间歇釜式反应器 (2)ppt课件

1、贡卫涛综合楼D40184986067 第三章第三章 理想反响器理想反响器1.间歇釜式反响器Batch Reactor, BR)2.全混流反响器Continuously Stirred Tank Reactor CSTR)3.平推流反响器Plug Flow Reactor， PFR)间歇釜式反响器BRBatch Reactor 3.1 釜式反响器的特点及其运用釜式反响器的特点及其运用 3.2 间歇釜式反响器的容积与数量间歇釜式反响器的容积与数量 3.3 等温间歇反响釜的计算等温间歇反响釜的计算 3.4 变温间歇釜的计算变温间歇釜的计算 3.5 半间歇釜式反响器半间歇釜

2、式反响器3.1.1釜式反响器的构造釜式反响器的构造 *1.釜的主体，提供足够的容积，确保到达规定转化率所需的时间 2.搅拌安装，由搅拌轴和搅拌器组成，使反响物混合均匀，强化传质传热 3.传热安装，主要是夹套和蛇管，用来输入或移出热量，以坚持适宜的反响温度 4.传动安装,是使搅拌器获得动能以强化液体流动。6.工艺接纳工艺接纳,为顺应工艺需求为顺应工艺需求 5.轴密封安装，用来防止釜体与搅拌轴密封安装，用来防止釜体与搅拌轴之间的走漏轴之间的走漏 3.1.2间歇釜式反响器的特点及其运用间歇釜式反响器的特点及其运用 1 1、特点、特点* *辅助时间占的比例大辅助时间占的比例大 , ,劳动强度高，消费效

3、率低劳动强度高，消费效率低. .操作灵敏性大，便于控制和改动反响条件操作灵敏性大，便于控制和改动反响条件 非稳态操作，反响过程中，温度、浓度、反响非稳态操作，反响过程中，温度、浓度、反响速度随着反响时间而变速度随着反响时间而变 同一瞬时，反响器内各点温度、浓度分布均匀同一瞬时，反响器内各点温度、浓度分布均匀构造简单、加工方便，传质、传热效率高构造简单、加工方便，传质、传热效率高 反响物料一次参与，产物一次取出反响物料一次参与，产物一次取出几乎一切有机合成的单元操作几乎一切有机合成的单元操作 2、运用适宜于多种类、小批量消费适宜于多种类、小批量消费顺应于各种不同相态组合的反响物料顺应于各种不同相

4、态组合的反响物料3.2.1间歇釜式反响器的容积与数量 确定反响器的容积与数量是车间设计的根底，是实现化学反响工业放大的关键1、求算反响器的容积与数量需求的根底数据1每天处置物料总体积VD和单位时间的物料处置量为Q0DDGV=Q0=VD/24GD每天所需处置的物料总分量 物料的密度2 操作周期操作周期t 操作周期又称工时定额或操作时间，是指消费每一批料的全部操作时间，即从预备投料到操作过程全部完成所需的总时间t ，操作时间t包括反响时间t和辅助操作时间t0 两部分组成。 即t = t + t0 例如萘磺化制取2-萘磺酸的操作周期: 检查设备 15分 加萘 15分 加硫酸及升温 25分 反响 16

5、0分 压出料 15分 操作周期 240分或4小时反响时间反响时间t的求算方法的求算方法 由动力学方程实际计算或阅历获得，但应留意： (1)不少剧烈放热的快速反响，反响过程的速率往往受传热速率的控制，不能简单地用动力学方程式来求算反响过程的时间。 (2)某些非均相反响，过程进展的速率受相间传质速率的影响，也不能单纯地从化学动力学方程式计算反响时间。 (3)某些反响速率较快的反响，在加料过程及升温过程中已开场反响。在保温阶段之前能够已到达相当高的转化率。有时需分段作动力学计算。3反响体积反响体积VR 反响体积是指设备中物料所占体积，又称有效体积。VR=Q0 t4*设备装料系数设备装料系数 反响器有

6、效体积与设备实践容积之比称为设备装料系数，以符号 表示，即： =VR/V。其值视详细情况而定条 件装料系数范围无搅拌或缓慢搅拌的反响釜0.800.85带搅拌的反响釜0.700.80易起泡或沸腾情况下的反响0.400.60液面安静的贮罐和计量槽0.850.902、反响器的容积和个数确实定、反响器的容积和个数确实定 1知VD或Q0与t ，根据已有的设备容积Va，求算需用设备的个数m。 设备装料系数为 ，那么每釜物料的体积为 Va，按设计义务，每天需求操作的总批次为： 每个设备每天能操作的批数为： 024DaaQVVV24=t按设计义务需用的设备个数为： 0024DaQ tV tmVV由上式算出的m

7、值往往不是整数，需取成整数m,mm。 因此实践设备总才干比设计需求提高了。其提高的程度称为设备才干的后备系数，以表示，%100mmm那么 2知每小时处置的物料体积Q0与操作周期t,求设备体积与个数 需求设备的总容积为：0mQ tVmV假设反响器容积V的计算值很大，可选用几个小的反响器 假设以m表示反响釜的个数，那么每个釜的容积:Vm=V/m=Q0t/( m) 为便于反响器的制造和选用，釜的规格由规范(GB 9845-88)而定。在选择规范釜时，应留意使选择的容积与计算值相当或略大。假设大，那么实践消费才干较要求为大，富有的消费才干称为反响器的后备才干，可用后备系数来衡量后备才干的大小，假设规范

8、釜的容积为Va，那么， %100%100mmmaaVVVVVV3、计算例如、计算例如物料处置量Q0普通由消费义务确定，辅助时间t0视实践操作情况而定，反响时间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以及等例3-1西维因农药中试车间获得以下数据：用200升搪瓷锅做实验，每批操作可得西维因废品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。年任务日取300天。解： 每台锅每天操作批数： =24/17=1.41 每天消费西维因农药数量： 10001000300=3330KgGD 需求设备总容积: mVm=3330/1.4

9、120010-3/12.5=37.8m3 取Va为10 m3的最大搪瓷锅4台。=4-3.78/3.78100%=5.82% 例3-2 萘磺化反响器体积的计算。萘磺化消费2-萘磺酸，然后经过碱熔得2-萘酚。知2-萘酚的收率按萘计为75%，2-萘酚的纯度为99%，工业萘纯度为98.4%，密度为963kg/m3 。磺化剂为98%硫酸，密度为1.84。萘与硫酸的摩尔比为1：1.07。每批磺化操作周期为3.67小时。萘磺化釜的装料系数为0.7。年产2-萘酚4000t，年任务日330天。L6269631000984. 0175. 01441282433099. 01040003L27084. 110009

10、8. 0175. 014407. 1982433099. 010400030896 3.6743900.7Q tVL%9 .13%1004390439025002根据消费义务，每小时需处置工业萘的体积为：每小时需处置硫酸的体积为：每小时处置物料总体积为:Q0=626+270=896L反响器的体积为：假设采用2500L规范反响器两个，那么反响器的消费才干后备系数为：SO3HOH128144H2SO4+983.3 等温间歇釜式反响釜的计算*反响器容积V反响器有效体积VR Q0, tt = t + t0确定反响时间的两种方法：阅历法; 动力学法间歇反响属非定态操作，反响时间取决于所要到达的反响进程反

11、响器内各处浓度、温度均一，所以，可对其中某一反响物做物料衡算，以确定反响时间。3.3.1 单一反响单一反响设在间歇反响器内进展如下化学反响 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AAAA()ARr V dtCVddtdnARA）（= 0 0 1.1.反响时间的计算反响时间的计算假设VR为反响混合物的体积(反响器有效容积)；-rA为t时辰的反响速率；nA0为反响开场时A的摩尔量；nA为t时辰的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。 ()/ARAr Vdndt 00()AxAAARdxtnr V00/ )(AAAAnnnx适用于任何间歇反响过程

12、。 AAAdxndn00()/ARAAr Vn dxdt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00()AfxAAAdxtCr0()AfACACAdCtr其中-rA普通具有 -rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的方式 反响器的有效体积反响器的有效体积 VR=FV (tt0) 等温恒容下的简单反响的反响时间积分表*化学反响速率微分式反响时间积分式 (1) 零级反响AR (2) 一级反响AR(3) 二级反响AR(4) 二级反响A+BR(

13、CA0=CB0)(5) 二级反响A+BR(CA0CB0)AAACCkxkt0ln1)1/(1ln(1AAkCr AACkr2)11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt0AAkCr kCCkCxtAfAAAf00/BAACkCr BAACkCr )11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt)()(ln)(1000000RBARABBACCCCCCCCkt例3-3间歇反响A+BR+S，二级不可逆rA=kCACB， 等温恒容，k=1.0m3/(kmol.h)，处置量为2.0m3/h，A、B的初浓度均为1.0kmol/m3，每批辅时为0.5h，求反响体积为9.0m3时的A的转化率

14、。解：由解上述方程得%0 .80Afx)1 (0AfAAfxkCxt001AAAfktCktCx00()RVQ tt得又由得00/RtVQt例3-4：在间歇反响器中进展己二酸和己二醇的缩聚反响,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，反响混合物中己二酸的初始浓度为0.004kmol/L。假设每天处置己二酸2400kg,要求己二酸的转化率到达80%，每批操作的辅时为1h，装料系数取为0.75，计算反响器体积。解：h5 . 8)1 (0AfAAfxkCxt2202)1 (AAAAAxkCkCdtdCr积之得物料的处

15、置量为02400171.0L/h24 146 0.004Q 操作周期为h5 . 90ttt反响体积为0 1625LRVQt反响器容积为L2167/RVV3.3.2 复杂反响(思索平行反响和串联反响) 平行反响 平行反响的根本特征是一样的反响物能进展两个或两个以上的反响。其中R为目的产物，那么A的转化率、组份浓度与反响时间的关系可由物料衡算求得。 A1kR 主反响 ARCkr1A2kS 副反响 ASCkr212,1,2()()()AAARSArrrrrkk C 设等温间歇反响器中进展一级平行反响：对于A：对于R：对于S：0/)(21dtdnCkkVAAR0/-1dtdnCkVRAR0/-2dtd

16、nCkVSAR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A的衡算方程表达了A的浓度(A的转化率)与反响时间的关系。设 t=0时，CA=CA0，xA0=0，积之得: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012exp()AACCkk t1012121 exp()ARk CCkk tkk0/-1dtdCCkRA同理由CR和CS的关于反响时间的表达式可知:21kkCCSR2012121 exp()ARk CCkk t

17、kk对于上例瞬时选择性： 211kkkdCdCrrSARARR收率： AARRRxkkkCCCY21100-例3-5 在等温间歇釜式反响器中进展以下恒容液相反响：A+BR，rR=2CA kmol/(m3h)2AS， rS=0.5CA2 kmol/(m3h)反响开场时A和B的浓度均为2.0kmol/m3，目的产物为R，计算反响时间为3h的A的转化率和R的收率以及生成R的选择性。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2-/2AAAAdCdtrCC积之得)+2()+2(ln21=00AAAACCCCt代入知条件得CAf=2.4810

18、-3kmol/m3，即反响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-/AARCdCdC积之得AfARfCCAARCdCdC02/1C0于是2/+12/+1ln2=0AfARfCCC代入数据得CRf=1.384kmol/m3，那么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%上述计算阐明，A转化了99.88%，而转化生成R只需69.2%，其他的30.68%那么转化为S。 串联反响 设在等温间歇釜式反响器中进展某一级不

19、可逆串联反响各组分的速率方程分别为： AACkr1 =-dtdCAPAPCkCkr21- =dtdCPPSCkr2dtdCS=12kkAPS 假设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 因 CA + CP + CS = CA0所以 CS= CA0- CA- CP )exp()exp(

20、112112210tkktkkkkCCAS01210120exp()exp()pAPAAAACCkk tk tCCkk CC 12112exp()exp()PkYk tk tkk根据各反响组分浓度与反响时间关系的三个关系式以时间对浓度作图 串联反响的组分浓度与反响时间的关系 当目的产物为P时就需求控制反响时间，以使P的收率最大. 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响时间 即2121ln1kkkktP的最大浓度 )lnexp()lnexp(2121121212

21、0211max,kkkkkkkkkkCkkkCAP212102()kkkAkCk122210maxmaxkkkAPPkkCCY3.4 变温间歇釜的计算问题的提出问题的提出*化学反响经常伴有热效应。对于釜式间歇反化学反响经常伴有热效应。对于釜式间歇反响而言，要做到等温时极其困难的；化学反响而言，要做到等温时极其困难的；化学反响通常要求温度随着反响进程有一个适当的分响通常要求温度随着反响进程有一个适当的分布，以获得较好的反响效果。布，以获得较好的反响效果。因此研讨非等温间歇釜式反响器的设计与分析因此研讨非等温间歇釜式反响器的设计与分析具有重要的实践意义。具有重要的实践意义。变温操作时，要对反响进程

22、进展数学描画，需求联立物料衡算方程(速率方程)和热平衡方程。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设Q1、Q4分别为时辰t时物料带入、带出微元体积的热量；Q2表示时辰t时间壁传热量；Q3表示时辰t时化学反响产生的热； Q5表示时辰t时热累积量，于是：Q1 = Q4 = 0)(2TsTKAQdtdxnqVrqQAArRAr03=5dtdTC

23、nQi vi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为基准的摩尔反响热，放热反响取耿直；nA0为A组份的起始摩尔流量；ni、Cvi分别表示反响器中的组份i的摩尔数和定容摩尔热容；dT为物料在dt时间间隔内温度的变化；K为总传热系数；A为反响釜的传热面积；T为反响物温度；Ts为传热介质温度*)(-0TsTKAdtdxnqdtdTCnAArivi由此可见，对于一定的反响物系，反响温度、关键组份的转化率都取决于物系与外界的传热速率.另一方面，对于非等温过程，由于其反响速率常数是随温度的变化而变化的，所以，要想准确描画反响温度、关键组份的转化

24、率随反响时间的变化关系，须联立热平衡方程与动力学方程(物料平衡方程)求解。当Q2=0，即绝热情况下，热平衡方程为dtdxnqdtdTCnAAriVi0=起始条件：t=0，T=T0，xA= xA0积分上式得*)-(000AAi viArxxCnnqTTT0、xA0分别为反响开场时的物系温度及A组份的转化率此式称为间歇釜式反响器的绝热方程，阐明绝热条件下，反响温度与转化率成线性关系。假设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，其物理意义为反响物中的A组份完全转化时，引起物系温度变化的度数。 思索 就间歇釜式反响器而言，该绝热方程有哪些运用？假设以y

25、A0表示组份A的初始摩尔分数，那么*)-(000AAvArxxCyqTT3.间歇反响器恒温操作计算间歇反响器恒温操作计算 即要使反响在等温下进展，反响放出(或吸收)的热量必需等于体系与换热介质交换的热量。运用：求换热面积。0dtdT)(0TsTKAdtdxnqAAr假设为恒温过程qTTKAVqrSRrA)(4.等温间歇操作反响器的放热规律等温间歇操作反响器的放热规律 为了坚持在等温下进展操作，化学反响过程所产生的热效应必需与外界进展热交换，而且反响系统与外界交换的热量应该等于反响放出的热量放热反响或吸收的热量吸热反响，其关系式可以下式表示RrAVqqr=q 反响系统与外界传热速率kJ/h上式变

26、形为RrAVqrq = 由于反响物料VR和等温下进展的热效应qr均为定值，所以传热量变化规律可以根据化学反响速率来确定。对于不同反响，那么可按照其化学反响动力学方程式进展详细计算。例3-9 设在间歇釜式反响器中进展某二级不可逆反响A+BR。知反响热为33.5kJ/molA；反响物平均热容为1980kJ/(m3K)。反响速率 rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s)，A 和 B 的 初 浓 度 分 别 为 4 . 5 5 k m o l / m 3 和5.34kmol/m3 ，在反响物预热到326.0K后，从326.0K开场在绝热条件下进展反响，在温度到达373

27、.0K时开场等温反响。计算A的转化率到达0.98所需求的时间；假设反响一直在373K等温进展，所需反响时间又是多少？解：绝热反响过程的转化率和温度的关系由绝热方程确定。留意到反响开场时混合物中不含产物，即xA0=0，所以AiiArxCvnnqTT00ARiiAxVCvnCqTT/0r0 右端分子分母同除反响体积VR，得右端分母即是以kJ/(m3K)给出的反响混合物平均热容AxT98.760 .326 rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s)1.371012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0 xA)所以AxAAArdxCt00AxAAB

28、AAAxCCxdxx000)(1 (1037. 1)98.760 .32612628exp(12可知由AxT98.760 .326 当绝热反响到373.0K开场等温反响时, xA=0.6105绝热反响23.1min，A的转化率到达0.6105后，开场在373.0K维持等温反响，至xA=0.98止于是 t绝热 = 23.1min98. 06105. 000)(1 (1037. 1)12628exp(12AABAAxCCxdxTt等温min8 .14所以，先绝热再等温的总反响时间是37.9min假设反响一直再373.0K下等温进展，那么98. 0000)(1 (1037. 1)12628exp(1

29、2AABAAxCCxdxTt等温min4 .16 思索 为什么先绝热后等温的反响时间较一直等温的长？例3-10邻甲氧基重氮盐水解反响生成邻甲氧基苯酚OCH3CuSO4OHH2SO4N2OCH3N2SO4H+H2O+反响动力学式为rAkCACB,以硫酸铜为催化剂，反响温度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，化学反响热效应qr为502kJmol。在间歇搅拌锅中进展，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

30、。解：由于液相体积视为不变，过程作为等温等容计算CAO=0.25 kmol/m3 CBO=5 kmol/m3CA=CA01-xA， CB=CB0-CA0 xArA=k CA CB= k CA01-xACB0-CA0 xA那么 00AxAAArdxCt =xAAABAAAAxCCxkCdxC00000)(1 (=AABABABxxCCCCkC11ln)1 (100000=AAxx1)5/25. 0(1ln)5/25. 01 (5102 . 213简化为：)694.95/exp(05. 0)694.95/exp(1ttxA式RrAVqrq =中dtdxCdtdCrAAAA0那么 RrAAVqdtd

31、xCq0=AxArRAtdxqVCdtq000)(积分得ArRAxqVcqt)(=0上式中qt即为反响进展至t时总需传出热量，亦即反响总放热量，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，那么AArPxxqNQt5028 . 0124101008 . 03即 Qt=5.06105xAkJ所需冷却水量为kgxxCQGAAPtt5510151. 0)2230(18. 41006. 5水取一定的时间间隔t=30min，计算不同xA、Qt、 Gt及Q、G之值如下表tminxAQtkJGtkgtminQkJGkg030609012015000.27930.4786

32、0.62170.72500.8000014116024190031425036646040429004220724094001096012090030303030300141160100747236052210378300422030202160156011303.5 半间歇釜式反响器半间歇釜式反响器1、半分批操作方式 此种操作主要顺应于以下几种情况可以在沸腾温度下进展的强放热反响，用气化潜热带走大量反响热；要求严厉控制反响物A浓度；浓度高，A和C浓度低对反响有利的场所；可逆反响。主要适用于以下情况：要求严厉控制锅内的浓度防止A过量副反响添加的情况；坚持在较低温度下进展的放热反响;A浓度低，浓

33、度高对反响有利的情况。这种操作可以严厉计量控制、的加料比例，而且可以坚持和B都在低浓度下进展，适宜于浓度降低对反响有利的场所。此种操作方式既能满足A,B的比例要求，又能坚持A, B在反响过程中的高浓度，对可逆反响尤为适宜。2.半间歇反响器设计计算半间歇反响器设计计算 液相、等温反响A + B C 按b方式进展操作 V1 FVO CAO V C x r 反响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组分进展物料平衡，由恒算式参与量 - 反响耗费量 = 积累量)(00VCdVdtrdtCFAAAV100()()(1)AAAVAAd C Vdnd nF C txAAVAAV

34、AdxtCFndtCFx)()1 (00100dtxCFVrdxtCFnAAVAAAVA)()(00001该式即可计算xA与t的关系。式中rA=fxA和V=ft，比较复杂时难于求解析解，可写成差分方式用数值法求解。 写成差分方式为 txCFVrxtCFnAAVAAAVA)()(00001平均假设nA1=0，那么 VdtrtxdCFAAAV=)(00写成差分式为tVrtxCFAAAV平均)(=)(00例3-12在半延续操作反响器中进展一级不可逆等温反响A+BC，rA=kCA，先在反响器内参与500l物料B，含B8kmol，不含A。然后延续参与物料A，含A浓度为8mol/l，参与速度为10l/min。反响速度常数k=1.3310-2min-1。求1100分钟后釜内物料体积；