反應(yīng)工程第三章1ppt課件

1、反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況影響反應(yīng)結(jié)果影響反應(yīng)結(jié)果數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型流動(dòng)流動(dòng)模型模型對(duì)實(shí)際過(guò)對(duì)實(shí)際過(guò)程的簡(jiǎn)化程的簡(jiǎn)化理想理想模型模型非理想非理想模型模型平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器間間 歇歇 反反 應(yīng)應(yīng) 器器完全沒(méi)有返混完全沒(méi)有返混返混極大返混極大返混返混 釜式或槽式反應(yīng)器都設(shè)置攪拌裝置，典型的攪拌蓋式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。工廠中一般稱加壓下操作的釜式反應(yīng)器為反應(yīng)釜，常壓下操作的為反應(yīng)槽。釜式反應(yīng)器大都用于完全互溶的液相或呈兩相的液液相及液固相反應(yīng)物系在間歇狀態(tài)下操作。 1) 1) 間歇操作間歇操作 工業(yè)上充分?jǐn)嚢璧拈g歇槽式反應(yīng)器的

2、性能和行為相當(dāng)工業(yè)上充分?jǐn)嚢璧拈g歇槽式反應(yīng)器的性能和行為相當(dāng)接近于理想間歇反應(yīng)器。反應(yīng)物料按一定配料比一次加入反接近于理想間歇反應(yīng)器。反應(yīng)物料按一定配料比一次加入反應(yīng)器內(nèi)，容器的頂部有一可拆卸的頂蓋，以供清洗和維修用應(yīng)器內(nèi)，容器的頂部有一可拆卸的頂蓋，以供清洗和維修用。在容器內(nèi)部設(shè)置攪拌裝置，使器內(nèi)物料均勻混合。頂蓋上。在容器內(nèi)部設(shè)置攪拌裝置，使器內(nèi)物料均勻混合。頂蓋上都開(kāi)有各種工藝接管用以測(cè)量溫度、壓力和添加各種物料。都開(kāi)有各種工藝接管用以測(cè)量溫度、壓力和添加各種物料。筒體外部一般都裝有夾套用來(lái)加熱或冷卻物料。器內(nèi)還可以筒體外部一般都裝有夾套用來(lái)加熱或冷卻物料。器內(nèi)還可以根據(jù)需要設(shè)置盤(pán)管或排

3、管以增大傳熱面積。根據(jù)需要設(shè)置盤(pán)管或排管以增大傳熱面積。 其特點(diǎn)為：其特點(diǎn)為：（1 1由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中物料達(dá)到由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中物料達(dá)到分子尺度的均勻分布，各處濃度處處相等，可排除物質(zhì)傳遞分子尺度的均勻分布，各處濃度處處相等，可排除物質(zhì)傳遞對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響；對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響；（2 2反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強(qiáng)烈的傳熱條件，各處溫度相等，反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強(qiáng)烈的傳熱條件，各處溫度相等，不需考慮反應(yīng)器內(nèi)熱量傳遞；不需考慮反應(yīng)器內(nèi)熱量傳遞；（3 3由于反應(yīng)物料同時(shí)加入又同時(shí)取出，所有物料在反應(yīng)由于反應(yīng)物料同時(shí)加入又同時(shí)取出，所有物料在反應(yīng)器中具有相同的停留時(shí)間，器內(nèi)物

4、料年齡相同，無(wú)返混。器中具有相同的停留時(shí)間，器內(nèi)物料年齡相同，無(wú)返混。（4 4過(guò)程為間歇操作，有輔助時(shí)間。過(guò)程為間歇操作，有輔助時(shí)間。 (5) (5) 反應(yīng)器為非穩(wěn)態(tài)，溫度、濃度隨時(shí)間改變。反應(yīng)器為非穩(wěn)態(tài)，溫度、濃度隨時(shí)間改變。 CA CA0 時(shí)間 CAout tout/2 tout t CA CA0t=0 t=tout/2 CAoutt=tout 0 空間位置 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是精細(xì)化工與時(shí)間較長(zhǎng)等產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是精細(xì)化工與生物化工

5、產(chǎn)品的生產(chǎn)。生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。 缺陷缺陷 裝料、卸料等輔助操作要耗費(fèi)一定的時(shí)裝料、卸料等輔助操作要耗費(fèi)一定的時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。間，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。 2 2連續(xù)操作連續(xù)操作 連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器，反應(yīng)物料連續(xù)加入和排除，連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器，反應(yīng)物料連續(xù)加入和排除，與間歇反應(yīng)器一樣，由于劇烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料混合與間歇反應(yīng)器一樣，由于劇烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料混合均勻，物料組成和溫度相同，但一般進(jìn)口處反應(yīng)物料的溫均勻，物料組成和溫度相同，但一般進(jìn)口處反應(yīng)物料的溫度低于反應(yīng)器內(nèi)的物料溫度?？梢愿鶕?jù)需要利用傳熱裝置度低于反應(yīng)器內(nèi)的物料溫度?？梢愿鶕?jù)需要利用傳熱裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)物料調(diào)節(jié)反應(yīng)器

6、內(nèi)物料 的溫度，連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器可以處的溫度，連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器可以處于等溫或絕熱情況下操作。于等溫或絕熱情況下操作。 3 3半間歇操作半間歇操作 部分反應(yīng)物料連續(xù)加入和排除，部分反應(yīng)物料簡(jiǎn)歇加部分反應(yīng)物料連續(xù)加入和排除，部分反應(yīng)物料簡(jiǎn)歇加入和排除，屬于非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。入和排除，屬于非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。 3.1.2 間歇反應(yīng)器性能的數(shù)學(xué)描述間歇反應(yīng)器性能的數(shù)學(xué)描述 在間歇反應(yīng)器中，由于劇烈攪拌，槽內(nèi)物料在間歇反應(yīng)器中，由于劇烈攪拌，槽內(nèi)物料的濃度和溫度達(dá)到均一，因而可以對(duì)整個(gè)反應(yīng)器的濃度和溫度達(dá)到均一，因而可以對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算。進(jìn)行物料衡算。 流入量流入量流出量流出量反應(yīng)量反應(yīng)量累積量累積量

7、=+0間歇操作中流人量和流出量都等于零。間歇操作中流人量和流出量都等于零。 反應(yīng)量反應(yīng)量累積量累積量=+0若若V V為液相反應(yīng)混合物的體積，因而對(duì)反應(yīng)組分為液相反應(yīng)混合物的體積，因而對(duì)反應(yīng)組分A A的物料衡的物料衡算式可寫(xiě)成算式可寫(xiě)成 dtdxndtdnVrdxndnxnnnnnxdtdnVrdnVdtrAAAAAAAAAAAAAAAAAA00000)1(00000AfAfxxAAAARAAndxdxtCVrr積分積分達(dá)到一定反應(yīng)率所需達(dá)到一定反應(yīng)率所需反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算式。反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算式。 AtxAAdxVrndtAf000AAAAAAdxVrndtdtdxnVr00若反應(yīng)過(guò)程中不發(fā)生體積變化

8、，即等容過(guò)程。若反應(yīng)過(guò)程中不發(fā)生體積變化，即等容過(guò)程。根據(jù)等容時(shí)轉(zhuǎn)化率與濃度關(guān)系根據(jù)等容時(shí)轉(zhuǎn)化率與濃度關(guān)系 AfAAfAAfCCAACCAAAAxAAAAAAAAAAAAAAAAAAArdCtCrdCCrdxCtCdCdxdxCdCxCCCCCnnnx0000000000000)1( 間歇反應(yīng)器所需的實(shí)際操作時(shí)間包括反應(yīng)間歇反應(yīng)器所需的實(shí)際操作時(shí)間包括反應(yīng)時(shí)間時(shí)間t t與輔助時(shí)間與輔助時(shí)間t,tt,t包括加料、調(diào)溫、卸料、包括加料、調(diào)溫、卸料、清洗等時(shí)間。清洗等時(shí)間。 間歇反應(yīng)器的反應(yīng)體積間歇反應(yīng)器的反應(yīng)體積VRVR是指反應(yīng)物料在是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積它取決于單位生產(chǎn)時(shí)間反應(yīng)器中所占

9、的體積它取決于單位生產(chǎn)時(shí)間所處理的物料量和每批生產(chǎn)所需的操作時(shí)間。所處理的物料量和每批生產(chǎn)所需的操作時(shí)間。單位生產(chǎn)時(shí)間所處理的物料量由生產(chǎn)任務(wù)決定，單位生產(chǎn)時(shí)間所處理的物料量由生產(chǎn)任務(wù)決定，因此反應(yīng)體積可按下式計(jì)算因此反應(yīng)體積可按下式計(jì)算 RVV tt 只要已知反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式或反應(yīng)速率與組分只要已知反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式或反應(yīng)速率與組分A A濃濃度度CACA之間的變化規(guī)律，就能計(jì)算反應(yīng)時(shí)間。最基本、最之間的變化規(guī)律，就能計(jì)算反應(yīng)時(shí)間。最基本、最直接的方法是數(shù)值積分或圖解法。直接的方法是數(shù)值積分或圖解法。 AfAAfCCAAxAAArdCrdxCt000 間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng) 單

10、反應(yīng)通常用一個(gè)化學(xué)計(jì)量式和一個(gè)反應(yīng)速率方程式描述。反應(yīng)速率為溫度和某一組分濃度的函數(shù) AP反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式以冪函數(shù)型表示反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式以冪函數(shù)型表示 nAArkcAfAAfCCAAxAAArdCrdxCt000ktCCCCktkdCkCdCrdCtAAfAAfCCACCAACCAAAfAAfAAfA000000或0000000000nAAfAfAxAAxAAAxAAACktxxCktkdxCkCdxCrdxCtAfAfAf或時(shí)當(dāng)ktAAfAfACCAACCAAeCCCCktkCdCrdCtAfAAfA00ln00或ktAfAfxAAxAAAAAAAxAAAxAAAexxktxkxdxkCdx

11、CtxCCkCdxCrdxCtAfAfAfAf111ln)1 ()1 ()1 ()1 (1n000000000或時(shí)當(dāng)111000200AAAfAAfCCAACCAAktCCCCCktkCdCrdCtAfAAfA或000020022000020001,1111)1 ()1 ()1 ()1 (2nAAAfAfAfAfAxAAAxAAAAAAAxAAAxAAAktCktCxxxxktCxkCxdxkCdxCtxCCkCdxCrdxCtAfAfAfAf或時(shí)當(dāng) 間歇反應(yīng)器中反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和殘余濃度的計(jì)算結(jié)間歇反應(yīng)器中反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和殘余濃度的計(jì)算結(jié)果歸納于下表果歸納于下表 影響因素影響因素零級(jí)反應(yīng)：

12、零級(jí)反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度CA0CA0正比正比一級(jí)反應(yīng)：一級(jí)反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度CA0CA0無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)二級(jí)反應(yīng)：二級(jí)反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度CA0CA0反比反比AfAxCkt00級(jí)反應(yīng)：Afxkt11ln1級(jí)反應(yīng)：AfAfAxxktC120級(jí)反應(yīng)：零級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨零級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t t直線下降直線下降一級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨一級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t t逐漸下降逐漸下降二級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨二級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t t慢慢下降慢慢下降 為使反應(yīng)時(shí)為使反應(yīng)時(shí)間計(jì)算正確，重間計(jì)算正確，重要的是保證反應(yīng)要的是保證反應(yīng)后期動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)后期動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確、可靠，因此確、可靠，因此要密切注意反應(yīng)要

13、密切注意反應(yīng)后期的反應(yīng)機(jī)理后期的反應(yīng)機(jī)理是否發(fā)生變化，是否發(fā)生變化，即要重視反應(yīng)過(guò)即要重視反應(yīng)過(guò)程末期動(dòng)力學(xué)的程末期動(dòng)力學(xué)的研究。研究。 1200AAAfktCCC級(jí)反應(yīng)：ktAAfeCC01級(jí)反應(yīng)：ktCCAAf00級(jí)反應(yīng)：3.1.3 3.1.3 間歇釜式反應(yīng)器的工程放大及操作優(yōu)化間歇釜式反應(yīng)器的工程放大及操作優(yōu)化1 1工程放大工程放大 實(shí)驗(yàn)室用的小型反應(yīng)器要做到等溫操作比較容易，而大實(shí)驗(yàn)室用的小型反應(yīng)器要做到等溫操作比較容易，而大型反應(yīng)器就很難做到；又如實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器通過(guò)攪拌可使反型反應(yīng)器就很難做到；又如實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器通過(guò)攪拌可使反應(yīng)物料混合均勻，濃度均一，而大型反應(yīng)器要做到這點(diǎn)就應(yīng)物料混合均

14、勻，濃度均一，而大型反應(yīng)器要做到這點(diǎn)就比較困難。生產(chǎn)規(guī)模的間歇反應(yīng)器的反應(yīng)效果與實(shí)驗(yàn)室反比較困難。生產(chǎn)規(guī)模的間歇反應(yīng)器的反應(yīng)效果與實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器相比，總是有些差異。應(yīng)器相比，總是有些差異。 2) 2) 反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化 間歇反應(yīng)器每批物料的操作時(shí)間包括反應(yīng)時(shí)間和輔助時(shí)間歇反應(yīng)器每批物料的操作時(shí)間包括反應(yīng)時(shí)間和輔助時(shí)間，對(duì)于一定的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器，輔助時(shí)間是一定值。間，對(duì)于一定的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器，輔助時(shí)間是一定值?？梢钥闯?，存在一最佳反應(yīng)時(shí)間，使單位時(shí)間的生產(chǎn)量達(dá)可以看出，存在一最佳反應(yīng)時(shí)間，使單位時(shí)間的生產(chǎn)量達(dá)到最大值。到最大值。 對(duì)于反應(yīng)對(duì)于反應(yīng)ARAR，若要求產(chǎn)物，若要求產(chǎn)物R

15、R的濃度為的濃度為CRCR，則單位操作，則單位操作時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量PRPR為為 上面所討論的最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間是對(duì)單位時(shí)間產(chǎn)品產(chǎn)量最大上面所討論的最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間是對(duì)單位時(shí)間產(chǎn)品產(chǎn)量最大而言，如從單位產(chǎn)品所消耗的原料量最少著眼，則反應(yīng)時(shí)而言，如從單位產(chǎn)品所消耗的原料量最少著眼，則反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，原料單耗越少。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)不同，結(jié)果不間越長(zhǎng)，原料單耗越少。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)不同，結(jié)果不- -祥祥。若以生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)，井設(shè)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作費(fèi)。若以生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)，井設(shè)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作費(fèi)用為用為a a，輔助操作費(fèi)用為，輔助操作費(fèi)用為a0a0，而固定費(fèi)用為，而固定費(fèi)用為afaf則單位質(zhì)量產(chǎn)則單

16、位質(zhì)量產(chǎn)品的單費(fèi)用為：品的單費(fèi)用為： 為了使AT最小，采用函數(shù)求極值的方法3) 3) 配料比配料比 在工業(yè)上，為了使價(jià)格較高的或在后續(xù)工序中較難分在工業(yè)上，為了使價(jià)格較高的或在后續(xù)工序中較難分離的組分離的組分A A的殘余濃度盡可能低，的殘余濃度盡可能低， 也為了縮短反應(yīng)時(shí)間，也為了縮短反應(yīng)時(shí)間，常采用反應(yīng)物常采用反應(yīng)物B B過(guò)量的操作方法。定義配料比過(guò)量的操作方法。定義配料比m=CBO/CAO,m=CBO/CAO,于于是是, ,等容液相反應(yīng)過(guò)程中組分等容液相反應(yīng)過(guò)程中組分B B的濃度的濃度 以反應(yīng)時(shí)間CB0kt為縱坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化率XA為橫坐標(biāo)，配料比m為主變量繪圖。 當(dāng)要求A的轉(zhuǎn)化率較高時(shí)，配料比

17、的影響更加明顯，提高配料比可縮短反應(yīng)時(shí)間，而需付出的代價(jià)是: 降低反應(yīng)器的容積利用率;增加組分B的回收費(fèi)用，所以這也是一個(gè)需優(yōu)化的參數(shù)。 當(dāng)配料比m大到B在反應(yīng)中的消耗可以忽略 時(shí)，上述動(dòng)力學(xué)方程可寫(xiě)為 rA=KcB0cA=k1CA。 此時(shí)，該二級(jí)反應(yīng)可視同為一級(jí)反應(yīng)。即使m 不是很大，在反應(yīng)末期也可能發(fā)生這種反應(yīng)級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)變。 例如:當(dāng)cA0= 1,CB0= 1.3時(shí)，在反應(yīng)初期，A和B濃度接近，表現(xiàn)出二級(jí)反應(yīng)的特征;而當(dāng)A的轉(zhuǎn)化率為O. 9時(shí)，cAo=0.l ，CB0=0.4，此 時(shí)配料比為4，組分B過(guò)量甚多，其動(dòng)力學(xué)特征接 近一級(jí)反應(yīng)。 4 4反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度 對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，可以在反

18、應(yīng)時(shí)間的不同階段對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，可以在反應(yīng)時(shí)間的不同階段，反應(yīng)物系處于不同組成時(shí)，調(diào)整反應(yīng)溫度。一般說(shuō)來(lái)，反應(yīng)物系處于不同組成時(shí)，調(diào)整反應(yīng)溫度。一般說(shuō)來(lái)，高轉(zhuǎn)化率時(shí)，反應(yīng)物濃度減少，反應(yīng)速率隨之減少，可以高轉(zhuǎn)化率時(shí)，反應(yīng)物濃度減少，反應(yīng)速率隨之減少，可以適當(dāng)提高反應(yīng)溫度，以促使反應(yīng)速率常數(shù)增大而增加反應(yīng)適當(dāng)提高反應(yīng)溫度，以促使反應(yīng)速率常數(shù)增大而增加反應(yīng)速率。例如間歇釜式反應(yīng)器中的硝化反應(yīng)，在反應(yīng)前期，速率。例如間歇釜式反應(yīng)器中的硝化反應(yīng)，在反應(yīng)前期，溫度為溫度為40454045；反應(yīng)中期，溫度為；反應(yīng)中期，溫度為60 60 ；而且應(yīng)后期，；而且應(yīng)后期，溫度調(diào)高為溫度調(diào)高為7070。 但應(yīng)注

19、意，對(duì)于液相反應(yīng)，液相組分的性質(zhì)隨溫度但應(yīng)注意，對(duì)于液相反應(yīng)，液相組分的性質(zhì)隨溫度而變，例如：反應(yīng)溫度提高，液相組分的蒸氣壓很快上而變，例如：反應(yīng)溫度提高，液相組分的蒸氣壓很快上升，甚至某一組分會(huì)達(dá)到沸點(diǎn)；反應(yīng)溫度增大，可能使升，甚至某一組分會(huì)達(dá)到沸點(diǎn)；反應(yīng)溫度增大，可能使某些反應(yīng)組分腐蝕性加強(qiáng)；對(duì)于多重反應(yīng)，反應(yīng)溫度增某些反應(yīng)組分腐蝕性加強(qiáng)；對(duì)于多重反應(yīng)，反應(yīng)溫度增高，會(huì)使某些副反應(yīng)加劇。高，會(huì)使某些副反應(yīng)加劇。 (/)AABRSrk C CC CK3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)由于原料液中乙酸由于原料液中乙酸: :乙醇乙醇:

20、:水水=1:2:1.35=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為，當(dāng)乙酸為1kg1kg時(shí)，加入的總原料為時(shí)，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時(shí)間需加入反應(yīng)器的原料液量為由此可求單位時(shí)間需加入反應(yīng)器的原料液量為解：首先計(jì)算原料處理量解：首先計(jì)算原料處理量V0V0，根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時(shí)乙酸需用量為可算出每小時(shí)乙酸需用量為1200016.23/88 24 0.35kmol h316.23 60 4.354.155(/ )1020mh其次計(jì)算原料液的起始組成。其次計(jì)算原料液的起始組成。0316.23/3.908/4.15

21、5/Amol hCmol Lm h0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。代入速率方程，整理后得通過(guò)乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，通過(guò)乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為可求出乙醇和水的起始濃度為03.908 60 210.2(/ )46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/ )18SCmol L(/)AABRSrk C CC CK220()AAAArk a bxcx C式中式中 代入到基本公式中代入到基本公式中200

22、1AfxAAAAdxtkCabxcx0000004/2.611/5.151 1/0.65754.76 10/(.min)BABASAaCCbCCCC KcKkLmol 得：得：t=118.8mint=118.8min30()4.155 (118.8/60 1.0)12.38RVV ttm實(shí)際反應(yīng)器體積：實(shí)際反應(yīng)器體積：12.38m3/0.7512.38m3/0.7516.51m316.51m33.2 3.2 連續(xù)流動(dòng)均相管式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)均相管式反應(yīng)器 0 Z/2 Z 0 Z/2 Z CA CA 0 CA o u t 管長(zhǎng) Z / 2 Z CA CA 0 0 Z / 2 CA o u t Z

23、時(shí)間 圖3 . 4 - 1 平推流反應(yīng)器圖示 0 Z /2 Z 根據(jù)平推流反應(yīng)器的特點(diǎn)，應(yīng)取反應(yīng)器內(nèi)一微元體積根據(jù)平推流反應(yīng)器的特點(diǎn)，應(yīng)取反應(yīng)器內(nèi)一微元體積dVRdVR進(jìn)行物料衡算。在微元體積內(nèi)的反應(yīng)物料的濃度、溫進(jìn)行物料衡算。在微元體積內(nèi)的反應(yīng)物料的濃度、溫度均勻一致。度均勻一致。流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量累積量累積量 = 0 = 03.2.2 3.2.2 平推流反應(yīng)器的計(jì)算平推流反應(yīng)器的計(jì)算 0 Z / 2 Z 流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 1 1平推流反應(yīng)器的體積平推流反應(yīng)器的體積0000(1)(1)AAAA

24、AARV CxV Cxdxr dV化簡(jiǎn)，得化簡(jiǎn)，得 00AAARV c dxr dV dxA dVR CA CA1 dtdVrdtdxxCVdtxCVdtdVrdtdxxCVdtCVdtxCVdtCVRAAAAAARAAAAAAAA)1 ()1 ()1 ()1 (00000010000反應(yīng)量流出量流入量則達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率則達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率xAfxAf所需的反應(yīng)體積為所需的反應(yīng)體積為 : :000AfxARAAdxVV cr留意：第一，反應(yīng)是等溫還留意：第一，反應(yīng)是等溫還是變溫，等溫反應(yīng)時(shí)是變溫，等溫反應(yīng)時(shí) k k 為為常數(shù)，變溫反應(yīng)時(shí)要結(jié)合熱常數(shù)，變溫反應(yīng)時(shí)要結(jié)合熱量衡算式建立量衡算式建立k k與

25、與xAxA的關(guān)系；的關(guān)系；第二，反應(yīng)過(guò)程中有無(wú)分子第二，反應(yīng)過(guò)程中有無(wú)分子數(shù)變化，如為變分子反應(yīng)，數(shù)變化，如為變分子反應(yīng)，需建立反應(yīng)物體積流量需建立反應(yīng)物體積流量V V與與xAxA的關(guān)系。的關(guān)系。 00AAARV c dxr dVARxAAAVRrdxCVdV0000對(duì)于平推流反應(yīng)器進(jìn)行某種等容過(guò)程，其停留時(shí)間對(duì)于平推流反應(yīng)器進(jìn)行某種等容過(guò)程，其停留時(shí)間t t為為 : :000AfxARAAdxVV crAfxAAARrdxCVVt0002等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算（1反應(yīng)過(guò)程中無(wú)體積變化反應(yīng)過(guò)程中無(wú)體積變化000AfxARAAdxVV cr以以n級(jí)不可逆反應(yīng)為例級(jí)不可逆反應(yīng)

26、為例AfAAfAfCCnAARAAAAAAxxnAnAAnAAARnAAkCdCVVCdCdxxCCxkCdxVkCdxCVVkCr00000010000)1()1(00000000000000nAAfAfARxAAxAAAxAAARCktxkxCVVkdxCVkCdxCVrdxCVVAfAfAf或時(shí)當(dāng)ktAfAfRxAAxAAAARAAAxAAAxAAARexxkVVxkxdVxkCdxCVVxCCkCdxCVrdxCVVAfAfAfAf111ln)1 ()1 ()1 ()1 (1n00000000000000或時(shí)當(dāng)00000200022000002000001,)1 ()1 ()1 ()1

27、 ()1 (2nAAAfAfAAfRxAAAxAAAARAAAxAAAxAAARktCktCxxkCxVVxkCxdVxkCdxCVVxCCkCdxCVrdxCVVAfAfAfAf或時(shí)當(dāng)（2反應(yīng)過(guò)程中有體積變化反應(yīng)過(guò)程中有體積變化000AfxARAAdxVV crABLMABLMAfAfxxnAnAAnAAAnAAARnAAxkCdxxyVkCdxCVVkCr00100000)1 ()1 (以以n級(jí)不可逆反應(yīng)為例級(jí)不可逆反應(yīng)為例 1ALMABA000(1)(1)AAAAAAANxNCVVyx（3) 3) 熱量衡算熱量衡算 平推流反應(yīng)器中取一個(gè)體積為平推流反應(yīng)器中取一個(gè)體積為dVR的微元進(jìn)行熱量

28、衡算。的微元進(jìn)行熱量衡算。 帶入的熱焓帶入的熱焓 流出的熱焓流出的熱焓 反應(yīng)熱反應(yīng)熱 熱量的累積熱量的累積 傳向環(huán)境的熱量傳向環(huán)境的熱量 0 dVR Z 穩(wěn)態(tài)、等溫條件下：帶入的熱焓穩(wěn)態(tài)、等溫條件下：帶入的熱焓=流出的熱焓流出的熱焓 熱量的累積熱量的累積=0 反應(yīng)熱反應(yīng)熱 傳向環(huán)境的熱量傳向環(huán)境的熱量 0RAAARARadVrdxCVdVrHdATTK00)()(3變溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算變溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算（1一般情況一般情況RAAARAaPiidVrdxCVdVHrdATTKdTCN00)()dTTCNTCNdTTCNTCNPiiPiiPiiPii（流出熱流入熱（流出熱流入熱)(,)(00

29、000 xxTTdxdTCNNHCNdxNHdTdxNdNdVrdVrHdTCNAPiiARPiiAARAAARARARPii則）（令（2)2)對(duì)于絕熱反應(yīng)對(duì)于絕熱反應(yīng)絕熱溫升或絕熱溫降(/)AABRSrk C CC CK原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)，反應(yīng)液的密度為液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。反應(yīng)在反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時(shí)，時(shí)，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常數(shù)衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)

30、化35 % 時(shí)所需的時(shí)所需的反應(yīng)體積。反應(yīng)體積。3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)3.3 3.3 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器是另一類(lèi)在全混流反應(yīng)器是另一類(lèi)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的連續(xù)流工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，化工中常用的連續(xù)動(dòng)反應(yīng)器，化工中常用的連續(xù)流動(dòng)攪拌釜式反應(yīng)器可視為全流動(dòng)攪拌釜式反應(yīng)器可視為全混流反應(yīng)器。反應(yīng)物料連續(xù)加混流反應(yīng)器。反應(yīng)物料連續(xù)加人反應(yīng)器，釜內(nèi)物料連續(xù)排出人反應(yīng)器，釜內(nèi)物料連續(xù)排出反應(yīng)器。由于是連續(xù)操作，不反應(yīng)器。由于是連續(xù)操作，不存在間歇操作中的輔助時(shí)間問(wèn)存在間歇操作中的輔助時(shí)

31、間問(wèn)題。在定態(tài)操作中，容易實(shí)現(xiàn)題。在定態(tài)操作中，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單，節(jié)省人自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單，節(jié)省人力，易于控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，力，易于控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可用于產(chǎn)量大的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程?？捎糜诋a(chǎn)量大的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。 CA 時(shí)間 CAin CAout t CA 空間位置 CAout 圖3.1-6 全混流反應(yīng)器 2全混流反應(yīng)器的特點(diǎn)全混流反應(yīng)器的特點(diǎn) A A、反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于、反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)。反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)。B B、物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間不相等，有的很長(zhǎng)，有的、物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)

32、間不相等，有的很長(zhǎng)，有的很短，形成一個(gè)停留時(shí)間分布。返混極大。很短，形成一個(gè)停留時(shí)間分布。返混極大。 全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率即由釜內(nèi)的濃度和溫度所決定。全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率即由釜內(nèi)的濃度和溫度所決定。 0000(1)()AAAfAfRV CV CxrV化簡(jiǎn)，得化簡(jiǎn)，得fARAfAfARAfArVCVCVdtrVdtCVdtCV)()(000000流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量fAAfAfAAfARrxCrCCVV)()(0003.3.1 全混流反應(yīng)器的計(jì)算全混流反應(yīng)器的計(jì)算 流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量00()AAf

33、RAfV CxVr000()()AAfARAfV CxxVr按出口濃度計(jì)算按出口濃度計(jì)算的反應(yīng)速率。的反應(yīng)速率。 當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)口物料當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)口物料中已含反應(yīng)產(chǎn)物中已含反應(yīng)產(chǎn)物 0000(1)()AAAfAfRV CV CxrVfARAfAAArVxCVxCV)()1 ()1 (00000全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器的圖解計(jì)算的圖解計(jì)算000()()AAfAARAfAfCxCCVVrr000()()AAfAARAfAfCxCCVVrrAfAfAAfAfAAfAAfAfAAfAfAAfAAAAfAfAAfAfAxxkkCCxkCxCkCxCkCCCxCkCkCCkxCkCCC111)1 (1n10n0

34、0000000000或時(shí)：當(dāng)或時(shí)：當(dāng)000()()AAfAARAfAfCxCCVVrr0000022022002020214124110)1 ()1 (2nAAAAfAAfAAfAfAfAAfAfAAfAAfAfAAfAfACkCkCCkCkCCCCkxkCxkxkCxCkCxCkCCC 時(shí)：當(dāng)(/)AABRSrk C CC CK原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)，反應(yīng)液的密度為液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。反應(yīng)在反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時(shí)

35、，時(shí)，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常數(shù)衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的時(shí)所需的反應(yīng)體積。反應(yīng)體積。3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S)通過(guò)乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為1kg時(shí)，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時(shí)間需加入反應(yīng)器的原料液量為首先計(jì)算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時(shí)乙酸需用量為1200016.23/88 24 0.35kmol h316.

36、23 604.354.155(/ )1020mh其次計(jì)算原料液的起始組成。0316.23/3.908/4.155/Amol hCmol Lmh03.908 60 210.2(/ )46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/ )18SCmol L0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArk abxcxC000000/1/1 1/BABASAa CCbCCCC KcK 將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。由于代入速率方程，整理后得式中 0000322014.68()()AAfAAfRAfAfAfAV CxV CxVmrk

37、abxcxC2( ) / ( .min)AArkc kmol AL1.97/ (.min)kLkmol00.004/AckmolL02200011(1)AfxAfAAAfAAxdxtckcxkcx0.8Ax 10.818.51.970.004(10.8)60th8.519.5tth 024000.684/24 146AFkmol h0000.684171 /0.004AAFVL hc30171 9.516301.63tVV tLm31.632.170.75RVVm022000011(1)AfxAfRAAAAfAAxVdxCVkCxkCx001AfRAAfxVVkCx31710.814501.4

38、51.970.004(10.8)60RVLm 3全混流反應(yīng)器 22220()1.97(1)1.97(0.004) (1)AfAAfAfrCxx00()AAfRAfV CxVr3220.6840.872347.23460 1.97(0.004) (10.8)RVLm這是由于全混流反應(yīng)器的返混造成反應(yīng)速率下降所致。當(dāng)轉(zhuǎn)化率增加時(shí)，所需反應(yīng)體積迅速增加，尤其全混流反應(yīng)器增加4.5倍。應(yīng)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度研究選擇多大出口轉(zhuǎn)化率為最佳，不能無(wú)限制地追求高轉(zhuǎn)化率。3.3.2 3.3.2 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化 1多級(jí)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)及并聯(lián)多級(jí)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)及并聯(lián) （1串

39、連串連VRV0,CA0,T0CAf,TfVR1VR2CAf,TfV0,CA0,T0VR=VR1+VR2VR=VR1+VR2（2)2)并聯(lián)并聯(lián)VRV0,CA0,T0CAf,TfVR1VR2V0,CA0,T0CAf,Tf2) 多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的濃度特征多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的濃度特征 平推流反應(yīng)器的反應(yīng)推動(dòng)力比全混流反應(yīng)器的反應(yīng)推動(dòng)平推流反應(yīng)器的反應(yīng)推動(dòng)力比全混流反應(yīng)器的反應(yīng)推動(dòng)力大得多，平推流反應(yīng)器的反應(yīng)速率沿物料流動(dòng)方向由一個(gè)力大得多，平推流反應(yīng)器的反應(yīng)速率沿物料流動(dòng)方向由一個(gè)由高到低的變化過(guò)程，全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率始終處于出由高到低的變化過(guò)程，全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率始終處于出口反應(yīng)物料濃

40、度的低速率狀態(tài)。口反應(yīng)物料濃度的低速率狀態(tài)。 為此，為了降低返混影響的程度，提高全混流反應(yīng)過(guò)程為此，為了降低返混影響的程度，提高全混流反應(yīng)過(guò)程的推動(dòng)力，常采用多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)措施。的推動(dòng)力，常采用多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)措施。 1Ar 恒容、恒溫n級(jí)不可逆反應(yīng) =1+2+3+4 4 3 2 1 CA CA4 CA2 CA0 (a)多釜串聯(lián)反應(yīng)器的容積 CA0 v0 CA1 rA1 CA2 rA2 CAn-1 CAn rAn (b) 多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作 () () 級(jí)數(shù)越多，過(guò)程就越接近平推流反應(yīng)器。級(jí)數(shù)越多，過(guò)程就越接近平推流反應(yīng)器。 () () 對(duì)多級(jí)全混流反應(yīng)器每一級(jí)內(nèi)濃度是均對(duì)多級(jí)

41、全混流反應(yīng)器每一級(jí)內(nèi)濃度是均勻的。等于該級(jí)的出口濃度，而各級(jí)之間濃度是勻的。等于該級(jí)的出口濃度，而各級(jí)之間濃度是不同的。不同的。 結(jié)論結(jié)論3) 多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的解析計(jì)算多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的解析計(jì)算 (1(1各釜的物料衡算各釜的物料衡算條件：各釜定態(tài)操作、等溫；反應(yīng)過(guò)程中體積不發(fā)生變化。條件：各釜定態(tài)操作、等溫；反應(yīng)過(guò)程中體積不發(fā)生變化。衡算范圍：第衡算范圍：第i i釜釜衡算對(duì)象：反應(yīng)物組分衡算對(duì)象：反應(yīng)物組分A A。衡算基準(zhǔn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間。衡算基準(zhǔn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間。流入量流入量= =流出量流出量+ +反應(yīng)消耗量反應(yīng)消耗量流入量流入量= =流出量流出量+ +反應(yīng)消耗量反應(yīng)消耗量0010011AAi

42、AAiAiRiV cxV cxr VAiAiAiARirxxCVV)(100AiAiAiRiRiAiAiAirCCVVVrCVCV)(10010只要?jiǎng)恿W(xué)關(guān)系已知，就可以逐級(jí)計(jì)算確定各參數(shù)只要?jiǎng)恿W(xué)關(guān)系已知，就可以逐級(jí)計(jì)算確定各參數(shù)逐級(jí)計(jì)算求、已知：逐級(jí)計(jì)算從求、已知：?,?,001mxVVxxrBVVxrAAiiRAAfAiRRiAiAi化簡(jiǎn)化簡(jiǎn)(2對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)AiAiAiRiAiAiAiRiAiAiCCCVVkkCCCVVkCr1010)(AiAiAiARirxxCVV)(10011AiAiiCCk,1,A iA iiA iCCkC,111A iA iiCCkmAm

43、AmAAAAkCCkCCkCC11111112121010VVRii,1,2,100,1,11.()1mA mAAA miAAAA miCCCCCCCCk,01A mA mACxC ,111()1NA miixk mAmAmAAAAkCCkCCkCC1111111212101工業(yè)生產(chǎn)上，多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)時(shí)，常將各級(jí)體積做工業(yè)生產(chǎn)上，多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)時(shí)，常將各級(jí)體積做成相等，以便設(shè)備制造。成相等，以便設(shè)備制造。 111mAmixk 討論：討論：A A、級(jí)數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高；、級(jí)數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高； B B、在處理量一定時(shí)，各級(jí)反應(yīng)體積越大，最終、在處理量一定時(shí)，各級(jí)反應(yīng)體積越大，

44、最終 轉(zhuǎn)化率也越高。轉(zhuǎn)化率也越高。 1)1 (1 1)1 (111001mAmRiRmAmxkmVmVmVVxk0VVRiim1iimk111）（AAiAiAiRiAiAirCCVVCkfr)()(101111()()AiAiAiAiAiiirCCCC4) 多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的圖解計(jì)算多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的圖解計(jì)算 rA rACA CA3 CA2 CA1 CA0 CA 圖3.3-2多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器圖解計(jì)算 級(jí)就表示需要幾個(gè)釜串聯(lián)使用。i1 rA rACA CA3 CA2 CA1 CA0 CA 圖3.3-2多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器圖解計(jì)算 i11111()()AiAiAiAiAiiirCCCC0VVRii 1/rA 面積= CA3 CA2 CA1 CA0 CA 圖3.3-3多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器空時(shí) (3)(3)對(duì)于多釜串聯(lián)，若追求整體反應(yīng)器體積最小，應(yīng)增加反應(yīng)對(duì)于多釜串聯(lián)，若追求整體反應(yīng)器體積最小，應(yīng)增加反應(yīng)器的個(gè)數(shù)，但反應(yīng)器體積最小是有限的，即使反應(yīng)釜的個(gè)器的個(gè)數(shù)，但反應(yīng)器體積最小是有限的，即使反應(yīng)釜的個(gè)數(shù)趨于無(wú)窮，反應(yīng)釜的總體積最小為速率倒數(shù)曲線、起始數(shù)趨于無(wú)窮，反應(yīng)釜的總體積最小為速率倒數(shù)曲線、起始濃度、最終濃度、和橫座標(biāo)圍成的面積見(jiàn)下圖中綠影部濃度、最終濃度、和橫座標(biāo)圍成的面積見(jiàn)下圖中綠影部