釜式反应器10PPT课件

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1、第1页/共115页第2页/共115页第3页/共115页 釜体一般是由钢板卷焊而成釜体一般是由钢板卷焊而成的圆筒体，再焊上钢制标准的圆筒体，再焊上钢制标准釜底，并配上封头、搅拌器釜底，并配上封头、搅拌器等零部件。根据反应物料的等零部件。根据反应物料的性质，罐体的内壁可内衬橡性质，罐体的内壁可内衬橡胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等胶、搪玻璃、聚四氟乙烯等耐腐蚀材料。为控制反应温耐腐蚀材料。为控制反应温度，罐体外壁常设有夹套，度，罐体外壁常设有夹套，内部也可安装蛇管。标准釜内部也可安装蛇管。标准釜底一般为椭圆形，根据工艺底一般为椭圆形，根据工艺要求，也可采用平底、半球要求，也可采用平底、半球底或锥形底等。底

2、或锥形底等。 釜式反应器的结构釜式反应器的结构987654321图图 开式搅拌釜式反应器结构示意图开式搅拌釜式反应器结构示意图1-搅拌器；搅拌器；2-罐体；罐体；3-夹套；夹套；4-搅拌轴搅拌轴5-压出管；压出管；6-支座；支座；7-人孔；人孔；8-轴封；轴封；9-传动装置传动装置 根据釜盖与釜体连接方根据釜盖与釜体连接方式的不同，搅拌釜式反应式的不同，搅拌釜式反应器可分为开式器可分为开式(法兰连接法兰连接)和和闭式闭式(焊接焊接)两大类。目前，两大类。目前，釜式反应器的技术参数已釜式反应器的技术参数已实现标准化。实现标准化。 第4页/共115页操作方式：间歇、连续、半间歇操作方式：间歇、连续

3、、半间歇(a)间歇式 (b)连续式 (c)半间歇式 间歇操作的特点是将反应所需间歇操作的特点是将反应所需的原料一次加入反应器，达到规定的原料一次加入反应器，达到规定的反应程度后即卸出全部物料。然的反应程度后即卸出全部物料。然后对反应器进行清理，随后进入下后对反应器进行清理，随后进入下一个操作循环，即进行下一批投料、一个操作循环，即进行下一批投料、反应、卸料、清理等过程。它是一反应、卸料、清理等过程。它是一个典型的非稳态过程，反应器内物个典型的非稳态过程，反应器内物料的组成随时间而变化，这是间歇料的组成随时间而变化，这是间歇过程的基本特征。过程的基本特征。 连续操作的特点是原料连续地输入反应器，

4、反连续操作的特点是原料连续地输入反应器，反应物料也从反应器连续流出。它多属于稳态操作，应物料也从反应器连续流出。它多属于稳态操作，反应器内任一位置上的反应物浓度、温度、压力、反应器内任一位置上的反应物浓度、温度、压力、反应速度等参数均不随时间而变化。它具有生产能反应速度等参数均不随时间而变化。它具有生产能力大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化等优力大、产品质量稳定、易实现机械化和自动化等优点，因此大规模工业生产的反应器多采用连续操作。点，因此大规模工业生产的反应器多采用连续操作。原料或产物中有一种或原料或产物中有一种或一种以上的为连续输入一种以上的为连续输入或输出，而其余的或输出，而其余的(

5、 (至少至少一种一种) )为分批加入或卸出为分批加入或卸出的操作，均属半连续操的操作，均属半连续操作。原料药生产中的气作。原料药生产中的气液相反应常常采用半连液相反应常常采用半连续操作。续操作。第5页/共115页间歇操作(batch reactor, BR)连续操作连续操作(continuous stirred tank reactor, CSTR) 用途：绝大多数用作有液相参与的反应，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。如：液液、液固、气液、气液固反应等。第6页/共115页反应器计算反应器计算操作型（查定型）操作型（查定型）-已知已知VrXA(或或t)设计

6、型设计型-已知已知XA(或或YP) Vr 均相或拟均相均相或拟均相第7页/共115页釜式反应器的全混流假设： 反应区内反应物料的浓度均一 反应区内反应物料的温度均匀第8页/共115页本章内容本章内容 釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式 等温间歇釜式反应器的计算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反应体积 连续釜式反应器的串联与并联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变温间歇釜式反应器 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作第9页/共115页:反应器进料的体积流量

7、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rVicQrV0Q0ic假设假设 温度均一温度均一 浓度均一浓度均一 取整个反应取整个反应体积体积作控制体积作控制体积3.1 釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式第10页/共115页icQrV0Q0ic3.1 釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式iriiidndtVdtQcdtcQ00KidtdnVQccQiriii,2, 1 00其中：其中：MKrMjjiji 1 对反应物为负对反应物为负对产物为正对产物为正在在 dt 时间内对整个反应器做关键组时间内对整个反应器做关键

8、组分分 i 的物料衡算：的物料衡算：假设假设 温度均一温度均一 浓度均一浓度均一 (进入进入 = 流出流出 + 反应反应 + 累积累积)第11页/共115页icQrV0Q0ic3.1 釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式Ki VQccQriii, 2 , 100Ki dtdnVQccQiriii,2, 100对连续釜式反应器，可简化为：对连续釜式反应器，可简化为：对间歇釜式反应器，可简化为对间歇釜式反应器，可简化为:Ki 0 dtdnViri, 2 , 1假设假设 温度均一温度均一 浓度均一浓度均一 第12页/共115页3.2 等温间歇釜式反应器的计算等温间歇釜式反应器的计算（单一

9、反应）（单一反应）间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式间歇釜式反应器的特点是分批装料和卸料，因此操作方式灵活，特别适用于多品种、小批量的化学品生产。因此，灵活，特别适用于多品种、小批量的化学品生产。因此，在医药、试剂、助剂、添加剂等精细化工部门得到了广泛在医药、试剂、助剂、添加剂等精细化工部门得到了广泛的应用。的应用。间歇反应器间歇反应器操作时间操作时间由两部分组成：一是由两部分组成：一是反应时间反应时间，即装即装料完毕后算起至达到所要求的产品收率所需的时间；另一料完毕后算起至达到所要求的产品收率所需的时间；另一是是辅助时间辅助时间，即装料，卸料及清洗所需时间之和。，即装料，卸料

10、及清洗所需时间之和。设计间歇反应器关键在于确定每批所需时间，其中尤以反设计间歇反应器关键在于确定每批所需时间，其中尤以反应时间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。应时间确定最为重要，而辅助时间则根据经验确定。第13页/共115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： 1.反应时间的计算3.2 等温等温 BR 的计算的计算00dtdXnVAAArRAfXArAAVdXnt00)( R恒容反应恒容反应AfXAAAdXct00)( R0,0AXt 单一反应fAXAAArdXct

11、00)1 (0AAAxnn第14页/共115页AAAkCr)(积分可得积分可得 对单一反应，反应速率可表示为：对单一反应，反应速率可表示为：3.2 等温等温 BR 的计算的计算1,11ln1110AfXAAXkXdXktAf1,) 1(1)1 ()1 (1101010AAfXAAAkCXXdXkCtAf)1 (0AAAXCC)1 ()(0AAAAXkCrfAXAAArdXct 00第15页/共115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。应器大小无关，只取决于动力学因素。

12、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 (AAfkcXtAfXkt11ln13.2 等温等温 BR 的计算的计算第16页/共115页)(00ttQVr2.反应体积 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(为

13、提高间歇釜式反应器的生产能力为提高间歇釜式反应器的生产能力, ,应设应设法减少辅助操作时间法减少辅助操作时间 )操作时间操作时间3.2 等温等温 BR 的计算的计算3.3.反应器的体积反应器的体积 fVVrf：装填系数，由经验确定：装填系数，由经验确定,一般一般0.40.85,对不起泡、不沸腾对不起泡、不沸腾物料，可取物料，可取0.70.85；对于起泡或沸腾物料，可取；对于起泡或沸腾物料，可取0.40.6。此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。此外，装料系数的选择还应考虑搅拌器和换热器的体积。 Q Q0 0 一般由生产任务确定一般由生产任务确定第17页/共115页用间歇反应器进行乙

14、酸与乙醇的酯化反应，每天生用间歇反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯产乙酸乙酯12000kg，其反应式为，其反应式为原料中反应组分的质量比原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密，反应液密度为度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时，并假定在反应过程中不变。辅助时间为间为1h。反应速率方程为。反应速率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反应。反应温度下温度下k1=4.7610-4L/(molmin)，平衡常数，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化试计算乙酸转化35%所需的反应体积。若反应器填所需的反应体积。若反应器填充系数取充系数取0.

15、75，则反应器实际体积是多少？，则反应器实际体积是多少？例例1 1)()()()(2523523SRBAOHHCOOCCHOHHCCOOHCH第18页/共115页解：首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可算出每小时乙酸用量为lmolCS59.171835. 160908. 30lmolCB2 .1046260908. 30lmolCA908. 3155. 423.160hmQ30155. 4102035. 46023.16hkmol /23.1635. 0248812000原料液各组分起示浓度分别为由原料液中各组分质量比可算出原料处理量Q0为第19页/共115页将题给的反应速率方程变换为转

16、化率的函数kckCCCCbCCaASABAB11)1 (0000002021)(AAAACcxbxakrAASSAARAABBAAAxCCCxCCxCCCxCC000000)1 (A)其中第20页/共115页将将(A)式代入得反应时间为式代入得反应时间为axacbbaxacbbacbCkcxbxadxCktAfAfAxAAAAAf2)4(2)4(ln411222010201由a,b及c的定义式知，434. 46575. 061. 24)15. 5(46575. 092. 2/1115. 5)92. 2908. 3/(59.17908. 3/2 .101 61. 2908. 3/2 .1022a

17、cbcba(B)第21页/共115页反应器的实际体积为 则所需的反应体积为将有关数值代入式（B）中得到反应时间30038.12) 160/8 .118(155. 4)(mttQVr351.1675. 038.12mfVVrTmin8 .11861. 2235. 0)434. 415. 5(61. 2235. 0)434. 415. 5(ln434. 4908. 31074. 414t第22页/共115页在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：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

18、钠的浓度均为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 min)。试求乙酸乙酯转化率分别达到。试求乙酸乙酯转化率分别达到 80、90和和 95时的反应时间。时的反应时间。OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH523523BA AfXAAAdXct00)( RAfXAAAAXkcdXc02200)1 (AAAXXkc110得：得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min例例2解：解：第23页/共115页在搅拌良好的间歇釜式反应器在搅拌良好的间歇釜式反应器

19、当丁醇过量时，反应动力学方程式为当丁醇过量时，反应动力学方程式为 式中式中CA为乙酸浓度，为乙酸浓度，kmol m-3。已知反应速度常数。已知反应速度常数k为为1.04m3 kmol-1 h-1，投料摩尔比为乙酸：丁醇，投料摩尔比为乙酸：丁醇=1：4.97，反应前后物料的密度为，反应前后物料的密度为750kg m-3，乙酸、丁醇，乙酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分别为及醋酸丁酯的分子量分别为60、74和和116。若每天生。若每天生产产3000kg乙酸丁酯乙酸丁酯(不考虑分离过程损失不考虑分离过程损失)，乙酸的转，乙酸的转化率为化率为50%，每批辅助操作时间为，每批辅助操作时间为0.5h，装料系数，

20、装料系数f为为0.7，试计算所需反应器的有效容积和总容积，试计算所需反应器的有效容积和总容积。 2AAkCr 例例3 3OHHCOOCCHOHHCCOOHCHKSOH294337394342浓硫酸第24页/共115页解：解：(1) 计算反应时间计算反应时间 因为是二级反应，故因为是二级反应，故 则则 kmol m-3 所以所以 h 7 .7197.597.47497.5160M75.197.517.717501C0A)1 (0AfAAfXkCXt55. 0)5 . 01 (75. 104. 15 . 0t第25页/共115页(2) 计算所需反应器的有效容积计算所需反应器的有效容积Vr 每天生产

21、每天生产3000kg乙乙酸丁酯，则每小时乙酸用量为酸丁酯，则每小时乙酸用量为 kg h-1 每小时处理的总原料量为每小时处理的总原料量为 kg h-1 每小时处理的原料体积为每小时处理的原料体积为 m3 h-1 1295 .0160116243000920)7497.460129(12923. 17509200Q第26页/共115页故反应器的有效容积为故反应器的有效容积为 m3 (3) 计算所需反应器的总容积计算所需反应器的总容积VT m3 29. 1)5 . 055. 0(23. 1)(00ttQVr84. 17 . 029. 1fVVrT第27页/共115页最优反应时间 对于反应 ，若反应

22、产物R的浓度为CR，则单位操作时间的产品产量为 (3.15) 将式(3.15)对反应时间求导 (3.16) 令 ，则由式(3.16)得RA0ttCVFRrR200)()(ttCdtdCttVdtdFRRrR0ttCdtdCRR0dtdFR第28页/共115页图图3.2 3.2 间歇反应器的最优反应时间间歇反应器的最优反应时间 OMN为为CR与与t关系曲线，关系曲线，自点自点A(-t0,0)作曲线作曲线OMN的的切线切线MA，则，则M点的横坐标点的横坐标即为最优反应时间。即为最优反应时间。 如从单位产品生产费用最低着眼，并如从单位产品生产费用最低着眼，并设单位时间内反应操作费用为设单位时间内反应

23、操作费用为a，辅助，辅助费用为费用为a0，固定费用为，固定费用为af，则单位质量，则单位质量产品总费用，即目标函数为产品总费用，即目标函数为RrfTCVataatA00aatatCdtdCdtdAfRRT/ )(, 000第29页/共115页 习题习题 3.1 、3.2 、3.5、3.9 、 3.13 、3.16 课后作业：课后作业：第30页/共115页对各组分作物料衡算：对各组分作物料衡算：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)(21dtdnckkVAAr01dtdnckVPAr02dtdn

24、ckVQAr 复合反应-平行反应等温等温 BR 的计算的计算 3.反应时间的计算AQAPckrQAckrPA21 第31页/共115页若为若为恒容条件恒容条件下：下：对对A：对对P：对对Q：0)(21dtdcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA 复合反应-平行反应等温等温 BR 的计算的计算 3.反应时间的计算AQAPckrQAckrPA21 第32页/共115页组分组分浓度浓度反应反应时间时间APQ)(021tkkAAecc)(2101211 tkkApekkckcAAAXnkkccnkkt111121021)(2102211 tkkAQekkckc00 0 0QPAAcccc

25、t，时，设等温等温 BR 的计算的计算AQAPckrQAckrPA21 第33页/共115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：任意时刻两个即：任意时刻两个反应产物浓度之比反应产物浓度之比，等于两个反应速，等于两个反应速率常数之比率常数之比等温等温 BR 的计算的计算反应物反应物A的浓度总的浓度总是随反应时间的增是随反应时间的增加而减少，而产物加而减少，而产物的浓度则随反应时的浓度则随反应时间的增加而增高。间的增加而增高。 第34页/共115页将上述结果推广到含有将上述结果推广到含有M M个一级反应的平行反应系统

26、：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 复合反应第35页/共115页例例4 4 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应 (A)(A)反应开始时反应开始时A A和和B B的浓度均为的浓度均为2kmol/m2kmol/m3 3，目的产物，目的产物为为P P，试计算反应时间为，试计算反应时间为3h3h时时A A的转化率和的转化

27、率和P P的收的收率。率。 )/(5 . 0,2)/(2,323hmkmolcrQAhmkmolcrPBAAQAP第36页/共115页解：解：由于是恒容系统，将式由于是恒容系统，将式(A)代入式代入式(B)化简后可得化简后可得:积分得积分得:A的消耗速率为的消耗速率为:)()2()2(ln21200200DCCCCtCCdCdtAAAACCAAAtAA)(022CCCdtdCAAA)(25 . 022222BCCCCrrAAAAQpA对组分对组分A作物料衡算：作物料衡算：)(A 0 dtdnVArA第37页/共115页解得解得:9988. 0210482. 223AX33/10482. 2mk

28、molCA当当CAo=2kmol/m3，t=3h时：时：)22()2(2ln213)2()2(ln2100AAAAAACCCCCCt组分组分A的转化率：的转化率：第38页/共115页结合初始条件并积分可得结合初始条件并积分可得:式式(C)除以式除以式(E)有：有：2/12/1ln22/1000AApCCAACpCCCCdCdCAApApACdCdC211为了计算为了计算P的收率，列出关于的收率，列出关于P的设计方程：的设计方程：)(2E CdtdCAp第39页/共115页P的收率为的收率为：6919. 023838. 1pY)(/3838. 12/10482. 212/21ln233Fmkmo

29、lCp代入代入CA0、CA数值后得数值后得:第40页/共115页 复合反应连串反应复合反应连串反应对对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 2112021kkekekcctktkAQ00 0 0QPAAcccct，时，设第41页/共115页0dtdcP令：令：2121)/(kkkkntopt得：得：等温等温 BR 的计算的计算连串反应组分浓度与反应时间关系示意图连串反应组分浓度与反应时间关系示意图QPAt0AcPcQcopttc由图可知

30、，目的产由图可知，目的产物物P的浓度存在极的浓度存在极大值，该极大值对大值，该极大值对应的反应时间即为应的反应时间即为最优反应时间最优反应时间 第42页/共115页例例5 5 在间歇釜式反应器中进行等温反应在间歇釜式反应器中进行等温反应 这两个反应对各自的反应物均为一级，并已知反这两个反应对各自的反应物均为一级，并已知反应温度下应温度下k k2 2/k/k1 1=0.68,=0.68,试计算一甲胺的最大收率试计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨的转化率。和与其相应的氨的转化率。 OHNHCHOHCHNHCHOHNHCHOHCHNHkk22332322333)(21第43页/共115页解：解：一甲

31、胺的生成速率为一甲胺的生成速率为:两式相除得两式相除得:氨的转化速率为氨的转化速率为:)(112CCCkkdCdCABABMBMABBCCkCCkdtdCrr2121MAAACCkdtdCr11)(根据两个反应得速率方程为根据两个反应得速率方程为 ：)()(2211B CCkrA CCkrMBMA第44页/共115页根据初值条件根据初值条件XA、YB，解一阶线性常微分方程（解一阶线性常微分方程（D）得）得:故式（故式（C）又可以写成）又可以写成:)(1)1 ()1 ()1 ()1 ()1expln()1expln()1 (exp)1 (exp1212121212121211212ECXXCdX

32、XXCdXXXCdXXkdXkXkdXkYkkAAAAAAAAAAAAABkkkkkkkkkkkk)()1 (112DXkYkdXdYABAB因为因为 ：BABAAAYCCXCC00),1 (第45页/共115页为了求一甲胺的最大收率，将式（为了求一甲胺的最大收率，将式（F）对）对XA求导得求导得:则式（则式（E）有）有: 1)1 (11121212kkAABXkkkkdXdY)()1 ()1(111212FXXkkYAABkk式（式（E）中）中c为积分常数，由初始条件得：为积分常数，由初始条件得：)1/(112kkC令令dYB/dXA=0得得:1)1 (1212kkAXkk第46页/共115

33、页根据已知条件根据已知条件k2/k1=0.68,一甲胺的最大收率为一甲胺的最大收率为:将将XA代入式（代入式（F）可得）可得:7004. 0)68. 01 (1)168. 0(1AX4406. 0)7004. 01 ()7004. 01(68. 01168. 0max,BY所以所以 ：)1(11212)(1kkAkkX第47页/共115页物料衡算式物料衡算式3.4 等温等温CSTR 的计算的计算对连续釜式反应器，稳态操作，有：对连续釜式反应器，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)( )(

34、000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV 单一反应第48页/共115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）（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。空速越大，反应器的原料处理能力越大。rAArVcFVQ0001 空速：空速：-1:时间因次3.4 等温等温CSTR 的计算的计算第49页/共115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

35、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， 复合反应平行反应3.4 等温等温CSTR 的计算的计算AQAPckrQAckrPA21 第50页/共115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：0 020QPQrcckcQV设，3.4 等温等温CSTR 的计算的计算 复合反应连串反应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VrV

36、r、X XA A、Y YP P三者关系三者关系QPA第51页/共115页 例例6 用连续操作釜式反应器生产乙酸丁酯，反应用连续操作釜式反应器生产乙酸丁酯，反应条件和产量同条件和产量同例例3，试计算所需，试计算所需VR。 解：因为是二级反应，解：因为是二级反应， 因为：因为： m3 h-1，xAf=0.5，CA0=1.75kmol m-3，k=1.04 m3 kmol-1 h-1。则则 200)1 (AfAAfrXkCXQV23. 10Q3220035. 1)5 . 01 (75. 104. 15 . 023. 1)1 (mXkCXQVAfAAfr第52页/共115页例7 用连续操作釜式反应器进

37、行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其反应式为原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时间为1h。反应速率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/R)。反应温度下k1=4.7610-4L/(molmin)，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%所需的反应体积？)()()()(2523523SRBAOHHCOOCCHOHHCCOOHCH第53页/共115页首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可算出每小时乙酸用量为lmolCS59.171835. 160908. 30lmolCB2 .1046260

38、908. 30lmolCA908. 3155. 423.160hm3155. 4102035. 46023.16hkmol /23.1635. 0248812000解：解：由原料液中各组分质量比可算出原料液量为：原料液各组分起示浓度分别为：第54页/共115页将题给的反应速率方程变换为转化率的函数：将题给的反应速率方程变换为转化率的函数：)(/ )()()1 (0000001AkxCCxCxCCxCkrAASAAAABAAAAASSAARAABBAAAxCCCxCCxCCCxCC000000)1 (3210)78. 444.3797.18(AAAXXr带入初始组成及带入初始组成及k1、K化简后

39、的：化简后的：第55页/共115页以出口转化率计算反应速率：以出口转化率计算反应速率：30068.143871. 035. 0908. 3155. 4)(mXXcQVAfAAfAr)/(3871. 0min)/(10452. 610)35. 078. 435. 044.3797.18(10)78. 444.3797.18(333232hmkmolLmolXXrAAA则所需的反应体积为：(B)比较间歇与连续釜式反应器表明，采用间歇操作所比较间歇与连续釜式反应器表明，采用间歇操作所需的反应体积较之连续釜式反应器要小，其原因是需的反应体积较之连续釜式反应器要小，其原因是间歇反应器是变速操作，开始时反

40、应速率大，终了间歇反应器是变速操作，开始时反应速率大，终了时最小，而连续釜式反应器是在等速下操作，且恰时最小，而连续釜式反应器是在等速下操作，且恰好在相应的间歇反应器最小反应速率下操作。从这好在相应的间歇反应器最小反应速率下操作。从这个角度来说，连续釜式反应器不如间歇反应器。个角度来说，连续釜式反应器不如间歇反应器。第56页/共115页例例8 8 在等温连续釜式反应器中进行下列液相反应在等温连续釜式反应器中进行下列液相反应 (A)(A)反应开始时反应开始时A A和和B B的浓度均为的浓度均为2kmol/m2kmol/m3 3，目的产物，目的产物为为P P，若保持其空时为，若保持其空时为3h3h

41、则组分则组分A A的最终转化率为的最终转化率为多少？多少？P P的收率又是多少？的收率又是多少？ )/(5 . 0,2)/(2,323hmkmolcrQAhmkmolcrPBAAQAP第57页/共115页分别列出分别列出A A及及P P的物料衡算式，对的物料衡算式，对A A：对对P P有：有：将将C CA0A0=2kmol/m=2kmol/m3 3代入式（代入式（A A）并整理得：）并整理得：）（或ACCCCQVCCCCQVAAAArAAAAr20020022)()(2BCCAp02732AACC解：解：第58页/共115页CA = 0.2573 kmol/m3故故A的最终转化率为：的最终转化

42、率为：将将CA=0.2573 kmol/m3 代入式（代入式（B B）得）得P P的浓度：的浓度：8714. 02/ )2573. 02(AfX3/544. 12573. 032mkmolCp772. 02/544. 10AppCCY解得：解得：故故P的收率为：的收率为：比较间歇与连续釜式反应器表明，当连续釜式比较间歇与连续釜式反应器表明，当连续釜式反应器的空时和间歇釜的反应时间相同时，两反应器的空时和间歇釜的反应时间相同时，两者的转化率、收率都不相等，因此在进行反应者的转化率、收率都不相等，因此在进行反应器放大时，这点必须予以足够注意。另外在本器放大时，这点必须予以足够注意。另外在本情况下连

43、续操作时的收率大于间歇操作，这是情况下连续操作时的收率大于间歇操作，这是由于由于A A的浓度低有利于目的产物的浓度低有利于目的产物P P的生成之故。的生成之故。第59页/共115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反应BRCSTRAAArcc)(0RBAQAPAQPAAfXAAArdXct0001dtdcckAA0)(21dtdcckckPPA0)(21dtdcckkAA01dtdcckPAAAfAckkXc)(210Apckc1AAfAckXc10pApckckc21第60页/共115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?（

44、Vr最最小小) 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？3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第61页/共115页第62页/共115页 正常动力学正常动力学ABDEF2AXAX1AXAR10HK)(2200AAAArXXcQV单釜)()()(212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQV两釜串联1.1.图解分析图解分析3.5 连续釜式反应器的串联与并联

45、连续釜式反应器的串联与并联第63页/共115页)(00AfAAfArXrXcQV AAArrccQV)(003.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联(a) (a) 正常动力学正常动力学 (b) (b) 反常动力学反常动力学图图3.5 3.5 连续釜式反应器反应体积的几何图示连续釜式反应器反应体积的几何图示第64页/共115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。)(A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，一般釜数不超过但操作复杂程度

46、增大，附属设备费用增大，一般釜数不超过4 4）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。)(A1.1.图解分析图解分析 小结小结3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第65页/共115页图3.6 釜式反应器的并联第66页/共115页图图 单釜单釜连续操作连续操作和多釜串和多釜串联连续操联连续操作反应器作反应器内的浓度内的浓度变化变化第67页/共115页2. 2. 串联釜式反应器的计串联釜式反应器的计算算3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联0Q0iC1 iC2iC1ipC1iNCiNCipC1rV12rV2rpVprN

47、VN 串联釜式反应器串联釜式反应器)()()()(10010ipipipipiipipiprpXXXcQccQV对第对第P P釜作组分釜作组分i i的物料衡算：的物料衡算：第68页/共115页2. 2. 串联釜式反应器的计串联釜式反应器的计算算3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第69页/共115页2. 2. 串联釜式反应器的计串联釜式反应器的计算算3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联FA1 VR1CA1 Vh1 VR2VRiVRNFA2 CA2 Vh2 FAi-1 CAi-1 Vhi-1 FAi CAi Vhi FAN-1 CAN-1 VhN-

48、1 x AN-1 FAN=FAf CAN=CAf VhN x AN x Ai x Ai-1 x A2 x A1 FA0 CA0 Vh x = 0A0 = x Af 在第在第p釜中对反应物釜中对反应物A进行物料衡算得进行物料衡算得NpVcQcQrpAppApp, 2 , 1 Ap11第70页/共115页对一级不可逆反应对一级不可逆反应,以以A为关键组分为关键组分 ：)1 ()(0AAAXkcNPXkXXQVAppApAprp, 2 , 1 ,)1 ()(103.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联2. 2. 串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算)()()()(10010A

49、pApApApAApApAprpXXXcQccQVRR)1 ( 10AppApAprXkXXQVANNXk11)1 ( 1)11(11NANXkN个釜个釜ApAppXXk1111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 。NtNQVt0K=k1-k2=第71页/共115页对非一级不可逆反应对非一级不可逆反应,以以A为关键组分为关键组分 ：22)1 (AAoXkcrNPXkcXXQVAAoApAprp, 2 , 1 ,)1 ()(2103.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联2. 2. 串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算210)1 ( AAo

50、ApAprXkcXXQV0) 12(10020ApAApAApAXCkXCkXCk注意：各釜反应体积（或空时）已知时，可从第一釜开始，逐釜计算各釜出注意：各釜反应体积（或空时）已知时，可从第一釜开始，逐釜计算各釜出口转化率，可确定达到最终转化率所需的釜数。但若规定釜数计算达到最终口转化率，可确定达到最终转化率所需的釜数。但若规定釜数计算达到最终转化率时各釜反应体积（或空时）时，则需假定空时通过试差进行计算。转化率时各釜反应体积（或空时）时，则需假定空时通过试差进行计算。第72页/共115页图图3.8 3.8 作图法确定串联釜式反作图法确定串联釜式反应器各釜的出口转化率应器各釜的出口转化率第73

51、页/共115页用三个体积相同的釜式反应器串联，进行乙酸与乙醇的酯化，每天生产乙酸乙酯12000kg，其反应式为原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。辅助时间为1h。反应速率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/R)。反应温度下k1=4.7610-4L/(molmin)，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%所需的反应体积。若反应器填充系数取0.75，则反应器实际体积是多少？例例9 9)()()()(2523523SRBAOHHCOOCCHOHHCCOOHCH第74页/共115页首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可

52、算出每小时乙酸用量为lmolCS59.171835. 160908. 30lmolCB2 .1046260908. 30lmolCA908. 3155. 423.160hm3155. 4102035. 46023.16hkmol /23.1635. 0248812000解：解：由原料液中各组分质量比可算出原料液量为：原料液各组分起示浓度分别为：第75页/共115页将题给的反应速率方程变换为转化率的函数将题给的反应速率方程变换为转化率的函数)(/ )()()1 (0000001AkxCCxCxCCxCkrAASAAAABAAAAASSAARAABBAAAxCCCxCCxCCCxCC000000)

53、1 (3210)78. 444.3797.18(AAAXXr带入初始组成及带入初始组成及k1、K化简后的：化简后的：第76页/共115页)()()()(10010ApApApApAApApAprpXXXcQccQV各釜设计方程： 对第一釜： 对第二釜： 对第三釜： )(11001AAAArXXcQV)()(212002AAAAArXXXcQV)()(323002AAAAArXXXcQV第77页/共115页由上三式得： )()()()()()()()(32231221121BXXXXXXAXXXXXAAAAAAAAAAAAAAA321rrrVVV假设各釜体积相等：)(10)78. 444.379

54、7.18()(32CXXXAAAA由于rA为： 第78页/共115页联立求解式(D)(E)得： )(10)78. 444.3797.18(10)78. 444.3797.18()()(10)78. 444.3797.18(10)78. 444.3797.18()(32333222231232223211121EXXXXXXXXDXXXXXXXAAAAAAAAAAAAAAA33232199.2310598.1078. 4598.1044.3797.18(mVVVrrr）（）（将XA3=0.35与式(C)一起代入式(A)(B)，有：2714. 01598. 021AAXX及总反应体积为9.897m

55、3 第79页/共115页反应器反应器BRCSTR 三个三个CSTR串联串联Vt/m38.23（12.38）14.689.90不同反应器反应体积比较不同反应器反应体积比较第80页/共115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。 .12121010021ANANANAAAAAAXXXXXXArNrrrcQVVVV 3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联对单一反应，总反应体积为：对单一反应，总反应体积为：1, 2 , 1, 0NPXVApr 据此求得各釜的转

56、化率，从而求得 此时 最小。rpVrV第81页/共115页1, 2 , 1)(1)()(1)(111NpXXXApApApApApAp求解该方程组，可得此总反应体积最小时各釜的反应体积。3.3.串联釜式反应器的最佳反应体积比串联釜式反应器的最佳反应体积比 3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第82页/共115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 )1 ()(0AAAXkc对一级不可逆反应，有：对一级不可逆反应，有：1, 2 , 1 ,)1 (1)(120NPXkcXApAApAp若各釜温度相同，若各釜温度相同，化简得：化简得： 1, 2

57、 , 1 ,11111NPXXXXXXApApApApApAp1, 2 , 1 ,)1 ()()1 ()(010010100NPXkCXXCQXkCXXCQApAApApAApAApApA所以：所以：由此可见，串联釜式反应器进行一级不可逆由此可见，串联釜式反应器进行一级不可逆反应时，若各釜体积相等，则总反应体积最反应时，若各釜体积相等，则总反应体积最小。小。 3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第83页/共115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，各釜体积依次减小。，各釜体积相等。，釜在前，大釜在

58、后。各釜体积依次增大，小， 0 0 10 1 13.3.串联釜式反应器的最佳反应体积比串联釜式反应器的最佳反应体积比 3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联第84页/共115页3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性ApAppAAppAdXdYdndnS)()(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:AfX总选择性:oSAfXAAfoSdXXS01 第85页/共115页 总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反总选择性和转化率的关系取决于反应动力

59、学，反应器形式和操作方式等。因此，同是釜式反应器，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。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3

60、.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性第86页/共115页(a) (b)图图3.10 3.10 釜式反应器的最终收率釜式反应器的最终收率第87页/共115页2.2.平行反应平行反应若目的产物为若目的产物为P，则瞬时选择性为，则瞬时选择性为 在釜式反应器中进行如下平行反应在釜式反应器中进行如下平行反应 221121 BAQBAPcckrQBAcckrPBA12121211)(BAkkQppAppAccrrrS瞬时3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性第88页/共115页2.2.平行反应平行反应 在釜式反应器中进行平行反应在

61、釜式反应器中进行平行反应 3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性第89页/共115页 以纯以纯A A为原料在连续釜式反应器中生产产物为原料在连续釜式反应器中生产产物P P，反应为反应为AUAPckrUAckrPA21 例例反应速率常数反应速率常数k k1 1和和k k2 2与温度的关系符合阿累尼乌斯与温度的关系符合阿累尼乌斯方 程 ， 指 前 因 子方 程 ， 指 前 因 子 A A1 1= 4 . 3 6 8= 4 . 3 6 8 1 01 05 5h h- 1- 1，A A2 2= 3 . 5 3 3= 3 . 5 3 3 1 01 01 81 8h

62、h- 1- 1， 反 应 活 化 能， 反 应 活 化 能E E1 1=41800J/(mol=41800J/(molK) K) ，E E2 2=141000J/(mol=141000J/(molK)K)。若空。若空时为时为1h1h，试问什么温度下操作，试问什么温度下操作P P的收率最大？的收率最大？第90页/共115页分别列出组分分别列出组分A和和P的物料衡算式：的物料衡算式：)()(1)()(1)(2112121FkkkYEkkkkXPA)()1 ()()1)(121DXkYCXkkXAPAA)()(000BrCQVArrCCQVPPrUPAAr解：解：式式(A)(B)可分别改写为：可分别

63、改写为：由式由式(C) (D)得：得：第91页/共115页上式对温度上式对温度T求导得：求导得：222222211111)exp()exp(RTEkRTEAdTddTdkRTEkRTEAdTddTdk2212112)(1 )1(kkdTdkkdTdkkdTdYP令：令：代入式代入式(G)有：有：0dTdYP则有：则有：)(0)1 (2112GdTdkkdTdkk由于：由于：2212)1 (EkEk第92页/共115页将阿累尼乌斯方程代入并整理得：将阿累尼乌斯方程代入并整理得：KT3 .389)141800141000(110533. 3ln314. 814100018) 1()exp(1222

64、EEARTE代入已知条件可算得：代入已知条件可算得：)1(ln1222EEARET第93页/共115页3.3.连串反应连串反应QPAkk21首先针对连续釜式反应器列出组分首先针对连续釜式反应器列出组分A A和和P P的物料衡算方程：的物料衡算方程：pAPrAAArCkCkCQVCkCCQV210100)1)(1 ()1/(2110,10kkkCCYkCCAPMpAA0,ddYMp211kkop将上式对空时求导：将上式对空时求导：得最佳空时：得最佳空时：3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性第94页/共115页P最大收率为：最大收率为：21)(21max,1

65、22)()(kkkkYkkkBp2211max,)()(kkkYMp相同的反应温度下，间歇反应器和连续釜式反应器收率的比较：相同的反应温度下，间歇反应器和连续釜式反应器收率的比较：)1(ln1222EEARET在连续釜式反应器中在连续釜式反应器中进行连串反应时，同进行连串反应时，同样存在着最大收率样存在着最大收率间歇反应器间歇反应器连续釜式反应器连续釜式反应器21max,25. 0)(kkYMp2211max,)()(kkkYMp21max,368. 01)(kkeYBp第95页/共115页间歇反应器和连续釜式反应器收率与转化率的关系：间歇反应器和连续釜式反应器收率与转化率的关系：21121,

66、)1 ()1(12kkXXkkkYAkkABp间歇反应器间歇反应器连续釜式反应器连续釜式反应器)1 ()1 (121,AAAAMpXkXkXXkY21,)1ln() 1(kkXXYAABp第96页/共115页图图3.12 3.12 间歇及连续釜式反应器进行连串反应时的转化率与间歇及连续釜式反应器进行连串反应时的转化率与收率收率间歇釜最大收率轨迹连续釜最大收率轨迹第97页/共115页第98页/共115页在连续釜式反应器中进行甲醇和氨的反应在连续釜式反应器中进行甲醇和氨的反应: : 例例这两个反应对各自的反应物均为一级，并已知反这两个反应对各自的反应物均为一级，并已知反应温度下应温度下k k2 2/k/k1 1=0.68,=0.68,则一甲胺的最大收率是多少？则一甲胺的最大收率是多少？相应氨的转化率又是多少？相应氨的转化率又是多少？OHNHCHOHCHNHCHOHNHCHOHCHNHkk22332322333)(21第99页/共115页解：解：两式相除得两式相除得:分别作组分分别作组分A A和和B B的物料衡算可得的物料衡算可得: :1)1 (120ABBAACCkkCCC根据两个反应得速