反應(yīng)工程第三章

1、反應(yīng)工程課件第三章第1頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3.1 間歇釜式反應(yīng)器3.2 連續(xù)流動(dòng)均相管式反應(yīng)器3.3 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器3.4 理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合和比較3.5 多重反應(yīng)的選擇率第2頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況影響反應(yīng)結(jié)果數(shù)學(xué)模型流動(dòng)模型對(duì)實(shí)際過程的簡化理想模型非理想模型第3頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第4頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器間 歇 反 應(yīng) 器完全沒有返混返混極大返混第5頁，

2、共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二間歇反應(yīng)器(BSTR)平推流反應(yīng)器(PFR)全混流反應(yīng)器(CSTR)投料一次加料(起始)連續(xù)加料(入口)連續(xù)加料(入口)年齡年齡相同(某時(shí))年齡相同(某處)年齡不同壽命壽命相同(中止)壽命相同(出口)壽命不同(出口)返混全無返混全無返混返混極大第6頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3.1 間歇釜式反應(yīng)器3.1.1 釜式反應(yīng)器的特征 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

3、液相及液固相反應(yīng)物系在間歇狀態(tài)下操作。 第7頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二1) 間歇操作 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。頂蓋上都開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加熱或冷卻物料。器內(nèi)還可以根據(jù)需要設(shè)置盤管或排管以增大傳熱面積。 第8頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二其特點(diǎn)為：（1）由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中物料達(dá)到分子尺度

4、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)過程的影響；（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，不需考慮反應(yīng)器內(nèi)熱量傳遞；（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)器中具有相同的停留時(shí)間，器內(nèi)物料年齡相同，無返混。（4）過程為間歇操作，有輔助時(shí)間。 (5) 反應(yīng)器為非穩(wěn)態(tài)，溫度、濃度隨時(shí)間改變。第9頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第10頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二優(yōu)點(diǎn) 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)時(shí)間較長等產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是精細(xì)化工與生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。 缺點(diǎn) 裝料

5、、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。 第11頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 2）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，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 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。 第12頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 3）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)物料簡歇加入和排除，屬于非穩(wěn)態(tài)過程。第13頁，共104頁，2022年，

6、5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3.1.2 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。 流入量流出量反應(yīng)量累積量=+0間歇操作中流人量和流出量都等于零。 反應(yīng)量累積量=+0第14頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二若V為液相反應(yīng)混合物的體積，因而對(duì)反應(yīng)組分A的物料衡算式可寫成 第15頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二積分達(dá)到一定反應(yīng)率所需反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算式。 第16頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二若反應(yīng)過程中不發(fā)生體積變化，即等容過程。根據(jù)等

7、容時(shí)轉(zhuǎn)化率與濃度關(guān)系 第17頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 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t與輔助時(shí)間t,t包括加料、調(diào)溫、卸料、清洗等時(shí)間。 間歇反應(yīng)器的反應(yīng)體積VR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，因此反應(yīng)體積可按下式計(jì)算 第18頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第19頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 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濃度CA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

8、的方法是數(shù)值積分或圖解法。 第20頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng) 單反應(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 第21頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第22頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第23頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第24頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 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 第25頁，共104頁，2022年

9、，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二(2)反應(yīng)濃度(1) K值影響因素k增大(溫度升高）t減少反應(yīng)體積減小零級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0正比一級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0無關(guān)二級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0反比第26頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二(3)殘余濃度零級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t直線下降一級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t逐漸下降二級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t慢慢下降 為使反應(yīng)時(shí)間計(jì)算正確，重要的是保證反應(yīng)后期動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確、可靠，因此要密切注意反應(yīng)后期的反應(yīng)機(jī)理是否發(fā)生變化，即要重視反應(yīng)過程末期動(dòng)力學(xué)的研究。 第27頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3.1.3 間歇釜式反應(yīng)

10、器的工程放大及操作優(yōu)化1）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，而大型反應(yīng)器就很難做到；又如實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器通過攪拌可使反應(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。 第28頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二2) 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，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)到最大值。第29頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 對(duì)于反應(yīng)AR，若要求產(chǎn)物R

11、的濃度為CR，則單位操作時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量PR為 第30頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 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)間越長，原料單耗越少。優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)不同，結(jié)果不-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)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)品的單費(fèi)用為： 為了使AT最小，采用函數(shù)求極值的方法第31頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第32頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3) 配料比 在工業(yè)上，為了使價(jià)格較高的或在后

12、續(xù)工序中較難分離的組分A的殘余濃度盡可能低， 也為了縮短反應(yīng)時(shí)間，常采用反應(yīng)物B過量的操作方法。定義配料比m=CBO/CAO,于是,等容液相反應(yīng)過程中組分B的濃度 第33頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 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)。 第34頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 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

13、可寫為 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過量甚多，其動(dòng)力學(xué)特征接 近一級(jí)反應(yīng)。 第35頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二4）反應(yīng)溫度 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。一般說來，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

14、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，溫度為4045；反應(yīng)中期，溫度為60 ；而且應(yīng)后期，溫度調(diào)高為70。 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)溫度增高，會(huì)使某些副反應(yīng)加劇。 第36頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二思考題1：用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A：B：S=1：2：1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg

15、/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時(shí)間為1h。反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為 100時(shí)，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35% 時(shí)所需的反應(yīng)體積。根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75，則反應(yīng)器的實(shí)際體積是多少？第37頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二由于原料液中乙酸: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)器的原料液量為解：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)乙酸需用量為其次計(jì)

16、算原料液的起始組成。 第38頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二然后，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第39頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二式中 代入到基本公式中得：t=118.8min實(shí)際反應(yīng)器體積：12.38m3/0.7516.51m3第40頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3.2 連續(xù)流動(dòng)均相管式反應(yīng)器3.2.1 均相管式反應(yīng)器的特征 在連續(xù)管式反應(yīng)器中，沿著與物料流動(dòng)方向垂直的徑向截面上總是呈現(xiàn)不均勻速度分布，在流

17、速較大的湍流狀態(tài)時(shí)，雖然速度分布較均勻，但在邊界層中速度仍然因壁面的阻滯而減慢，造成了徑向速度分布的不均勻性，使徑向和軸向都存在一定程度的混合，這種速度分布的不均勻性和徑向、軸向的混合給反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算帶來許多困難，為此，人們?cè)O(shè)想了一種理想流動(dòng)，即平推流。第41頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二1) 平推流反應(yīng)器的概念 亦稱活塞流模型或理想置換模型。是一種返混量為零的理想流動(dòng)模型，它假設(shè)反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流人反應(yīng)器，在反應(yīng)器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動(dòng) 。第42頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二A、沿著物料的流動(dòng)方向，物料的溫度、濃度不斷變

18、化。B、垂直于物料流動(dòng)方向的任一截面（又稱徑向平面）上物料的所有參數(shù)，如濃度、溫度、壓力、流速都相同。C、所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中具有相同的停留時(shí)間，反應(yīng)器中不存在返混。 長徑比很大，流速較高的管式反應(yīng)器中的流體流動(dòng)可視為平推流。 2) 平推流的特征第43頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 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dVR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。流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量累積量 = 03.2.2 平推流反應(yīng)器的計(jì)算流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 1）平推流反應(yīng)器的體積第44頁，共104頁，2022年，

19、5月20日，18點(diǎn)18分，星期二化簡，得 第45頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二則達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率xAf所需的反應(yīng)體積為 :注意：第一，反應(yīng)是等溫還是變溫，等溫反應(yīng)時(shí) k 為常數(shù)，變溫反應(yīng)時(shí)要結(jié)合熱量衡算式建立k與xA的關(guān)系；第二，反應(yīng)過程中有無分子數(shù)變化，如為變分子反應(yīng)，需建立反應(yīng)物體積流量V與xA的關(guān)系。 第46頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二對(duì)于平推流反應(yīng)器進(jìn)行某種等容過程，其停留時(shí)間t為 :第47頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二2）等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算（1）反應(yīng)過程中無體積變化以n級(jí)不可逆反應(yīng)為例第48

20、頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第49頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第50頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第51頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第52頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二（2）反應(yīng)過程中有體積變化以n級(jí)不可逆反應(yīng)為例第53頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二（3) 熱量衡算 平推流反應(yīng)器中取一個(gè)體積為dVR的微元進(jìn)行熱量衡算。 帶入的熱焓 流出的熱焓 反應(yīng)熱 熱量的累積 傳向環(huán)境的熱量 穩(wěn)態(tài)、等溫條件下：帶入的熱焓=流

21、出的熱焓 熱量的累積=0 反應(yīng)熱 傳向環(huán)境的熱量 0第54頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3）變溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算（1）一般情況第55頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二（2)對(duì)于絕熱反應(yīng)絕熱溫升或絕熱溫降第56頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二思考題題2：用平推流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知100時(shí)，k=4.7

22、610-4L/（molmin），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。第57頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二解答：由于乙酸與乙醇的反應(yīng)為液相反應(yīng)，故可認(rèn)為是等容過程。等容下活塞流反應(yīng)器的空時(shí)與條件相同的間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間相等，已求出達(dá)到題給要求所需的反應(yīng)時(shí)間為t=118.8min。改用活塞流反應(yīng)器連續(xù)操作，如要達(dá)到同轉(zhuǎn)化率，要求應(yīng)使空時(shí)=t=118.8min。原料處理理為V0=4.155m3/h因此，反應(yīng)體積VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3 第58頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3.3 連續(xù)

23、流動(dòng)釜式反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器是另一類在工業(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)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，不存在間歇操作中的輔助時(shí)間問題。在定態(tài)操作中，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作簡單，節(jié)省人力，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)過程。 第59頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二1） 全混流反應(yīng)器的概念 亦稱理想混合模型或連續(xù)攪拌糟式反應(yīng)器模型。是一種返混程度為無窮大的理想化流動(dòng)模型。它假定反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流人反應(yīng)器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)人反應(yīng)器的新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間

24、達(dá)到完全混合。 第60頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 圖3.1-6 全混流反應(yīng)器 第61頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二2）全混流反應(yīng)器的特點(diǎn) 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)器出口處的物料性質(zhì)。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，有的很短，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。 第62頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二化簡，得流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量3.3.1 全混流反應(yīng)器的計(jì)算 流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累

25、積量第63頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二按出口濃度計(jì)算的反應(yīng)速率。 當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)口物料中已含反應(yīng)產(chǎn)物 第64頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二全混流反應(yīng)器的圖解計(jì)算第65頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第66頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第67頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第68頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二思考題：用全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為

26、A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知100時(shí)，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。第69頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二通過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

27、其次計(jì)算原料液的起始組成。 第70頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。因?yàn)榇胨俾史匠?，整理后得式?第71頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二思考題中三種反應(yīng)器體積比較BSTR：VR12.68m3 (實(shí)際體積為16.51m3）PFR： VR8.227m3CSTR：VR14.68m3返混：不同年齡粒子之間的混合返混的基本效應(yīng)：反應(yīng)物濃度的下降和生成物濃度的上升。上述效應(yīng)相應(yīng)地會(huì)在反應(yīng)速率的大小上體現(xiàn)出來。對(duì)于其速率隨著反應(yīng)物濃度增加而增加的反應(yīng)過程，返混的效果是降低了反應(yīng)速率第72頁，共104頁，2022年，5

28、月20日，18點(diǎn)18分，星期二某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比與70用間歇反應(yīng)器并以硫酸作催化劑進(jìn)行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實(shí)驗(yàn)得出的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為： 1)若每天處理2400己二酸(146)，每批操作輔助時(shí)間1h，反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75,求轉(zhuǎn)化率分別為XA=0.8，O.9時(shí)的反應(yīng)體積。2)反應(yīng)PFR中進(jìn)行,求轉(zhuǎn)化率分別為XA=0.8，O.9時(shí)的反應(yīng)體積?3)采用CSTR，求轉(zhuǎn)化率分別為XA=0.8，O.9時(shí)的反應(yīng)體積？第73頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二1）第74頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二2）平推流反應(yīng)器 3）全混流反應(yīng)

29、器 第75頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二三種反應(yīng)器體積比較反應(yīng)器有效容積 平推流反應(yīng)器間歇釜反應(yīng)器全混流反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率0.81.45 2.177.24轉(zhuǎn)化率0.93.254.5632.6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，不能無限制地追求高轉(zhuǎn)化率。第76頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二思考題4:在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行等溫一級(jí)不可逆反應(yīng)，出口轉(zhuǎn)化率為0.7，現(xiàn)將該反應(yīng)移到一個(gè)等體積的平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，且操作條件不變，

30、問出口轉(zhuǎn)化率是多少?第77頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第78頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二反應(yīng)器的推動(dòng)力是由反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度差產(chǎn)生的多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化 第79頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二A、平推流反應(yīng)器的推動(dòng)力隨反應(yīng)器的軸向長度逐漸降低；B、全混流反應(yīng)器的推動(dòng)力等于反應(yīng)器出口處的推動(dòng)力；C、在反應(yīng)器進(jìn)出口條件相同的情況下，間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器的推動(dòng)力相同，前者隨時(shí)間變化，后者隨空間位置變化；D、在反應(yīng)器進(jìn)出口條件相同的情況下，間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器的推動(dòng)力均大于全混流反應(yīng)器的推動(dòng)力；

31、第80頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二1）多級(jí)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)及并聯(lián) （1）串連VRV0,CA0,T0CAf,TfVR1VR2CAf,TfV0,CA0,T0VR=VR1+VR2（2)并聯(lián)VRV0,CA0,T0CAf,TfVR1VR2V0,CA0,T0CAf,Tf第81頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二2) 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)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)物料濃度的低速率狀態(tài)。 為此，為了降低返混影響

32、的程度，提高全混流反應(yīng)過程的推動(dòng)力，常采用多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)措施。第82頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二圖3.3-1 多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器 第83頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二() 級(jí)數(shù)越多，過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)濃度是均勻的。等于該級(jí)的出口濃度，而各級(jí)之間濃度是不同的。 結(jié)論第84頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二3) 多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的解析計(jì)算 (1）各釜的物料衡算條件：各釜定態(tài)操作、等溫；反應(yīng)過程中體積不發(fā)生變化。衡算范圍：第i釜衡算對(duì)象：反應(yīng)物組分A。衡算基

33、準(zhǔn)：單位時(shí)間。流入量=流出量+反應(yīng)消耗量第85頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二流入量=流出量+反應(yīng)消耗量第86頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二只要?jiǎng)恿W(xué)關(guān)系已知，就可以逐級(jí)計(jì)算確定各參數(shù)化簡(2）對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)第87頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第88頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二第89頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二工業(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。 討論：A、級(jí)數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高； B、在處理量一定時(shí)，各級(jí)反應(yīng)體積越大，最終 轉(zhuǎn)化率也越高。 第90頁，共104頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期二 圖解法適用于給定轉(zhuǎn)化率和處理量