乙酸丁酯反应器的选型、设计与操作.doc

学 习 任 务 卡代号：A0109课程名称：化学反应过程与设备项目：A01 1000吨/年乙酸丁酯反应器的选型、设计与操作任务：A0107 1000吨/年乙酸丁酯反应器的优化任务目标：按任务运行标准制定任务实施方案，并组织实施；提供报告等任务描述：0107-1 要求在一连续操作管式反应器（PFR）中生产乙酸乙酯，其反应条件及产量同任务A01051,计算所需反应器有效体积;0107-2 化学反应过程的优化含义；0107-3 简单反应和复杂反应的优化目标；0107-4 反应器选择、设计和操作的优化核心；0107-5 分别采用1CSTR、NCSRR、PFR生产乙酸丁酯，在相同操作条件下，达到相同转化率，各反应器生产能力的比较任务运行标准（考核点）：任务点:1、能够用解析法计算乙酸丁酯反应器（PFR）的体积；2、能够用图解法计算乙酸丁酯反应器（PFR）的体积；3、能够说明化学反应过程的优化含义；4、能够说明简单反应和复杂反应的优化目标；5、能够说明反应器选择、设计和操作的优化核心；6、能够分析比较：分别采用1CSTR、NCSRR、PFR生产乙酸丁酯，在相同操作条件下，达到相同转化率，各反应器的生产能力大小书写任务完成报告，能够完成5分钟的口头汇报。资料来源参考：教材、药厂反应设备及车间工艺设计、化学反应工程（陈甘棠主编）、化工工艺设计手册等任务完成情况自评 团队签名： 队长： 队员签名：任务完成情况考评（依据任务中考核点及完成情况评定分数，并简单小结）学习任务完成情况考评表成绩比例成绩项目考核内容成绩60报告内容任务点1 解析法计算乙酸丁酯反应器（PFR）的体积任务点2 图解法计算乙酸丁酯反应器（PFR）的体积任务点3 化学反应过程的优化含义任务点4 简单反应和复杂反应的优化目标任务点5 反应器选择、设计和操作的优化核心任务点6 各反应器的生产能力大小比较20关键能力考核职业关键能力（见附表）10团队互评考核学生在学习过程中的实际表现（见附表）10习惯态度考核出勤率等100总计小结： 教师签名：0107-1 要求在一连续操作管式反应器（PFR）中生产乙酸乙酯，其反应条件及产量同任务A01051,计算所需反应器有效体积1、 解析法计算乙酸丁酯反应器（PFR）的体积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，选用连续操作管式反应器（PFR）。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。试计算所需反应器的有效体积。活塞流反应器的设计方程根据活塞流反应器的特点，可取反应器中一微元段作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得到活塞流反应器的设计基础式。FA = （FA dFA） + rA dVR + 0又由于此反应为二级恒温恒容反应-r=kc 、c=c(1-x) 代入得：V= V= =v由A01051中已知2、图解法计算乙酸丁酯反应器（PFR）的体积由c=c(1-x)，x=0.5得c=c(1-x)=1.8*(1-0.5)=0.9（kmol/ m）用Graph软件作图管式反应器的图解计算示意图然后计算（0.9,1.8）之间的面积 s=31.9283=31.9283min 0.532h 又V= V V=1.376*0.5320.732（m）0107-2 化学反应过程的优化含义化学过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型。设计计算优化是根据给定 生产能力确定反应器型式、结构和适宜的尺寸及操作条件，操作优化是指反应器的操作必须根据各种因素的变化对操作条件作出相应的调整，是反应器处于最有条件下运转，以达到优化目的。反应过程的技术目标有：反应速率涉及设备尺寸，亦即设备投资费用选择性涉及生产过程的原料消耗费用能量消耗生产过程操作费用的重要组成部分从工程角度看，优化就是如何进行反应器的类型、操作方式和操作条件的选择并从工程上予以实施、以实现温度和浓度的优化条件，提高反应过程的速率和选择性。反应器的型式包括管式和釜式反应器及返混特性;操作条件则包括物料的初始浓度、转化率（最终浓度）、反应温度或温度分布；操作方式包括间歇操作、连续操作、半连续操作以及加料的分批或分段加料等。简单反应和复杂反应的优化目标:对于简单反应过程，不存在选择性问题，唯一目标是反应速率。对于复杂反应过程，则选择性是优化的主要目标。选择性决定了产品中原料的消耗程度。对复杂反应过程选择性将比反应速率重要的多，选择性是主要技术目标。选择性的本质是反应生成目的产物的主反应速率与副产物的副反应的相对优化的比值，所以影响主副反应速率的因素也是影响选择性的主要因素，既也是取决于反应物浓度和反应温度。对于复杂反应，应根据选择性要求确定优化的温度和浓度条件。反应器选择、设计和操作的优化核心反应器选择、设计和操作的优化核心是化学因素和工程因素的最优结合。优化因素包括反应类型及动力学特性。工程因素包括反应器类型、操作条方式、操作条件。能够分析比较：分别采用1CSTR、NCSRR、PFR生产乙酸丁酯，在相同操作条件下，达到相同转化率，各反应器的生产能力大小1）1CSTR(1) 计算反应时间 以-r=kcA ，积分得CA= CA=乙醇和丁醇的相对分子质量分别是60和74，故得乙酸的初始浓度为CA=1.74（kmol/m）将反应速率常数k=0.0174m3/(kmol.min)和乙酸转化率达到x=0.5代入，得反应时间为 =33min=0.55h(2)计算反应器有效体积 要求每天生产1000/300x1000kg的乙酸丁酯，其相对分子量为116，平均每小时乙酸用量：=144（kg/h）每小时需要处理的原料体积为V=144x(1+)=1.376(m/h)根据V=()=1.376x(0.55+0.5)=1.445m(3)计算反应器体积 根据装料系数定义，反应器体积为V=2.41m圆整为2.5 m2）NCSTR（取N=2）由题意设x=0.323 x=O.5第一台反应釜的有效体积为=vc= v =1.376*=0.54m第二台反应釜的有效体积为 v= vc= v =1.376* =0.54m两台釜式反应器的总有效体积为 v=+v=0.54+0.54=1.08m3）PFR此反应为二级恒温恒容反应-r=kc 、c=c(1-x) 代入得：V=v 由任务A105-1得c=1.74（kmol/ m）, V=1.376(m/h), x=0.5, k=0.0174m3/(kmol.min),将其代入得V=v=1.376*=0.757（m）相同转化率的前提下，各反应器的有效体积比较 PFR（0.757）NCSRR（取N=2）（1.08）1CSTR(1.445)：PFR最小，N-CSTR次之，1-CSTR最大。1图解法中的各反应器的有效体积比较对同一简单反应，在相同操作条件下，为达到相同转化率，平推流反应器所需体积为最小，而全混流反应器所需体积为最大。即若反应器体积相同，则平推流反应器所达到的转化率比全混流反应器要高。n级反应在两种不同反应器中性能比较 如下若反应要求较长的停留时间，采用管式反应器会造成结构或操作的困难，可采用连续釜式反应器串连组合的型式，既可降低返混的影响，又可保证足够停留时间。 当串连釜数大于5时，继续增大釜数，对返混限制的效果已不甚明显。而当釜数增加时，在生产操作上困难也随之增加。因此串连釜数的最优选择一般不超过4个N个相同大小的CSTR串连的反应器组与PFR的性能比较（二级反应）如下：关键能力评分表评价项目分值得分文字表达能力10项目报告或PPT制作规范10语言表述能力10自我学习能力10做事细致耐心10知识应用能力10外语应用能力10与人交流能力15与人合作能力15总分100团队项目学习互评表姓名组别评价项目分值得分能否按照团队实施方案独立或合作项目10学习态度是否端正，学习是否主动，是否能及时完成教师布置的各项任务10是否完整地记录