制藥工廠設(shè)計完美版資料

CHAPTER6

PHARMACEUTICALREACTOR1制藥廠所用的設(shè)備可分為機械設(shè)備、化工設(shè)備和制藥專用設(shè)備。一般來說，原料藥生產(chǎn)以機械設(shè)備和化工設(shè)備為主，藥物制劑生產(chǎn)以制藥專用設(shè)備為主。本章著重討論原料藥生產(chǎn)的核心設(shè)備——反應(yīng)器的工作原理、工藝計算和選型。Chapter6PharmaceuticalReactor2

6.1FundamentalsofReactor

6.2ProcessCalculationofTankReactor

6.3ProcessCalculationofTubularReactor

6.4TypesSelectionandOperation

6.5Agitator

Chapter6PharmaceuticalReactor3

6.1.1Classification

6.1.2OperationModes6.1.3FundamentalEquations

ofReactorCalculation6.1.4IdealizedreactorModels

6.1FundamentalsofReactor4

反應(yīng)、分離、制劑構(gòu)成了藥品生產(chǎn)的主要工藝過程。原料在反應(yīng)器內(nèi)進行反應(yīng)，通過分離等方法獲得原料藥，原料藥經(jīng)過一定的制劑工藝(如混合、造粒、干燥、壓片、包衣、包裝等)即成為出廠的藥品。其中，反應(yīng)是整個生產(chǎn)工藝過程的核心，而反應(yīng)器則是反應(yīng)過程的核心設(shè)備。反應(yīng)器的類型很多，特點不一，可按不同的方式進行分類。6.1.1Classification5

1.ClassificationonStructure

2.ClassificationonPhase

3.ClassificationonOperationModes4.ClassificationonOperationTemperature5.Classificationonflowpattern6.1.1Classification6

(b)管式

(a)釜式

(d)板式塔

(e)填料塔

1.ClassificationonStructure7

(f)鼓泡塔

(g)噴霧塔

(h)固定床

(i)流化床

圖6-1不同結(jié)構(gòu)型式的反應(yīng)器

1.ClassificationonStructure8

圖6-2反應(yīng)器按相態(tài)分類反應(yīng)器

2.ClassificationonPhase

9

3.按操作方式分類：間歇式、半間歇式和連續(xù)式反應(yīng)器4.按操作溫度分類：等溫和非等溫反應(yīng)器5.按流動狀況分類：理想反應(yīng)器和非理想反應(yīng)器

2.ClassificationonPhase

10

1.BatchOperated

2.ContinuousOperated

3.Semi-batchOperated6.1.2OperationModes11

間歇操作的特點是將反應(yīng)所需的原料一次加入反應(yīng)器，達到規(guī)定的反應(yīng)程度后即卸出全部物料。然后對反應(yīng)器進行清理，隨后進入下一個操作循環(huán)，即進行下一批投料、反應(yīng)、卸料、清理等過程。1.BatchOperated12

間歇反應(yīng)過程是一個典型的非穩(wěn)態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成隨時間而變化，這是間歇過程的基本特征。間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度隨時間的變化關(guān)系如圖6-3所示。

AR圖6-3間歇釜式反應(yīng)器及其濃度變化

1.BatchOperated13

對于不可逆反應(yīng)，隨著反應(yīng)時間的增加，反應(yīng)物A(不過量)的濃度將由開始時的CA0逐漸降低至零,但對某些反應(yīng)時間需要無限長;而對于可逆反應(yīng)則降至其平衡濃度，但要達到平衡濃度,時間需要無限長。值得注意的是,對于單一反應(yīng)，產(chǎn)物R的濃度隨反應(yīng)時間的增加而增大；但若反應(yīng)體系中同時存在多個化學(xué)反應(yīng)，這一結(jié)論就未必成立。如連串反應(yīng)AR(產(chǎn)物)S，產(chǎn)物R的濃度先隨反應(yīng)時間的增加而增大，達一極大值后又隨反應(yīng)時間的增加而減小。1.BatchOperated14

間歇操作通常采用釜式反應(yīng)器，且反應(yīng)過程中既無物料加入，又無物料輸出，因此，可視為恒容過程。如氣相反應(yīng)，反應(yīng)體積為整個反應(yīng)器容積，反應(yīng)過程中保持不變；又如液相反應(yīng)，反應(yīng)體積為液體所占據(jù)的空間，雖不充滿整個反應(yīng)器，但液體可視為不可壓縮流體，故反應(yīng)體積仍可視為恒定。

由于藥品生產(chǎn)的規(guī)模一般較小，且品種多、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，而間歇反應(yīng)器具有裝置簡單、操作方便、適應(yīng)性強等優(yōu)點，因此，在制藥工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。

1.BatchOperated15

連續(xù)操作的特點是將反應(yīng)原料連續(xù)地輸入反應(yīng)器，反應(yīng)物料也從反應(yīng)器連續(xù)流出。前述各類反應(yīng)器均可采用連續(xù)操作。連續(xù)操作多屬于穩(wěn)態(tài)操作，此時反應(yīng)器內(nèi)任一位置上的反應(yīng)物濃度、溫度、壓力、反應(yīng)速度等參數(shù)均不隨時間而變化。管式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度隨管長的變化關(guān)系如圖6-4所示。

2.ContinuousOperated16

沿著反應(yīng)物料的流動方向，反應(yīng)物A的濃度由入口處的濃度CA0逐漸降低至出口濃度CAf，產(chǎn)物R的濃度則由入口處的濃度(通常為零)逐漸升高至出口濃度CRf。對于不可逆反應(yīng)，若管長足夠，反應(yīng)物A(不過量)將由入口處的濃度CA0逐漸降低至出口濃度零，但對某些反應(yīng)管長需要無限長；而對于可逆反應(yīng)則降至其平衡濃度,但要達到平衡濃度,管長需要無限長。2.ContinuousOperated17

值得注意的是，對于單一反應(yīng)，產(chǎn)物R的濃度隨管長的增加而增大；但若反應(yīng)體系中同時存在多個化學(xué)反應(yīng)，這一結(jié)論也未必成立。如連串反應(yīng)AR(產(chǎn)物)S，產(chǎn)物R的濃度先隨管長的增加而增大,達一極大值后又隨管長的增加而減小。2.ContinuousOperated18

圖6-3與6-4有些類似，但一個是隨時間而變化，另一個是隨位置(管長)而變化，這是兩種操作方式的本質(zhì)區(qū)別。

連續(xù)操作具有生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、易實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，因此，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)器多采用連續(xù)操作。但連續(xù)操作的適應(yīng)能力較差，系統(tǒng)一旦建成，要改變產(chǎn)品品種往往非常困難，有時甚至要較大幅度地改變產(chǎn)品的產(chǎn)量也不容易辦到。

2.ContinuousOperated19

原料或產(chǎn)物中有一種或一種以上的為連續(xù)輸入或輸出，而其余的(至少一種)為分批加入或卸出的操作，均屬半連續(xù)操作，相應(yīng)的反應(yīng)器稱為半連續(xù)反應(yīng)器。原料藥生產(chǎn)中的氣液相反應(yīng)常常采用半連續(xù)操作。例如，由氯氣和對氯甲苯生產(chǎn)2,4-二氯甲苯即采用半連續(xù)操作方式。對氯甲苯和催化劑一次加入反應(yīng)器內(nèi)，氯氣則連續(xù)通入反應(yīng)器，未反應(yīng)的氯氣及反應(yīng)產(chǎn)生的氯化氫從反應(yīng)器連續(xù)排出。反應(yīng)結(jié)束后，卸出反應(yīng)物料。

3.Semi-batchOperated20

半連續(xù)操作同時具有連續(xù)操作和間歇操作的某些特征。有連續(xù)輸入和輸出的物料，這點與連續(xù)操作相似;也有分批加入或卸出的物料，因而生產(chǎn)是間歇的,這是間歇操作的特點。因此,半連續(xù)反應(yīng)器中的物料組成既隨時間而變化,又隨位置而變化。釜式、管式、塔式以及固定床反應(yīng)器等都有采用半連續(xù)方式操作的。

3.Semi-batchOperated21

反應(yīng)器計算所應(yīng)用的基本方程式主要有反應(yīng)動力學(xué)方程式、物料衡算式和熱量衡算式。若反應(yīng)過程有較大的壓力降，并影響到化學(xué)反應(yīng)速度時，還要應(yīng)用動量衡算式。

6.1.3FundamentalEquationsofReactorCalculation22

對于均相反應(yīng)，反應(yīng)速度可用單位時間、單位體積的反應(yīng)物料中某一組分摩爾數(shù)的變化量來表示，即

(6-1)式中rA—以組分A表示的化學(xué)反應(yīng)速度，kmolm-3s-1或kmolm-3h-1；

VR—反應(yīng)器的有效容積或反應(yīng)體積，m3；nA—組分A的摩爾數(shù)，mol或kmol；—反應(yīng)時間，s或h。

1.EquationsofReactionKinetics23

對于等容過程

(6-2)

式中CA——組分A的濃度，kmolm-3。

反應(yīng)速度也可用轉(zhuǎn)化率來表示。由式(4-6)可知，

(6-3)式中xA—反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率；nA0—反應(yīng)開始時反應(yīng)物A的摩爾數(shù)，mol；

nA——某時刻反應(yīng)物A的摩爾數(shù)，mol。

1.EquationsofReactionKinetics24由式(6-3)得(6-4)則(6-5)代入式(6-1)，并取‘’號得(6-6)

1.EquationsofReactionKinetics25對于等容過程，式(6-3)可改寫為

(6-7)則(6-8)

(6-9)(6-10)

1.EquationsofReactionKinetics26

化學(xué)反應(yīng)速度與溫度、壓力和反應(yīng)物濃度有關(guān)，反應(yīng)速度與各影響因素之間的函數(shù)關(guān)系稱為反應(yīng)動力學(xué)方程式或反應(yīng)速度方程式。如反應(yīng)AR為n級不可逆反應(yīng)，則反應(yīng)動力學(xué)方程式可寫成(6-11)式中k——反應(yīng)速度常數(shù)，kmol1-nm3(n-1)h-1或kmol1-nm3(n-1)h-1；n——反應(yīng)級數(shù)。

1.EquationsofReactionKinetics27

上述反應(yīng)若為氣相反應(yīng)，則反應(yīng)動力學(xué)方程式也可以組分的分壓表示

(6-12)式中kp——以反應(yīng)物壓力表示的反應(yīng)速度常數(shù)，kmolm-3s-1Pa-n或kmolm-3h-1Pa-n；

pA——反應(yīng)體系中反應(yīng)物A的分壓，Pa。

1.EquationsofReactionKinetics28

如果反應(yīng)氣體可視為理想氣體，則kp和k的關(guān)系為

(6-13)式中R—理想氣體常數(shù),8.314kJkmol-1K-1；T—體系溫度，K。

1.EquationsofReactionKinetics29

由于反應(yīng)時各組分的摩爾數(shù)變化不一定相同，因此，用不同組分表示化學(xué)反應(yīng)速度時，數(shù)值也不一定相同。如在反應(yīng)中，組分A、B的消耗速度與組分M、N的生成速度各不相同，但若將它們分別除以該組分的化學(xué)計量系數(shù)，則有下列關(guān)系(6-14)

1.EquationsofReactionKinetics30

對于簡單的化學(xué)反應(yīng)，如aA+bB=mM+nN，只要列出任一反應(yīng)物的物料衡算式，其余反應(yīng)物和產(chǎn)物的量都可以通過化學(xué)計量關(guān)系來確定。

由于反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度、溫度等參數(shù)隨時間或空間而變化，化學(xué)反應(yīng)速度也隨之發(fā)生改變，因此,應(yīng)分別選取微元體積dVR和微元時間d作為物料衡算的空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。

1.EquationsofMaterialBalance31

在微元時間d內(nèi)，在微元體積dVR中，對反應(yīng)物A進行物料衡算得

(6-15)

反應(yīng)物的消耗量取決于化學(xué)反應(yīng)速度。在微元時間d內(nèi)，在微元體積dVR中因反應(yīng)而消耗的反應(yīng)物A的量為。

物料衡算式(6-15)給出了反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度或轉(zhuǎn)化率隨位置或時間的變化關(guān)系。

2.EquationsofMaterialBalance32

化學(xué)反應(yīng)通常都有顯著的熱效應(yīng)，因此，反應(yīng)體系的溫度會隨著反應(yīng)的進行而發(fā)生改變，而溫度的改變又會影響化學(xué)反應(yīng)速度，所以必須進行熱量衡算，以確定溫度隨反應(yīng)器內(nèi)位置或時間的變化關(guān)系，從而進一步計算化學(xué)反應(yīng)速度。

與物料衡算一樣，分別選取微元體積dVR和微元時間d作為熱量衡算的空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。在微元時間d內(nèi)對微元體積dVR進行熱量衡算得

(6-16)

3.EquationsofEnergyBalance33

過程熱效應(yīng)由物理變化熱和化學(xué)變化熱組成。當(dāng)物理變化熱可以忽略時，式(6-16)可改寫為(6-17)在微元時間d內(nèi)，在微元體積dVR中因反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)變化熱為。

熱量衡算式(6-16)或(6-17)給出了反應(yīng)器內(nèi)溫度隨位置或時間的變化關(guān)系。

3.EquationsofEnergyBalance34

反應(yīng)器計算實際上就是聯(lián)立求解物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動力學(xué)方程式。對于等溫過程，由于溫度不隨時間和空間而改變，因此僅需聯(lián)立求解物料衡算式和反應(yīng)動力學(xué)方程式。

由于物料的流動混合狀況直接影響著反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度分布，因此，在聯(lián)立求解物料衡算式和熱量衡算式時，必須知道反應(yīng)器內(nèi)物料的流動混合狀況。下面首先討論流動混合處于理想狀況的理想反應(yīng)器，在此基礎(chǔ)上，再討論非理想流動反應(yīng)器。

6.1.4Idealizedreactor

Models35

理想反應(yīng)器是指流體的流動處于理想狀況的反應(yīng)器。對于流體混合，有兩種理想極限，即理想混合和理想置換。

理想混合流型

理想置換流型圖6-5反應(yīng)器的兩種理想流型6.1.4Idealizedreactor

Models36

理想混合的特征是物料達到完全混合，濃度、溫度和反應(yīng)速度處處相等。工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌良好的釜式反應(yīng)器可近似看成理想混合反應(yīng)器。

理想混合釜式反應(yīng)器可采用連續(xù)、半連續(xù)或間歇操作方式。連續(xù)操作時，物料一進入反應(yīng)器，就立即與反應(yīng)器內(nèi)的物料完全混合。達到穩(wěn)定狀態(tài)時，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度既與位置無關(guān)，又不隨時間而變，且與出口的濃度和溫度相同。半連續(xù)或間歇操作時，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成、溫度等參數(shù)僅隨時間而變，與位置無關(guān)。

6.1.4Idealizedreactor

Models37

理想置換的特征是在與流動方向垂直的截面上，各點的流速和流向完全相同，就象活塞平推一樣，故又稱“活塞流”或“平推流”。由于這種流動特征，在與流動方向垂直的截面上，流體的濃度和溫度處處相等，不隨時間而變；而沿流動方向，流體的濃度和溫度不斷改變。由于在流動方向上不存在流體混合，故所有的流體質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相同。工業(yè)生產(chǎn)中,細長型的管式反應(yīng)器可近似看成理想置換反應(yīng)器。6.1.4Idealizedreactor

Models38

間歇釜式反應(yīng)器

連續(xù)釜式反應(yīng)器

管式反應(yīng)器

圖6-6理想反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度變化6.1.4Idealizedreactor

Models39

6.2.1Structure,Characteristicandapplication

6.2.2ProcessCalculationofBTR

6.2.3ProcessCalculationofCSTR

6.2ProcessCalculationofTankReactor

40

釜體一般是由鋼板卷焊而成的圓筒體，再焊上鋼制標(biāo)準(zhǔn)釜底，并配上封頭、攪拌器等零部件而制成。根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)，罐體的內(nèi)壁可內(nèi)襯橡膠、搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蝕材料。為控制反應(yīng)溫度，罐體外壁常設(shè)有夾套，內(nèi)部也可安裝蛇管。標(biāo)準(zhǔn)釜底一般為橢圓形，根據(jù)工藝要求，也可采用平底、半球底或錐形底等。6.2.1Structure,Characteristicandapplication41

根據(jù)釜蓋與釜體連接方式的不同，攪拌釜式反應(yīng)器可分為開式(法蘭連接)和閉式(焊接)兩大類。圖6-7是典型的開式攪拌釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。目前，釜式反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，搪玻璃釜式反應(yīng)器的主要技術(shù)參數(shù)見附錄六。6.2.1Structure,Characteristicandapplication42

釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、加工方便；釜內(nèi)設(shè)有攪拌裝置,釜外常設(shè)傳熱夾套,傳質(zhì)和傳熱效率均較高;在攪拌良好的情況下,釜式反應(yīng)器可近似看成理想混合反應(yīng)器,釜內(nèi)濃度、溫度均一,化學(xué)反應(yīng)速度處處相等;釜式反應(yīng)器操作靈活,適應(yīng)性強,便于控制和改變反應(yīng)條件,尤其適用于小批量、多品種生產(chǎn)。因此,釜式反應(yīng)器在藥品生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。6.2.1Structure,Characteristicandapplication43

4.DeterminationofmainProcessDimension

1.CalculationofReactionTime

2.CalculationofTotalVolume

3.Determinationofnumberandsinglevolume

6.2.2ProcessCalculationofBTR44

攪拌良好的間歇釜式反應(yīng)器可視為理想混合反應(yīng)器，其物料衡算具有以下特點：(1)由于反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度均一，不隨位置而變，故可對整個反應(yīng)器有效容積(反應(yīng)體積)進行物料衡算。(2)由于間歇操作，式(6-15)中的輸入量和輸出量均為零，因而得到間歇釜式反應(yīng)器的物料衡算式為

(6-18)

1.CalculationReactionTime45即(6-19)則

積分得(6-20)式中xAf——反應(yīng)終止時反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率。

1.CalculationReactionTime46

(6-20)式(6-20)對等溫、非等溫、等容和變?nèi)葸^程均適用。對于非等溫和變?nèi)葸^程，尤其是非等溫過程，式(6-20)的求解比較復(fù)雜，可參考理想管式反應(yīng)器非等溫和變?nèi)葸^程的計算方法(參見本章第三節(jié))。此處僅討論等溫等容過程的計算。

1.CalculationofReactionTime47

在等容情況下，VR保持不變，故式(6-20)中的VR可移至積分號外，則

(6-21)上式表明，達到一定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)時間僅與反應(yīng)物的初始濃度和化學(xué)反應(yīng)速度有關(guān)，而與物料的處理量無關(guān)。因此，若能保證放大后的裝置在攪拌和傳熱兩方面均與提供試驗數(shù)據(jù)的裝置完全相同，就可以簡單地計算出大生產(chǎn)裝置的尺寸，實現(xiàn)高倍數(shù)的放大。

1.CalculationofReactionTime48

對于零級反應(yīng)，反應(yīng)動力學(xué)方程式為(6-22)代入式(6-21)得

對于等溫過程，k為常數(shù)，故

(6-23)

1.CalculationofReactionTime49

對于一級反應(yīng)，反應(yīng)動力學(xué)方程式為

(6-24)對于等容過程，將式(6-8)代入上式得(6-25)代入式(6-21)得

(6-26)

1.CalculationofReactionTime50

類似地，將二級反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)方程式代入式(6-21)得

(6-27)如果反應(yīng)動力學(xué)方程比較復(fù)雜，往往不易求得解析解，此時可采用圖解積分法或數(shù)值積分法求得近似解。

1.CalculationofReactionTime51

釜式反應(yīng)器間歇操作時，每處理一批物料都需要一定的出料、清洗、加料等輔助操作時間,故處理一定量物料所需要的有效體積不僅與反應(yīng)時間有關(guān),而且與輔助操作時間有關(guān)。(6-28)式中VR—反應(yīng)器的有效容積或反應(yīng)體積，即物料所占有的體積，m3；Vh—每小時所需處理的物料體積，m3h-1；—達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)時間,h;—輔助操作時間,s或h。

2.CalculationTotalVolume

52

輔助操作時間一般根據(jù)經(jīng)驗確定。為提高間歇釜式反應(yīng)器的生產(chǎn)能力,應(yīng)設(shè)法減少輔助操作時間。

決定反應(yīng)器總?cè)莘eVT,還需考慮裝料系數(shù)。(6-29)裝料系數(shù)一般為0.4~0.85。對于不起泡、不沸騰的物料，可取0.7~0.85；對于起泡或沸騰的物料，可取0.4~0.6。此外，裝料系數(shù)的選擇還應(yīng)考慮攪拌器和換熱器的體積。

2.CalculationTotalVolume

53在攪拌良好的間歇釜式反應(yīng)器

當(dāng)丁醇過量時，反應(yīng)動力學(xué)方程式為式中CA為乙酸濃度，kmolm-3。已知反應(yīng)速度常數(shù)k為1.04m3kmol-1h-1，投料摩爾比為乙酸：丁醇=1：4.97，反應(yīng)前后物料的密度為750kgm-3，乙酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分別為60、74和116。若每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯(不考慮分離過程損失)，乙酸的轉(zhuǎn)化率為50%，每批輔助操作時間為0.5h，裝料系數(shù)為0.7，試計算所需反應(yīng)器的有效容積和總?cè)莘e。Example6-1

54解：(1)計算反應(yīng)時間

因為是二級反應(yīng)，故則kmolm-3所以hExample6-1

55(2)計算所需反應(yīng)器的有效容積VR

每天生產(chǎn)3000kg乙酸丁酯，則每小時乙酸用量為kgh-1每小時處理的總原料量為kgh-1

每小時處理的原料體積為

m3h-1Example6-1

56故反應(yīng)器的有效容積為

m3

(3)計算所需反應(yīng)器的總?cè)莘eVT

由式(6-29)知

m3Example6-1

57

對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，在求得所需反應(yīng)器的總?cè)莘eVT后，再根據(jù)工藝要求和反應(yīng)器系列標(biāo)準(zhǔn)，即可確定所需釜式反應(yīng)器的臺數(shù)N及單釜容積VTS。生產(chǎn)中可能有以下幾種情況：(1)已知VTS，求N

這種情況在產(chǎn)品擴產(chǎn)或更新時比較常見。此時，工廠已有若干臺反應(yīng)器，需通過計算確定擴產(chǎn)或更新后所需的反應(yīng)器臺數(shù)。3.Determinationofnumberandsinglevolume58

對于給定的處理量，每天需操作的總批數(shù)為

(6-30)式中Vd—每天需處理的物料體積，m3d-1；VRS—單臺反應(yīng)器的有效容積,即裝料容積,m3。3.Determinationofnumberandsinglevolume59每天每臺反應(yīng)器可操作的批數(shù)為(6-31)則完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器臺數(shù)為(6-32)

3.Determinationofnumberandsinglevolume60

若由式(6-32)計算出的NP值不是整數(shù)，則應(yīng)圓整成整數(shù)N。這樣反應(yīng)器的實際生產(chǎn)能力較設(shè)計要求提高了，其提高程度可用生產(chǎn)能力后備系數(shù)表示，即

(6-33)

一般情況下,的數(shù)值在1.1~1.15之間較為合適。3.Determinationofnumberandsinglevolume61

(2)已知N，求VTS

即先確定了反應(yīng)器的臺數(shù)，這種情況在廠房面積受到限制時比較常見。由式(6-32)和(6-33)可求得每臺反應(yīng)器的容積為(6-34)式(6-34)中的可取1.1~1.15。3.Determinationofnumberandsinglevolume62

(3)N及VTS均為未知，求N和VTS

這種情況在新建制藥工程項目中較為常見。計算時，可結(jié)合工藝要求及廠房等具體情況，先假設(shè)反應(yīng)器的單釜容積VTS或所需反應(yīng)器的臺數(shù)N，然后按上述方法計算出N或VTS值。由于臺數(shù)一般不會很多，因此常先假設(shè)幾個不同的N值求出相應(yīng)的反應(yīng)釜容積VTS，然后再根據(jù)工藝要求及廠房等具體情況，確定一組適宜的N和VTS值作為設(shè)計值。

3.Determinationofnumberandsinglevolume63

由工藝計算求出反應(yīng)器的單釜容積VTS后，即可由式(6-35)和(6-36)求出反應(yīng)器直徑的計算值。將反應(yīng)器直徑計算值按筒體規(guī)格圓整后即得反應(yīng)器直徑的設(shè)計值。然后按H=1.2D求出反應(yīng)器的高度H，并檢驗裝料系數(shù)是否合適。

釜式反應(yīng)器的主要工藝尺寸確定后，其壁厚可通過強度計算確定，法蘭、手孔、視鏡等附件可根據(jù)工藝條件從相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中選取。4.DeterminationofmainProcessDimension64

攪拌良好的連續(xù)釜式反應(yīng)器可視為理想混合反應(yīng)器，其構(gòu)造與間歇釜式反應(yīng)器相同。釜式反應(yīng)器采用連續(xù)操作時，物料連續(xù)流動，隨進隨出，且出口物料的溫度、組成與釜內(nèi)物料的溫度、組成完全相同。連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)均裝有攪拌器，在強烈攪拌下，各點的濃度、溫度均勻一致。連續(xù)釜式反應(yīng)器的操作達到穩(wěn)定時，釜內(nèi)物料的溫度和組成均不隨時間而變化，即屬于穩(wěn)態(tài)操作過程。

6.2.3ProcessCalculationofCSTR65

釜式反應(yīng)器既可采用單釜連續(xù)操作，也可采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作。當(dāng)采用單釜連續(xù)操作時，新鮮原料一進入反應(yīng)器就立即與釜內(nèi)物料完全混合，釜內(nèi)反應(yīng)物的濃度與出口物料中的反應(yīng)物濃度相同，整個反應(yīng)都在較低的反應(yīng)物濃度下進行，因而反應(yīng)速度較慢，這是單釜連續(xù)操作的缺點。

6.2.3ProcessCalculationofCSTR66

管式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度要經(jīng)歷一個由大到小逐漸變化的過程，相應(yīng)地，反應(yīng)速度也有一個由大到小逐漸變化的過程，并在出口處達到最小?？梢姡c管式反應(yīng)器相比,同一反應(yīng)要達到相同的轉(zhuǎn)化率,連續(xù)釜式反應(yīng)器所需的反應(yīng)時間較長,因而對于給定的生產(chǎn)任務(wù)所需反應(yīng)器的有效容積較大。

6.2.3ProcessCalculationofCSTR67

當(dāng)采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時,對單釜連續(xù)操作的缺點可有所克服。例如采用三臺有效容積均為VR/3的釜式反應(yīng)器串聯(lián)連續(xù)操作,以代替一臺有效容積為VR的連續(xù)釜式反應(yīng)器。若兩者的反應(yīng)物初始濃度、終了濃度和反應(yīng)溫度均相同,則三釜串聯(lián)連續(xù)操作時僅第三臺釜內(nèi)的反應(yīng)物濃度CA3與單釜連續(xù)操作反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物濃度CAf相同,而其余二臺的濃度均較之為高。

6.2.3ProcessCalculationofCSTR68

所以，三釜串聯(lián)連續(xù)操作時的平均反應(yīng)速度較單釜連續(xù)操作的要快，因而完成相同的反應(yīng)，若兩者的有效容積相同，則三釜串聯(lián)連續(xù)操作的處理量可以增加；反之，若處理量相同，則三釜串聯(lián)連續(xù)操作所需反應(yīng)器的總有效容積可以減小。

6.2.3ProcessCalculationofCSTR69

可以推知，串聯(lián)的釜數(shù)越多，各釜反應(yīng)物濃度的變化就愈接近于理想管式反應(yīng)器，當(dāng)釜數(shù)為無窮多時，各釜反應(yīng)物濃度的變化與管式反應(yīng)器內(nèi)的完全相同，因而為完成相同的任務(wù)，兩者所需的有效容積相同。但是，當(dāng)串聯(lián)的釜數(shù)超過某一極限后，因釜數(shù)增加而引起的設(shè)備投資和操作費用的增加，將超過因反應(yīng)器容積減少而節(jié)省的費用。實踐表明，采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時，釜數(shù)一般不宜超過4臺。

6.2.3ProcessCalculationofCSTR70

采用間歇釜式反應(yīng)器或管式反應(yīng)器進行自催化反應(yīng)時，反應(yīng)物濃度都要經(jīng)歷一個由大變小的過程,相應(yīng)地,反應(yīng)速度都要經(jīng)歷一個由小變大、再由大變小的過程。若采用單釜連續(xù)操作,可使釜內(nèi)的反應(yīng)物濃度始終維持在最大反應(yīng)速度所對應(yīng)的CA值,從而可大大提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力或減小反應(yīng)器的容積。

6.2.3ProcessCalculationofCSTR71

1.ContinuousStirredsingleReactor

2.CascadeofContinuousTankReactors

6.2.3ProcessCalculationofCSTR72

連續(xù)釜式反應(yīng)器達到穩(wěn)態(tài)操作時，其物料衡算具有如下特點：(1)反應(yīng)器內(nèi)溫度均一，不隨時間而變，為等溫反應(yīng)器。故計算反應(yīng)器容積時,只需進行物料衡算。(2)反應(yīng)器內(nèi)濃度均一，不隨時間而變，故可對反應(yīng)器的有效容積和任意時間間隔進行物料衡算。(3)物料衡算式(6-15)中的積累量為零。(4)反應(yīng)速度可按出口處的濃度和溫度計算。1.ContinuousStirredsingleReactor73

代入式(6-37)并化簡得

即(6-38)物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間即反應(yīng)時間為(6-39)

對于零級等容反應(yīng)，將代入式(6-39)得(6-40)

1.ContinuousStirredsingleReactor74對于一級等容反應(yīng)，將代入式(6-39)得(6-41)對于二級等容反應(yīng)，將代入式(6-39)得

(6-42)1.ContinuousStirredsingleReactor75

例6-2用連續(xù)操作釜式反應(yīng)器生產(chǎn)乙酸丁酯，反應(yīng)條件和產(chǎn)量同例6-1，試計算所需VR。

解：因為是二級反應(yīng)，由式(6-42)得由例6-1可知：m3h-1，xAf=0.5，CA0=1.75kmolm-3，k=1.04m3kmol-1h-1。則m31.ContinuousStirredsingleReactor76

采用多釜串聯(lián)連續(xù)操作時，各釜仍具有單釜連續(xù)操作反應(yīng)器所具有的特點。此外，為簡化計算，還作如下假設(shè)：(1)釜間不存在混合。(2)對于液相反應(yīng)，因反應(yīng)和溫度改變而引起的密度變化可忽略不計。若為液相反應(yīng)，由假設(shè)(2)可知，單位時間內(nèi)各釜處理的物料體積相等，即Vh=V01=V02==V0N

1.ContinuousStirredsingleReactor77

圖6-12多釜串聯(lián)連續(xù)操作反應(yīng)器的物料衡算在第i釜中對反應(yīng)物A進行物料衡算得(6-43)式中FAi-1、FAi—進入和離開第i釜的反應(yīng)物A的千摩爾流量，kmols-1；VRi——第i釜的有效容積，m3。2.CascadeofContinuousTankReactors78

(6-43)將FAi-1=FA0(1-xAi-1)及FAi=FA0(1-xAi)代入上式并整理得即則(6-44)或由式(6-43)得

(6-45)2.CascadeofContinuousTankReactors79

(6-44)(6-45)在多釜串聯(lián)連續(xù)操作中,前一釜的出料即為后一釜的進料,因此,利用式(6-44)或(6-45),并結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)方程式進行逐釜計算,即可計算出達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)釜數(shù)、各釜容積和相應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。2.CascadeofContinuousTankReactors80

例如，對于一級反應(yīng)，將代入式(6-45)得則第一釜第二釜第N釜

2.CascadeofContinuousTankReactors81

若各釜等溫等容，則所以類似地，對于零級反應(yīng)，若各釜等溫等容，同樣可以導(dǎo)出

或2.CascadeofContinuousTankReactors82

對于二級反應(yīng)，若各釜等溫等容，亦可導(dǎo)出則由于濃度不能為負(fù)值，故棄去負(fù)根，即2.CascadeofContinuousTankReactors83

例6-3用二釜串聯(lián)連續(xù)操作反應(yīng)器生產(chǎn)乙酸丁酯，第一釜乙酸的轉(zhuǎn)化率為33%，第二釜的轉(zhuǎn)化率為50%，反應(yīng)條件和產(chǎn)量同例6-1，試計算各反應(yīng)器所需的VR。

解：(1)第一臺反應(yīng)器

因為是二級反應(yīng)，所以由例6-1可知：m3h-1，CA0=1.75kmolm-3，k=1.04m3kmol-1h-1。又xA1=0.33，則m32.CascadeofContinuousTankReactors84

(2)第二臺反應(yīng)器

由式(6-49)得則

m32.CascadeofContinuousTankReactors85

所以，采用兩釜串聯(lián)連續(xù)操作所需反應(yīng)器的總有效容積為m32.CascadeofContinuousTankReactors86一、管式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用二、管式反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)方程式

三、液相管式反應(yīng)器的工藝計算四、氣相管式反應(yīng)器的工藝計算6.3ProcessCalculationofTubularReactor

87

管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造和檢修，金屬管子能耐高壓，可用于加壓反應(yīng)。此類反應(yīng)器也可采用玻璃等非金屬材料制成，此時耐壓能力受到限制，但耐腐蝕能力大為提高。與釜式反應(yīng)器相比，管式反應(yīng)器單位體積所具有的傳熱面積較大，特別適用于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)。6.3.1Structure,CharacteristicandapplicationofTR88

管式反應(yīng)器是一種典型的連續(xù)操作反應(yīng)器，由于是連續(xù)操作，因而生產(chǎn)能力較大，并容易實現(xiàn)自動控制。此外，為保證管式反應(yīng)器內(nèi)具有良好的傳熱和傳質(zhì)條件，一般要求反應(yīng)物料在管內(nèi)作高速湍流運動。

6.3.1Structure,CharacteristicandapplicationofTR89

管式反應(yīng)器可用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應(yīng)。許多反應(yīng)，如乙酸裂解制雙乙烯酮、鄰硝基氯苯氨化制鄰硝基苯氨、石蠟氧化制酯肪酸、已內(nèi)酰胺聚合等均可采用管式反應(yīng)器進行工業(yè)化生產(chǎn)。6.3.1Structure,CharacteristicandapplicationofTR90

工業(yè)生產(chǎn)中，細長型的管式反應(yīng)器可近似看成理想置換反應(yīng)器。管式反應(yīng)器常用于液相反應(yīng)或氣相反應(yīng)。當(dāng)用于液相反應(yīng)時，可忽略因反應(yīng)和溫度改變而引起的密度變化，視為等容過程。6.3.2FundamentalEquationsofTRdesigning91

當(dāng)用于氣相反應(yīng)時，則有兩種情況，其一是反應(yīng)過程中氣體物質(zhì)的總摩爾量保持不變，應(yīng)按等容過程處理；其二是反應(yīng)過程中氣體物質(zhì)的總摩爾量要發(fā)生改變，則應(yīng)按變?nèi)葸^程處理。溫度也有類似情況，當(dāng)過程的熱效應(yīng)可以忽略或采取適當(dāng)措施使體系的溫度保持不變時，則按等溫過程處理，否則應(yīng)視為非等溫過程。

6.3.2FundamentalEquationsofTRdesigning92

管式反應(yīng)器達到穩(wěn)態(tài)操作時，其物料衡算具有如下特點：(1)物料組成、溫度和反應(yīng)速度不隨時間而變化，故可對任意時間間隔進行物料衡算。(2)物料組成、溫度和反應(yīng)速度沿流動方向而變，故應(yīng)取微元管長進行物料衡算。(3)物料在反應(yīng)器中的積累量為零。6.3.2FundamentalEquationsofTRdesigning93則管式反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)方程式為

(6-53)式中

c——管式反應(yīng)器的空間時間，h。

6.3.2FundamentalEquationsofTRdesigning94值得注意的是，對于變?nèi)葸^程，隨著反應(yīng)的進行，物料在反應(yīng)器中的體積流量不斷發(fā)生改變，因此，空間時間不等于物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間。只有對于等容過程，空間時間才與物料的停留時間相等，并為管式反應(yīng)器內(nèi)物料的反應(yīng)時間，即6.3.2FundamentalEquationsofTRdesigning95

1.CalculationofIsothermalLiquidTR

2.CalculationofTemperature-ChangingLiquidTR

6.3.3ProcessCalculationofLiquidTR

96(1)反應(yīng)器容積的計算

液相反應(yīng)可視為等容過程。結(jié)合等溫等容條件，應(yīng)用式(6-53)即可計算出達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)器容積或空間時間。

對于零級反應(yīng)，將代入式(6-53)得(6-54)

1.ProcessCalculationofIsothermalLiquidTR97對于一級反應(yīng)，將代入式(6-53)得(6-55)

對于二級反應(yīng)，將代入式(6-53)得

(6-56)

1.ProcessCalculationofIsothermalLiquidTR98例6-4用管式反應(yīng)器生產(chǎn)乙酸丁酯，反應(yīng)條件和產(chǎn)量同例6-1，試計算所需反應(yīng)器的容積。

解：因為是二級反應(yīng)，由式(6-56)得由例6-1可知：m3h-1，CA0=1.75kmolm-3，k=1.04m3kmol-1h-1，xAf=0.5。則m31.ProcessCalculationofIsothermalLiquidTR99

(2)管徑與管長的計算

計算出所需管式反應(yīng)器的容積VR后，可進一步計算管徑與管長。具體步驟如下：

①規(guī)定物料在管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re。如前所述,為保證管式反應(yīng)器內(nèi)具有良好的傳熱和傳質(zhì)條件,物料在管內(nèi)應(yīng)作高速湍流運動。

1.ProcessCalculationofIsothermalLiquidTR100②確定管徑d。由及得(6-57)式中d—管式反應(yīng)器的內(nèi)徑，m；—物料的密度，kgm3；——物料的粘度，Pas；

由式(6-57)計算出的管內(nèi)徑還需按管子規(guī)格進行圓整。

1.ProcessCalculationofIsothermalLiquidTR101例6-5在連續(xù)管式反應(yīng)器中，用鄰硝基氯苯氨化生產(chǎn)鄰硝基苯胺

式中A—鄰硝基氯苯，B—氨水。CA、CB的單位：kmolm-3；k=1.188m3kmol-1h-1。進料量：氨水0.48m3h-1,濃度35%,B=881kgm-3;鄰硝基氯苯0.08m3h-1,濃度99%,A=1350kgm-3。A和B的分子量分別為157.6和17,反應(yīng)物料為0.1510-3Pas。擬采用328mm的管子,xA=98%,試計算L。2300C1.ProcessCalculationofIsothermalLiquidTR102解：(1)計算C代入式(6-53)得

1.ProcessCalculationofIsothermalLiquidTR103(2)計算管長L由式(6-58)得m(3)校核Re依題意知

kgm-3則

故反應(yīng)器內(nèi)的物料流型為湍流。1.ProcessCalculationofIsothermalLiquidTR104化學(xué)反應(yīng)通常都有一定的熱效應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)熱不能及時傳遞時，體系的溫度就要發(fā)生改變。管式反應(yīng)器內(nèi)物料組成沿管長而變，反應(yīng)速度和熱效應(yīng)也隨之發(fā)生改變。因此，管式反應(yīng)器多為非等溫操作。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR105由于提高溫度可使反應(yīng)速度加快，因此，當(dāng)反應(yīng)的熱效應(yīng)不大，且反應(yīng)選擇性受溫度的影響較小時，常采用絕熱操作，以提高反應(yīng)溫度，加快反應(yīng)速度，縮小反應(yīng)器容積或提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。若反應(yīng)的熱效應(yīng)較大或溫度對反應(yīng)選擇性有顯著影響時，則應(yīng)通過載熱體及時移走或供給反應(yīng)熱，以控制反應(yīng)溫度。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR106

非等溫液相管式反應(yīng)器可視為變溫等容過程，必須聯(lián)解物料衡算式、熱量衡算式和反應(yīng)動力學(xué)方程式才能獲得溫度或轉(zhuǎn)化率沿管長的變化情況，進而求得達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)器容積。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR107

管式反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)操作時,熱量衡算具有下列特點：(1)物料組成、溫度和反應(yīng)速度均不隨時間而變化，故可取任意時間間隔進行熱量衡算。(2)物料組成、溫度和反應(yīng)速度沿流動方向而變，故應(yīng)取微元管長進行熱量衡算。(3)反應(yīng)器中沒有熱量的積累。

此外，為簡化推導(dǎo)過程，還作如下假設(shè)：(1)反應(yīng)過程中的物理變化熱可忽略不計。(2)反應(yīng)體系中無相變過程發(fā)生。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR108取0oC為熱量衡算的基準(zhǔn)溫度，則Q1的計算式為

(6-60)式中—進入微元體的總物料流量,kmols-1;M—進入微元體物料的平均分子量,kgkmol-1;—物料在(0~T)oC范圍內(nèi)的平均定壓比熱,kJkg-1oC-1；T—進入微元體物料的溫度，oC。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR109Q2的計算式為

(6-61)式中

—離開微元體的總物料流量,kmolh-1;M—離開微元體物料的平均分子量，kgkmol-1；

—物料在(0~T)0C范圍內(nèi)的平均定壓比熱,kJkg-1oC-1；T—離開微元體物料的溫度，oC。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR110由式(5-16)和(5-17)得

(6-62)式中—化學(xué)反應(yīng)熱(放熱為正),kJmol-1。QA的計算式為

(6-63)式中K—總傳熱系數(shù),Wm-2oC–1;A—微元體積的傳熱面積,m2；—物料的平均溫度,oC;TW—載熱體或環(huán)境的溫度,oC。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR111

對于等溫過程，dT=0，式(6-64)可簡化為(6-65)

對于絕熱過程，，式(6-64)可簡化為(6-66)2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR112

下面以絕熱過程為例，討論管式反應(yīng)器容積的計算方法。

由于MCp是物料組成和溫度的函數(shù)，是溫度的函數(shù)，F(xiàn)t又是轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，故式(6-66)的積分計算是非常繁瑣的。由于液相反應(yīng)可視為等容過程，故過程的焓變僅取決于過程的始態(tài)和終態(tài)，而與過程的途徑無關(guān)。根據(jù)這一特點可設(shè)計如下途徑完成絕熱反應(yīng)過程。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR113

圖6-16絕熱反應(yīng)過程2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR114

如圖6-16所示，總流量為F0的物料先在進口溫度T0下進行等溫反應(yīng)，使轉(zhuǎn)化率由xA0變化到xA，物料總流量由F0變化到Ft；然后再將轉(zhuǎn)化率為xA、總流量為Ft的物料由溫度T0升至出口溫度T。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR115

顯然，反應(yīng)所放出的熱量全部用于物料升溫，則(6-67)式中

—T0時的化學(xué)反應(yīng)熱,kJkmol-1;Ft—轉(zhuǎn)化率為xA時的總物料流量,kmolh-1;M—轉(zhuǎn)化率為xA時物料的平均分子量,kgkmol-1;

—物料在(T0~T)oC范圍內(nèi)的平均定壓比熱,kJkg-1oC-1。所以(6-68)上式即為絕熱管式反應(yīng)器內(nèi)T與xA的關(guān)系。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR116

(6-69)

上式表明，絕熱過程中溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系。當(dāng)xA0=0，xA=100%，即反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化時，=T-T0，故的物理意義為反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率達到100%時，反應(yīng)體系升高或降低的溫度，又稱絕熱溫升或絕熱溫降。可見，是體系溫度可能上升或下降的限度。根據(jù)式(6-69)，再結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)方程式和物料衡算式,即可求出達到規(guī)定xA時所需的VR。2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR117

例如，變溫等容一級反應(yīng)代入式(6-52)得上式積分后即為達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率時所需管式反應(yīng)器的容積。

2.ProcessCalculationofTemperature-changingLiquidTR118

前已述及，對于氣相反應(yīng)，若反應(yīng)過程中氣體物質(zhì)的總摩爾量發(fā)生改變，而體系的溫度和壓力保持不變，則氣體的體積流量將發(fā)生改變，此時應(yīng)按變?nèi)葸^程處理。為計算反應(yīng)前后體系的體積變化,可引入膨脹因子的概念,其定義為每轉(zhuǎn)化1mol反應(yīng)物所引起的反應(yīng)體系內(nèi)物質(zhì)摩爾量的改變量。6.3.4ProcessCalculationofVaporTR119

例如，對于如下氣相反應(yīng)

以反應(yīng)物A表示的膨脹因子為(6-70)

體系中若含有惰性氣體，并不影響A值的大小。如上述反應(yīng)體系中含umol惰性氣體，則6.3.4ProcessCalculationofVaporTR120

設(shè)一變?nèi)葸^程，總進料體積流量為V0，進料總摩爾流量為F0,其中反應(yīng)物A的摩爾流量為FA0，則進料中反應(yīng)物A的摩爾分率為

當(dāng)轉(zhuǎn)化率為xA時，反應(yīng)體系中物料的總摩爾流量為

6.3.4ProcessCalculationofVaporTR121

若氣體可視為理想氣體，且流動壓力降可以忽略，則相應(yīng)的體積流量為從而，CA與xA的關(guān)系為(6-71)6.3.4ProcessCalculationofVaporTR122

將上式兩邊同乘RT得(6-72)式(6-72)給出了管式反應(yīng)器內(nèi)任一截面上的分壓pA與轉(zhuǎn)化率xA之間的關(guān)系。6.3.4ProcessCalculationofVaporTR123

對于等容過程，A=0，代入式(6-71)得(6-8)

對于氣相非等容過程，可將式(6-71)或(6-72)代入反應(yīng)動力學(xué)方程式，再利用式(6-52)，即可求出達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率時所需管式反應(yīng)器的容積。(6-52)6.3.4ProcessCalculationofVaporTR124

例6-6在管式反應(yīng)器中進行2,5-二氫呋喃的氣相裂解反應(yīng),反應(yīng)動力學(xué)方程式為式中CA為2,5-二氫呋喃的濃度，kmolm-3。已知反應(yīng)在恒溫恒壓下進行,反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)k=3h-1,A=1;2,5-二氫呋喃的進料體積流量為0.3m3h-1,其中含2,5-二氫呋喃80%(體積比),其余為惰性氣體。若要求2,5-二氫呋喃的轉(zhuǎn)化率為75%,試計算所需反應(yīng)器的容積。6.3.4ProcessCalculationofVaporTR125對于絕熱過程，，式(6-64)可簡化為(6-66)nA0—反應(yīng)開始時反應(yīng)物A的摩爾數(shù)，mol；2FundamentalEquationsofTRdesigning當(dāng)兩相液體的粘度均較低時(6-72)式中Vd—每天需處理的物料體積，m3d-1；通入氣體后，攪拌器周圍液體的表觀密度將減小，從而使攪拌所需的功率顯著降低。若要求2,5-二氫呋喃的轉(zhuǎn)化率為75%,試計算所需反應(yīng)器的容積。Flowdirection：4ProcessCalculationofVaporTR物料衡算式(6-15)給出了反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度或轉(zhuǎn)化率隨位置或時間的變化關(guān)系。3ProcessCalculationofCSTRTemperature-changingLiquidTRTemperature-changingLiquidTRCascadeofReactorandTubularReactor(2)計算攪拌功率P由圖6-33中的曲線5查得=1.解：將式(6-71)代入得代入式(6-52)得

6.3.4ProcessCalculationofVaporTR126

反應(yīng)器型式和操作方式選擇是反應(yīng)器設(shè)計的重要內(nèi)容。對于特定的化學(xué)反應(yīng)和給定的生產(chǎn)任務(wù)，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合反應(yīng)特點和操作方式，從生產(chǎn)能力、反應(yīng)選擇性等方面，對不同型式的反應(yīng)器進行認(rèn)真的分析和比較，以確定適宜的反應(yīng)器型式和操作方式。6.4.1SimpleReaction

6.4.2ComplexReaction

6.4TypesSelectionandOperation

127

簡單反應(yīng)是指可用一個反應(yīng)方程式和一個反應(yīng)動力學(xué)方程式來描述的那些反應(yīng)。由于不存在副反應(yīng),產(chǎn)物分布明確,因此,對于簡單反應(yīng),反應(yīng)器性能的比較可簡單歸結(jié)為生產(chǎn)能力的比較。

生產(chǎn)能力是指單位時間、單位容積反應(yīng)器所獲得的產(chǎn)物量,其值越大,反應(yīng)器的生產(chǎn)能力就越大。換言之，為了獲得相同的產(chǎn)物量，所需反應(yīng)器的容積越小，生產(chǎn)能力就越大?？梢姡磻?yīng)器生產(chǎn)能力的比較也就是所需反應(yīng)器容積的比較。6.4.1SimpleReaction

1281.BatchTankReactorandTubularReactor

2.BatchTankReactorandContinuousTankReactor

3.ContinuousTankReactorandTubularReactor4.CascadeofReactorandTubularReactor6.4.1SimpleReaction

129

對于等溫等容過程，同一反應(yīng)在相同條件下，達到相同轉(zhuǎn)化率時，在間歇釜式反應(yīng)器中所需的反應(yīng)時間與在管式反應(yīng)器中所需的空間時間相同。換言之，如果忽略間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時間，兩種反應(yīng)器所需的容積相同，亦即生產(chǎn)能力相同。當(dāng)然，若考慮間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時間，則所需間歇釜的實際容積要大一些，即間歇釜的生產(chǎn)能力較小。1.BatchTankReactorandTubularReactor130

兩種反應(yīng)器容積的定量比較，可用容積效率來描述。對于間歇釜式反應(yīng)器與管式反應(yīng)器而言，容積效率的定義為(6-73)式中

——容積效率；(VR)P——管式反應(yīng)器的容積，m3；(VR)I——間歇釜式反應(yīng)器的有效容積，m3。

顯然,對于間歇釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器而言,若忽略間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時間,=1。1.BatchTankReactorandTubularReactor131

現(xiàn)以一級反應(yīng)為例。對于間歇釜式反應(yīng)器，由式(6-26)和(6-28)得

對于連續(xù)釜式反應(yīng)器，由式(6-41)得式中(VR)c—連續(xù)釜式反應(yīng)器的有效容積,m3。則(6-74)

2.BatchTankReactorandContinuousTankReactor132

當(dāng)=1時,兩種反應(yīng)器所需的有效容積相同。此時間歇釜式反應(yīng)器的輔助操作時間滿足下列關(guān)系即(6-75)

2.BatchTankReactorandContinuousTankReactor133

例6-7某一級反