第五章釜式連續(xù)反應(yīng)器 ppt課件

1、第五章第五章 延續(xù)釜式反響器延續(xù)釜式反響器5.1 5.1 延續(xù)釜式反響器的特點及運用延續(xù)釜式反響器的特點及運用5.2 5.2 延續(xù)釜式反響器的設(shè)計延續(xù)釜式反響器的設(shè)計5.35.3延續(xù)釜式反響器的并聯(lián)與串聯(lián)延續(xù)釜式反響器的并聯(lián)與串聯(lián)5.4釜式反響器的熱量衡算與定態(tài)操作釜式反響器的熱量衡算與定態(tài)操作 5.5返混對復(fù)雜反響產(chǎn)品分配的影響返混對復(fù)雜反響產(chǎn)品分配的影響 定義：延續(xù)釜式反響器是一種以釜式反響器實現(xiàn)延續(xù)消費的定義：延續(xù)釜式反響器是一種以釜式反響器實現(xiàn)延續(xù)消費的操作方式。操作方式。 與間歇釜式相比，具有消費效率高，勞動強度低，操作費用與間歇釜式相比，具有消費效率高，勞動強度低，操作費用小，產(chǎn)質(zhì)

2、量量穩(wěn)定，易實現(xiàn)自控等優(yōu)點。小，產(chǎn)質(zhì)量量穩(wěn)定，易實現(xiàn)自控等優(yōu)點。 物料隨進隨出，延續(xù)流動，原料進入反響釜后，立刻被稀釋，物料隨進隨出，延續(xù)流動，原料進入反響釜后，立刻被稀釋，使反響物濃度降低，所以，釜式延續(xù)反響器的反響推進力較使反響物濃度降低，所以，釜式延續(xù)反響器的反響推進力較小，反響速率較低，可使某些對溫度敏感的快速放熱反響得小，反響速率較低，可使某些對溫度敏感的快速放熱反響得以平穩(wěn)進展。以平穩(wěn)進展。 由于釜式反響器的物料容量大，當(dāng)進料條件發(fā)生一定程度的由于釜式反響器的物料容量大，當(dāng)進料條件發(fā)生一定程度的動搖時，不會引起釜內(nèi)反響條件的明顯變化，穩(wěn)定性好，操動搖時，不會引起釜內(nèi)反響條件的明顯變

3、化，穩(wěn)定性好，操作平安。作平安。 穩(wěn)態(tài)操作時，反響器內(nèi)一切參數(shù)不隨時間變化，符合理想混穩(wěn)態(tài)操作時，反響器內(nèi)一切參數(shù)不隨時間變化，符合理想混合假設(shè)，這是延續(xù)釜式反響器的根本特征。合假設(shè)，這是延續(xù)釜式反響器的根本特征。延續(xù)釜式反響器的特點延續(xù)釜式反響器的特點實現(xiàn)理想混合假設(shè)的必要條件：實現(xiàn)理想混合假設(shè)的必要條件：葉輪的排料速率葉輪的排料速率( (循環(huán)量循環(huán)量) )為進料流量的為進料流量的510510倍。倍。該判據(jù)可由以下公式表示：該判據(jù)可由以下公式表示：QR/QFQR/QF510510，其中，其中QFQF為為進料流量；葉輪的排料速率進料流量；葉輪的排料速率QRQR可由以下閱歷公式估算：可由以下閱歷

4、公式估算：QR/nd3=NQR QR/nd3=NQR 式中：式中：n n為攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)；為攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)；d d為攪拌器葉輪直徑；為攪拌器葉輪直徑；NQRNQR為無因次為無因次準(zhǔn)數(shù)。在有擋板的條件下，對于推進式葉輪準(zhǔn)數(shù)。在有擋板的條件下，對于推進式葉輪NQR=0.5NQR=0.5；對 于 渦 輪 式 葉 輪對 于 渦 輪 式 葉 輪 ( ( 六 葉 ， 寬 徑 比 為六 葉 ， 寬 徑 比 為 1 : 5 )1 : 5 ) ，NQR=0.93D/d(NQR=0.93D/d(用于用于ReRe104104，D D為反響器內(nèi)徑；為反響器內(nèi)徑； d d為為攪拌器槳徑攪拌器槳徑) )。延續(xù)釜式反響器在構(gòu)造上通

5、常與間歇釜式反響延續(xù)釜式反響器在構(gòu)造上通常與間歇釜式反響器一樣。其常見的進出料方式如下器一樣。其常見的進出料方式如下5.2 5.2 延續(xù)釜式反響器的設(shè)計延續(xù)釜式反響器的設(shè)計穩(wěn)態(tài)操作時，延續(xù)釜式反響器內(nèi)物料的濃度、溫穩(wěn)態(tài)操作時，延續(xù)釜式反響器內(nèi)物料的濃度、溫度、壓力等操作參數(shù)不隨時間變化，符合理想混度、壓力等操作參數(shù)不隨時間變化，符合理想混合假設(shè)。由于不存在時間變量，可取整個反響釜合假設(shè)。由于不存在時間變量，可取整個反響釜作為衡算單元，對關(guān)鍵組份作為衡算單元，對關(guān)鍵組份A A作物料衡算作物料衡算輸入量輸入量=FV0CA0=nA0=FV0CA0=nA0反響量反響量=rAVR=rAVR輸出量輸出量=

6、FVfCAf=nA=FVfCAf=nA累計量累計量=0=0， 所以所以FV0CA0=FVfCAf+ FV0CA0=FVfCAf+ rAVRrAVR5.2.1 5.2.1 反響體積反響體積液相反響時，可視為恒容，液相反響時，可視為恒容，F(xiàn)V0=FVfFV0=FVf；而且穩(wěn)態(tài)；而且穩(wěn)態(tài)操作時，操作時，xA=xAfxA=xAf，CA=CAfCA=CAf，于是，于是AAAVRrCCFV)-(0000-AAAACCCx 由于由于所以所以AAAVRrxCFV00=這就是等溫恒容液相延續(xù)釜式反響器的設(shè)計方程。這就是等溫恒容液相延續(xù)釜式反響器的設(shè)計方程。在給定操作條件以及反響的動力學(xué)方程后，可由在給定操作條件

7、以及反響的動力學(xué)方程后，可由簡單的代數(shù)計算求得反響體積。簡單的代數(shù)計算求得反響體積。假設(shè)反響器的進料轉(zhuǎn)化率假設(shè)反響器的進料轉(zhuǎn)化率xA00 xA00，根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義CA0-CA=CA0(xA-xA0)CA0-CA=CA0(xA-xA0)，得到得到AAAAVRrxxCFV)-(000其 中其 中 r Ar A 普 通 具 有普 通 具 有 r A = A 0 e x p ( -r A = A 0 e x p ( -Ea/RT)CAmCBn Ea/RT)CAmCBn 的方式，由于其中的溫的方式，由于其中的溫度、濃度均為恒定值，所以度、濃度均為恒定值，所以rArA亦為恒定值，即亦為恒

8、定值，即延續(xù)釜式反響器中進展的是恒速率的化學(xué)反響，延續(xù)釜式反響器中進展的是恒速率的化學(xué)反響，這是延續(xù)釜式反響器區(qū)別于其它類型反響器的這是延續(xù)釜式反響器區(qū)別于其它類型反響器的重要特征。重要特征。在延續(xù)操作的反響系統(tǒng)中，反響體積與進料的體積在延續(xù)操作的反響系統(tǒng)中，反響體積與進料的體積流量之比定義為停留時間，以流量之比定義為停留時間，以表示。表示。對于釜式延續(xù)反響器，由于物料的停留時間并不一對于釜式延續(xù)反響器，由于物料的停留時間并不一樣，所以由上述定義計算得到的停留時間稱為平均樣，所以由上述定義計算得到的停留時間稱為平均停留時間。停留時間。對于恒容過程對于恒容過程5.2.2 5.2.2 停留時間停留

9、時間AAAAVRrxxCFV)-(000此式可用代數(shù)法求解析解，例如在延續(xù)釜式反響此式可用代數(shù)法求解析解，例如在延續(xù)釜式反響器中，進展二級不可逆反響：器中，進展二級不可逆反響：rA=kCA2=k(CA0(1-xA)2rA=kCA2=k(CA0(1-xA)2，那么停留時間，那么停留時間20)1 (AAAxkCx假設(shè)假設(shè)rArA的表達式較為復(fù)雜，如三級反響或非的表達式較為復(fù)雜，如三級反響或非整數(shù)級反響，求其解析解能夠比較困難，此整數(shù)級反響，求其解析解能夠比較困難，此時，可借助計算機求其數(shù)值解，或采用圖解時，可借助計算機求其數(shù)值解，或采用圖解法求解法求解)()(=fxxfAA或由此可見，對于給定的化

10、學(xué)反響，假設(shè)其動由此可見，對于給定的化學(xué)反響，假設(shè)其動力學(xué)方程知，那么力學(xué)方程知，那么VRVR、僅為轉(zhuǎn)化率僅為轉(zhuǎn)化率xAxA的的函數(shù)，即函數(shù)，即5.2.3 5.2.3 平均停留時間的圖解法求解平均停留時間的圖解法求解給定轉(zhuǎn)化率求停留時間以及給定停留時間求給定轉(zhuǎn)化率求停留時間以及給定停留時間求轉(zhuǎn)化率實踐上是求以下方程組的解。轉(zhuǎn)化率實踐上是求以下方程組的解。AAAnAnAAxrC xkCr00)1 (由方程組的解的幾何意義可知，其解就是方由方程組的解的幾何意義可知，其解就是方程所代表的曲線的交點，因此，上述方程組程所代表的曲線的交點，因此，上述方程組可采用圖解法求解?？刹捎脠D解法求解。方法方法于于

11、rAxArAxA直角坐標(biāo)系中描畫曲線直角坐標(biāo)系中描畫曲線rA=kCA0 n(1-xA)nrA=kCA0 n(1-xA)nMNMN知終點轉(zhuǎn)化率知終點轉(zhuǎn)化率xAfxAf，求停，求停留時間留時間： 在在xAxA軸上截取軸上截取OQ=xAfOQ=xAf，過過QQ作垂線，交作垂線，交MNMN于于P P點，由直線點，由直線OPOP的斜率可的斜率可計算出計算出，進而求得反，進而求得反響體積響體積VRVR知停留時間知停留時間，求終點轉(zhuǎn)化率，求終點轉(zhuǎn)化率xAf： 過原點過原點o作斜率為作斜率為CA0/的直線交的直線交MN于于P點，點，P點的點的橫坐標(biāo)即為終點轉(zhuǎn)化率，直線橫坐標(biāo)即為終點轉(zhuǎn)化率，直線OP稱為物料衡算

12、線。稱為物料衡算線。圖解法的優(yōu)點在于既可用知的動力學(xué)方程作圖，也可以用實驗數(shù)據(jù)作圖，因此，在缺乏動力學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，圖解法尤其顯示出其優(yōu)越性。例5.1 等溫條件下，一液相分解反響AB+C，rA=kCA，知操作條件下速率常數(shù)k=0.6/h。A的起始濃度為1.0kmol/m3，恒容，要求A的轉(zhuǎn)化率到達60%，試計算物料的處置量為2.0m3/h的延續(xù)釜式反響器的反響體積。rA=kCA=kCA0(1-xA)h5 . 2) 6 . 0-1 ( 6 . 06 . 0)-1 (0AAAAAxkxxrCVR=FV0 =5.0m31解析法 解：2圖解法以rA為縱坐標(biāo)，xA為橫坐標(biāo)作圖：由動力學(xué)方程式rA=kCA

13、=kCA0(1-xA)知，rA與xA的關(guān)系為不斷線，因此取兩點很容易地就可以在rAxA圖上繪出動力學(xué)曲線MN。由物料衡算式AAAxCr0=在橫坐標(biāo)上取xA=0.6一點做垂線交于MN線上與一點P，因進口物料中不含反響產(chǎn)物，即xA0=0，過O銜接P點得物料衡算線又稱操作線OP，其斜率為CA0/,查圖得6 . 024. 0=0AC知CA0=1 kmol/m3，那么h5 . 2=6 . 024. 01=VR=FV0 =5.0m35.3 5.3 延續(xù)釜式反響器的并聯(lián)與串聯(lián)延續(xù)釜式反響器的并聯(lián)與串聯(lián)問題的提出問題的提出延續(xù)釜式反響器在工業(yè)上有著廣泛的運用。延續(xù)釜式反響器在工業(yè)上有著廣泛的運用。但在反響器設(shè)

14、計過程中，經(jīng)常遇到這樣的但在反響器設(shè)計過程中，經(jīng)常遇到這樣的問題，即，是運用一個較大的反響器完成問題，即，是運用一個較大的反響器完成消費義務(wù)，抑或是用假設(shè)干個較小的反響消費義務(wù)，抑或是用假設(shè)干個較小的反響器實現(xiàn)反響，這樣的反響器組又如何計算，器實現(xiàn)反響，這樣的反響器組又如何計算，這是本節(jié)要處理的問題。這是本節(jié)要處理的問題。5.3.1 并聯(lián)當(dāng)需求用單釜進展延續(xù)操作，其體積過大而難于加工制造時，經(jīng)常用假設(shè)干個體積較小的反響釜并聯(lián)操作。其設(shè)計方法與單釜延續(xù)一樣，但存在流量分配問題。為能穩(wěn)定地控制產(chǎn)質(zhì)量量，通常使并聯(lián)各釜為能穩(wěn)定地控制產(chǎn)質(zhì)量量，通常使并聯(lián)各釜的 出 口 轉(zhuǎn) 化 率 一 樣 ， 即的 出

15、 口 轉(zhuǎn) 化 率 一 樣 ， 即 x A 1 = x A 1 = xA2= = xAnxA2= = xAn由釜式反響器的設(shè)計方程可知，為使各釜的由釜式反響器的設(shè)計方程可知，為使各釜的出口轉(zhuǎn)化率一樣，應(yīng)使反響物在各釜的停留出口轉(zhuǎn)化率一樣，應(yīng)使反響物在各釜的停留時間一樣，即時間一樣，即1=2= =n1=2= =n由于由于i=VRi/FV0ii=VRi/FV0i，所以，要使各釜的出口，所以，要使各釜的出口轉(zhuǎn)化率一樣，應(yīng)使各釜的進料流量與其對應(yīng)轉(zhuǎn)化率一樣，應(yīng)使各釜的進料流量與其對應(yīng)的反響體積比一樣，就是的反響體積比一樣，就是實踐消費中，通常采用等體積的反響釜并聯(lián)，實踐消費中，通常采用等體積的反響釜并聯(lián)

16、，并平均地分配進料流量。但假設(shè)并聯(lián)的數(shù)量并平均地分配進料流量。但假設(shè)并聯(lián)的數(shù)量過多，設(shè)備及操作費用會添加，應(yīng)從經(jīng)濟角過多，設(shè)備及操作費用會添加，應(yīng)從經(jīng)濟角度出發(fā)，確定并聯(lián)的臺數(shù)。度出發(fā)，確定并聯(lián)的臺數(shù)。n0n022011= =VRVRVRFVFVFV5.3.2 串聯(lián)多釜串聯(lián)是工業(yè)上一種常見的操作方式。是一種介于理想混合和理想置換的流動模型。設(shè)計時同樣要處理反響體積和臺數(shù)的問題。其計算方法是采用單釜延續(xù)的計算方法進展多次計算，也可以用圖解法。如上圖所示的多釜串聯(lián)，恒容條件下，對第i釜進展物料衡算：RiAiiAViAVVrxCFxCF)1 ()1 (001 -00RiAiAiVAiVVrCFCF0

17、1 -0于是或AiAiAiVRirCCFV)-(1 -0AiAiAiAVRirxxCFV)-(1 -00或5.3.2.1 解析法第i釜的平均停留時間為：AiAiAiirCC-1 -AiAiAiAirxxC)-(1 -0或因此，在給出FV0、VRi、CA0及串聯(lián)數(shù)目n后，可依次求出第1、2n釜的出口濃度或轉(zhuǎn)化率；在各釜的反響體積已定時，可確定到達指定轉(zhuǎn)化率所需求的反響器臺數(shù)。例如，n釜串聯(lián)的反響器中，進展一級恒容不可逆反響，rA=kCA，AiAiAiirCC-1 -iiAiAikCC111 -得即1101+11=kCCAA2212+11=kCCAA3323+11=kCCAA、nnAnAnkCC1

18、11 -由連乘之，得1=0+11=niiiAAnkCC假設(shè)xAn為終點轉(zhuǎn)化率，那么依轉(zhuǎn)化率的定義0001-AAnAAnAAnCCCCCx所以111-1niiiAnkx工業(yè)上普通采用等體積的反響釜串聯(lián)，故1=2= =n= ；又假設(shè)各釜的反響溫度一樣，那么k1=k2 =kn=k ，于是，對于等溫恒容的一級反響，在等體積串聯(lián)時，反響物濃度、轉(zhuǎn)化率與每釜的停留時間的關(guān)系為：nAnkx)1 (11nAAnkCC)+1 (=0及所以) 1-)11(11nAnxk) 1-)11(1nAnTxknn) 1-)11(1010nAnVniVRiRxknFnFVV總反響體積為由此可見對于一級反響，在滿足等溫、恒容和

19、等體積串聯(lián)的情況下，可由終點轉(zhuǎn)化率求出平均停留時間及反響體積，反之亦可，那么對于非一級反響呢？此時，總反響時間為例5.2 在理想混合反響器中進展液相等溫恒容反響A+BR，A和B按等摩爾配成，rA=kCACB，k=9.92m3/(kmols)，進料速率0.278m3/s，A的初濃度為0.08kmol/m3。要求A的轉(zhuǎn)化率為87.5%，問分別以一個反響釜兩個等體積的反響釜三個等體積的反響釜串聯(lián)操作時，總的反響體積各是多少。解：rA=kCACB=9.92CA2=9.92CA02(1-xA)2；x A f = 0 . 8 7 5 ； F V 0 = 0 . 2 7 8 m 3 / s ；CA0=0.0

20、8kmol/m3一個反響釜 xA0=0兩個等體積的反響釜串聯(lián)s6 .70)875. 01 (08. 092. 9875. 0)-(200AAAfArxxC30m6 .19=6 .70278. 0=VRFV2100110101)-1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC2012102)1 (-)-(AfAAAfAAAfAxkCxxrxxC相除得212101)1 (-)1 (-AfAAfAAAxxxxxx由于xA0=0；xAf=0.875，所以21112)1)(875. 0()875. 01 (AAAxxx其數(shù)值解為%5 .72=1Axs08.12)725. 01 (08. 092. 97

21、25. 0)1 (-2210011AAAAxkCxx310m72. 6=08.12278. 02=2=VRFV三個等體積的反響釜串聯(lián)2100110101)1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC2201221202)1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC2023203)-1 (-)-(AfAAAfAAAfAxkCxxrxxC三元方程組，其數(shù)值解為s76. 5=%4 .80=%9 .62=32121AAxx310m80. 4=76. 5278. 03=3=VRFV單釜延續(xù)VR=19.6m3；雙釜延續(xù)VR=6.72m3；三釜延續(xù)VR=4.80m3由此可見，采用解析法計算非一級反響

22、的多釜串聯(lián)問題是比較繁復(fù)的。此時，可采用圖解法。5.3.2.2 圖解法知反響釜串聯(lián)的個數(shù)n以及反響體積VR(也就是停留時間)，求終點轉(zhuǎn)化率xAf知終點轉(zhuǎn)化率xAf，求串聯(lián)的個數(shù)n(知反響體積，即停留時間)知終點轉(zhuǎn)化率xAf，求反響體積VR(知串聯(lián)的個數(shù)n)-(1 -0AiAiiAAixxCr得AiAiAiAirxxC)-(1 -0由描畫動力學(xué)曲線rA=f(xA)MN于直角坐標(biāo)系中例5.3 用圖解法處理例5.2中的兩等體積釜串聯(lián)問題。解：屬圖解法的第種情況，應(yīng)采用試差法由知條件知rA=9.92CA02(1-xA)2，據(jù)此描畫出動力學(xué)曲線MN；過 原 點 O 作 直 線OP1交動力學(xué)曲線于P1點(

23、OP1為第一 釜 的 物 料 衡 算線)；過P1作垂線P1S1交橫軸于S1點，過S1作OP1的平行線S1P2交動力學(xué)曲線于P2點，過P2作橫軸的垂線P2S2交橫軸于S2點，于圖上讀得點S2的橫坐標(biāo)(第二釜的轉(zhuǎn)化率)為0.730.875，闡明第一次所作的物料衡算線的斜率偏大，即停留時間過短。按上述方法重新作圖，直到第二釜的出口轉(zhuǎn)化率為0.875，如下圖的物料衡算線OP1、S1P2，此時P1點對應(yīng)的第一釜的轉(zhuǎn)化率為0.725。量取P1點的縱坐標(biāo)，計算出直線OP1的斜率為0.0066，所以s 1 .12=0066. 008. 0=于是，總反響體積為3m72. 6=1 .12278. 02=RV5.3

24、.3.4 多釜串聯(lián)反響器組以總反響體積最小為目的的各釜轉(zhuǎn)化率的最正確分配問題的提出：由以上的討論可以看出，對于多釜串聯(lián)反響器組，當(dāng)物料處置量、物料的初濃度及終點轉(zhuǎn)化率一定時，反響器的臺數(shù)、各釜的反響體積和轉(zhuǎn)化率之間存在一定關(guān)系，那么，在各釜之間能否存在一個最正確的轉(zhuǎn)化率分配，使得總的反響體積為最小呢？先以兩釜串聯(lián)為例設(shè)兩釜串聯(lián)，等溫恒容，一級不可逆反響， rA=kCA0 (1-xA) ，要求終點轉(zhuǎn)化率到達80%)1-1(21211021AAAAAVRRRxxxxxkFVVV總反響體積為描畫VRk/FV0 xA1于直角坐標(biāo)系中，可見總反響體積隨著xA1的變化而變化，當(dāng)xA1=0.55時，VR到達

25、最小多釜串聯(lián)時，仍設(shè)各釜溫度一樣，進展一級不可逆反響，那么總反響體積VR)- 1- 1-(1 -10101AnAnAnAAAVniRiRxxxxxxkFVV 為使總反響體積VR最小，將上式分別對xA1、xA2 xAn求導(dǎo)，于是) 1-,., 2 , 1(),11-)1 (1(121 -0nixxxkFxVAiAiAiVAiR則令, 0AiRxV) 1, 2 , 1( , 011)1 (1121 nixxxAiAiAi此式為總反響體積最小應(yīng)滿足的條件。共有n-1個方程(因xAn已確定)，聯(lián)立求解可算出各釜轉(zhuǎn)化率。將上面的方程變形：) 1, 2 , 1( ,111111 nixxxxAiAiAiA

26、i等式兩端再同時減1，得) 1, 2 , 1( ,11111 nixxxxxxAiAiAiAiAiAi) 1, 2 , 1( ,1111010 nixxxkFxxxkFAiAiAiVAiAiAiV即也就是VRi=VR(i+1)，這闡明要保證總反響體積最小，應(yīng)使各釜反響體積相等。但此結(jié)論不可無條件推行，對于非一級反響，應(yīng)采用類似方法另行處置。 假設(shè)忽略反響流體的密度和定壓比熱隨溫度的變假設(shè)忽略反響流體的密度和定壓比熱隨溫度的變化，反響器在定常態(tài)下操作時無須思索時間自變化，反響器在定常態(tài)下操作時無須思索時間自變量，且以整個反響體積為控制體積時，對反響器量，且以整個反響體積為控制體積時，對反響器作單

27、位時間的熱量衡算。其熱量衡算式為：作單位時間的熱量衡算。其熱量衡算式為： )()(00srARpTTKFqrVTTcn式中0為物料進口溫度，T為反響溫度，Ts為換熱介質(zhì)溫度， 為溫度在T與0之間的平均定壓熱容， n0為物料進口的總摩爾流量， r為摩爾反響熱， 為傳熱系數(shù)，F(xiàn)為傳熱面積。 pc)(00AAAARxxnrV因 代入上式可得反響過程的溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如下： )(-)()(0000sAArApTTKFxxqnTTcn假設(shè)在絕熱條件下進展反響，上式右端的第二項為零 )(0000AAprAxxcnqnTT)()(0000AAAAprAxxxxcqyTT 例5.4有一有效容積為0.75m3

28、的攪拌釜反響器，其內(nèi)設(shè)置有換熱面積為5.0m2的冷卻盤管?，F(xiàn)欲利用該反響器來進展A R 的 一 級 不 可 逆 液 相 反 響 ， 其 速 率 常 數(shù) k 1.0788109exp-5525.9/T(h-1)，反響熱qr20921Jmol-A，原料液中A的濃度CA0=22 mol/l，但不含R。此原料液的密度1050gl，定壓比熱CP=2.929(Jg)。要求原料液的進料速率為Fv0=3m3h，反響器出口的反響液中CA0.04mol/l。經(jīng)實測得器內(nèi)換熱器的總傳熱系數(shù)K=209.2 kJ/m2h。所用的冷卻介質(zhì)的溫度為25。試求滿足上述反響要求所需的反響溫度T以及料液的起始溫度T0。 解：(1

29、)計算所需反響溫度T 全混流反響器： AAAAVRrxxCFV)-(000一級不可逆液相反響：rA=kCA hFVVR25. 0=375. 0=0010.22110.04180.25AACCkh根據(jù)阿累尼烏斯方程有 0lnlnEkkRT905525.9308.6(lnln)ln(1.0788 10 )ln18ETKkkR(2)原料液起始溫度T0的計算 pVSrARpSrARCFTTKFqrVTcnTTKFqrVTT000)()(018 0.04 0.75 20921 209.2 5 (308.6298.16)308.6297.43 1050 2.929TK 原料液的起始溫度為297.4K(或2

30、4.2) 工業(yè)反響器的設(shè)計，不僅要確定反響器的大小尺寸，而且要思索如何控制溫度和確定可操作條件。 對快速、溫度敏感性強的、反響熱效應(yīng)大的化學(xué)反響，在散熱條件不能滿足及時傳熱要求時，很容易出現(xiàn)“飛溫或“溫度失控，這就是熱不穩(wěn)定性景象。這種不穩(wěn)定景象往往會導(dǎo)致反響器正常運轉(zhuǎn)的破壞，甚至發(fā)惹事故。因此，設(shè)計和操作時都需思索反響器的熱穩(wěn)性問題。在一種定常態(tài)操作時，由于進料、傳熱劑等操作參數(shù)發(fā)生偏離擾動，使反響器偏離定常態(tài)操條件，但在擾動消除后，反響系統(tǒng)可以盡快地恢復(fù)原來的定常態(tài)，我們稱這種定常態(tài)是穩(wěn)定的定常態(tài)。在一種定常態(tài)操作時，由于進料、傳熱劑等操作參數(shù)發(fā)生微小的偏離干擾足以使反響器的操作形狀大大地

31、偏離原先規(guī)定的定常操作，即使擾動消除，系統(tǒng)也不能恢復(fù)至原有形狀，不具有抗干擾才干，這就叫不穩(wěn)定的定常態(tài)。以理想混合反響器為例，引見有關(guān)熱穩(wěn)定性的問題。 設(shè)一個簡單放熱反響APk其動力學(xué)方程為r=kCA,穩(wěn)定操作時，其熱平衡方程如下：)()(00sprRATTKFTTcnqVr方程的左邊為化學(xué)反響熱，設(shè)為Qr，右邊為系統(tǒng)與外界的熱交換，設(shè)為Qg，那么 rRArqVrQ )()(00spgTTKFTTcnQAaAACRTEAkCr)/exp(0ArRrCRTEaAqVQ)/exp(0sppgKFTTcnTKFcnQ000)(從Qr-T和g-T關(guān)系式可以看到，r和T是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而g和T那么是線性

32、關(guān)系 圖5-8放熱反響的Qr和Qg線圖上反響放熱曲線和散熱線相交于a、b、c三點，三個交點都滿 足 熱 平 衡 條 件Qr=Qg，闡明能夠存在三個定常形狀。 a、b、c三點有什么不同？分析可知a、c點是定態(tài)穩(wěn)定點，b點為不穩(wěn)定的定態(tài)點。 為什么？普通選擇上定態(tài)點，即圖5-8中的c點 在穩(wěn)定的定態(tài)點a及c處，移熱線的斜率大于放熱曲線的斜率，即： dTdQgdTdQr 這是定態(tài)操作穩(wěn)定的必要條件，但不是充分條件，也就是說，假設(shè)滿足上式，那么定態(tài)能夠是穩(wěn)定的；假設(shè)不滿足該式，那么定態(tài)一定是不穩(wěn)定的。 定態(tài)穩(wěn)定的必要條件是：定態(tài)穩(wěn)定的必要條件是： Qg=Qr Qg=QrdTdQgdTdQr )1)(e

33、xp(00AaArrXRTEACqVQr)()(00SPgTTKATTCnQnarrrACRTEAqVQ)exp(0)(SgTTKAQ02exp()nRrAEEKAV q ACRTRT20)exp(RTECRTEAqVdTdQanarrrAKAdTdQgdTdQdTdQrg0()exp()nSRrAEKA TTV q ACRT2SRTTTTE 在實踐消費中，希望只在一種穩(wěn)定工況下操作，同時希望在反響速率較大的工況下操作，要做到這一點可經(jīng)過改動進料溫度T0和其流量n0來實現(xiàn)。 圖5-9改良進料溫度得到不同的操作形狀 在D線時的進料溫度普通稱為著火溫度或起燃溫度，相應(yīng)的點4稱為著火點或起燃點。B線溫度為熄火溫度，點6為熄火點。 著火與熄火景象對于反響器操作控制甚為重要，特別是開停工的時候 5.5 返混對復(fù)雜反響產(chǎn)品分配的影響前面就單一反響，討論了延續(xù)操作的反響器的物料流動情況對反響器大小的影響另一方面，就復(fù)雜反響而言，反響過程中主副產(chǎn)物生成量的相對多少，主要取決于主副反響的競爭速率。假設(shè)不思索溫度對化學(xué)反響的影響，那么產(chǎn)品分布主要決議于反響物的濃度分布(由于不同級數(shù)的反響對濃度的敏感程度不同)，而返混恰恰可以經(jīng)過影響反響物的濃度分布而影響產(chǎn)品分布.下面分別討論返混對平行反響和串聯(lián)反響的影響4.6.1 平行反響設(shè)在等溫下進展以下平行反響：)(主RARK)(副SASK速率方程分