间歇釜式反应器完整版

1、 2 3 3.1.2间歇釜式反应器的特点及其应用间歇釜式反应器的特点及其应用 1 1、特点、特点* * 辅助时间占的比例大辅助时间占的比例大 , ,劳动强度高，生产效率低劳动强度高，生产效率低. . 操作灵活性大，便于控制和改变反应条件操作灵活性大，便于控制和改变反应条件 非稳态操作非稳态操作，反应过程中，温度、浓度、反应，反应过程中，温度、浓度、反应 速度随着反应时间而变速度随着反应时间而变 同一瞬时，反应器内各点同一瞬时，反应器内各点温度、浓度分布均匀温度、浓度分布均匀* * 结构简单、加工方便，传质、传热效率高结构简单、加工方便，传质、传热效率高 l反应物料一次加入，产物一次取出反应物料

2、一次加入，产物一次取出 4 几乎所有有机合成的单元操作几乎所有有机合成的单元操作 2、应用应用 适合于多品种、小批量生产适合于多品种、小批量生产 适应于各种不同相态组合的反应物料适应于各种不同相态组合的反应物料 5 3.2.1间歇釜式反应器的容积与数量间歇釜式反应器的容积与数量 确定反应器的容积与数量是车间设计的基础， 是实现化学反应工业放大的关键 1、求算反应器的容积与数量需要的基础数据求算反应器的容积与数量需要的基础数据 6 （1）每天处理物料总体积每天处理物料总体积VD和单位时间的物和单位时间的物 料处理量为料处理量为FV D D G V= FV=VD/24 GD每天所需处理的物料总重量

3、 物料的密度 7 （2） 操作周期操作周期t* 操作周期又称工时定 额或操作时间，是指 生产每一批料的全部 操作时间，即从准备 投料到操作过程全部 完成所需的总时间t ， 操作时间t包括反应 时间t和辅助操作时 间t0 两部分组成。 即t = t + t0 例如萘磺化制取2-萘磺酸 的操作周期: 检查设备 15分 加萘 15分 加硫酸及升温 25分 反应 160分 压出料 15分 操作周期 240分或4小时 8 反应时间反应时间t的求算方法的求算方法 由动力学方程理论计算或经验获得，但应注意： (1)不少强烈放热的快速反应，反应过程的速率往往 受传热速率的控制传热速率的控制，不能简单地用动力学

4、方程式来 求算反应过程的时间。 (2)某些非均相反应，过程进行的速率受相间传质传质 速率的影响速率的影响，也不能单纯地从化学动力学方程式计 算反应时间。 (3)某些反应速率较快的反应，在加料过程及升温 过程中已开始反应。在保温阶段之前可能已达到相 当高的转化率。有时需分段作动力学计算。有时需分段作动力学计算。 9 （3）反应体积）反应体积VR 反应体积是指设备中物料所占体积，又称有效体积。 VR=FVt 10 （4）*设备装料系数设备装料系数 反应器有效体积与设备 实际容积之比称为设备 装料系数，以符号 表示，即： =VR/V。其值视具 体情况而定 条 件装料系数范围 无搅拌或缓慢搅 拌的反应

5、釜 0.800.85 带搅拌的反应釜0.700.80 易起泡或沸腾状 况下的反应 0.400.60 液面平静的贮罐 和计量槽 0.850.90 11 2、反应器的容积和个数的确定、反应器的容积和个数的确定 （1）已知VD或FV与t ，根据已有的设备容积Va， 求算需用设备的个数m。 设备装料系数为 ，则每釜物料的体积为 Va，按 设计任务，每天需要操作的总批次为： 每个设备每天能操作的批数为： Va F V V V a D 24 24 = t 按设计任务需用的设备个数为： Va tF V tV m V a D = 24 = 12 由上式算出的m值往往不是整数，需取成整数m, mm。 因此实际设

6、备总能力比设计需求提高了。 其提高的程度称为设备能力的后备系数后备系数，以表示， %100 m mm 则 13 （2）已知每小时处理的物料体积FV与操作周期t,求设备体积与个 数 需要设备的总容积为： m V mVV tF = 如果反应器容积V V的计算值很大，可选用几个小的反应器 若以m表示反应釜的个数， 则每个釜的容积:Vm=V/m=FVt/( m) 为便于反应器的制造和选用，釜的规格由标准(GB 9845-88)而 定。 %100%100 m mmaa V VV V VV 14 思考 选用个数少而容积大的设备有利还是选用 个数多而容积小的设备有利 ？ 15 例3-1：邻硝基氯苯连续氨化，

7、然后分批还原生产邻 苯二胺。已知氨化出料速率为0.83m3/h，还原操作时 间为7h(不计受料时间)，求需要还原锅的个数与容积。 设备装料系数取0.75 3、计算示例、计算示例 物料处理量FV一般由生产任务确定，辅助时间t0视实 际操作情况而定，反应时间t可由动力学方程确定， 也可由实验得到。由以上数据可求VR、V、m、Vm以 及等 16 解：因氨化为连续操作，故至少需要两台还原釜交 替进行受料和还原。还原操作时间为7h，可取受料 时间为8h，安排每班进行一次还原操作，则每批的 操作时间为16h。装料系数取0.75，于是需要设备的 总容积为 3 7 .1775. 0/1683. 0/ mtFV

8、 V 取两台釜，每釜容积为8.85m3，采用标准容积为 10m3的反应釜，后备能力为 %0 .13%10085. 8/ )85. 810( 思考 如果取受料时间为1h，结果如何？ 17 例3-2同例3-1，如果根据工厂的加工能力能够制造的 最大容积的还原锅为6m3。问需用几个还原锅。 解： 选用6 m3的锅，每锅受料体积为VR=0.756=4.5 m3， 则 受料时间： 4.5/0.83=5.44h 操作周期： 5.44+8=13.44h 每天操作总批数： =24X0.83/4.5=4.45 每锅每天操作批数： =24/13.44=1.78 需要锅的个数： m=4.55/1.78=2.5 取用

9、三个锅，生产能力后备系数为： =（3-2.5）/2.5100%=20% 18 三个还原锅交替操作的时间安排图 受料还原 0 24 681012141618 20 22242 4 6 810 时间（小时） 锅号 还原受料 受料 还原 还原受料 还原 受料 还原受料 101102 201 202 301 302 1 2 3 19 例3-3西维因农药中试车间取得以下数据：用200升搪瓷锅做实 验，每批操作可得西维因成品12.5Kg，操作周期为17小时。今 需设计年产1000吨的西维因车间，求算需用搪瓷锅的数量与容 积。年工作日取300天。 解： 每台锅每天操作批数： =24/17=1.41 每天生产

10、西维因农药数量： 10001000300=3330Kg（GD） 需要设备总容积: mVm=（3330/1.41）20010-3/12.5=37.8m3 取Va为10 m3的最大搪瓷锅4台。 =（4-3.78）/3.78100%=5.82% 20 例3-4萘磺化反应器体积的计算。萘磺化生 产2-萘磺酸，然后通过碱熔得2-萘酚。已知 2-萘酚的收率收率按萘计为75%，2-萘酚的纯度纯度 为99%，工业萘纯度为98.4%，密度为 963kg/m3 。磺化剂为98%硫酸，密度为1.84。 萘与硫酸的摩尔比为1：1.07。每批磺化操 作周期为3.67小时。萘磺化釜的装料系数为 0.7。年产2-萘酚400

11、0t，年工作日330天。 21 L626 963 1000 984. 0 1 75. 0144 128 24330 99. 0104000 3 L270 84. 1 1000 98. 0 1 75. 0144 07. 198 24330 99. 0104000 3 L tF V V 4390 75. 0 67. 3896 %9 .13%100 4390 439025002 根据生产任务，每小时需处理工业萘的体积为： 每小时需处理硫酸的体积为： 每小时处理物料总体积为:FV=626+270=896L 反应器的体积为： 若采用2500L标准反应器两个，则反应器的生产能力后备系数为： SO3H OH

12、 128 144 H2SO4 + 98 22 3.2.2 间歇操作设备间的平衡间歇操作设备间的平衡 保证各道工序每天操作总批次相等 即 1 = 2 = = n 总操作批数相等的条件是：总操作批数相等的条件是： m11 = m22 = =mnn 或 2 2 1 1 =.= n n t m t m t m 即各工序的设备个数与操作周期之比要相等 各工序的设备容积之间保证互相平衡 即 33 3 22 2 11 1 = a V a V a V V F V F V F 或 33 3 22 2 11 1 = a D a D a D V V V V V V 23 例3-5萘酚车间的磺化工段有四道工序：磺化、

13、水解、吹萘及 中和。现有铸铁磺化锅的规格2 m3，2.5 m3及3m3三种。试设 计各工序的设备容积与数量。已知各工序的VD，t及 如下表： 工序VD（m3） t （h） 磺化 水解 吹萘 中和 20.0 21.25 30.0 113.5 4.0 1.5 3.0 5.0 0.80 0.85 0.60 0.60 24 解： （1）先作磺化工序的计算 如取Va=2 m3，计算 5 .12= 28 . 0 20 = Va VD 6= 4 24 = 24 = t 6 5 .12 = m %44%100 08. 2 08. 23 %100 m mm 再取Va=2.5 m3与Va=3 m3做同样计算，结果

14、列于下表中： mVam% 2.0 2.5 3.0 0.8 0.8 0.8 12.5 10.0 8.34 6 6 6 2.08 1.67 1.58 3 2 2 44 20 44 25 使水解工序：=10 =24/1.5=16，m=10/16=0.625 取 m 水解锅容积的计算： Va V D = Va=VD/ =21.25/（100.85）=2.5m3 =1， =（1-0.625）/0.625 100%=60% 比较三种方案，选用2个2.5 m3的磺化锅较为合适。 （2）水解及其他工序的计算 26 同样方法计算吹萘及中和二个工序。 将各工序计算结果列表如下： m 工序VD（m3）m%Va 磺化

15、 水解 吹萘 中和 20.0 21.25 30.0 113.5 10 10 10 10 6 16 8 4.8 1.67 0.625 1.25 2.08 2 1 2 3 19.8 60 60 44 2.5 2.5 2 19 0.8 0.85 0.6 0.6 27 3.3 等温间歇釜式反应釜釜的计算* 反应器容积V 反应器有效体积VRFV, tt = t + t0 确定反应时间的两种方法：经验法; 动力学法 间歇反应属非定态操作，反应时间 取决于所要达到的反应进程 反应器内各处浓度、温度均一，所 以，可对其中某一反应物做物料衡算， 以确定反应时间。 28 3.3.1 单一反应单一反应 设在间歇反应

16、器内进行如下化学反应 ABR 的积累速度 反应器中 的反应量 单位时间 的流出量 单位时间 的流入量 单位时间A AAA RAV r dt CVd dt dn ARA ）（ = 0 0 1.1.反应时间的计算反应时间的计算 若VR为反应混合物的体积(反应器有效容积)；rA为t时刻的反应 速率；nA0为反应开始时A的摩尔量；nA为t时刻的A的摩尔量。 并以A为关键组分作微元时间dt内的物料衡算。 dtdnVr ARA / 29 * 0 0 A x RA A A Vr dx nt 0 0 / )( AAAA nnnx 适用于任何间歇反应过程。 AAA dxndn 0 dtdxnVr AARA /

17、0 30 恒容条件下： RAA VnC/ 00 所以 0 0 0 00 / / )(/ )( AA A AA A AAA A CdCdx CCCnnnx 取 t=0 时 xA= 0、CACA0；t=t 时 xA=xAf、CA= CAf， 积分得 * 0 0 Af x A A A r dx Ct * 0 Af A C C A A r dC t 其中rA一般具有 rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式 反应器的有效体积反应器的有效体积 VR=FV (tt0) 31 等温恒容下的简单反应的反应时间积分表* 化学反应速率微分式反应时间积分式 (1) 零级反应 AR (2)

18、 一级反应 AR (3) 二级反应 AR (4) 二级反应 A+BR(CA0=CB0) (5) 二级反应 A+BR(CA0CB0) A A A C C k x k t 0 ln 1 )1/(1ln( 1 AA kCr AAC kr 2 ) 11 ( 1 )1 ( 00AAfAfA Af CCkxkC x t 0 AA kCr k CC kCxt AfA A Af 0 0/ BAA CkCr BAA CkCr ) 11 ( 1 )1 ( 00AAfAfA Af CCkxkC x t )( )( ln )( 1 00 00 00RBA RAB BA CCC CCC CCk t 32 例3-6间歇反

19、应A+BR+S，二级不可逆rA=kCACB， 等温恒容，k=1.0m3/(kmol.h)，处理量为2.0m3/h， A、B的初浓度均为1.0kmol/m3，每批辅时为0.5h， 求反应体积反应体积为9.0m3时的A的转化率。 解：由 解上述方程得%0 .80 Af x )1 ( 0AfA Af xkC x t 0 0 1 A A Af ktC ktC x )(0ttFV VR 得 又由得 0/tFVt VR 33 例3-7：在间歇反应器中进行己二酸和己二醇的缩 聚反应,其动力学方程为rA=kCA2 kmol/(Lmin)， k=1.97L/(kmolmin)。己二酸与己二醇的摩尔配 比为1:1

20、，反应混合物混合物中己二酸的初始浓度为 0.004kmol/L。若每天处理己二酸2400kg,要求己 二酸的转化率达到80%，每批操作的辅时为1h， 装料系数取为0.75，计算反应器体积。 解： h5 . 8 )1 ( 0 AfA Af xkC x t 22 0 2 )1 ( AAA A A xkCkC dt dC r 积之得 34 物料的处理量为 L/h0 .171 004. 014624 2400 V F 操作周期为 h5 . 9 0 ttt 反应体积为 L1625tFV VR 反应器容积为 L2167/ R VV 思考 计算FV时， 为什么不考虑己 二醇？ 35 正反应速率常数k1为4.

21、7610-4m3/（kmol.min），逆 反应速率常数k2为1.6310-4m3/（kmol.min）。反应 器内装入0.3785m3水溶液，其中含有90.8kg乙酸， 181.6lkg乙醇。物料密度为1043kg/m3，假设反应过程 不改变。试计算反应2h后乙酸的转化率。 CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O ABRS 例3-8在搅拌良好间歇操作釜式反应器中，以盐酸作为 催化剂，用乙酸和乙醇生产乙酸乙酯，反应式为： 已知100时，反应速率方程式为 SRBAA CCkCCkr 21 36 解：乙酸的初始浓度 0 . 4= 3785. 060 8 .90 = 0A C 乙醇

22、的初始浓度 4 .10= 3875. 046 6 .181 = 0B C 水的初始浓度 18 3785. 018 )6 .1818 .90(043. 13875. 0 0 S C 设XA为乙酸的转化率，则各组分的瞬时浓度与转化率 的关系为 )1 (4 AA xC AB xC44 .10 AR xC4= AS xC4+18= kmol/m3 kmol/m3 kmol/m3 37 代入反应速率方程式，则得 )418(41063. 1)44 .10)(1 ( 41076. 4 44 AAAAA xxxxr =)063. 049. 0248. 0(108 22 AA xx 所以 AfAf x AA A

23、 x A A A xx dx r dx Ct 0 22 0 0 063. 049. 0248. 0108 4 = Af x A A x x 0 422. 0490. 0125. 0 422. 0490. 0125. 0 ln 422. 0 50 = 912. 0 068. 0 068. 0125. 0 912. 0125. 0 ln 422. 0 50 Af Af x x 当t=120min，用上式算得：xAf=0.356， 即35.6%乙酸转化成乙酸乙酯。 38 （2） 间歇反应釜的最佳反应时间 问题的提出 ：操作时间包括反应时间和辅助时间， 辅助时间一般是固定的；延长反应时间可提高产 品收

24、率，但反应后期，反应物浓度降低，反应的推 动力变小，反应速率变低，所以，从宏观上看，单 位操作时间内的产品收获量未必高；缩短反应时 间，产品收率低，但反应速率一直较大，所以单位 操作时间内产品的收获量未必低。 由此看来，应存在一最佳反应时间，使得操作单 位时间内获得的产品量为最大。 39 以单位操作时间内产品的收获量最大为目标 对于反应AR，若反应产物的浓度为CR，则单 位时间内获得的产品量GR为 GR = VRCR /(t+t0)对反应时间求导 2 00 )/()/)(/ttCdtdCttVdtdG RRRR 若使GR为最大，可令 dGR/dt = 0，于是 )/(/ 0 ttCdtdC R

25、R 此为使单位操作时间内产物收获量为最大应满 足的条件。 思考 上述结果是否表明该最优 反应时间与其动力学特征无关？ 40 图解法 描绘产物浓 度C R 与时间t 的曲线于坐标 轴上(OMN); 在横轴上取 A(-t0,0)；过 A点作OMN的 切线 交 OMN 于M点; M点 的横坐标就是 最佳反应时间。 41 以单位产品生产费用最低为目标 设一个操作周期中单位时间内反应操作所需费 用为a；辅助操作所需费用为a0；固定费用为aF， 则单位产品的总费用Z为 Z= (at+a0t0+aF) /(VRCR) 对反应时间求导 )/()/)(/ 2 00RRRFR CVdtdCataataCdtdZ

26、若使Z为最大，可令 dZ/dt = 0，于是 )/ )(/(/ 00 aatatCdtdC FRR 此为单位生产量的总费用最小应满足的条件。 42 图解法图解法 / )( 00F tOB .自B0,/ )( 00 F t 做CRt曲线的切线切点N， 斜率NE/BE=dCR/dt .作 由切点N的横坐标值 ， 确定最佳反应时间t=OE， 相应的CR值由纵坐标得知。 .作CRt图 间歇反应最佳反应时间图解法示意图 目标不同时，最佳反应时间不同。 43 3.3.2 复杂反应(考虑平行反应和串联反应) 平行反应 平行反应的基本特征是相同的反应物能进行两个 或两个以上的反应。 其中R为目标产物，则A的转

27、化率、组份浓度 与反应时间的关系可由物料衡算求得。 A 1k R （主反应） AR Ckr1 A 2k S （副反应） AS Ckr2 ASRAAA Ckkrrrrr)(21 2,1 , 设等温间歇反应器中进行一级平行反应： 44 对于A： 对于R： 对于S： 0/)( 21 dtdnCkkV AAR 0/- 1 dtdnCkV RAR 0/- 2 dtdnCkV SAR 45 对于A： 对于R： 对于S： 0=/+)+( 21 dtdCCkk AA 0/- 1 dtdCCk RA 0/-2dtdCCk SA 恒容条件下，上述方程可用浓度表达 46 A的衡算方程表达了A的浓度(A的转化率)与反

28、应时 间的关系。设 t=0时，CA=CA0，xA0=0，积之得: AfA A xkkC C kk t 1 1 ln 1 ln 1 21 0 21 把CA关于t的表达式代入R的衡算方程，并设 t=0 时，CR=0，积之得: 也就是 )(exp( 210 tkkCC AA )(exp(1 ( 21 21 01 tkk kk Ck C A R 47 同理 )(exp(1 ( 21 21 2 0 tkk kk Ck C A S 由CR和CS的关 于反应时间的 表达式可知: 2 1 k k C C S R 48 对于上例瞬时选择性： 21 1 kk k dC dC r r S A R A R R 收率：

29、 A A RR R x kk k C CC Y 21 1 0 0 - 49 例3-8 在等温间歇釜式反应器中进行以下恒容液 相反应： A+BR，rR=2CA kmol/(m3h) 2AS， rS=0.5CA2 kmol/(m3h) 反应开始时A和B的浓度均为2.0kmol/m3，目的产 物为R，计算反应时间为3h的A的转化率的转化率和R的收收 率率以及生成R的选择性选择性。 解：rA= rR+2rS=2CA+20.5CA2=2CA+CA2，所以， 恒容条件下，组份A的物料衡算式为 2 2/- AAAA CCrdtdC 积之得 50 )+2( )+2( ln 2 1 = 0 0 AA AA CC

30、 CC t代入已知条件得 CAf=2.4810-3kmol/m3，即反应3h后A的浓度 此时 xA=(2.0-2.4810-3)/2.0=0.9988=99.88% 2 2/- AAA CCdtdC 又由及 AR CdtdC2=/得 2/1 1 -/ A AR C dCdC 积之得 51 Af A Rf C C A A R C dC dC 02/1 C 0 于是 2/+1 2/+1 ln2= 0 Af A Rf C C C代入数据得 CRf=1.384kmol/m3，则R的收率为 YR=1.384/2=0.692，即69.2%；生成R的选择性为 SR=YR/xA=0.693%，即69.3% 上

31、述计算表明，A转化了99.88%，而转化生成R 只有69.2%，其余的30.68%则转化为S。 52 串联反应 设在等温间歇釜式反应器中进行某一级不 可逆串联反应 各组分的速率方程分别为： AA Ckr 1 =- dt dC A PAP CkCkr 21 - = = dt dC P PS Ckr 2 dt dCS = 12 kk APS 53 若0t 时 000 0 AAPS CCCC 由 A A Ck dt dC 1 得 tk AA eCC 1 0 所以 tk A ex 1 1 AA A xkC C k t 1 1 ln 1 ln 1 1 0 1 PA P CkCk dt dC 21 - t

32、k AA eCC 1 0 把代入 得到 tk AP P eCkCk dt dC 1 012 )()(xQyxp dx dy 形如 的一阶线性微分方程 取t=0时，CP=0，积之得 )exp()exp( 120 21 1 tktkC kk k C AP 54 因 CA + CP + CS = CA0 所以 CS= CA0- CA- CP )exp()exp( 1 1 2112 21 0 tkktkk kk CC AS 01 21 0120 exp()exp() p A P AAAA C Ck k tk t CCkk CC 1 21 12 exp()exp() P k Yk tk t kk 55

33、根据各反应组分浓度与反应时间关系的三个关系式 以时间对浓度作图 串联反应的组分浓度与反应时间的关系 当目的产物为P时就需要控制反应时间，以使P的收率最大. 56 为使YR最大，应满足dYR/dt=0，即 0)exp()exp( 1122 21 1 tkktkk kk k dt dYP 2 1 1 2 )exp( )exp( k k tk tk 将上式两边取对数整理得最优反应时间 即 2 1 21 ln 1 k k kk t P的最大浓度 ) ln exp() ln exp( 21 2 1 1 21 2 1 20 21 1 max, kk k k k kk k k kC kk k C AP 2

34、12 1 0 2 () k kk A k C k 12 2 2 1 0 max max kk k A P P k k C C Y 57 3.4 变温间歇釜的计算 问题的提出问题的提出* 化学反应经常伴有热效应。对于釜式间歇反应 而言，要做到等温时极其困难的；化学反应通 常要求温度随着反应进程有一个适当的分布，以 获得较好的反应效果。 因此研究非等温间歇釜式反应器的设计与分析具 有重要的实际意义。 变温操作时，要对反应进程进行数学描述，需 要联立物料衡算方程(速率方程)和热平衡方程。 58 内热量的积累 微元体积 微元时间、 或载热体的热量 体积传递至环境 微元时间内微元 生的热量产 体积内由于

35、反应 微元时间、微元 料带走的热量 微元体积的物 微元时间内离开 所带进的热量 微元体积的物料 微元时间内进入 由于是间歇操作，可取整个釜作为衡算单元。 量积累速度 反应器中热 传给环境的热量 单位时间内体系 反应的放热量 单位时间内 59 设Q1、Q4分别为时刻t时物料带入、带出微元体积的热量；Q2 表示时刻t时间壁传热量；Q3表示时刻t时化学反应产生的热； Q5表示时刻t时热累积量，于是： Q1 = Q4 = 0 )( 2 TsTKAQ dt dx nqVrqQ A ArRAr03 = 5 dt dT CnQ i v i 60 由热量守恒方程知(假定传热剂从系统取热) Q5 = Q1Q2

36、+ Q3Q4，所以 式中： qr为以组份A为基准基准的摩尔反应热，放热反应取正直； nA0为A组份的起始摩尔流量； ni、Cvi分别表示反应器中的组份i的摩尔数和定容摩尔热容摩尔热容； dT为物料在dt时间间隔内温度的变化； K为总传热系数； A为反应釜的传热面积； T为反应物温度； Ts为传热介质温度 *)(- 0 TsTKA dt dx nq dt dT Cn A Arivi 61 由此可见，对于一定的反应物系，反应温度反应温度、关 键组份的转化率转化率都取决于物系与外界的传热速率传热速率. 另一方面，对于非等温过程，由于其反应速率常反应速率常 数数是随温度的变化而变化的，所以，要想准确描

37、 述反应温度、关键组份的转化率随反应时间的变 化关系，须联立热平衡方程与动力学方程(物料 平衡方程)求解。 62 当Q2=0，即绝热情况下，热平衡方程为 dt dx nq dt dT Cn A Ar i Vi0 = 起始条件 积分上式得 *)-( 0 0 0 AA i v i Ar xx Cn nq TT T0、xA0分别为反应开始时的物系温度及A组份的转化率 此式称为间歇釜式反应器的绝热方程，表明绝热条件 下，反应温度与转化率成线性关系。 63 若平均热容可视为常数，绝热方程可表达为 *)( 00AA xxTT v Ar C yq 0 其中 称为绝热温升，其物理意义为反应物中的A组份完 全转

38、化时，引起物系温度变化的度数。 思考 就间歇釜式反应器而言，该绝热方程有哪些应用？ 若以yA0表示组份A的初始摩尔分数，则 *)-( 0 0 0AA v Ar xx C yq TT 64 3.间歇反应器恒温操作计算 即要使反应在等温下进行，反应放出(或吸收) 的热量必须等于体系与换热介质交换的热量。 应用：求换热面积。 0 dt dT )( 0 TsTKA dt dx nq A Ar 若为恒温过程 qTTKAVqr SRrA )( 65 4.等温间歇操作反应器的放热规律 为了保持在等温下进行操作，化学反应过程所产生的 热效应必须与外界进行热交换，而且反应系统与外界 交换的热量应该等于反应放出的

39、热量（放热反应）或 吸收的热量（吸热反应），其关系式可以下式表示 R rA V q qr= q 反应系统与外界传热速率kJ/h 上式变形为RrA Vqrq = 因为反应物料VR和等温下进行的热效应qr均为定值， 所以传热量变化规律可以根据化学反应速率来确定。 对于不同反应，则可按照其化学反应动力学方程式进 行具体计算。 66 例3-9 设在间歇釜式反应器中进行某二级不可逆反应 A+BR。已知反应热为33.5kJ/molA；反应物平 均热容为1980kJ/(m3K)。反应速率 rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s)，A 和B的初浓度分别为4.55kmol/m3

40、和5.34kmol/m3 ， 在反应物预热预热到326.0K后，从326.0K开始在绝绝 热热条件下进行反应，在温度达到373.0K时开始等等 温温反应。计算A的转化率达到0.98所需要的时间； 若反应始终在373K等温进行，所需反应时间 又是多少？ 67 解：绝热反应过程的转化率和温度的关系由 绝热方程确定。注意到反应开始时混合物中 不含产物，即xA0=0，所以 A ii Ar x Cvn nq TT 0 0 A Rii A x VCvn Cq TT / 0r 0 右端分子分母同除 反应体积VR，得 右端分母即是以kJ/(m3K)给出的反应混合物平均热容 A xT98.760 .326 68

41、 rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s) 1.371012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0 xA) 所以 A x A A A r dx Ct 0 0 A x AABA A A xCCx dx x 0 00 )(1 (1037. 1 ) 98.760 .326 12628 exp( 12 69 可知由 A xT98.760 .326 当绝热反应到373.0K开始等温反应时, xA=0.6105 绝热反应23.1min，A的转化率达到0.6105后，开 始在373.0K维持等温反应，至xA=0.98止 于是 t绝热 = 23.1min

42、 98. 0 6105. 0 00 )(1 (1037. 1 ) 12628 exp( 12 AABA A xCCx dx T t等温 min8 .14 70 所以，先绝热再等温的总反应时间是37.9min 若反应始终再373.0K下等温进行，则 98. 0 0 00 )(1 (1037. 1 ) 12628 exp( 12 AABA A xCCx dx T t等温 min4 .16 思考 为什么先绝热后等温的反应时间较始 终等温的长？ 71 例3-10邻甲氧基重氮盐水解反应生成邻甲氧基苯酚 OCH3 CuSO4 OH H2SO4N2 OCH3 N2SO4H + + H2O + 反应动力学式为

43、rAkCACB,以硫酸铜为催化剂，反应 温度96时2. 2 X 10-3M3/(kmolmin)，重氮盐的 初浓度CAO为0.25 kmol/m3，水初浓度CBO为5 kmol/m3， 化学反应热效应qr为502kJmol。在间歇搅拌锅中进 行，重氮盐的终点转化率为0.8，夹套冷却水进出口温 度分别为22和30。求生成100 kg甲氧基苯酚过程 中放热量、冷却水用量随时间变化的关系。 72 解：因为液相体积视为不变，过程作为等温等容计算 CAO=0.25 kmol/m3 CBO=5 kmol/m3 CA=CA0（1-xA）， CB=CB0-CA0 xA rA=k CA CB= k CA0（1-

44、xA）（CB0-CA0 xA） 则 0 0 A x A A A r dx Ct = xA AABAA A A xCCxkC dx C 0 000 0 )(1 ( = A A B A B A B x x C C C C kC 1 1 ln )1 ( 1 0 0 0 0 0 = A A x x 1 )5/25. 0(1 ln )5/25. 01 (5102 . 2 1 3 73 简化为： )694.95/exp(05. 0 )694.95/exp(1 t t xA 式RrA Vqrq = 中 dt dxC dt dC r AAA A 0 则 Rr AA Vq dt dxC q 0 = A x Ar

45、RA t dxqVCdtq 0 0 0 )( 74 积分得 ArRA xqVcqt)(= 0 上式中qt即为反应进行至t时总需传出热量，亦即反 应总放热量，以Qt表示：Qt=NA0qr xA 式中NA0为A的投料总摩尔数，终点转化率为0.8，则 AAr P xxq N Qt502 8 . 0124 10100 8 . 0 3 即 Qt=5.06105xAkJ 所需冷却水量为 kgx x C Q G A A P t t 5 5 10151. 0 )2230(18. 4 1006. 5 水 75 取一定的时间间隔t=30min，计算不同 xA、Qt、 Gt及Q、G之值如下表 t （ min） xA

46、 Qt （kJ） Gt （kg） t （ min） Q （kJ） G （kg） 0 30 60 90 120 150 0 0.279 3 0.478 6 0.621 7 0.725 0 0.800 0 0 14116 0 2419 00 3142 50 3664 60 4042 90 0 4220 7240 9400 1096 0 1209 0 0 30 30 30 30 30 0 14116 0 1007 4 7236 0 5221 0 3783 0 0 4220 3020 2160 1560 1130 76 3.5 半间歇釜式反应器半间歇釜式反应器 1、半分批操作形式 （）此种操作主要适应于以下几 种情况 可以在沸腾温度下进行的强放热反 应，用气化潜热带走大量反应热； 要求严格控制反应物A浓度； 浓度高，A和C浓度低对反应有 利的场合； 可逆反应。 77 （）主要适用于以下情况： 要求严格控制锅内的浓度防 止A过量副反应增加的情况； 保持在较低温度下进行的放热 反应; A浓度低，浓度高对反应有 利的情况。 78 （）这种操作可以严格计 量控制、