第三章 釜式反應(yīng)器

1、Chapter 3 Tank Reactor化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程Chemical Reaction Engineering12 釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器概述概述3 釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器概述概述45等溫等溫 BR 的的t計(jì)算計(jì)算6)(00ttQVr1.反應(yīng)體積 t t 為反應(yīng)時(shí)間：裝料完畢開(kāi)始反應(yīng)算起到達(dá)到為反應(yīng)時(shí)間：裝料完畢開(kāi)始反應(yīng)算起到達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。計(jì)算關(guān)鍵計(jì)算關(guān)鍵t t0 0 為輔助時(shí)間：裝料、卸料、清洗所需時(shí)間之和。為輔助時(shí)間：裝料、卸料、清洗所需時(shí)間之和。經(jīng)驗(yàn)給定經(jīng)驗(yàn)給定操作時(shí)間操作時(shí)間3.2.1 等溫等溫 BR 的的Vr計(jì)算計(jì)算2.2.反應(yīng)器

2、的體積反應(yīng)器的體積 fVVrf：裝填系數(shù) ，由經(jīng)驗(yàn)確定,一般為 0.40.85700 QQ對(duì)非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)時(shí)間內(nèi)：對(duì)非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)時(shí)間內(nèi)：01dtdnrViMjjijr物料衡算式物料衡算式則物料衡算通式變形為：則物料衡算通式變形為：等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算00dtdXnVAAArRAfXArAAVdXnt00)( R恒容反應(yīng)AfXAAAdXct00)( R0,0AXt單一反應(yīng)fAXAAArdXct 008101) 1(1)1 (AAfkcXtAfXkt11ln1等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算9例：在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：例：在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對(duì)

3、乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為鈉的濃度均為0.02 mol/L，反應(yīng)速率常數(shù)等于，反應(yīng)速率常數(shù)等于4.6 L/(mol min)。試求。試求乙酸乙酸乙酯乙酯轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到 80、90和和 95時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。解：解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH523523BA AfXAAAdXct00)( RAfXAAAAXkcdXc02200)1 (AAAXXkc110得：得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%

4、，t = 206.5min103.2.2 最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間?00000dtdAcVataatAttcdtdcttcVFTRrfTRRRrR11對(duì)各組分作物料衡算對(duì)各組分作物料衡算(恒容條件恒容條件)：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)，因此，此三式中僅系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)，因此，此三式中僅二式是獨(dú)立的。二式是獨(dú)立的。對(duì)對(duì)A：對(duì)對(duì)P：對(duì)對(duì)Q：0)(21dtdcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA3.3 等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算AQAPckrQAckrPA21 3.3 等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算12)(021tkkAAecc)(2101211 tkkApekkckcAAcckkt021l

5、n1)(2102211 tkkAQekkckc00 0 0QPAAcccct，時(shí)，設(shè)等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算AQAPckrQAckrPA21 13平行反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系示意圖平行反應(yīng)物系組成與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系示意圖PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意時(shí)刻兩即：任意時(shí)刻兩個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物濃度個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物濃度之比，等于兩個(gè)之比，等于兩個(gè)反應(yīng)速率常數(shù)之反應(yīng)速率常數(shù)之比比等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算14將上述結(jié)果推廣到含有將上述結(jié)果推廣到含有M個(gè)一級(jí)反應(yīng)的平行反應(yīng)系統(tǒng)個(gè)一級(jí)反應(yīng)的平行反應(yīng)系統(tǒng) ：)(01MiktAAecc反應(yīng)物反應(yīng)物A A的濃度為：的濃度為：1 )(101MiktMiAi

6、iekckc反應(yīng)產(chǎn)物的濃度為：反應(yīng)產(chǎn)物的濃度為：反應(yīng)時(shí)間確定后，即可確定必需的反應(yīng)體積。反應(yīng)時(shí)間確定后，即可確定必需的反應(yīng)體積。等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算15對(duì)對(duì)A作物作物料衡算：料衡算：AAckdtdc1對(duì)對(duì)P作物作物料衡算：料衡算：PAPckckdtdc21等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算QPAtkAAecc10)(122101tktkAPeekkckc1 2112021kkekekcctktkAQ00 0 0QPAAcccct，時(shí)，設(shè)160dtdcP令：令：2121)/(1kkkkntopt得：得：等溫等溫 BR 的計(jì)算的計(jì)算171819物料衡算式物料衡算式對(duì)穩(wěn)態(tài)操作，有：對(duì)穩(wěn)態(tài)操作，有：

7、0dtdniKirVQccQMjjijrii,2,1100 則物料衡算通式變?yōu)椋簞t物料衡算通式變?yōu)椋篈AArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV 單一反應(yīng)20進(jìn)料體積流量反應(yīng)體積0QVr（因次：時(shí)間） , Q o處理能力表明 rAArVcFVQ0001 空速：空速：-1:時(shí)間因次21對(duì)關(guān)鍵組分對(duì)關(guān)鍵組分A A有：有：對(duì)目的產(chǎn)物對(duì)目的產(chǎn)物P P有：有：對(duì)副產(chǎn)物對(duì)副產(chǎn)物Q Q有：有：三式中有兩式獨(dú)立，可解三式中有兩式獨(dú)立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者關(guān)系三者關(guān)系A(chǔ)AfArckkXcQV)(21000 010pAprcckcQV設(shè)，0 020

8、QAQrcckcQV設(shè)，22AAfArckXcQV100對(duì)中間產(chǎn)物對(duì)中間產(chǎn)物P P：0 0210ppAprcckckcQV設(shè)，對(duì)最終產(chǎn)物對(duì)最終產(chǎn)物Q Q：0 020QPQrcckcQV設(shè)，對(duì)關(guān)鍵組分對(duì)關(guān)鍵組分A A有：有：三式中有兩式獨(dú)立，可解三式中有兩式獨(dú)立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者關(guān)系三者關(guān)系2324 正常動(dòng)力學(xué)正常動(dòng)力學(xué)ABDEF2AXAX1AXAR10HK)(2200AAAArXXcQVR單釜)()()(212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVRR兩釜串聯(lián)3.5.1.3.5.1.圖解分析圖解分析25正常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率正常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率 隨隨X

9、XA A增加而降低。增加而降低。多釜串聯(lián)比單釜有利，總反應(yīng)體積小于單釜體積。多釜串聯(lián)比單釜有利，總反應(yīng)體積小于單釜體積。)(AR對(duì)于正常動(dòng)力學(xué)，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。對(duì)于正常動(dòng)力學(xué)，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。( (但操作復(fù)雜程度增大，附屬設(shè)備費(fèi)用增大）但操作復(fù)雜程度增大，附屬設(shè)備費(fèi)用增大）反常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率反常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率 隨隨X XA A增加而增加。增加而增加。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積。)(AR圖解分析圖解分析 小結(jié)小結(jié)26假設(shè)：假設(shè)：各釜體積相同，且各釜各釜體積相同，且各釜的進(jìn)料可近似認(rèn)為相等，的進(jìn)料可近似認(rèn)為相等，則各釜的空時(shí)則

10、各釜的空時(shí) 相等。相等。 各釜操作溫度相同，則各釜操作溫度相同，則各釜的速率常數(shù)各釜的速率常數(shù) k k 相等。相等。)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR對(duì)第對(duì)第P P釜作組分釜作組分A A的物料衡算：的物料衡算：27對(duì)對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)：一級(jí)不可逆反應(yīng)：)1 (0AAXkcrNPXkXXQVApApAprp, 2 , 1,)1 ()(10 )()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR)1 (10ApApAprXkXXQV ANNXk11)1 ( 1)11(11NANXkN個(gè)釜個(gè)釜ApApXXk1111注意：注意：

11、其中的其中的 為單釜空時(shí)，總空時(shí)為為單釜空時(shí)，總空時(shí)為N 。28.12121010021ANANANAAAAAAXXXXXXArNrrrcQVVVVRRR 對(duì)單一反應(yīng)，總反應(yīng)體積為：對(duì)單一反應(yīng)，總反應(yīng)體積為：1, 2 , 1, 0NPXVApr 據(jù)此求得各釜的轉(zhuǎn)化率，從而求得 此時(shí) 最小。rpVrV29單釜優(yōu)于串聯(lián)釜，積。串聯(lián)總體積等于單釜體，各釜體積依次減小。，各釜體積相等。，釜在前，大釜在后。各釜體積依次增大，小， 0 0 10 1 130 對(duì)于復(fù)合反應(yīng)，目的產(chǎn)物的收率和選擇性是非常重要的，反映了原料的有效利用程度。收率和選擇性與反應(yīng)器的型式，操作方式和操作條件密切相關(guān)。31ApAppAA

12、ppAdXdYdndnS)()(RR瞬時(shí)瞬時(shí)收率瞬時(shí)選擇性:pYS 3.6.1.3.6.1.總收率與總選擇性總收率與總選擇性AfoXApfXSSdXYAf0則：則：ApSdXdY 總收率或最終收率:pfY最終轉(zhuǎn)化率:AfX總選擇性:oSAfXAAfoSdXXS01 32 總選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系取決于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)器總選擇性和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系取決于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)器形式和操作方式等。因此，同是釜式反應(yīng)器，由于操作形式和操作方式等。因此，同是釜式反應(yīng)器，由于操作方式不同，雖然最終轉(zhuǎn)化率一樣，但最終收率卻不一樣。方式不同，雖然最終轉(zhuǎn)化率一樣，但最終收率卻不一樣?？偸章逝c總選擇性總收率與總選擇性 當(dāng)瞬時(shí)

13、選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)增加時(shí)，當(dāng)瞬時(shí)選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)增加時(shí)，收率順序：收率順序： 間歇釜多個(gè)連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜間歇釜多個(gè)連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜 當(dāng)瞬時(shí)選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)下降時(shí)，當(dāng)瞬時(shí)選擇性隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率增大而單調(diào)下降時(shí)，收率順序：收率順序： 間歇釜多個(gè)連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜間歇釜多個(gè)連續(xù)釜串聯(lián)單一連續(xù)釜33 注意注意：(1) 瞬時(shí)收率可能隨時(shí)間變化。間歇反應(yīng)器就是一例；(2) 對(duì)于連續(xù)反應(yīng)器（在定態(tài)下操作），瞬時(shí)選擇性不隨時(shí)間變化，但可能隨位置變化，這時(shí)要用到總收率，其定義為： YPf是總收率，針對(duì)整個(gè)反應(yīng)器而言的。如果用S0表示總選擇性(對(duì)整個(gè)反應(yīng)而言

14、)，那么 AfXApfSdXY0AfopfXSYAfAXXAAAfoSdXXXS001 34 討論：(1) XA時(shí)，S的情形釜式反應(yīng)器的最終收率35 對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器 =整個(gè)曲邊梯形的積分面積對(duì)于連續(xù)釜式反應(yīng)器從圖中可以看出,多釜串聯(lián)系統(tǒng)介于間歇釜式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器之間，即:0A fXP fAYSdX間PffAfYSX連=矩形的面積(2) 36 3.6.2. 平行反應(yīng)設(shè)在釜式反應(yīng)器中進(jìn)行平行反應(yīng)： A+BPA+BQ 假設(shè)P為目的產(chǎn)物，則瞬時(shí)選擇性為 :111PABrk CC11112221211212111ABABABABkC CSkkC CkC CCCk 37 反應(yīng)組分A和B的濃度C

15、A、CB，以及溫度T均對(duì)選擇性S有影響?？梢愿鶕?jù) 和的相對(duì)大小，選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)組分濃度和溫度，來(lái)提高反應(yīng)的選擇性S。 21EE2121 反應(yīng)器中各組分的濃度與反應(yīng)器型（釜式、管式）、操作方式、加料濃度、原料配比，以及加料方式等因素密切相關(guān)。38 例如：(1)如果要求CA，CB，選擇（a）間歇釜（b）多釜串聯(lián)（如果體積不等，從小到大排列）（請(qǐng)說(shuō)出原因，為什么是這樣的？）。(2)如果要求CA，CB，單釜連續(xù)操作（f），如果串聯(lián)最好從大小排列（為什么是這樣呢？）。 (3)如果要求CB，CA，選擇（d）B先加入，A流加。39 在等溫間歇反應(yīng)器中，可以得到最佳反應(yīng)時(shí)間 3、 連串反應(yīng)假設(shè)如下的連串反應(yīng)均

16、為一級(jí)，P為目的產(chǎn)物12kkAPQ 40目的產(chǎn)物P的最佳收率但如果是在連續(xù)釜式反應(yīng)器進(jìn)行上述連串反應(yīng)，最佳空時(shí)（不是反應(yīng)時(shí)間）和最佳收率又怎樣呢？41 首先根據(jù)物料衡算式，有 和和120120ppApAprCVCk Ck CQkCkC （）0001110AAAAArCCCVCQkCkdV42 這樣就可以得到：由導(dǎo)數(shù) 101211pApCkCYkk0pdYd43最佳收率為：目的產(chǎn)物收率與組成的關(guān)系可以表示為：即0011011/1AAAAAAAAACCCCXkCkCCkX021111ppAAAAAACk XYCkk XXXX44 當(dāng)k1=k2時(shí)，而對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器，則有：請(qǐng)看下圖，對(duì)比間歇釜式反

17、應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器性能的差別。 1pAAYXX45 間歇及連續(xù)釜式反應(yīng)器進(jìn)行連串反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)率和收率在相同條件下， 應(yīng)該特別關(guān)注最大收率的軌跡線。 PBPMYY46 注意可以通過(guò)改變操作溫度的辦法來(lái)改變k2/k1 的相對(duì)大小，但無(wú)論E2和E1相對(duì)大小如何，一般采用較高的反應(yīng)溫度，以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度；可以使用催化劑來(lái)改變k2/k1。當(dāng)然，如果Q是目的產(chǎn)物，問(wèn)題就簡(jiǎn)單多了。采用反應(yīng)時(shí)間t、空時(shí)的辦法即可。 47484950一、半間歇釜式反應(yīng)器的特征5152535455tQVV0056dtVcdVcQAAA)()(00RBA()AVABrkc cAAkcr)(00)()(AAAcQVkcdtV

18、cd5758 間歇釜式反應(yīng)器做到等溫操作很困難，當(dāng)熱效應(yīng)小時(shí)，近似等溫可以辦到，如果熱效應(yīng)大時(shí)，很難做到。溫度會(huì)影響到和反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度等,很多時(shí)候變溫的效果更好,pAXYr59dUdq 即：與環(huán)境交換的熱即：與環(huán)境交換的熱= =內(nèi)能的變化內(nèi)能的變化變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇釜式反應(yīng)器dHdq dHdq 間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器用焓變代替內(nèi)能的變化用焓變代替內(nèi)能的變化 CBACBArTHHT31 2dHTrTr為計(jì)算的基準(zhǔn)溫度為計(jì)算的基準(zhǔn)溫度60)(1TTcmdTcmHrpttTTpttr)(3rpttdTTrTpttTdTTcmdTcmH（單一反應(yīng)） RdtVHdHrAr)(2變溫間歇釜

19、式反應(yīng)器變溫間歇釜式反應(yīng)器dtVHdTcmHdHHdHrArptt)R( 321為反應(yīng)物的比熱容ptc為反應(yīng)物的質(zhì)量tm間的平均比熱容為溫度rptTTc CBACBArTHHT31 2dH61dtTTUAdqCh)(又：式中：式中：U U為總傳熱系數(shù)為總傳熱系數(shù) A Ah h為傳熱面積為傳熱面積 TcTc為環(huán)境溫度為環(huán)境溫度變溫間歇釜式反應(yīng)器變溫間歇釜式反應(yīng)器)()(ArrchpttVHTTUAdtdTcm)()(ArrchVHTTUA討論討論等溫反應(yīng)等溫反應(yīng)絕熱反應(yīng)絕熱反應(yīng)ApttrAXcmHnTT)(00dtdXHnTTUAdtdTcmArAchptt0)(rAAAVdtdXn)(062H

20、q)()()()(000TTUAVHTTcQchrATrptqH)()()(0000TTUAXcHTTcQchAATrptptTrAAcHXcTT0)(00對(duì)絕熱反應(yīng)，有對(duì)絕熱反應(yīng)，有AXTT0ptTrAcHc0)(0：絕熱溫升，表示當(dāng)反應(yīng)物：絕熱溫升，表示當(dāng)反應(yīng)物A A全部轉(zhuǎn)化時(shí)物系溫度的變化。全部轉(zhuǎn)化時(shí)物系溫度的變化。63)1(/exp0AArXRTEAXQV)/exp(1)/exp(RTEARTEAXA0000()exp(/)()()1exp(/)rArTpthcV cHAE RTQcTTUA TTAE RT物料衡算式：物料衡算式：熱量衡算式：熱量衡算式：64n全混流反應(yīng)器的多態(tài)全混流反

21、應(yīng)器的多態(tài) 反應(yīng)器中單位時(shí)間的放熱量，即放熱速率反應(yīng)器中單位時(shí)間的放熱量，即放熱速率 該式表示了放熱速率該式表示了放熱速率Qg與反應(yīng)溫度與反應(yīng)溫度T之間的關(guān)之間的關(guān)系。系。 由于反應(yīng)速率常數(shù)與溫度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，放由于反應(yīng)速率常數(shù)與溫度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，放熱速率熱速率Qg隨溫度的變化呈隨溫度的變化呈S形曲線，如下圖所示。形曲線，如下圖所示。)(rAgHrVQ 圖3-36 全混流釜的放熱與移熱曲線（不可逆放熱反應(yīng)）反應(yīng)器的移熱速率為通過(guò)器壁傳走的熱量和進(jìn)料物料升溫所反應(yīng)器的移熱速率為通過(guò)器壁傳走的熱量和進(jìn)料物料升溫所需熱量之和。即移熱速率需熱量之和。即移熱速率 可見(jiàn)移熱速率可見(jiàn)移熱速率Qr與與T成

22、線性關(guān)系，同樣標(biāo)繪于成線性關(guān)系，同樣標(biāo)繪于上圖中，與上圖中，與T軸交點(diǎn)為軸交點(diǎn)為Ti。 在在Qg曲線與曲線與Qr直線的交點(diǎn)處，直線的交點(diǎn)處，Qg=Qr，此時(shí)反，此時(shí)反應(yīng)器的放熱速率與移熱速率相等，達(dá)到了熱平衡，應(yīng)器的放熱速率與移熱速率相等，達(dá)到了熱平衡，因此交點(diǎn)就是系統(tǒng)的操作狀態(tài)點(diǎn)。根據(jù)不同的操作因此交點(diǎn)就是系統(tǒng)的操作狀態(tài)點(diǎn)。根據(jù)不同的操作參數(shù)，參數(shù)，Qg與與Qr的交點(diǎn)可能有三個(gè)、兩個(gè)或一個(gè)，這的交點(diǎn)可能有三個(gè)、兩個(gè)或一個(gè)，這種有多個(gè)交點(diǎn)的現(xiàn)象稱為反應(yīng)器的多態(tài)。多態(tài)操作種有多個(gè)交點(diǎn)的現(xiàn)象稱為反應(yīng)器的多態(tài)。多態(tài)操作點(diǎn)具有不同的特征。點(diǎn)具有不同的特征。 最左邊的移熱線進(jìn)料溫度最低，最左邊的移熱線進(jìn)

23、料溫度最低，Ti=Ta線與線線與線Qg僅在一個(gè)相交的操作狀態(tài)點(diǎn)僅在一個(gè)相交的操作狀態(tài)點(diǎn)1。Ti=Tb線與線與Qg線相線相交于交于2個(gè)操作狀態(tài)個(gè)操作狀態(tài)2和和6。Ti=Tc線與線與Qg線有三個(gè)相交線有三個(gè)相交的操作狀態(tài)點(diǎn)的操作狀態(tài)點(diǎn)3、5、7。進(jìn)料溫度提高到。進(jìn)料溫度提高到Ti=Td時(shí)與時(shí)與Qg線相交于線相交于2個(gè)操作狀態(tài)點(diǎn)個(gè)操作狀態(tài)點(diǎn)4、8。最后，進(jìn)料溫度。最后，進(jìn)料溫度再提高時(shí)，再提高時(shí)，Ti=Te移熱線與移熱線與Qg線只有一個(gè)操作狀態(tài)點(diǎn)線只有一個(gè)操作狀態(tài)點(diǎn)9。這些操作點(diǎn)有不同的特征。這些操作點(diǎn)有不同的特征。Ti=Tc移熱線與移熱線與Qg線線有三個(gè)相交點(diǎn)有三個(gè)相交點(diǎn)3、5、7。 當(dāng)反應(yīng)在當(dāng)反

24、應(yīng)在7點(diǎn)操作，若外界有一微小的擾動(dòng)使點(diǎn)操作，若外界有一微小的擾動(dòng)使反應(yīng)溫度上升，由于此時(shí)反應(yīng)放熱速率小于移熱速反應(yīng)溫度上升，由于此時(shí)反應(yīng)放熱速率小于移熱速率，系統(tǒng)溫度將下降回到率，系統(tǒng)溫度將下降回到7點(diǎn)。如果反應(yīng)溫度受到點(diǎn)。如果反應(yīng)溫度受到干擾而略有降低，則由于此時(shí)反應(yīng)放熱速率大于移干擾而略有降低，則由于此時(shí)反應(yīng)放熱速率大于移熱速率，系統(tǒng)溫度將上升回到熱速率，系統(tǒng)溫度將上升回到7點(diǎn)。無(wú)論溫度在點(diǎn)。無(wú)論溫度在7點(diǎn)點(diǎn)附近有所升高或降低，系統(tǒng)都能自動(dòng)回復(fù)到附近有所升高或降低，系統(tǒng)都能自動(dòng)回復(fù)到7點(diǎn)，點(diǎn)，這時(shí)系統(tǒng)具有熱自衡能力，這時(shí)系統(tǒng)具有熱自衡能力，7點(diǎn)稱為熱穩(wěn)定的狀態(tài)點(diǎn)稱為熱穩(wěn)定的狀態(tài)點(diǎn)，它之所以

25、具有熱自衡能力，是因?yàn)榉舷率鰲l點(diǎn)，它之所以具有熱自衡能力，是因?yàn)榉舷率鰲l件件dTdQdTdQrg 即放熱曲線的斜率小于移熱速率的斜率。即放熱曲線的斜率小于移熱速率的斜率。3點(diǎn)也點(diǎn)也具有同樣的性質(zhì)，但具有同樣的性質(zhì)，但3點(diǎn)溫度太低，轉(zhuǎn)化率太低，是點(diǎn)溫度太低，轉(zhuǎn)化率太低，是不期望的操作點(diǎn)。不期望的操作點(diǎn)。7點(diǎn)既是熱穩(wěn)定的，且反應(yīng)溫度與點(diǎn)既是熱穩(wěn)定的，且反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率都足夠高，才是期望的操作點(diǎn)。轉(zhuǎn)化率都足夠高，才是期望的操作點(diǎn)。5點(diǎn)的情況不點(diǎn)的情況不同。當(dāng)因外界的干擾反應(yīng)溫度有所升高時(shí)，其放熱同。當(dāng)因外界的干擾反應(yīng)溫度有所升高時(shí)，其放熱速率大于移熱速率，系統(tǒng)溫度將一直上升到速率大于移熱速率，系

26、統(tǒng)溫度將一直上升到7點(diǎn)；當(dāng)點(diǎn)；當(dāng)因外界的干擾反應(yīng)溫度有所下降時(shí)，其放熱速率小因外界的干擾反應(yīng)溫度有所下降時(shí)，其放熱速率小于移熱速率，系統(tǒng)溫度將一直下降到于移熱速率，系統(tǒng)溫度將一直下降到3點(diǎn)。點(diǎn)。5點(diǎn)不具點(diǎn)不具有熱自衡能力，是非熱穩(wěn)定的狀態(tài)點(diǎn)。有熱自衡能力，是非熱穩(wěn)定的狀態(tài)點(diǎn)。 等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（單一反應(yīng)、平行與連串應(yīng)）。等溫間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算（單一反應(yīng)、平行與連串應(yīng)）。 連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算連續(xù)釜式反應(yīng)器的計(jì)算 。 空時(shí)和空速的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用?？諘r(shí)和空速的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用。 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)。連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)和并聯(lián)。 釜式反應(yīng)器中平行與

27、連串反應(yīng)選擇性的分析，連接和加料方式的選擇。釜式反應(yīng)器中平行與連串反應(yīng)選擇性的分析，連接和加料方式的選擇。 連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式的建立與應(yīng)用。連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式的建立與應(yīng)用。7172P95 3.2擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)：擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)： 以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20kg/h ，使用，使用15（質(zhì)量分（質(zhì)量分率）的率）的NaHCO3水溶液及水溶液及30（質(zhì)量分率）的氯乙醇水（質(zhì)量分率）的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇與碳酸氫鈉的摩爾比為溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇與碳酸氫鈉的摩爾比為1:1，混合液的密度為，混合液

28、的密度為1.02kg/L 。該反應(yīng)對(duì)氯乙醇和碳酸。該反應(yīng)對(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為氫鈉均為1級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于5.2L/(mol*h)，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95。 （1）若輔助時(shí)間為）若輔助時(shí)間為0.5h，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積；，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積； （2）若裝填系數(shù)?。┤粞b填系數(shù)取0.75，試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。，試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。73解：解：（1）氯乙醇，碳酸氫鈉和乙二醇的分子量分別為80.5，84，62每小時(shí)產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h每小時(shí)需氯乙醇：0.322680.5/0.9530%=91.11 kg

29、/h每小時(shí)需碳酸氫鈉：0.322684/0.9515%=190.2kg/h原料體積流量：Q0=（91.11+190.2）/1.02=275.8l/h氯乙醇初始濃度：CA0=0.32261000/0.95275.8=1.231mol/L反應(yīng)時(shí)間： t= CA0 =2.968h反應(yīng)體積： Vr= Q0（t+t）=956.5 L（2）反應(yīng)器的實(shí)際體積： V= Vr/f=1275 L 743.4在間歇反應(yīng)器中，在絕熱條件下進(jìn)行液相反應(yīng)：在間歇反應(yīng)器中，在絕熱條件下進(jìn)行液相反應(yīng)：其反應(yīng)速率方程為：其反應(yīng)速率方程為： 式中組分式中組分A及及B的濃度的濃度CA及及CB以以kmol/m3為單位，溫為單位，溫度

30、度T的單位為的單位為K。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于-4000kJ/kmol。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)溶液不含反應(yīng)開(kāi)始時(shí)溶液不含R，組分，組分A和和B的濃度均等于的濃度均等于0.04kmol/m3，反應(yīng)混合物的平均熱容按，反應(yīng)混合物的平均熱容按4.102kJ/m3.K計(jì)算。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)反應(yīng)混合物的溫度計(jì)算。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)反應(yīng)混合物的溫度為為50。（1） 試計(jì)算試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)的轉(zhuǎn)化率達(dá)85%時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間及此時(shí)的反應(yīng)溫度。及此時(shí)的反應(yīng)溫度。（2） 如果要求全部反應(yīng)物都轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物如果要求全部反應(yīng)物都轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物R，是否，是否可能？為什么？可能？為什么？75解：解：(1) （由數(shù)值積分得出

31、）（由數(shù)值積分得出）(2)若若A全部轉(zhuǎn)化為全部轉(zhuǎn)化為R,即即XA=1.0,則由上面的積分式知，則由上面的積分式知，t,這顯然是不可能的。這顯然是不可能的。 00000.04( 4000)()()32332339.014.102 ArAAAAFCHTTXXXXC0000014220()91.32110001.1 10 exp()(1)32339.01AfAfXXAAAAAABAAAAAdXdXtCCRkC CdXChCXX32339.01 0.85356.2TK76 3.12在反應(yīng)體積為在反應(yīng)體積為490cm3的的CSTR中進(jìn)中進(jìn)行氨與甲醛生成烏洛托品的反應(yīng)：行氨與甲醛生成烏洛托品的反應(yīng)： 式中（式中（A）-NH3,(B)HCHO,反應(yīng)速反應(yīng)速率方程為：率方程為： 式中式中 。氨水和甲醛水溶液的濃度分別為。氨水和甲醛水溶液的濃度分別為1.06mol/l和和6.23mol/l,各自以各自以1.50cm3/s的流量進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫的流量進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度可取為度可取為36，假設(shè)該系統(tǒng)密度恒定，假設(shè)該系統(tǒng)密度恒定，試求氨的轉(zhuǎn)化率試求氨的轉(zhuǎn)化率XA及反應(yīng)器出口物料中及反應(yīng)器出口物料中氨和甲醛的濃度氨和甲醛的濃度CA及及CB。77 解得：解得：XAf=0.821 反應(yīng)器出口反應(yīng)器出口A,B得濃度分別為：得濃度分別為：003000030000220004.