釜式反应器反应工程PPT课件

1、间歇操作(batch reactor, BR)连续操作(continuous stirred tank reactor, CSTR) 用途：绝大多数用作有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。操作方式：间歇、连续、半间歇第1页/共36页本章内容本章内容 釜式反应器的物料衡算通式 等温间歇釜式反应器的计算 连续釜式反应器的反应体积 连续釜式反应器的串联与并联 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作第2页/共36页:反应器进料的体积流量0Q:反应器出料的体积流量Q:反应器进料中关键组分浓度0ic:反应器出料中关键组分浓度ic:反应体积rVic

2、QrV0Q0ic假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一 取整个反应体积作控制体积釜式反应器的物料衡算通式第3页/共36页icQrV0Q0ic釜式反应器的物料衡算通式iriiidndtVdtQcdtcQR00KidtdnVQccQiriii,2, 100 R其中：MKrMjjiji R 1对反应物为负对产物为正假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一 在 dt 时间间歇内对整个反应器做关键组分 i 的物料衡算：第4页/共36页)(00ttQVr1.反应体积 t 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。计算关键t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和

3、。经验给定操作时间等温 BR 的计算2.反应器的体积 fVVrf：装填系数 ，由经验确定,一般为 0.40.85第5页/共36页00 QQ对非稳态操作，反应时间内：01dtdnrViMjjijr物料衡算式则物料衡算通式变形为： 3.反应时间的计算等温 BR 的计算00dtdXnVAAArRAfXArAAVdXnt00)( R恒容反应AfXAAAdXct00)( R0,0AXt 单一反应fAXAAArdXct 00第6页/共36页一级反应一级反应非一级反应非一级反应反应时间反应时间相同相同 达到一定转化率所需的反应时间与反达到一定转化率所需的反应时间与反应器大小无关，只取决于动力学因素。应器大小

4、无关，只取决于动力学因素。 温度越高，速率常数温度越高，速率常数 k 越大，则达到越大，则达到相同转化率所需的反应时间相同转化率所需的反应时间 t 越短。越短。区别区别t 与与cA0无关无关t 与与cA0有关有关101) 1(1)1 (AAfkcXtAfXkt11ln1等温 BR 的计算第7页/共36页例：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0.02 mol/L，反应速率常数等于4.6 L/(mol min)。试求乙酸乙酯转化率分别达到 80、90和 95时的反应时间。解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH

5、523523BA AfXAAAdXct00)( RAfXAAAAXkcdXc02200)1 (AAAXXkc110得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min第8页/共36页对各组分作物料衡算(恒容条件)：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。对A：对P：对Q：0)(21dtdcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA 复合反应等温 BR 的计算 3.反应时间的计算AQAPckrQAckrPA21 第9页/共36页组分组分浓度浓度APQ反应反应时间时间)(021tkkAAecc)(210

6、1211 tkkApekkckcAAccnkkt0211)(2102211 tkkAQekkckc00 0 0QPAAcccct，时，设等温 BR 的计算AQAPckrQAckrPA21 第10页/共36页平行反应物系组成与反应时间关系示意图PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意时刻两个反应产物浓度之比，等于两个反应速率常数之比等温 BR 的计算第11页/共36页将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统 ：)(01MiktAAecc反应物A的浓度为：1 )(101MiktMiAiiekckc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。等温 BR 的计算 复合反应

7、第12页/共36页 复合反应连串反应复合反应连串反应对A作物料衡算：AAckdtdc1对P作物料衡算：PAPckckdtdc21等温 BR 的计算QPAtkAAecc10)(122101tktkAPeekkckc1 2112021kkekekcctktkAQ00 0 0QPAAcccct，时，设第13页/共36页0dtdcP令：2121)/(kkkkntopt得：等温 BR 的计算连串反应组分浓度与反应时间关系示意图QPAt0AcPcQcopttc第14页/共36页物料衡算式等温CSTR 的计算对稳态操作，有：0dtdniKirVQccQMjjijrii,2, 1100 则物料衡算通式变为：A

8、AArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV 单一反应第15页/共36页 空时与空速的概念：空时与空速的概念： 空时：进料体积流量反应体积0QVr（因次：时间） , Q o处理能力表明 空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。rAArVcFVQ0001 空速：-1:时间因次等温CSTR 的计算第16页/共36页对关键组分A有：对目的产物P有：对副产物Q有：三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系AAfArckkXcQV)(21000 010pAprcckcQV设，0 020QAQrcckcQV设， 复合

9、反应平行反应等温CSTR 的计算第17页/共36页AAfArckXcQV100对中间产物P：0 0210ppAprcckckcQV设，对最终产物Q：0 020QPQrcckcQV设，等温CSTR 的计算 复合反应连串反应对关键组分A有：三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系第18页/共36页小结：等温反应釜的设计方程反应BRCSTRAAArcc)(0RBAQAPAQPAAfXAAArdXct0001dtdcckAA0)(21dtdcckckPPA0)(21dtdcckkAA01dtdcckPAAAfAckkXc)(210Apckc1AAfAckXc10pApckckc21第19页/共3

10、6页AACSTRrXc0XAABRrdXct00BR和CSTR反应体积的比较第20页/共36页思考思考 1. 用一个大反应器好还是几个小反应器好用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小最小) 2. 若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？ （Vr最小最小) 3. 若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？或各釜的最佳反应体积比如何？或各釜的最佳反应体积比如何？连续釜式反应器的串联与并联第21页/共36页 正常动力学ABDEF2AXAX1AXAR10HK)(2200AAAArXXcQVR单釜)()()(212

11、001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVRR两釜串联连续釜式反应器的串联与并联1.图解分析第22页/共36页正常动力学，转化速率 随XA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。)(AR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）反常动力学，转化速率 随XA增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。)(AR连续釜式反应器的串联与并联1.图解分析 小结第23页/共36页2. 2. 串联釜式反应器的计串联釜式反应器的计算算连续釜式反应器的串联与并联0Q0iC1 iC2iC1ipC1iNCiNCipC1rV12rV2rpVprN

12、VN 串联釜式反应器假设：各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，则各釜的空时 相等。 各釜操作温度相同，则各釜的速率常数 k 相等。)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR对第P釜作组分A的物料衡算：第24页/共36页对一级不可逆反应：)1 (0AAXkcrNPXkXXQVApApAprp, 2 , 1,)1 ()(10 连续釜式反应器的串联与并联2. 串联釜式反应器的计算)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQVRR)1 (10ApApAprXkXXQV ANNXk11)1 ( 1)11(11NANXkN个釜A

13、pApXXk1111注意：其中的 为单釜空时，总空时为N 。第25页/共36页3.3.串联釜式反应器的最佳反应体积串联釜式反应器的最佳反应体积比比 即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。.12121010021ANANANAAAAAAXXXXXXArNrrrcQVVVVRRR 连续釜式反应器的串联与并联对单一反应，总反应体积为：1, 2 , 1, 0NPXVApr 据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。rpVrV第26页/共36页小结：串联釜式反应器进行小结：串联釜式反应器进行 级反应：级反应：单釜优于串联釜，积。串联总体积等于单釜体，各

14、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连续釜式反应器的串联与并联3.串联釜式反应器的最佳反应体积比 第27页/共36页釜式反应器中复合反应的收率与选择性ApAppAAppAdXdYdndnS)()(RR瞬时瞬时收率瞬时选择性:pYS 1.总收率与总选择性AfoXApfXSSdXYAf0则：ApSdXdY 总收率或最终收率:pfY最终转化率:AfX总选择性:oSAfXAAfoSdXXS01 第28页/共36页 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，由于操作方式不同，虽然最终转化率一样，但最终

15、收率却不一样。釜式反应器中复合反应的收率与选择性1.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，收率顺序：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率增大而单调下降时，收率顺序：间歇釜多个连续釜串联单一连续釜第29页/共36页变温间歇操作的热量衡变温间歇操作的热量衡算算 根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：Uq即：与环境交换的热=内能的变化变温间歇釜式反应器HqdHdq 间歇釜式反应器用焓变代替内能的变化 CBACBArTHHT31 2dHTr为计算的基准温度第30页/共36页)(1TTcmdtcmHrpttTTpttr)(3rpttdTTTpttTdt

16、TcmdtcmHr（单一反应） RdtVHdHrAr)(2变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算dtVHdtcmHdHHdHrArptt)(321R 为反应物的比热容ptc为反应物的质量tm间的平均比热容为温度rptTTc CBACBArTHHT31 2dH第31页/共36页dtTTUAdqCh)(又：式中：U为总传热系数 Ah为传热面积 Tc为环境温度变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算)()(ArrchpttVHTTUAdtdTcmR)()(ArrchVHTTUAR讨论等温反应绝热反应ApttrAXcmHnTT)(00dtdXHnTTUAdtdTcmArAchptt0)(rAAAVdtdXn)(0R第32页/共36页1.1.连续釜式反应器的热量衡算连续釜式反应器的热量衡算式式定态操作热量衡算式为：定态操作热量衡算式为：Hq连续釜式反应器的定态操作)()()()(000TTUAVHTTcQchrATrptRqH)()()(0000TTUAXcHTTcQchAATrptptTrAAcHXcTT0)(00对绝热反应，有AXTT0ptrAcHc)(0：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。第33页/共36页2.2.连续釜式反应器的定态热稳定性连续釜式反应器的定态热稳定性 定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和