化學反應工程間歇釜式反應器

化學反應工程間歇釜式反應器第1頁/共27頁概述化學反應器是化工生產(chǎn)中的關鍵設備，反應器的類型很多，在不同類型的反映器中，能量與物質的傳遞特性有很大差異，因此反應器的類型對產(chǎn)品的質量及整個工藝過程的經(jīng)濟性都起著決定性的作用。反應器的選型就是要根據(jù)給定反應體系的動力學特性，選擇具有適宜傳遞特性的反應器設備本章將以均相反應為背景，討論理想流動反應器設計的基本理論。第2頁/共27頁理想反應器的三種基本形式●間歇反應器(Batchreactor)●活塞流反應器(Plugflowreactor–PFRs)●全混流反應器(Continuousstirredtankreactors–CSTRs)本章內容●掌握工業(yè)反應器設計和開發(fā)計算中所為基本原理●以反應動力學為基礎，根據(jù)反應的特點和反應器的性能，確定化學反應器的形式和最佳操作條件●復完成生產(chǎn)任務所必需的反應器體積及生產(chǎn)能力第3頁/共27頁理想反應器特性●理想混合反應器特性返混無窮大，完全混合，混合瞬間完成，器內物料具有完全相同的溫度和濃度，且等于反應器出口的溫度和濃度。如：攪拌良好的釜式反應器?！衿酵屏鞣磻魈匦云鲀任锪弦韵嗤乃俾屎鸵恢碌姆较蜻M行移動、返混為0，所有物料在器內具有相同的停留時間。如：長徑比較大、流速較高的管式反應器。第4頁/共27頁連續(xù)流動反應器的空時、空速

空時：是空間時間的簡稱。它是指在規(guī)定的條件下，反應器有效容積和進料體積流量的比值，空時與平均停留時間第5頁/共27頁連續(xù)流動反應器的空時、空速

空速（SV）：是空間速度的簡稱，它是空時的倒數(shù)。指在規(guī)定的條件下，單位時間內通過單位反應器容積的物料體積空速表明反應器的生產(chǎn)能力，一般說來，空速越大，反應器的生產(chǎn)能力越大。第6頁/共27頁第7頁/共27頁反應設計的基本計算方程式物料衡算方程：A組分累積量=A組分流入量-A組分流出量-A組分反應消耗量反應器反應單元帶入量帶出量反應量累積量間歇式整個反應器00√√全混釜（穩(wěn)態(tài)）整個反應器√√√0平推流（穩(wěn)態(tài)）微元長度√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√第8頁/共27頁3.2間歇攪拌釜式反應器（BSTR）本節(jié)所要掌握的內容1.間歇反應器的設計方程、操作方程的建立及應用；2.等溫間歇釜式反應器的計算（單一反應）3.變容間歇釜式反應器的計算（單一反應）4.確定最佳操作條件，計算完成規(guī)定的生產(chǎn)任務所需的反應器體積第9頁/共27頁3.2間歇攪拌釜式反應器（BSTR）

排除了物質的傳遞（攪拌良好）無需考慮的反應器內熱量傳遞非定常態(tài)過程，cA、產(chǎn)物隨時間而變，化學反應的結果將唯一地由化學反應動力學確定，反應進行的程度決定于反應時間的長短具有周期性，一個周期包括操作（反應）時間t，也包括輔助（非生產(chǎn)性）時間t’生產(chǎn)靈活性大第10頁/共27頁

間歇釜式反應器的物料衡算對整個反應器中A組分物料進行衡算：00rAVt

第11頁/共27頁當t趨于0時定義產(chǎn)物P組分的生成速率：rP

反應速率為單位時間單位體積生成P的摩爾量第12頁/共27頁對設計方程進行積分A組分的轉化率間歇反應的反應時間第13頁/共27頁第14頁/共27頁恒容間歇反應器

當n1當n＝1第15頁/共27頁例題對于一級不可逆反應方程：在一間歇反應器完成上述反應，如k＝0.01s-1，試計算轉化率達到30%時所用的反應時間。第16頁/共27頁第17頁/共27頁恒壓間歇反應器

惰性氣體第18頁/共27頁第19頁/共27頁第20頁/共27頁間歇反應器的體積計算

生產(chǎn)任務給定后，平均每小時需要處理的物料量，根據(jù)每批操作所需要的時間可以算出反應器的體積。其中每批操作所需要的時間包括兩部分，一是物料的反應時間t，另外還有反應以外的加料、生溫、冷卻、卸料、清洗等時間，稱為輔助時間t’。因此反應器體積V計算公式為：第21頁/共27頁求得反應器的體積V后，根據(jù)實際反應過程的裝料系數(shù)，可以求得反應器實際體積第22頁/共27頁例題例題工廠采用間歇反應器以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在70℃下進行縮聚反應生產(chǎn)醇酸樹脂，實驗測得該反應的速率方程式為：

rA=kCACB式中：

rA----以已二酸組分計的反應速率，kmol.L-1.min-1

k----反應速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1cA、cB----分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.L-1cA0、cB0均為0.004kmol.L-1第23頁/共27頁求：已二酸的轉化率分別為xA=0.5、0.6、0.8所需的反應時間分別為多少？若每天處理已二酸2400kg，轉化率為80%，每批操作的輔助時間為1小時，試計算確定反應器的體積大小。第24頁/共27頁總結由間歇釜式反應器的設計方程可知：○反應物達到一定的轉化率所需反應時間只取決于過程的反應速率，也就是說取決于反應動力學因素，與反應器的大小無關。○反應器的大小僅取決于反應物料的處理量。（即生產(chǎn)強度）設計間歇反應器的計算：○反應時間t：由設計方程與動力學方程聯(lián)立求解，即可求得達到一定轉化率所需時間t；第25頁/共27頁○有效容積：V