反應(yīng)工程第三章1ppt課件

1、反應(yīng)器中的流動狀況反應(yīng)器中的流動狀況影響反應(yīng)結(jié)果影響反應(yīng)結(jié)果數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型流動流動模型模型對實際過對實際過程的簡化程的簡化理想理想模型模型非理想非理想模型模型平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動反應(yīng)器連續(xù)流動反應(yīng)器間間 歇歇 反反 應(yīng)應(yīng) 器器完全沒有返混完全沒有返混返混極大返混極大返混返混 釜式或槽式反應(yīng)器都設(shè)置攪拌裝置，典型的攪拌蓋式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。工廠中一般稱加壓下操作的釜式反應(yīng)器為反應(yīng)釜，常壓下操作的為反應(yīng)槽。釜式反應(yīng)器大都用于完全互溶的液相或呈兩相的液液相及液固相反應(yīng)物系在間歇狀態(tài)下操作。 1) 1) 間歇操作間歇操作 工業(yè)上充分?jǐn)嚢璧拈g歇槽式反應(yīng)器的

2、性能和行為相當(dāng)工業(yè)上充分?jǐn)嚢璧拈g歇槽式反應(yīng)器的性能和行為相當(dāng)接近于理想間歇反應(yīng)器。反應(yīng)物料按一定配料比一次加入反接近于理想間歇反應(yīng)器。反應(yīng)物料按一定配料比一次加入反應(yīng)器內(nèi)，容器的頂部有一可拆卸的頂蓋，以供清洗和維修用應(yīng)器內(nèi)，容器的頂部有一可拆卸的頂蓋，以供清洗和維修用。在容器內(nèi)部設(shè)置攪拌裝置，使器內(nèi)物料均勻混合。頂蓋上。在容器內(nèi)部設(shè)置攪拌裝置，使器內(nèi)物料均勻混合。頂蓋上都開有各種工藝接管用以測量溫度、壓力和添加各種物料。都開有各種工藝接管用以測量溫度、壓力和添加各種物料。筒體外部一般都裝有夾套用來加熱或冷卻物料。器內(nèi)還可以筒體外部一般都裝有夾套用來加熱或冷卻物料。器內(nèi)還可以根據(jù)需要設(shè)置盤管或排

3、管以增大傳熱面積。根據(jù)需要設(shè)置盤管或排管以增大傳熱面積。 其特點為：其特點為：（1 1由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中物料達到由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中物料達到分子尺度的均勻分布，各處濃度處處相等，可排除物質(zhì)傳遞分子尺度的均勻分布，各處濃度處處相等，可排除物質(zhì)傳遞對反應(yīng)過程的影響；對反應(yīng)過程的影響；（2 2反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強烈的傳熱條件，各處溫度相等，反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強烈的傳熱條件，各處溫度相等，不需考慮反應(yīng)器內(nèi)熱量傳遞；不需考慮反應(yīng)器內(nèi)熱量傳遞；（3 3由于反應(yīng)物料同時加入又同時取出，所有物料在反應(yīng)由于反應(yīng)物料同時加入又同時取出，所有物料在反應(yīng)器中具有相同的停留時間，器內(nèi)物

4、料年齡相同，無返混。器中具有相同的停留時間，器內(nèi)物料年齡相同，無返混。（4 4過程為間歇操作，有輔助時間。過程為間歇操作，有輔助時間。 (5) (5) 反應(yīng)器為非穩(wěn)態(tài)，溫度、濃度隨時間改變。反應(yīng)器為非穩(wěn)態(tài)，溫度、濃度隨時間改變。 CA CA0 時間 CAout tout/2 tout t CA CA0t=0 t=tout/2 CAoutt=tout 0 空間位置 優(yōu)點優(yōu)點 操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長等產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是精細化工與時間較長等產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是精細化工與生物化工

5、產(chǎn)品的生產(chǎn)。生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。 缺陷缺陷 裝料、卸料等輔助操作要耗費一定的時裝料、卸料等輔助操作要耗費一定的時間，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。間，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。 2 2連續(xù)操作連續(xù)操作 連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器，反應(yīng)物料連續(xù)加入和排除，連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器，反應(yīng)物料連續(xù)加入和排除，與間歇反應(yīng)器一樣，由于劇烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料混合與間歇反應(yīng)器一樣，由于劇烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料混合均勻，物料組成和溫度相同，但一般進口處反應(yīng)物料的溫均勻，物料組成和溫度相同，但一般進口處反應(yīng)物料的溫度低于反應(yīng)器內(nèi)的物料溫度。可以根據(jù)需要利用傳熱裝置度低于反應(yīng)器內(nèi)的物料溫度。可以根據(jù)需要利用傳熱裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)物料調(diào)節(jié)反應(yīng)器

6、內(nèi)物料 的溫度，連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器可以處的溫度，連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器可以處于等溫或絕熱情況下操作。于等溫或絕熱情況下操作。 3 3半間歇操作半間歇操作 部分反應(yīng)物料連續(xù)加入和排除，部分反應(yīng)物料簡歇加部分反應(yīng)物料連續(xù)加入和排除，部分反應(yīng)物料簡歇加入和排除，屬于非穩(wěn)態(tài)過程。入和排除，屬于非穩(wěn)態(tài)過程。 3.1.2 間歇反應(yīng)器性能的數(shù)學(xué)描述間歇反應(yīng)器性能的數(shù)學(xué)描述 在間歇反應(yīng)器中，由于劇烈攪拌，槽內(nèi)物料在間歇反應(yīng)器中，由于劇烈攪拌，槽內(nèi)物料的濃度和溫度達到均一，因而可以對整個反應(yīng)器的濃度和溫度達到均一，因而可以對整個反應(yīng)器進行物料衡算。進行物料衡算。 流入量流入量流出量流出量反應(yīng)量反應(yīng)量累積量累積量

7、=+0間歇操作中流人量和流出量都等于零。間歇操作中流人量和流出量都等于零。 反應(yīng)量反應(yīng)量累積量累積量=+0若若V V為液相反應(yīng)混合物的體積，因而對反應(yīng)組分為液相反應(yīng)混合物的體積，因而對反應(yīng)組分A A的物料衡的物料衡算式可寫成算式可寫成 dtdxndtdnVrdxndnxnnnnnxdtdnVrdnVdtrAAAAAAAAAAAAAAAAAA00000)1(00000AfAfxxAAAARAAndxdxtCVrr積分積分達到一定反應(yīng)率所需達到一定反應(yīng)率所需反應(yīng)時間的計算式。反應(yīng)時間的計算式。 AtxAAdxVrndtAf000AAAAAAdxVrndtdtdxnVr00若反應(yīng)過程中不發(fā)生體積變化

8、，即等容過程。若反應(yīng)過程中不發(fā)生體積變化，即等容過程。根據(jù)等容時轉(zhuǎn)化率與濃度關(guān)系根據(jù)等容時轉(zhuǎn)化率與濃度關(guān)系 AfAAfAAfCCAACCAAAAxAAAAAAAAAAAAAAAAAAArdCtCrdCCrdxCtCdCdxdxCdCxCCCCCnnnx0000000000000)1( 間歇反應(yīng)器所需的實際操作時間包括反應(yīng)間歇反應(yīng)器所需的實際操作時間包括反應(yīng)時間時間t t與輔助時間與輔助時間t,tt,t包括加料、調(diào)溫、卸料、包括加料、調(diào)溫、卸料、清洗等時間。清洗等時間。 間歇反應(yīng)器的反應(yīng)體積間歇反應(yīng)器的反應(yīng)體積VRVR是指反應(yīng)物料在是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積它取決于單位生產(chǎn)時間反應(yīng)器中所占

9、的體積它取決于單位生產(chǎn)時間所處理的物料量和每批生產(chǎn)所需的操作時間。所處理的物料量和每批生產(chǎn)所需的操作時間。單位生產(chǎn)時間所處理的物料量由生產(chǎn)任務(wù)決定，單位生產(chǎn)時間所處理的物料量由生產(chǎn)任務(wù)決定，因此反應(yīng)體積可按下式計算因此反應(yīng)體積可按下式計算 RVV tt 只要已知反應(yīng)動力學(xué)方程式或反應(yīng)速率與組分只要已知反應(yīng)動力學(xué)方程式或反應(yīng)速率與組分A A濃濃度度CACA之間的變化規(guī)律，就能計算反應(yīng)時間。最基本、最之間的變化規(guī)律，就能計算反應(yīng)時間。最基本、最直接的方法是數(shù)值積分或圖解法。直接的方法是數(shù)值積分或圖解法。 AfAAfCCAAxAAArdCrdxCt000 間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng) 單

10、反應(yīng)通常用一個化學(xué)計量式和一個反應(yīng)速率方程式描述。反應(yīng)速率為溫度和某一組分濃度的函數(shù) AP反應(yīng)動力學(xué)方程式以冪函數(shù)型表示反應(yīng)動力學(xué)方程式以冪函數(shù)型表示 nAArkcAfAAfCCAAxAAArdCrdxCt000ktCCCCktkdCkCdCrdCtAAfAAfCCACCAACCAAAfAAfAAfA000000或0000000000nAAfAfAxAAxAAAxAAACktxxCktkdxCkCdxCrdxCtAfAfAf或時當(dāng)ktAAfAfACCAACCAAeCCCCktkCdCrdCtAfAAfA00ln00或ktAfAfxAAxAAAAAAAxAAAxAAAexxktxkxdxkCdx

11、CtxCCkCdxCrdxCtAfAfAfAf111ln)1 ()1 ()1 ()1 (1n000000000或時當(dāng)111000200AAAfAAfCCAACCAAktCCCCCktkCdCrdCtAfAAfA或000020022000020001,1111)1 ()1 ()1 ()1 (2nAAAfAfAfAfAxAAAxAAAAAAAxAAAxAAAktCktCxxxxktCxkCxdxkCdxCtxCCkCdxCrdxCtAfAfAfAf或時當(dāng) 間歇反應(yīng)器中反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和殘余濃度的計算結(jié)間歇反應(yīng)器中反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和殘余濃度的計算結(jié)果歸納于下表果歸納于下表 影響因素影響因素零級反應(yīng)：

12、零級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度CA0CA0正比正比一級反應(yīng)：一級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度CA0CA0無關(guān)無關(guān)二級反應(yīng)：二級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度CA0CA0反比反比AfAxCkt00級反應(yīng)：Afxkt11ln1級反應(yīng)：AfAfAxxktC120級反應(yīng)：零級反應(yīng)：殘余濃度隨零級反應(yīng)：殘余濃度隨t t直線下降直線下降一級反應(yīng)：殘余濃度隨一級反應(yīng)：殘余濃度隨t t逐漸下降逐漸下降二級反應(yīng)：殘余濃度隨二級反應(yīng)：殘余濃度隨t t慢慢下降慢慢下降 為使反應(yīng)時為使反應(yīng)時間計算正確，重間計算正確，重要的是保證反應(yīng)要的是保證反應(yīng)后期動力學(xué)的準(zhǔn)后期動力學(xué)的準(zhǔn)確、可靠，因此確、可靠，因此要密切注意反應(yīng)要

13、密切注意反應(yīng)后期的反應(yīng)機理后期的反應(yīng)機理是否發(fā)生變化，是否發(fā)生變化，即要重視反應(yīng)過即要重視反應(yīng)過程末期動力學(xué)的程末期動力學(xué)的研究。研究。 1200AAAfktCCC級反應(yīng)：ktAAfeCC01級反應(yīng)：ktCCAAf00級反應(yīng)：3.1.3 3.1.3 間歇釜式反應(yīng)器的工程放大及操作優(yōu)化間歇釜式反應(yīng)器的工程放大及操作優(yōu)化1 1工程放大工程放大 實驗室用的小型反應(yīng)器要做到等溫操作比較容易，而大實驗室用的小型反應(yīng)器要做到等溫操作比較容易，而大型反應(yīng)器就很難做到；又如實驗室反應(yīng)器通過攪拌可使反型反應(yīng)器就很難做到；又如實驗室反應(yīng)器通過攪拌可使反應(yīng)物料混合均勻，濃度均一，而大型反應(yīng)器要做到這點就應(yīng)物料混合均

14、勻，濃度均一，而大型反應(yīng)器要做到這點就比較困難。生產(chǎn)規(guī)模的間歇反應(yīng)器的反應(yīng)效果與實驗室反比較困難。生產(chǎn)規(guī)模的間歇反應(yīng)器的反應(yīng)效果與實驗室反應(yīng)器相比，總是有些差異。應(yīng)器相比，總是有些差異。 2) 2) 反應(yīng)時間的優(yōu)化反應(yīng)時間的優(yōu)化 間歇反應(yīng)器每批物料的操作時間包括反應(yīng)時間和輔助時間歇反應(yīng)器每批物料的操作時間包括反應(yīng)時間和輔助時間，對于一定的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器，輔助時間是一定值。間，對于一定的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器，輔助時間是一定值。可以看出，存在一最佳反應(yīng)時間，使單位時間的生產(chǎn)量達可以看出，存在一最佳反應(yīng)時間，使單位時間的生產(chǎn)量達到最大值。到最大值。 對于反應(yīng)對于反應(yīng)ARAR，若要求產(chǎn)物，若要求產(chǎn)物R

15、R的濃度為的濃度為CRCR，則單位操作，則單位操作時間的產(chǎn)品產(chǎn)量時間的產(chǎn)品產(chǎn)量PRPR為為 上面所討論的最優(yōu)反應(yīng)時間是對單位時間產(chǎn)品產(chǎn)量最大上面所討論的最優(yōu)反應(yīng)時間是對單位時間產(chǎn)品產(chǎn)量最大而言，如從單位產(chǎn)品所消耗的原料量最少著眼，則反應(yīng)時而言，如從單位產(chǎn)品所消耗的原料量最少著眼，則反應(yīng)時間越長，原料單耗越少。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)不同，結(jié)果不間越長，原料單耗越少。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)不同，結(jié)果不- -祥祥。若以生產(chǎn)費用最低為目標(biāo)，井設(shè)單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費。若以生產(chǎn)費用最低為目標(biāo)，井設(shè)單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費用為用為a a，輔助操作費用為，輔助操作費用為a0a0，而固定費用為，而固定費用為afaf則單位質(zhì)量產(chǎn)則單

16、位質(zhì)量產(chǎn)品的單費用為：品的單費用為： 為了使AT最小，采用函數(shù)求極值的方法3) 3) 配料比配料比 在工業(yè)上，為了使價格較高的或在后續(xù)工序中較難分在工業(yè)上，為了使價格較高的或在后續(xù)工序中較難分離的組分離的組分A A的殘余濃度盡可能低，的殘余濃度盡可能低， 也為了縮短反應(yīng)時間，也為了縮短反應(yīng)時間，常采用反應(yīng)物常采用反應(yīng)物B B過量的操作方法。定義配料比過量的操作方法。定義配料比m=CBO/CAO,m=CBO/CAO,于于是是, ,等容液相反應(yīng)過程中組分等容液相反應(yīng)過程中組分B B的濃度的濃度 以反應(yīng)時間CB0kt為縱坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化率XA為橫坐標(biāo)，配料比m為主變量繪圖。 當(dāng)要求A的轉(zhuǎn)化率較高時，配料比

17、的影響更加明顯，提高配料比可縮短反應(yīng)時間，而需付出的代價是: 降低反應(yīng)器的容積利用率;增加組分B的回收費用，所以這也是一個需優(yōu)化的參數(shù)。 當(dāng)配料比m大到B在反應(yīng)中的消耗可以忽略 時，上述動力學(xué)方程可寫為 rA=KcB0cA=k1CA。 此時，該二級反應(yīng)可視同為一級反應(yīng)。即使m 不是很大，在反應(yīng)末期也可能發(fā)生這種反應(yīng)級數(shù)的轉(zhuǎn)變。 例如:當(dāng)cA0= 1,CB0= 1.3時，在反應(yīng)初期，A和B濃度接近，表現(xiàn)出二級反應(yīng)的特征;而當(dāng)A的轉(zhuǎn)化率為O. 9時，cAo=0.l ，CB0=0.4，此 時配料比為4，組分B過量甚多，其動力學(xué)特征接 近一級反應(yīng)。 4 4反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度 對于間歇釜式反應(yīng)器，可以在反

18、應(yīng)時間的不同階段對于間歇釜式反應(yīng)器，可以在反應(yīng)時間的不同階段，反應(yīng)物系處于不同組成時，調(diào)整反應(yīng)溫度。一般說來，反應(yīng)物系處于不同組成時，調(diào)整反應(yīng)溫度。一般說來，高轉(zhuǎn)化率時，反應(yīng)物濃度減少，反應(yīng)速率隨之減少，可以高轉(zhuǎn)化率時，反應(yīng)物濃度減少，反應(yīng)速率隨之減少，可以適當(dāng)提高反應(yīng)溫度，以促使反應(yīng)速率常數(shù)增大而增加反應(yīng)適當(dāng)提高反應(yīng)溫度，以促使反應(yīng)速率常數(shù)增大而增加反應(yīng)速率。例如間歇釜式反應(yīng)器中的硝化反應(yīng)，在反應(yīng)前期，速率。例如間歇釜式反應(yīng)器中的硝化反應(yīng)，在反應(yīng)前期，溫度為溫度為40454045；反應(yīng)中期，溫度為；反應(yīng)中期，溫度為60 60 ；而且應(yīng)后期，；而且應(yīng)后期，溫度調(diào)高為溫度調(diào)高為7070。 但應(yīng)注

19、意，對于液相反應(yīng)，液相組分的性質(zhì)隨溫度但應(yīng)注意，對于液相反應(yīng)，液相組分的性質(zhì)隨溫度而變，例如：反應(yīng)溫度提高，液相組分的蒸氣壓很快上而變，例如：反應(yīng)溫度提高，液相組分的蒸氣壓很快上升，甚至某一組分會達到沸點；反應(yīng)溫度增大，可能使升，甚至某一組分會達到沸點；反應(yīng)溫度增大，可能使某些反應(yīng)組分腐蝕性加強；對于多重反應(yīng)，反應(yīng)溫度增某些反應(yīng)組分腐蝕性加強；對于多重反應(yīng)，反應(yīng)溫度增高，會使某些副反應(yīng)加劇。高，會使某些副反應(yīng)加劇。 (/)AABRSrk C CC CK3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)由于原料液中乙酸由于原料液中乙酸: :乙醇乙醇:

20、:水水=1:2:1.35=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為，當(dāng)乙酸為1kg1kg時，加入的總原料為時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應(yīng)器的原料液量為由此可求單位時間需加入反應(yīng)器的原料液量為解：首先計算原料處理量解：首先計算原料處理量V0V0，根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時乙酸需用量為可算出每小時乙酸需用量為1200016.23/88 24 0.35kmol h316.23 60 4.354.155(/ )1020mh其次計算原料液的起始組成。其次計算原料液的起始組成。0316.23/3.908/4.15

21、5/Amol hCmol Lm h0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。代入速率方程，整理后得通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為可求出乙醇和水的起始濃度為03.908 60 210.2(/ )46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/ )18SCmol L(/)AABRSrk C CC CK220()AAAArk a bxcx C式中式中 代入到基本公式中代入到基本公式中200

22、1AfxAAAAdxtkCabxcx0000004/2.611/5.151 1/0.65754.76 10/(.min)BABASAaCCbCCCC KcKkLmol 得：得：t=118.8mint=118.8min30()4.155 (118.8/60 1.0)12.38RVV ttm實際反應(yīng)器體積：實際反應(yīng)器體積：12.38m3/0.7512.38m3/0.7516.51m316.51m33.2 3.2 連續(xù)流動均相管式反應(yīng)器連續(xù)流動均相管式反應(yīng)器 0 Z/2 Z 0 Z/2 Z CA CA 0 CA o u t 管長 Z / 2 Z CA CA 0 0 Z / 2 CA o u t Z

23、時間 圖3 . 4 - 1 平推流反應(yīng)器圖示 0 Z /2 Z 根據(jù)平推流反應(yīng)器的特點，應(yīng)取反應(yīng)器內(nèi)一微元體積根據(jù)平推流反應(yīng)器的特點，應(yīng)取反應(yīng)器內(nèi)一微元體積dVRdVR進行物料衡算。在微元體積內(nèi)的反應(yīng)物料的濃度、溫進行物料衡算。在微元體積內(nèi)的反應(yīng)物料的濃度、溫度均勻一致。度均勻一致。流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量累積量累積量 = 0 = 03.2.2 3.2.2 平推流反應(yīng)器的計算平推流反應(yīng)器的計算 0 Z / 2 Z 流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 1 1平推流反應(yīng)器的體積平推流反應(yīng)器的體積0000(1)(1)AAAA

24、AARV CxV Cxdxr dV化簡，得化簡，得 00AAARV c dxr dV dxA dVR CA CA1 dtdVrdtdxxCVdtxCVdtdVrdtdxxCVdtCVdtxCVdtCVRAAAAAARAAAAAAAA)1 ()1 ()1 ()1 (00000010000反應(yīng)量流出量流入量則達到一定轉(zhuǎn)化率則達到一定轉(zhuǎn)化率xAfxAf所需的反應(yīng)體積為所需的反應(yīng)體積為 : :000AfxARAAdxVV cr留意：第一，反應(yīng)是等溫還留意：第一，反應(yīng)是等溫還是變溫，等溫反應(yīng)時是變溫，等溫反應(yīng)時 k k 為為常數(shù)，變溫反應(yīng)時要結(jié)合熱常數(shù)，變溫反應(yīng)時要結(jié)合熱量衡算式建立量衡算式建立k k與

25、與xAxA的關(guān)系；的關(guān)系；第二，反應(yīng)過程中有無分子第二，反應(yīng)過程中有無分子數(shù)變化，如為變分子反應(yīng)，數(shù)變化，如為變分子反應(yīng)，需建立反應(yīng)物體積流量需建立反應(yīng)物體積流量V V與與xAxA的關(guān)系。的關(guān)系。 00AAARV c dxr dVARxAAAVRrdxCVdV0000對于平推流反應(yīng)器進行某種等容過程，其停留時間對于平推流反應(yīng)器進行某種等容過程，其停留時間t t為為 : :000AfxARAAdxVV crAfxAAARrdxCVVt0002等溫平推流反應(yīng)器的計算等溫平推流反應(yīng)器的計算（1反應(yīng)過程中無體積變化反應(yīng)過程中無體積變化000AfxARAAdxVV cr以以n級不可逆反應(yīng)為例級不可逆反應(yīng)

26、為例AfAAfAfCCnAARAAAAAAxxnAnAAnAAARnAAkCdCVVCdCdxxCCxkCdxVkCdxCVVkCr00000010000)1()1(00000000000000nAAfAfARxAAxAAAxAAARCktxkxCVVkdxCVkCdxCVrdxCVVAfAfAf或時當(dāng)ktAfAfRxAAxAAAARAAAxAAAxAAARexxkVVxkxdVxkCdxCVVxCCkCdxCVrdxCVVAfAfAfAf111ln)1 ()1 ()1 ()1 (1n00000000000000或時當(dāng)00000200022000002000001,)1 ()1 ()1 ()1

27、 ()1 (2nAAAfAfAAfRxAAAxAAAARAAAxAAAxAAARktCktCxxkCxVVxkCxdVxkCdxCVVxCCkCdxCVrdxCVVAfAfAfAf或時當(dāng)（2反應(yīng)過程中有體積變化反應(yīng)過程中有體積變化000AfxARAAdxVV crABLMABLMAfAfxxnAnAAnAAAnAAARnAAxkCdxxyVkCdxCVVkCr00100000)1 ()1 (以以n級不可逆反應(yīng)為例級不可逆反應(yīng)為例 1ALMABA000(1)(1)AAAAAAANxNCVVyx（3) 3) 熱量衡算熱量衡算 平推流反應(yīng)器中取一個體積為平推流反應(yīng)器中取一個體積為dVR的微元進行熱量

28、衡算。的微元進行熱量衡算。 帶入的熱焓帶入的熱焓 流出的熱焓流出的熱焓 反應(yīng)熱反應(yīng)熱 熱量的累積熱量的累積 傳向環(huán)境的熱量傳向環(huán)境的熱量 0 dVR Z 穩(wěn)態(tài)、等溫條件下：帶入的熱焓穩(wěn)態(tài)、等溫條件下：帶入的熱焓=流出的熱焓流出的熱焓 熱量的累積熱量的累積=0 反應(yīng)熱反應(yīng)熱 傳向環(huán)境的熱量傳向環(huán)境的熱量 0RAAARARadVrdxCVdVrHdATTK00)()(3變溫平推流反應(yīng)器的計算變溫平推流反應(yīng)器的計算（1一般情況一般情況RAAARAaPiidVrdxCVdVHrdATTKdTCN00)()dTTCNTCNdTTCNTCNPiiPiiPiiPii（流出熱流入熱（流出熱流入熱)(,)(00

29、000 xxTTdxdTCNNHCNdxNHdTdxNdNdVrdVrHdTCNAPiiARPiiAARAAARARARPii則）（令（2)2)對于絕熱反應(yīng)對于絕熱反應(yīng)絕熱溫升或絕熱溫降(/)AABRSrk C CC CK原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)，反應(yīng)液的密度為液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時，時，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常數(shù)衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化。試計算乙酸轉(zhuǎn)

30、化35 % 時所需的時所需的反應(yīng)體積。反應(yīng)體積。3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)3.3 3.3 連續(xù)流動釜式反應(yīng)器連續(xù)流動釜式反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器是另一類在全混流反應(yīng)器是另一類在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的連續(xù)流工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的連續(xù)流動反應(yīng)器，化工中常用的連續(xù)動反應(yīng)器，化工中常用的連續(xù)流動攪拌釜式反應(yīng)器可視為全流動攪拌釜式反應(yīng)器可視為全混流反應(yīng)器。反應(yīng)物料連續(xù)加混流反應(yīng)器。反應(yīng)物料連續(xù)加人反應(yīng)器，釜內(nèi)物料連續(xù)排出人反應(yīng)器，釜內(nèi)物料連續(xù)排出反應(yīng)器。由于是連續(xù)操作，不反應(yīng)器。由于是連續(xù)操作，不存在間歇操作中的輔助時間問存在間歇操作中的輔助時

31、間問題。在定態(tài)操作中，容易實現(xiàn)題。在定態(tài)操作中，容易實現(xiàn)自動控制，操作簡單，節(jié)省人自動控制，操作簡單，節(jié)省人力，易于控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，力，易于控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可用于產(chǎn)量大的產(chǎn)品生產(chǎn)過程?？捎糜诋a(chǎn)量大的產(chǎn)品生產(chǎn)過程。 CA 時間 CAin CAout t CA 空間位置 CAout 圖3.1-6 全混流反應(yīng)器 2全混流反應(yīng)器的特點全混流反應(yīng)器的特點 A A、反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于、反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)。反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)。B B、物料質(zhì)點在反應(yīng)器中的停留時間不相等，有的很長，有的、物料質(zhì)點在反應(yīng)器中的停留時

32、間不相等，有的很長，有的很短，形成一個停留時間分布。返混極大。很短，形成一個停留時間分布。返混極大。 全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率即由釜內(nèi)的濃度和溫度所決定。全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率即由釜內(nèi)的濃度和溫度所決定。 0000(1)()AAAfAfRV CV CxrV化簡，得化簡，得fARAfAfARAfArVCVCVdtrVdtCVdtCV)()(000000流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量fAAfAfAAfARrxCrCCVV)()(0003.3.1 全混流反應(yīng)器的計算全混流反應(yīng)器的計算 流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量00()AAf

33、RAfV CxVr000()()AAfARAfV CxxVr按出口濃度計算按出口濃度計算的反應(yīng)速率。的反應(yīng)速率。 當(dāng)反應(yīng)器進口物料當(dāng)反應(yīng)器進口物料中已含反應(yīng)產(chǎn)物中已含反應(yīng)產(chǎn)物 0000(1)()AAAfAfRV CV CxrVfARAfAAArVxCVxCV)()1 ()1 (00000全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器的圖解計算的圖解計算000()()AAfAARAfAfCxCCVVrr000()()AAfAARAfAfCxCCVVrrAfAfAAfAfAAfAAfAfAAfAfAAfAAAAfAfAAfAfAxxkkCCxkCxCkCxCkCCCxCkCkCCkxCkCCC111)1 (1n10n0

34、0000000000或時：當(dāng)或時：當(dāng)000()()AAfAARAfAfCxCCVVrr0000022022002020214124110)1 ()1 (2nAAAAfAAfAAfAfAfAAfAfAAfAAfAfAAfAfACkCkCCkCkCCCCkxkCxkxkCxCkCxCkCCC 時：當(dāng)(/)AABRSrk C CC CK原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)，反應(yīng)液的密度為液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時

35、，時，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常數(shù)衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時所需的時所需的反應(yīng)體積。反應(yīng)體積。3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應(yīng)器的原料液量為首先計算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時乙酸需用量為1200016.23/88 24 0.35kmol h316.

36、23 604.354.155(/ )1020mh其次計算原料液的起始組成。0316.23/3.908/4.155/Amol hCmol Lmh03.908 60 210.2(/ )46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/ )18SCmol L0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArk abxcxC000000/1/1 1/BABASAa CCbCCCC KcK 將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。由于代入速率方程，整理后得式中 0000322014.68()()AAfAAfRAfAfAfAV CxV CxVmrk

37、abxcxC2( ) / ( .min)AArkc kmol AL1.97/ (.min)kLkmol00.004/AckmolL02200011(1)AfxAfAAAfAAxdxtckcxkcx0.8Ax 10.818.51.970.004(10.8)60th8.519.5tth 024000.684/24 146AFkmol h0000.684171 /0.004AAFVL hc30171 9.516301.63tVV tLm31.632.170.75RVVm022000011(1)AfxAfRAAAAfAAxVdxCVkCxkCx001AfRAAfxVVkCx31710.814501.4

38、51.970.004(10.8)60RVLm 3全混流反應(yīng)器 22220()1.97(1)1.97(0.004) (1)AfAAfAfrCxx00()AAfRAfV CxVr3220.6840.872347.23460 1.97(0.004) (10.8)RVLm這是由于全混流反應(yīng)器的返混造成反應(yīng)速率下降所致。當(dāng)轉(zhuǎn)化率增加時，所需反應(yīng)體積迅速增加，尤其全混流反應(yīng)器增加4.5倍。應(yīng)從技術(shù)經(jīng)濟角度研究選擇多大出口轉(zhuǎn)化率為最佳，不能無限制地追求高轉(zhuǎn)化率。3.3.2 3.3.2 多級全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化多級全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化 1多級平推流反應(yīng)器的串聯(lián)及并聯(lián)多級平推流反應(yīng)器的串聯(lián)及并聯(lián) （1串

39、連串連VRV0,CA0,T0CAf,TfVR1VR2CAf,TfV0,CA0,T0VR=VR1+VR2VR=VR1+VR2（2)2)并聯(lián)并聯(lián)VRV0,CA0,T0CAf,TfVR1VR2V0,CA0,T0CAf,Tf2) 多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的濃度特征多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的濃度特征 平推流反應(yīng)器的反應(yīng)推動力比全混流反應(yīng)器的反應(yīng)推動平推流反應(yīng)器的反應(yīng)推動力比全混流反應(yīng)器的反應(yīng)推動力大得多，平推流反應(yīng)器的反應(yīng)速率沿物料流動方向由一個力大得多，平推流反應(yīng)器的反應(yīng)速率沿物料流動方向由一個由高到低的變化過程，全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率始終處于出由高到低的變化過程，全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率始終處于出口反應(yīng)物料濃

40、度的低速率狀態(tài)。口反應(yīng)物料濃度的低速率狀態(tài)。 為此，為了降低返混影響的程度，提高全混流反應(yīng)過程為此，為了降低返混影響的程度，提高全混流反應(yīng)過程的推動力，常采用多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)措施。的推動力，常采用多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)措施。 1Ar 恒容、恒溫n級不可逆反應(yīng) =1+2+3+4 4 3 2 1 CA CA4 CA2 CA0 (a)多釜串聯(lián)反應(yīng)器的容積 CA0 v0 CA1 rA1 CA2 rA2 CAn-1 CAn rAn (b) 多個全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作 () () 級數(shù)越多，過程就越接近平推流反應(yīng)器。級數(shù)越多，過程就越接近平推流反應(yīng)器。 () () 對多級全混流反應(yīng)器每一級內(nèi)濃度是均對多級

41、全混流反應(yīng)器每一級內(nèi)濃度是均勻的。等于該級的出口濃度，而各級之間濃度是勻的。等于該級的出口濃度，而各級之間濃度是不同的。不同的。 結(jié)論結(jié)論3) 多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的解析計算多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的解析計算 (1(1各釜的物料衡算各釜的物料衡算條件：各釜定態(tài)操作、等溫；反應(yīng)過程中體積不發(fā)生變化。條件：各釜定態(tài)操作、等溫；反應(yīng)過程中體積不發(fā)生變化。衡算范圍：第衡算范圍：第i i釜釜衡算對象：反應(yīng)物組分衡算對象：反應(yīng)物組分A A。衡算基準(zhǔn)：單位時間。衡算基準(zhǔn)：單位時間。流入量流入量= =流出量流出量+ +反應(yīng)消耗量反應(yīng)消耗量流入量流入量= =流出量流出量+ +反應(yīng)消耗量反應(yīng)消耗量0010011AAi

42、AAiAiRiV cxV cxr VAiAiAiARirxxCVV)(100AiAiAiRiRiAiAiAirCCVVVrCVCV)(10010只要動力學(xué)關(guān)系已知，就可以逐級計算確定各參數(shù)只要動力學(xué)關(guān)系已知，就可以逐級計算確定各參數(shù)逐級計算求、已知：逐級計算從求、已知：?,?,001mxVVxxrBVVxrAAiiRAAfAiRRiAiAi化簡化簡(2對于一級不可逆反應(yīng)對于一級不可逆反應(yīng)AiAiAiRiAiAiAiRiAiAiCCCVVkkCCCVVkCr1010)(AiAiAiARirxxCVV)(10011AiAiiCCk,1,A iA iiA iCCkC,111A iA iiCCkmAm

43、AmAAAAkCCkCCkCC11111112121010VVRii,1,2,100,1,11.()1mA mAAA miAAAA miCCCCCCCCk,01A mA mACxC ,111()1NA miixk mAmAmAAAAkCCkCCkCC1111111212101工業(yè)生產(chǎn)上，多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)時，常將各級體積做工業(yè)生產(chǎn)上，多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)時，常將各級體積做成相等，以便設(shè)備制造。成相等，以便設(shè)備制造。 111mAmixk 討論：討論：A A、級數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高；、級數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高； B B、在處理量一定時，各級反應(yīng)體積越大，最終、在處理量一定時，各級反應(yīng)體積越大，

44、最終 轉(zhuǎn)化率也越高。轉(zhuǎn)化率也越高。 1)1 (1 1)1 (111001mAmRiRmAmxkmVmVmVVxk0VVRiim1iimk111）（AAiAiAiRiAiAirCCVVCkfr)()(101111()()AiAiAiAiAiiirCCCC4) 多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的圖解計算多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的圖解計算 rA rACA CA3 CA2 CA1 CA0 CA 圖3.3-2多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器圖解計算 級就表示需要幾個釜串聯(lián)使用。i1 rA rACA CA3 CA2 CA1 CA0 CA 圖3.3-2多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器圖解計算 i11111()()AiAiAiAiAiiirCCCC0VVRii 1/rA 面積= CA3 CA2 CA1 CA0 CA 圖3.3-3多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器空時 (3)(3)對于多釜串聯(lián)，若追求整體反應(yīng)器體積最小，應(yīng)增加反應(yīng)對于多釜串聯(lián)，若追求整體反應(yīng)器體積最小，應(yīng)增加反應(yīng)器的個數(shù)，但反應(yīng)器體積最小是有限的，即使反應(yīng)釜的個器的個數(shù)，但反應(yīng)器體積最小是有限的，即使反應(yīng)釜的個數(shù)趨于無窮，反應(yīng)釜的總體積最小為速率倒數(shù)曲線、起始數(shù)趨于無窮，反應(yīng)釜的總體積最小為速率倒數(shù)曲線、起始濃度、最終濃度、和橫座標(biāo)圍成的面積見下圖中綠影部濃度、最終濃度、和橫座標(biāo)圍成的面積見下圖中綠影部