第三章均相反应器的设计

1、1第三章第三章 均相反应器设计均相反应器设计23.1 概述概述 一、反应器设计的基本内容一、反应器设计的基本内容 最终目标：最终目标：经济效益最大（应该包括整个过程）经济效益最大（应该包括整个过程）反应器设计的基本内容：反应器设计的基本内容：1、选择合适的反应器类型、选择合适的反应器类型2、确定最佳操作条件、确定最佳操作条件3、计算完成规定的生产任务所需的反应器体积、计算完成规定的生产任务所需的反应器体积33.1 概述概述 二、反应器设计的基本方程二、反应器设计的基本方程 物料衡算式（描述浓度变化）物料衡算式（描述浓度变化） 能量衡算式（描述温度变化）能量衡算式（描述温度变化） 动量衡算式（描

2、述压力变化）动量衡算式（描述压力变化） =iiii关键组分关键组分关键组分关键组分的输入速率的输出速率的累积速率的转化速率=单位时间内单位时间内单位时间单位时间内输入的热量输出的热量的反应热累积的热量=输入的输出的消耗的累积的动量动量动量动量43.1 概述概述 动力学方程式：描述反应的变化情况动力学方程式：描述反应的变化情况 BAAAckcVdtdnr如果反应器内各处浓度均一，恒算的控制体可选如果反应器内各处浓度均一，恒算的控制体可选择整个反应器；如果反应区内存在两个或两个以择整个反应器；如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各处的反应物组成未必相同，上相态，反应体积内各处的反应物组成

3、未必相同，这时只能选择微元体积作为控制体。这时只能选择微元体积作为控制体。53.1 概述概述 三、均相反应系统三、均相反应系统均相反应器的特征：均相反应器的特征： 物料在反应器内已达到分子尺度的均匀，混合时物料在反应器内已达到分子尺度的均匀，混合时间远小于反应时间。间远小于反应时间。 实现途径：实现途径： 1、机械搅拌、机械搅拌2、湍流脉动、湍流脉动3、分子扩散、分子扩散 考察一个反应过程是否为均相反应考察一个反应过程是否为均相反应过程，不应仅仅着眼于反应物系的过程，不应仅仅着眼于反应物系的相态，更重要的是考察微元尺度的相态，更重要的是考察微元尺度的传递过程是否会影响反应效果。传递过程是否会影

4、响反应效果。63.1 概述概述 四、理想反应器的主要类型四、理想反应器的主要类型 间歇釜式反应器（分批加料）间歇釜式反应器（分批加料） Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)连续釜式反应器（连续加料）连续釜式反应器（连续加料） Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 理想管式反应器（连续加料）理想管式反应器（连续加料） Plug Flow Reactor (PFR) 73.2 间歇釜式反应器间歇釜式反应器 反应体积反应体积Vr反应器体积反应器体积V有反应发生的空间体积有反应发生的空间体积反应体积反应体积+预留空间体积预留空间体积间

5、歇反应器的设计参数：间歇反应器的设计参数：（1）反应时间）反应时间t；（2）反应体积）反应体积 Vr8一、特点一、特点 分批装料、卸料分批装料、卸料适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、试剂、助剂等生产。医药、试剂、助剂等生产。 操作时间操作时间=反应时间反应时间+辅助时间（装料辅助时间（装料+卸料卸料+清洗）清洗）反应器内浓度及温度处处相等反应器内浓度及温度处处相等 3.2 间歇釜式反应器间歇釜式反应器 9二、物料衡算和能量衡算方程二、物料衡算和能量衡算方程 3.2 间歇反应器间歇反应器 控制体控制体 整个反应器体积整个反应器体积非定态操作

6、非定态操作 反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变 可忽略压力变化（常用于液相反应）可忽略压力变化（常用于液相反应） 描述反应器的数学模型包括物料衡算和能量衡算。描述反应器的数学模型包括物料衡算和能量衡算。 103.2 间歇反应器间歇反应器 A + B C + D -=AAAA 在反应器内单位时间流入单位时间内单位时间内的物料 的量流出的 的量反应掉 的量的积累速度00-ArVAd ndtAAd nrVdt 01AAdnxdt0AAdxndt AAAdxndtVr00AxtAAAdxndtVr000AAAxcAAAcAAdxdctcrr衡容过程

7、衡容过程三、等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）三、等温间歇釜式反应器的计算（单一反应） 113.2 间歇反应器间歇反应器 II 一级不可逆反应一级不可逆反应 AAkcr)(AAccAAkcdct0AAcckt0lnAxkt1lnktAAecc0ktAex1 I 零级不可逆反应零级不可逆反应 krA)(AAccAkdct0AAcckt0AAxckt10ktccAA0tccxAAA/ )(0一级不可逆反应，反应时间与反应物料起始浓度无关一级不可逆反应，反应时间与反应物料起始浓度无关000AAAxcAAAcAAdxdctcrr123.2 间歇反应器间歇反应器 III 二级不可逆反应二级不可逆反应

8、011AAccktktcccAAA001ktcktcxAAA001 III n级不可逆反应级不可逆反应 )(11101nAnAccnktktcnxnAnA101) 1(1)1 (nAnAcnktc101) 1( 反应体积：反应体积： 00ttQVrQ0为单位时间内处理的为单位时间内处理的反应物料的体积反应物料的体积t0为辅助时间（经验）为辅助时间（经验）133.2 间歇反应器间歇反应器 例题：例题：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯乙酯12000kg，其化学反应是为，其化学反应是为原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量

9、比为A:B:S:=1:2:1.35，反应液的密度为，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助时间为等辅助时间为1h。反应在。反应在100 0C下等温操作，起反应速率方程如下等温操作，起反应速率方程如下：下：KcccckrSRBAA/1100 0C时，时，k1=4 .7610-4L/(molmin)，平衡常数，平衡常数 K=2.92。试计算。试计算乙酸转化乙酸转化35%时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应器填充系数取器填充系数取0.75，则反应器的实际体积

10、是多少？，则反应器的实际体积是多少？00ttQVr143.2 间歇反应器间歇反应器 kmol/h23.1635. 0248812000:每小时的乙酸用量解：解：:135. 4原料液量间的乙酸，由此可求单位时原料液中含知，原料液中各物质的比例kgkg/hm155. 4102035. 46023.1630qQ原料液的起始组成为mol/L155. 423.160Ac10.2mol/L46260908. 30Bcmol/L59. 711835. 160908. 30Sc)1 (0AAAxcc浓度的转化率表示各物质的用AAABBxccc00AARxcc0AASSxccc00153.2 间歇反应器间歇反应

11、器 得代入速率方程，整理后dtdxcccxbxakrAAAAAA02021KcKccccbccaASABAB/11/1 /000000，其中，axacbbaxacbbacbckcxbxadxcktAfAfAxAAAAAf2424ln4112220102016575. 015. 561. 2cba，min8 .118t300m38.12160/8 .118155. 4ttQVr3m51.1675. 0/38.12V16最优反应时间最优反应时间 量单位操作时间的产品产0ttcVFRrR0200ttcdtdcttVdtdFRRrR0ttcdtdcRR单位时间产物产量最大单位时间产物产量最大所必须满足

12、的条件所必须满足的条件说明：目标函数不同，结果不同。说明：目标函数不同，结果不同。（1）如从单位产品所消耗的原料量最少着眼，则反应时间越长，原料单耗）如从单位产品所消耗的原料量最少着眼，则反应时间越长，原料单耗越少；越少；（2）以生产费用最低为目标，则需满足）以生产费用最低为目标，则需满足其中其中a为单位时间内反应操作费用；为单位时间内反应操作费用；a0为辅助操作费用；为辅助操作费用；af为固定费用。为固定费用。 aatatcdtdcfRR/ )(0017四、等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）四、等温间歇釜式反应器的计算（复合反应） 1、平行反应平行反应 PAQAAPckr1AQckr2 主

13、反应主反应 021dtdnckkVAAr01dtdnckVPAr021dtdcckkAA01dtdcckPAAAAXkkcckkt11ln1ln1210210,00QPAAcccct时A的转化率的转化率 tkkccAA210exptkkkkckcAP212101exp1目的产物的产量目的产物的产量 18PAAQcccc0tkkkkckcAQ212102exp121kkccQP0AcAPQtc A i k i ),.2 , 1( MickrAiiMjiAAktcc10expMjiMjiAiiktkckc110exp1 通式：通式： 193.2 间歇反应器间歇反应器 作业作业1、 反应如下：反应如

14、下： A+BP rP=2cA kmol/(m3h) 2AQ rQ=0.5cA2 kmol/(m3h) 初始状态：初始状态：cA=cA=2 kmol/m3 目的产物为目的产物为P，求，求3h后后A的转化率及的转化率及P的收率。的收率。203.2 间歇反应器间歇反应器 2、连串反应连串反应 A P Q k 1 k 2 AAckdtdc1tkAAcc1e00 :00QPAAcccct，AAAXkcckt11ln1ln1101PAPckckdtdc21tkAAcc1e0t-kAPPckckdtdc1e012tktkAPkkckc12ee210121kkP为目的产物2121/lnkkkktopkkkP2

15、1 为目的产物ktop1213.2 间歇反应器间歇反应器 21kk 21120021ee1kkkkccccctktkAPAAQt0AcAPQc top 223.2 间歇反应器间歇反应器 作业作业2、对下列反应：对下列反应： NH3 (A) +CH3OH (M) CH3NH2 (B) +H2O r1=k1cAcM CH3NH2 + CH3OH (CH3)2NH+H2O r2=k2cBcMk1/k2=0.68求一甲胺的最大收率和相应的氨的转化率。求一甲胺的最大收率和相应的氨的转化率。 k 1 k 2 xA=0.7004YB,max=0.4406231列与反应相同个数的设计方程，列与反应相同个数的设

16、计方程，且方程中至少包括每步反应的一且方程中至少包括每步反应的一个组分；个组分；2根据反应条件，确定定解条件；根据反应条件，确定定解条件；3解方程（组），求出反应时间；解方程（组），求出反应时间；4Vr = Q0 (t+t0 )5V = Vr / f间歇反应器的设计步骤：间歇反应器的设计步骤： 装料系数，常在装料系数，常在0.40.85，对于沸，对于沸腾或易发泡液体腾或易发泡液体反应物料取反应物料取0.40.6；对一般；对一般液体物料，取液体物料，取0.70.853.2 间歇反应器间歇反应器 243.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR 一、单个连续釜式反应器的相关计算一、单个连续釜式反

17、应器的相关计算 （1）定态下操作）定态下操作 （2）等容下反应）等容下反应 A00cQ，AcQ，KirvVQccQjMjijrAA,.,2 , 1 ,1000K,.2 , 1 100irvccQVMjjijiir 00AAArccQV 00AfAAfArxxcQV25例题：例题：用连续釜式反应器中进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生用连续釜式反应器中进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯产乙酸乙酯12000kg，其化学反应是为，其化学反应是为原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A:B:S:=1:2:1.35，反应液的密度为，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。

18、反应在，并假定在反应过程中不变。反应在100 0C下等温操下等温操作，起反应速率方程如下：作，起反应速率方程如下：KcccckrSRBAA/1100 0C时，时，k1=4 .7610-4L/(molmin)，平衡常数，平衡常数 K=2.92。试计算。试计算乙酸转化乙酸转化35%时所需的反应体积。时所需的反应体积。3.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR A B R S263.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR KxccxccxccxccrAASAARAABAAAA/00000000KcccckrSRBAA/1321078. 444.3797.18AAxxh)kmol/(m387.

19、 03300m68.14AAArrxcQV反应器CSTRBRVr / m314.6812.38Ax0A-1间歇反应器是变速操作，开始时反应速率间歇反应器是变速操作，开始时反应速率最大，终了时最小，而连续式反应器是等最大，终了时最小，而连续式反应器是等速操作，且恰恰是在相应于间歇反应器的速操作，且恰恰是在相应于间歇反应器的最小反应速率下操作，反应体积自然就增最小反应速率下操作，反应体积自然就增大。大。273.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR 0进料体积流量反应体积空时QVrArAfAVxcQ0 生产能力-1 （空时）空速空速空时越小，表示该反应空时越小，表示该反应器的处理物料量越大。器

20、的处理物料量越大。 空速越大，反应器的生空速越大，反应器的生产能力越大。有质量空产能力越大。有质量空速和体积空速之分。速和体积空速之分。 283.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR 二、连续釜式反应器的串联与并联二、连续釜式反应器的串联与并联 1、CSTR 的串联的串联 Q0 xA1 xA2 293.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR 00AfAAfArxxcQVABDEFHKAxA1xA2x0A-1正常动力学正常动力学 反常动力学反常动力学 AxA1xA2x0A-1GMNP对对CSTR，两釜串联所需总的反应，两釜串联所需总的反应体积要小于单釜；体积要小于单釜；串联的釜数越多，

21、所需总的反应串联的釜数越多，所需总的反应体积越小。体积越小。故对正常动力学，使用多釜串联故对正常动力学，使用多釜串联总是比单釜有利。总是比单釜有利。303.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR 2、 CSTR 的并联的并联 xAf Q0 xA1 xA2 c0 Q01 Q02 c1 c2 Vr 2 Vr 1 )()(00 AAANrNccQV N rsrNVV313.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR 同一处理量，对BR只计反应时间，达到相同转化率所需的反应体积正常动力学单釜多釜串联宜采用串联操作（零级反应相等）=等体积多釜并联BRCSTR零级反应相等反常动力学单釜多釜串联宜采用并

22、联操作（零级反应相等）=等体积多釜并联BRCSTR零级反应相等323.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR 三、串联釜式反应器的计算三、串联釜式反应器的计算 )(11,0 MjjijpipiprrvccQVMjKiNp,.,2 , 1,.,2 , 1,.,2 , 1计算基准：第一个反应器的入口，逐釜计算计算基准：第一个反应器的入口，逐釜计算一般情况下，釜数越多，总反应体积越小，但釜数增多，相应的管一般情况下，釜数越多，总反应体积越小，但釜数增多，相应的管道阀门和控制仪表等也要增多，操作的复杂程度也随之增加。道阀门和控制仪表等也要增多，操作的复杂程度也随之增加。 333.3 连续釜式反应器

23、连续釜式反应器 CSTR 各釜的反应体积间的比例也是一个优化问题。各釜的反应体积间的比例也是一个优化问题。前提：釜数及最终转化率一定前提：釜数及最终转化率一定目标：总反应体积最小目标：总反应体积最小rNrrrVVVV.21ANANANAAAAAAAxxxxxxcQ121210100.反应级数a1小釜在前，大釜在后=1各釜相等0a1大釜在前，小釜在后=0与排列方式无关多釜串联多釜串联单一釜单一釜II S随随xA增加二单调上升增加二单调上升间歇釜间歇釜多釜串联多釜串联单一釜单一釜四、连续釜式反应器中复合反应四、连续釜式反应器中复合反应 353.3 连续釜式反应器连续釜式反应器 CSTR 1、平行反应、平行反应 获得选择性和收率：获得选择性和收率：（1）满足有利的浓度和温度条件；）满足有利的浓度和温度条件；（2）反应器的型式及操作方式、所采用的原料浓度及配比以）反应器的型式及操作方式、所采用的原料浓度及配比以及加料方式等有关。及加料方式等有关。（3）E主主=E次次时，反应的瞬时选择性与温度无关，一般选择较时，反应的瞬时选择性与温度无关，一般选择较高温度，以提高反应器的生产强度；高温度，以提高反应器的生产强度； E主主E2，温度越高，则，温度越高，则k2/k1越小，则收率越大；越小，则收率越大； E1E2，情