釜式反應(yīng)器反應(yīng)工程PPT課件

1、間歇操作(batch reactor, BR)連續(xù)操作(continuous stirred tank reactor, CSTR) 用途：絕大多數(shù)用作有液相參與的反應(yīng)，如：液液、液固、氣液、氣液固反應(yīng)等。操作方式：間歇、連續(xù)、半間歇第1頁(yè)/共36頁(yè)本章內(nèi)容本章內(nèi)容 釜式反應(yīng)器的物料衡算通式 等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算 連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián) 釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性 變溫間歇釜式反應(yīng)器 連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作第2頁(yè)/共36頁(yè):反應(yīng)器進(jìn)料的體積流量0Q:反應(yīng)器出料的體積流量Q:反應(yīng)器進(jìn)料中關(guān)鍵組分濃度0ic:反應(yīng)器出料中關(guān)鍵組分濃度ic:反應(yīng)體積rVic

2、QrV0Q0ic假設(shè) 反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均一 反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均一 取整個(gè)反應(yīng)體積作控制體積釜式反應(yīng)器的物料衡算通式第3頁(yè)/共36頁(yè)icQrV0Q0ic釜式反應(yīng)器的物料衡算通式iriiidndtVdtQcdtcQR00KidtdnVQccQiriii,2, 100 R其中：MKrMjjiji R 1對(duì)反應(yīng)物為負(fù)對(duì)產(chǎn)物為正假設(shè) 反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均一 反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均一 在 dt 時(shí)間間歇內(nèi)對(duì)整個(gè)反應(yīng)器做關(guān)鍵組分 i 的物料衡算：第4頁(yè)/共36頁(yè))(00ttQVr1.反應(yīng)體積 t 為反應(yīng)時(shí)間：裝料完畢開始反應(yīng)算起到達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。計(jì)算關(guān)鍵t0 為輔助時(shí)間：裝料、卸料、清洗所需時(shí)間之和

3、。經(jīng)驗(yàn)給定操作時(shí)間等溫 BR 的計(jì)算2.反應(yīng)器的體積 fVVrf：裝填系數(shù) ，由經(jīng)驗(yàn)確定,一般為 0.40.85第5頁(yè)/共36頁(yè)00 QQ對(duì)非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)時(shí)間內(nèi)：01dtdnrViMjjijr物料衡算式則物料衡算通式變形為： 3.反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算等溫 BR 的計(jì)算00dtdXnVAAArRAfXArAAVdXnt00)( R恒容反應(yīng)AfXAAAdXct00)( R0,0AXt 單一反應(yīng)fAXAAArdXct 00第6頁(yè)/共36頁(yè)一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)非一級(jí)反應(yīng)非一級(jí)反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間相同相同 達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間與反達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器大小無(wú)關(guān)，只取決于動(dòng)力學(xué)因素。應(yīng)器大小

4、無(wú)關(guān)，只取決于動(dòng)力學(xué)因素。 溫度越高，速率常數(shù)溫度越高，速率常數(shù) k 越大，則達(dá)到越大，則達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間 t 越短。越短。區(qū)別區(qū)別t 與與cA0無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)t 與與cA0有關(guān)有關(guān)101) 1(1)1 (AAfkcXtAfXkt11ln1等溫 BR 的計(jì)算第7頁(yè)/共36頁(yè)例：在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02 mol/L，反應(yīng)速率常數(shù)等于4.6 L/(mol min)。試求乙酸乙酯轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到 80、90和 95時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH

5、523523BA AfXAAAdXct00)( RAfXAAAAXkcdXc02200)1 (AAAXXkc110得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min第8頁(yè)/共36頁(yè)對(duì)各組分作物料衡算(恒容條件)：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)，因此，此三式中僅二式是獨(dú)立的。對(duì)A：對(duì)P：對(duì)Q：0)(21dtdcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA 復(fù)合反應(yīng)等溫 BR 的計(jì)算 3.反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算AQAPckrQAckrPA21 第9頁(yè)/共36頁(yè)組分組分濃度濃度APQ反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間時(shí)間)(021tkkAAecc)(210

6、1211 tkkApekkckcAAccnkkt0211)(2102211 tkkAQekkckc00 0 0QPAAcccct，時(shí)，設(shè)等溫 BR 的計(jì)算AQAPckrQAckrPA21 第10頁(yè)/共36頁(yè)平行反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系示意圖PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意時(shí)刻兩個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物濃度之比，等于兩個(gè)反應(yīng)速率常數(shù)之比等溫 BR 的計(jì)算第11頁(yè)/共36頁(yè)將上述結(jié)果推廣到含有M個(gè)一級(jí)反應(yīng)的平行反應(yīng)系統(tǒng) ：)(01MiktAAecc反應(yīng)物A的濃度為：1 )(101MiktMiAiiekckc反應(yīng)產(chǎn)物的濃度為：反應(yīng)時(shí)間確定后，即可確定必需的反應(yīng)體積。等溫 BR 的計(jì)算 復(fù)合反應(yīng)

7、第12頁(yè)/共36頁(yè) 復(fù)合反應(yīng)連串反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)連串反應(yīng)對(duì)A作物料衡算：AAckdtdc1對(duì)P作物料衡算：PAPckckdtdc21等溫 BR 的計(jì)算QPAtkAAecc10)(122101tktkAPeekkckc1 2112021kkekekcctktkAQ00 0 0QPAAcccct，時(shí)，設(shè)第13頁(yè)/共36頁(yè)0dtdcP令：2121)/(kkkkntopt得：等溫 BR 的計(jì)算連串反應(yīng)組分濃度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系示意圖QPAt0AcPcQcopttc第14頁(yè)/共36頁(yè)物料衡算式等溫CSTR 的計(jì)算對(duì)穩(wěn)態(tài)操作，有：0dtdniKirVQccQMjjijrii,2, 1100 則物料衡算通式變?yōu)椋篈

8、AArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV 單一反應(yīng)第15頁(yè)/共36頁(yè) 空時(shí)與空速的概念：空時(shí)與空速的概念： 空時(shí)：進(jìn)料體積流量反應(yīng)體積0QVr（因次：時(shí)間） , Q o處理能力表明 空速的意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位反應(yīng)體積所處理的物料量。 空速越大，反應(yīng)器的原料處理能力越大。rAArVcFVQ0001 空速：-1:時(shí)間因次等溫CSTR 的計(jì)算第16頁(yè)/共36頁(yè)對(duì)關(guān)鍵組分A有：對(duì)目的產(chǎn)物P有：對(duì)副產(chǎn)物Q有：三式中有兩式獨(dú)立，可解Vr、XA、YP三者關(guān)系A(chǔ)AfArckkXcQV)(21000 010pAprcckcQV設(shè)，0 020QAQrcckcQV設(shè)， 復(fù)合

9、反應(yīng)平行反應(yīng)等溫CSTR 的計(jì)算第17頁(yè)/共36頁(yè)AAfArckXcQV100對(duì)中間產(chǎn)物P：0 0210ppAprcckckcQV設(shè)，對(duì)最終產(chǎn)物Q：0 020QPQrcckcQV設(shè)，等溫CSTR 的計(jì)算 復(fù)合反應(yīng)連串反應(yīng)對(duì)關(guān)鍵組分A有：三式中有兩式獨(dú)立，可解Vr、XA、YP三者關(guān)系第18頁(yè)/共36頁(yè)小結(jié)：等溫反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)方程反應(yīng)BRCSTRAAArcc)(0RBAQAPAQPAAfXAAArdXct0001dtdcckAA0)(21dtdcckckPPA0)(21dtdcckkAA01dtdcckPAAAfAckkXc)(210Apckc1AAfAckXc10pApckckc21第19頁(yè)/共3

10、6頁(yè)AACSTRrXc0XAABRrdXct00BR和CSTR反應(yīng)體積的比較第20頁(yè)/共36頁(yè)思考思考 1. 用一個(gè)大反應(yīng)器好還是幾個(gè)小反應(yīng)器好用一個(gè)大反應(yīng)器好還是幾個(gè)小反應(yīng)器好?（Vr最小最小) 2. 若采用多個(gè)小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？若采用多個(gè)小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？ （Vr最小最小) 3. 若多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作，則各釜的體積是多少？若多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作，則各釜的體積是多少？或各釜的最佳反應(yīng)體積比如何？或各釜的最佳反應(yīng)體積比如何？連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)第21頁(yè)/共36頁(yè) 正常動(dòng)力學(xué)ABDEF2AXAX1AXAR10HK)(2200AAAArXXcQVR單釜)()()(212

11、001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVRR兩釜串聯(lián)連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)1.圖解分析第22頁(yè)/共36頁(yè)正常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率 隨XA增加而降低。多釜串聯(lián)比單釜有利，總反應(yīng)體積小于單釜體積。)(AR對(duì)于正常動(dòng)力學(xué)，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。(但操作復(fù)雜程度增大，附屬設(shè)備費(fèi)用增大）反常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率 隨XA增加而增加。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。)(AR連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)1.圖解分析 小結(jié)第23頁(yè)/共36頁(yè)2. 2. 串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計(jì)串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計(jì)算算連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)0Q0iC1 iC2iC1ipC1iNCiNCipC1rV12rV2rpVprN

12、VN 串聯(lián)釜式反應(yīng)器假設(shè)：各釜體積相同，且各釜的進(jìn)料可近似認(rèn)為相等，則各釜的空時(shí) 相等。 各釜操作溫度相同，則各釜的速率常數(shù) k 相等。)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR對(duì)第P釜作組分A的物料衡算：第24頁(yè)/共36頁(yè)對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)：)1 (0AAXkcrNPXkXXQVApApAprp, 2 , 1,)1 ()(10 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)2. 串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計(jì)算)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR)1 (10ApApAprXkXXQV ANNXk11)1 ( 1)11(11NANXkN個(gè)釜A

13、pApXXk1111注意：其中的 為單釜空時(shí)，總空時(shí)為N 。第25頁(yè)/共36頁(yè)3.3.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比比 即：在釜數(shù)及最終轉(zhuǎn)化率已規(guī)定情況下,為使總的反應(yīng)體積最小,各釜反應(yīng)體積存在一個(gè)最佳比例。.12121010021ANANANAAAAAAXXXXXXArNrrrcQVVVVRRR 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)對(duì)單一反應(yīng)，總反應(yīng)體積為：1, 2 , 1, 0NPXVApr 據(jù)此求得各釜的轉(zhuǎn)化率，從而求得 此時(shí) 最小。rpVrV第26頁(yè)/共36頁(yè)小結(jié)：串聯(lián)釜式反應(yīng)器進(jìn)行小結(jié)：串聯(lián)釜式反應(yīng)器進(jìn)行 級(jí)反應(yīng)：級(jí)反應(yīng)：?jiǎn)胃獌?yōu)于串聯(lián)釜，積。串聯(lián)總體積等于單釜體，各

14、釜體積依次減小。，各釜體積相等。，釜在前，大釜在后。各釜體積依次增大，小， 0 0 10 1 1連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.串聯(lián)釜式反應(yīng)器的最佳反應(yīng)體積比 第27頁(yè)/共36頁(yè)釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性ApAppAAppAdXdYdndnS)()(RR瞬時(shí)瞬時(shí)收率瞬時(shí)選擇性:pYS 1.總收率與總選擇性AfoXApfXSSdXYAf0則：ApSdXdY 總收率或最終收率:pfY最終轉(zhuǎn)化率:AfX總選擇性:oSAfXAAfoSdXXS01 第28頁(yè)/共36頁(yè) 總選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系取決于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)器形式和操作方式等。因此，同是釜式反應(yīng)器，由于操作方式不同，雖然最終轉(zhuǎn)化率一樣，但最終

15、收率卻不一樣。釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性1.總收率與總選擇性 當(dāng)瞬時(shí)選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)增加時(shí)，收率順序：間歇釜多個(gè)連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜 當(dāng)瞬時(shí)選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)下降時(shí)，收率順序：間歇釜多個(gè)連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜第29頁(yè)/共36頁(yè)變溫間歇操作的熱量衡變溫間歇操作的熱量衡算算 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，反應(yīng)器的熱量衡算為：Uq即：與環(huán)境交換的熱=內(nèi)能的變化變溫間歇釜式反應(yīng)器HqdHdq 間歇釜式反應(yīng)器用焓變代替內(nèi)能的變化 CBACBArTHHT31 2dHTr為計(jì)算的基準(zhǔn)溫度第30頁(yè)/共36頁(yè))(1TTcmdtcmHrpttTTpttr)(3rpttdTTTpttTdt

16、TcmdtcmHr（單一反應(yīng)） RdtVHdHrAr)(2變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇操作的熱量衡算dtVHdtcmHdHHdHrArptt)(321R 為反應(yīng)物的比熱容ptc為反應(yīng)物的質(zhì)量tm間的平均比熱容為溫度rptTTc CBACBArTHHT31 2dH第31頁(yè)/共36頁(yè)dtTTUAdqCh)(又：式中：U為總傳熱系數(shù) Ah為傳熱面積 Tc為環(huán)境溫度變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇操作的熱量衡算)()(ArrchpttVHTTUAdtdTcmR)()(ArrchVHTTUAR討論等溫反應(yīng)絕熱反應(yīng)ApttrAXcmHnTT)(00dtdXHnTTUAdtdTcmArAchptt0)(rAAAVdtdXn)(0R第32頁(yè)/共36頁(yè)1.1.連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式式定態(tài)操作熱量衡算式為：定態(tài)操作熱量衡算式為：Hq連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作)()()()(000TTUAVHTTcQchrATrptRqH)()()(0000TTUAXcHTTcQchAATrptptTrAAcHXcTT0)(00對(duì)絕熱反應(yīng)，有AXTT0ptrAcHc)(0：絕熱溫升，表示當(dāng)反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化時(shí)物系溫度的變化。第33頁(yè)/共36頁(yè)2.2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)熱穩(wěn)定性連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)熱穩(wěn)定性 定態(tài)下操作的連續(xù)釜式反應(yīng)器，其操作溫度和定態(tài)下操作的連續(xù)釜式反應(yīng)器，其操作溫度和