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1、第五章 连续釜式反应器,5.1 连续釜式反应器的特点及应用,5.2 连续釜式反应器的设计,5.3连续釜式反应器的并联与串联,5.4釜式反应器的热量衡算与定态操作,5.5返混对复杂反应产品分配的影响,2,定义：连续釜式反应器是一种以釜式反应器实现连续生产的操作方式。 与间歇釜式相比，具有生产效率高，劳动强度低，操作费用小，产品质量稳定，易实现自控等优点。 物料随进随出，连续流动，原料进入反应釜后，立即被稀释，使反应物浓度降低，所以，釜式连续反应器的反应推动力较小，反应速率较低，可使某些对温度敏感的快速放热反应得以平稳进行。 由于釜式反应器的物料容量大，当进料条件发生一定程度的波动时，不会引起釜内
2、反应条件的明显变化，稳定性好，操作安全。 稳态操作时，反应器内所有参数不随时间变化，符合理想混合假设，这是连续釜式反应器的基本特征。,连续釜式反应器的特点,实现理想混合假设的必要条件： 叶轮的排料速率(循环量)为进料流量的510倍。 该判据可由以下公式表示：QR/QF510，其中QF为进料流量；叶轮的排料速率QR可由以下经验公式估算： QR/nd3=NQR 式中： n为搅拌器转数；d为搅拌器叶轮直径；NQR为无因次准数。在有挡板的条件下，对于推进式叶轮NQR=0.5；对于涡轮式叶轮(六叶，宽径比为1:5)，NQR=0.93D/d(用于Re104，D为反应器内径； d为搅拌器桨径)。,连续釜式反
3、应器在结构上通常与间歇釜式反应器相同。其常见的进出料方式如下,5.2 连续釜式反应器的设计,稳态操作时，连续釜式反应器内物料的浓度、温度、压力等操作参数不随时间变化，符合理想混合假设。由于不存在时间变量，可取整个反应釜作为衡算单元，对关键组份A作物料衡算,输入量=FV0CA0=nA0,反应量=rAVR,输出量=FVfCAf=nA,累计量=0，,所以,FV0CA0=FVfCAf+ rAVR,5.2.1 反应体积,液相反应时，可视为恒容，FV0=FVf；而且稳态操作时，xA=xAf，CA=CAf，于是,由于,所以,这就是等温恒容液相连续釜式反应器的设计方程。 在给定操作条件以及反应的动力学方程后，
4、可由简单的代数计算求得反应体积。,如果反应器的进料转化率xA00， 根据转化率的定义CA0-CA=CA0(xA-xA0)，得到,其中rA一般具有rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式，由于其中的温度、浓度均为恒定值，所以rA亦为恒定值，即连续釜式反应器中进行的是恒速率的化学反应，这是连续釜式反应器区别于其它类型反应器的重要特征。,在连续操作的反应系统中，反应体积与进料的体积流量之比定义为停留时间，以表示。 对于釜式连续反应器，由于物料的停留时间并不相同，所以由上述定义计算得到的停留时间称为平均停留时间。 对于恒容过程,5.2.2 停留时间,此式可用代数法求解析解，例如在连续釜式反
5、应器中，进行二级不可逆反应： rA=kCA2=k(CA0(1-xA)2，则停留时间,如果rA的表达式较为复杂，如三级反应或非整数级反应，求其解析解可能比较困难，此时，可借助计算机求其数值解，或采用图解法求解,由此可见，对于给定的化学反应，若其动力学方程已知，则VR、仅为转化率xA的函数，即,5.2.3 平均停留时间的图解法求解,给定转化率求停留时间以及给定停留时间求转化率实际上是求下列方程组的解。,由方程组的解的几何意义可知，其解就是方程所代表的曲线的交点，因此，上述方程组可采用图解法求解。,方法 于rAxA直角坐标系中描绘曲线rA=kCA0 n(1-xA)nMN,已知终点转化率xAf，求停留
6、时间： 在xA轴上截取OQ=xAf，过Q作垂线，交MN于P点，由直线OP的斜率可计算出，进而求得反应体积VR,已知停留时间，求终点转化率xAf： 过原点o作斜率为CA0/的直线交MN于P点，P点的横坐标即为终点转化率，直线OP称为物料衡算线。,图解法的优点在于既可用已知的动力学方程作图，也可以用实验数据作图，因此，在缺乏动力学数据的情况下，图解法尤其显示出其优越性。,例5.1 等温条件下，一液相分解反应AB+C，rA=kCA，已知操作条件下速率常数k=0.6/h。A的起始浓度为1.0kmol/m3，恒容，要求A的转化率达到60%，试计算物料的处理量为2.0m3/h的连续釜式反应器的反应体积。,
7、rA=kCA=kCA0(1-xA),VR=FV0 =5.0m3,（1）解析法,解：,（2）图解法,以rA为纵坐标，xA为横坐标作图：由动力学方程式rA=kCA=kCA0(1-xA)知，rA与xA的关系为一直线，因此取两点很容易地就可以在rAxA图上绘出动力学曲线MN。,14,由物料衡算式,在横坐标上取xA=0.6一点做垂线交于MN线上与一点P，因进口物料中不含反应产物，即xA0=0，过O连接P点得物料衡算线（又称操作线）OP，其斜率为CA0/,查图得,已知CA0=1 kmol/m3，则,VR=FV0 =5.0m3,5.3 连续釜式反应器的并联与串联,问题的提出 连续釜式反应器在工业上有着广泛的
8、应用。但在反应器设计过程中，常常遇到这样的问题，即，是使用一个较大的反应器完成生产任务，抑或是用若干个较小的反应器实现反应，这样的反应器组又如何计算，这是本节要解决的问题。,5.3.1 并联,当需要用单釜进行连续操作，其体积过大而难于加工制造时，常常用若干个体积较小的反应釜并联操作。 其设计方法与单釜连续相同，但存在流量分配问题。,为能稳定地控制产品质量，通常使并联各釜的出口转化率相同，即xA1= xA2= = xAn 由釜式反应器的设计方程可知，为使各釜的出口转化率相同，应使反应物在各釜的停留时间相同，即1=2= =n 由于i=VRi/FV0i，所以，要使各釜的出口转化率相同，应使各釜的进料
9、流量与其对应的反应体积比相同，就是,实际生产中，通常采用等体积的反应釜并联，并平均地分配进料流量。但如果并联的数量过多，设备及操作费用会增加，应从经济角度出发，确定并联的台数。,5.3.2 串联,多釜串联是工业上一种常见的操作方式。是一种介于理想混合和理想置换的流动模型。设计时同样要解决反应体积和台数的问题。其计算方法是采用单釜连续的计算方法进行多次计算，也可以用图解法。,如上图所示的多釜串联，恒容条件下，对第i釜进行物料衡算：,于是,或,或,5.3.2.1 解析法,第i釜的平均停留时间为：,或,因此，在给出FV0、VRi、CA0及串联数目n后，可依次求出第1、2n釜的出口浓度或转化率；在各釜
10、的反应体积已定时，可确定达到指定转化率所需要的反应器台数。,例如，n釜串联的反应器中，进行一级恒容不可逆反应，rA=kCA，,得,即,、,、,由,连乘之，得,若xAn为终点转化率，则依转化率的定义,所以,工业上一般采用等体积的反应釜串联，故1=2= =n= ；又若各釜的反应温度相同，则k1=k2 =kn=k ，于是，对于等温恒容的一级反应，在等体积串联时，反应物浓度、转化率与每釜的停留时间的关系为：,及,所以,总反应体积为,由此可见对于一级反应，在满足等温、恒容和等体积串联的情况下，可由终点转化率求出平均停留时间及反应体积，反之亦可，那么对于非一级反应呢？,此时，总反应时间为,例5.2 在理想
11、混合反应器中进行液相等温恒容反应A+BR，A和B按等摩尔配成，rA=kCACB，k=9.92m3/(kmols)，进料速率0.278m3/s，A的初浓度为0.08kmol/m3。要求A的转化率为87.5%，问分别以一个反应釜两个等体积的反应釜三个等体积的反应釜串联操作时，总的反应体积各是多少。,解：rA=kCACB=9.92CA2=9.92CA02(1-xA)2；xAf=0.875；FV0=0.278m3/s；CA0=0.08kmol/m3,一个反应釜 xA0=0,两个等体积的反应釜串联,相除得,由于xA0=0；xAf=0.875，所以,其数值解为,三个等体积的反应釜串联,三元方程组，其数值解
12、为,单釜连续VR=19.6m3；双釜连续VR=6.72m3； 三釜连续VR=4.80m3,由此可见，采用解析法计算非一级反应的多釜串联问题是比较繁复的。此时，可采用图解法。,5.3.2.2 图解法,已知反应釜串联的个数n以及反应体积VR(也就是停留时间)，求终点转化率xAf 已知终点转化率xAf，求串联的个数n(已知反应体积，即停留时间) 已知终点转化率xAf，求反应体积VR(已知串联的个数n),描绘动力学曲线rA=f(xA)MN于直角坐标系中,例5.3 用图解法解决例5.2中的两等体积釜串联问题。,解：属图解法的第种情况，应采用试差法,由已知条件知rA=9.92CA02(1-xA)2，据此描
13、绘出动力学曲线MN；过原点O作直线OP1交动力学曲线于P1点(OP1为第一釜的物料衡算线)；,过P1作垂线P1S1交横轴于S1点，过S1作OP1的平行线S1P2交动力学曲线于P2点，过P2作横轴的垂线P2S2交横轴于S2点，于图上读得点S2的横坐标(第二釜的转化率)为0.730.875，表明第一次所作的物料衡算线的斜率偏大，即停留时间过短。按上述方法重新作图，直到第二釜的出口转化率为0.875，如图所示的物料衡算线OP1、S1P2，此时P1点对应的第一釜的转化率为0.725。量取P1点的纵坐标，计算出直线OP1的斜率为0.0066，所以,于是，总反应体积为,5.3.3.4 多釜串联反应器组以总
14、反应体积最小为目标的各釜转化率的最佳分配,问题的提出：由以上的讨论可以看出，对于多釜串联反应器组，当物料处理量、物料的初浓度及终点转化率一定时，反应器的台数、各釜的反应体积和转化率之间存在一定关系，那么，在各釜之间是否存在一个最佳的转化率分配，使得总的反应体积为最小呢？先以两釜串联为例,设两釜串联，等温恒容，一级不可逆反应， rA=kCA0 (1-xA) ，要求终点转化率达到80%,总反应体积为,描绘VRk/FV0xA1于直角坐标系中，可见总反应体积随着xA1的变化而变化，当xA1=0.55时，VR达到最小,多釜串联时，仍设各釜温度相同，进行一级不可逆反应，则总反应体积VR,为使总反应体积VR
15、最小，将上式分别对xA1、xA2 xAn求导，于是,此式为总反应体积最小应满足的条件。共有n-1个方程(因xAn已确定)，联立求解可算出各釜转化率。将上面的方程变形：,等式两端再同时减1，得,也就是VRi=VR(i+1)，这说明要保证总反应体积最小，应使各釜反应体积相等。但此结论不可无条件推广，对于非一级反应，应采用类似方法另行处理。,39,5.4.1连续釜式反应器的热衡算方程,若忽略反应流体的密度和定压比热随温度的变化，反应器在定常态下操作时无须考虑时间自变量，且以整个反应体积为控制体积时，对反应器作单位时间的热量衡算。其热量衡算式为：,式中0为物料进口温度，T为反应温度，Ts为换热介质温度
16、， 为温度在T与0之间的平均定压热容， n0为物料进口的总摩尔流量， r为摩尔反应热， 为传热系数，F为传热面积。,40,因,代入上式可得反应过程的温度与转化率的关系如下：,若在绝热条件下进行反应，上式右端的第二项为零,41,例5.4有一有效容积为0.75m3的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为5.0m2的冷却盘管。现欲利用该反应器来进行AR的一级不可逆液相反应，其速率常数k1.0788109exp-5525.9/T(h-1)，反应热qr20921Jmol-A，原料液中A的浓度CA0=22 mol/l，但不含R。此原料液的密度1050gl，定压比热CP=2.929(Jg)。要求原料液的进料速率为Fv0=3m3h，反应器出口的反应液中CA0.04mol/
