釜式反应器ChapterTankReactorPPT学习教案

1、会计学1釜式反应器釜式反应器ChapterTankReactor第1页/共64页 釜式反应器概述釜式反应器概述第2页/共64页 釜式反应器概述釜式反应器概述第3页/共64页 釜式反应器概述釜式反应器概述第4页/共64页第5页/共64页等温等温 BR 的的Vr计算计算第6页/共64页Ax0RAA0At0rA0ARAA0AAA0AAARAVrdxndttdtdxnVrdxndnx1nndtdnVr00AAAA分离变量积分：物质量的累在反应器内单位时间内积物质量反应掉的单位时间物质量流出的单位时间物质量流入的单位时间第7页/共64页。A0AccnAAkcdct第8页/共64页)(00ttQVr1.反

2、应体积 t t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。一定转化率时所经历的时间。计算关键计算关键t t0 0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。经验给定经验给定操作时间操作时间等温等温 BR 的的Vr计算计算2.2.反应器的体积反应器的体积 fVVrf：装填系数 ，由经验确定,一般为 0.40.85第9页/共64页00 QQ对非稳态操作，反应时间内：对非稳态操作，反应时间内：01dtdnrViMjjijr物料衡算式物料衡算式则物料衡算通式变形为：则物料衡算通式变形为：等温等温 BR

3、 的计算的计算00dtdXnVAAArRAfXArAAVdXnt00)( R恒容反应AfXAAAdXct00)( R0,0AXt 单一反应fAXAAArdXct 00第10页/共64页101) 1(1)1 (AAfkcXtAfXkt11ln1等温等温 BR 的计算的计算第11页/共64页例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02 mol/L，反应速率常数等于，反应速率常数等于4.6 L/(mol

4、 min)。试求。试求乙酸乙酯乙酸乙酯转化率分别达到转化率分别达到 80、90和和 95时的反应时间。时的反应时间。解：解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH523523BA AfXAAAdXct00)( RAfXAAAAXkcdXc02200)1 (AAAXXkc110得：得： XA=80%，；，； XA=90%，；，； XA=95%，第12页/共64页对各组分作物料衡算对各组分作物料衡算(恒容条件恒容条件)：系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅二式是独立的。二式是独立的。对对A：对对P：对对Q：0)(21dtdcckkAA01dtd

5、cckPA02dtdcckQA等温等温 BR 的计算的计算AQAPckrQAckrPA21 第13页/共64页)(021tkkAAecc)(2101211 tkkApekkckcAAccnkkt0211)(2102211 tkkAQekkckc00 0 0QPAAcccct，时，设等温等温 BR 的计算的计算AQAPckrQAckrPA21 第14页/共64页平行反应物系组成与反应时间关系示意图平行反应物系组成与反应时间关系示意图PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意时刻两即：任意时刻两个反应产物浓度个反应产物浓度之比，等于两个之比，等于两个反应速率常数之反应速率常数之比比等温等温

6、 BR 的计算的计算第15页/共64页将上述结果推广到含有将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统个一级反应的平行反应系统 ：)(01MiktAAecc反应物反应物A A的浓度为的浓度为：1 )(101MiktMiAiiekckc反应产物的浓度为反应产物的浓度为：反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。等温等温 BR 的计算的计算第16页/共64页对对A作物作物料衡算：料衡算：AAckdtdc1对对P作物作物料衡算：料衡算：PAPckckdtdc21等温等温 BR 的计算的计算QPAtkAAecc10)(122101tktkAPeekkckc1 2

7、112021kkekekcctktkAQ00 0 0QPAAcccct，时，设第17页/共64页0dtdcP令令：2121)/(kkkkntopt得得：等温等温 BR 的计算的计算第18页/共64页第19页/共64页第20页/共64页态。Af1AAf0ARRAfAf0A1A0ArxxFV0Vrx1Fx1F整理得：积累量反应量排出量进入量第21页/共64页物料衡算式物料衡算式对稳态操作，有：对稳态操作，有：0dtdniKirVQccQMjjijrii,2,1100 则物料衡算通式变为：则物料衡算通式变为：AAArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV 单一

8、反应第22页/共64页进料体积流量反应体积0QVr（因次：时间） , Q o处理能力表明 rAArVcFVQ0001 空速空速：-1:时间因次第23页/共64页对关键组分对关键组分A A有：有：对目的产物对目的产物P P有：有：对副产物对副产物Q Q有：有：三式中有两式独立，可解三式中有两式独立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者关系三者关系AAfArckkXcQV)(21000 010pAprcckcQV设，0 020QAQrcckcQV设，第24页/共64页AAfArckXcQV100对中间产物对中间产物P P：0 0210ppAprcckckcQV设，对最终产物对最终产物Q Q

9、：0 020QPQrcckcQV设，对关键组分对关键组分A A有：有：三式中有两式独立，可解三式中有两式独立，可解VrVr、X XA A、Y YP P三者关系三者关系第25页/共64页小结：等温反应釜的设计方程小结：等温反应釜的设计方程AAArcc)(0RBAQAPAQPAAfXAAArdXct0001dtdcckAA0)(21dtdcckckPPA0)(21dtdcckkAA01dtdcckPAAAfAckkXc)(210Apckc1AAfAckXc10pApckckc21第26页/共64页AACSTRrXc0XAABRrdXct00BR和和CSTR反应体积的比较反应体积的比较第27页/共6

10、4页第28页/共64页 正常动力学正常动力学ABDEF2AXAX1AXAR10HK)(2200AAAArXXcQVR单釜)()()(212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVRR两釜串联1.1.图解分析图解分析第29页/共64页正常动力学，转化速率正常动力学，转化速率 随随X XA A增加而降低。增加而降低。多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。)(AR对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。( (但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）反常

11、动力学，转化速率反常动力学，转化速率 随随X XA A增加而增加增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。)(AR1.1.图解分析图解分析 小结小结第30页/共64页假设：假设：各釜体积相同，且各釜各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，的进料可近似认为相等，则各釜的空时则各釜的空时 相等。相等。 各釜操作温度相同，各釜操作温度相同，则各釜的速率常数则各釜的速率常数 k k 相等相等。)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR对第对第P P釜作组分釜作组分A A的物料衡算：的物料衡算：第31页/共64页对对一级不可

12、逆反应：一级不可逆反应：)1 (0AAXkcrNPXkXXQVApApAprp, 2 , 1,)1 ()(10 )()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR)1 (10ApApAprXkXXQV ANNXk11)1 ( 1)11(11NANXkN个釜个釜ApApXXk1111注意：注意：其中的其中的 为单釜空时，总空时为为单釜空时，总空时为N 。第32页/共64页.12121010021ANANANAAAAAAXXXXXXArNrrrcQVVVVRRR 对单一反应，总反应体积为：对单一反应，总反应体积为：1, 2 , 1, 0NPXVApr 据此求得各釜的

13、转化率，从而求得 此时 最小。rpVrV第33页/共64页单釜优于串联釜，积。串联总体积等于单釜体，各釜体积依次减小。，各釜体积相等。，釜在前，大釜在后。各釜体积依次增大，小， 0 0 10 1 1第34页/共64页第35页/共64页 对于复杂反应，目的产物的收率和选择性是非常重要的，反映了原料的有效利用程度。收率和选择性与反应器的型式，操作方式和操作条件密切相关。第36页/共64页ApAppAAppAdXdYdndnS)()(RR瞬时瞬时收率瞬时选择性:pYS 1.1.总收率与总选择性总收率与总选择性AfoXApfXSSdXYAf0则：则：ApSdXdY 总收率或最终收率:pfY最终转化率:

14、AfX总选择性:oSAfXAAfoSdXXS01 第37页/共64页 总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反应器总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反应器形式和操作方式等。因此，同是釜式反应器，由于操作形式和操作方式等。因此，同是釜式反应器，由于操作方式不同，虽然最终转化率一样，但最终收率却不一样方式不同，虽然最终转化率一样，但最终收率却不一样。1.1.总收率与总选择性总收率与总选择性 当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时，当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时，收率顺序：收率顺序： 间歇釜多个连续釜串联单一连续釜间歇釜多个连续釜串联单一连续釜 当瞬时选择性随关键组分转化

15、率增大而单调下降时，当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时，收率顺序：收率顺序： 间歇釜多个连续釜串联单一连续釜间歇釜多个连续釜串联单一连续釜第38页/共64页 注意注意：(1) 瞬时收率可能随时间变化。间歇反应器就是一例；(2) 对于连续反应器（在定态下操作），瞬时选择性不随，时间变化，但可能随位置变化，这时要用到总收率，其定义为： YPf是总收率，针对整个反应器而言的。如果用S0表示总选择性(对整个反应而言)，那么 AfXApfSdXY0AfopfXSYAfAXXAAAfoSdXXXS001 第39页/共64页 讨论：(1) XA时，S的情形釜式反应器的最终收率第40页/共64页 对

16、于间歇釜式反应器 =整个曲边梯形的积分面积对于连续釜式反应器从图中可以看出,多釜串联系统介于间歇釜式反应器和连续釜式反应器之间，即:0A fXP fAYS d X间PffAfYSX连PfPfPfYYY间间连=矩形的面积(2) 第41页/共64页 2. 平行反应设在釜式反应器中进行平行反应： A+BPA+BQ 假设P为目的产物，则瞬时选择性为 :111QABrk C C111PABrk CC11112221211212111ABABABABkC CSkkC CkC CCCk 第42页/共64页 反应组分A和B的浓度CA、CB，以及温度T均对选择性S有影响。可以根据 和的相对大小，选择适当的反应组

17、分浓度和温度，来提高反应的选择性S。 21EE2121 反应器中各组分的浓度与反应器型（釜式、管式）、操作方式、加料浓度、原料配比，以及加料方式等因素密切相关。第43页/共64页 例如：(1)如果要求CA，CB，选择（a）间歇釜（b）多釜串联（如果体积不等，从小到大排列）（请说出原因，为什么是这样的？）。(2)如果要求CA，CB，单釜连续操作（f），如果串联最好从大小排列（为什么是这样呢？）。 (3)如果要求CB，CA，选择（d）B先加入，A流加。第44页/共64页 在等温间歇反应器中，可以得到最佳反应时间 3、 连串反应假设如下的连串反应均为一级，P为目的产物12kkAPQ 第45页/共64

18、页目的产物P的最佳收率但如果是在连续釜式反应器进行上述连串反应，最佳空时（不是反应时间）和最佳收率又怎样呢？第46页/共64页 首先根据物料衡算式，有 和和120120ppApAprCVCk Ck CQkCkC （）0001110AAAAArCCCVCQkCkdV第47页/共64页 即 这样就可以得到：由导数11212111AApk Ck CCkkk 101211pApCkCYkk0pdYd第48页/共64页最佳收率为：目的产物收率与组成的关系可以表示为：即0011011/1AAAAAAAAACCCCXkCkCCkX021111ppAAAAAACk XYCkk XXXX第49页/共64页 当k

19、1=k2时，而对于间歇釜式反应器，则有：请看下图，对比间歇釜式反应器和连续釜式反应器性能的差别。 1pAAYXX第50页/共64页 间歇及连续釜式反应器进行连串反应时的反应率和收率在相同条件下， 应该特别关注最大收率的轨迹线。 PBPMYY第51页/共64页 注意可以通过改变操作温度的办法来改变k2/k1 的相对大小，但无论E2和E1相对大小如何，一般采用较高的反应温度，以提高反应器的生产程度；可以使用催化剂来改变k2/k1当然，如果Q是目的产物，问题就简单多了。采用反应时间t、空时的办法即可。 第52页/共64页第53页/共64页第54页/共64页 间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应

20、小时，近似等温可以办到，如果热效应大时，很难做到； 温度会影响到和反应器的生产强度等,很多时候变温的效果更好,pAXYr第55页/共64页Uq即：与环境交换的热即：与环境交换的热= =内能的变化内能的变化变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器HqdHdq 间歇釜式反应器间歇釜式反应器用焓变代替内能的变化用焓变代替内能的变化 CBACBArTHHT31 2dHTrTr为计算的基准温为计算的基准温度度第56页/共64页)(1TTcmdtcmHrpttTTpttr)(3rpttdTTTpttTdtTcmdtcmHr（单一反应） RdtVHdHrAr)(2变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器dtVHdtcmH