第3章 釜式反应器.ppt

第三章釜式反应器 1 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 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 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 0 0 1 反应时间 无论是等温或变温 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 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 t t0 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 t t0 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 4 0 85 不起泡 不沸腾物料取0 7 0 85 起泡 沸腾物料取0 4 0 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 76 10 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 计算各组分的分子量MA 60MB 46MR 88MS 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 计算反应时间 Vr Q0 t t0 4 155 118 8 60 1 12 38m3 7 反应器有效体积 8 反应器实际体积 通过上式 只要CR和t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 最优反应时间 对时间t求导并令 1 目标函数为反应器的平均生产速率FRkmol h 3 2 2最优反应时间 用速率式计算出t xA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CR t关系 作CR t图 作 自A t0 0 做CR t曲线的切线 切点为M 斜率MD AD dCR dt 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 自B做CR t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 作 作CR t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 1平行反应 主反应 副反应 间歇反应器中 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 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 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 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 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CAf 100CBf 将 式代入 式 解得CBf 0 3mol lCAf 30mol l 因此需加入的 为 45 30 5 0 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 81 式中 U为总括传热系 Ah为传热面积 CP为反应流体的恒压比热 mt为反应流体的质量 Hr为反应的焓变 TC为换热介质温度 其它方法 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kmol m3为单位 温度T的单位为K 该反应的热效应等于 4000kJ kmol 反应开始时溶液中不含R 组分A和B的浓度均等于0 04kmol m3 反应混合物的平均体积比热容可按4 102kJ m3K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 1 1014exp 11000 T CACB kmol m3 h 其反应速率方程为 当xA 0 85时 1 绝热操作 rA 1 1 1014exp 11000 T CACB 解 间歇反应器 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 浓度均一 3 反应器内浓度 温度与出口处浓度 温度相同 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 对整个反应器作组分A的物料衡算 0 恒容时 例3 4例3 5 3 5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 Q0 N 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 RA xA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 2 N 1 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一反应 则总反应体积Vr 令上式等于零 有 3 53 式 3 53 是保证总反应体积最小所必须遵循的条件 求解方程组式 3 53 得各釜的出口转化率 从而求出各釜的反应体积 此时总和为最小 例如对于一级不可逆反应 若各釜温度相同 代入式 3 53 化简后得 p 1 2 N 1 将两侧同乘 上式也可写成 由此可见串联釜式反应器进行一级不可逆反应时各釜体积相同时总反应体积最小 3 6全混流反应器中复合反应 一 总收率与总选择性 二 平行反应 在等温釜式反应器中进行如下平行反应 主反应 副反应 比较反应级数 便可以确定反应是在高浓度下操作还是在低浓度下操作有利 比较主副反应的活化能 便可以确定反应是在较高温度下操作还是在较低温度下操作有利 反应要求A B浓度都高时 1 2 1 2 间歇操作有利 若采用连续操作 则多釜串联为好 反应要求A B浓度都低时 2 1 2 1 采用单釜连续操作 全混流反应器 反应要求一组分浓度高 一组分浓度低时 采用半间歇操作 或改变加料方式 当E1 E2时 低温可以得到较好的瞬时选择性 但生产强度却低 在这样的情况下 全混流反应器存在一最佳反应温度 在此温度下操作可以使目的产物的收率最大 主反应 副反应 例 根据全混流反应器设计式 有 1 2 由 1 式得 代入 2 式 整理得 3 将 3 式对温度求导 并令其等于零 按阿累尼乌斯方程有 代入 4 式 两边取对数 整理得 所以 当时 三 连串反应 在等温全混流反应器中进行一级不可逆连串反应 出口处各组分的浓度 由 由 由 或 中间产物P的收率 或 中间产物P的选择性 3 61 将式 3 61 对时间求导 并令其为零 P的最大收率 整理得 全混流反应器 间歇反应器 3 7半间歇釜式反应器 特点 某一反应组份连续地加入反应器 或某一产物连续从反应器内排出 其它反应组份或反应产物则是一次投入或一次从反应器内排出 反应器中进行下列液相反应 若反应物B一次投入反应器中 在整个反应的过程中B的浓度可近似地看成是恒定的 而A则是连续地向反应器内滴入进去 流量为Q0 浓度为CA0 反应过程中不出料 Q 0 此时的反应可视为拟一级不可逆反应 即 解微分方程得 恒速加料 半间歇釜式反应器内反应组分浓度与时间的关系 例3 10 3 9全混流反应器的定态操作 连续釜式反应器内反应物料温度均匀一致 若为定态操作 反应是在等温下进行的 如为非定态操作 属变温过程 即反应温度系随时间而变 但不随空间而变 对于放热反应 会出现定态不唯一的问题 即同时存在多个定态 操作温度都能满足反应器的热量及物料衡算式 这些定态中有些定态具有抗外界干扰的能力 这类定态我们称之为稳定的定态 那些不具有抗干扰能力的定态则称为是不稳定的 为了研究热稳定性首先列出全混流反应器的热量衡算式 假设反应物料密度恒定 进料温度为T0 转热介质温度为TC 0 一 全混流反应器的热量衡算式 在绝热条件下U 0 绝热温升 物料衡算 热量衡算 3 9 2连续釜式反应器的定态 等温一级不可逆放热反应 移热速率 放热速率 图3 14中qg线 qr线的M P N三个交点都满足热平衡条件qg qr 下面分析这三个点的稳定情况 M点 当有扰动使T略大于TM时 dT 0 dqg dqr 移热速率大于放热速率 体系温度下降 自动恢复到M点 当有扰动使T略小于TM dT 0 时 dqg dqr 移热速率小于放热速率 体系温度上升 自动恢复到M点 P点 当有扰动使T略大于TP时 dT 0 dqg dqr 移热速率小于放热速率 体系继续温度上降 直至到N点 当有扰动使T略小于TP时 dT 0 dqg dqr 移热速率大于放热速率 体系温度继续下降 直至到M点 N点 当有扰动使T略大于TN时 dT 0 dqg dqr 移热速率大于放热速率 体系温度下降 自动恢复到N点 当有扰动使T略小于TN dT 0 时 dqg dqr 移热速率小于放热速率 体系温度上升 自动恢复到N点 M N点是稳定的定态点 P点为不稳定的定态点 定态操作稳定的必要条件 例3 12 随着操作条件的改变 定态温度也随之而变 图3 15为进料温度T0与定态温度T的关系示意图 当进料温度从T1慢慢地增加至T5时 定态温度的变化如图中曲线12489所示 注意的是曲线在点4处是不连续的 定态温度突然增高 这一点称为着火点 再继续提高进料温度 定态温度的升高再不出现突跳现象 若将进料温度逐渐降低 比如从9降至6 定态温度则沿987621曲线下降 这条曲线也存在一个间断点6 此处定态温度出现突降 这点称为熄火点 着火与熄火现象对于反应器操作控制甚为重要 特别是开停工的时候 例如 若操作温度系在着火点附近 进料温度稍有改变 便会产生超温 从而破坏操作 可能出现烧坏催化剂或者可能产生爆炸等事故 在熄火点附近操作时 则易产生突然降温以致反应终止 为了使反应器操作稳定 应使用尽可能大的传热面积 和尽可能小的传热温差等 至于釜式反应器 如果调节手段适当 不一定非要在稳定的定态下操作 例题3 4 在全混流反应器中乙酸酐发生如下水解反应 CH3CO 2 H2 2CH3COOH简写为 反应温度为25 时测得如下数据 已知在乙酸酐低浓度水解时 上述反应可以看作一级反应 反应器体积为1800cm3 求 1 反应速度常数 2 若要使乙酸酐的转化率提高到60 那么反应物料的体积流量应为多少 解 1 显然 k与CA0无关 利用第一组数据可得 分析 1 将实验数据直接代入全混流反应器的设计式求取反应速率常数 因为只有两组数据取算术平均值即可 2 用求出的反应速率常数与题给转化率 按全混流反应器的设计式求出反应物料的体积流量 将两者平均 2 将k值和xA 0 6代入 式得 Q0 0 1556 1800 1 0 6 0 6 186 7 cm3 min 此题主要目的是如何用实验数据求取动力学常数 由第二组数据可得 例题 在上题中使用单个全混釜进行乙酸酐的水解反应 现改用体积相同的三个全混釜串联进行这一反应 每个反应釜的体积为1800cm3 反应温度仍为25 1 乙酸酐的总转化率达到60 时 物料体积流量为多少 将计算结果与上例结果进行比较 2 如果反应物料以582cm3 min的体积流量进入到第一个反应釜中 那么乙酸酐在各个反应釜出口的转化率分别为多少 总转化率为多少 分析 体积相同的三个全混釜串联进行液相反应 则 1 2 3 按全混釜的设计式 依次作第一 第二 第三釜的物料衡算 解 设乙酸酐的初始浓度为CA0 离开第一 第二 第三釜的浓度分别为CA1 CA2 CA3 对于第一个反应釜 对第二个反应釜 同理对第三个反应釜 1 乙酸酐的总转化率达到60 即 解得 由上题k 0 1556min 1 代入上式得 2 2956 min 此结果与上例题中的结果 Q0 186 7cm3 min 相比 处理量提高了2倍多 2 已Q0 582cm3 min 故有 1800 582 3 093 min 在第一个反应釜中达到的转化率为 在第二个反应釜中达到的转化率为 在第三个反应釜中达到的转化率为 此结果与上例题的结果比较 可以看出采用三釜串联使转化率由33 1 提高到69 2 课后复习 主要内容包括 1 釜式反应器的物料衡算式建立了釜式反应器中进行N个均相反应的物料衡算式 包括连续釜式反应器和间歇釜式反应器 第一部分基本内容本章重点讲述理想釜式反应器设计问题 1 等温 变温间歇釜式反应器的设计 2 等温连续釜式反应器的设计 3 连续釜式反应器的串联和并联 4 釜式反应器中复合反应的收率 选择性计算 5 连续釜式反应器的定态行为描述 2 等温间歇釜式反应器计算 单一反应 间歇釜式反应器内反应物料的浓度 温度均一 但反应组分浓度随时间变化 属非稳态过程 操作时间分为反应时间和辅助时间 反应物达到某一转化率所需要的反应时