化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)習(xí)省公開(kāi)課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)

第3章釜式及均相管式反應(yīng)器1/133第一節(jié)間歇釜式反應(yīng)器第二節(jié)連續(xù)流動(dòng)均相管式反應(yīng)器第三節(jié)連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器第四節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器組合第五節(jié)多重反應(yīng)選擇率第六節(jié)半間歇釜式反應(yīng)器第七節(jié)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行多相反應(yīng)第八節(jié)討論與分析本章主要內(nèi)容2/133化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程物料衡算方程熱量衡算方程動(dòng)量衡算方程第2章中講過(guò)計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算溫度改變計(jì)算壓力改變反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3/133物料衡算方程某組分流入量=某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量反應(yīng)消耗累積流入流出反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇釜式整個(gè)反應(yīng)器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長(zhǎng)度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個(gè)反應(yīng)器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4/1333.1間歇釜式反應(yīng)器一、釜式反應(yīng)器特征基本結(jié)構(gòu)攪拌器進(jìn)料口出料口夾套圖3-1間歇反應(yīng)器示意圖5/1333.1間歇釜式反應(yīng)器操作狀態(tài)6/1333.1間歇釜式反應(yīng)器特點(diǎn):1因?yàn)槊土覕嚢瑁磻?yīng)器內(nèi)物料濃度到達(dá)分子尺度上均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對(duì)反應(yīng)影響；

2含有足夠強(qiáng)傳熱條件，溫度一直相等，無(wú)需考慮器內(nèi)熱量傳遞問(wèn)題；3物料同時(shí)加入并同時(shí)停頓反應(yīng)，全部物料含有相同反應(yīng)時(shí)間。7/1333.1間歇釜式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，適合用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)

精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定8/1333.1間歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)物料間歇加入與取出，反應(yīng)物料溫度和濃度等操作參數(shù)隨時(shí)間而變，不隨空間位置而變，全部物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)歷相同反應(yīng)時(shí)間應(yīng)用：眾多有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，藥品中間體合成反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間需要幾個(gè)小時(shí)。9/1333.1間歇釜式反應(yīng)器對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算流入量=流出量+反應(yīng)量+累積量00單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)量=單位時(shí)間內(nèi)消失量二、間歇釜式反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型溫度濃度均一10/1333.1間歇釜式反應(yīng)器入口物料中不含產(chǎn)物情況因?yàn)榈热輻l件下分離變量并積分在沒(méi)有任何假設(shè)條件下導(dǎo)出，不論在等溫條件和變溫條件，還是在等容條件和變?nèi)輻l件下都是適用，是間歇反應(yīng)釜用于反應(yīng)時(shí)間計(jì)算普通公式。反應(yīng)速率單位是mol/（時(shí)間*體積）11/1333.1間歇釜式反應(yīng)器等容過(guò)程，液相反應(yīng)以轉(zhuǎn)化率表示，主要是著眼于原料利用率，或是減輕反應(yīng)后分離任務(wù)。以殘余濃度表示，主要是為了適應(yīng)后續(xù)工序要求，如有害雜質(zhì)去除。12/1333.1間歇釜式反應(yīng)器圖解積分13/1333.1間歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2等溫等容過(guò)程積分結(jié)果14/133三、間歇釜熱量衡算3.1間歇釜式反應(yīng)器15/1333.1間歇釜式反應(yīng)器電加熱外盤(pán)管16/1333.1間歇釜式反應(yīng)器[單位時(shí)間內(nèi)由反應(yīng)產(chǎn)生熱量]=[單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)冷卻面?zhèn)鞒隹偀崃縘=[單位時(shí)間內(nèi)由冷卻介質(zhì)帶走總熱量]

反應(yīng)等溫進(jìn)行時(shí)：17/1333.1間歇釜式反應(yīng)器四、間歇釜式反應(yīng)器工程放大及操作優(yōu)化1工程放大反應(yīng)物到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間，只取決于過(guò)程反應(yīng)速率，與反應(yīng)器大小無(wú)關(guān)，反應(yīng)器大小由反應(yīng)物料處理量決定。試驗(yàn)室結(jié)果工業(yè)過(guò)程反應(yīng)條件相同設(shè)備結(jié)構(gòu)合理放大前提條件理想間歇釜式反應(yīng)器18/1333.1間歇釜式反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間t輔助時(shí)間t0反應(yīng)體積＝單位時(shí)間所要處理物料體積×操作周期由生產(chǎn)任務(wù)決定裝料卸料清洗填充系數(shù)沸騰或鼓泡液體，可取0.4－0.6不沸騰或不鼓泡液體，可取0.7－0.8519/1333.1間歇釜式反應(yīng)器為二級(jí)可逆反應(yīng)（對(duì)丙酸鈉和鹽酸均為一級(jí)），在試驗(yàn)室中用間歇反應(yīng)器于50℃等溫下進(jìn)行該反應(yīng)試驗(yàn)。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)兩反應(yīng)物摩爾比為1，為了確定反應(yīng)進(jìn)行程度，在不一樣反應(yīng)時(shí)間下取出10ml反應(yīng)液用0.515mol/LNaOH溶液滴定，以確定未反應(yīng)鹽酸濃度。不一樣反應(yīng)時(shí)間下，NaOH溶液用量以下表所表示：時(shí)間，min010203050∝NaOH用量，ml52.532.123.518.914.410.5例3-1：丙酸鈉與鹽酸反應(yīng)：20/1333.1間歇釜式反應(yīng)器現(xiàn)擬用與試驗(yàn)室反應(yīng)條件相同間歇反應(yīng)器生產(chǎn)丙酸，產(chǎn)量為500kg/h，且丙酸鈉轉(zhuǎn)化率要到達(dá)平衡轉(zhuǎn)化率90%。試計(jì)算反應(yīng)器實(shí)際體積。假定（1）原料裝入以及加熱至反應(yīng)溫度（50℃）所需時(shí)間為20min，且在加熱過(guò)程中不進(jìn)行反應(yīng)；（2）卸料及清洗時(shí)間為10min；（3）反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物密度恒定。(裝料系數(shù)取0.8）21/1333.1間歇釜式反應(yīng)器解：利用與NaOH當(dāng)量關(guān)系可求出任一時(shí)刻鹽酸濃度（也就是丙酸鈉濃度，因?yàn)槠溆?jì)量比和投量比均為1：1）為：于是可求出A平衡轉(zhuǎn)化率：22/1333.1間歇釜式反應(yīng)器由圖中能夠得出，當(dāng)CA=0.757mol/l時(shí)，所對(duì)應(yīng)反應(yīng)時(shí)間為48min。因?yàn)樵谝粯訔l件下，間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器大小無(wú)關(guān)，所以該生產(chǎn)規(guī)模反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間也是48min。丙酸產(chǎn)量為：500kg/h=112.6mol/min。所需丙酸鈉量為:112.6/0.72=156.4mol/min。

23/1333.1間歇釜式反應(yīng)器24/1333.1間歇釜式反應(yīng)器2反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)反應(yīng)物濃度降低產(chǎn)物生成速率降低產(chǎn)量增加單位操作時(shí)間產(chǎn)品產(chǎn)量不一定增加存在一最優(yōu)操作時(shí)間單位操作時(shí)間產(chǎn)品產(chǎn)量最大反應(yīng)時(shí)間5101520產(chǎn)品產(chǎn)量20303537平均產(chǎn)量11.21.171.06輔助時(shí)間1525/1333.1間歇釜式反應(yīng)器對(duì)于反應(yīng)若要求產(chǎn)物R最終濃度為cR則單位操作時(shí)間產(chǎn)品產(chǎn)量為將上式對(duì)反應(yīng)時(shí)間求導(dǎo)，并令其等于0：26/1333.1間歇釜式反應(yīng)器可得：27/133若以單位質(zhì)量產(chǎn)品生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)設(shè)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作費(fèi)用為a，輔助操作費(fèi)用為a0，而固定費(fèi)用為af，則單位質(zhì)量產(chǎn)品總費(fèi)用為：將上式對(duì)反應(yīng)時(shí)間求導(dǎo)，并令其等于0：3.1間歇釜式反應(yīng)器28/1333.1間歇釜式反應(yīng)器可得：29/1333.1間歇釜式反應(yīng)器3配料比為了使價(jià)格較高或在后續(xù)工序中較難分離組分A殘余濃度盡可能低，提升反應(yīng)速率，常采取使另一個(gè)反應(yīng)物B過(guò)量操作方法。定義配料比：配料比提升所帶來(lái)負(fù)面影響：降低反應(yīng)器容積利用率增加組分B回收費(fèi)用30/1333.1間歇釜式反應(yīng)器4反應(yīng)溫度對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，能夠在不一樣反應(yīng)時(shí)間不一樣階段，調(diào)整反應(yīng)溫度。改變反應(yīng)溫度時(shí)，應(yīng)該注意：反應(yīng)溫度提升，液相組分蒸汽壓上升很快，會(huì)增加冷凝負(fù)荷；反應(yīng)溫度過(guò)高，可使一些組分腐蝕性增強(qiáng)；對(duì)于多重反應(yīng)，反應(yīng)溫度增高，會(huì)使一些負(fù)反應(yīng)加劇。31/1333.2全混流反應(yīng)器一、全混釜普通設(shè)計(jì)方程連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器全混流反應(yīng)器強(qiáng)烈攪拌濃度、溫度均勻出口處物料參數(shù)與反應(yīng)器內(nèi)物料參數(shù)相等反應(yīng)速率由釜內(nèi)濃度和溫度決定32/1333.2全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器特點(diǎn)：反應(yīng)器中物料濃度和溫度處處相等，而且等于反應(yīng)器出口物料濃度和溫度；物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間有長(zhǎng)有短，存在不一樣停留時(shí)間物料混合，及返混程度最大；反應(yīng)器內(nèi)物料全部參數(shù)，溫度、濃度等都不隨時(shí)間改變，從而不存在時(shí)間這個(gè)自變量。33/133流入量=流出量+反應(yīng)量+累積量0進(jìn)口中已經(jīng)有產(chǎn)物3.2全混流反應(yīng)器34/133空間時(shí)間,簡(jiǎn)稱(chēng)空時(shí)。其物理意義為在連續(xù)流動(dòng)條件下按照反應(yīng)器進(jìn)口流量計(jì)算反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間，當(dāng)反應(yīng)前后無(wú)分子數(shù)改變時(shí)就等于反應(yīng)時(shí)間?？账?.2全混流反應(yīng)器35/133n=0時(shí)n=1時(shí)n=2時(shí)3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器36/133反應(yīng)器特征時(shí)間圖解積分間歇釜全混流矩形面積為全混流曲線(xiàn)下面積為間歇釜3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器37/133給定物料初始狀態(tài)及反應(yīng)器體積，求轉(zhuǎn)化率或出口濃度給定物料初始狀態(tài)及出口濃度，求反應(yīng)體積二、簡(jiǎn)單反應(yīng)單個(gè)全混釜設(shè)計(jì)3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器38/133例3－2:在反應(yīng)體積為1m3釜式反應(yīng)器中，環(huán)氧丙烷甲醇溶液與水反應(yīng)生產(chǎn)1，2-丙二醇：該反應(yīng)對(duì)環(huán)氧丙烷為一級(jí)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.98h-1，原料液中環(huán)氧丙烷濃度為2.1kmol/m3,環(huán)氧丙烷最終轉(zhuǎn)化率為90%。（1）若采取間歇操作，輔助時(shí)間為0.65h,則1，2-丙二醇日產(chǎn)量是多少？（2）有些人提議改在定態(tài)下連續(xù)操作，其余條件不變，則丙二醇-1，2日產(chǎn)量又是多少？（3）為何這兩種操作方式產(chǎn)量會(huì)有不一樣？3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器39/133解：

（1）

一級(jí)不可逆反應(yīng)：丙二醇濃度=

丙二醇產(chǎn)量=

3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器40/133(2)采取定態(tài)下連續(xù)操作丙二醇產(chǎn)量=（3）因連續(xù)釜在低反應(yīng)物濃度下操作，反應(yīng)速率慢，故產(chǎn)量低。3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器41/133平推流反應(yīng)器物料參數(shù)如濃度等沿流動(dòng)方向改變。對(duì)于等溫反應(yīng)，極難控制整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均勻。對(duì)于全混流反應(yīng)器，物料參數(shù)是均勻，對(duì)于物料溫度控制比較輕易。三、簡(jiǎn)單反應(yīng)多釜串聯(lián)3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器42/133在有機(jī)反應(yīng)中，尤其是多重反應(yīng)，要求反應(yīng)過(guò)程中物料濃度溫度等參數(shù)保持穩(wěn)定，不然極易發(fā)生副反應(yīng)，所以普通選擇全混流反應(yīng)器。為了滿(mǎn)足工藝要求，又要提升反應(yīng)推進(jìn)力，人們把一個(gè)大反應(yīng)器分割成m個(gè)小全混流反應(yīng)器，然后串聯(lián)起來(lái)，稱(chēng)為“多級(jí)串聯(lián)全混流反應(yīng)器”。3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器43/1333.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器44/1333.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器45/1333.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器反應(yīng)速率一直處于出口反應(yīng)物濃度低速率狀態(tài)，采取多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)后，能夠降低返混影響程度，提升反應(yīng)速率或降低反應(yīng)器體積。多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)級(jí)數(shù)越多，過(guò)程就越靠近平推流反應(yīng)器，那么，是不是級(jí)數(shù)越多越好呢？46/133VR1VRmVR2VRiVRi-1v0v0v0v0v0v0多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)計(jì)算3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器47/133解析計(jì)算假設(shè)：穩(wěn)定狀態(tài)，等溫，等容。對(duì)第i級(jí)作A物料衡算，則有：則或3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器48/133多級(jí)全混流反應(yīng)器級(jí)數(shù)普通為2－3級(jí)，所以能夠按上式從第1級(jí)開(kāi)始逐層計(jì)算，依據(jù)不一樣已知條件來(lái)計(jì)算反應(yīng)器體積，級(jí)數(shù)或者最終轉(zhuǎn)化率。3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器49/133A對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，能夠直接建立級(jí)數(shù)m和最終轉(zhuǎn)化率之間關(guān)系，無(wú)須逐層計(jì)算。

3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器50/1333.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器51/133每級(jí)體積相等時(shí)，則公式可深入簡(jiǎn)化為：或總體積：3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器52/133重排得：依據(jù)多釜串聯(lián)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程：（3-33）B對(duì)于多級(jí)不可逆反應(yīng)，能夠用圖解法確定出口濃度或轉(zhuǎn)化率（3-40）3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器53/133式（3-40）幾何意義是：圖3-11多釜串圖解示意圖過(guò)點(diǎn)（cAi-1，0）斜率為-1/τ直線(xiàn)。再結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程（rA）線(xiàn)，即可圖解求出cAiM1,M2，M3，MN分別為第一釜，第二釜，第N釜操作點(diǎn)3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器54/133普通而言，級(jí)數(shù)不能太多，能夠事先確定。多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)優(yōu)化當(dāng)物料處理量、進(jìn)料組成及最終轉(zhuǎn)化率相同時(shí)，反應(yīng)器串聯(lián)級(jí)數(shù)m越多，反應(yīng)推進(jìn)力越大。串聯(lián)級(jí)數(shù)越多，設(shè)備、流程及操作控制越復(fù)雜。合理分配各級(jí)轉(zhuǎn)化率，使總反應(yīng)體積最小。優(yōu)化問(wèn)題3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器55/1333.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器反應(yīng)器設(shè)計(jì)中常碰到類(lèi)似這么問(wèn)題，物料處理量V0，進(jìn)料組成CA0及最終轉(zhuǎn)化率XAm均提前確定。反應(yīng)器級(jí)數(shù)因受生產(chǎn)條件限制亦確定。怎樣分配各級(jí)反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率才合理呢？通常以總體積為目標(biāo)函數(shù)來(lái)求解這類(lèi)問(wèn)題即使反應(yīng)總體積為最小來(lái)確定各級(jí)反應(yīng)釜轉(zhuǎn)化率。56/1333.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器各級(jí)反應(yīng)體積不一樣57/133為使VR最小，將上式分別對(duì)xA1、xA2、……xAm－1求偏導(dǎo)數(shù)，并令之為零：對(duì)于等溫等容過(guò)程，計(jì)算總反應(yīng)體積VR，則有從以上共m-1個(gè)方程，可解出m-1個(gè)待定量(xA1、xA2、……xAm－1)3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器58/133以一級(jí)不可逆反應(yīng)為例化簡(jiǎn)后：3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器59/133上式兩邊減1得：可見(jiàn)這時(shí)：上式表示：當(dāng)一級(jí)不可逆反應(yīng)時(shí)，各級(jí)體積相等時(shí)，總反應(yīng)體積最小。即：3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器60/133例3－4以硫酸為催化劑，由醋酸和丁醇反應(yīng)可制得醋酸丁酯。倉(cāng)庫(kù)里閑置兩臺(tái)反應(yīng)釜，一臺(tái)體積為3m3，另一臺(tái)則為1m3?，F(xiàn)擬將它們用來(lái)生產(chǎn)醋酸丁酯，初步?jīng)Q定采取等溫連續(xù)操作，原料中醋酸濃度為0.15kmol/m3，丁醇則大量過(guò)剩。該反應(yīng)對(duì)醋酸為一級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)為1.2h-1,要求醋酸最終轉(zhuǎn)化率為50%,求兩種連接方式酯產(chǎn)量各為多少？3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器61/133解：(1)小反應(yīng)器在前，大反應(yīng)器在后聯(lián)立以上二式，將xA2=0.5代入，化簡(jiǎn)得：3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器62/133解得：丁酯產(chǎn)量3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器63/133(2)大反應(yīng)器在前，小反應(yīng)器在后聯(lián)立以上二式，將=0.5代入，化簡(jiǎn)得：3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器64/133解得：丁酯產(chǎn)量一樣為0.4182kmol/h結(jié)果表明：對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，多釜串聯(lián)時(shí)連接方式對(duì)結(jié)果無(wú)影響。3.2穩(wěn)態(tài)全混流反應(yīng)器65/1333.3平推流管式反應(yīng)器一、平推流管式反應(yīng)器特征66/1333.3平推流管式反應(yīng)器速度分布不均勻產(chǎn)生徑向或軸向混合為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算平推流模型管久遠(yuǎn)大于管徑處于湍流狀態(tài)67/1333.3平推流管式反應(yīng)器68/1333.3平推流管式反應(yīng)器連續(xù)定態(tài)下，各個(gè)截面上各種參數(shù)只是位置函數(shù)，不隨時(shí)間而改變；徑向速度均勻，徑向也不存在濃度分布；反應(yīng)物料含有相同停留時(shí)間。平推流反應(yīng)器特點(diǎn)對(duì)于平推流反應(yīng)器，可采取空時(shí)：69/1333.3平推流管式反應(yīng)器流入量=流出量+反應(yīng)量+累積量二、普通設(shè)計(jì)計(jì)算方程70/1333.3平推流管式反應(yīng)器1.k與xA關(guān)系等溫時(shí)k為常數(shù)2.v與xA關(guān)系等分子反應(yīng)？變分子反應(yīng)？3.等容過(guò)程與間歇反應(yīng)器公式相同間歇反應(yīng)器或71/1333.3平推流管式反應(yīng)器對(duì)于n級(jí)不可逆反應(yīng)三、簡(jiǎn)單反應(yīng)等溫恒容過(guò)程72/1333.3平推流管式反應(yīng)器反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速率反應(yīng)器體積轉(zhuǎn)化率n=0n=1n=2等溫恒容平推流反應(yīng)器計(jì)算式73/1333.3平推流管式反應(yīng)器例3－6在常壓及800℃等溫下在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行以下氣相均相反應(yīng)：反應(yīng)速率方程為：式中cT及cH分別為甲苯和氫濃度（mol/L）。原料處理量為2kmol/h，其中甲苯與氫摩爾比等于1。若反應(yīng)器直徑為50mm，試計(jì)算甲苯最終轉(zhuǎn)化率為95%時(shí)反應(yīng)器長(zhǎng)度。74/1333.3平推流管式反應(yīng)器解:由題意知，甲苯加氫反應(yīng)為恒容過(guò)程，原料甲苯與氫進(jìn)料比等于1，即：75/1333.3平推流管式反應(yīng)器所需反應(yīng)體積為：所以反應(yīng)器長(zhǎng)度為：76/1333.3平推流管式反應(yīng)器工業(yè)實(shí)際中，沒(méi)有一個(gè)反應(yīng)器是絕對(duì)等溫?zé)崃亢馑闶铰?lián)立求解濃度分布溫度分布物料衡算式四、簡(jiǎn)單反應(yīng)變溫過(guò)程77/1333.3平推流管式反應(yīng)器在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有物料衡算：熱量衡算：對(duì)象為dVR[物料帶入熱量]＝[物料帶走熱量]+[傳向環(huán)境熱量]+[反應(yīng)熱]78/1333.3平推流管式反應(yīng)器[物料帶入熱量]＝[物料帶走熱量]+[傳向環(huán)境熱量]+[反應(yīng)熱]等溫時(shí)：絕熱時(shí)：79/1333.3平推流管式反應(yīng)器1）等溫過(guò)程則有積分dA80/1333.3平推流管式反應(yīng)器2）絕熱過(guò)程熱量衡算式簡(jiǎn)化為則有稱(chēng)為絕熱溫升，即為在絕熱條件下組分A完全反應(yīng)時(shí)物料溫升。81/1333.3平推流管式反應(yīng)器積分得當(dāng)xA0=0,有若略去反應(yīng)焓及定壓熱容隨溫度改變，則絕熱溫升為一定值。82/133一、半間歇釜式反應(yīng)器特征反應(yīng)物B一次投入A在反應(yīng)過(guò)程中連續(xù)加入適用情況：（1）要求嚴(yán)格控制器內(nèi)A濃度，預(yù)防因A過(guò)量而使副反應(yīng)增加情況；（2）只有在低濃度下才能進(jìn)行放熱反應(yīng)；（3）B濃度高、A濃度低對(duì)反應(yīng)有利情況。3.4半間歇釜式反應(yīng)器83/133反應(yīng)物A和B同時(shí)連續(xù)加入適用情況：（1）需嚴(yán)格控制A與B濃度百分比情況；（2）A和B濃度較低對(duì)反應(yīng)有利情況。3.4半間歇釜式反應(yīng)器84/133反應(yīng)物A和B一次按百分比投入反應(yīng)器連續(xù)移出產(chǎn)物適用情況：（1）要求A和B濃度均較高情況；（2）尤其適合用于可逆反應(yīng)。3.4半間歇釜式反應(yīng)器85/133二、半間歇釜式反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型等溫半間歇液相均相反應(yīng)設(shè)開(kāi)始時(shí)向反應(yīng)器中加入體積為VR0反應(yīng)物B；然后連續(xù)地輸入濃度為cA0反應(yīng)物A，體積流量恒定為vA0；某一時(shí)刻時(shí)，反應(yīng)器中液相反應(yīng)物料體積為VR；過(guò)程中不導(dǎo)出物料，則在時(shí)刻t時(shí)：若B組分大量過(guò)剩3.4半間歇釜式反應(yīng)器86/133單位時(shí)間內(nèi)對(duì)整個(gè)反應(yīng)釜作物料衡算：3.4半間歇釜式反應(yīng)器87/133產(chǎn)物R濃度隨時(shí)間改變計(jì)算設(shè)某時(shí)刻t時(shí)產(chǎn)物R濃度為cR，則此時(shí)R生成量應(yīng)等于反應(yīng)所消耗掉A量3.4半間歇釜式反應(yīng)器88/133反應(yīng)器生產(chǎn)操作特點(diǎn)慣用物系適宜反應(yīng)間歇釜間歇、小批量、多品種液相或高粘液 正級(jí)數(shù)、簡(jiǎn)單、復(fù)合全混流連續(xù)、大批量、單品種液相低級(jí)數(shù)、自催化平推流連續(xù)、大批量、單品種氣、液相正級(jí)數(shù)、簡(jiǎn)單、復(fù)合多釜串聯(lián)連續(xù)、大批量、單品種液相任意級(jí)數(shù)、簡(jiǎn)單、復(fù)合一、各類(lèi)反應(yīng)器綜合比較3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較89/1331246573124657二、理想流動(dòng)反應(yīng)器組合3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較90/1331全混流一級(jí)不可逆等容單一反應(yīng)設(shè)每個(gè)反應(yīng)器體積為VR，總體積流量為v03.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較91/1332全混流第一個(gè)釜出口第二個(gè)釜出口3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較92/1333平推流全混流平推流出口全混流出口3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較93/1334平推流全混流平推流出口全混流出口3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較94/1335平推流63.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較95/1337平推流全混流平推流出口全混流出口3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較96/1333.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較理想流動(dòng)反應(yīng)器組合工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用某個(gè)真實(shí)反應(yīng)器模型97/1333.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較相同反應(yīng)，相同進(jìn)料流量和濃度相同溫度和最終反應(yīng)率98/1333.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較相同條件下全混流（平推流），前者存在返混造成

。1轉(zhuǎn)化率越小，二者體積差異越小，采取低轉(zhuǎn)化率操作，可降低返混帶來(lái)影響。但原料得不到充分利用，可采取循環(huán)流程。2反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，返混對(duì)反應(yīng)影響越嚴(yán)重。級(jí)數(shù)高反應(yīng)在生產(chǎn)中應(yīng)注意降低返混。3采取多級(jí)全混流及反應(yīng)器串聯(lián)操作能夠減少返混，提升反應(yīng)推進(jìn)力，使差異降低。99/1333.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較100/1333.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較若以為縱坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)，將上式作成曲線(xiàn)：1在串聯(lián)級(jí)數(shù)m一定時(shí)，越大，之比也越大。2在最終轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，m越大，之比越小，靠近平推流。當(dāng)時(shí)，再增加級(jí)數(shù)所能降低反應(yīng)體積也很有限，但會(huì)增加設(shè)備投資，故應(yīng)在經(jīng)濟(jì)上權(quán)衡。101/1333.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較3一定時(shí)，m不一樣，所得到最終轉(zhuǎn)化率也不一樣。，對(duì)二級(jí)不可逆反應(yīng)或

可得到類(lèi)似結(jié)論。102/133例3-8：生化反應(yīng)工程中A→R為自催化液相反應(yīng)，反應(yīng)速率式，產(chǎn)物R是過(guò)程催化劑，所以進(jìn)料產(chǎn)物中含有產(chǎn)物R，某溫度，采取原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3，原料進(jìn)料量10m3/h，要求A最終濃度降到0.01kmol/m3，求（1）反應(yīng)速率到達(dá)最大時(shí)，A濃度是多少？（2）采取全混流反應(yīng)器，反應(yīng)體積是多大？（3）采取平推流反應(yīng)器時(shí)，反應(yīng)體積是多大？（4）為使反應(yīng)體積為最小，將全混流和平推流反應(yīng)器組合使用，組合方式怎樣，其最小體積為多少？3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較103/133解：（1）（2）在全混流反應(yīng)器中：3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較104/133（3）在平推流反應(yīng)器中，因?yàn)閏A0到cAm和cAm到cAf時(shí)反應(yīng)速率曲線(xiàn)是對(duì)稱(chēng)，所以，（4）反應(yīng)器組合形式及最小體積

要使反應(yīng)器體積最小，從cA0到cAm應(yīng)該選取全混流反應(yīng)器，而后從cAm到cAf應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)平推流反應(yīng)器。3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較105/133全混流反應(yīng)器體積為：平推流反應(yīng)器體積為：所以最小總體積為：3.5理想流動(dòng)反應(yīng)器組合和比較106/1331、平行反應(yīng)---一個(gè)反應(yīng)物AR(主反應(yīng))D(副反應(yīng))123.6多重反應(yīng)選擇率3.6多重反應(yīng)選擇率107/1333.6多重反應(yīng)選擇率主副反應(yīng)速率之比為稱(chēng)為對(duì)比速率瞬時(shí)選擇率(imtantaneousfractional)總選擇率(over-allfractionalfield)二者關(guān)系：S是反應(yīng)過(guò)程中瞬時(shí)選擇率s平均值108/133平推流反應(yīng)器中，總選擇率是反應(yīng)過(guò)程中或反應(yīng)器中瞬時(shí)選擇率平均值全混流反應(yīng)器中，因濃度處處相等，總選擇率即為瞬時(shí)選擇率3.6多重反應(yīng)選擇率109/1331）溫度效應(yīng)提升溫度對(duì)活化能高反應(yīng)有利降低溫度對(duì)活化能低反應(yīng)有利若E1>E2,則在較高溫度下進(jìn)行若E1<E2,則在較低溫度下進(jìn)行若E1=E2,溫度改變對(duì)選擇性無(wú)影響反應(yīng)器型式無(wú)影響3.6多重反應(yīng)選擇率110/1332）濃度效應(yīng)若n1>n2,較高反應(yīng)物濃度對(duì)主反應(yīng)有利若n1<n2,較低反應(yīng)物濃度對(duì)主反應(yīng)有利若n1=n2,反應(yīng)物濃度對(duì)選擇性無(wú)影響平推流反應(yīng)器，低單程轉(zhuǎn)化率全混流反應(yīng)器，加入稀釋劑；反應(yīng)后物料循環(huán)反應(yīng)器型式無(wú)影響3.6多重反應(yīng)選擇率111/1333.6多重反應(yīng)選擇率所以，對(duì)于平行反應(yīng)，當(dāng)主反應(yīng)級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù)時(shí)，提升CA,對(duì)s有利，可采取平推流反應(yīng)器（或間歇反應(yīng)器），或使用濃度高原料，或采取較低單程轉(zhuǎn)化率等，反之，降低CA對(duì)s有利，可采取全混流反應(yīng)器；或使用濃度低原料（也可加入惰性稀釋劑，也可用部分反應(yīng)后物料循環(huán)以降低進(jìn)料中反應(yīng)物濃度），或采取較高轉(zhuǎn)化率等112/133A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12平行反應(yīng)兩個(gè)反應(yīng)物3）平行反應(yīng)加料方式選擇3.6多重反應(yīng)選擇率113/133n1>n2,m1>m2cA,cB都高n1>n2,m1<m2cA高,cB低n1<n2,m1<m2cA,cB都低間歇操作開(kāi)始時(shí)A,B同時(shí)加入A,B遲緩滴入B向A中遲緩滴入3.6多重反應(yīng)選擇率114/133A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12連續(xù)流動(dòng)操作n1>n2,m1>m2要求CA,CB都高n1<n2,m1<m2要求CA,CB都低n1>n2,m1<m2要求CA高,CB低A,B在入口處同時(shí)進(jìn)料A,B同時(shí)加入全混流反應(yīng)器A進(jìn)口加入，B分段加入3.6多重反應(yīng)選擇率115/1332、連串反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)cL0=cM0=03.6多重反應(yīng)選擇率116/133組分A:

單調(diào)下降；產(chǎn)物L(fēng):

先升后降，有極大值；產(chǎn)物M:

單調(diào)上升連串反應(yīng)瞬時(shí)選擇率s可表示為：3.6多重反應(yīng)選擇率117/133若E1>E2,則在較高溫度下進(jìn)行若E1<E2,則在較低溫度下進(jìn)行若E1=E2,溫度改變對(duì)選擇性無(wú)影響瞬時(shí)選擇率s:1）溫度效應(yīng)3.6多重反應(yīng)選擇率118/1332）濃度效應(yīng)若n1>n2,增加初濃度cA0若n1<n2,降低初濃度cA0若n1=n2,初濃度改變對(duì)選擇性無(wú)影響3.6多重反應(yīng)選擇率119/1333）流動(dòng)類(lèi)型影響3.6多重反應(yīng)