釜式反應(yīng)器的操作與控制-釜式反應(yīng)器的工藝計算與選型

任務(wù)：0103釜式反應(yīng)器的工藝計算與選型項目011000噸/年乙酸丁酯反應(yīng)器的選型、設(shè)計與操作

光明精細化工廠接到生產(chǎn)乙酸丁酯的訂單,該廠擬采用乙酸和丁醇生產(chǎn)乙酸丁酯，反應(yīng)在恒溫條件下進行，溫度為373K，進料比為乙酸:丁醇=1:5（mol），以少量硫酸作催化劑。若選用間歇操作方式的釜式反應(yīng)器，每年生產(chǎn)1000噸乙酸丁酯（不考慮分離等過程損失），乙酸轉(zhuǎn)化率要求達到0.5，每批輔助時間為30min，反應(yīng)釜只數(shù)為1，裝料系數(shù)為0.6。已知：該反應(yīng)以乙酸（下標以A計）表示的動力學(xué)方程式為，反應(yīng)速率常數(shù)，反應(yīng)物密度（假設(shè)反應(yīng)前后不變），計算所需反應(yīng)器的有效體積和反應(yīng)器體積。

任務(wù)引入：

任務(wù)：

0103-1間歇釜的工藝計算與選型間歇釜體積計算單元任務(wù)點0103－1（1）反應(yīng)器的計算內(nèi)容總結(jié)反應(yīng)器的計算包括哪些內(nèi)容0103－1（2）反應(yīng)器計算的基本方程式總結(jié)反應(yīng)器計算的方法、所需的基本方程、各方程提供的關(guān)系0103－1（3）均相反應(yīng)速率理解均相反應(yīng)的含義、均相反應(yīng)速率的定義及表達式0103－1（4）均相反應(yīng)動力學(xué)方程理解均相反應(yīng)動力學(xué)涉及的各種概念，動力學(xué)方程式的含義和表達式0103－1（5）間歇釜的特點總結(jié)間歇操作釜式反應(yīng)器的特點及應(yīng)用0103－1（6）間歇釜體積和數(shù)量的求算掌握間歇釜體積和數(shù)量的求算方法和步驟0103－1（7）間歇釜反應(yīng)時間的解析法計算總結(jié)間歇釜反應(yīng)時間的解析法計算公式，能熟練運用公式進行計算0103－1（8）間歇釜反應(yīng)時間的圖解法計算總結(jié)間歇釜反應(yīng)時間的圖解法計算步驟，能熟練運用圖解法進行計算0103－1（9）多工序間歇操作設(shè)備間的平衡總結(jié)多工序間歇操作設(shè)備間的平衡條件、能根據(jù)平衡條件計算各工序所需設(shè)備體積和數(shù)量?？偨Y(jié)反應(yīng)器的計算內(nèi)容

1、選擇合適的反應(yīng)器型式

2、確定最佳操作條件

3、計算完成生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積

0103－1（1）反應(yīng)器的計算內(nèi)容

總結(jié)反應(yīng)器的計算方法1、經(jīng)驗法

2、數(shù)學(xué)模型法0103－1（2）反應(yīng)器計算的基本方程式描述濃度變化的物料衡算式描述溫度變化的能量衡算式描述壓力變化的動量衡算式描述反應(yīng)速率變化的動力學(xué)方程式

總結(jié)反應(yīng)器計算的基本方程化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)：主要研究化學(xué)反應(yīng)的速率以及各種不同因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。本征動力學(xué)：排除了一切物理傳遞過程的影響，得到的反應(yīng)動力學(xué)稱為化學(xué)動力學(xué)或本征動力學(xué)。宏觀反應(yīng)動力學(xué)：研究宏觀反應(yīng)過程的動力學(xué)稱為宏觀反應(yīng)動力學(xué)。宏觀動力學(xué)與本征動力學(xué)不同在于：除了研究化學(xué)反應(yīng)本身以外，還要考慮到質(zhì)量、熱量、動量傳遞過程對化學(xué)反應(yīng)的作用及相互影響，這顯然與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作條件有關(guān)?？偨Y(jié)動力學(xué)術(shù)語含義

總結(jié)均相反應(yīng)的含義均相反應(yīng)：是指在均一的液相或氣相中進行的化學(xué)反應(yīng)。均相反應(yīng)應(yīng)滿足的兩個必要條件（1）反應(yīng)系統(tǒng)可以成為均相（2）預(yù)混和速率＞＞反應(yīng)速率預(yù)混和指物料在反應(yīng)前能否達到分子尺度的均勻混和。實現(xiàn)裝置：機械攪拌和高速流體造成的射流混和。均相反應(yīng)的特點：反應(yīng)過程不存在相界面，過程總速度由化學(xué)反應(yīng)本身決定。0103－1（3）均相反應(yīng)速率總結(jié)均相反應(yīng)速率的表達式1、均相反應(yīng)速率的表達式

Kmol/m3.h對于多組分單一反應(yīng)系統(tǒng)，各個組分的反應(yīng)速率受化學(xué)計量關(guān)系的約束，存在一定比例關(guān)系。例如各組分的反應(yīng)速率滿足下列關(guān)系：2、均相反應(yīng)速率其他形式的表達式（1）流動系統(tǒng)的反應(yīng)：Kmol/m3.h（2）恒容下進行的反應(yīng)：Kmol/m3.h（3）氣相反應(yīng)：atm/h或Pa/h總結(jié)均相反應(yīng)動力學(xué)方程式1、在均相反應(yīng)系統(tǒng)中只進行如下不可逆化學(xué)反應(yīng)：

其動力學(xué)方程一般都可表示成：0103－1（4）均相反應(yīng)動力學(xué)方程2、氣相反應(yīng)，常使用分壓來表示：其中：

kA單位：κp單位：kmol/m3.h.Pan1、單一反應(yīng)與復(fù)雜反應(yīng)總結(jié)動力學(xué)方程中涉及的基本概念2、基元反應(yīng)與非基元反應(yīng)3、單分子、雙分子、三分子反應(yīng)4、反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)級數(shù)：是指動力學(xué)方程式中濃度項的指數(shù)。它是由實驗確定的常數(shù)?？梢允欠謹?shù)，也可以是負數(shù)理解反應(yīng)級數(shù)時應(yīng)特別注意：（1）反應(yīng)級數(shù)不同于反應(yīng)的分子數(shù)，前者是在動力學(xué)意義上講的，后者是在計量化學(xué)意義上講的。對基元反應(yīng)，反應(yīng)級數(shù)…即等于化學(xué)反應(yīng)式的計量系數(shù)值，而對非基元反應(yīng)，應(yīng)通過實驗來確定。（2）反應(yīng)級數(shù)高低并不單獨決定反應(yīng)速率的快慢，反應(yīng)級數(shù)只反映反應(yīng)速率對濃度的敏感程度。級數(shù)愈高，濃度對反應(yīng)速率的影響愈大。5、反應(yīng)速率常數(shù)k

k就是當反應(yīng)物濃度為1時的反應(yīng)速率，又稱反應(yīng)的比速率。k值大小直接決定了反應(yīng)速率的高低和反應(yīng)進行的難易程度。不同的反應(yīng)有不同的反應(yīng)速率常數(shù)。k隨溫度的變化規(guī)律符合阿累尼烏斯關(guān)系式：6、活化能E反應(yīng)活化能是為使反應(yīng)物分子“激發(fā)”所需給予的能量?；罨艿拇笮∈潜碚骰瘜W(xué)反應(yīng)進行難易程度的標志?；罨芨撸磻?yīng)難于進行；活化能低，則容易進行。在理解活化能E時，應(yīng)當注意：（1）活化能E不同于反應(yīng)的熱效應(yīng)，它并不表示反應(yīng)過程中吸收或放出的熱量，而只表示使反應(yīng)分子達到活化態(tài)所需的能量，故與反應(yīng)熱效應(yīng)并無直接的關(guān)系。（2）活化能E不能獨立預(yù)示反應(yīng)速率的大小，它只表明反應(yīng)速率對溫度的敏感程度。E愈大，溫度對反應(yīng)速率的影響愈大。除了個別的反應(yīng)外，一般反應(yīng)速率均隨溫度的上升而加快。E愈大，反應(yīng)速率隨溫度的上升而增加得愈快。（3）對于同一反應(yīng)，即當活化能E一定時，反應(yīng)速率對溫度的敏感程度隨著溫度的升高而降低?？偨Y(jié)間歇釜的特點1、由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響；2、具有足夠強的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題；3、物料同時加入并同時停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時間。0103－1（5）間歇釜的特點

4、釜內(nèi)各點物料的濃度、溫度、反應(yīng)速度相同，隨時間而變。touttout/2CA,OCA,outCAttime0

優(yōu)點：操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定應(yīng)用：用于液—液相、氣—液相等系統(tǒng)，如染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥等小批量多品種的行業(yè)?？偨Y(jié)間歇釜的應(yīng)用精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)0103－1（6）間歇釜體積和數(shù)量的求算1、VD：每天處理物料總體積m3/d2、V0：反應(yīng)物料每小時體積流量m3/h3、τ:反應(yīng)時間（生產(chǎn)時間）理論上可以用動力學(xué)法進行計算，也可根據(jù)實際情況定。4、τ‘：非生產(chǎn)時間5、t：操作周期t=τ+τ‘6、φ：設(shè)備裝料系數(shù)，設(shè)備中物料所占體積與設(shè)備實際容積之比，其值參見表3-1?？偨Y(jié)間歇釜體積和數(shù)量計算中涉及到的基本概念1、計算每天需要操作的總次數(shù)為

2、計算每個設(shè)備每天能操作的批數(shù)為總結(jié)BR容積和數(shù)量計算方法和步驟3、計算設(shè)備個數(shù)：n’需取整數(shù)n，n＞n’。因此實際設(shè)備總能力比設(shè)計要求提高了，其提高的程度稱為設(shè)備能力的后備系數(shù)，以δ表示，則：對反應(yīng)物A進行物料衡算：[A的積累量]=[A的進入量]-[A的離開量]-[A的反應(yīng)量]簡化1、整個反應(yīng)過程中溫度、濃度均一，與位置無關(guān)，

V=VR2、不穩(wěn)定過程：τ=dτ3、間歇操作：進、出料量均為零。

0103－1（7）間歇釜反應(yīng)時間的解析法計算

dnA=0-0-(-rA)VRdτnA0dxA=(-rA)VRdτ

通式，表達了在一定操作條件下為達到所要求的轉(zhuǎn)化率xAf所需的反應(yīng)時間τ。

適用于任何間歇反應(yīng)過程：均相或非均相；恒溫或非恒溫。但對于非恒溫過程需結(jié)合反應(yīng)器的熱量衡算求解。恒容時，VR為常數(shù)若反應(yīng)為恒溫不可逆零級反應(yīng)，則其動力學(xué)方程為代入反應(yīng)時間計算式，得化學(xué)反應(yīng)速率方程積分形式（零級）（一級）（二級）（二級）（n級）總結(jié)解析法計算反應(yīng)時間的步驟

1、判斷反應(yīng)器型式——是否采用間歇釜2、判斷反應(yīng)類型——是否恒溫恒容過程3、判斷反應(yīng)級數(shù)4、正確選用積分公式進行計算當（-rA）不能用解析式表達或表達式較復(fù)雜時

τ/cA0[rA]-1xxAfxA0τ[rA]-1CACAfCA00103－1（8）間歇釜反應(yīng)時間的圖解法計算聯(lián)解方程：

k=f（T）T=f（xA）間歇反應(yīng)過程溫度與時間的關(guān)系可由熱量衡算式來確定。總結(jié)非等溫過程反應(yīng)時間的計算方法0103－1（9）多工序間歇操作設(shè)備間的平衡總結(jié)反應(yīng)釜之間的平衡條件各道工序每天操作的批次相同，即為一常數(shù)?？偨Y(jié)根據(jù)平衡條件計算各工序所需設(shè)備體積和數(shù)量的步驟

1、確定主要反應(yīng)工序的設(shè)備體積、數(shù)量及每天操作批數(shù)2、使其它工序的α值都與其相同，確定各工序的設(shè)備體積與數(shù)量。1、采用攪拌良好的一只釜式反應(yīng)器連續(xù)生產(chǎn)乙酸丁酯，其反應(yīng)條件及產(chǎn)量同任務(wù)A0103—1，計算該釜式反應(yīng)器的有效體積；2、要求用兩只串聯(lián)使用的釜式反應(yīng)器連續(xù)生產(chǎn)乙酸丁酯，要求第一只釜乙酸的轉(zhuǎn)化率為32.3%，第二只釜乙酸的轉(zhuǎn)化率為50%，反應(yīng)條件和產(chǎn)量同A0105—1，分別計算這兩只釜的有效體積。

任務(wù)引入：

任務(wù)：0103—2CSTR釜式反應(yīng)器的工藝計算與選型連續(xù)釜體積計算單元任務(wù)點0103－2（1）連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的特點總結(jié)連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的特點及應(yīng)用0103－2（2）理想流動模型總結(jié)理想流動模型的含義、特點0103－2（3）1－CSTR體積的解析法計算總結(jié)1－CSTR體積的解析法計算公式，能熟練運用公式進行計算0103－2（4）1－CSTR體積的圖解法計算總結(jié)1－CSTR體積的圖解法計算步驟，能熟練運用圖解法進行計算0103－2（5）返混理解返混的含義，能分析返混對反應(yīng)過程的影響，能采取措施降低返混程度0103－2（6）多釜串聯(lián)（N－CSTR）能分析工業(yè)上出現(xiàn)多釜串聯(lián)的原因0103－2（7）N－CSTR體積的解析法計算總結(jié)N－CSTR的解析法計算公式，能熟練運用公式進行計算0103－2（8）N－CSTR體積的圖解法計算總結(jié)N－CSTR體積的圖解法計算步驟，能熟練運用圖解法進行計算0103－2（9）釜式反應(yīng)器的半間歇操作總結(jié)釜式反應(yīng)器各種半間歇操作方式的特點及適用情況，能根據(jù)反應(yīng)特點選擇合適的反應(yīng)器操作方式連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和間歇操作釜式反應(yīng)器相同.進出物料的操作是連續(xù)的，即一邊連續(xù)恒定地向反應(yīng)器內(nèi)加入反應(yīng)物，同時連續(xù)不斷地把反應(yīng)產(chǎn)物引出反應(yīng)器。這樣的流動狀況很接近理想混合流動模型或全混流模型。0103－2（1）連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的特點總結(jié)連續(xù)釜的特點及應(yīng)用優(yōu)點：容易自動控制，操作簡單，節(jié)省人力。穩(wěn)定性好，操作安全。缺點：在低濃度下進行反應(yīng)。適用：產(chǎn)量大的產(chǎn)品生產(chǎn)，特別適宜對溫度敏感的化學(xué)反應(yīng)。0103－2（2）理想流動模型流體的流動特征：主要指反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)流體的流動狀態(tài)、混合狀態(tài)等，它們隨反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)和幾何尺寸而異，影響反應(yīng)速率和反應(yīng)選擇率，直接影響反應(yīng)結(jié)果。流動模型：是對反應(yīng)器中流體流動與返混狀態(tài)的描述，是針對連續(xù)過程而言的。研究反應(yīng)器中的流體流動模型是反應(yīng)器選型、計算和優(yōu)化的基礎(chǔ)。流動模型分為理想流動模型和非理想流動模型。理想混合流動模型含義：理想混合流動模型也稱為全混流模型。反應(yīng)物料以穩(wěn)定的流量進入反應(yīng)器，剛進入反應(yīng)器的新鮮物料與存留在其中的物料瞬間達到完全混合。特點：所有空間位置物料的各種參數(shù)完全均勻一致，而且出口處物料性質(zhì)與反應(yīng)器內(nèi)完全相同。tresidencetime

反應(yīng)器內(nèi)，物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。CA,inCA,outCAttime0tCA,OCA,outCAxposition0

理想置換流動模型含義：理想置換流動模型也稱作平推流模型或活塞流模型。與流動方向相垂直的同一截面上各點流速、流向完全相同，即物料是齊頭并肩向前運動的。特點：在定態(tài)情況下，所有分子的停留時間相同，濃度等參數(shù)只沿管長發(fā)生變化，與時間無關(guān)。所有物料質(zhì)點在反應(yīng)器中都具有相同的停留時間。反應(yīng)器內(nèi)濃度變化長徑比較大和流速較高的連續(xù)操作管式反應(yīng)器中的流體流動可視為理想置換流動。ZZ/2CA,OCA,outCAxpositionX=Z/2X=ZCA,OCA,outCAtx=0time流入量=流出量+反應(yīng)量+累積量0對反應(yīng)物A作物料衡算0103－2（3）1－CSTR體積的解析法計算

總結(jié)1－CSTR體積的計算方法

由于反應(yīng)器中的反應(yīng)速率恒等于出口處值，因此結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)方程，將出口處的濃度、溫度等參數(shù)代入得到出口處反應(yīng)速率，將其代入基礎(chǔ)設(shè)計式即得。

n=0n=1n=2總結(jié)恒溫恒容不可逆反應(yīng)在1－CSTR中的反應(yīng)時間計算公式

全混流反應(yīng)器τ的圖解積分（對比右圖的BR的圖解積分）CA0CACAfCACA0CAf0103－2（4）1－CSTR體積的圖解法計算0103－2（5）返混返混(backmixing)：專指不同時刻進入反應(yīng)器的物料之間的混合，是逆向的混合，或者說是不同年齡質(zhì)點之間的混合?？偨Y(jié)返混對反應(yīng)過程的影響1、最大影響是使反應(yīng)器進口處反應(yīng)物高濃度區(qū)的消失或減低，即使反應(yīng)物濃度下降，產(chǎn)物濃度上升。2、這種濃度分布的改變對反應(yīng)的利弊取決于反應(yīng)過程的濃度效應(yīng)。3、返混是連續(xù)反應(yīng)器中的一個重要工程因素，任何過程在連續(xù)化時，必須充分考慮這個因素的影響.總結(jié)返混對反應(yīng)器的意義1、對反應(yīng)過程產(chǎn)生不同程度的影響在返混對反應(yīng)不利的情況下，要使反應(yīng)過程由間歇操作轉(zhuǎn)為連續(xù)操作時，應(yīng)當考慮返混可能造成的危害。2、在工程放大中產(chǎn)生的問題

放大后的反應(yīng)器中流動狀況的改變，導(dǎo)致了返混程度的變化，給反應(yīng)器的放大計算帶來很大的困難?？偨Y(jié)降低返混程度的措施

降低返混程度的主要措施是分割，通常有橫向分割和縱向分割兩種，其中重要的是橫向分割。BR與1-CSTR的比較反應(yīng)器結(jié)構(gòu)操作方式返混反應(yīng)物濃度變化情況反應(yīng)速率變化情況(n＞0)反應(yīng)時間計算式特點及適用BR釜式間歇式無返混反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度處處相等，但隨時間增加而逐漸減小反應(yīng)速率隨時間增加而逐漸減小高濃度反應(yīng)器操作靈活；存在輔助時間；產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定適于小批量多品種的產(chǎn)品生產(chǎn)；CSTR釜式連續(xù)式返混無限大反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度既不隨位置也不隨時間而變化，恒等于出口處的濃度反應(yīng)速率不隨時間變化，恒等于出口處的反應(yīng)速率低濃度反應(yīng)器無輔助時間—產(chǎn)量大的產(chǎn)品生產(chǎn)；無局部過熱—對溫度敏感的反應(yīng)；容積大—穩(wěn)定性好，操作安全0103－2（6）多釜串聯(lián)（N－CSTR）1、由于1－CSTR存在嚴重的返混，降低了反應(yīng)速率；2、采用N－CSTR，可以使物料濃度呈階梯狀下降，降低逆向混合的程度，有效提高反應(yīng)速率；分析工業(yè)上出現(xiàn)多釜串聯(lián)的原因StirredTankCascadeCA0CAfCAxposition321450CA*CA1CA2CA3CA43、同時還可以在各釜內(nèi)控制不同的反應(yīng)溫度和物料濃度以及不同的攪拌和加料情況，以適應(yīng)工藝上的不同要求。4、釜數(shù)越多，雖然增大了反應(yīng)推動力，但設(shè)備、流程及操作控制變得復(fù)雜，應(yīng)合理選用。串聯(lián)釜數(shù)一般不大于4。

恒容過程的任一釜i中的反應(yīng)物A作物料衡算VR1CA1CAmCAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0CAiCAi-1CA2CA10103－2（7）N－CSTR體積的解析法計算CAi-1CAiVRiCAiV0V0

按不同的反應(yīng)動力學(xué)方程式代入依次逐釜