釜式反應(yīng)器--化工

1、2/21/2022精選課件12/21/2022精選課件2反應(yīng)器的分析與設(shè)計(jì)是反應(yīng)工程的重要組成部分和主要任務(wù)。反應(yīng)器設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的最佳操作條件和完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積和主要寸。對(duì)于反應(yīng)器的分析計(jì)算需要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，本章將針對(duì)兩類(lèi)理想的反應(yīng)器模型（間歇釜式反應(yīng)器模型和全混流反應(yīng)器模型）進(jìn)行討論和分析，考察反應(yīng)器性能與各種因素的關(guān)系，反應(yīng)器性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題等。具體內(nèi)容包括： 2/21/2022精選課件3l研究?jī)?nèi)容3.1 等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（單一反應(yīng)）3.2 等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（復(fù)合反應(yīng)）3.3 全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)3.4 全混流反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.

2、5 釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性3.6 變溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算3.7 全混流反應(yīng)器的定態(tài)操作與分析2/21/2022精選課件4重點(diǎn)掌握v等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（單一反應(yīng)、平行與連串反應(yīng)）。 v連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算 。 v空時(shí)和空速的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用。 v連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)。 v釜式反應(yīng)器中平行與連串反應(yīng)選擇性的分析，連接和加料方式的選擇。 v連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式的建立與應(yīng)用。2/21/2022精選課件5深入理解變溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算。變溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算。 廣泛了解廣泛了解 串聯(lián)釜式反應(yīng)器最佳體積的求取方法。串聯(lián)釜式反應(yīng)器最佳體積的求取方法。 連續(xù)

3、釜式反應(yīng)器的多定態(tài)分析與計(jì)算。連續(xù)釜式反應(yīng)器的多定態(tài)分析與計(jì)算。 產(chǎn)生多定態(tài)點(diǎn)的原因，著火點(diǎn)與熄火點(diǎn)產(chǎn)生多定態(tài)點(diǎn)的原因，著火點(diǎn)與熄火點(diǎn)的概念的概念 2/21/2022精選課件6反應(yīng)的特點(diǎn)及其對(duì)反應(yīng)器的要求反應(yīng)的特點(diǎn)及其對(duì)反應(yīng)器的要求l化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜l反應(yīng)物料的相態(tài)多樣性：如固相反應(yīng)就難于在攪拌反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)操作；非均相反應(yīng)要求傳質(zhì)效果要好。l許多反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)大l工藝條件變化范圍寬l反應(yīng)介質(zhì)的腐蝕性2/21/2022精選課件7反應(yīng)器開(kāi)發(fā)的三個(gè)任務(wù)反應(yīng)器開(kāi)發(fā)的三個(gè)任務(wù)l根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，選擇合適的反應(yīng)器形式l結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器特性，確定操作方式和優(yōu)化操作條件l根據(jù)產(chǎn)量，設(shè)計(jì)反應(yīng)裝置，確定反應(yīng)

4、器的幾何尺寸，并進(jìn)行評(píng)價(jià)。2/21/2022精選課件8反應(yīng)器的特性： 是指器內(nèi)反應(yīng)流體的流動(dòng)狀態(tài)、混合狀態(tài)以及器內(nèi)的傳熱性能等，它們又將隨反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)和幾何尺寸而異。均相反應(yīng)的特點(diǎn)： 反應(yīng)過(guò)程中不存在相間傳遞過(guò)程，影響反應(yīng)速率物理因素只有物料的混合和流動(dòng)狀態(tài)兩個(gè)方面。2/21/2022精選課件9 均相反應(yīng)器按物料的混合狀態(tài)分類(lèi)反應(yīng)器完全混合型反應(yīng)器間歇反應(yīng)器BR全混流反應(yīng)器CSTR活塞流反應(yīng)器PFR 2/21/2022精選課件10完全混合反應(yīng)器的定義 是指器內(nèi)反應(yīng)流體處于完全混合狀態(tài)，在反應(yīng)器內(nèi)的混合是瞬間完成的，以致在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)各處物料的濃度和溫度完全相同。且等于反應(yīng)器出口處物料濃度和

5、溫度，返混達(dá)最大限度。2/21/2022精選課件11平推流反應(yīng)器的定義平推流反應(yīng)器的定義; ; 指器內(nèi)反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進(jìn)行移動(dòng)，完全不存在不同停留時(shí)間的物料的混合。不存在返混。2/21/2022精選課件123.2 反應(yīng)器操作中的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)反應(yīng)器操作中的幾個(gè)術(shù)語(yǔ) 1.1.反應(yīng)時(shí)間：反應(yīng)時(shí)間：是指反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器后，從實(shí)際發(fā)生反應(yīng)的時(shí)刻起，到反應(yīng)達(dá)某個(gè)轉(zhuǎn)化率時(shí)所需的時(shí)間。(主要用于間歇反應(yīng)器)P572.2.停留時(shí)間：停留時(shí)間：是指反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器的時(shí)刻算起到它們離開(kāi)反應(yīng)器的時(shí)刻為止，所用的時(shí)間。(主要用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器)。-P127 精選課件132/21/20220VRV， 量

6、 綱 ：時(shí) 間2/21/2022精選課件143.3.1 概述概述分批式（又稱(chēng)間歇）操作：分批式（又稱(chēng)間歇）操作： 是指反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi)，而在反應(yīng)過(guò)程中不再向反應(yīng)器投料，也不向外排出反應(yīng)物，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率后再全部放出反應(yīng)產(chǎn)物。充分（完全）混合：充分（完全）混合： 指反應(yīng)器內(nèi)的物料在攪拌的作用下，其參數(shù)（如溫度，濃度等）各處均一。2/21/2022精選課件152/21/2022精選課件16l 反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出。l物料充分混合，無(wú)返混；同一瞬時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)溫度相同、濃度相同；而且出料與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；所有物料在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間（停留時(shí)間）相同。l非穩(wěn)態(tài)操

7、作，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度隨反應(yīng)時(shí)間連續(xù)變化。l具有周期性l具有靈活性2/21/2022精選課件17（1）反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算）反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算的積累速度反應(yīng)器中的反應(yīng)量單位時(shí)間的流出量單位時(shí)間的流入量單位時(shí)間AAAAARr VdtCVdAR）（ARr VARAd VCdndtdt（）ABR2/21/2022精選課件18上式寫(xiě)成轉(zhuǎn)化率的形式： 0()AAARdxnr Vdt )1 (0AAAxnnAAAdxndn0精選課件192/21/2022 t為使A反應(yīng)達(dá)到所要求轉(zhuǎn)化率xA所需時(shí)間，而不是一批產(chǎn)品生產(chǎn)所需時(shí)間。00()AxAARAdxtnVr積分得AAACCAAxAAArdCrdxCt000（VR恒定

8、）精選課件202/21/2022 上述積分式可用解析法、數(shù)值法、圖解法（恒容時(shí)，如下圖）進(jìn)行求解。t1/rA CAt/CA01/rA xA精選課件212/21/2022若反應(yīng)速率方程：01AAArkCX 1100011(1)11AxAAAAAXdxtkCkCX當(dāng) 時(shí)，1AArkC11ln1AtkX思考：從上式可得出什么結(jié)論？-P58精選課件222/21/2022（2）反應(yīng)器有效體積）反應(yīng)器有效體積VR的計(jì)算的計(jì)算 一批操作若非生產(chǎn)時(shí)間為t0,每批操作所需時(shí)間為t+t0。生產(chǎn)一批產(chǎn)品所需反應(yīng)器的有效體積： VR=V0 (tt0) 式中：式中： t0是輔助生產(chǎn)時(shí)間，包括加料、排料、清洗反應(yīng)器和物料

9、的升溫、冷卻。 V0 是平均每小時(shí)反應(yīng)物料的體積處理量。精選課件232/21/2022（3）反應(yīng)器實(shí)際體積）反應(yīng)器實(shí)際體積V的計(jì)算的計(jì)算 反應(yīng)器的實(shí)際體積是考慮了裝料系數(shù)后的實(shí)際體積（不包括換熱器、攪拌器的體積）。RVV式中：是裝料系數(shù)，一般為0.40.85，不起泡、不沸騰物料取0.70.85，起泡、沸騰物料取0.40.6精選課件242/21/2022例題3.1-祥見(jiàn)P58，自學(xué)。n3.3.3 最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間n反應(yīng)器的最佳反應(yīng)條件總是圍繞一定的優(yōu)化目標(biāo)來(lái)選擇的，如使產(chǎn)品的成本最低或使單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量最大。對(duì)于間歇反應(yīng)器而言，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)量逐漸增加，但生產(chǎn)效率下降。n以單位操作時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量

10、為優(yōu)化目標(biāo)說(shuō)明此問(wèn)題。精選課件252/21/2022當(dāng)反應(yīng)器體積一定時(shí)，輔助時(shí)間一定，產(chǎn)物濃度一定，則單位操作時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量FR為：利用數(shù)學(xué)知識(shí)可得：0rRRV CFtt上式對(duì)t求導(dǎo)得： 0200RRRrdCttCdFdtVdttt00RRdCttCdt0RRdCCdttt精選課件262/21/2022 最佳反應(yīng)時(shí)間的求解，可利用積分，也可利用圖解方法求解。n圖中曲線(xiàn)MN為產(chǎn)物濃度CR隨反應(yīng)時(shí)間t的變化關(guān)系。n通過(guò)點(diǎn)A（-t0,0）對(duì)曲線(xiàn)MN作切線(xiàn)AM，其斜率：A D 0MN CR0ttCADMDdtdCRMR精選課件272/21/20223.3.4 平行反應(yīng)n在等溫間歇反應(yīng)器中，設(shè)進(jìn)行的反應(yīng)為

11、一平行反應(yīng)： AP rP=k1CA P為目的產(chǎn)物AQ rQ=k2CA12APQArrkkC 對(duì)于均相、恒容過(guò)程，對(duì)反應(yīng)A組分進(jìn)行物料衡算。 00AfXAAAdXtCrAACCAArdCt0精選課件282/21/2022設(shè)初值條件為：t=0時(shí)，CA=CAO，CP=0，CQ=0，則方程的解為0012AAAACCAACCAAdCdCtrkkC 即：同理：0dtdnrPP0PPdCrdt 精選課件292/21/2022同理可得： tkkCkCkdtdCAAP21011exptkkkkCkCAP212101exp1tkkkkCkCAQ212102exp1同理可得： 反應(yīng)物系的組成隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3.

12、3所示。由圖可見(jiàn)，t ，CA，而CP、CQ。 精選課件302/21/2022圖圖3-3 3-3 平行反應(yīng)組成隨時(shí)間的變化關(guān)系平行反應(yīng)組成隨時(shí)間的變化關(guān)系精選課件312/21/2022由圖可見(jiàn)，t ，CA，而CP、CQ，而且 。n由于兩個(gè)反應(yīng)均是一級(jí)，而且反應(yīng)方程形式完全相同，否則不成立，如例題3.2，由于產(chǎn)物P是目的產(chǎn)物，希望k1k2。n例題3.2P6263，自學(xué)。21kkCCQP精選課件322/21/20223.3.5 連串反應(yīng)n設(shè)在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行如下的一級(jí)不可逆連串反應(yīng)（恒容）： n各組分的動(dòng)力學(xué)方程： AACkr1QAPCkCkr21PQCkr2n設(shè)初值條件為：當(dāng)t=0時(shí)， 0,

13、0,0QPAACCCCn則有：精選課件332/21/2022102112exp()exp()APk CCk tk tkk0AAPQCCCC2112012exp()exp()1QAkk tkk tCCkk反應(yīng)物系組成隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3-4所示，如果P是目的產(chǎn)物，其值有最優(yōu)解。通過(guò)CP對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，可以得到： 0dtdCP令1212lnkkkktopt精選課件342/21/2022精選課件352/21/2022n當(dāng) 時(shí)，則optoptAPtktkkkCkC122101maxexpexp21kk 2111kktop2211,max02()kkkPAkCCk精選課件362/21/20223.4 連

14、續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積3.4.1 連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)：連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)：n連續(xù)釜式反應(yīng)器，基本在定態(tài)下操作（穩(wěn)連續(xù)釜式反應(yīng)器，基本在定態(tài)下操作（穩(wěn)定操作），有進(jìn)有出定操作），有進(jìn)有出 。n操作特點(diǎn)操作特點(diǎn) 反映物料整體始終均一，即無(wú)濃度和溫度梯度。瞬間實(shí)現(xiàn)均一，即物料進(jìn)入反應(yīng)器后瞬間實(shí)現(xiàn)均勻混合。多用于液相反應(yīng)，恒容操作。精選課件372/21/20223.4.1 連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)：連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)：n連續(xù)釜式反應(yīng)器的重要特性連續(xù)釜式反應(yīng)器的重要特性（1）反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)不隨時(shí)間變化；（2）不存在時(shí)間自變量，也沒(méi)有空間自變量；（2）出口處的C, T與反應(yīng)器

15、內(nèi)的C, T相等，所以反應(yīng)恒速進(jìn)行。 精選課件382/21/20223.4.2 全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程由于該反應(yīng)操作具有如上特性，因此可以對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算。 3/ms3/mkmol000AACQFAfAfCQF0dtdn若反應(yīng)前后體積流量不變，均為Q0，以A組分為衡算對(duì)象，則：進(jìn)口處A組分的摩爾流率（）為，出口處A 組分的摩爾流率為，在定常態(tài)下，由于關(guān)鍵組分的累積速率（）為 0。精選課件392/21/2022AAAA反應(yīng)器中單位時(shí)間單位時(shí)間單位時(shí)間的流入量的流出量的反應(yīng)量的積累速度00AQ CAfCQ0ArfV fAAfArCCQV00000AAfArAAfQ C

16、XXVX這就是連續(xù)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程精選課件402/21/2022全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器的圖解的圖解恒容時(shí)恒容時(shí)2/21/2022精選課件42圖圖3-53-5連續(xù)釜式反應(yīng)器體積的幾何圖示連續(xù)釜式反應(yīng)器體積的幾何圖示圖圖3-6 3-6 并聯(lián)的釜式反應(yīng)器并聯(lián)的釜式反應(yīng)器保證各釜的空時(shí)相同，即各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，這時(shí)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)最優(yōu)。即要 2/21/2022精選課件46圖3-7 多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器 -1Ar 恒容、恒溫，n級(jí)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 r

17、An (b) 多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作 AAAAXkCkCr10對(duì)第p個(gè)釜進(jìn)行物料衡算，有：AApAprprCCQV1000101AApApAApQ CXXkCX011ApAprpApQXXVkX 式中p=1，2， N101ApAprppApXXVQkX1111ApApXkX kCCApAp11,AN01X11(1)A NNACCk 將每一個(gè)釜的衡算方程相乘，得到將每一個(gè)釜的衡算方程相乘，得到：當(dāng)XA0=0，NANkX111NiANAkCC)1 (10,1/1111NANkXN總整個(gè)系統(tǒng)的空時(shí)為： 整個(gè)系統(tǒng)總的反應(yīng)體積為： N1i0rirNQVV對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，沒(méi)有解析解，需要進(jìn)行逐對(duì)于非一級(jí)

18、反應(yīng)，沒(méi)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(guò)釜計(jì)算。根據(jù)已知條件，可以將逐釜計(jì)算過(guò)程分成如下兩種。程分成如下兩種。 （1 1） 每一個(gè)單釜的體積每一個(gè)單釜的體積V Vriri已知已知 此時(shí)每個(gè)釜的空時(shí)已知，逐一的計(jì)算XAp或CAp，直至求出到達(dá)XAN所需的釜數(shù)N。010AApAprpACXXVQ001ApAAAApApXppCCXX AOXA1XA2BXA12RRRRNVVVVANANANAAAAAAArXXXXXXCQV121210100將上式分別對(duì)將上式分別對(duì)XAPXAP（P=1P=1，2 2，N-1N-1）求導(dǎo)得，）求導(dǎo)得，APAPAPAPAPAPAAPrXXXCQ

19、XV1111100令A(yù)PrXV=0，即反應(yīng)總體積最小，有： APrXV11111A PA PA PA PA PA PXXX （P=1，2，N-1） 這便是保證反應(yīng)體積最小所必須遵循的條件。AAAXkC1)(020111APAPAAPXkCXAPAPAPAPAPAPXXXXXX11111P=1，2，N-1 APAAPAPAAPAAPAPAXkCXXCQXkCXXCQ11010010100rPrPVV1即 rPrPVV1即， P=1，2，N-1AAkCr 瞬時(shí)選擇性PPPPAPAAAAdndYsdndXPAdYsdXPAdYsdXAfX0APYsdX總YPf是總收率，針對(duì)整個(gè)反應(yīng)器而言的。 AfA

20、0X0XAfA01SX-XAsdXYPf是總收率，針對(duì)整個(gè)反應(yīng)而言的。 討論：討論：(1) X(1) XA A時(shí)，時(shí)，SS的情形（如下圖的情形（如下圖A A） 對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器 對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，總選擇性=整個(gè)曲邊 梯形的積分面積對(duì)于連續(xù)釜式反應(yīng)器，總選擇性=矩形的面積從圖中可以看出，多釜串聯(lián)系統(tǒng)介于間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器之間。圖圖 3.10 3.10 釜式反應(yīng)器的最終收率釜式反應(yīng)器的最終收率112212,PABQABABP rk C CPABQ rk C C為目標(biāo)產(chǎn)物。瞬時(shí)選擇性為PPAAs111222112pABPQABABrk CCsrrk CCk CC21212111ABs

21、kCCk210 ，210要獲得高的選擇性，則要求CA 、CB，選何種反應(yīng)器？ 210 ，210要獲得高的選擇性，則要求CA ，CB；選何種反應(yīng)器？ 210 ，210210 ，要獲得高的選擇性，則要求CB，CA，選何種反應(yīng)器？選擇（d）B先加且一次性加入，A為連續(xù)性加入，一般先快后慢。加料方式的選擇（加料方式的選擇（a a） 加料方式的選擇（加料方式的選擇（b b） k1K2APQ A0Ar01AC-CV=Qk CrP01A2PVC=Qk Ck CA0A1CC =1kA01P12CkC =1k1kP1PA012CkY =(dV0)C1k1kPdY=0dOP121=k k1P2max12kY=kk

22、2121lnoptkktkk,max1Y0.368eP12kk1211optkk2211,max2Y()kkkPkk,max1Y0.254P12kkOP121=k k1P2max12kY=kk1211optkk12kk12kkA0AAA0rA01A1AA01AC-C1 C /CVX=Qk Ck C /Ck 1 X1AAP1A2Ak X1XY =k 1-Xk X對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，則有 對(duì)于連續(xù)釜式反應(yīng)器，則有 21k /k1PAA12kY =1X1Xkk應(yīng)該注意：應(yīng)該注意： ABRAABrk C C對(duì)A組分進(jìn)行物料衡算，有通式 00AAAAd VCQ CQCVdt式中：V為反應(yīng)器中反應(yīng)混合物的

23、體積，其值隨時(shí)間而變。假定操作開(kāi)始時(shí)先向反應(yīng)器中注入體積為V0的B，然后連續(xù)地加入A，流量為Q，濃度為CA0，且不連續(xù)導(dǎo)出物料，即Q=0，則00AAAd VCQ CVdt 任意時(shí)間下反應(yīng)混合物的體積為：000tVVQ dtAABrk C C00AAAAd VCQ CQCVdt00AAAAd VCQ CQCVdt00AAAAd VCQ CQCVdt00kCAAAd VCQ CVdt（2 2）若將）若將VCVCA A看成變量，并假設(shè)初始條件：看成變量，并假設(shè)初始條件： t=0,VCt=0,VCA A=0=0。Q Q0 0為常數(shù)。為常數(shù)。001 expAAQ CVCktk0001 expAAktCC

24、k tV Q0001 exp/RAktktCCk tVQA、R組分在半間歇式反應(yīng)釜中的濃度隨時(shí)間的關(guān)系可見(jiàn)P82圖3.13。2/21/2022精選課件783.8 間歇反應(yīng)器的變溫操作計(jì)算間歇反應(yīng)器的變溫操作計(jì)算 在變溫操作操作中，通過(guò)設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的盤(pán)管或夾套向反應(yīng)器提供(或從反應(yīng)器內(nèi)移出)熱量，控制反應(yīng)在所需的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。如果向反應(yīng)器供熱，采用夾套以蒸汽進(jìn)行加熱較為有利，因?yàn)樗休^大的傳熱面積外還能方便地排放冷凝水；如果從反應(yīng)器移熱則應(yīng)用冷卻盤(pán)管更為有利，此時(shí)可以用提高冷卻介質(zhì)流速來(lái)增大傳熱系數(shù)。 2/21/2022精選課件79圖3.1-2帶有換熱器的釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖2/21/2022

25、精選課件803.8.1.3.8.1.間歇反應(yīng)器熱平衡間歇反應(yīng)器熱平衡 式中：K為總括傳熱系；A為傳熱面積；CV和分別表示反應(yīng)流體的恒容比熱和密度；HA為反應(yīng)的焓變；Tm為換熱介質(zhì)溫度。量積累速度反應(yīng)器中熱傳給環(huán)境的熱量單位時(shí)間內(nèi)體系反應(yīng)的放熱量單位時(shí)間內(nèi)()()()VAARmdC TVHr VKA TTdt由于間歇反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的物料具有相同的溫度，所以可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算：2/21/2022精選課件81對(duì)于恒容過(guò)程，將 代入上式0AAARdxnrVdt ()AmVRdxdTKATTdtdtc V0()ArvCHc AAACCAAxAAArdCrdxCt000要求反應(yīng)時(shí)間要與 聯(lián)立求解。2

26、/21/2022精選課件82l 若為恒溫過(guò)程l 即要使反應(yīng)在等溫下進(jìn)行，反應(yīng)放出(或吸收)的熱量必須隨時(shí)等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量。這是辦不到的？0dtdT()()AARmHrVKA TT2/21/2022精選課件83dtTVCdVrHvAr)()(3.8.3 3.8.3 絕熱操作絕熱操作與環(huán)境無(wú)任何熱交換對(duì)于恒容過(guò)程有)()(AvrrCHdtdTAdxdTdtdt2/21/2022精選課件84當(dāng)t=0時(shí)，T=T0,xA=xA0。積分得00()AATTxx式中稱(chēng)為絕熱溫升，在一定工況下，近似為常數(shù)；計(jì)算時(shí)，各參數(shù)取平均操作溫度下物料的各值。2/21/2022精選課件85 3.9.1 全混流反

27、應(yīng)器的熱衡算方程全混流反應(yīng)器的熱衡算方程(常稱(chēng)為操常稱(chēng)為操作方程式作方程式) 若忽略反應(yīng)流體的密度和定壓比熱隨溫度的變化，反應(yīng)器在定常態(tài)下操作時(shí)對(duì)反應(yīng)器作熱量衡算有： 000()()0PPmARAV C TV C TKA TTr VH 00()()()ARAPmrVHVCTTKA TT0過(guò)換熱面?zhèn)鞒鰺釂挝粫r(shí)間內(nèi)通體帶出熱量單位時(shí)間內(nèi)流流體帶入熱量單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)應(yīng)的放熱量單位時(shí)間內(nèi)反2/21/2022精選課件86l 當(dāng)反應(yīng)器在絕熱條件下操作，上式右端的第二項(xiàng)為零，即： 00()()ARAPrVHVCTT00()AAAPCHTTxC2/21/2022精選課件87l連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料溫度均勻一

28、致，若為定態(tài)操作，反應(yīng)是在等溫下進(jìn)行的。如為非定態(tài)操作，屬變溫過(guò)程，即反應(yīng)溫度系隨時(shí)間而變，但不隨空間而變。無(wú)論是定態(tài)操作還是非定態(tài)操作，反應(yīng)過(guò)程的溫度均需由反應(yīng)器的熱量衡算式和物料衡算式來(lái)決定。2/21/2022精選課件88l對(duì)于放熱反應(yīng)，這會(huì)出現(xiàn)定態(tài)不唯一的問(wèn)題，即同時(shí)存在多個(gè)定態(tài)，操作溫度都能滿(mǎn)足反應(yīng)器的熱量及物料衡算式。這些定態(tài)中有些定常態(tài)具有抗外界干擾的能力，即在外界干擾使其偏離了原來(lái)定態(tài)，而系統(tǒng)本身具有抑制這種使其發(fā)生偏離的干擾的影響并在干擾因素消失后它又能自動(dòng)回復(fù)到原來(lái)的定態(tài)操作點(diǎn)，這類(lèi)定態(tài)我們稱(chēng)之為穩(wěn)定的定態(tài)。那些不具有抗干擾能力的定態(tài)則稱(chēng)為是不穩(wěn)定的，這就是要討論的定態(tài)穩(wěn)定性

29、問(wèn)題。 2/21/2022精選課件89 為了方便地看出反應(yīng)器內(nèi)傳熱過(guò)程的這一特點(diǎn)，將熱量衡算式改寫(xiě)成如下形式： 令： 放熱速率 移熱速率0000()1 ARAmPPPrVHKATKATTVCVCVC0()ARAGPrVHQVC0001 mrPPKATKAQTTVCVC2/21/2022精選課件90l放熱速率線(xiàn)為一曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的形狀和k值與溫度的關(guān)系有關(guān)。以一級(jí)不可逆反應(yīng)為例： 由上式可知：放熱曲線(xiàn)QG為S型曲線(xiàn)。移熱速率Qr線(xiàn)為一直線(xiàn)，線(xiàn)、Qr線(xiàn)的交點(diǎn)為熱平衡點(diǎn)。由于參數(shù)（冷卻介質(zhì)的進(jìn)料溫度）的不同，Qr線(xiàn)有不同的斜率和位置，如下圖所示。00000000()() exp()1expARAARAA RAGPPPPCEkVHC VH kkCVHkRTQEv Cv Cv Cv CkRT精選課件912/21/2022 Q Qr1 Qr2 Qr3 QG T (a) Q Qr QG c b a T Ta Tb Tc (