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第三章均相反應(yīng)器設(shè)計13.1概述一、反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容最終目標:經(jīng)濟效益最大(應(yīng)該包括整個過程)反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容:1、選擇合適的反應(yīng)器類型2、確定最佳操作條件3、計算完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積23.1概述二、反應(yīng)器設(shè)計的基本方程物料衡算式(描述濃度變化)
能量衡算式(描述溫度變化)
動量衡算式(描述壓力變化)
33.1概述動力學方程式:描述反應(yīng)的變化情況
如果反應(yīng)器內(nèi)各處濃度均一,恒算的控制體可選擇整個反應(yīng)器;如果反應(yīng)區(qū)內(nèi)存在兩個或兩個以上相態(tài),反應(yīng)體積內(nèi)各處的反應(yīng)物組成未必相同,這時只能選擇微元體積作為控制體。43.1概述三、均相反應(yīng)系統(tǒng)均相反應(yīng)器的特征:
物料在反應(yīng)器內(nèi)已達到分子尺度的均勻,混合時間遠小于反應(yīng)時間。
實現(xiàn)途徑:
1、機械攪拌2、湍流脈動3、分子擴散
考察一個反應(yīng)過程是否為均相反應(yīng)過程,不應(yīng)僅僅著眼于反應(yīng)物系的相態(tài),更重要的是考察微元尺度的傳遞過程是否會影響反應(yīng)效果。53.1概述四、理想反應(yīng)器的主要類型間歇釜式反應(yīng)器(分批加料)
BatchStirredTankReactor(BSTR)連續(xù)釜式反應(yīng)器(連續(xù)加料)
ContinuedStirredTankReactor(CSTR)
理想管式反應(yīng)器(連續(xù)加料)
PlugFlowReactor(PFR)
63.2間歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積Vr反應(yīng)器體積V有反應(yīng)發(fā)生的空間體積反應(yīng)體積+預留空間體積間歇反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù):(1)反應(yīng)時間t;(2)反應(yīng)體積Vr7一、特點分批裝料、卸料適用于不同品種和規(guī)格的產(chǎn)品的生產(chǎn),廣泛用于醫(yī)藥、試劑、助劑等生產(chǎn)。
操作時間=反應(yīng)時間+輔助時間(裝料+卸料+清洗)反應(yīng)器內(nèi)濃度及溫度處處相等
3.2間歇釜式反應(yīng)器8二、物料衡算和能量衡算方程3.2間歇反應(yīng)器控制體
整個反應(yīng)器體積非定態(tài)操作
反應(yīng)器內(nèi)物料組成和溫度隨時間或反應(yīng)進程而改變
可忽略壓力變化(常用于液相反應(yīng))
描述反應(yīng)器的數(shù)學模型包括物料衡算和能量衡算。
93.2間歇反應(yīng)器A+B→C+D
衡容過程三、等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算(單一反應(yīng))103.2間歇反應(yīng)器
II一級不可逆反應(yīng)
I零級不可逆反應(yīng)一級不可逆反應(yīng),反應(yīng)時間與反應(yīng)物料起始濃度無關(guān)113.2間歇反應(yīng)器
III二級不可逆反應(yīng)
IIIn級不可逆反應(yīng)反應(yīng)體積:Q0為單位時間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積t0為輔助時間(經(jīng)驗)123.2間歇反應(yīng)器例題:用間歇反應(yīng)器進行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng),每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg,其化學反應(yīng)是為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S:=1:2:1.35,反應(yīng)液的密度為1020kg/m3,并假定在反應(yīng)過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助時間為1h。反應(yīng)在1000C下等溫操作,起反應(yīng)速率方程如下:1000C時,k1=4.76×10-4L/(mol·min),平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應(yīng)體積。根據(jù)反應(yīng)物料的特性,若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75,則反應(yīng)器的實際體積是多少?133.2間歇反應(yīng)器解:143.2間歇反應(yīng)器15最優(yōu)反應(yīng)時間單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件說明:目標函數(shù)不同,結(jié)果不同。(1)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;(2)以生產(chǎn)費用最低為目標,則需滿足其中a為單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費用;a0為輔助操作費用;af為固定費用。
16四、等溫間歇釜式反應(yīng)器的計算(復合反應(yīng))
1、平行反應(yīng)主反應(yīng)A的轉(zhuǎn)化率目的產(chǎn)物的產(chǎn)量17Aiki
通式:183.2間歇反應(yīng)器作業(yè)1、反應(yīng)如下:A+BPrP=2cAkmol/(m3h)2AQ rQ=0.5cA2kmol/(m3h)初始狀態(tài):cA=cA=2kmol/m3目的產(chǎn)物為P,求3h后A的轉(zhuǎn)化率及P的收率。193.2間歇反應(yīng)器2、連串反應(yīng)APQ k1
k2
203.2間歇反應(yīng)器top
213.2間歇反應(yīng)器作業(yè)2、對下列反應(yīng):NH3(A)+CH3OH(M)CH3NH2(B)+H2Or1=k1cAcM
CH3NH2+CH3OH(CH3)2NH+H2O
r2=k2cBcMk1/k2=0.68求一甲胺的最大收率和相應(yīng)的氨的轉(zhuǎn)化率。
k1
k2
xA=0.7004YB,max=0.4406221列與反應(yīng)相同個數(shù)的設(shè)計方程,且方程中至少包括每步反應(yīng)的一個組分;2根據(jù)反應(yīng)條件,確定定解條件;3解方程(組),求出反應(yīng)時間;4Vr=Q0(t+t0)5V=Vr/f間歇反應(yīng)器的設(shè)計步驟:裝料系數(shù),常在0.4~0.85,對于沸騰或易發(fā)泡液體反應(yīng)物料取0.4~0.6;對一般液體物料,取0.7~0.853.2間歇反應(yīng)器233.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR一、單個連續(xù)釜式反應(yīng)器的相關(guān)計算(1)定態(tài)下操作(2)等容下反應(yīng)24例題:用連續(xù)釜式反應(yīng)器中進行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng),每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg,其化學反應(yīng)是為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S:=1:2:1.35,反應(yīng)液的密度為1020kg/m3,并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在1000C下等溫操作,起反應(yīng)速率方程如下:1000C時,k1=4.76×10-4L/(mol·min),平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應(yīng)體積。3.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTRABRS253.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR反應(yīng)器CSTRBRVr/m314.6812.38間歇反應(yīng)器是變速操作,開始時反應(yīng)速率最大,終了時最小,而連續(xù)式反應(yīng)器是等速操作,且恰恰是在相應(yīng)于間歇反應(yīng)器的最小反應(yīng)速率下操作,反應(yīng)體積自然就增大。263.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR空時越小,表示該反應(yīng)器的處理物料量越大。空速越大,反應(yīng)器的生產(chǎn)能力越大。有質(zhì)量空速和體積空速之分。273.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR二、連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)1、CSTR的串聯(lián)
Q0
xA1
xA2283.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR正常動力學
反常動力學
對CSTR,兩釜串聯(lián)所需總的反應(yīng)體積要小于單釜;串聯(lián)的釜數(shù)越多,所需總的反應(yīng)體積越小。故對正常動力學,使用多釜串聯(lián)總是比單釜有利。293.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR2、CSTR的并聯(lián)
xAf
Q0
xA1
xA2
c0
Q01
Q02
c1
c2
Vr2
Vr1303.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR同一處理量,對BR只計反應(yīng)時間,達到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)體積正常動力學單釜≥多釜串聯(lián)宜采用串聯(lián)操作(零級反應(yīng)相等)=等體積多釜并聯(lián)BR≤CSTR零級反應(yīng)相等反常動力學單釜≥多釜串聯(lián)宜采用并聯(lián)操作(零級反應(yīng)相等)=等體積多釜并聯(lián)BR≤CSTR零級反應(yīng)相等313.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR三、串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計算計算基準:第一個反應(yīng)器的入口,逐釜計算一般情況下,釜數(shù)越多,總反應(yīng)體積越小,但釜數(shù)增多,相應(yīng)的管道閥門和控制儀表等也要增多,操作的復雜程度也隨之增加。
323.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR各釜的反應(yīng)體積間的比例也是一個優(yōu)化問題。前提:釜數(shù)及最終轉(zhuǎn)化率一定目標:總反應(yīng)體積最小反應(yīng)級數(shù)a>1小釜在前,大釜在后=1各釜相等0<a<1大釜在前,小釜在后=0與排列方式無關(guān)<0無需串聯(lián),并聯(lián)更佳333.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR總收率和總選擇性曲線類型達到相同轉(zhuǎn)化率下的收率IS隨xA增加二單調(diào)下降間歇釜>多釜串聯(lián)>單一釜IIS隨xA增加二單調(diào)上升間歇釜<多釜串聯(lián)<單一釜四、連續(xù)釜式反應(yīng)器中復合反應(yīng)343.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR1、平行反應(yīng)
獲得選擇性和收率:(1)滿足有利的濃度和溫度條件;(2)反應(yīng)器的型式及操作方式、所采用的原料濃度及配比以及加料方式等有關(guān)。(3)E主=E次時,反應(yīng)的瞬時選擇性與溫度無關(guān),一般選擇較高溫度,以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)強度;E主<E次時,低溫瞬時選擇性好,但生產(chǎn)強度不大,故存在一最佳溫度,此溫度下在連續(xù)釜式反應(yīng)器中,可使目的產(chǎn)物的產(chǎn)量最大;353.3連續(xù)釜式反應(yīng)器CSTR2、串聯(lián)反應(yīng)
(1)不論k2/k1為何值,在相同轉(zhuǎn)化率下,間歇釜的收率總是大于連續(xù)釜的收率;(2)隨k2/k1減小,釜式反應(yīng)器的收率增大;(3)E1>E2,溫度越高,則k2/k1越小,則收率越大;E1>E2,情況相反,低溫下操作可獲得較大的收率,但是溫度降低導致反應(yīng)速率下降,反應(yīng)器的生產(chǎn)強度減小;(4)選擇合適的催化劑363.4半間歇釜式反應(yīng)器
(1)要求一種反應(yīng)物的濃度高而另一種反應(yīng)物濃度低時;(2)為了提高某些可逆反應(yīng)的產(chǎn)品收率,需要不斷移走產(chǎn)物373.4半間歇釜式反應(yīng)器
383.4半間歇釜式反應(yīng)器
393.4半間歇釜式反應(yīng)器
403.4半間歇釜式反應(yīng)器
413.4半間歇釜式反應(yīng)器
423.4半間歇釜式反應(yīng)器
433.4半間歇釜式反應(yīng)器
443.5連續(xù)管式反應(yīng)器
45463.5連續(xù)管式反應(yīng)器
473.5連續(xù)管式反應(yīng)器
483.5連續(xù)管式反應(yīng)器
493.
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