第三章-間歇釜式反應(yīng)器

第三章間歇釜式反應(yīng)器

BR（BatchReactor）3.1釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)及其應(yīng)用3.2間歇釜式反應(yīng)器的容積與數(shù)量及設(shè)備間的平衡3.3等溫間歇反應(yīng)釜的計(jì)算3.4變溫間歇釜的計(jì)算3.5半間歇釜式反應(yīng)器13.1.1釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)*1.釜的主體，提供足夠的容積，確保達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間2.攪拌裝置，由攪拌軸和攪拌器組成，使反應(yīng)物混合均勻，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱3.傳熱裝置，主要是夾套和蛇管，用來(lái)輸入或移出熱量，以保持適宜的反應(yīng)溫度

4.傳動(dòng)裝置,是使攪拌器獲得動(dòng)能以強(qiáng)化液體流動(dòng)。6.工藝接管,為適應(yīng)工藝需要

5.軸密封裝置，用來(lái)防止釜體與攪拌軸之間的泄漏233.1.2間歇釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)及其應(yīng)用1、特點(diǎn)*輔助時(shí)間占的比例大,勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低.操作靈活性大，便于控制和改變反應(yīng)條件非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)過(guò)程中，溫度、濃度、反應(yīng)速度隨著反應(yīng)時(shí)間而變同一瞬時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)溫度、濃度分布均勻*結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，傳質(zhì)、傳熱效率高

反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出4幾乎所有有機(jī)合成的單元操作

2、應(yīng)用適合于多品種、小批量生產(chǎn)適應(yīng)于各種不同相態(tài)組合的反應(yīng)物料53.2.1間歇釜式反應(yīng)器的容積與數(shù)量

確定反應(yīng)器的容積與數(shù)量是車間設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)工業(yè)放大的關(guān)鍵1、求算反應(yīng)器的容積與數(shù)量需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)6（1）每天處理物料總體積VD和單位時(shí)間的物料處理量為FVFV=VD/24GD每天所需處理的物料總重量

ρ物料的密度7（2）操作周期t’*操作周期又稱工時(shí)定額或操作時(shí)間，是指生產(chǎn)每一批料的全部操作時(shí)間，即從準(zhǔn)備投料到操作過(guò)程全部完成所需的總時(shí)間t’，操作時(shí)間t’包括反應(yīng)時(shí)間t和輔助操作時(shí)間t0

兩部分組成。即t’=t+t0

例如萘磺化制取2-萘磺酸的操作周期:檢查設(shè)備15分加萘15分加硫酸及升溫25分反應(yīng)160分壓出料15分操作周期240分或4小時(shí)8反應(yīng)時(shí)間t的求算方法由動(dòng)力學(xué)方程理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)獲得，但應(yīng)注意：(1)不少?gòu)?qiáng)烈放熱的快速反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程的速率往往受傳熱速率的控制，不能簡(jiǎn)單地用動(dòng)力學(xué)方程式來(lái)求算反應(yīng)過(guò)程的時(shí)間。(2)某些非均相反應(yīng)，過(guò)程進(jìn)行的速率受相間傳質(zhì)速率的影響，也不能單純地從化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程式計(jì)算反應(yīng)時(shí)間。(3)某些反應(yīng)速率較快的反應(yīng)，在加料過(guò)程及升溫過(guò)程中已開始反應(yīng)。在保溫階段之前可能已達(dá)到相當(dāng)高的轉(zhuǎn)化率。有時(shí)需分段作動(dòng)力學(xué)計(jì)算。9（3）反應(yīng)體積VR反應(yīng)體積是指設(shè)備中物料所占體積，又稱有效體積。VR=FVt＇確定反應(yīng)器的容積V的前提是確定反應(yīng)器的有效容積(反應(yīng)容積)VR。如果由生產(chǎn)任務(wù)確定的單位時(shí)間的物料處理量為FV，操作時(shí)間為t’(包括反應(yīng)時(shí)間t和輔助操作時(shí)間t0

)，則反應(yīng)器的有效容積：其中t’=t+t010（4）*設(shè)備裝料系數(shù)反應(yīng)器有效體積與設(shè)備實(shí)際容積之比稱為設(shè)備裝料系數(shù)，以符號(hào)表示，即：

=VR/V。其值視具體情況而定條件裝料系數(shù)范圍無(wú)攪拌或緩慢攪拌的反應(yīng)釜0.80～0.85帶攪拌的反應(yīng)釜0.70～0.80易起泡或沸騰狀況下的反應(yīng)0.40～0.60液面平靜的貯罐和計(jì)量槽0.85～0.90實(shí)際生產(chǎn)中，反應(yīng)器的容積要比有效容積大，以保證液面上留有空間。112、反應(yīng)器的容積和個(gè)數(shù)的確定

（1）已知VD或FV與t’，根據(jù)已有的設(shè)備容積Va，求算需用設(shè)備的個(gè)數(shù)m。設(shè)備裝料系數(shù)為，則每釜物料的體積為Va，按設(shè)計(jì)任務(wù)，每天需要操作的總批次為：每個(gè)設(shè)備每天能操作的批數(shù)為：

按設(shè)計(jì)任務(wù)需用的設(shè)備個(gè)數(shù)為：

12由上式算出的m值往往不是整數(shù)，需取成整數(shù)m’,m＇＞m。

因此實(shí)際設(shè)備總能力比設(shè)計(jì)需求提高了。其提高的程度稱為設(shè)備能力的后備系數(shù)，以δ表示，則13（2）已知每小時(shí)處理的物料體積FV與操作周期t’,求設(shè)備體積與個(gè)數(shù)

需要設(shè)備的總?cè)莘e為：如果反應(yīng)器容積V的計(jì)算值很大，可選用幾個(gè)小的反應(yīng)器

若以m表示反應(yīng)釜的個(gè)數(shù)，則每個(gè)釜的容積:Vm=V/m=FVt’/(m)為便于反應(yīng)器的制造和選用，釜的規(guī)格由標(biāo)準(zhǔn)(GB9845-88)而定。在選擇標(biāo)準(zhǔn)釜時(shí)，應(yīng)注意使選擇的容積與計(jì)算值相當(dāng)或略大。如果大，則實(shí)際生產(chǎn)能力較要求為大，富裕的生產(chǎn)能力稱為反應(yīng)器的后備能力，可用后備系數(shù)δ來(lái)衡量后備能力的大小，若標(biāo)準(zhǔn)釜的容積為Va，那么，

14思考選用個(gè)數(shù)少而容積大的設(shè)備有利還是選用個(gè)數(shù)多而容積小的設(shè)備有利？15例3-1：鄰硝基氯苯連續(xù)氨化，然后分批還原生產(chǎn)鄰苯二胺。已知氨化出料速率為0.83m3/h，還原操作時(shí)間為7h(不計(jì)受料時(shí)間)，求需要還原鍋的個(gè)數(shù)與容積。設(shè)備裝料系數(shù)取0.753、計(jì)算示例物料處理量FV一般由生產(chǎn)任務(wù)確定，輔助時(shí)間t0視實(shí)際操作情況而定，反應(yīng)時(shí)間t可由動(dòng)力學(xué)方程確定，也可由實(shí)驗(yàn)得到。由以上數(shù)據(jù)可求VR、V、m、Vm以及δ等16解：因氨化為連續(xù)操作，故至少需要兩臺(tái)還原釜交替進(jìn)行受料和還原。還原操作時(shí)間為7h，可取受料時(shí)間為8h，安排每班進(jìn)行一次還原操作，則每批的操作時(shí)間為16h。裝料系數(shù)取0.75，于是需要設(shè)備的總?cè)莘e為取兩臺(tái)釜，每釜容積為8.85m3，采用標(biāo)準(zhǔn)容積為10m3的反應(yīng)釜，后備能力為思考如果取受料時(shí)間為1h，結(jié)果如何？17例3-2同例3-1，如果根據(jù)工廠的加工能力能夠制造的最大容積的還原鍋為6m3。問(wèn)需用幾個(gè)還原鍋。解：

選用6m3的鍋，每鍋受料體積為VR=0.75×6=4.5m3，則受料時(shí)間：4.5/0.83=5.44h操作周期：

5.44+8=13.44h每天操作總批數(shù)：

α=24X0.83/4.5=4.45每鍋每天操作批數(shù)：

β=24/13.44=1.78需要鍋的個(gè)數(shù)：

m=4.55/1.78=2.5取用三個(gè)鍋，生產(chǎn)能力后備系數(shù)為：

δ=[（3-2.5）/2.5]×100%=20%18三個(gè)還原鍋交替操作的時(shí)間安排圖19例3-3西維因農(nóng)藥中試車間取得以下數(shù)據(jù)：用200升搪瓷鍋?zhàn)鰧?shí)驗(yàn)，每批操作可得西維因成品12.5Kg，操作周期為17小時(shí)。今需設(shè)計(jì)年產(chǎn)1000噸的西維因車間，求算需用搪瓷鍋的數(shù)量與容積。年工作日取300天。解：每臺(tái)鍋每天操作批數(shù)：β=24/17=1.41每天生產(chǎn)西維因農(nóng)藥數(shù)量：1000×1000÷300=3330Kg（GD）需要設(shè)備總?cè)莘e:mVm=（3330/1.41）×200×10-3/12.5=37.8m3

取Va為10m3的最大搪瓷鍋4臺(tái)。δ=（4-3.78）/3.78×100%=5.82%20例3-4萘磺化反應(yīng)器體積的計(jì)算。萘磺化生產(chǎn)2-萘磺酸，然后通過(guò)堿熔得2-萘酚。已知2-萘酚的收率按萘計(jì)為75%，2-萘酚的純度為99%，工業(yè)萘純度為98.4%，密度為963kg/m3?；腔瘎?8%硫酸，密度為1.84。萘與硫酸的摩爾比為1：1.07。每批磺化操作周期為3.67小時(shí)。萘磺化釜的裝料系數(shù)為0.7。年產(chǎn)2-萘酚4000t，年工作日330天。21根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，每小時(shí)需處理工業(yè)萘的體積為：每小時(shí)需處理硫酸的體積為：每小時(shí)處理物料總體積為:FV=626+270=896L反應(yīng)器的體積為：若采用2500L標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)器兩個(gè)，則反應(yīng)器的生產(chǎn)能力后備系數(shù)為：223.2.2間歇操作設(shè)備間的平衡保證各道工序每天操作總批次α相等即α1=α2=…=αn總操作批數(shù)相等的條件是：①m1β1=m2β2=…=mnβn或

即各工序的設(shè)備個(gè)數(shù)與操作周期之比要相等②各工序的設(shè)備容積之間保證互相平衡

即或

23例3-5萘酚車間的磺化工段有四道工序：磺化、水解、吹萘及中和?，F(xiàn)有鑄鐵磺化鍋的規(guī)格2m3，2.5m3及3m3三種。試設(shè)計(jì)各工序的設(shè)備容積與數(shù)量。已知各工序的VD，t’及如下表：工序VD（m3）t

’

（h）φ磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.54.01.53.05.00.800.850.600.6024解：（1）先作磺化工序的計(jì)算如取Va=2m3，計(jì)算再取Va=2.5m3與Va=3m3做同樣計(jì)算，結(jié)果列于下表中：Vaαβmδ%2.02.53.00.80.80.812.510.08.346662.081.671.5832244204425使水解工序：α=10β=24/1.5=16，m=10/16=0.625取水解鍋容積的計(jì)算：Va=VD/α=21.25/（10×0.85）=2.5m3=1，δ=[（1-0.625）/0.625]×100%=60%比較三種方案，選用2個(gè)2.5m3的磺化鍋較為合適。（2）水解及其他工序的計(jì)算26同樣方法計(jì)算吹萘及中和二個(gè)工序。將各工序計(jì)算結(jié)果列表如下：工序VD（m3）αβmδ%Va磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.51010101061684.81.670.6251.252.08212319.86060442.52.52190.80.850.60.6273.3

等溫間歇釜式反應(yīng)釜的計(jì)算*反應(yīng)器容積V反應(yīng)器有效體積VRFV,t’t’=t+t0確定反應(yīng)時(shí)間的兩種方法：①經(jīng)驗(yàn)法;②動(dòng)力學(xué)法①間歇反應(yīng)屬非定態(tài)操作，反應(yīng)時(shí)間取決于所要達(dá)到的反應(yīng)進(jìn)程②反應(yīng)器內(nèi)各處濃度、溫度均一，所以，可對(duì)其中某一反應(yīng)物做物料衡算，以確定反應(yīng)時(shí)間。283.3.1單一反應(yīng)設(shè)在間歇反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行如下化學(xué)反應(yīng)A＋B→R

0

0

1.反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算若VR為反應(yīng)混合物的體積(反應(yīng)器有效容積)；rA為t時(shí)刻的反應(yīng)速率；nA0為反應(yīng)開始時(shí)A的摩爾量；nA為t時(shí)刻的A的摩爾量。并以A為關(guān)鍵組分作微元時(shí)間dt內(nèi)的物料衡算。

所以29適用于任何間歇反應(yīng)過(guò)程。

由反應(yīng)物A轉(zhuǎn)化率xA的定義得到于是，積分得：30恒容條件下：所以取t=0

時(shí)xA=0、CA＝CA0；t=t時(shí)xA=xAf、CA=

CAf，積分得其中rA一般具有rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn···的形式

反應(yīng)器的有效體積VR=FV

(t＋t0)31等溫恒容下的簡(jiǎn)單反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間積分表*化學(xué)反應(yīng)速率微分式反應(yīng)時(shí)間積分式

(1)零級(jí)反應(yīng)A→R

(2)一級(jí)反應(yīng)A→R(3)二級(jí)反應(yīng)A→R(4)二級(jí)反應(yīng)A+B→R(CA0=CB0)(5)二級(jí)反應(yīng)A+B→R(CA0≠CB0)其它反應(yīng)的積分請(qǐng)參閱參考書[1]，[6]32例3-6間歇反應(yīng)A+B→R+S，二級(jí)不可逆rA=kCACB，等溫恒容，k=1.0m3/(kmol.h)，處理量為2.0m3/h，A、B的初濃度均為1.0kmol/m3，每批輔時(shí)為0.5h，求反應(yīng)體積為9.0m3時(shí)的A的轉(zhuǎn)化率。解：由解上述方程得得又由得33例3-7：在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行己二酸和己二醇的縮聚反應(yīng),其動(dòng)力學(xué)方程為rA=kCA2kmol/(L·min)，k=1.97L/(kmol·min)。己二酸與己二醇的摩爾配比為1:1，反應(yīng)混合物中己二酸的初始濃度為0.004kmol/L。若每天處理己二酸2400kg,要求己二酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，每批操作的輔時(shí)為1h，裝料系數(shù)取為0.75，計(jì)算反應(yīng)器體積。解：積之得34物料的處理量為操作周期為反應(yīng)體積為反應(yīng)器容積為思考計(jì)算FV時(shí)，為什么不考慮己二醇？35正反應(yīng)速率常數(shù)k1為4.76×10-4m3/（kmol.min），逆反應(yīng)速率常數(shù)k2為1.63×10-4m3/（kmol.min）。反應(yīng)器內(nèi)裝入0.3785m3水溶液，其中含有90.8kg乙酸，181.6lkg乙醇。物料密度為1043kg/m3，假設(shè)反應(yīng)過(guò)程不改變。試計(jì)算反應(yīng)2h后乙酸的轉(zhuǎn)化率。例3-8在攪拌良好間歇操作釜式反應(yīng)器中，以鹽酸作為催化劑，用乙酸和乙醇生產(chǎn)乙酸乙酯，反應(yīng)式為：已知100℃時(shí)，反應(yīng)速率方程式為36解：乙酸的初始濃度乙醇的初始濃度水的初始濃度設(shè)XA為乙酸的轉(zhuǎn)化率，則各組分的瞬時(shí)濃度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為kmol/m3kmol/m3kmol/m337代入反應(yīng)速率方程式，則得=所以==當(dāng)t=120min，用上式算得：xAf=0.356，即35.6%乙酸轉(zhuǎn)化成乙酸乙酯。38（2）

間歇反應(yīng)釜的最佳反應(yīng)時(shí)間問(wèn)題的提出

：①操作時(shí)間包括反應(yīng)時(shí)間和輔助時(shí)間，輔助時(shí)間一般是固定的；②延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間可提高產(chǎn)品收率，但反應(yīng)后期，反應(yīng)物濃度降低，反應(yīng)的推動(dòng)力變小，反應(yīng)速率變低，所以，從宏觀上看，單位操作時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)品收獲量未必高；③縮短反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)品收率低，但反應(yīng)速率一直較大，所以單位操作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量未必低。由此看來(lái)，應(yīng)存在一最佳反應(yīng)時(shí)間，使得操作單位時(shí)間內(nèi)獲得的產(chǎn)品量為最大。39①

以單位操作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量最大為目標(biāo)對(duì)于反應(yīng)A→R，若反應(yīng)產(chǎn)物的濃度為CR，則單位時(shí)間內(nèi)獲得的產(chǎn)品量GR為GR=VR×CR/(t+t0)對(duì)反應(yīng)時(shí)間求導(dǎo)若使GR為最大，可令dGR/dt=0，于是此為使單位操作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物收獲量為最大應(yīng)滿足的條件。思考上述結(jié)果是否表明該最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間與其動(dòng)力學(xué)特征無(wú)關(guān)？40圖解法①描繪產(chǎn)物濃度CR與時(shí)間t的曲線于坐標(biāo)軸上(OMN);②在橫軸上取A(-t0,0)；③過(guò)A點(diǎn)作OMN的切線交OMN于M點(diǎn);④M點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是最佳反應(yīng)時(shí)間。41②以單位產(chǎn)品生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)設(shè)一個(gè)操作周期中單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作所需費(fèi)用為a；輔助操作所需費(fèi)用為a0；固定費(fèi)用為aF，則單位產(chǎn)品的總費(fèi)用Z為Z=(at+a0t0+aF)

/(VRCR)對(duì)反應(yīng)時(shí)間求導(dǎo)若使Z為最大，可令dZ/dt=0，于是此為單位生產(chǎn)量的總費(fèi)用最小應(yīng)滿足的條件。42圖解法③.自B做CR～t曲線的切線切點(diǎn)N，斜率NE/BE=dCR/dt②.作④由切點(diǎn)N的橫坐標(biāo)值，確定最佳反應(yīng)時(shí)間t=OE，相應(yīng)的CR值由縱坐標(biāo)得知。

①.作CR～t圖間歇反應(yīng)最佳反應(yīng)時(shí)間圖解法示意圖目標(biāo)不同時(shí)，最佳反應(yīng)時(shí)間不同。433.3.2復(fù)雜反應(yīng)(考慮平行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng))①平行反應(yīng)

平行反應(yīng)的基本特征是相同的反應(yīng)物能進(jìn)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)。其中R為目標(biāo)產(chǎn)物，則A的轉(zhuǎn)化率、組份濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系可由物料衡算求得。

AR（主反應(yīng)）AS（副反應(yīng)）設(shè)等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)平行反應(yīng)：44對(duì)于A：對(duì)于R：對(duì)于S：45對(duì)于A：對(duì)于R：對(duì)于S：恒容條件下，上述方程可用濃度表達(dá)46A的衡算方程表達(dá)了A的濃度(A的轉(zhuǎn)化率)與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。設(shè)t=0時(shí)，CA=CA0，xA0=0，積之得:把CA關(guān)于t的表達(dá)式代入R的衡算方程，并設(shè)t=0時(shí)，CR=0，積之得:也就是47同理由CR和CS的關(guān)于反應(yīng)時(shí)間的表達(dá)式可知:48對(duì)于上例瞬時(shí)選擇性：收率：

49例3-8在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行以下恒容液相反應(yīng)：A+B→R，rR=2CA

kmol/(m3h)2A→S，rS=0.5CA2kmol/(m3h)反應(yīng)開始時(shí)A和B的濃度均為2.0kmol/m3，目的產(chǎn)物為R，計(jì)算反應(yīng)時(shí)間為3h的A的轉(zhuǎn)化率和R的收率以及生成R的選擇性。解：rA=rR+2rS=2CA+2×0.5CA2=2CA+CA2，所以，恒容條件下，組份A的物料衡算式為積之得50代入已知條件得CAf=2.48×10-3kmol/m3，即反應(yīng)3h后A的濃度此時(shí)xA=(2.0-2.48×10-3)/2.0=0.9988=99.88%又由及得積之得51于是代入數(shù)據(jù)得CRf=1.384kmol/m3，則R的收率為YR=1.384/2=0.692，即69.2%；生成R的選擇性為SR=YR/xA=0.693%，即69.3%上述計(jì)算表明，A轉(zhuǎn)化了99.88%，而轉(zhuǎn)化生成R只有69.2%，其余的30.68%則轉(zhuǎn)化為S。52②串聯(lián)反應(yīng)設(shè)在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行某一級(jí)不可逆串聯(lián)反應(yīng)各組分的速率方程分別為：

=-

==53若時(shí)

由得所以把代入得到形如的一階線性微分方程取t=0時(shí)，CP=0，積之得54

因CA+CP+CS=CA0所以CS=CA0-CA-CP

55根據(jù)各反應(yīng)組分濃度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系的三個(gè)關(guān)系式以時(shí)間對(duì)濃度作圖

串聯(lián)反應(yīng)的組分濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系當(dāng)目的產(chǎn)物為P時(shí)就需要控制反應(yīng)時(shí)間，以使P的收率最大.

56為使YR最大，應(yīng)滿足dYR/dt=0，即將上式兩邊取對(duì)數(shù)整理得最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間

即P的最大濃度

573.4

變溫間歇釜的計(jì)算問(wèn)題的提出*①化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常伴有熱效應(yīng)。對(duì)于釜式間歇反應(yīng)而言，要做到等溫時(shí)極其困難的；②化學(xué)反應(yīng)通常要求溫度隨著反應(yīng)進(jìn)程有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆植迹垣@得較好的反應(yīng)效果。因此研究非等溫間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析具有重要的實(shí)際意義。變溫操作時(shí)，要對(duì)反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，需要聯(lián)立物料衡算方程(速率方程)和熱平衡方程。583.4.1.間歇反應(yīng)器熱平衡由于是間歇操作，可取整個(gè)釜作為衡算單元。59設(shè)Q1、Q4分別為時(shí)刻t時(shí)物料帶入、帶出微元體積的熱量；Q2表示時(shí)刻t時(shí)間壁傳熱量；Q3表示時(shí)刻t時(shí)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱；Q5表示時(shí)刻t時(shí)熱累積量，于是：Q1=Q4=060由熱量守恒方程知(假定傳熱劑從系統(tǒng)取熱)Q5

=Q1－Q2+Q3－Q4，所以式中：qr為以組份A為基準(zhǔn)的摩爾反應(yīng)熱，放熱反應(yīng)取正直；nA0為A組份的起始摩爾流量；ni、Cvi分別表示反應(yīng)器中的組份i的摩爾數(shù)和定容摩爾熱容；dT為物料在dt時(shí)間間隔內(nèi)溫度的變化；K為總傳熱系數(shù)；A為反應(yīng)釜的傳熱面積；T為反應(yīng)物溫度；Ts為傳熱介質(zhì)溫度61由此可見，對(duì)于一定的反應(yīng)物系，反應(yīng)溫度、關(guān)鍵組份的轉(zhuǎn)化率都取決于物系與外界的傳熱速率.另一方面，對(duì)于非等溫過(guò)程，由于其反應(yīng)速率常數(shù)是隨溫度的變化而變化的，所以，要想準(zhǔn)確描述反應(yīng)溫度、關(guān)鍵組份的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化關(guān)系，須聯(lián)立熱平衡方程與動(dòng)力學(xué)方程(物料平衡方程)求解。622.間歇反應(yīng)器絕熱操作計(jì)算當(dāng)Q2=0，即絕熱情況下，熱平衡方程為起始條件：t=0，T=T0，xA=xA0積分上式得T0、xA0分別為反應(yīng)開始時(shí)的物系溫度及A組份的轉(zhuǎn)化率此式稱為間歇釜式反應(yīng)器的絕熱方程，表明絕熱條件下，反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系。63若平均熱容可視為常數(shù)，絕熱方程可表達(dá)為稱為絕熱溫升，其物理意義為反應(yīng)物中的A組份完全轉(zhuǎn)化時(shí)，引起物系溫度變化的度數(shù)。

思考就間歇釜式反應(yīng)器而言，該絕熱方程有哪些應(yīng)用？若以yA0表示組份A的初始摩爾分?jǐn)?shù)，則643.間歇反應(yīng)器恒溫操作計(jì)算

即要使反應(yīng)在等溫下進(jìn)行，反應(yīng)放出(或吸收)的熱量必須等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量。應(yīng)用：求換熱面積。若為恒溫過(guò)程654.等溫間歇操作反應(yīng)器的放熱規(guī)律

為了保持在等溫下進(jìn)行操作，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)必須與外界進(jìn)行熱交換，而且反應(yīng)系統(tǒng)與外界交換的熱量應(yīng)該等于反應(yīng)放出的熱量（放熱反應(yīng)）或吸收的熱量（吸熱反應(yīng)），其關(guān)系式可以下式表示q–反應(yīng)系統(tǒng)與外界傳熱速率kJ/h上式變形為

因?yàn)榉磻?yīng)物料VR和等溫下進(jìn)行的熱效應(yīng)qr均為定值，所以傳熱量變化規(guī)律可以根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率來(lái)確定。對(duì)于不同反應(yīng)，則可按照其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式進(jìn)行具體計(jì)算。66例3-9設(shè)在間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行某二級(jí)不可逆反應(yīng)A+B→R。已知反應(yīng)熱為33.5kJ/molA；反應(yīng)物平均熱容為1980kJ/(m3·K)。反應(yīng)速率rA＝1.37×1012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3·s)，A和B的初濃度分別為4.55kmol/m3和5.34kmol/m3，在反應(yīng)物預(yù)熱到326.0K后，①?gòu)?26.0K開始在絕熱條件下進(jìn)行反應(yīng)，在溫度達(dá)到373.0K時(shí)開始等溫反應(yīng)。計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.98所需要的時(shí)間；②若反應(yīng)始終在373K等溫進(jìn)行，所需反應(yīng)時(shí)間又是多少？67解：①絕熱反應(yīng)過(guò)程的轉(zhuǎn)化率和溫度的關(guān)系由絕熱方程確定。注意到反應(yīng)開始時(shí)混合物中不含產(chǎn)物，即xA0=0，所以右端分子分母同除反應(yīng)體積VR，得右端分母即是以kJ/(m3·K)給出的反應(yīng)混合物平均熱容68rA＝1.37×1012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3·s)＝1.37×1012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0

xA)所以69當(dāng)絕熱反應(yīng)到373.0K開始等溫反應(yīng)時(shí),xA=0.6105絕熱反應(yīng)23.1min，A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.6105后，開始在373.0K維持等溫反應(yīng)，至xA=0.98止于是t絕熱

=23.1min70所以，先絕熱再等溫的總反應(yīng)時(shí)間是37.9min②若反應(yīng)始終再373.0K下等溫進(jìn)行，則思考為什么先絕熱后等溫的反應(yīng)時(shí)間較始終等溫的長(zhǎng)？71例3-10鄰甲氧基重氮鹽水解反應(yīng)生成鄰甲氧基苯酚反應(yīng)動(dòng)力學(xué)式為rA＝kCACB,以硫酸銅為催化劑，反應(yīng)溫度96℃時(shí)ｋ＝2.2X10-3M3/(kmol·min)，重氮鹽的初濃度CAO為0.25kmol/m3，水初濃度CBO為5kmol/m3，化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)qr為502kJ／mol。在間歇攪拌鍋中進(jìn)行，重氮鹽的終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率為0.8，夾套冷卻水進(jìn)出口溫度分別為22℃和30℃。求生成100kg甲氧基苯酚過(guò)程中放熱量、冷卻水用量隨時(shí)間變化的關(guān)系。72解：因?yàn)橐合囿w積視為不變，過(guò)程作為等溫等容計(jì)算CAO=0.25kmol/m3CBO=5kmol/m3CA=CA0（1-xA），CB=CB0-CA0xArA=kCACB=kCA0（1-xA）（CB0-CA0xA）則

===73簡(jiǎn)化為：式中則

74積分得上式中qt即為反應(yīng)進(jìn)行至t時(shí)總需傳出熱量，亦即反應(yīng)總放熱量，以Qt表示：Qt=NA0qrxA式中NA0為A的投料總摩爾數(shù)，終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率為0.8，則即Qt=5.06×105xAkJ所需冷卻水量為75取一定的時(shí)間間隔Δt=30min，計(jì)算不同xA、Qt、Gt及ΔQ、ΔG之值如下表t（min）xAQt（kJ）Gt（kg）Δt（min）ΔQ（kJ）ΔG（kg）030609012015000.27930.47860.62170.72500.800001411602419003142503664604042900422072409400109601209003030303030014116010074723605221037830042203020216015601130763.5半間歇釜式反應(yīng)器1、半分批操作形式（ａ）此種操作主要適應(yīng)于以下幾種情況可以在沸騰溫度下進(jìn)行的強(qiáng)放熱反應(yīng)，用氣化潛熱帶走大量反應(yīng)熱；要求嚴(yán)格控制反應(yīng)物A濃度；Ｂ濃度高，A和C濃度低對(duì)反應(yīng)有利的場(chǎng)合；可逆反應(yīng)。77（ｂ）主要適用于以下情況：要求嚴(yán)格控制鍋內(nèi)Ａ的濃度防止A過(guò)量副反應(yīng)增加的情況；保持在較低溫度下進(jìn)行的放熱反應(yīng);A濃度低，Ｂ濃度高對(duì)反應(yīng)有利的情況。78（ｃ）這種操作可以嚴(yán)格計(jì)量控制Ａ、Ｂ的加料比例，而且可以保持Ａ和B都在低濃度下進(jìn)行，適合于Ｂ濃度降低對(duì)反應(yīng)有利的場(chǎng)合。79（ｄ）此種操作方式既能滿足A,B的比例要求，又能保持A,B在反應(yīng)過(guò)程中的高濃度，對(duì)可逆反應(yīng)尤為適合。802.半間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算液相、等溫反應(yīng)A+B→C按（b）形式進(jìn)行操作V1

FVO

CAO

VCＡ

xＡ

rＡ

反應(yīng)器內(nèi)瞬時(shí)物料體積隨時(shí)間變化關(guān)系為：V=V1+FV0t在dt時(shí)間內(nèi)對(duì)A組分進(jìn)行物料平衡，由恒算式加入Ａ量-反應(yīng)消耗Ａ量=Ａ積累量81該式即可計(jì)算xA與t的關(guān)系。式中rA=f（xA）和V=f（t），比較復(fù)雜時(shí)難于求解析解，可寫成差分形式用數(shù)值法求解。寫成差分形式為若nA1=0，則

寫成差分式為82例3-12在半連續(xù)操作反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)不可逆等溫反應(yīng)A+B→C，rA=kCA，先在反應(yīng)器內(nèi)加入500l物料B，含B8kmol，不含A。然后連續(xù)加入物料A，含A濃度為8mol/l，加入速度為10l/min。反應(yīng)速度常數(shù)k=1.33×10-2min-1。求（1）100分鐘后釜內(nèi)物料體積；（2）A的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化情況。解：（1）V=V1+FV0t=500+10×100=1500l

（2）因?yàn)閚A1=0，所以可用差分式計(jì)算83將、（rAV）代入式得

84取△t，初始條件