1、w第三章第三章 釜式反应器釜式反应器本章重点w 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。w 连续釜式反应器的计算。w 空时和空速的概念。w 连续釜式反应器的串联和并联。w 釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择。w 连续釜式反应器的热量衡算式。釜式反应器釜式反应器w 釜式反应器可用于均相、多相反应，且三种操作方式皆适用，因此釜式反应器又被称为万能反应器。间歇操作间歇操作(batch reactor,BR)连续操作连续操作(continuous stirred tank reactor,CSTR)*反应器内物料温度、浓度处处均一（搅拌器）反应器内物料温度、浓度
2、处处均一（搅拌器）反应器设计的基本内容：反应器设计的基本内容：w 选择合适的反应器类型选择合适的反应器类型w 确定最佳操作条件确定最佳操作条件w 计算完成规定的生产任务所需的反应器体积计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺寸）（尺寸）最终的目标是经济效益最大最终的目标是经济效益最大(实际上不应该实际上不应该仅仅针对反应系统，应该包括整个过程仅仅针对反应系统，应该包括整个过程)注意的问题w 首先要选择控制体首先要选择控制体1.如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体选择整个反如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体选择整个反应器。应器。2.如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各如果反应
3、区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能选择微元体积作点的反应物料组成未必相同，这时只能选择微元体积作为控制体。为控制体。w 对于复杂反应，方程数大大增多对于复杂反应，方程数大大增多3.1釜式反应器的物料衡算式特征：反应器内各处温度特征：反应器内各处温度和浓度均一和浓度均一,且与出口一致且与出口一致 dtCQi00dtQCidtVRi3.1釜式反应器的物料衡算式 Mjjijir13.1釜式反应器的物料衡算式连续釜式反应器间歇釜式反应器代代数数方方程程微微分分方方程程3.2等温间歇釜式反应器的计算特点特点u反应器内浓度处处相等，可排除传质的影响反应器内浓度处处相
4、等，可排除传质的影响u反应器内温度处处相等，可排除传热的影响反应器内温度处处相等，可排除传热的影响u物料同时加入，所有物料具有相同的反应时间物料同时加入，所有物料具有相同的反应时间优点优点u操作灵活，可适应不同的操作条件与不同的产品，适操作灵活，可适应不同的操作条件与不同的产品，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品用于小批量、多品种、反应时间较长的产品缺点缺点u装料、卸料等操作要耗费一定时间装料、卸料等操作要耗费一定时间(辅助时间辅助时间)，产品，产品质量不易稳定，操作相对复杂质量不易稳定，操作相对复杂3.2等温间歇釜式反应器的计算等温间歇釜式反应器的计算 间歇操作的操作时间分成反应时间、
5、辅助时间间歇操作的操作时间分成反应时间、辅助时间两部分两部分w反应时间反应时间 t t 由开始反应到停止反应（达到生产要求时）由开始反应到停止反应（达到生产要求时）所经历的时间，设计反应器的关键即为确定反应时所经历的时间，设计反应器的关键即为确定反应时间，进一步根据产量确定反应器的有效体积。间，进一步根据产量确定反应器的有效体积。w辅助时间辅助时间 t t0 0 操作时间中除去反应时间之外的时间，包括操作时间中除去反应时间之外的时间，包括装料、卸料、加热、冷却和清洗等时间。装料、卸料、加热、冷却和清洗等时间。3.2等温间歇釜式反应器的计算等温间歇釜式反应器的计算AfAAAxxttxxt003.
6、2等温间歇釜式反应器的计算对于单一反应：对于单一反应：)8.3(一级反应一级反应非一级反应非一级反应反应时间反应时间相同相同 达到一定转化率所需的反应时间与反应器达到一定转化率所需的反应时间与反应器大小无关，只取决于动力学因素。大小无关，只取决于动力学因素。温度越高，速率常数温度越高，速率常数 k 越大，则达到相同越大，则达到相同转化率所需的反应时间转化率所需的反应时间 t 越短。越短。区别区别t 与与cA0无关无关t 与与cA0有关有关101)1(1)1(AAfkcXtAfXkt11ln1例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯
7、及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为化钠的浓度均为0.02 mol/L，反应速率常数等于，反应速率常数等于4.6 L/(mol min)。试求。试求乙酸乙酯乙酸乙酯转化率分别达到转化率分别达到 80、90和和 95时的反应时间。时的反应时间。解：解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH523523BA AfXAAAdXct00)(RAAAXXkc110得：得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5minAfXAAAAXkcdXc02200)1(3.
8、2等温间歇釜式反应器的计算反应时间 t辅助时间 t0反应体积实际反应器体积计算反应器体积计算反应器体积VrQ0为处理能力，指单位时间内处理的反应物料的体积为处理能力，指单位时间内处理的反应物料的体积f为装填系数为装填系数表表3.1 间歇釜式反应器单一反应结果间歇釜式反应器单一反应结果w 反应物浓度对反应结果的影响表现为反应级数反应物浓度对反应结果的影响表现为反应级数以转化率为目标，达到相同转化率需反应时间以转化率为目标，达到相同转化率需反应时间 零级反应，反应时间与初始浓度成正比零级反应，反应时间与初始浓度成正比 一级反应，反应时间与初始浓度无关一级反应，反应时间与初始浓度无关 二级反应，反应
9、时间与初始浓度成反比二级反应，反应时间与初始浓度成反比w 导数导数 随反应时间变化不同：随反应时间变化不同：零级反应，成线性关系零级反应，成线性关系 一级或二级反应，反应时间增加则导数值下降，特一级或二级反应，反应时间增加则导数值下降，特别是二级反应，在反应后期，增加反应时间对反应的别是二级反应，在反应后期，增加反应时间对反应的转化率的提高不多。转化率的提高不多。dtdxAw速率常数速率常数k k值的提高将导致相应反应时间减少值的提高将导致相应反应时间减少即提高反应温度将使反应速率增加即提高反应温度将使反应速率增加hrkmolAxMFAfRA23.1635.088241200024120000
10、30016.23 604.153/(1 2 1.35)1020/4.35AAFMmQhr3030030586.171835.4102035.135.435.1195.104635.41020235.420908.36035.4102035.41mkmolMCmkmolMCCmkmolMCSSBBRAAw例例3.13.1 酯化反应酯化反应,原料配比原料配比A:B:S=1:2:1.35,A:B:S=1:2:1.35,X XAfAf=0.35,=0.35,密度密度1020kg/m3,1020kg/m3,辅助时间辅助时间t t0 0=1hr,=1hr,装填装填系数系数f=0.75,f=0.75,产量产
11、量12000kg/Day,12000kg/Day,求反应体积求反应体积?w解:原料处理量原料处理量初始浓度初始浓度AfASSAfARAfABBAfAAxCCCxCCxCCCxCC000000)1(),()(11ASRBAAxkKCCCCkrhrrdxCtAfxAAA9814.100300384.12)(mttQVR35.16/mfVVR对于反应若要FR取最大值，则令FR对时间t求导的值为零：)17.3(只要满足只要满足(3.17)式，对应的时间式，对应的时间 t 就是最优反应时间。就是最优反应时间。t0CR ttoptOptimal timetCRRR0dCCdttt RRfTCVataatA
12、000)(1002dtdCataataCCVdtdARfRRRTaatatCdtdCfRR)(000afaa(a0 t0+af )CR ttoptOptimal timetCRRR0 0()/fdCCdtta taa3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）A物料衡算P物料衡算在均相恒容条件下：0,0,00QPAACCCCt时，3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）1 1)(0)(212102212101tkkkkCkPAAQtkkkkCkPeCCCCeCAAAAAxkkCCkkt1111lnln210213.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）同理，对于多个平行反应由于产物由于产物P是
13、目的产是目的产物，希望物，希望k1k2。例3.2.在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应3232/()20.5/()PAQAABPc kmolmhAQc kmolmh22222 0.52ApQAAAAcccc 将速率表达式代入等温间歇反应器的设计方程式可有反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。解：由题知0000002()()2211122AfAAAAAAAAXcAAAcAAccAAccAAAAcAcAAdXdctcdcdcccccdccc上式积分结果为00(2)1ln2(2)AAAAcctcc将t=3h、cA0=2kmol/m3代
14、入上式，可求组分A的浓度 因此，A的转化率为 2(2)13ln24AAcc332.482 10/Ackmol m322.482 100.998899.88%2AX2222AAAAAAdcccccdt 上两式相除可得分离变量进行积分得112AApdccdc 下面求P的收率由题给的速率方程可知2ppAdcrcdtP的收率为011.38380.691969.19%2PpAcYc3312/22ln1.3838/12.482 10/2pckmol m代入数据得000121/22ln1/2PAAccAPcAApAdcdccccc QPAkk2100)(02121dtdnPRdtdnAPRdtdnARQPA
15、CkVCkCkVCkV0002121dtdCPdtdCAPdtdCAQPACkCkCkCk3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）均相恒容初始条件：0,0,00QPAACCCCt时，tkAAeCC10)35.3(tktkAPeekkCkC122101)38.3()39.3(211200211kkekekCCCCCtktkAPAAQ代入方程积分积分的方程有3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）以目的产物P的收率最大为优化目标可得最佳反应时间反应时间令：3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）例例3.3 在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应NH3+CH3
16、OH CH3NH2+H2Ok1(A)(M)(B)CH3NH2+CH3OH (CH3)2NH+H2Ok2(B)(M)MAcckr11MB22cckr k2/k1=0.68,计算一甲胺的最大收率和与其相应的计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率。氨转化率。(A)(B)3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）解：氨的转化速率为解：氨的转化速率为MAAAcckdtdcr11)(R一甲胺的生成速率为一甲胺的生成速率为MBMABBcckcckdtdcrr2121R 112ABABcckkdcdcBABAAAYccXcc00 ),1()1(112ABABXkYkdXdY0 ,0BAYX初始条件:)1()
17、1(/1112/12AkkABXXkkY3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）因为当YBYBmax时0ABdXdY)1()1(/1112/12AkkABXXkkY)1/(12112)/(1kkAkkX7004.0)68.0/1(1)168.0/(1AX已知条件 k2/k1=0.684406.07004.01()7004.0168.01168.0max,BY实际上第二个反应生成的二甲胺还可和甲醇反应实际上第二个反应生成的二甲胺还可和甲醇反应生成三甲胺，若考虑这个反应，对上述一甲胺的生成三甲胺，若考虑这个反应，对上述一甲胺的最大收率是否有影响，试分析原因？最大收率是否有影响，试分析原因？3.4
18、连续釜式反应器的反应体积Continuous Stir Tank Reactor 间歇釜式反应器：各参数随时间变化，一次装卸料；间歇釜式反应器：各参数随时间变化，一次装卸料；连续釜式反应器连续釜式反应器：稳态（：稳态（定态）操作，有进有出。定态）操作，有进有出。一、连续釜式反应器的特点：一、连续釜式反应器的特点：反应器的参数不随时间变化反应器的参数不随时间变化;不存在时间自变量，也没有空间自变量不存在时间自变量，也没有空间自变量;多用于液相反应，恒容操作多用于液相反应，恒容操作;出口处的出口处的C,T=反应器内的反应器内的C,T。3.4连续釜式反应器的反应体积对稳态操作，有：对稳态操作，有：0
19、dtdni 单一反应AAArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV Continuous Stir Tank Reactor w反应器内C C、T T 恒定，不随时间变化，也不随位置变化。所以其内的 A A 在各点处相同，也不随时间变化 等速反应器。w当同时进行多个反应时，只要进出口组成和Q Q0 0已知，就可以针对一个组分求出反应体积V Vr r（如上式所示）。空时、空速空时、空速进料体积流量反应体积0QVr空时（因次：时间）rAArVcFVQ0001空速-1:时间因次 空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速的意义：单位时间单位反应体积所
20、处理的物料量。空速越大，反应器的原料处理能力越大。空速越大，反应器的原料处理能力越大。工业上有许多不同的空速定义，使用时注意只针对连续反应器而言。只针对连续反应器而言。3.4.2 等温连续釜式反应器的计算（复合反应）等温连续釜式反应器的计算（复合反应）平行反平行反应应（主反应）（主反应）（副反应）（副反应）PAQAAPckr1AQckr2AAfArckkXcQV)(2100AprckcQV10Vr、XA、YP三者关系三者关系3.4.2 等温连续釜式反应器的计算（复合反应）等温连续釜式反应器的计算（复合反应）连串反应连串反应QPAkk21AAfArckXcQV100pAprckckcQV210V
21、r、XA、YP三者关系三者关系例3.4 使用CSTR生产乙酸乙酯,条件同例3.1求：计算反应器的有效体积？乙酸的转化速率将出口转化率0.35代入反应器体积间歇操作整体的反应速率较CSTR要快CSTR没有辅助操作时间 3030030586.17195.100908.3mkmolCmkmolCCmkmolCSBRAmin410331076.492.2908.3kmolmmkmolkKQ/)()(000000001KxCCxCCxCCxCCkrAASAARAABAAAA)/(3871.03hmkmolrAf33871.035.0908.3155.468.1400mVAffAArxCQR例3.5 使用
22、CSTR生产乙酸乙酯,条件同例3.2求：空时为3小时，A的转化率和P的收率？解：由A和P的物料衡算将空时和初始浓度代入上两式，联立求解CA=0.2573kmol/m3(负根舍去)，相应转化率为P的浓度为收率为2002AAAARCCCCQVAPRCCQV2002722AACC8714.0Afx3/544.12573.0322mkmolCCAP772.0/0APPCCY等温等温CSTR 的计算的计算例题3.4 和例题3.5 思考：针对于一正级数的反应，如果不考虑间歇操作时的辅助时间，同时当连续操作时的空时与间歇操作时的操作时间相等时，哪种操作的转化率高？Why?3.5 CSTR的串联与并联的串联与
23、并联 思考：思考：1.用一个大反应器好还是几个小反应器好？用一个大反应器好还是几个小反应器好？2.若几个小反应器，是串联好还是并联好若几个小反应器，是串联好还是并联好？3.若几个小反应器，则各釜的体积是多少？若几个小反应器，则各釜的体积是多少？CSTR的的串串联联与与并并联联 1/(-RA）XA0XA1XA2ABDEFHK1/(-RA）XA0XA1XA2GMNEFHP正常动力学正常动力学反常动力学反常动力学CSTR反应体积几何图示反应体积几何图示)(-)-X(XCQ)(-)-C(CQVAAAfAAAAr000003.5对于正常动力学，多釜串联有利；对于反常动力学，则使对于正常动力学，多釜串联有
24、利；对于反常动力学，则使用单釜有利，如使用多釜，采用并联的方式。用单釜有利，如使用多釜，采用并联的方式。BR正常动力学正常动力学反常动力学反常动力学反应体积几何图示反应体积几何图示1/(-RA）XA0XA1XA2AB1/(-RA）XA0XA1XA2GMNEFHP对比间歇釜式反应器对比间歇釜式反应器3.5 CSTR的串联与并联的串联与并联 1.正常动力学，转化速率随转化率增加而降低，多釜串联 优于单釜操作，总反应体积小；2.反常动力学，转化速率随转化率增加而增加，单釜操作 优于多釜串联，总反应体积小；单釜过大，难于加工时，需要用若干小釜。对于单釜过大，难于加工时，需要用若干小釜。对于具有正常动力
25、学的反应采用串联方式；反常动力具有正常动力学的反应采用串联方式；反常动力学，则应各釜单独操作，即采用并联方式。学，则应各釜单独操作，即采用并联方式。3.CSTR与BR比较呢？转化速率-RA随转化率存在极值点单釜，面积OACD第一釜，面积OGFE第二釜，面积EBCD双釜串联，总面积OGFE+EBCD1从小釜大釜排列最优；01从大釜小釜排列最优=1釜体积相等时最优=0rA与与CA无关,多釜串联没有必要多釜串联多釜串联单单CSTR 当当S随随XA增加而单调下降时增加而单调下降时AfXA间PfSdX)(Y0Aff连pfXS)(Y3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择
26、性XASADBEF0HXAfGM当当S随随XA增加而单调上升时增加而单调上升时达到相同转化率下的收率：达到相同转化率下的收率：间歇釜间歇釜多釜串联多釜串联2 12 的反应12121211)(BAQppAppAcckkrrrSRRB)多釜串联,A和B连续从第一釜加入连续操作A和B浓度均较高适合1 2 12 的反应12121211)(BAQppAppAcckkrrrSRRC)多釜串联,A和B连续从第一釜加入,小釜在前连续操作A和B浓度均较高适合1 2 12的反应12121211)(BAQppAppAcckkrrrSRRD)间歇釜,A一次加入,B连续加入半连续操作A间歇操作,B连续操作A浓度高和B浓
27、度低适合12 12 的反应12121211)(BAQppAppAcckkrrrSRRE)多釜串联,A和B连续从第一釜加入,大釜在前连续操作A和B浓度均较低适合12 12 12 12的反应关于操作温度w 要得到较高的生产强度，反应需在高温下进行。w 当E E2 2EEE1 1时，虽然低温有利于提高选择性，但应尽可能使反应在较高温度下进行，实际上存在一个最佳温度值。w 对于连续釜式反应器，在此温度下操作可使目的产物的产量最大；w 间歇釜式反应器则存在最佳温度序列，在不同的反应时刻，应保持不同的操作温度。3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性例例3.8 以纯以纯
28、A为原料在连续釜式反应器中生产为原料在连续釜式反应器中生产P，反应为反应为空时为空时为1h，问在什么温度下操作，问在什么温度下操作P的收率最大？的收率最大？解：列组分解：列组分A和和P的物料衡算式如下的物料衡算式如下UPAArrrccQV00PPrcPAPAAArYc cXccQV000,)1(,/141000=E104.368=A41800=E103.533=A252118121AUAPCkrUACkrPA3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性)1)(21AAXkkX)1(1APXkY)(1211kkkYP2212112)(1)1(kkdTdkkdTdk
29、kdTdYP0dTdYP 0)1(2112dTdkkdTdkk211111)exp(RTEkRTEAdTddTdk2222RTEkdTdk2212)1(EkEk3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性)1(ln1222EEARET)/exp(222RTEAk最佳操作温度与空时有关代入数据得：T=389.3K在等温间歇反应器中，可以得到最佳反应时间 和目的产物P的最佳收率：QPA21kk kk .e)Y ktkk )kk()Y kk)kk(tPoptkkkPopt)(36801(1)(ln21max12121max21211223.6.3 连串反应 假设如下的
30、连串反应均为一级，假设如下的连串反应均为一级，P P为目的产物为目的产物 kkkCCYApp211011在连续釜式反应器进行上述连串反应，最佳空时（不是反应在连续釜式反应器进行上述连串反应，最佳空时（不是反应时间）和最佳收率又怎样？时间）和最佳收率又怎样？首先根据物料衡算式，有首先根据物料衡算式，有kkCkkCkCC-kCkCC-kCk)-(CQVkCCdVCk-CCQVAAppAppAprAAAAAr2101212121010100111010得到：得到：)k(k k1)k(k kk10ddY211opt2121optp令)k(k 0.25 41)Y()k(k )kk(k)Y(21maxp2
31、12211maxp最佳收率为：最佳收率为：3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中连串反应的中间目的产物的最佳收率问题BRCSTR21kk 21kk 21kk 21kk optt或opttmax)(PY2121)/ln(kkkk)/(21122)/(kkkkk11 ke/1 25.0 121kk)(2211kkk11 k*对于间歇釜式反应器，则有：对于间歇釜式反应器，则有：2121211 1ln11112kk-X-XYk,k-X-X-kkkYAApA/kkAp间歇釜式反应器和连续釜式反应器性能的差别见下图间歇釜式反应器和连续釜式反应器性能的差别见
32、下图 )X(kXCCkCCCkCCAAAAAAAAA11101010目的产物收率与转化率的关系可以表示为：)X(kXk)X(XkCCYAAAAAPp111210*对于对于CSTR：3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器的转化率与收率的关系图釜式反应器的转化率与收率的关系图YPXABRCSTRk2/k1=1010.11.转化率相同，转化率相同，BR的收的收率大于率大于CSTR2.k2/k1越小，差异越大越小，差异越大3.都存在极大值都存在极大值4.收率随收率随k2/k1越小越小而增大而增大应该注意的问题w 可以通过改变操作温度的办法来改变k k2
33、2/k/k1 1 的相对大小，但无论E E2 2和E E1 1相对大小如何，一般采用较高的反应温度，以提高反应器的生产强度。w 可以使用催化剂来改变k k2 2/k/k1 1。w 当然，如果Q是目的产物，问题就简单多了。采用反应时间t、空时的办法即可。例3.9 在连续釜式反应器中等温进行下列反应,反应均为一级,反应温度下k2/k1=0.68,试计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率?解:BABAAAMBMABMAABBAAARYCCxCCCCkCCkrrrCCkrrrCrCCQV0021211100)1()(A)41(BB将B1B4代入A式中,整理方程对xA求导,并令得到方程D,并解出将结果
34、代入C中求出AAABxkkxxY)1/(1)1(12)(C0ABdxdY548.0Ax012)1/(212AAxxkk)(D)(4406.03004.0,间歇釜optBY参见:例3.9.nb 例3.3.nb3.7 3.7 半间歇釜式反应器半间歇釜式反应器应用场合应用场合:w 浓度浓度:要求一种反应物浓度高要求一种反应物浓度高,一种反应物浓度低一种反应物浓度低w 控温控温:强放热反应强放热反应,调节加料速度以控制反应温度调节加料速度以控制反应温度w 产物分布产物分布:可逆反应可逆反应,不断移走产物不断移走产物反应精馏反应精馏特点特点:反应器中物料浓度随时间变化反应器中物料浓度随时间变化,通过对组
35、分作物料通过对组分作物料衡算可获得设计方程衡算可获得设计方程,由于有物料连续加入或取出由于有物料连续加入或取出,反反应体积是变化的应体积是变化的,非恒容过程非恒容过程w 特点：半间歇操作反应物系组成随时间而变。特点：半间歇操作反应物系组成随时间而变。BAACCkrA+B R,BV0VcA0Q0cAQ液相反应：条件：先注入条件：先注入V0的的B，后连续加，后连续加A，流量，流量Q0，浓度为浓度为CA0，出料，出料Q=0()00RAd V CAAARdtQ CQCV000()AAARABRRAQ C dtQC dtV dtkC C V dtd V C输入输出反应累积)69.3()00()0RAd
36、V CBRAAdtkC V CQ C)71.3(反应体积若B大大过量,B的浓度可认为不变,初始不含A00000()tRRRVVQQ dtVQ t 恒速加料)72.3(00000011(/)1(/)BBBkC tARABkC tABRkC tBRBRQ CV CekCeCkCtVQkCeCkCtVQcA/cA0cp/cA0或t/hcR/cA0cA/cA03.8 变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器问题提出问题提出：（没有体积功）（没有体积功）n 间歇釜难以做到等温操作，热效应小时，可近似等温，热效应大时，难做到；间歇釜难以做到等温操作，热效应小时，可近似等温，热效应大时，难做到；n 温度影响生产
37、强度，有时变温的效果更好。对于封闭物系，如不考虑轴功则有：温度影响生产强度，有时变温的效果更好。对于封闭物系，如不考虑轴功则有：使用使用 更为方便，即：物系与环境交换的热量等于系统的焓变。更为方便，即：物系与环境交换的热量等于系统的焓变。选择衡算的控制体为整个反应器。选择衡算的控制体为整个反应器。dt 时间内，物系与外界交换热量为时间内，物系与外界交换热量为dq，焓变为焓变为dH；在；在 t 时刻，温度为时刻，温度为T，而在，而在t+dt 时刻，温度为时刻，温度为T+dT。由于焓。由于焓变与过程无关，假定反应在基准温度变与过程无关，假定反应在基准温度Tr下进行，则：下进行，则：dHdUdqdH
38、dq 注意：反应热是对关键组分A的反应热。与外界的热交换为：dq=UAh（Tc-T）dt 式中，U为总传热系数，Ah传热面积，Tc为换热介质温度。结合上面各式，有T)(TCmdTCmdHrpttTrTPtt1dt)V()H(dHrATrr2)TdT(TCmdTCmdHrpttdTTTrPttr3T)(TUA)(V)H(dtdTCmchArTrpttr (dH)(dq)TcT 向系统供热；向系统供热；TcP,rA=kCACB,反应在间歇釜式反应器中进行.首先将固体顺丁烯二酸酐(A)加入釜内用蒸汽加热熔融,其熔点为326K.全部熔融后迅速加入已醇,此时液体混合物中顺丁烯二酸酐和已醇的浓度分别为4.
39、55及5.34kmol/m3.求:(1)t1=?326K-(绝热)-373K-(等温)-373K xA=0.xA1 xAf=0.98(2)t2=?373K-(等温)-373K(3)比较两种情况下的冷却水用量及蒸汽用量.)/()/12628(1037.1312skmolmTExpkMPaPKTKmkJCmolkJHSCPR405.07)/(1980/5.333解(1):绝热升温,由3.84绝热反应时温度与转化率的关系:反应速率方程:绝热过程反应温度升高到373K时达到的转化率为KCHCCVmHVnTPtrAPtrtrrA98.76)()/()(/(00AAPtrAxxCHCTT98.76326)
40、(00000()()(1)()AABAABAArkC Ck T CxCCx)(B6105.098.7632637311AAxx绝热过程反应温度升高到373K时需要的反应时间在373K等温反应时需要的反应时间总反应时间:1111000000001383.1623.053min()()(1)()(32676.98)(1)()AAAxAAAxAABAAxAAABAAdxtCSecrdxk TxCCxdxkxxCCx代入(B)式112000886.9414.782min()(373)(1)()AfAAfAxAAxAxAxABAAdxtCSecrdxkxCCxmin835.3721ttt恒容时(3.8)
41、式)(E)(G解(2)在373K等温反应时需要的反应时间,按G式计算00000984.22416.404min()(373)(1)()AfAfxAAAxAABAAdxtCSecrdxkxCCx解(3)按第一种方式反应,先绝热反应,后进行等温反应,式等温反应时放热量为q1,需要的冷却水量为Qc1,下面以1立方米反应物料为基准计算按第二种方式反应,等温反应时放热量为q2,需要的冷却水量为Qc2kJHxxCqrAAFA5.563161000*5.33*)6105.098.0(*55.4*1)(*11103,1923.11*7*186.45.56316122mTCqQOHCOHPCkJHxCqrAFA
42、149377)0(*1203,2098.5222mTCqQOHCOHPC6525.2923.1098.512CCQQ需要的蒸汽量计算,由于加热到熔点326K时需要的蒸汽量是相同的,第二种方式会增加从326K加热到373K的热量q3,相应的饱和蒸汽用量QH已知,0.405MPa的饱和水蒸气的冷凝热为2136kJ/kg可见,第二种方法反应时间较少,但需要增加冷却水和加热蒸汽用量.kJTTCqPt93060)326373(*1980*1)(*1301kgQqQH57.432136930603冷凝3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作CSTR内的反应物料温度均匀一致，若为定态内的反应
43、物料温度均匀一致，若为定态操作，则反应是在等温下进行的，若为非定态操作，则反应是在等温下进行的，若为非定态操作，则属变温过程。但都不随空间而变。操作，则属变温过程。但都不随空间而变。无论是定态还是非定态操作，反应过程的温度无论是定态还是非定态操作，反应过程的温度均需由反应器的热量衡算和物料衡算式来决定。均需由反应器的热量衡算和物料衡算式来决定。定态不唯一（定态稳定性问题）定态不唯一（定态稳定性问题）3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作3.9.1 连续釜式反应器的热量衡算式连续釜式反应器的热量衡算式连续釜式反应器是一个敝开物系流动系统。在连续釜式反应器是一个敝开物系流动系统。
44、在定态操作条件下，根据流动系统的热力学第一定态操作条件下，根据流动系统的热力学第一定律，可以得到整个反应体积的热量衡算式定律，可以得到整个反应体积的热量衡算式 d H=d q H 系统的焓变，包括两个部分系统的焓变，包括两个部分 进出料液的焓变进出料液的焓变H1、H3；化学反应热效应化学反应热效应H2 qH H=H1+H2+H3我们可以以进料温度我们可以以进料温度T T0 0为基准温度下进行，基准温度下进行，则与间歇操作相同，可以得到则与间歇操作相同，可以得到CSTRCSTR的热衡算式为的热衡算式为)()()()(000TTUAVHTTCQchrATrptAArAXcQVR00)()()()(
45、0000TTUAXcHTTcQchAATrpt绝热操作 U=0AptTrAAXCHXcTT0)(00ptrACHc)(0绝热温升绝热温升结合结合物料衡算式物料衡算式PtC)(00AAxxTT)90.3(3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作3.9.2 连续釜式反应器的定态连续釜式反应器的定态在定态条件下，同时满足物料衡算和热量衡算一级不可逆反应：)1()/(exp )/(exp)(0AAAAAXcRTEAcRTEAkcrARAArAXcQVR00)()1(/exp0AArXRTEAXQV0/QVr)/exp(1)/exp(RTEARTEAXA)()()(0000TTUAXcH
46、TTcQchAATrpt热量衡算式：3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作)/exp(1)/exp()()()(0000RTEARTEAHcVTTUATTCQTrArchpt反应器移热速率反应器移热速率反应放热速率反应放热速率此方程即是釜式反应器定态操作方程，符合此方程的操作点即为定态操作点定态操作点3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作qrqsTMMPTPBTBDTDNTNETET,qrqsATAFTF交点交点qr=qg，为定态操作温度，为定态操作温度TTBTET0TATFCSTR的着火点和熄火点的着火点和熄火点3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应
47、器的定态操作三个定态点不同之处：温度、转化率、稳定性三个定态点不同之处：温度、转化率、稳定性稳定性：指反应器操作受到外来扰动后的自衡稳定性：指反应器操作受到外来扰动后的自衡能力。能力。定态操作稳定的必要条件，又称斜率条件定态操作稳定的必要条件，又称斜率条件dTdqdTdqgr定态温度会随着操作条件的改变而改变。定态温度会随着操作条件的改变而改变。注：放热反应可能有注：放热反应可能有多定态多定态；吸热反应：；吸热反应：定态唯一定态唯一。A类型点，类型点，温度有小波动，温度有小波动dT，仍然会回到操作，仍然会回到操作点，称稳定操作点。点，称稳定操作点。B1类型点，称着火点，左侧稳定，即温度变化类型
48、点，称着火点，左侧稳定，即温度变化-dT，仍会回到操作点，右侧不稳定，仍会回到操作点，右侧不稳定，+dT变化后，变化后，T会继续会继续升高直到下一个操作点升高直到下一个操作点A2 B2类型点，称熄火点，右侧稳定，即温度变化类型点，称熄火点，右侧稳定，即温度变化dT，仍，仍会回到操作点，左侧不稳定，会回到操作点，左侧不稳定，-dT变化后，变化后，T会继续降会继续降低直到下一个操作点低直到下一个操作点A1 C类型点，不稳定的操作点，温度波动后会变化到操作类型点，不稳定的操作点，温度波动后会变化到操作点点A1和和A2dTdqdTdqgrdTdqdTdqgr3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应
49、器的定态操作例例3.12 326K顺丁烯二酸酐和己醇的混合液，顺丁烯二酸酐和己醇的混合液，CSTR,0.01m3/s,V=2.65m3,绝热绝热,计算出口转化计算出口转化率和温度率和温度(例例3.11)。解：解：AAptTrAXTXCHcTT1980105.3355.4326)(3000 235.401299.0TXA)(1)(/12628exp(1037.10012000AfABAfAfBAAfArXccXTXQckcXcQV3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作1310146.2)3.416)(403()/12628exp()326(TTTT试差求解得试差求解得K4.364T4986.0235.44.36401299.0AfX
