间歇釜式反应器

1、会计学1间歇釜式反应器间歇釜式反应器第1页/共97页21.釜的主体釜的主体，提供足够的容积，确保达到规定转化率所需的时间 2.搅拌装置搅拌装置，由搅拌轴和搅拌器组成，使反应物混合均匀，强化传质传热 3.传热装置传热装置，主要是夹套和蛇管，用来输入或移出热量，以保持适宜的反应温度 4.传动装置传动装置,是使搅拌器获得动能以强化液体流动。6.工艺接管工艺接管, ,为适应工艺需要为适应工艺需要 5.轴密封装置轴密封装置，用来防止釜体与搅拌轴之间的泄漏 第2页/共97页3第3页/共97页4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

2、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一次加入，产物一次取出第4页/共97页52、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第5页/共97页61、求算反应器的容积与数量需要的基础数据求

3、算反应器的容积与数量需要的基础数据第6页/共97页7DDGV=FV=VD/24GD每天所需处理的物料总重量 物料的密度第7页/共97页8时第8页/共97页9第9页/共97页10VR=FVt第10页/共97页11条 件装料系数范围无搅拌或缓慢搅拌的反应釜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第11页/共97页12VaFVVVaD2424=t按设计任务需用的设备个数为： VatFVtVmVaD=24=第12页/共97页13由上式算出的m值往往不是整数，需取成整数m,mm。 因此实际设备总能力比设计需求提高了。其提

4、高的程度称为设备能力的后备系数后备系数，以表示，%100mmm则 第13页/共97页14（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：mVmVVtF=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%100mmmaaVVVVVV第14页/共97页15第15页/共97页16例3-1：邻硝基氯苯连续氨化，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)，

5、求需要还原锅的个数与容积。设备装料系数取0.753、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以及等第16页/共97页17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37 .1775. 0/1683. 0/ mtFVV 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/

6、 )85. 810(思考 如果取受料时间为1h，结果如何？第17页/共97页18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 取用三个锅，生产能力后备系数为： =（3-2.5）/2.5100%=20%第18页/共97页19受料还原024681012

7、141618202224246810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101102201202301302123第19页/共97页20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

8、锅4台。=（4-3.78）/3.78100%=5.82%第20页/共97页21第21页/共97页22L6269631000984. 0175. 01441282433099. 01040003L27084. 1100098. 0175. 014407. 1982433099. 01040003LtFVV439075. 067. 3896%9 .13%1004390439025002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：SO3HOH12

9、8144H2SO4+98第22页/共97页23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 2211=.=nntmtmtm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333222111=aVaVaVVFVFVF或 333222111=aDaDaDVVVVVV第23页/共97页24例3-5萘酚车间的磺化工段有四道工序：磺化、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（m

10、3） t （h）磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.54.01.53.05.00.800.850.600.60第24页/共97页25解： （1）先作磺化工序的计算 如取Va=2 m3，计算5 .12=28 . 020=VaVD6=424=24=t65 .12=m%44%10008. 208. 23%100mmm再取Va=2.5 m3与Va=3 m3做同样计算，结果列于下表中：mVam%2.02.53.00.80.80.812.510.08.346662.081.671.58322442044第25页/共97页26使水解工序：=10=24/1.5=16，m=10/16=0.625取

11、m水解锅容积的计算：VaVD=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第26页/共97页27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磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.51010101061684.81.670.6251.252.08212319.86060442.52.52190.80.850.60.6第27页/共97页283.3 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VR

12、FV, 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。第28页/共97页29设在间歇反应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AAAARAVr dtCVddtdnARA）（= 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。

13、dtdnVrARA/第29页/共97页30*00AxRAAAVrdxnt00/ )(AAAAnnnx适用于任何间歇反应过程。 AAAdxndn0dtdxnVrAARA/0第30页/共97页31恒容条件下：RAAVnC/00所以00000/ )(/ )(AAAAAAAAAACdCdxCCCnnnx取 t=0 时 xA= 0、CACA0；t=t 时 xA=xAf、CA= CAf，积分得*00AfxAAArdxCt*0AfACCAArdCt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) 第31页/共97

14、页32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) 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)AAACCkxkt0ln1)1/(1ln(1AAkCr AACkr2)11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt0AAkCr kCCkCxtAfAAAf00/BAACkCr BAACkCr )11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt)()(ln)(1000000RBARABBACCCCCCCCkt第32页/共97页33例3-6间歇反应A+BR+S，二级不

15、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 .80Afx)1 (0AfAAfxkCxt001AAAfktCktCx)(0ttFVVR得又由得0/tFVtVR第33页/共97页34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，反应混合物混合物中己二酸的初始浓度为0.004kmol/L。若每天

16、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 (0AfAAfxkCxt2202)1 (AAAAAxkCkCdtdCr积之得第34页/共97页35物料的处理量为L/h0 .171004. 0146242400VF操作周期为h5 . 90ttt反应体积为L1625tFVVR反应器容积为L2167/RVV思考 计算FV时，为什么不考虑己二醇？第35页/共97页36CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OABRS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

17、应式为：已知100时，反应速率方程式为SRBAACCkCCkr21第36页/共97页37解：乙酸的初始浓度0 . 4=3785. 0608 .90=0AC乙醇的初始浓度4 .10=3875. 0466 .181=0BC水的初始浓度183785. 018)6 .1818 .90(043. 13875. 00SC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 (4AAxCABxC44 .10ARxC4=ASxC4+18=kmol/m3kmol/m3kmol/m3第37页/共97页38代入反应速率方程式，则得)418(41063. 1)44 .10)(1 ( 41076. 444AAA

18、AAxxxxr=)063. 049. 0248. 0(10822AAxx 所以AfAfxAAAxAAAxxdxrdxCt02200063. 049. 0248. 01084 =AfxAAxx0422. 0490. 0125. 0422. 0490. 0125. 0ln422. 050 =912. 0068. 0068. 0125. 0912. 0125. 0ln422. 050AfAfxx当t=120min，用上式算得：xAf=0.356，即35.6%乙酸转化成乙酸乙酯。第38页/共97页39（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

19、长反应时间可提高产品收率，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。第39页/共97页40 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200)/()/)(/ttCdtdCttVdtdGRRRR若使GR为最大，可令 dGR/dt = 0，于是)/(/0ttCdtdC

20、RR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？第40页/共97页41图解法描绘产物浓度CR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。 第41页/共97页42 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)/()/)(/200RRRFRCVdtdCataataCdtdZ若使Z为最大，可

21、令 dZ/dt = 0，于是)/ )(/(/00aatatCdtdCFRR此为单位生产量的总费用最小应满足的条件。第42页/共97页43图解法图解法/ )(00FtOB.自B0,/ )(00Ft 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。第43页/共97页443.3.2 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的转化率、组份浓度与反应时间

22、的关系可由物料衡算求得。 A1kR （主反应） ARCkr1A2kS （副反应） ASCkr2ASRAAACkkrrrrr)(212,1 ,设等温间歇反应器中进行一级平行反应：第44页/共97页45对于A：对于R：对于S：0/)(21dtdnCkkVAAR0/-1dtdnCkVRAR0/-2dtdnCkVSAR第45页/共97页46对于A：对于R：对于S：0=/+)+(21dtdCCkkAA0/-1dtdCCkRA0/-2dtdCCkSA恒容条件下，上述方程可用浓度表达第46页/共97页47A的衡算方程表达了A的浓度(A的转化率)与反应时间的关系。设 t=0时，CA=CA0，xA0=0，积之得

23、:AfAAxkkCCkkt11ln1ln121021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(210tkkCCAA)(exp(1 (212101tkkkkCkCAR第47页/共97页48同理)(exp(1 (212120tkkkkCkCAS由CR和CS的关于反应时间的表达式可知:21kkCCSR第48页/共97页49对于上例瞬时选择性： 211kkkdCdCrrSARARR收率： AARRRxkkkCCCY21100-第49页/共97页50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，

24、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22/-AAAACCrdtdC积之得第50页/共97页51)+2()+2(ln21=00AAAACCCCt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%22/-AAACCdtdC又由及ARCdtdC2=/得2/11

25、-/AARCdCdC积之得第51页/共97页52AfARfCCAARCdCdC02/1C0于是2/+12/+1ln2=0AfARfCCC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。第52页/共97页53 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： AACkr1 =-dtdCAPAPCkCkr21- = =dtdCPPSCkr2dtdCS=12k

26、kAPS 第53页/共97页54若0t 时0000AAPSCCCC 由AACkdtdC1得tkAAeCC10所以tkAex11AAAxkCCkt11ln1ln1101PAPCkCkdtdC21-tkAAeCC10把代入得到tkAPPeCkCkdtdC1012)()(xQyxpdxdy形如的一阶线性微分方程取t=0时，CP=0，积之得)exp()exp(120211tktkCkkkCAP第54页/共97页55 因 CA + CP + CS = CA0所以 CS= CA0- CA- CP )exp()exp(112112210tkktkkkkCCAS01210120exp()exp()pAPAAA

27、ACCkk tk tCCkk CC 12112exp()exp()PkYk tk tkk第55页/共97页56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. 第56页/共97页57为使YR最大，应满足dYR/dt=0，即0)exp()exp(1122211tkktkkkkkdtdYP2112)exp()exp(kktktk将上式两边取对数整理得最优反应时间 即2121ln1kkkktP的最大浓度 )lnexp()lnexp(21211212120211max,kkkkkkkkkkCkkkC

28、AP212102()kkkAkCk122210maxmaxkkkAPPkkCCY第57页/共97页583.4 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。第58页/共97页59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

29、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第59页/共97页60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)(2TsTKAQdtdxnqVrqQAArRAr03=5dtdTCnQi vi第60页/共97页61由热量守恒方程知(假定传热剂从系统取热) Q5 = Q1Q2 + 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

30、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*)(-0TsTKAdtdxnqdtdTCnAArivi第61页/共97页62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。第62页/共97页

31、63当Q2=0，即绝热情况下，热平衡方程为dtdxnqdtdTCnAAriVi0=起始条件积分上式得*)-(000AAi viArxxCnnqTTT0、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。第63页/共97页64若平均热容可视为常数，绝热方程可表达为*)(00AAxxTTvArCyq0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*)-(000AAvArxxCyqTT第64页/共97

32、页650dtdT)(0TsTKAdtdxnqAAr若为恒温过程qTTKAVqrSRrA)(第65页/共97页66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RrAVqqr=q 反应系统与外界传热速率kJ/h上式变形为RrAVqrq = 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。第66页/共97页67例3-9 设在间歇釜式反应器中进行某二级不可逆反应

33、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和5.34kmol/m3 ，在反应物预热预热到326.0K后，从326.0K开始在绝热绝热条件下进行反应，在温度达到373.0K时开始等温等温反应。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？第67页/共97页68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AiiArxCvn

34、nqTT00ARiiAxVCvnCqTT/0r0 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AxT98.760 .326第68页/共97页69rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s)1.371012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0 xA)所以AxAAArdxCt00AxAABAAAxCCxdxx000)(1 (1037. 1)98.760 .32612628exp(12第69页/共97页70可知由AxT98.760 .326当绝热反应到373.0K开始等温反应时, xA=0.6105绝热反

35、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 = 23.1min98. 06105. 000)(1 (1037. 1)12628exp(12AABAAxCCxdxTt等温min8 .14第70页/共97页71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. 0000)(1 (1037. 1)12628exp(12AABAAxCCxdxTt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？第71页/共97页72例3-10邻甲氧基重氮盐水解反应生成邻甲氧基苯酚OCH3C

36、uSO4OHH2SO4N2OCH3N2SO4H+H2O+反应动力学式为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。第72页/共97页73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/m3CA=CA0（1-xA），

37、CB=CB0-CA0 xArA=k CA CB= k CA0（1-xA）（CB0-CA0 xA）则 00AxAAArdxCt =xAAABAAAAxCCxkCdxC00000)(1 (=AABABABxxCCCCkC11ln)1 (100000=AAxx1)5/25. 0(1ln)5/25. 01 (5102 . 213第73页/共97页74简化为：)694.95/exp(05. 0)694.95/exp(1ttxA式RrAVqrq =中dtdxCdtdCrAAAA0则 RrAAVqdtdxCq0=AxArRAtdxqVCdtq000)(第74页/共97页75积分得ArRAxqVcqt)(=0

38、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AArPxxqNQt5028 . 0124101008 . 03即 Qt=5.06105xAkJ所需冷却水量为kgxxCQGAAPtt5510151. 0)2230(18. 41006. 5水第75页/共97页76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）xAQt（kJ） Gt（kg） t（min）Q（kJ） G（kg）030609012015000.27930.47860.62170.72500.800

39、001411602419003142503664604042900422072409400109601209003030303030014116010074723605221037830042203020216015601130第76页/共97页771、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。第77页/共97页78（）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。

40、第78页/共97页79（）这种操作可以严格计量控制、的加料比例，而且可以保持和B都在低浓度下进行，适合于浓度降低对反应有利的场合。第79页/共97页80（）此种操作方式既能满足A,B的比例要求，又能保持A, B在反应过程中的高浓度，对可逆反应尤为适合。第80页/共97页812.半间歇反应器设计计算半间歇反应器设计计算 液相、等温反应A + B C 按（b）形式进行操作 V1 FVO CAO V C x r 反应器内瞬时物料体积随时间变化关系为：V=V1+FV0t在dt时间内对A组分进行物料平衡，由恒算式加入量 - 反应消耗量 = 积累量)(00VCdVdtrdtCFAAAV100()()(1)

41、AAAVAAd C Vdnd nF C txAAVAAVAdxtCFndtCFx)()1 (00100第81页/共97页82dtxCFVrdxtCFnAAVAAAVA)()(00001该式即可计算xA与t的关系。式中rA=f（xA）和V=f（t），比较复杂时难于求解析解，可写成差分形式用数值法求解。 写成差分形式为 txCFVrxtCFnAAVAAAVA)()(00001平均若nA1=0，则 VdtrtxdCFAAAV=)(00写成差分式为tVrtxCFAAAV平均)(=)(00第82页/共97页83例3-12在半连续操作反应器中进行一级不可逆等温反应A+BC，rA=kCA，先在反应器内加入5

42、00l物料B，含B8kmol，不含A。然后连续加入物料A，含A浓度为8mol/l，加入速度为10l/min。反应速度常数k=1.3310-2min-1。求（1）100分钟后釜内物料体积；（2）A的转化率随时间变化情况。解：（1）V=V1+FV0t=500+10100=1500l （2）因为nA1=0，所以可用差分式 计算 VxtFkCkCrAVAAA)1 (00tVrtxCFAAAV平均)(=)(00txFkCVrAVAA)1 (00第83页/共97页84）（平均1+1+21=)(iAiiAiAVrVrVr1121100iAiiAiAVtxtxCkF）（）（iittt1iAAiiAiAtxxt

43、xtx111)(将)(txA、（rAV）代入式 得 tVrtxCFAAAV平均)(=)(00)(1/2() 1/2(21tttktxtkttxiiAiiAi第84页/共97页85取t，初始条件i=0，t0=0和上式进行迭代求解 例如取t=10min计算结果如下表：T（min）102030405060708090100 xA0.0620.1210.1740.2240.2690.3110.3490.3840.4170.447第85页/共97页86例3-13将例3-9改为半间歇操作，温度不变。先把1m3浓度为4.0kmol/m3的B投入釜内，再将1m3浓度为4.0kmol/m3的A于3h内均匀地连续加到釜内，使之与B反应，问加完后，A的转化率、R的收率和生成R的选择性各是多少。解：该间歇操作属连续加料而间歇出料的情况，对反应物A进行物料衡算加入量=反应量+累计量，也就是dtCVdVrCFARRAAV/ )(00其中第86页/共97页872234/AAAACCtCdtdCrA= rR+2rS=2CA+CA2，FV0=1/3 m3/h，VR=1 + t/3于是一阶非线性方程，可由计算机求其数值解t/hCA/kmolm-3t/hCA/kmolm-3002.00.33670.40.31032.40.31600.80.38022.80.29721.20.37833.0