第3章 釜式反应器

《第3章 釜式反应器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 釜式反应器（94页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 釜式反应器1.1.间歇反应器的设计计算方法间歇反应器的设计计算方法要求掌握的内容：主要讲釜式反应器的设计原理2.2.全混流反应器的设计计算方法全混流反应器的设计计算方法釜式反应器 用夹套和内设管束换热的釜式反应器 1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实际发生反应的时刻起，到反应达某个转化率时所需的时间。(主要用于间歇反应器)2.停留时间：是指反应物料从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止，所用的时间。(主要用于连续流动反应器)。3.1、反应器操作中的几个术语.空时：是反应器的有效体积Vr与进料的体积流 量Q0之比。物理意义是处理一个反应器 体积的物料所需要的时间。.平均

2、停留时间 流体微元平均经历的时间称为平均停留时间 。5.空速：空时的倒数。物理意义是单位时间可以处理多少个反应器体积的物料1.反应物料一次加入，产物一次取出。 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连 续变化。 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。一、.间歇釜式反应器的特点3.2等温间歇釜式反应器的计算 （单一反应）图3.1-1带有搅拌器的釜式反应器二、反应时间及反应体积的计算二、反应时间及反应体积的计算对于反应根据间歇反应器的特点对整个反应器作组分 A的物料衡算反应器内组 分A的积累量组分A的流入量组分A的 流出量组分A的反应量=+0 0 0 0 1.1.反应时间反应时间无论

3、是等温或变温、等容或变容上式均成立。 对于非等温过程，上式应与热平衡方程联立求解。恒容时：恒容时：间歇反应器的设计基础式在等温间歇釜式反应器中进行级不可逆反应等温间歇釜式反应器的反应过程可视为等容 过程，对于一级不可逆反应：3.反应器有效体 积Vr的计算 反应器的有效体积 Vr=Q0 (tt0) 式中：Q0 是单位时间内处理的反应物料的体积。2.每批操作所需的时间由(3.7)式所得的时间是指在一定的操作条件 下，为达所要求转化率xA所需的反应时间，每批操 作所需的时间是(tt0)。 t0是辅助生产时间，包 括加料、排料、清洗反应器和物料的升温、冷却。反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实 际体

4、积(不包括换热器搅拌器的体积)。 式中：f是装料系数，一般为0.40.85，不起泡、不沸腾物料取0.70.85，起泡、沸腾物料取0.40.6反应器实际体积V的计算每天生产乙二醇12000kg。原料中反应组分的质量比A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3,反应温度为100，反应速率方程为 rA=k1(CACB-CRCS/K)在100 k1=4.7610-4K/(mol min)，K=2.92。要求乙酸转化率达到35。(1)若辅助时间为1h，试计算反应器的有效体积。(2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。例3.1在等温间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应1.计算各

5、组分的分子量 MA=60 MB=46 MR=88 MS=18解：原料处理量2.计算乙酸处理量及原料处理量 乙酸处理量3.计算原料液中各组分的起始浓度4.各组分瞬间浓度与转化率之间的关系：5.反应速率方程6.6.计算反应时间计算反应时间Vr=Q0 (tt0)=4.155(118.8/60+1)=12.38m37.反应器有效体积8.反应器实际体积通过上式，只要通过上式，只要C CR R和和t t的关系，即可用解析法或图解的关系，即可用解析法或图解 法求得满足单位时间产品产量最大所必须的条件法求得满足单位时间产品产量最大所必须的条件最最 优反应时间。优反应时间。对时间对时间t t求导并令求导并令（1

6、 1）目标函数为反应器的平均生产速率目标函数为反应器的平均生产速率F FR R kmol/hkmol/h3.2.2 最优反应时间.用速率式计算出txA的关系.M点的横座标为最优 反应时间 .由产品与xA的关系计算CRt关系.作CRt图.作.自A(-t0，0)做CRt曲线 的切线，切点为M，斜 率 MD/AD=dCR/dt图3.2 平均生产速率最大图解法示意图 A 0 D tCR M N 图解法应用上式可求得满足单位生产量的总费用最 小所必须的条件 最优反应时间。 (2).目标函数为单位生产量的总费用AT若以表示在反应操作时的操作费用(元/小 时)，0为非生产性操作时的费用(元/时)；f 表示固

7、定消费(元)。则单位生产量的总费用AT为 ：将上式对求导并令其等于零，即可得：B 0 E tCR G N 图3.2b 总费用最小图解法示意图 .自B做CRt曲线的切线，切点G，斜率GE/BE=dCR/dt.G点的横座标为最优反应时间 图解法图解法.作.作CRt图3.3 等温间歇釜式反应器 的计算 （复合反应）设在间歇反应器中进行如下平行反应：3.3.13.3.1平行反应平行反应（主反应）(副反应）. .间歇反应器中间歇反应器中, ,平行反应各组分的浓度随时间变化平行反应各组分的浓度随时间变化(1 )(2 )(3 )对(1)式积分，得：将 带入(2)、(3)式积分，得：总选择性：总选择性：收率：

8、收率：对于上例瞬时选择性：.间歇反应器中，平行反应的选择性及收率平行反应的物系组成与反应时间的 关系示意图这里讨论的反应物 系中各反应组分的化学 计量系数均相等，若不 相等，各反应组分的浓 度与反应时间的关系式 需要作相应的修正，但 是函数形式不变，只是 有关系数不同 例3.2 当各反应的速率方程形式相同时，两种反应产 物的浓度之比，在任何反应时间下均等于两个反应 的速率常数之比。设在等温间歇反应器中进行如下连串反应：3.3.2 连串反应(1 )(2 )各组分的速率方程分别为：各组分的速率方程分别为： (3 )对(1)式积分，得：将 带入(2)式，整理得：.间歇反应器中，连串反应各组分的 浓度

9、随时间变化解此一阶线性微分方程求解过程连串反应的组分浓度和反应时间的关系图例3.3.间歇反应器连串反应的最大收率 与最优反应时间将式(5)对时间t求导，并令其导数等于零， 可导出相应CP为最大时的反应时间topt。将(7)式两边取对数整理得最优反应时间 ：(7)(7)(8)( 9 )P的最大收率(10)(11)当 时，可应用罗必塔法则：将(9)式两边取对数 (12)(12)【例题3-3】一混合物含90(mol比)A(45mol /l)和10 (mol比)杂质B(5mol/l)，为使产品质量令人满意， 反应终了时，混合物中的A和B的分子比必须等于或 高于100:1，与A和B均可以反应，反应在间歇

10、反应 器中进行，反应方程式如下： rA = 21CACD rB = 147CBCD 假设反应完全，为获得所希望的质量每批混合物 中需加多少？分析：此题的关键是要注意到A和B同在一个反应器中进行反 应，即反应时间相同，且同一瞬间与A和与B反应的的是同 一浓度的，用比值消去时间变量和的浓度项，再用题给 条件：反应终了时，混合物中的A和B的分子比必须等于或高 于100：1，将一个浓度用另一个浓度代换，即解题所求。 解： 间歇反应器 式等于式 按题意要求最终混合物中 CAf100CBf 取 CAf100CBf 将式代入式： 解得 CBf=0.3mol/l CAf=30 mol/l 因此需加入的为：(4

11、530)(50.30) = 19.7 (mol/l)即每升混合物必须加入和反应掉19.7mol。3.8 间歇反应器的变温操作计算在变温操作操作中，通过设置在反应器内的 盘管或夹套向反应器提供(或从反应器内移出)热 量，控制反应在所需的温度范围内进行。 1.间歇反应器热平衡 不考虑搅拌器对反应物系所做的功液体（3.813.81）式中：式中：U U为总括传热系；为总括传热系；A Ah h为传热面积；为传热面积；C CP P为为反应流反应流 体的恒压比热，体的恒压比热，m mt t为为反应流体的质量；反应流体的质量；HHr r为反应的为反应的 焓变；焓变；T TC C为换热介质温度。为换热介质温度。

12、 其它方法若为恒温过程若为恒温过程2.间歇反应器恒温操作计算3.间歇反应器绝热操作计算 绝热操作时 U=0起始条件：t=0，T=T0，xA= 0例3.11式中组分A及B的浓度CA及CB以kmolm3为单位，温度T的单位为K。该反应的热效应等于4000kJkmol，反应开始时溶液中不含R，组分A和B的浓度均等于0.04kmolm3。反应混合物的平均体积比热容可按4.102kJm3K计算。反应开始时反应混合物的温度为50。(1)计算A的转化率达85时所需反应时间及此时的反应温度。(2)如果要求全部反应物都转变为产物R，是否可能?为什么?例在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应rA = 1.110

13、14exp11000/TCACB，kmol(m3h)其反应速率方程为：当xA=0.85时(1)绝热操作rA = 1.11014exp 11000/TCACB解：间歇反应器 xA00.20.40.60.80.85 T323.15330.92338.75346.56354.36356.30 y5.523.883.203.466.8810.34(2) 全部反应物转变为产物不可能的，因为当转化率 趋近于1时，反应时间趋近于无穷大。用数值积分方法求解令：且：3.4连续釜式（全混流）反应器的设计一、全混流反应器的特点1.物料连续以恒定的流 速流入、流出反应器， 稳态操作。2.反应器内各空间位置 温度均一，

14、浓度均一。3.反应器内浓度、温度 与 出口处浓度、温度 相同。全混流反应器全混流反应器CA0Q0 FA0 Q0 T0FA Q TTC,outG G TC,inVrTCAT0图3.1-6 全混流反应器 二、全混流反应器的设计方程基础设计式基础设计式对整个反应器作组分A的物料衡算反应器内组 分A的积累量组分A的流入量组分A的 流出量组分A的反应量=+0 0 恒容时例3.4 例3.53.5 3.5 全混流反应器的串联与并联全混流反应器的串联与并联一、 并联 按单 釜计 算方 法计 算每 个釜 的体 积或 转化 率。 出口 总转 化率 是两 个釜 转化 率的 加权 平均 值。二、串联1 解析法（恒容系

15、统）单一反应 作第P个釜，A组分 的物料衡算，有：对一级不可逆反应假定各釜的反应体积相等，反应温度相同则：有：分别将各釜的物料衡算式两侧相乘，则有：总反应体积:V总=Q0N总空时: 总= N单个全混釜的空时:方程两侧分别加1，得： 对于二级不可逆反应，各釜反应体积相等，反应温度相同时有：第一釜第二釜图3.3-1 多釜串联的全混流反应器 2.图解法图解法仅 适用反应速率 最终可以用单 一组分表达的 反应。图解步骤： 根据实验数据(动力学方程)，做操作温度下 的(-RA)xA(或CA)关系曲线图。 在图上作相应温度下第i釜的-RAxA操作线：a.从原点出发作斜率为CA0/1的直线，直线与速率 曲线的交点的横坐标为第一釜的出口转化率xA1， 交点的纵坐标为第一釜的转化速率(-RA1) 。b.从xA1点出发作斜率为CA0/2的直线，直线与速率 曲线的交点的横座标为第二釜的出口转化率xA2，交 点的纵座标第二釜的转化速率(-RA2) 。一直作到要求达到的出口转化率，有几个梯级 就表示需要几个釜串联使用。图3.8 多釜串联全混流反应器图解计算 将上式分别对xAp (p=1，2N1)求偏导：3.5.3串联全混流反应器的最佳反应体积比目标函数：反应器总体积最小设所进行的为单