第三章釜式反应器ppt课件

1、第三章 釜式反响器 3.1反响器中流体的流动模型 研讨流动模型的目的： 本章讨论流动模型与化工原理流体动力学的流动模型不是一回事，这里是指流体流经反响器时的流动和返混情况。建立各种流型的数学模型研讨粒子在反响器的停留时间分布，目的是进展反响器体积和反响率的计算。流动模型：是指流体流经反响器时的流动和返混的情况。对各种流动模型进展的数学描画就得到流动的数学模型。化工消费中有许多型式的反响器，如管式、槽式等。这些反响器中流体流动的情况很复杂。但在众多的反响器中，就流体的返混情况而言，可以笼统出两种极限的情况。活塞流反响器：完全没有返混全混流反响器：返混到达极大值实践消费中的多数管式反响器、固定床催

2、化反响器都可作为活塞流反响器处置。实践消费中的多数槽式反响器都可作全混流反响器处置。在这两种理想流动反响器的根底上，经过适当修正和组合，可以得到比较符合实践多种非理想流动模型。例如在活塞流模型根底上思索轴向返混的返混模型、思索流速分布的层流模型等。在全混流根底上开展的多级串联全混流模型等。工业消费中的反响器，在进展逗留时间测定的根底上可以用这些修正的非理想流动模型而描画。例如：分散模型、多级理想混合模型以及各种组合模型等等都属于广泛采用的非理想流动模型。为什么要研讨流动模型？流体在反响器中的流动情况影响着反响率。反响选择性直接影响反响结果。研讨反响器的流动模型是反响器选型、设计和优化的根底。我

3、们知道，实践进展的化学反响，往往都伴随着传送过程动量、热量、质量传送，这些物理过程都会影响化学反响。例如：不均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对化学反响的程度和速率都有一定的影响。来自实验室的化学反响动力学数据，假设不计传送过程的影响，就会使反响机理、反响级数、活化能及选择性以及反响速率表达式发生错误而不能反映实践情况。此外，在反响器的模拟、放大、设计以及分析反响器的稳定性和可控性方面，都会有一定的影响。因此，只需弄清传送过程对化学反响的影响，才干正确地用化学动力学数据来进展反响器设计、模拟、放大和操作控制。研讨传送过程对化学反响的影响，首先要研讨流动模型。由于流动模型是传送过程的根底。只需在

4、流动模型确定之后，才干正确分析动量传送、传质、传热和化学反响等过程。本章的重点是论述流动模型的根本概念、讨论间歇反响器、理想混合反响器的设计计算。并对理想混合反响器的热稳定性进展讨论。在讨论反响器流体流动模型之前，先讨论流动过程与间歇过程的主要区别复习一、理想流动反响器的根本概念理想反响器：间歇反响器 流动反响器全混流、活塞流1.间歇反响器与流动反响器的区别1反响物系参数的变化情况不同间歇反响器：物料是间歇地参与和取出，物料不流动，反响的各种参数如温度、浓度、压力等随时间而变，但不随反响器内空间位置而变。流动反响器：物系参数只随位置而变，不随时间而变0)( , 0)(tMctcM0)( , 0

5、)(tMctcM2质点流动情况不同间歇：物料中的一切流体粒子流体粒子是能代表反响物系特征的微元。在反响器内的反响时间是一样的，不存在返混或逗留时间分布问题。反响物料质点不流动。流动：物料粒子在反响器内的逗留时间能够并不一样，能够存在着不同程度的返混和逗留时间分布问题。物料处于延续稳定流动。综上所述，二者的区别间歇反应器流动反应器加料方法间歇连续粒子停留时间相同可能不同（也可能相同，当理想置换时）0（即浓度随时间而变）=0（浓度不随时间而变）=0（浓度不随位置而变）0（浓度随位置而变）停留时间分布没有有（有的停留时间长，有的短）自变量时间空间位置Mtc)(tMc)(由于延续反响器有许多优点，化工

6、消费已广泛运用。下面着重讨论反响器的流动模型。延续流动反响器内流体的流动模型(1)活塞流反响器理想置换或挤出流反响器CAf、xAf出料出料进料进料V0 、CA0、XA0反响物料以稳定的流入速率进入反响器后，粒子平行地向前挪动。特征：1垂直于物料流向的任一截面上，一切的物系参数T、P、C、u都是均匀的一样的2一切的粒子在反响器内的停留时间都一样。0VVRi实践消费中属于理想置换的情况有：管式反响器：它的流型根本上是理想置换模型活塞流模型，特别是在长径比很大、流速较高时可看作是理想置换。 如：CH4+H2O=CO+3H2-Q1 CH4+2H2O=CO2+4H2-Q2固定床反响器近似：氨合成塔、CO

7、变换炉、SO2转化器实验用的膜式反响器可用于多相反响、均相反响液圆盘汽(2)理想混合模型全混流完全混合 反响物料以稳定的流入速率进入反响器后，新颖物料粒子与存留在反响器内的物料粒子在瞬间到达完全混合。高与直径相类似V0、CA0、XA0 T、CA、rA VR、 CAf、 XAf rAf、Tf 特征：1在反响器内各处的参数T、P、C一样，并等于反响器出口值。CA=CAf T=Tf rA =rAf 2)粒子在反响器内停留时间不同，参差不齐，构成一个逗留时间分布实践消费接近全混流反响器的有：剧烈搅拌的反响器例：普钙的消费Ca5PO43F+H2SO4 Ca(H2PO4)2+CaSO4+HF流化床 沸腾床

8、反响器 硫酸消费中硫铁矿的焙烧实验室用的无梯度反响器循环量出料量的反响器(3)非理想流动反响器为了进一步分析流动模型的本质，下面引见几个概念a、物料粒子的年龄与寿命 延续反响器内，物料中各个粒子的逗留时间能够并不一样，为了阐明逗留时间的长短，通常采用两种表示，年龄与寿命年龄：指存留在器内的粒子，在器内曾经逗留了的时间寿命：指粒子从进入反响器算起，到粒子分开反响器，粒子总共在反响器内逗留的时间二者的区别在于年龄是对依然停留在设备内的粒子而言。寿命那么对曾经分开反响器的粒子而言。所以说寿命也可以说是反响器出口处物料粒子的年龄。b、逆向混合返混指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，是指时间概念上的逆

9、向。理想置换模型：返混最小 理想流动反响器理想混合模型：返混最大非理想流动：介于最大和最小之间不同年龄的粒子混合4秒3秒3秒产生返混的缘由a、由于物料粒子与流体流向作相反的运动i 剧烈搅拌所引起的流动搅拌引起的再循环ii 对流 由于温度、密度不同而呵斥的气体从上往下走，在反响过程中放热，使气体温度升高、重力减小，气体有上浮趋势iii 分子分散或涡流分散从上到下的气体在反响过程中，浓度减小，所以有向上分散的趋势b、由于垂直于流向的截面上流速不均匀呵斥i 层流引起的径向流速不均匀ii 设备有死角，那么停留时间很长iii 沟流和短路存在滞流区死角短路沟流同样反响器，中间停留时间短，两边长，由于出口小

10、，上下粒子转弯处去呵斥增长填料层到一定高度作一槽，把气体引到中间，填料塔液体容易从壁留下，停留时间短，而其他停留时间长、逆向返混对化学反响的影响a、影响反响的转化率和选择性i 短路和沟流： 由于短路和沟流，使这部分粒子停留时间短、转化率下降，即x,从而降低了平均接触时间ii 死区和角循环：死区占据了反响器的有效空间相当于VR降低使其他粒子的停留时间缩短，转化率降低，即xiii 对需求严厉控制反响时间的化学反响来说，过长的时间反而使副反响添加，影响选择性产品性能b、影响化学反响速率流型不同，返混程度不同，使得物系参数T、C等不同，从而影响化学反响速率反响推进力随反响时间逐渐降低活塞流，出口推进力

11、最小H/D=8-10倍反响推进力随反响器轴向长度逐渐降低反响推进力不变，等于出口处反响推进力全混流从图中可明显看出，理想置换反响器推进力大，反响速度快，而返混使推进力下降，反响速率下降不同程度返混的两种反响器，CA0、CAf分别代表反响组分A的进、出口浓度，CA*为反响组分A的平衡浓度，由于反响都是在等温条件下进展，故CA*为常数。假设温度一样，进出口浓度一样，即CA0、CAf 、CA*都一样的条件下进展同一化学反响，那么理想置换反响器推进力最大。由于反响组分的实践浓度CA沿轴向长度而逐渐降低，但理想混合反响器实践浓度CA由进口处的CA0值瞬间降到出口处的CAf 值。故推进力小。除此之外，还有

12、一种中间型反响器： 二、 反响器设计的根本方程 工业反响器中化学反响的进展总是伴随着质量、热量以及动量的传送过程，这些传送过程对化学反响速率都有直接的影响。所以根据物热以及动量衡算得到计算反响器的根本方程，再结合化学反响的速率方程，就可以计算反响器体积。 1.物料衡算： 它是以质量守恒定律为根据的，对任何类型的反响器，都可作某一反响组分的物料衡算，假设反响器内物料均匀，可对整个反响器作物料衡算，否那么按微元反响体积进展。 反响组分A 的流入速率(1) 反响组分A 的流出速率(2) 反响组分A 的反响速率(3)反响组分A 的累积速率(4)上式是对反响物而言的，假设为反响产物，上式是对反响物而言的

13、，假设为反响产物，上面式子右边的第二项改为生成速率，并上面式子右边的第二项改为生成速率，并将其移至式子左边。将其移至式子左边。1对于单个反响，建立一个延续性方程。对于单个反响，建立一个延续性方程。2对于多个反响，找到描画反响过程所需对于多个反响，找到描画反响过程所需的关键组分的数目，然后找到适宜的反响的关键组分的数目，然后找到适宜的反响组分作为关键组分，分别对它们建立物料组分作为关键组分，分别对它们建立物料衡算式。复合反响系统，需建立多个物衡算式。复合反响系统，需建立多个物料衡算式料衡算式3多相反响：分别对每一项作物料衡算式，多相反响：分别对每一项作物料衡算式，添加了物料衡算式的数目。添加了物

14、料衡算式的数目。4对间歇反响器，反响期间无输入输出，对间歇反响器，反响期间无输入输出，1=0，2=05对流动反响器，对流动反响器，4=0，即，即1=2+36对于不稳定体系，如半间歇反响器，需求对于不稳定体系，如半间歇反响器，需求同时思索上式中的各项。同时思索上式中的各项。2、热量衡算：上式中反响组分、热量衡算：上式中反响组分A的反响量与反的反响量与反响过程的温度条件有关，计算非等温反响器的响过程的温度条件有关，计算非等温反响器的反响体积时，需同时思索物料衡算和热量衡算。反响体积时，需同时思索物料衡算和热量衡算。热量衡算是以能量守恒与转化定律为根底的。热量衡算是以能量守恒与转化定律为根底的。参与

15、反响器的热量参与反响器的热量1 带走的热量带走的热量2 反响热反响热3 累积的热量累积的热量4对于对于3吸热反响取正号放热反响取负号吸热反响取正号放热反响取负号1对于单一反响，只需建立一个方程2多相反响，需分别对每相建立方程，多一相，多建立一个3反响热 放热 HR “- QP“+ 吸热 HR “+ QP “- 热效应是假设干反响的代数和4对间歇反响1=0，2=05 延续反响4=06半间歇反响器，各项均需思索。 3.动量衡算式 输入的动量1 =输出的动量2 +耗费的动量3 +累积的动量4 1对流动反响器才需建立 2当P与P处于同一数量级时思索。 例：合成塔P=8-12Kg/cm2 总P=-320

16、Kg/cm2 当气相流动反响器的压力降很大，以致影响到反响组分的浓度时，就要思索动量衡算式。普通情况下，在反响体积计算时可不思索。这样反响体积的计算是物料衡算、热量衡算联立求解。对于一个单一反响就有二到三个方程，假设遇到多个反响，计算就非常费事，因此必需根据详细情况作必要的简化。 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x) 5.经济衡算式 经济的输入=经济的输出+经济的耗费+经济的积累 我们着重讨论最简单的情况-等温反响器的计算方法。这样只需思索物料衡算与动力学方程就可以了。对非等温反响器的计算，只对理想置换反响器加以讨论。3.2间歇釜式反响器的设计计算 间歇反响器的特点是分批装料和

17、卸料，其操作时间是由两部分组成，一是反响时间，即装料终了后算起至到达所要求的产品收率时所需的时间。另一是辅助时间，即装料、卸料及清洗等所需时间之和。涉及反响器的关键就在于确定每批所需操作时间，其中尤以反响时间确实定最为重要，而辅助时间主要根据阅历来确定。 一、单一反响的等温间歇釜式反响器的计算 1.反响时间及反响体积的计算 计算反响器的体积，必需先确定反响器的有效体积 间歇反响器的特点是分批装料和卸料，其操作条件较为灵敏，可适用于不同种类和不同规格的产品消费，特别是用于多种类而批量小的化学品消费。因此，在医药、试剂、助剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的运用。其操作时间是由两部分组成：反响时间

18、t和辅助时间t0 VR=VO(t+to) VR-反响器有效体积 VO-每小时处置的物料量 t-反响时间 to-辅助时间，包括加料、卸料、 清洗等非消费时间，普通由阅历数据确定这里的关键是反响时间t的计算由于搅拌均匀的间歇反响器，器内物料组成是均匀的，器内的物料的浓度与温度也是均匀的。因此可以对整个反响器作某一反响组分的物料衡算。反响组分A根据间歇反响器的特征，仅思索34两项，即3+按公式的反响速率的积累速率即：表组分的反响速率单位时间、单位体积反响混合物中组分的反响量：表反响混合物体积项：单位时间内，体积反响混合物中反响了的组分的量为项：假设表示为反响器中任一瞬间组分的量，由于反响不断进展，组

19、分的量随时间变化，所以组分的积累速率为dtdnVrARA的初始摩尔数反应物来表示为了计算方便，用不断减少，组分随着反应的进行，反应：反应时间组分的瞬时量反应器中AndxnxdndnxAdntAnAAAAAAAAA:)1 (, 0:000的函数关系才能积分与所以应知道改变引起变化积变化，也可能由温度可能因反应本身引起体是变量在反应过程中可能算式求解，需结合反应器的热量衡但后者适用此式对等温、非等温都，积分上式：ARRxAfRAAAAfAARAAAAARAxVVVrdxntxxttxtVrdxndtdtdxnVr)(,; 000000但对间歇反响器液相反响：反响过程中体积变化很小，可略气相反响：反

20、响器的整个体积都被反响混合物充溢所以，间歇反响器普通大多数属于恒容过程那么：CACAAAAxAfAAAxAfAAAAAAAAAAAAAAARARARAAxAfAAAxAfAARArdCrCdCCrdxCtCdCdxdxCdCXCCCCCVnVnVnxrdxCrdxVnt000000000000000001,),1 (代入上式又VR=VO(t+to)实践反响器的反响体积要比VR大，以保证反响物料上有一定空间。通常VR，为装料系数0.4-0.85据反响物料的性质不同而选择对沸腾起泡的液相物料，系数小0.4-0.6；反之，0.7-0.8结论：在间歇反响器中，反响物到达一定的反响率所需的反响时间只取决

21、于过程的反响速率，也就是说取决于动力学要素，而与反响器大小无关，反响器大小只取决于反响物料的处置量取决于消费才干 由此可见，上述计算反响时间的公式，既适用于小型设备，又适用于大型设备。这样利用中间实验数据设计大型设备时，只需保证两种情况下对化学反响速率的影响要素一样例：坚持一样温度、一样搅拌程度即可。这样就很容易进展设备的高倍数放大。 但要留意，要坚持一样的反响温度，一样的搅拌程度和反响器的大小有关，反响器越大，搅拌性能越差，会影响传热的性能，难以保证器内各处浓度均一，同时，对完成一定的消费义务，反响器小了，要求的反响器的数目就增多，显然辅助费用也会添加，所以确定反响器的大小及数目，应从物料的

22、性质、操作的稳定以及经济本钱等各方面进展全面分析。2.最优反响时间前面已说过，间歇反响器每批物料的操作时间反响时间、辅助时间，对于一定的化学反响和反响器假设化学反响和反响器已定，那么辅助时间是定值CA而反响产物的生成速率随反响物浓度的降低而降低。所以，延伸产品数量，但单位操作时间内产品的产量不一定添加。所以，我们以单位操作时间的产品产量为目的函数，必存在一个最优反响时间，使目的函数值最大。假设：反响AR，产物R的浓度为CR,2)()(000ttCdtdCttVrdtdFttVrCFRRRRR对时间求导的关系与式子换算成用具体求法：采用图解法间由此可求得最优反应时即：条件物产量最大所必需满足，则

23、可得到单位时间产令RxAAARRRCtrdxCtttCdtdCdtdFA000,0.用速率式计算出txA的关系.转换成CRt关系.作CRt图.作.自A(-t0，0)做CRt 曲线的切线AM，切点为M， 斜率 MD/AD=dCR/dt.M点的横座标0D为最优反响时间最优反响时间下，MD=CR,AD=t0+t )0 ,(00tAtOA 平均消费速率最大图解法表示图 CR M A 0 D t t0N0ttCADMDR上面是以单位时间内产品产量最大为目的函数，假设选择的目的函数不一样，结果就不一样，假设以消费费用最小为目的函数，总费用假设如下表示： :表示在反响操作时的操 作费用(元小时) 0:非消费

24、性操作时的费用(元 时)； f:表示固定消费(元时)。为使AT最小，由此可求最优时间RRfTCVataatA00)(/ )(000满足条件aatatCdtdCdtdAfRRT CR M A 0 D t )(0,/ )(0/ )(,0000最优反应时间斜率：DtaataAdtdCaatatCADMDCMDfRfRR二、复合反响的等温间歇釜式反响器的计算 1.平行反响 间歇反响器中，平行反响各组分的浓度随时间变化 设在间歇反响器中进展如下平行反响： A P 主反响 (1) A S 副反响 (2) (3)1k2kASPAAACkkrrrrr)(212,1 ,APCkr1ASCkr2由间歇反响器的设计

25、根底式 得： (4) AxRAAAVrdxnt00AAAxAACCkkxkkxdxkktA02121021ln111ln111)(exp210tkkCCAA 将(4)代入(1)积分得 (5) 将(4)代入(2)积分得： (6)(exp1210211tkkCkkkCAP)(exp1210212tkkCkkkCAS由上面的公式可以看出，反响物A的浓度总是随反响时间的添加而减少，而产物P、S的浓度总是随反响时间的添加而添加。平行反响物系组成与反响时间关系表示图平行反响物系组成与反响时间关系表示图PASAACPCSCt00Acc讨论：1平行反响的特点：tCACPCS2) CP / CS =k1/k2(

26、将CP 和CS相除可得此式)即两种反响物的浓度之比，在任何反响时间下均等于两个反响的速率常数之比。适用范围：1两反响的动力学方程方式一样2不可逆反响将上述结果推行到含有将上述结果推行到含有M个一级反响的平行反响个一级反响的平行反响系统系统 ：)(01MjktAAecc反响物反响物A A的浓度为：的浓度为：反响产物的浓度为：反响产物的浓度为：1 )(101MjktMjAiiekckc反响时间确定后，即可确定必需的反响体积。反响时间确定后，即可确定必需的反响体积。留意：这个关系只需当各反响的速率方程一样时留意：这个关系只需当各反响的速率方程一样时才成立，这里讨论的反响物系中各反响组分的化才成立，这

27、里讨论的反响物系中各反响组分的化学计量系数均相等，假设不等，各反响组分的浓学计量系数均相等，假设不等，各反响组分的浓度与反响时间的关系需作相应的修正。度与反响时间的关系需作相应的修正。QPA)(122101tktkAPeekkckc1 2112021kkekekcctktkAQ2.连串反响对对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：PAPckckdtdc2100 0 0QPAAcccct，时，设对对Q作物作物料衡算：料衡算：PQckdtdc2)exp(11ln1ln1101010tkCCxkCCkdttAAAAAt此式只能阐明第一个反响进展的程度，此式只能阐明

28、第一个反响进展的程度，而不能阐明第二个反响的进程，因此而不能阐明第二个反响的进程，因此需求出需求出CP.这与平行反响相类似，只根这与平行反响相类似，只根据一个物料衡算式便可球定到达一定据一个物料衡算式便可球定到达一定转化率所需的反响时间，但同样确定转化率所需的反响时间，但同样确定不了在此反响时间时不了在此反响时间时B的收率。的收率。)exp(1 ,)exp()exp(1 )exp()exp(11001222110211201MjjMjjAiAQPAAQAPktkCkCiCCCCkktkktkkCCtktkkkCkC推广：根据上面几个关系式作图，由图可见，tCACQCP先后，有一最大值解释：反响

29、时间短，A转化率超越P转化为Q的速率，故CP，过了极大值后，P转化成Q的速率大于A转化成P的速率，故CP 。连串反响组分浓度与反响时间关系表示图连串反响组分浓度与反响时间关系表示图QPAt0AcPcQcopttc由此可见，消费目的产物P需控制反响时间，使P的收率最大，将CP对时间求导。将时间topt代入CB式中可求B的最大浓度。0dtdcP2121)/(kkkkntopt讨论：1连串反响，tCACQCP有最大值2目的产物为Q，反响时间越长越好3目的产物为P，存在最正确反响时间，使P收益最大。以上的讨论是针对包括两个一级反响的连串反响。其结论也可推行到更多反响时的场所，只需是中间产物，比存在极大

30、浓度对于非一级反响也可处置，只是很难获得解析解。需用数值解法。t确定后求出VR.三、变温间歇反响器反响体积对于间歇反响器做到绝对等温是极其困难的，当反响热效应不大时近视等温是可以办到的，但反响热效应大时就很难办到，对于许多化学反响，等温操作的效果不如变温操作好，所以，研讨变温操作具有很大的实践意义。对于变温反响，还需求一个热量衡算式，根据间歇反响器的特性，热量衡算式：参与反响器的热量1= 带走的热量2+反响热3+积累的热量4间歇反响器，仅需思索34两项。当反响器与外界有热交换时，也要在热量衡算式中作相应的思索。假设以组分A为基准的摩尔反响热为HR，那么反响热3为 HR rAVR,假设反响物料中

31、各组分的摩尔数为ni，摩尔定容热容为Cvi,那么热量的积累4为ni CvidT/dt设外界向反响器内加热，传热系数为K传热面积为F外界温度为TOS那么传热项为KF(TOS-T),得到间歇反响器的热量衡算式： 传入热 反响热 积累热CV:因是间歇系统，故不用CPdtdTcnVrHTTKFviiRAROS )(由此可知，对一定的反响物系而言，温度与转化率的关系取决于物系与环境的换热速率。由于反响速率rA是转化率和温度的函数，即rA=(T)f(x)，因此，只需知道反响过程的温度随时间的变化，才干确定rA，所以变温间歇反响器的设计必需联立求解物料衡算式和热量衡算式。假设间歇反响器是在等温或绝热情况下进

32、展，可以简化RAAOVrdtdxn1.等温操作由于：等温操作，无温度变化，dT=0,(4)=0，所以：上式用于：a、TOS一定时，计算所需的换热面积Fb、当F一定时，确定换热介质的温度 TOS(即外界温度)才干保证反响在等温条件下进展RAROSVrHTTKF )( 反响要在等温条件下进展，反响放出或吸收的热量必需等于与环境交换的热量，但要做到这一点不容易，由于反响速率随时间而变，从而反响放热及吸热速率随时间而变，只需物系与环境的换热速率与之相顺应时才干做到等温，所以工业间歇反响器常是变温过程，热效应大的反响更是如此，对于某些强放热反响过程，从平安操作观念看，更应注重反响温度的控制。2.绝热操作

33、与外界没有热交换，)(,0)(000000AAOViiARViAxAxViiARTTViiAARViiRAROSxxCnnHTTCdxCnnHdTdtdTCndtdxnHdtdTCnVrHTTKFA视为常数）（）（即：）（有,00 xAfRAAAVrdxnt 由于反响速率rA是转化率和温度的函数，即rA=(T)f(x)，因此，只需知道反响过程的温度随时间的变化，才干确定rA。T0,xA0T,xAT0,xAHRHR1HR2 先假定一个转化率x,那么转化量dnA也知，那么放出的热量Q知，可求出温升值，T=T0+T,这样可求出反响速率常数K，最后可求出反响速度rA,由此可算出反响时间RRRRxAfA

34、AAVVVVVrdxCt实一部分，仅仅是反应器体积的反应体积则,)(,000以上是针对单一反响来说的，假设同时有多个反响，那么热量衡算式要做相应的修正，主要是反响热项包括各个反响所作的奉献。 实践消费中的延续釜式反响器几乎都是在定态下操作，因此各股物料以及反响器的一切参数均不随时间而变，从而不存在时间自变量。另一方面，这类反响器多用于在液相中进展的反响，反响过程中。定态操作的延续釜式反响器是在等温、等浓度下进展，因此也是在等反响速率下进展反响，也就是我们所讲的理想混合反响器。所以，延续釜式反响器的设计计算作一定的假定后，变为理想混合反响器。3.3延续釜式反响器的设计计算一、单级理想混合反响器的

35、反响体积由理想混合的特性可知，返混到达最大限制，由于剧烈搅拌，在反响器内各点的参数T、P、C一样，且等于反响器处口出的浓度和温度，因此反响器内各点的反响速率也一样，且等于出口反响速率。 等速操作是理想混合反响器不同于其它反响器的一个显著特点。 此类反响器多用于液相中进展的反响，反响过程中液体体积的变化不显著，完全可以以为是在等容下进展的。outTTV0 CA0V0 CAfCAf取整个反响器为衡算对象RfAAfAAAfAAffAfAAfARRfAAfAVrxCVCVxCCrrCCVVVrCVCV)1 ()1 (:)(,0000000000量度和浓度相同，故是常由于反应器内各点的温化学反应速率，表

36、示按出口浓度计算的流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反响量反响量 + + 累积量累积量fAAfAfAAARrxCrCCVV000)11(00fAAfARrxCVV 进口中已有进口中已有A)11()(000arxxCVVfAAAfAR复习：间歇反响器VR=VO(t+to)到达一定的反响率所需的反响时间之取决于过程的反响速率，动力学要素，而与反响器大小无关，大小只取决于反响物料的处置量 消费才干RCACAAAxAfAAAVVrdCrdxCt000平行反响特征：A B A U1k2k率问题就可以了，关心产品收求出转化率多少去理解，仅从tACCCtCCkkUBAUB,21连串反响A B D1

37、k2k（需控制反应时间）收率最大使存在着最佳反应时间，目的产物为越长越好，目的产物为有最大值B,BtDCCCtBDA由上节讨论可知，间歇反响器的反响体积是经过反响时间及物料处置量来确定的，而理想混合反响器那么是由物料衡算式直接计算反响体积。为了对延续反响器的消费才干作比较，这里引入一个概念，时间的因次进料体积流量反应体积空时： 越小，表示该反响器的处置物料量越大，消费才干大；相反，那么消费才干小对于等容均相反响过程，空时也等于物料在反响器内的平均停留时间。 为空速，意义是单位反响体积单位时间内所处置的物料量，因次为时间-1， 反响器的生成才干11该当指出，理想混合反响器无论是绝热条件或是与外界

38、有热交换的过程，因返混最大，过程根本上是等温进展的，所以在稳定条件下，对整个反响器作热量衡算，就可以决议反响器的反响温度。：反应热（摩尔）的反应率：为进料、出料中组分、：外界温度度：分别为进料、出料温、应混合物的平均比热：分别为进料、出料反、速：反应混合物的质量流式中）（积累量为RAfAOSfPfPfOSRAAfAfPfPRARfOSfPfPHAxxTTTCCGTTKFHxxCVTGCTGCVrHTTKFTGCTGC0000000000)12(0)()(00)(自学 例3-6、3-7 P62作业3-1、3-2fAAfAfAAARrxCrCCVV000二、多级延续釜式反响器反响体积的计算工业消费

39、中常同时运用数个理想混合反响器进展同样的反响，反响器设计中常碰到这样的问题：一个反响器好，还是几个小的反响器好，同时运用几个反响器时，采用什么样的结合方式效果最好，这样的反响器组应如何去设计计算，这就是这个问题所要讨论的中心内容。在讨论多级理想混合反响器之前，简单表达一下多级理想置换反响器的情况，以便于与多级理想混合反响器比较。一多级理想置换反响器V0 CA0CAfxAfxAf=0dVRxAxA+ dxAVOCA0XA0VR1XA1XA2XA1VR2VR3VR5VR4XA3XA4XA5VOCA0XA0VR1当理想置换反响器的长度遭到制造、安装以及操作等方面当理想置换反响器的长度遭到制造、安装以

40、及操作等方面的限制，不允许做得很长时，就采取多个反响器串联。的限制，不允许做得很长时，就采取多个反响器串联。假设有m个理想置换反响器串联操作，每个反响器称作一级，起始反响混合物体积流率为V0,依次经过各反响器，起始浓度CA0,各反响器出口处A的转化率分别是XA1、 XA2、 XA3、 XAm ，对任一理想置换反响器的反响体积AmAmAmAAAiixAAAxxAAxxAAxAAAmiRiRmRRRxxAAARirdxCVrdxrdxrdxCVVVVVVrdxCVV0000001210012111结论：i在一样的物料处置量，初始组成及最终转化率下，多级串联理想置换反响器的总反响体积与采用单段理想置

41、换反响器的反响体积相等ii假设处置的反响物量很大，以致单个反响器的直径过大而难于制造时，也可以采用数个反响器并联操作 假设多个并联的理想置换反响器的体积，可按单个方法求取，每个初始流量为V0/m，它们体积之和为多段并联理想置换反响器的总体积。 iii 假设干个操作条件一样的理想置换反响器并联操作时，为了使所需的总反响器体积最小，应保证各级反响器出口物料组成一样。二多级理想混合反响器前面讨论过一样条件下，理想置换反响器中过程的推进力比理想混合反响器大，因此，如有能够尽量采用理想置换反响器进展操作，但是有许多反响由于种种缘由需采用理想混合反响器操作如要求过程温度均匀等等。如何提高过程的推进力？ 有

42、效的方法是采用分段反响，即反响过程不要在一个反响器内一次完成，而是采用多个反响器串联进展，将一个反响体积为VR的理想混合反响器，用m个反响体积为VR /m的理想混合反响器来替代，假设两者的初始及最终浓度以及温度条件都一样，那么后者的平均推进力要大于前者。CA0CA*CA4CA3CA2CA1CACAfxA1xA2xA3xA4ikabcdefghN如下图：如下图：条件：一样的进、出口浓度条件：一样的进、出口浓度CA0、CAf,假设采用单个理假设采用单个理想混合反响器，推进力为矩想混合反响器，推进力为矩形形akij的面积的面积假设采用多级串联理想混合假设采用多级串联理想混合反响器，推进力是反响器，推

43、进力是abcdefghik所围成的面积所围成的面积显然采用多级理想混合过程显然采用多级理想混合过程的平均推进力增大了，所以的平均推进力增大了，所以反响速度快，级数越多，推反响速度快，级数越多，推进力越大，但总的推进力变进力越大，但总的推进力变化接近理想置换。化接近理想置换。而理想置换过程的平均推进力是曲线而理想置换过程的平均推进力是曲线acegN与直线与直线ik包围包围的面积，所以理想置换推进力最大，反响速度最快。的面积，所以理想置换推进力最大，反响速度最快。 j多级延续釜式反响器的并联与串联、多级串联全混流反响器的设计计算前面引见了延续釜式反响器反响体积的计算，下面以图进一步论述计算式的几何

44、意义，以简单反响为例：体积计算式fAAAfARrxxCVV)(000以1/rAxA作图得到两种情况AAAAnAArrCxnkCri1)0()当正常动力学xAf1/rA1/rAfABCDEFGHIxA0 xA1xA2xA从计算反响体积的公式可以看出， 相当于求反响器体积，假设只需一个全混流反响器，反响体积即相当于图中ABCD的面积AAxr1fAAAfRrxxV0ABCDRSV ABCDBEFGHIDCBEFGHIDCRfAAAffAAAfAAARfAAAffAAAfAAAAiRiRSSSVBEFGHIDCrxxrxxrxxVrxxrxxrxxCVVV显然的面积相当于图中即：,)()()()()(

45、)()()()()()()(32212101322121010031可见在此情况下，三釜串联所需总反响体积可见在此情况下，三釜串联所需总反响体积要小于单釜，这一结论可推行到多釜串联，要小于单釜，这一结论可推行到多釜串联，当当m个反响器串联时，图中所画折线个反响器串联时，图中所画折线接近于接近于DB曲线。也就是曲线。也就是 此此时，反响器的体积减小，时，反响器的体积减小，mVR，级数越多，反响器体积越小。，级数越多，反响器体积越小。所以，对正常动力学来说，根据实践情况采所以，对正常动力学来说，根据实践情况采用用m级串联，采用多釜串联比单釜有利。级串联，采用多釜串联比单釜有利。,DBCRSV AA

46、AAnAArrCxnkCrii1,)0()当自催化反应属此类，反常动力学即：个全混流反应器来说从图中可看出，对于一,0fAAAfRrxxVABCDRSV 于单釜三釜串联时的总体积大显然即：串联对于三个全混流反应器,)()()()()()(32212101ABCDAEFGHIDCAEFGHIDCRfAAAffAAAfAAARSSSVrxxrxxrxxVG1/rA1/rAfBCDFEHIKJxA0 xA2xA1xAfxAABC 当当m个反响器串联时，图中所画折线接个反响器串联时，图中所画折线接近于曲线。也就是近于曲线。也就是 mVR，级数越多，反响器体积越大。，级数越多，反响器体积越大。 所以，对

47、反常动力学来说，只能采用单级所以，对反常动力学来说，只能采用单级全混流反响器或数个反响器并联各釜的全混流反响器或数个反响器并联各釜的出口转化率一样。出口转化率一样。,曲线下所包围的面积RV在釜式反响器中进展具有正常动力学的反响时，是在最小的反响速率下操作，而进展具有反常动力学的反响时，那么在最大的反响速率下操作。故此两者在反响器衔接方式的选择上不同。AAAAnAArCnrCnkCr，反常：，正常：00当用单釜进展反响所需的反响体积过大而难以加工制造时，就需用假设干个体积较小的反响釜。据上面的分析，具有正常动力学的反响采用串联方式，假设为反常动力学，采用并联方式。这就产生一个如何分配各釜的进料量

48、问题，其分配原那么是保证各釜的空时一样，也就是说各釜的出口转化率相等，这样效果最好。2.多级全混流反响器各段浓度的分析计算单个反响器过程的推进力小，而多个串联的反响器过程推进力大，因此在工业消费中往往采用数个理想混合反响器串联操作。多级理想混合反响器的计算，主要是根据处置的物料量，决议到达最终转化率所需的反响级数，以及各级的反响体积和反响物的浓度。即由V0、CA0m、VR、xiV0 、m 、VRi xAm知物料量、组成，计算到达规定的输出物料组成时所需的釜数和各釜的反响体积以下图是由m个釜组成的串联釜式反响器，要求反响系统所到达的最终转化率或收率，比较容易。对各个釜分别作关键组分i的物料衡算就

49、可以求得。CAi-1CA1CA2CAmCAi对以上m级串联理想混合反响器解释根本假设：i反响在等温下进展，而且个反响器的温度相等 T1=T2=Ti=Tmii反响过程中体积不发生变化，即V0=常数V0：反响混合物起始体积流量，依次经过各反响器VR1、 VR2 VRi VRm 各反响器体积1、 2 i m 各反响器停留时间CA1、 CA2 CAi CAm 各反响器出口处A组分的浓度在稳定过程中，对i级反响器作物料衡算00100(1)(1)AAiAAiAiRiV CxV Cxr V010AiAiAiRiV CV Cr V()AiAirf c001()AAiAiRiAiV CxxVr01()AiAiR

50、iAiV CCVr(13)14( ,)()(013)()(1AiVAiAiRiAiViACfkCCVVCfkr）式将此式代入（，若动力学方程为它关联了任一级反响体积与该级进、出口反响率它关联了任一级反响体积与该级进、出口反响率的关系的关系由由14据假设条件据假设条件,V0=常数，常数，T=常数，常数，K=常数常数因此，因此，a、假设反响器的级数、假设反响器的级数m及每一级反响及每一级反响器的体积器的体积VRi一定，可用来依次求出第一定，可用来依次求出第1，2，m级出口物料中反响组分级出口物料中反响组分A的浓度的浓度,即：即：m,VRixA1(CA1), xA2(CA2), ,xAm(CAm)验

51、算用于对已投产设备进行，）（）、（依次求出，可求出而利用此式可求出例：33221010111100,)()(AAAAAAAAAAAAARxCxCxCCCxCCkfCCVVb、假设各级反响器体积一定，xAm为消费义务给定时，那么可求得所需的级数，即VRi,XAmm,根据第2级的反响体积求出xA1 ，依次求出xA2 直到求到xAm，此时xAm对应的级数m就是所求。1314是通式，当求m时较烦，如能建立级数与最终转化率之间的关系，就不用像上述那样逐个计算，为此，以一级不可逆反响为例进展讨论，建立xAmm之间的关系01()AiAiRiAiV CCVrAiAirkC一级不可逆反响动力学方程为：一级不可逆

52、反响动力学方程为：对第i级，14将变为假设i为第i级的接触时间，根据接触时间的定义设1、 2 m分别为第1，2，m级的接触时间，那么上式可分别写成：,11,)(111000iAiAiAiAiAiiAiAiAiiRiikCCkCCCkCCCVVVV1012121211111121.11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk 将左边诸式相乘1011mAmiAiCCk（330） 假设xAm为最终转化率，按转化率的定义0001AAmAmAmAACCCxCC 1111mAmiixk （331）123.m在实践消费中，各级反响体积往往相等，在实践消费中，各级反响体积往往相等

53、，这是从机械加工制造方便的角度出发的，这是从机械加工制造方便的角度出发的，即：即：VR1=VR2=VRi,此时，此时，那么上式可进一步简化1111111mmAmiixkk （332）15求得反应级数。生产给定，则可用上式一定，则一定处理量一定，当反应体积两边取对数AmRAmAmAmmmAmxVVkxmxkmxkxk)(.)11ln()1ln()1ln()11ln()1ln()11ln(,)1 (1101或总体积由16式可知：i 级数m愈多，即m, 所以最终转化率xAm愈高ii 当处置量一定时V0，各级反响体积VRi愈大，i愈大，最终转化率xAm也愈高。1)11(mk 001/111RRimAm

54、mVVmVmVkx（334）171/1111mAmkx（333）16 16式的三个用途： a、单个体积 VRii一定，级数m一定，求最终转化率xAm。 b、 xAm和m一定,求总体积.VR=m V0 。 c、单个体积 VRii一定， xAm一定，求级数m 适用条件：一级不可逆反响 对于非一级反响，采用分析法计算各级浓度是比较费事的，此时可用图解法。 P67,例3-53.多级全混流反响器各级浓度的图解计算1等温等容过程，V=常数，T=常数对于非一级反响，采用解析法计算比较费事，普通采用图解法计算。由于是等温等容过程，各段温度一样，反响过程混合物体积不发生变化。由 得01()AiAiRiAiV C

55、CVr1AiAiAiCCr19动力学方程为此式阐明当此式阐明当i级入口浓度级入口浓度CAi-1为一定时，出为一定时，出口浓度口浓度CAi与反响速率与反响速率rAi的关系。如第的关系。如第i级级反响体积已定，那么接触时间反响体积已定，那么接触时间i也一定，此也一定，此时该式变为时该式变为rAi与与CAi的直线关系，斜率为，的直线关系，斜率为，截距为截距为i1iAiC1()AiAirk f C20联立求解1920可得出口浓度CAi因此，图解法就是把式1920标绘在rA-CA图上，两者的交点所对应的CAi-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM的直线与OM线交于A1点，其横坐标即

56、为CA1；c. 由于各级温度一样，所以各级的动力学曲线均为OM线 ; 且为等容过程，各级体积相等：2作图步骤a.在AArC1123.m图上标出动力学曲线OMd. 过CA1作CA0 A1的平行线，与OM曲线交于A2,其横坐标即为C A2 。如此下去，当最终浓度等于或小于规定出口浓度时，所作平行线的根数就是反响器级数。b.以初始浓度CA0为起点，过CA0作斜率为等温、等容、各级体积相等情况的图解计算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM也可将CA2换算成xAi,也可以直接作rA-xA方式的图进展图解计算。 )(10iAiiAiAAxxCrxA1xA0 xArAxA2xA3A1

57、A2A3xAmOMA4当各釜反响体积一样，操作温度一样时，假设VRi知，V0为知数，i一定物料衡算线的斜率 或 已定 可求出到达xAm所需的m,作图以此类推，可求出m假设m一定，要求各釜的VRi,作图程序一样，要试差，即先假设斜率，按上述方法作图，看看能否能到达规定的xAm,假设不满足，重假设斜率，直至符合为止， i VRi VRmiRmRiRRTTTTVVVV2121i1i14、多段理想混合反响器各段转化率的最正确分配在设计反响器时，物料处置量VO、进料组成及最终转化率XAm是由工艺条件确定的。 如何确定反响器级数m和各级的体积，使总体积最小。 反响器级数越多,反响推进力增大,但设备投资、工

58、艺流程和操作控制变得复杂，因此需求综合思索。 以下讨论，当物料处置量V0、进料组成及最终转化率XAm和反响器级数m确定后，如何最正确分配各级转化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrf x 对于等温等容过程，各级反响器体积为反响器总体积 为001()AAiAiRiAiV CxxVr为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、xAm1求偏导数，并令之为零，那么有0(1,2,.1)RAiVimx以上共有m-1个方程，可解出m-1个待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。1121000102001210

59、.(1)(1)(1)110(1,2,.1)(1)1AmAmAAARAAAAAAAmAiRAiAiAixxxxxVV CkCxkCxkCxVxVimxkxx12111(1,2,.1)(1)1AiAiAiximxx111111AiAiAiAixxxx以一级不可逆反响为例反响器总体积 即化简后111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxV xxV xxkxkx1(1,2,.1)RiRiVVim即由上式上式表示：对于一级不可逆反响，当各级的体积相等时，总反响体积最小。对于非一级反响，但差别不大，思索到设备制造安装检修方便，也可做成一样大举例：假设对两段理想混合反

60、响器进展一级不可逆反响为例，xAm=0.8,并设两个反响器的反响温度一样，过程中无体积变化，动力学方程为rA=kCA0(1-xA)那么反响系统所需的总反响体积为1121211021AAAAARRRxxxxxkVVVV由于最终转化率知，故用上式可算出不同xA1时所对应的总体积VR,计算结果如下当xA1=0.55时，总体积最小，最经济。也可用求极值的方法。VR0.55 xA3.4釜式反响器中复合反响收率与选择性在反响器中进展复合反响时，必需求思索目的产物的收率问题，由于它直接影响到产品的数量与质量。反响选择性也要思索。它反映了原料利用的程度、反响器的型式、操作方式和操作条件与收率选择性大小亲密相关