)加入；多釜串聯(lián)反應(yīng)器連續(xù)加入；多釜串聯(lián)反應(yīng)器,A在第一釜連續(xù)加入，在第一釜連續(xù)加入，B分別在各釜連續(xù)加入分別在各釜連續(xù)加入 CA低低 CB高高 管式反應(yīng)

24、器，管式反應(yīng)器，B在進(jìn)口處連續(xù)加入，在進(jìn)口處連續(xù)加入，A沿管沿管長分幾處連續(xù)加入；半連續(xù)釜式反應(yīng)器，長分幾處連續(xù)加入；半連續(xù)釜式反應(yīng)器，B一次加入，一次加入，A連續(xù)加入；多釜串聯(lián)反應(yīng)器連續(xù)加入；多釜串聯(lián)反應(yīng)器,B在第一釜連續(xù)加入在第一釜連續(xù)加入,A分別在各釜連續(xù)加入分別在各釜連續(xù)加入 NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImage21aa 21bb 21aa 21bb 21aa 21bb 21aa 21bb （1）平行反應(yīng)）平行反應(yīng) 設(shè)有如下連串反應(yīng)設(shè)有如下連串反應(yīng) 其反應(yīng)速度方程式為其反應(yīng)速度方程式為 則則 SkRkA21 R

25、2A1RRCkCkddCr R2SSCkddCr 1CCkkCkCkCkdCdCrrRA21R2R2A1SRSR (2 2) 連串反應(yīng)連串反應(yīng) 當(dāng)當(dāng)k1、k2一定時，若一定時，若R為目標(biāo)產(chǎn)物，則應(yīng)設(shè)法使為目標(biāo)產(chǎn)物，則應(yīng)設(shè)法使CA高、高、CR低，以增大低，以增大 值，提高值，提高R的收率，此時宜采的收率，此時宜采用管式反應(yīng)器、間歇釜式反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器。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，若反之，若S為目標(biāo)產(chǎn)物，則應(yīng)設(shè)法使為目標(biāo)產(chǎn)物，則應(yīng)設(shè)法使CA低、低、CR高，以高，以提高提高S的收率，此時宜采用單釜連續(xù)反應(yīng)器。的收率，此時宜采用單釜連續(xù)反應(yīng)器。 1CCkkRA21 (2

26、2) 連串反應(yīng)連串反應(yīng) 注 意注 意 : : R 生 成 量 增 加 ， 將 有 利 于生 成 量 增 加 ， 將 有 利 于 S 的 生 成 。的 生 成 。因此，若因此，若R為目標(biāo)產(chǎn)物，則當(dāng)為目標(biāo)產(chǎn)物，則當(dāng) 時，應(yīng)保持較低的單程轉(zhuǎn)化率；反之，時，應(yīng)保持較低的單程轉(zhuǎn)化率；反之，當(dāng)當(dāng) 時，應(yīng)保持較高的轉(zhuǎn)化率，這樣收率時，應(yīng)保持較高的轉(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。降低不多，但可大大減輕反應(yīng)后的分離負(fù)荷。 12kk 21kk 1CCkkRA21 (2 2) 連串反應(yīng)連串反應(yīng) 對于復(fù)雜反應(yīng)，控制對于復(fù)雜反應(yīng)，控制反應(yīng)物濃度反應(yīng)物濃度是提高目標(biāo)產(chǎn)是提高目標(biāo)產(chǎn)物收率的常用方法。

27、物收率的常用方法。 但是同種原料在反應(yīng)器內(nèi)的濃度還與但是同種原料在反應(yīng)器內(nèi)的濃度還與加料方式加料方式有關(guān)。有關(guān)。 (2 2) 連串反應(yīng)連串反應(yīng) A、B一起一起 A、B均均 A一次加入一次加入, , 迅速加入迅速加入 慢慢加入慢慢加入 B慢慢加入慢慢加入 (a) CA、CB均大均大 (b) CA、CB均小均小 (c) CA大、大、CB小小 圖圖 間歇操作時反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系間歇操作時反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系A(chǔ)BBABA (a) CA、CB均大均大 (b) CA、CB均小均小 圖圖 連續(xù)操作時反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系連續(xù)操作時反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系 ABBAAB (c) CA大、大

28、、CB小小 圖圖 連續(xù)操作時反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系連續(xù)操作時反應(yīng)物濃度與加料方式的關(guān)系 ABBABBAA產(chǎn)物分分離離器器BA過量過量例例4.6 等溫下進(jìn)行鹽酸與辛醇和十二醇混合液的反應(yīng)等溫下進(jìn)行鹽酸與辛醇和十二醇混合液的反應(yīng) 以以A、B及及C分別代表鹽酸，辛醇及十二醇，這兩個反應(yīng)的速分別代表鹽酸，辛醇及十二醇，這兩個反應(yīng)的速率方程分別為率方程分別為在操作溫度下在操作溫度下,k1=1.610-6m3/(mol.min),k2=1.9210-6m3/(mol.min)。反應(yīng)器進(jìn)料中鹽酸、辛醇及十二醇的濃度分。反應(yīng)器進(jìn)料中鹽酸、辛醇及十二醇的濃度分別為別為2.3kmol/m3、2.2kmol/m

29、3及及2kmol/m3。進(jìn)料量等于。進(jìn)料量等于2m3/h,要求辛醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)要求辛醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)30%，試計算反應(yīng)體積，若該反，試計算反應(yīng)體積，若該反應(yīng)器為（應(yīng)器為（1）管式反應(yīng)器，（）管式反應(yīng)器，（2）連續(xù)釜式反應(yīng)器。）連續(xù)釜式反應(yīng)器。 )()()()(226232623BAOHClCHCHCHOHCHCHCHHCl)C()()()(22102321023AOHClCHCHCHOHCHCHCHHClCACBABCCkrCCkr21解：解： （1 1）若為管式反應(yīng)器，則反應(yīng)體積）若為管式反應(yīng)器，則反應(yīng)體積 鹽酸同時參與兩個反應(yīng)，根據(jù)題意有鹽酸同時參與兩個反應(yīng)，根據(jù)題意有 對對B B、C C組分分

30、別可寫出組分分別可寫出 將兩式相除得將兩式相除得)()1 ()(03 . 00100BXccAcckdXcQVBBBBABBr)C(000CCBBAAccccccCBCBCABACBckckdcdccckcckdtdcdtdc2121/或CACBABcckdtdccckdtdc21 兩邊積分得兩邊積分得 代入式（代入式（C C）得）得 將式（將式（B B）代入上式化簡得）代入上式化簡得 把式（把式（B B）及式（）及式（E E）代入式（）代入式（A A）得）得 將題給數(shù)據(jù)代入得將題給數(shù)據(jù)代入得）（）（或DcccccdckkcdckkBBCCccCCccBBCCBB1200/0021/12/00

31、000/)(kkBBCBCBAAcccccccc）（3 . 00/000001001)1 (12kkBCBBCABBBBrXcXcccXckdXcQV）（）（）（EXcXcccckkBCBBCAA12/0000133 . 00.2124.0512.22.30)1 (3.820mXXXdXVBBBBr）（2 2、采用連續(xù)釜式反應(yīng)器時，反應(yīng)體積為：、采用連續(xù)釜式反應(yīng)器時，反應(yīng)體積為：再將其代入式（再將其代入式（C C）得）得BBBCCXkXkXckc2101)1 ()1 ()()(100100FcckccQcckXcQVBABBBABBr將式（將式（B B）代入上式化簡后有：）代入上式化簡后有：C

32、ACCrcckccQV200)(CACCBABBcckcccckcc2010）（GXkXkXckXcccccBBBCBBCBAA21010000)1 ()1 ()1 ()(將式（將式（B B）及式（）及式（G G）代入式（）代入式（F F）有）有31321010000100293. 96 . 1/3 . 092. 1) 3 . 01 () 3 . 01 (23 . 02 . 223 . 2)3 . 01 (106 . 13 . 0)60/2()1 ()1 ()1 (mXkXkXckXcccXckXcQVBBBCBBCABCBBr 4.4 循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器 對于單程轉(zhuǎn)化率不高的情況，為提高原

33、料的利對于單程轉(zhuǎn)化率不高的情況，為提高原料的利用率，將反應(yīng)器出口物料中的產(chǎn)品分離后再循環(huán)用率，將反應(yīng)器出口物料中的產(chǎn)品分離后再循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器入口，與新鮮原料一起進(jìn)行反應(yīng)。進(jìn)入反應(yīng)器入口，與新鮮原料一起進(jìn)行反應(yīng)。0Q0AcrV0AXAfXN0QQrReactorMAfXAAArdXcV?0)(?設(shè)循環(huán)物料與新鮮原料量之比為循環(huán)比：設(shè)循環(huán)物料與新鮮原料量之比為循環(huán)比：0QQr00)1 (QQQr故故,反應(yīng)器的物料處理量為：反應(yīng)器的物料處理量為：在混合點處對在混合點處對A做物料衡算：做物料衡算：)1 ()1 ()1 (0000000AAAfAAXcQXcQcQ10AfAXX化簡后得：化簡后得：用用(

34、1)Q0 代替代替 Q0，用用 XA0代替代替 0，即，即AfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00 循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器分析：分析：0,00AX 時結(jié)果相當(dāng)于無循環(huán)管式反應(yīng)器結(jié)果相當(dāng)于無循環(huán)管式反應(yīng)器AfAXX0時, 結(jié)果相當(dāng)于恒定轉(zhuǎn)化率下結(jié)果相當(dāng)于恒定轉(zhuǎn)化率下的操作，即的操作，即CSTR反應(yīng)器反應(yīng)器10AfAXXAfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00在實際操作中,只要 足夠大，如： 則可認(rèn)為是等濃度操作。25 4.4 循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器 4.4 循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器01)1 (11)1 ()1 ()1 ()1 ()1 ()1 ()1 (000000000000000000

35、00AAfAAAAfAfAAAfAAAfAAAAfAAfAAxxxxxxxxxxxcQxcQxcQxcQxcQcQ單程轉(zhuǎn)化率全程轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率：全程轉(zhuǎn)化率：等溫條件很難實現(xiàn)等溫條件很難實現(xiàn) 熱效應(yīng)大，難以維持等溫；熱效應(yīng)大，難以維持等溫； 氣固相固定床催化反應(yīng)，傳熱效果差氣固相固定床催化反應(yīng)，傳熱效果差 ； 反應(yīng)存在最佳溫度曲線反應(yīng)存在最佳溫度曲線 可逆放熱反應(yīng)（合成氨、合成甲醇）；可逆放熱反應(yīng)（合成氨、合成甲醇）； 主副反應(yīng)活化能不同；主副反應(yīng)活化能不同；4.5 變溫管式反應(yīng)器變溫管式反應(yīng)器1 1. .管式反應(yīng)器的熱量衡算管式反應(yīng)器的熱量衡算假設(shè)：假設(shè)： 管式反應(yīng)器內(nèi)流體流動符合活塞流假定

36、；管式反應(yīng)器內(nèi)流體流動符合活塞流假定； 反應(yīng)器內(nèi)溫度分布：徑向均勻，軸向變化反應(yīng)器內(nèi)溫度分布：徑向均勻，軸向變化4.5 變溫管式反應(yīng)器變溫管式反應(yīng)器取微元體積取微元體積dVr作為控制體積，作為控制體積，衡算依據(jù)為熱力學(xué)第一定律：衡算依據(jù)為熱力學(xué)第一定律：dqdH 24)(tptTrrAddTGcdZHdH反應(yīng)熱反應(yīng)熱溫變熱溫變熱G為流體的為流體的質(zhì)量速度質(zhì)量速度GA=Q0dZATTUdqhC)(tCTrrAptdTTUHdZdTGc/ )(4)-)(/故有：故有：此即管式反應(yīng)器軸向溫度分布方程此即管式反應(yīng)器軸向溫度分布方程4.5 變溫管式反應(yīng)器變溫管式反應(yīng)器1 1. .管式反應(yīng)器的熱量衡算管式

37、反應(yīng)器的熱量衡算令令wA0為組分為組分A的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MA為為A的相對分子量的相對分子量,則：則：)(0AAAAAXdZdXMGw)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt管式反應(yīng)器中反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式管式反應(yīng)器中反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式)(00AArAAXdVdXcQ 若絕熱操作，則若絕熱操作，則0)(4CtTTdUAptATrrAdXcMHwdT)(04.5 變溫管式反應(yīng)器變溫管式反應(yīng)器2.2.絕熱管式反應(yīng)器絕熱管式反應(yīng)器)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt 得得AptATrrAXcMHwTT)(00AXTT

38、0ptATrAcMHwr0等溫反應(yīng)，等溫反應(yīng)，T=T0；放熱反應(yīng)，放熱反應(yīng)，TT0；吸熱反應(yīng)，吸熱反應(yīng)， TT0吸熱反應(yīng)，較高的進(jìn)吸熱反應(yīng)，較高的進(jìn)料溫度有利；料溫度有利；放熱反應(yīng)，較低的進(jìn)放熱反應(yīng)，較低的進(jìn)料溫度有利。料溫度有利。4.5 變溫管式反應(yīng)器變溫管式反應(yīng)器2.2.絕熱管式反應(yīng)器絕熱管式反應(yīng)器XA 和和 T的關(guān)系圖的關(guān)系圖吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)等溫反應(yīng)等溫反應(yīng)放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)TXA1斜率1斜率 T T0 0AXTT0最優(yōu)溫度曲線最優(yōu)溫度曲線平衡曲線平衡曲線XAfTTA TB TCXA可逆放熱反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系4.5 變溫管式反應(yīng)器變溫管式反應(yīng)器2.2.絕熱管式反應(yīng)器絕熱管式反應(yīng)器圖中

39、AD、BE和CF分別是管式反應(yīng)器進(jìn)料溫度為TA、TB和TC時的絕熱操作線。從圖中可以看出，存在著一最佳的進(jìn)料溫度，所需的反應(yīng)體積最小。 ABCFED圖圖 絕熱管式反應(yīng)器的最佳進(jìn)料溫度絕熱管式反應(yīng)器的最佳進(jìn)料溫度圖中每條曲圖中每條曲線是對一定線是對一定的最終轉(zhuǎn)化的最終轉(zhuǎn)化率而作出的。率而作出的。最終轉(zhuǎn)化率最終轉(zhuǎn)化率越高，則最越高，則最佳進(jìn)料溫度佳進(jìn)料溫度越低。越低。 3. 非絕熱變溫管式反應(yīng)器非絕熱變溫管式反應(yīng)器 當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)很大時，無論是放熱的還當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)很大時，無論是放熱的還是吸熱的，采用絕熱操作將會使反應(yīng)器進(jìn)出口是吸熱的，采用絕熱操作將會使反應(yīng)器進(jìn)出口的反應(yīng)物料的的反應(yīng)物料的

40、溫差太大溫差太大,不可能得到較高的轉(zhuǎn)化不可能得到較高的轉(zhuǎn)化率率 在實際化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的同時必須與環(huán)境進(jìn)行熱在實際化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的同時必須與環(huán)境進(jìn)行熱交換，若為放熱反應(yīng)需要將反應(yīng)器冷卻，吸熱交換，若為放熱反應(yīng)需要將反應(yīng)器冷卻，吸熱反應(yīng)則要加熱，使反應(yīng)過程的溫度控制在要求反應(yīng)則要加熱，使反應(yīng)過程的溫度控制在要求的范圍內(nèi)，以獲得較好的轉(zhuǎn)化率和安全地操作。的范圍內(nèi)，以獲得較好的轉(zhuǎn)化率和安全地操作。 反應(yīng)器所用的換熱介質(zhì)根據(jù)反應(yīng)溫度的高低反應(yīng)器所用的換熱介質(zhì)根據(jù)反應(yīng)溫度的高低而選定而選定 高溫?fù)Q熱介質(zhì)高溫?fù)Q熱介質(zhì)多用燃燒液體或氣體燃料產(chǎn)生多用燃燒液體或氣體燃料產(chǎn)生的煙道氣、熔鹽和高壓蒸汽等，的煙道氣、熔鹽和

41、高壓蒸汽等， 常用的常用的低溫?fù)Q熱介質(zhì)低溫?fù)Q熱介質(zhì)為水和空氣為水和空氣 反應(yīng)原料也可用作換熱介質(zhì)，既冷卻了反應(yīng)反應(yīng)原料也可用作換熱介質(zhì)，既冷卻了反應(yīng)器又頂熱了原料器又頂熱了原料 非絕熱變溫管式反應(yīng)器，由于化學(xué)反應(yīng)與傳熱同非絕熱變溫管式反應(yīng)器，由于化學(xué)反應(yīng)與傳熱同時進(jìn)行，這就需保證有一定的傳熱面積，通常是時進(jìn)行，這就需保證有一定的傳熱面積，通常是采用列管式反應(yīng)器以達(dá)到此目的即將許多直徑采用列管式反應(yīng)器以達(dá)到此目的即將許多直徑較小的管式反應(yīng)器并聯(lián)操作，這一方面可以保證較小的管式反應(yīng)器并聯(lián)操作，這一方面可以保證所需的傳熱面積，另一方面則可使各個管式反應(yīng)所需的傳熱面積，另一方面則可使各個管式反應(yīng)器的橫截面不致太大，以免徑向溫差過大。器的橫截面不致太大，以免徑向溫差過大。 例例在內(nèi)徑為在內(nèi)徑為 1.22m 的管式反應(yīng)器中進(jìn)行乙苯催化的管式反應(yīng)器中進(jìn)行乙苯催化脫氫反應(yīng)進(jìn)料溫度為脫氫反應(yīng)進(jìn)料溫度為898K ，其余數(shù)據(jù)和要求同，其余數(shù)據(jù)和要求同例例 4.5, 反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為：反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為：)/(),/10983exp(10452. 35PakgskmolTk 不同溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)值可根據(jù)下列近似式估不同溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)值可根據(jù)下列近似式估算：算： 反應(yīng)混合物的平均比熱容為反應(yīng)混合物的平均比熱容為 2. 177kJ / ( kg. K