釜式反應(yīng)器化工課件

2022/11/11第三章

釜式反應(yīng)器

2022/10/231第三章

釜式反應(yīng)器

2022/11/12反應(yīng)器的分析與設(shè)計是《反應(yīng)工程》的重要組成部分和主要任務(wù)。反應(yīng)器設(shè)計的任務(wù)就是確定進行化學(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。對于反應(yīng)器的分析計算需要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，本章將針對兩類理想的反應(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)計問題等。具體內(nèi)容包括：2022/10/232反應(yīng)器的分析與設(shè)計是《反應(yīng)工程》的重要2022/11/13研究內(nèi)容3.1等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（單一反應(yīng)）3.2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（復(fù)合反應(yīng)）3.3全混流反應(yīng)器的設(shè)計3.4全混流反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.5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)器的計算3.7全混流反應(yīng)器的定態(tài)操作與分析2022/10/233研究內(nèi)容2022/11/14重點掌握等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（單一反應(yīng)、平行與連串反應(yīng)）。連續(xù)釜式反應(yīng)器的計算?？諘r和空速的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計計算中的應(yīng)用。連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)。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。連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式的建立與應(yīng)用。2022/10/234重點掌握等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（單一2022/11/15深入理解◆變溫間歇釜式反應(yīng)器的計算。

廣泛了解串聯(lián)釜式反應(yīng)器最佳體積的求取方法。連續(xù)釜式反應(yīng)器的多定態(tài)分析與計算。產(chǎn)生多定態(tài)點的原因，著火點與熄火點的概念

2022/10/235深入理解◆變溫間歇釜式反應(yīng)器的計算。2022/11/163.1概述※反應(yīng)的特點及其對反應(yīng)器的要求化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜反應(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)器中進行連續(xù)操作；非均相反應(yīng)要求傳質(zhì)效果要好。許多反應(yīng)過程的熱效應(yīng)大工藝條件變化范圍寬反應(yīng)介質(zhì)的腐蝕性2022/10/2363.1概述※反應(yīng)的特點及其對反應(yīng)器的2022/11/173.1概述※反應(yīng)器開發(fā)的三個任務(wù)根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)特性，選擇合適的反應(yīng)器形式結(jié)合動力學(xué)和反應(yīng)器特性，確定操作方式和優(yōu)化操作條件根據(jù)產(chǎn)量，設(shè)計反應(yīng)裝置，確定反應(yīng)器的幾何尺寸，并進行評價。2022/10/2373.1概述※反應(yīng)器開發(fā)的三個任務(wù)2022/11/18※反應(yīng)器的特性：是指器內(nèi)反應(yīng)流體的流動狀態(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?！喾磻?yīng)的特點：反應(yīng)過程中不存在相間傳遞過程，影響反應(yīng)速率物理因素只有物料的混合和流動狀態(tài)兩個方面。2022/10/238※反應(yīng)器的特性：2022/11/193.1概述※均相反應(yīng)器按物料的混合狀態(tài)分類反應(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PFR2022/10/2393.1概述※均相反應(yīng)器按物料的混2022/11/110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溫度，返混達最大限度。2022/10/2310完全混合反應(yīng)器的定義2022/11/111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行移動，完全不存在不同停留時間的物料的混合。不存在返混。2022/10/2311平推流反應(yīng)器的定義;2022/11/1123.2反應(yīng)器操作中的幾個術(shù)語

1.反應(yīng)時間：是指反應(yīng)物料進入反應(yīng)器后，從實際發(fā)生反應(yīng)的時刻起，到反應(yīng)達某個轉(zhuǎn)化率時所需的時間。(主要用于間歇反應(yīng)器)P57

2.停留時間：是指反應(yīng)物料從進入反應(yīng)器的時刻算起到它們離開反應(yīng)器的時刻為止，所用的時間。(主要用于連續(xù)流動反應(yīng)器)。--P127

2022/10/23123.2反應(yīng)器操作中的幾個術(shù)語132022/11/1４.空間時間----P66３.平均停留時間

---P134流體微元平均經(jīng)歷的時間稱為平均停留時間。

是反應(yīng)器的有效體積VR與進料的體積流量V0之比。物理意義是處理一個反應(yīng)器體積的物料所需要的時間。反映反應(yīng)器的生產(chǎn)強度。132022/10/23４.空間時間----P66３.平均停2022/11/1143.3等溫條件下，分批式操作的完全混合反應(yīng)器（BR）理想反應(yīng)器的設(shè)計分析3.3.1概述★分批式（又稱間歇）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)達到要求的轉(zhuǎn)化率后再全部放出反應(yīng)產(chǎn)物?！锍浞郑ㄍ耆┗旌希褐阜磻?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。2022/10/23143.3等溫條件下，分批式操作的完全2022/11/1152022/10/23152022/11/116★間歇反應(yīng)器特點

反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出。物料充分混合，無返混；同一瞬時，反應(yīng)器內(nèi)各點溫度相同、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)時間（停留時間）相同。非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度隨反應(yīng)時間連續(xù)變化。具有周期性具有靈活性2022/10/2316★間歇反應(yīng)器特點反應(yīng)物料一次加入，2022/11/1173.3.2

間歇反應(yīng)器體積計算（1）反應(yīng)時間的計算

即：00

若反應(yīng)：以反應(yīng)物A為關(guān)鍵組分，A的反應(yīng)速率記作（-rA

），根據(jù)間歇反應(yīng)器的特點，在單位時間內(nèi)對整個反應(yīng)器VR作物料衡算：2022/10/23173.3.2間歇反應(yīng)器體積計算（1）2022/11/118上式寫成轉(zhuǎn)化率的形式：2022/10/2318上式寫成轉(zhuǎn)化率的形式：192022/11/1t為使A反應(yīng)達到所要求轉(zhuǎn)化率xA所需時間，而不是一批產(chǎn)品生產(chǎn)所需時間。積分得（VR恒定）192022/10/23t為使A反應(yīng)達到所要求轉(zhuǎn)化率xA所202022/11/1

上述積分式可用解析法、數(shù)值法、圖解法（恒容時，如下圖）進行求解。t1/rA—CAt/CA01/rA—xA202022/10/23上述積分式可用解析法、數(shù)值法、212022/11/1若反應(yīng)速率方程：當(dāng)時，思考：從上式可得出什么結(jié)論？--P58212022/10/23若反應(yīng)速率方程：當(dāng)222022/11/1（2）反應(yīng)器有效體積VR的計算

一批操作若非生產(chǎn)時間為t0,每批操作所需時間為t+t0。生產(chǎn)一批產(chǎn)品所需反應(yīng)器的有效體積：

VR′=V0

(t＋t0)

式中：

t0是輔助生產(chǎn)時間，包括加料、排料、清洗反應(yīng)器和物料的升溫、冷卻。

V0

是平均每小時反應(yīng)物料的體積處理量。222022/10/23（2）反應(yīng)器有效體積VR的計算232022/11/1（3）反應(yīng)器實際體積V的計算

反應(yīng)器的實際體積是考慮了裝料系數(shù)后的實際體積（不包括換熱器、攪拌器的體積）。

式中：Ф是裝料系數(shù)，一般為0.4～0.85，不起泡、不沸騰物料取0.7～0.85，起泡、沸騰物料取0.4～0.6232022/10/23（3）反應(yīng)器實際體積V的計算242022/11/1例題3.1---祥見P58，自學(xué)。3.3.3最優(yōu)反應(yīng)時間反應(yīng)器的最佳反應(yīng)條件總是圍繞一定的優(yōu)化目標來選擇的，如使產(chǎn)品的成本最低或使單位時間內(nèi)產(chǎn)量最大。對于間歇反應(yīng)器而言，隨著反應(yīng)時間的延長，產(chǎn)量逐漸增加，但生產(chǎn)效率下降。以單位操作時間內(nèi)的產(chǎn)量為優(yōu)化目標說明此問題。242022/10/23例題3.1---祥見P58，自學(xué)。3252022/11/1當(dāng)反應(yīng)器體積一定時，輔助時間一定，產(chǎn)物濃度一定，則單位操作時間內(nèi)的產(chǎn)量FR為：利用數(shù)學(xué)知識可得：上式對t求導(dǎo)得：252022/10/23當(dāng)反應(yīng)器體積一定時，輔助時間一定，產(chǎn)262022/11/1

最佳反應(yīng)時間的求解，可利用積分，也可利用圖解方法求解。圖中曲線MN為產(chǎn)物濃度CR隨反應(yīng)時間t的變化關(guān)系。通過點A（-t0,0）對曲線MN作切線AM，其斜率：AD0MNCR262022/10/23最佳反應(yīng)時間的求解，可272022/11/13.3.4平行反應(yīng)在等溫間歇反應(yīng)器中，設(shè)進行的反應(yīng)為一平行反應(yīng)：

A→P

rP=k1CAP為目的產(chǎn)物

A→Q

rQ=k2CA對于均相、恒容過程，對反應(yīng)A組分進行物料衡算。272022/10/233.3.4平行反應(yīng)在等溫間歇反應(yīng)282022/11/1設(shè)初值條件為：t=0時，CA=CAO，CP=0，CQ=0，則方程的解為

即：同理：282022/10/23設(shè)初值條件為：t=0時，CA=CAO292022/11/1同理可得：同理可得：

反應(yīng)物系的組成隨時間的變化關(guān)系如圖3.3所示。由圖可見，t↑，CA↓，而CP↑、CQ↑。

292022/10/23同理可得：同理可得：反應(yīng)物系的302022/11/1圖3-3平行反應(yīng)組成隨時間的變化關(guān)系302022/10/23圖3-3平行反應(yīng)組成隨時間的變化關(guān)312022/11/1由圖可見，t↑，CA↓，而CP↑、CQ↑，而且。由于兩個反應(yīng)均是一級，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k1>k2。例題3.2—P62~63，自學(xué)。312022/10/23由圖可見，t↑，CA↓，而CP↑、322022/11/13.3.5連串反應(yīng)設(shè)在等溫間歇反應(yīng)器中進行如下的一級不可逆連串反應(yīng)（恒容）：各組分的動力學(xué)方程：設(shè)初值條件為：當(dāng)t=0時，則有：322022/10/233.3.5連串反應(yīng)設(shè)在等溫間歇反332022/11/1反應(yīng)物系組成隨時間的變化關(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CP對時間求導(dǎo)數(shù)，可以得到：

令332022/10/23反應(yīng)物系組成隨時間的變化關(guān)系如圖3-342022/11/1342022/10/23352022/11/1當(dāng)時，則352022/10/23當(dāng)時，則362022/11/13.4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：連續(xù)釜式反應(yīng)器，基本在定態(tài)下操作（穩(wěn)定操作），有進有出。操作特點

反映物料整體始終均一，即無濃度和溫度梯度。瞬間實現(xiàn)均一，即物料進入反應(yīng)器后瞬間實現(xiàn)均勻混合。多用于液相反應(yīng)，恒容操作。362022/10/233.4連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積372022/11/13.4.1連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點：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)不隨時間變化；（2）不存在時間自變量，也沒有空間自變量；（2）出口處的C,T與反應(yīng)器內(nèi)的C,T相等，所以反應(yīng)恒速進行。

372022/10/233.4.1連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點：382022/11/13.4.2全混流反應(yīng)器的設(shè)計方程

由于該反應(yīng)操作具有如上特性，因此可以對整個反應(yīng)器進行物料衡算。若反應(yīng)前后體積流量不變，均為Q0，以A組分為衡算對象，則：進口處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。382022/10/233.4.2全混流反應(yīng)器的設(shè)計方392022/11/1這就是連續(xù)反應(yīng)器的設(shè)計方程392022/10/23這就是連續(xù)反應(yīng)402022/11/1全混流反應(yīng)器τ的圖解恒容時402022/10/23全混流反應(yīng)器τ的圖解恒容時2022/11/1413.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.5.1概述轉(zhuǎn)化速率與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系（1）轉(zhuǎn)化速率隨著轉(zhuǎn)化率的增大而降低---正常動力學(xué)，見下圖的A或P68圖3.5A。從該圖可知，在相同條件下，完成相同的任務(wù)，兩釜串聯(lián)的總反應(yīng)體積小于單釜的反應(yīng)體積。即對于正常動力學(xué)反應(yīng)，使用多釜串聯(lián)總是有利的。2022/10/23413.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)32022/11/142圖3-5連續(xù)釜式反應(yīng)器體積的幾何圖示2022/10/2342圖3-5連續(xù)釜式反應(yīng)器體積的幾何圖示2022/11/1433.5.1概述（2）轉(zhuǎn)化速率隨著轉(zhuǎn)化率的增大而增大---反常動力學(xué)。見上圖的B或P68圖3.5B。從該圖可知，在相同條件下，完成相同的任務(wù)，兩釜串聯(lián)的總反應(yīng)體積大于單釜的反應(yīng)體積。即對于反常動力學(xué)反應(yīng)，使用多釜串聯(lián)是不利的。對于反常動力學(xué)，當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)較大時，不宜采用多釜串聯(lián)，則只宜采取多釜并聯(lián)方式，這就涉及如何分配各釜的進料量問題亦即各釜的處理量的大小問題。2022/10/23433.5.1概述（2）轉(zhuǎn)化速率隨著轉(zhuǎn)2022/11/144圖3-6并聯(lián)的釜式反應(yīng)器進料量的分配原則：保證各釜的空時相同，即各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，這時整個反應(yīng)系統(tǒng)最優(yōu)。即要

2022/10/2344圖3-6并聯(lián)的釜式反應(yīng)器進料量的分2022/11/1453.5.2串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算如果采用幾個串聯(lián)的全混流反應(yīng)器來進行原來由一個全混流反應(yīng)器所進行的反應(yīng)，則除了最后—個反應(yīng)器外的所有反應(yīng)器都在比原來單個反應(yīng)器中高的反應(yīng)物濃度下進行反應(yīng)。這樣勢必減少了混合作用所產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。假設(shè)N個串聯(lián)的釜式反應(yīng)器如圖3.7所示。通過對每個釜進行物料衡算，可以得到系統(tǒng)的計算方程。2022/10/23453.5.2串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算如2022/11/146圖3-7多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器

2022/10/2346圖3-7多釜串聯(lián)的全混流反2022/11/147

現(xiàn)在針對1級不可逆反應(yīng)進行解析計算（針對其他級數(shù)反應(yīng)的計算方法相同），動力學(xué)方程為：

假定每個釜的體積相同，即Vr1=Vr2=……，假定進入各釜的體積流率相同，則每一個釜的空時相同τ1=τ2=……=τ，如果反應(yīng)器中的溫度T相同即各釜的k一樣。對第p個釜進行物料衡算，有：2022/10/2347現(xiàn)在針對1級不可逆反2022/11/148即

式中p=1，2，……N即2022/10/2348即式中p=1，2，……N即2022/11/149第N個反應(yīng)釜的出口轉(zhuǎn)化率及組成將每一個釜的衡算方程相乘，得到：當(dāng)XA0=0，2022/10/2349第N個反應(yīng)釜的出口轉(zhuǎn)化率及組成將每一2022/11/150整個系統(tǒng)的空時為：整個系統(tǒng)總的反應(yīng)體積為：對于非一級反應(yīng)，沒有解析解，需要進行逐釜計算。根據(jù)已知條件，可以將逐釜計算過程分成如下兩種。

（1）每一個單釜的體積Vri已知

此時每個釜的空時τ已知，逐一的計算XAp或CAp，直至求出到達XAN所需的釜數(shù)N。2022/10/2350整個系統(tǒng)的空時為：整個系統(tǒng)總的反應(yīng)2022/11/151（2）釜數(shù)N已知----試差方法需要先假設(shè)空時τ，按（1）的方法逐釜計算，求出第N個釜出口的轉(zhuǎn)化率，并與要求的轉(zhuǎn)化率XAN對比，如果不一致需要重新假設(shè)空時τ，重復(fù)進行計算，直到兩者吻合為止。

2022/10/2351（2）釜數(shù)N已知----試差方法需2022/11/152◆作圖方法首先要在二維坐標中繪出轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)速率的關(guān)系曲線，然后利用下面的公式逐釜作折線。---該方程為第p釜的操作線方程2022/10/2352◆作圖方法首先要在二維坐標中繪出轉(zhuǎn)化2022/11/153◆作圖方法若各釜反應(yīng)體積相同，操作溫度相同，反應(yīng)釜的體積已知，即物料衡算線的斜率已確定，則可求出達到最終轉(zhuǎn)化率所需的釜數(shù)。具體步驟-----P71AOXA1XA2BXA2022/10/2353◆作圖方法若各釜反應(yīng)體積相同，操作溫2022/11/1543.5.2串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的最佳反應(yīng)體積在生產(chǎn)任務(wù)（CA0，CAf，Q0）和段數(shù)N給定的情況下，總是希望反應(yīng)體積越小越好，這就涉及各段反應(yīng)體積的最優(yōu)分配問題，即各釜的反應(yīng)體積存在一最佳的比例。這實質(zhì)上也是各釜的出口轉(zhuǎn)化率（最后一釜除外）維持在什么數(shù)值下最好的問題?，F(xiàn)設(shè)所進行的為單一反應(yīng)，則總反應(yīng)體積為：2022/10/23543.5.2串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的最2022/11/155將上式分別對XAP（P=1，2，…N-1）求導(dǎo)得，令=0，即反應(yīng)總體積最小，有：2022/10/2355將上式分別對XAP（P=1，2，…N2022/11/156

若進行一級不可逆反應(yīng)時，（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。2022/10/2356若進行一級不可逆反應(yīng)時，（P=1，2022/11/157若各釜溫度相同，代入上式并化簡，可得：當(dāng)在多段全混流反應(yīng)器中進行一級不可逆反應(yīng)時，各段的反應(yīng)體積相等，總反應(yīng)體積最小。P=1，2，…，N-1即即，P=1，2，…，N-12022/10/2357若各釜溫度相同，代入上式并化簡，可得2022/11/158

對于非一級反應(yīng)。不能直接解析求得各釜反應(yīng)體積間的最佳比例關(guān)系。由于多數(shù)反應(yīng)速率方程形式復(fù)雜，涉及偏微分，一般很難用解析法求解。因此，用圖解法是一種行之有效的方法。具體步驟見李紹芬：“反應(yīng)工程”P74，或王安杰等編著：“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”P40-41。2022/10/2358對于非一級反應(yīng)。不能直接解析求得各2022/11/159結(jié)論對于α級反應(yīng)，

α>1從小釜→大釜排列最優(yōu)；0<α<1從大釜→小釜排列最優(yōu)α=1釜體積相等時最優(yōu)α=0rA與CA無關(guān),多釜串聯(lián)沒有必要α<0單釜優(yōu)于多釜串聯(lián)2022/10/2359結(jié)論對于α級反應(yīng)，α>1從小釜→2022/11/1603.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率和選擇性收率和選擇性與反應(yīng)器的型式、操作方式和操作條件密切相關(guān)。3.6.1總收率與總選擇性

瞬時選擇性2022/10/23603.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收2022/11/161YPf是總收率，針對整個反應(yīng)器而言的。

YPf是總收率，針對整個反應(yīng)而言的。

討論：(1)XA↑時，S↓的情形（如下圖A）

對于間歇釜式反應(yīng)器

對于間歇釜式反應(yīng)器，總選擇性=整個曲邊梯形的積分面積

對于連續(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。2022/10/2361YPf是總收率，YPf是總收率，討論2022/11/162圖3.10釜式反應(yīng)器的最終收率2022/10/2362圖3.10釜式反應(yīng)器的最終收率2022/11/163討論：

(2)XA↑時，S↓的情形（如上圖B）此情況與上述剛好相反。請自學(xué)。3.6.2平行反應(yīng)設(shè)在釜式反應(yīng)器中進行平行反應(yīng)：瞬時選擇性為2022/10/2363討論：

(2)XA↑時，S↓的情形2022/11/164僅討論當(dāng)溫度一定時，反應(yīng)器種類及操作方式的影響討論要獲得高的選擇性，則要求CA↑

、CB↑，選何種反應(yīng)器？

2022/10/2364僅討論當(dāng)溫度一定時，反應(yīng)器種類及操作2022/11/165

宜選擇（a）間歇釜；（b）多釜串聯(lián)（如果體積不等，從小到大排列）。

要獲得高的選擇性，則要求CA↓

，CB↓；選何種反應(yīng)器？

宜選擇單釜連續(xù)操作（f），如果串聯(lián)最好從大→小排列。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。2022/10/2365宜選擇（a）間歇釜；（b）多2022/11/166加料方式加料方式的選擇（a）

2022/10/2366加料方式加料方式的選擇（a）2022/11/167加料方式加料方式的選擇（b）

2022/10/2367加料方式加料方式的選擇（b）2022/11/1683.6.3連串反應(yīng)假設(shè)如下的連串反應(yīng)均為一級，P為目的產(chǎn)物。反應(yīng)在連續(xù)釜式反應(yīng)器中恒容進行，有對A組分，對P組分，2022/10/23683.6.3連串反應(yīng)假設(shè)如下2022/11/169P組分的收率：有：令：P組分的最大收率：2022/10/2369P組分的收率：有：令：P組分的最大收2022/11/170小結(jié)間歇釜連續(xù)釜2022/10/2370小結(jié)間歇釜2022/11/171目的產(chǎn)物與組成的關(guān)系對于間歇釜式反應(yīng)器，則有對于連續(xù)釜式反應(yīng)器，則有2022/10/2371目的產(chǎn)物與組成的關(guān)系對于間歇釜式反應(yīng)2022/11/172間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進行連串反應(yīng)時的反應(yīng)率和收率

2022/10/2372間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進行連串反應(yīng)時的2022/11/173可以通過改變操作溫度的辦法來改變k2/k1

的相對大小，進而實現(xiàn)高的收率。但無論E2和E1相對大小如何，一般采用較高的反應(yīng)溫度，以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)程度；可以使用催化劑來改變k2/k1

應(yīng)該注意：

2022/10/2373可以通過改變操作溫度的辦法來改變k22022/11/1743.7半間歇釜式反應(yīng)器半間歇式反應(yīng)器，其主要目的：（1）提高選擇率；（2）降低反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)安全性；（3）提高反應(yīng)速率。半間歇式反應(yīng)器的特點：反應(yīng)物系的組成均隨時間而變，因此必須以時間作為自變量。下面探討反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)組分與反應(yīng)時間的關(guān)系：2022/10/23743.7半間歇釜式反應(yīng)器半間歇式反2022/11/175假設(shè)：反應(yīng)器內(nèi)進行下列液相反應(yīng)

對A組分進行物料衡算，有通式式中：V為反應(yīng)器中反應(yīng)混合物的體積，其值隨時間而變。假定操作開始時先向反應(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2022/10/2375假設(shè)：反應(yīng)器內(nèi)進行下列液相反應(yīng)

對A2022/11/176若為恒速加料，則Q0為常數(shù)，則V=V0+Q0t任意時間下反應(yīng)混合物的體積為：（1）假設(shè)物料B大量過剩。（2）若將VCA看成變量，并假設(shè)初始條件：

t=0,VCA=0。Q0為常數(shù)。2022/10/2376若為恒速加料，則Q0為常數(shù)，則V=V2022/11/177同理A、R組分在半間歇式反應(yīng)釜中的濃度隨時間的關(guān)系可見P82圖3.13。2022/10/2377同理A、R組分在半間歇式反應(yīng)釜中的濃2022/11/1783.8間歇反應(yīng)器的變溫操作計算

在變溫操作操作中，通過設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的盤管或夾套向反應(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)進行。如果向反應(yīng)器供熱，采用夾套以蒸汽進行加熱較為有利，因為它除有較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)用冷卻盤管更為有利，此時可以用提高冷卻介質(zhì)流速來增大傳熱系數(shù)。2022/10/23783.8間歇反應(yīng)器的變溫操作計算2022/11/179圖3.1-2帶有換熱器的釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖2022/10/2379圖3.1-2帶有換熱器的釜式反應(yīng)器結(jié)2022/11/1803.8.1.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ρ分別表示反應(yīng)流體的恒容比熱和密度；ΔHA為反應(yīng)的焓變；Tm為換熱介質(zhì)溫度。

由于間歇反應(yīng)器內(nèi)各點的物料具有相同的溫度，所以可對整個反應(yīng)器進行熱量衡算：即2022/10/23803.8.1.間歇反應(yīng)器熱平衡式中：K2022/11/181對于恒容過程，將代入上式要求反應(yīng)時間要與聯(lián)立求解。2022/10/2381對于恒容過程，將2022/11/1823.8.2.間歇反應(yīng)器恒溫操作計算

若為恒溫過程即要使反應(yīng)在等溫下進行，反應(yīng)放出(或吸收)的熱量必須隨時等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量。這是辦不到的？2022/10/23823.8.2.間歇反應(yīng)器恒溫操作計算2022/11/1833.8.3絕熱操作與環(huán)境無任何熱交換對于恒容過程有2022/10/23833.8.3絕熱操作與環(huán)境無任何熱交2022/11/184當(dāng)t=0時，T=T0,xA=xA0。積分得式中λ稱為絕熱溫升，在一定工況下，近似為常數(shù)；計算時，各參數(shù)取平均操作溫度下物料的各值。2022/10/2384當(dāng)t=0時，T=T0,xA=xA0。2022/11/1853.9全混流反應(yīng)器的定態(tài)操作

3.9.1

全混流反應(yīng)器的熱衡算方程(常稱為操作方程式)

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)下操作時對反應(yīng)器作熱量衡算有：

2022/10/23853.9全混流反應(yīng)器的定態(tài)操作32022/11/186

當(dāng)反應(yīng)器在絕熱條件下操作，上式右端的第二項為零，即：

2022/10/2386當(dāng)反應(yīng)器在絕熱條件下操作，上式右端2022/11/1873.9.2全混流反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性分析連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料溫度均勻一致，若為定態(tài)操作，反應(yīng)是在等溫下進行的。如為非定態(tài)操作，屬變溫過程，即反應(yīng)溫度系隨時間而變，但不隨空間而變。無論是定態(tài)操作還是非定態(tài)操作，反應(yīng)過程的溫度均需由反應(yīng)器的熱量衡算式和物料衡算式來決定。2022/10/23873.9.2全混流反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)2022/11/1883.9.2全混流反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性分析對于放熱反應(yīng)，這會出現(xiàn)定態(tài)不唯一的問題，即同時存在多個定態(tài)，操作溫度都能滿足反應(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回復(fù)到原來的定態(tài)操作點，這類定態(tài)我們稱之為穩(wěn)定的定態(tài)。那些不具有抗干擾能力的定態(tài)則稱為是不穩(wěn)定的，這就是要討論的定態(tài)穩(wěn)定性問題。2022/10/23883.9.2全混流反應(yīng)器操作的熱穩(wěn)定性2022/11/189

為了方便地看出反應(yīng)器內(nèi)傳熱過程的這一特點，將熱量衡算式改寫成如下形式：令：

放熱速率移熱速率2022/10/2389為了方便地看出反應(yīng)器內(nèi)傳熱過程2022/11/190放熱速率線為一曲線，曲線的形狀和k值與溫度的關(guān)系有關(guān)。以一級不可逆反應(yīng)為例：

由上式可知：放熱曲線QG為S型曲線。移熱速率Qr線為一直線，線、Qr線的交點為熱平衡點。由于參數(shù)（冷卻介質(zhì)的進料溫度）的不同，Qr線有不同的斜率和位置，如下圖所示。2022/10/2390放熱速率線為一曲線，曲線的形狀和k值912022/11/1(b)(b)

圖T～Q的關(guān)系

912022/10/23(b)(b)圖T～Q的關(guān)2022/11/192

從上圖(b)可知：QG線、Qr線的a、b、c三個交點。三個交點都滿足熱平衡條件QG=Qr，也都稱做定態(tài)操作點，下面就分析這三個點的穩(wěn)定情況及操作態(tài)的選擇。a點：當(dāng)有擾動使T略大于Ta時(dT＞0)，有QG＜Qr

，移熱速率大于放熱速率，體系溫度下降，自動恢復(fù)到a點。當(dāng)有擾動使T略小于Ta時，有QG＞Qr

，移熱速率小于放熱速率，體系溫度上升，自動恢復(fù)到a點2022/10/2392從上圖(b)可知：QG線、Q2022/11/193

b點：當(dāng)有擾動使T略大于Tb時(dT＞0)，有Qr＜QG

，移熱速率小于放熱速率，體系繼續(xù)溫度上降，直至到c點。當(dāng)有擾動使T略小于Tb時，有Qr＞QG

，移熱速率大于放熱速率，體系溫度繼續(xù)下降，直至到a點。2022/10/2393b點：當(dāng)有擾動使T略大于T2022/11/194c點：當(dāng)有擾動使T略大于Tc時(dT＞0)，有QG＜Qr，移熱速率大于放熱速率，體系溫度下降，自動恢復(fù)到c點當(dāng)有擾動使T略小于Tc時，有QG＞Qr，移熱速率小于放熱速率，體系溫度上升，自動恢復(fù)到c點

從上面的分析可知a、c點是定態(tài)穩(wěn)定點，b點為不穩(wěn)定的定態(tài)點。設(shè)計連續(xù)釜式反應(yīng)器時，應(yīng)選擇在穩(wěn)定的定態(tài)點操作，一般選擇上定態(tài)點，即圖3.2-3b中的c點。a點雖穩(wěn)定，但轉(zhuǎn)化率低，失去了實際價值。。2022/10/2394c點：當(dāng)有擾動使T略大于Tc時(dT2022/11/195

由圖可見，在穩(wěn)定的定態(tài)點a及c處，移熱線的斜率大于放熱曲線的斜率，即：這是定態(tài)操作穩(wěn)定的必要條件，但不是充分條件，也就是說，如果滿足該式，則定態(tài)可能是穩(wěn)定的；若不滿足該式，則定態(tài)一定是不穩(wěn)定的。

因為隨著操作條件的改變，定態(tài)溫度也隨之而變。進料溫度T0與定態(tài)溫度T的關(guān)系示意圖見下圖。2022/10/2395由圖可見，在穩(wěn)定的2022/11/196

當(dāng)進料溫度從TG慢慢地增加至TE時，定態(tài)溫度的變化如圖中曲線GAFDE所示。（結(jié)合上圖b進行講解。）

值得注意的是曲線在F點處是不連續(xù)的，定態(tài)溫度突然增高，這一點稱為著火點；再繼續(xù)提高進料溫度，定態(tài)溫度的升高再不出現(xiàn)突跳現(xiàn)象；圖進料溫度T0與定態(tài)溫度T的關(guān)系示意圖。2022/10/2396當(dāng)進料溫度從TG慢慢地2022/11/197

全混流反應(yīng)釜（CSTR）的熱穩(wěn)定性

若將進料溫度逐漸降低，比如從TE降至TG，定態(tài)溫度則沿EDBAG曲線下降。這條曲線也存在一個間斷點B，此處定態(tài)溫度出現(xiàn)突降，這點稱為熄火點。2022/10/2397全混流反應(yīng)釜（CSTR）的熱穩(wěn)定性2022/11/198第三章

釜式反應(yīng)器

2022/10/231第三章

釜式反應(yīng)器

2022/11/199反應(yīng)器的分析與設(shè)計是《反應(yīng)工程》的重要組成部分和主要任務(wù)。反應(yīng)器設(shè)計的任務(wù)就是確定進行化學(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。對于反應(yīng)器的分析計算需要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，本章將針對兩類理想的反應(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)計問題等。具體內(nèi)容包括：2022/10/232反應(yīng)器的分析與設(shè)計是《反應(yīng)工程》的重要2022/11/1100研究內(nèi)容3.1等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（單一反應(yīng)）3.2等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（復(fù)合反應(yīng)）3.3全混流反應(yīng)器的設(shè)計3.4全混流反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.5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)器的計算3.7全混流反應(yīng)器的定態(tài)操作與分析2022/10/233研究內(nèi)容2022/11/1101重點掌握等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（單一反應(yīng)、平行與連串反應(yīng)）。連續(xù)釜式反應(yīng)器的計算?？諘r和空速的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計計算中的應(yīng)用。連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)。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。連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式的建立與應(yīng)用。2022/10/234重點掌握等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算（單一2022/11/1102深入理解◆變溫間歇釜式反應(yīng)器的計算。

廣泛了解串聯(lián)釜式反應(yīng)器最佳體積的求取方法。連續(xù)釜式反應(yīng)器的多定態(tài)分析與計算。產(chǎn)生多定態(tài)點的原因，著火點與熄火點的概念

2022/10/235深入理解◆變溫間歇釜式反應(yīng)器的計算。2022/11/11033.1概述※反應(yīng)的特點及其對反應(yīng)器的要求化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜反應(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)器中進行連續(xù)操作；非均相反應(yīng)要求傳質(zhì)效果要好。許多反應(yīng)過程的熱效應(yīng)大工藝條件變化范圍寬反應(yīng)介質(zhì)的腐蝕性2022/10/2363.1概述※反應(yīng)的特點及其對反應(yīng)器的2022/11/11043.1概述※反應(yīng)器開發(fā)的三個任務(wù)根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)特性，選擇合適的反應(yīng)器形式結(jié)合動力學(xué)和反應(yīng)器特性，確定操作方式和優(yōu)化操作條件根據(jù)產(chǎn)量，設(shè)計反應(yīng)裝置，確定反應(yīng)器的幾何尺寸，并進行評價。2022/10/2373.1概述※反應(yīng)器開發(fā)的三個任務(wù)2022/11/1105※反應(yīng)器的特性：是指器內(nèi)反應(yīng)流體的流動狀態(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?！喾磻?yīng)的特點：反應(yīng)過程中不存在相間傳遞過程，影響反應(yīng)速率物理因素只有物料的混合和流動狀態(tài)兩個方面。2022/10/238※反應(yīng)器的特性：2022/11/11063.1概述※均相反應(yīng)器按物料的混合狀態(tài)分類反應(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PFR2022/10/2393.1概述※均相反應(yīng)器按物料的混2022/11/1107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溫度，返混達最大限度。2022/10/2310完全混合反應(yīng)器的定義2022/11/1108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行移動，完全不存在不同停留時間的物料的混合。不存在返混。2022/10/2311平推流反應(yīng)器的定義;2022/11/11093.2反應(yīng)器操作中的幾個術(shù)語

1.反應(yīng)時間：是指反應(yīng)物料進入反應(yīng)器后，從實際發(fā)生反應(yīng)的時刻起，到反應(yīng)達某個轉(zhuǎn)化率時所需的時間。(主要用于間歇反應(yīng)器)P57

2.停留時間：是指反應(yīng)物料從進入反應(yīng)器的時刻算起到它們離開反應(yīng)器的時刻為止，所用的時間。(主要用于連續(xù)流動反應(yīng)器)。--P127

2022/10/23123.2反應(yīng)器操作中的幾個術(shù)語1102022/11/1４.空間時間----P66３.平均停留時間

---P134流體微元平均經(jīng)歷的時間稱為平均停留時間。

是反應(yīng)器的有效體積VR與進料的體積流量V0之比。物理意義是處理一個反應(yīng)器體積的物料所需要的時間。反映反應(yīng)器的生產(chǎn)強度。132022/10/23４.空間時間----P66３.平均停2022/11/11113.3等溫條件下，分批式操作的完全混合反應(yīng)器（BR）理想反應(yīng)器的設(shè)計分析3.3.1概述★分批式（又稱間歇）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：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。2022/10/23143.3等溫條件下，分批式操作的完全2022/11/11122022/10/23152022/11/1113★間歇反應(yīng)器特點

反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出。物料充分混合，無返混；同一瞬時，反應(yīng)器內(nèi)各點溫度相同、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)時間（停留時間）相同。非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度隨反應(yīng)時間連續(xù)變化。具有周期性具有靈活性2022/10/2316★間歇反應(yīng)器特點反應(yīng)物料一次加入，2022/11/11143.3.2

間歇反應(yīng)器體積計算（1）反應(yīng)時間的計算

即：00

若反應(yīng)：以反應(yīng)物A為關(guān)鍵組分，A的反應(yīng)速率記作（-rA

），根據(jù)間歇反應(yīng)器的特點，在單位時間內(nèi)對整個反應(yīng)器VR作物料衡算：2022/10/23173.3.2間歇反應(yīng)器體積計算（1）2022/11/1115上式寫成轉(zhuǎn)化率的形式：2022/10/2318上式寫成轉(zhuǎn)化率的形式：1162022/11/1t為使A反應(yīng)達到所要求轉(zhuǎn)化率xA所需時間，而不是一批產(chǎn)品生產(chǎn)所需時間。積分得（VR恒定）192022/10/23t為使A反應(yīng)達到所要求轉(zhuǎn)化率xA所1172022/11/1

上述積分式可用解析法、數(shù)值法、圖解法（恒容時，如下圖）進行求解。t1/rA—CAt/CA01/rA—xA202022/10/23上述積分式可用解析法、數(shù)值法、1182022/11/1若反應(yīng)速率方程：當(dāng)時，思考：從上式可得出什么結(jié)論？--P58212022/10/23若反應(yīng)速率方程：當(dāng)1192022/11/1（2）反應(yīng)器有效體積VR的計算

一批操作若非生產(chǎn)時間為t0,每批操作所需時間為t+t0。生產(chǎn)一批產(chǎn)品所需反應(yīng)器的有效體積：

VR′=V0

(t＋t0)

式中：

t0是輔助生產(chǎn)時間，包括加料、排料、清洗反應(yīng)器和物料的升溫、冷卻。

V0

是平均每小時反應(yīng)物料的體積處理量。222022/10/23（2）反應(yīng)器有效體積VR的計算1202022/11/1（3）反應(yīng)器實際體積V的計算

反應(yīng)器的實際體積是考慮了裝料系數(shù)后的實際體積（不包括換熱器、攪拌器的體積）。

式中：Ф是裝料系數(shù)，一般為0.4～0.85，不起泡、不沸騰物料取0.7～0.85，起泡、沸騰物料取0.4～0.6232022/10/23（3）反應(yīng)器實際體積V的計算1212022/11/1例題3.1---祥見P58，自學(xué)。3.3.3最優(yōu)反應(yīng)時間反應(yīng)器的最佳反應(yīng)條件總是圍繞一定的優(yōu)化目標來選擇的，如使產(chǎn)品的成本最低或使單位時間內(nèi)產(chǎn)量最大。對于間歇反應(yīng)器而言，隨著反應(yīng)時間的延長，產(chǎn)量逐漸增加，但生產(chǎn)效率下降。以單位操作時間內(nèi)的產(chǎn)量為優(yōu)化目標說明此問題。242022/10/23例題3.1---祥見P58，自學(xué)。31222022/11/1當(dāng)反應(yīng)器體積一定時，輔助時間一定，產(chǎn)物濃度一定，則單位操作時間內(nèi)的產(chǎn)量FR為：利用數(shù)學(xué)知識可得：上式對t求導(dǎo)得：252022/10/23當(dāng)反應(yīng)器體積一定時，輔助時間一定，產(chǎn)1232022/11/1

最佳反應(yīng)時間的求解，可利用積分，也可利用圖解方法求解。圖中曲線MN為產(chǎn)物濃度CR隨反應(yīng)時間t的變化關(guān)系。通過點A（-t0,0）對曲線MN作切線AM，其斜率：AD0MNCR262022/10/23最佳反應(yīng)時間的求解，可1242022/11/13.3.4平行反應(yīng)在等溫間歇反應(yīng)器中，設(shè)進行的反應(yīng)為一平行反應(yīng)：

A→P

rP=k1CAP為目的產(chǎn)物

A→Q

rQ=k2CA對于均相、恒容過程，對反應(yīng)A組分進行物料衡算。272022/10/233.3.4平行反應(yīng)在等溫間歇反應(yīng)1252022/11/1設(shè)初值條件為：t=0時，CA=CAO，CP=0，CQ=0，則方程的解為

即：同理：282022/10/23設(shè)初值條件為：t=0時，CA=CAO1262022/11/1同理可得：同理可得：

反應(yīng)物系的組成隨時間的變化關(guān)系如圖3.3所示。由圖可見，t↑，CA↓，而CP↑、CQ↑。

292022/10/23同理可得：同理可得：反應(yīng)物系的1272022/11/1圖3-3平行反應(yīng)組成隨時間的變化關(guān)系302022/10/23圖3-3平行反應(yīng)組成隨時間的變化關(guān)1282022/11/1由圖可見，t↑，CA↓，而CP↑、CQ↑，而且。由于兩個反應(yīng)均是一級，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k1>k2。例題3.2—P62~63，自學(xué)。312022/10/23由圖可見，t↑，CA↓，而CP↑、1292022/11/13.3.5連串反應(yīng)設(shè)在等溫間歇反應(yīng)器中進行如下的一級不可逆連串反應(yīng)（恒容）：各組分的動力學(xué)方程：設(shè)初值條件為：當(dāng)t=0時，則有：322022/10/233.3.5連串反應(yīng)設(shè)在等溫間歇反1302022/11/1反應(yīng)物系組成隨時間的變化關(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CP對時間求導(dǎo)數(shù)，可以得到：

令332022/10/23反應(yīng)物系組成隨時間的變化關(guān)系如圖3-1312022/11/1342022/10/231322022/11/1當(dāng)時，則352022/10/23當(dāng)時，則1332022/11/13.4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：連續(xù)釜式反應(yīng)器，基本在定態(tài)下操作（穩(wěn)定操作），有進有出。操作特點

反映物料整體始終均一，即無濃度和溫度梯度。瞬間實現(xiàn)均一，即物料進入反應(yīng)器后瞬間實現(xiàn)均勻混合。多用于液相反應(yīng)，恒容操作。362022/10/233.4連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積1342022/11/13.4.1連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點：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)不隨時間變化；（2）不存在時間自變量，也沒有空間自變量；（2）出口處的C,T與反應(yīng)器內(nèi)的C,T相等，所以反應(yīng)恒速進行。

372022/10/233.4.1連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點：1352022/11/13.4.2全混流反應(yīng)器的設(shè)計方程

由于該反應(yīng)操作具有如上特性，因此可以對整個反應(yīng)器進行物料衡算。若反應(yīng)前后體積流量不變，均為Q0，以A組分為衡算對象，則：進口處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。382022/10/233.4.2全混流反應(yīng)器的設(shè)計方1362022/11/1這就是連續(xù)反應(yīng)器的設(shè)計方程392022/10/23這就是連續(xù)反應(yīng)1372022/11/1全混流反應(yīng)器τ的圖解恒容時402022/10/23全混流反應(yīng)器τ的圖解恒容時2022/11/11383.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)3.5.1概述轉(zhuǎn)化速率與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系（1）轉(zhuǎn)化速率隨著轉(zhuǎn)化率的增大而降低---正常動力學(xué)，見下圖的A或P68圖3.5A。從該圖可知，在相同條件下，完成相同的任務(wù)，兩釜串聯(lián)的總反應(yīng)體積小于單釜的反應(yīng)體積。即對于正常動力學(xué)反應(yīng)，使用多釜串聯(lián)總是有利的。2022/10/23413.5連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)32022/11/1139圖3-5連續(xù)釜式反應(yīng)器體積的幾何圖示2022/10/2342圖3-5連續(xù)釜式反應(yīng)器體積的幾何圖示2022/11/11403.5.1概述（2）轉(zhuǎn)化速率隨著轉(zhuǎn)化率的增大而增大---反常動力學(xué)。見上圖的B或P68圖3.5B。從該圖可知，在相同條件下，完成相同的任務(wù)，兩釜串聯(lián)的總反應(yīng)體積大于單釜的反應(yīng)體積。即對于反常動力學(xué)反應(yīng)，使用多釜串聯(lián)是不利的。對于反常動力學(xué)，當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)較大時，不宜采用多釜串聯(lián)，則只宜采取多釜并聯(lián)方式，這就涉及如何分配各釜的進料量問題亦即各釜的處理量的大小問題。2022/10/23433.5.1概述（2）轉(zhuǎn)化速率隨著轉(zhuǎn)2022/11/1141圖3-6并聯(lián)的釜式反應(yīng)器進料量的分配原則：保證各釜的空時相同，即各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，這時整個反應(yīng)系統(tǒng)最優(yōu)。即要

2022/10/2344圖3-6并聯(lián)的釜式反應(yīng)器進料量的分2022/11/11423.5.2串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算如果采用幾個串聯(lián)的全混流反應(yīng)器來進行原來由一個全混流反應(yīng)器所進行的反應(yīng)，則除了最后—個反應(yīng)器外的所有反應(yīng)器都在比原來單個反應(yīng)器中高的反應(yīng)物濃度下進行反應(yīng)。這樣勢必減少了混合作用所產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。假設(shè)N個串聯(lián)的釜式反應(yīng)器如圖3.7所示。通過對每個釜進行物料衡算，可以得到系統(tǒng)的計算方程。2022/10/23453.5.2串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算如2022/11/1143圖3-7多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器

2022/10/2346圖3-7多釜串聯(lián)的全混流反2022/11/1144

現(xiàn)在針對1級不可逆反應(yīng)進行解析計算（針對其他級數(shù)反應(yīng)的計算方法相同），動力學(xué)方程為：

假定每個釜的體積相同，即Vr1=Vr2=……，假定進入各釜的體積流率相同，則每一個釜的空時相同τ1=τ2=……=τ，如果反應(yīng)器中的溫度T相同即各釜的k一樣。對第p個釜進行物料衡算，有：2022/10/2347現(xiàn)在針對1級不可逆反2022/11/1145即

式中p=1，2，……N即2022/10/2348即式中p=1，2，……N即2022/11/1146第N個反應(yīng)釜的出口轉(zhuǎn)化率及組成將每一個釜的衡算方程相乘，得到：當(dāng)XA0=0，2022/10/2349第N個反應(yīng)釜的出口轉(zhuǎn)化率及組成將每一2022/11/1147整個系統(tǒng)的空時為：整個系統(tǒng)總的反應(yīng)體積為：對于非一級反應(yīng)，沒有解析解，需要進行逐釜計算。根據(jù)已知條件，可以將逐釜計算過程分成如下兩種。

（1）每一個單釜的體積Vri已知

此時每個釜的空時τ已知，逐一的計算XAp或CAp，直至求出到達XAN所需的釜數(shù)N。2022/10/2350整個系統(tǒng)的空時為：整個系統(tǒng)總的反應(yīng)2022/11/1148（2）釜數(shù)N已知----試差方法需要先假設(shè)空時τ，按（1）的方法逐釜計算，求出第N個釜出口的轉(zhuǎn)化率，并與要求的轉(zhuǎn)化率XAN對比，如果不一致需要重新假設(shè)空時τ，重復(fù)進行計算，直到兩者吻合為止。

2022/10/2351（2）釜數(shù)N已知----試差方法需2022/11/1149◆作圖方法首先要在二維坐標中繪出轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)速率的關(guān)系曲線，然后利用下面的公式逐釜作折線。---該方程為第p釜的操作線方程2022/10/2352◆作圖方法首先要在二維坐標中繪出轉(zhuǎn)化2022/11/1150◆作圖方法若各釜反應(yīng)體積相同，操作溫度相同，反應(yīng)釜的體積已知，即物料衡算線的斜率已確定，則可求出達到最終轉(zhuǎn)化率所需的釜數(shù)。具體步驟-----P71AOXA1XA2BXA2022/10/2353◆作圖方法若各釜反應(yīng)體積相同，操作溫2022/11/11513.5.2串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的最佳反應(yīng)體積在生產(chǎn)任務(wù)（CA0，CAf，Q0）和段數(shù)N給定的情況下，總是希望反應(yīng)體積越小越好，這就涉及各段反應(yīng)體積的最優(yōu)分配問題，即各釜的反應(yīng)體積存在一最佳的比例。這實質(zhì)上也是各釜的出口轉(zhuǎn)化率（最后一釜除外）維持在什么數(shù)值下最好的問題。現(xiàn)設(shè)所進行的為單一反應(yīng)，則總反應(yīng)體積為：2022/10/23543.5.2串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的最2022/11/1152將上式分別對XAP（P=1，2，…N-1）求導(dǎo)得，令=0，即反應(yīng)總體積最小，有：2022/10/2355將上式分別對XAP（P=1，2，…N2022/11/1153

若進行一級不可逆反應(yīng)時，（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。2022/10/2356若進行一級不可逆反應(yīng)時，（P=1，2022/11/1154若各釜溫度相同，代入上式并化簡，可得：當(dāng)在多段全混流反應(yīng)器中進行一級不可逆反應(yīng)時，各段的反應(yīng)體積相等，總反應(yīng)體積最小。P=1，2，…，N-1即即，P=1，2，…，N-12022/10/2357若各釜溫度相同，代入上式并化簡，可得2022/11/1155

對于非一級反應(yīng)。不能直接解析求得各釜反應(yīng)體積間的最佳比例關(guān)系。由于多數(shù)反應(yīng)速率方程形式復(fù)雜，涉及偏微分，一般很難用解析法求解。因此，用圖解法是一種行之有效的方法。具體步驟見李紹芬：“反應(yīng)工程”P74，或王安杰等編著：“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”P40-41。2022/10/2358對于非一級反應(yīng)。不能直接解析求得各2022/11/1156結(jié)論對于α級反應(yīng)，

α>1從小釜→大釜排列最優(yōu)；0<α<1從大釜→小釜排列最優(yōu)α=1釜體積相等時最優(yōu)α=0rA與CA無關(guān),多釜串聯(lián)沒有必要α<0單釜優(yōu)于多釜串聯(lián)2022/10/2359結(jié)論對于α級反應(yīng)，α>1從小釜→2022/11/11573.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率和選擇性收率和選擇性與反應(yīng)器的型式、操作方式和操作條件密切相關(guān)。3.6.1總收率與總選擇性

瞬時選擇性2022/10/23603.6釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收2022/11/1158YPf是總收率，針對整個反應(yīng)器而言的。

YPf是總收率，針對整個反應(yīng)而言的。

討論：(1)XA↑時，S↓的情形（如下圖A）

對于間歇釜式反應(yīng)器

對于間歇釜式反應(yīng)器，總選擇性=整個曲邊梯形的積分面積

對于連續(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。2022/10/2361YPf是總收率，YPf是總收率，討論2022/11/1159圖3.10釜式反應(yīng)器的最終收率2022/10/2362圖3.10釜式反應(yīng)器的最終收率2022/11/1160討論：

(2)XA↑時，S↓的情形（如上圖B）此情況與上述剛好相反。請自學(xué)。3.6.2平行反應(yīng)設(shè)在釜式反應(yīng)器中進行平行反應(yīng)：瞬時選擇性為2022/10/2363討論：

(2)XA↑時，S↓的情形2022/11/1161僅討論當(dāng)溫度一定時，反應(yīng)器種類及操作方式的影響討論要獲得高的選擇性，則要求CA↑

、CB↑，選何種反應(yīng)器？

2022/10/2364僅討論當(dāng)溫度一定時，反應(yīng)器種類及操作2022/11/1162

宜選擇（a）間歇釜；（b）多釜串聯(lián)（如果體積不等，從小到大排列）。

要獲得高的選擇性，則要求CA↓

，CB↓；選何種反應(yīng)器？

宜選擇單釜連續(xù)操作（f），如果串聯(lián)最好從大→小排列。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。2022/10/2365宜選擇（a）間歇釜；（b）多2022/11/1163加料方式加料方式的選擇（a）

2022/10/2366加料方式加料方式的選擇（a）2022/11/1164加料方式加料方式的選擇（b）

2022/10/2367加料方式加料方式的選擇（b）2022/11/11653.6.3連串反應(yīng)假設(shè)如下的連串反應(yīng)均為一級，P為目的產(chǎn)物。反應(yīng)在連續(xù)釜式反應(yīng)器中恒容進行，有對A組分，對P組分，2022/10/23683.6.3連串反應(yīng)假設(shè)如下2022/11/1166P組分的收率：有：令：P組分的最大收率：2022/10/2369P組分的收率：有：令：P組分的最大收2022/11/1167小結(jié)間歇釜連續(xù)釜2022/10/2370小結(jié)間歇釜2022/11/1168目的產(chǎn)物與組成的關(guān)系對于間歇釜式反應(yīng)器，則有對于連續(xù)釜式反應(yīng)器，則有2022/10/2371目的產(chǎn)物與組成的關(guān)系對于間歇釜式反應(yīng)2022/11/1169間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進行連串反應(yīng)時的反應(yīng)率和收率

2022/10/2372間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進行連串反應(yīng)時的2022/11/1170可以通過改變操作溫度的辦法來改變k2/k1

的相對大小，進而實現(xiàn)高的收率。但無論E2和E1相對大小如何，一般采用較高的反應(yīng)溫度，以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)程度；可以使用催化劑來改變k2/k1

應(yīng)該注意：

2022/10/2373可以通過改變操作溫度的辦法來改變k22022/11/11713.7半間歇釜式反應(yīng)器半間歇式反應(yīng)器，其主要目的：（1）提高選擇率；（2）降低反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)安全性；（3）提高反應(yīng)速率。半間歇式反應(yīng)器的特點：反應(yīng)物系的組成均隨時間而變，因此必須以時間作為自變量。下面探討反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)組分與反應(yīng)時間的關(guān)系：2022/10/23743.7半間歇釜式反應(yīng)器半間歇式反2022/11/1172假設(shè)：反應(yīng)器內(nèi)進行下列液相反應(yīng)

對A組分進行物料衡算，有通式式中：V為反應(yīng)器中反應(yīng)混合物的體積，其值隨時間而變。假定操作開始時先向反應(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2022/10/2375假設(shè)：反應(yīng)器內(nèi)進行下列液相反應(yīng)

對A2022/11/1173若為恒速加料，則Q0為常數(shù)，則V=V0+Q0t任意時間下反應(yīng)混合物的體積為：（1）假設(shè)物料B大量過剩。（2）若將VCA看成變量，并假設(shè)初始條件：

t=0,VCA=0。Q0為常數(shù)。2022/10/2376若為恒速加料，則Q0為常數(shù)，則V=V2022/11/1174同理A、R組分在半間歇式反應(yīng)釜中的濃度隨時間的關(guān)系可見P82圖3.13。2022/10/2377同理A、R組分在半間歇式反應(yīng)釜中的濃2022/11/11753.8間歇反應(yīng)器的變溫操作計算

在變溫操作操作中，通過設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)的盤管或夾套向反應(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)進行。如果向反應(yīng)器供熱，采用夾套以蒸汽進行加熱較為有利，因為它除有較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)用冷卻盤管更為有利，此時可以用提高冷卻介質(zhì)流速來增大傳熱系數(shù)。2022/10/23783.8間歇反應(yīng)器的變溫操作計算2022/11/1176圖3.1-2帶有換熱器的釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖2022/10/2379圖3.1-2帶有換熱器的釜式反應(yīng)器結(jié)2022/11/11773.8.1.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ρ分別表示反應(yīng)流體的恒容比熱和密度；ΔHA為反應(yīng)的焓變；Tm為換熱介質(zhì)溫度。

由于間歇反應(yīng)器內(nèi)各點的物料具有相同的溫度，所以可對整個反應(yīng)器進行熱量衡算：即2022/10/23803.8.1.間歇反應(yīng)器熱平衡式中：K2022/11/1178對于恒容過程，將代入上式要求反應(yīng)時間要與聯(lián)立求解。2022/10/2381對于恒容過程，將2022/11/11793.8.2.間歇反應(yīng)器恒溫操作計算

若為恒溫過程即要使反應(yīng)在等溫下進行，反應(yīng)放出(或吸收)的熱量必須隨時等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量。這是辦不到的？2022/10/23823.8.2.間歇反應(yīng)器恒溫操作計算2022/11/11803.8.3絕熱操作與環(huán)境無任何熱交換對于恒容過程有2022/10/23833.8.3絕熱操作與環(huán)境無任何熱交2022/11/1181當(dāng)t=0時，T=T0,xA=xA0。積分得式中λ稱為絕熱溫升，在一定工況下，近似為常數(shù)；計算時，各參數(shù)取