間歇釜式反應(yīng)器_第1頁
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文檔簡介

間歇釜式反應(yīng)器3.1.1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,用來輸入或移出熱量,以保持適宜的反應(yīng)溫度

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

5.軸密封裝置,用來防止釜體與攪拌軸之間的泄漏第2頁,共87頁,2024年2月25日,星期天第3頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.1.2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)物一次取出第4頁,共87頁,2024年2月25日,星期天幾乎所有有機(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)物料第5頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.2.1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)第6頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(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物料的密度第7頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(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)第8頁,共87頁,2024年2月25日,星期天反應(yīng)時(shí)間t的求算方法由動力學(xué)方程理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)獲得,但應(yīng)注意:(1)不少強(qiáng)烈放熱的快速反應(yīng),反應(yīng)過程的速率往往受傳熱速率的控制,不能簡單地用動力學(xué)方程式來求算反應(yīng)過程的時(shí)間。

(2)某些非均相反應(yīng),過程進(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),在加料過程及升溫過程中已開始反應(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)需分段作動力學(xué)計(jì)算。第9頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(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+t0第10頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(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),以符號表示,即:

=VR/V。其值視具體情況而定條件裝料系數(shù)范圍無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。第11頁,共87頁,2024年2月25日,星期天2、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:

第12頁,共87頁,2024年2月25日,星期天由上式算出的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,則第13頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(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來衡量后備能力的大小,若標(biāo)準(zhǔn)釜的容積為Va,那么,

第14頁,共87頁,2024年2月25日,星期天思考選用個(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?第15頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例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等第16頁,共87頁,2024年2月25日,星期天解:因氨化為連續(xù)操作,故至少需要兩臺還原釜交替進(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?第17頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例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%第18頁,共87頁,2024年2月25日,星期天三個(gè)還原鍋交替操作的時(shí)間安排圖第19頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例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。δ=(4-3.78)/3.78×100%=5.82%第20頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例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

。磺化劑為98%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。第21頁,共87頁,2024年2月25日,星期天根據(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:第22頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.2.2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

第23頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例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20.021.2530.0113.54.01.53.05.00.800.850.600.60第24頁,共87頁,2024年2月25日,星期天解:(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%2.02.53.00.80.80.812.510.08.346662.081.671.58322442044第25頁,共87頁,2024年2月25日,星期天使水解工序: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)算第26頁,共87頁,2024年2月25日,星期天同樣方法計(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20.021.2530.0113.51010101061684.81.670.6251.252.08212319.86060442.52.52190.80.850.60.6第27頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.3

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,可對其中某一反應(yīng)物做物料衡算,以確定反應(yīng)時(shí)間。第28頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.3.1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。

所以第29頁,共87頁,2024年2月25日,星期天適用于任何間歇反應(yīng)過程。

由反應(yīng)物A轉(zhuǎn)化率xA的定義得到于是,積分得:第30頁,共87頁,2024年2月25日,星期天恒容條件下: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)第31頁,共87頁,2024年2月25日,星期天等溫恒容下的簡單反應(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)零級反應(yīng)A→R

(2)一級反應(yīng)A→R(3)二級反應(yīng)A→R(4)二級反應(yīng)A+B→R(CA0=CB0)(5)二級反應(yīng)A+B→R(CA0≠CB0)其它反應(yīng)的積分請參閱參考書[1],[6]第32頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例3-6間歇反應(yīng)A+B→R+S,二級不可逆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第33頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例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:積之得第34頁,共87頁,2024年2月25日,星期天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?第35頁,共87頁,2024年2月25日,星期天

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)速率方程式為第36頁,共87頁,2024年2月25日,星期天解: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/m3第37頁,共87頁,2024年2月25日,星期天代入反應(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。第38頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(2)

間歇反應(yīng)釜的最佳反應(yīng)時(shí)間問題的提出

: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,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。第39頁,共87頁,2024年2月25日,星期天①

以單位操作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量最大為目標(biāo)對于反應(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)間與其動力學(xué)特征無關(guān)?第40頁,共87頁,2024年2月25日,星期天圖解法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。第41頁,共87頁,2024年2月25日,星期天②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。第42頁,共87頁,2024年2月25日,星期天圖解法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。第43頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.3.2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)行一級平行反應(yīng):第44頁,共87頁,2024年2月25日,星期天對于A:對于R:對于S:第45頁,共87頁,2024年2月25日,星期天對于A:對于R:對于S:恒容條件下,上述方程可用濃度表達(dá)第46頁,共87頁,2024年2月25日,星期天A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:也就是第47頁,共87頁,2024年2月25日,星期天同理由CR和CS的關(guān)于反應(yīng)時(shí)間的表達(dá)式可知:第48頁,共87頁,2024年2月25日,星期天對于上例瞬時(shí)選擇性:收率:

第49頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例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第50頁,共87頁,2024年2月25日,星期天代入已知條件得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%又由及得積之得第51頁,共87頁,2024年2月25日,星期天于是代入數(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。第52頁,共87頁,2024年2月25日,星期天②串聯(lián)反應(yīng)

設(shè)在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行某一級不可逆串聯(lián)反應(yīng)各組分的速率方程分別為:

=-

==第53頁,共87頁,2024年2月25日,星期天若時(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,積之得第54頁,共87頁,2024年2月25日,星期天

因CA+CP+CS=CA0所以CS=CA0-CA-CP

第55頁,共87頁,2024年2月25日,星期天根據(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.

第56頁,共87頁,2024年2月25日,星期天為使YR最大,應(yīng)滿足dYR/dt=0,即將上式兩邊取對數(shù)整理得最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間

即P的最大濃度

第57頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.4

變溫間歇釜的計(jì)算問題的提出*①化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常伴有熱效應(yīng)。對于釜式間歇反應(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?,以獲得較好的反應(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。第58頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.4.1.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。第59頁,共87頁,2024年2月25日,星期天設(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=0第60頁,共87頁,2024年2月25日,星期天由熱量守恒方程知(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)溫度第61頁,共87頁,2024年2月25日,星期天由此可見,對于一定的反應(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,對于非等溫過程,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)立熱平衡方程與動力學(xué)方程(物料平衡方程)求解。第62頁,共87頁,2024年2月25日,星期天2.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。第63頁,共87頁,2024年2月25日,星期天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),則第64頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.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。若為恒溫過程第65頁,共87頁,2024年2月25日,星期天4.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)速率來確定。對于不同反應(yīng),則可按照其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程式進(jìn)行具體計(jì)算。第66頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例3-9設(shè)在間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行某二級不可逆反應(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從326.0K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?第67頁,共87頁,2024年2月25日,星期天解:①絕熱反應(yīng)過程的轉(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)混合物平均熱容第68頁,共87頁,2024年2月25日,星期天rA=1.37×1012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3·s)=1.37×1012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0

xA)所以第69頁,共87頁,2024年2月25日,星期天當(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

=23.1min第70頁,共87頁,2024年2月25日,星期天所以,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?第71頁,共87頁,2024年2月25日,星期天例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甲氧基苯酚過程中放熱量、冷卻水用量隨時(shí)間變化的關(guān)系。第72頁,共87頁,2024年2月25日,星期天解:因?yàn)橐合囿w積視為不變,過程作為等溫等容計(jì)算CAO=0.25kmol/m3CBO=5kmol/m3CA=CA0(1-xA),CB=CB0-CA0xArA=kCACB=kCA0(1-xA)(CB0-CA0xA)則

===第73頁,共87頁,2024年2月25日,星期天簡化為:式中則

第74頁,共87頁,2024年2月25日,星期天積分得上式中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所需冷卻水量為第75頁,共87頁,2024年2月25日,星期天取一定的時(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)030609012015000.27930.47860.62170.72500.800001411602419003142503664604042900422072409400109601209003030303030014116010074723605221037830042203020216015601130第76頁,共87頁,2024年2月25日,星期天3.5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濃度低對反應(yīng)有利的場合;可逆反應(yīng)。第77頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(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濃度高對反應(yīng)有利的情況。第78頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(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濃度降低對反應(yīng)有利的場合。第79頁,共87頁,2024年2月25日,星期天(d)此種操作方式既能滿足

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