乙酸丁酯反应器的体积计算.doc

项目：A01 1000吨/年乙酸丁酯反应器的选型、设计与操作任务：A01051 1000吨/年乙酸丁酯反应器的体积计算（间歇操作）小组成员：钱东进 杨志勇 裴彩虹 刘志清 王震 任务描述：生产乙酸丁酯的反应在373K恒温条件下进行，进料比为乙酸:丁醇=1:5（mol），以少量硫酸作催化剂，选用间歇操作釜式反应器。当使用过量丁醇时，该反应以乙酸（下标以A计）表示的动力学方程式为(-rA)=kcA2，反应速率常数k=0.0174m/(kmol.min) ，反应物密度=750kg/m3（假设反应前后不变）。要求乙酸转化率达到0.5，不考虑分离等过程损失。若每年按300天计，每天按三批计，每批辅助时间为30min，反应釜只数为1，装料系数为0.6。试计算所需反应器的有效体积和反应器体积。任务一：简单描述反应器的计算内容和基本方程式：（一）：反应器计算的基本内容（The basic content of reactor calculation ）： ：选择合适的反应器型式根据反应系统动力学特性，如反应过程的浓度效应、温度效应及反应的热效应，结合反应器的流动特征和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满足反应过程的需要，使反应结果最优。：确定最佳操作条件操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压力和最终转化率等，直接影响反应器的反应结果，也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组成的改变，工艺参数调整是常有的事。现代化大型化工厂工艺参数的调整，是通过计算机集散控制完成的。计算机收到参数变化的信息，并根据已输入的数学模型和程序，计算出结果，送给相应的执行机构，完成参数的调整。 ：计算完成生产任务所需的反应器体积反应器体积的确定是反应器计算的核心内容。根据所确定的操作条件，针对所选定的反应器型式，计算完成规定生产能力所需的反应器有效体积，同时由此确定反应器的结构和尺寸。（二）：反应器计算的基本方程（The basic equation calculating reactor ）：描述浓度变化的物料衡算式：依据： 质量守衡定律。基准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。衡算式：对任一组分A在单元时间、单元体积V内： A的积累量=A的进入量-A的离开量-A的反应量目的： 给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。：描述温度变化的能量衡算式：依据： 能量守衡定律。基准： 取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。衡算式：在单元时间、单元体积V内（以放热反应为例）： 积累的热量=原料带入的热量+反应产生的热量-出料带走的热量-传给环境或热载体的热量目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。：描述压力变化的动量衡算式：动量衡算式以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化。当气相流动反应器的进出口压差很大，以致影响到反应组分浓度时，就要考虑流体的动量衡算。一般情况下，反应器计算可以不考虑此项。 ：描述反应速率变化的动力学方程式：1：对于均相反应（homogeneous reaction），需要有本征动力学方程:在均相反应系统中只进行如下不可逆化学反应：其动力学方程一般都可表示成：对于气相反应，由于分压与浓度成正比，也常常使用分压来表示：其中：p单位：kmol/m.h.Pan一般说来，可以用任一与浓度相当的参数来表达反应的速率，但动力学方程式中各参数的因次单位必须一致。 2：对于非均相反应（heterogeneous reaction），应该有包括相际传递过程在内的宏观动力学方程物料衡算式和动力学方程式是描述反应器性能的两个最基本的方程式。任务二：用解析法计算乙酸丁酯反应器（间歇釜）的体积：（一）：BR体积和数量求算（BR size and quantity asks to calculate ）：已知条件：1：每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流量V0） 或 V0=FA0/CA0=W0/2：操作周期指生产第一线一批料的全部操作时间，由反应时间（生产时间）和非生产时间组成。 3：反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情况定。设备装料系数设备中物料所占体积与设备实际容积之比，其具体数值根据实际情况而变化。：计算方法：1、已知V0与 ，根据已有的设备容积V，求算需用设备个数n，按设计任务每天需要操作的总次数为：每个设备每天能操作的批数为： 则需用设备个数为： n需取整数n ， n n 。因此实际设备总能力比设计要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以表示，则：2、已知每小时处理物料体积V0与操作周期 ，则需要设备的总容积为：求得设备总容积后，可查得系列设备标准选用决定设备的容积V和个数n：任务计算：1：计算反应时间：乙酸和丁酯的相对分子质量分别为60和74，故得乙酸的初始浓度：C0乙酸=1750/160+574=1.7 kmol/m将反应速率常数k=0.0174 m/（kmol.min）和乙酸的转化率0.5代入，得反应时间为：1/0.01741.70.5/1-0.5=34min 2：计算反应器有效体积： 项目任务要求每天生产乙酸丁酯的质量为：，乙酸丁酯的相对质量分数为116。则每小时的乙酸用量：每小时需要处理的原料体积：V0=由得反应器有效体积：VR=1.357(0.5+0.57)=1.452（m） 3：计算反应器体积： 根据装料系数定义，反应器体积为： V=VR/0.6=2.42m（二）：用图解法计算乙酸丁酯反应器（间歇釜）的体积（Graphic method to calculate the volume of the butyl acetate reactor(BR) ）A01052 1000吨/年乙酸丁酯反应器的体积计算（分别采用连续釜、两釜串联生产）任务点:1能够用解析法计算乙酸丁酯反应器（And butyl acetate reactor）（1CSTR）的有效体积；任务描述：1、采用搅拌良好的一只釜式反应器连续生产乙酸丁酯，其反应条件及产量同任务A01051，计算该釜式反应器的有效体积；2、要求用两只串联使用的釜式反应器连续生产乙酸丁酯，要求第一只釜乙酸的转化率为32.3%，第二只釜乙酸的转化率为50%，反应条件和产量同A01051，分别计算这两只釜的有效体积。任务A01051任务描述：生产乙酸丁酯的反应在373K恒温条件下进行，进料比为乙酸:丁醇=1:5（mol），以少量硫酸作催化剂，选用间歇操作釜式反应器。当使用过量丁醇时，该反应以乙酸（下标以A计）表示的动力学方程式为(-rA)=kcA2，反应速率常数k=0.0174m3/(kmol.min) ，反应物密度=750kg/m3（假设反应前后不变）。要求乙酸转化率达到0.5，不考虑分离等过程损失。若每年按300天计，每天按三批计，每批辅助时间为30min，反应釜只数为1，装料系数为0.6。解：= 又-r=kc 、c=c(1-x)v=v x=0.5, c=1.75（kmol/m）,由A105-1求得每小时需要处理的原料体积为V=142x(1+)=1.357(kmol/m)k=0.0174m3/(kmol.min),代入计算v=1.357*（0.5）=2.45m（实际取3m）任务点:2、能够用图解法计算乙酸丁酯反应器（1CSTR）的有效体积；由任务一得动力学方程式为：(-r)=kCXA00.10.20.30.40.5CA1.751.581.401.231.050.88-rakmol/(m*h)3.202.612.051.581.150.81取两台釜式反应器的体积相等，并假设每台釜的有效体积均为0.22 m，可得各平行操作线的斜率为-V0/VRi=-1.373/0.22=-6.24以求得的通过CA= CA0=1.75先做第一釜的操作线CAA1并与OA曲线交与A1点，A1点横坐标CA1即为第一釜出口物料中反应物A的浓度，类似做第二，第三釜的操作线，出口浓度分别为CA2，CA3。从图中可见CA3=0.9与要求达到的转化率=0.5所对应的浓度值完全相等。所以两台釜的总有效体积为VR=0.22*2=0.44（m）任务点:3、能够用解析法计算乙酸丁酯反应器（2CSTR）的有效体积（active volume）；解：由题意得，第一只釜乙酸的转化率为32.3%，第二只釜乙酸的转化率为50%，即x=0.323 x=O.5第一台反应釜的有效体积为:=vc= v =1.357*=0.52m第二台反应釜的有效体积为: v= vc= v =1.357* =0.52m两台釜式反应器的总有效体积为: v=+v=0.52+0.52=1.04m（实际取2立方米）任务点:4、能够用图解法计算乙酸丁酯反应器（2CSTR）的有效体积。由任务一得动力学方程式为：(-r)=kCXA00.10.20.30.40.5CA1.741.571.391.221.040.87-rakmol/(m*h)3.162.572.021.551.130.79取两台釜式反应器的体积相等，并假设每台釜的有效体积均为0.18m，可得各平