模块四釜式反应器的计算20151028

1、一一 反应器计算的基本内容和基本方程反应器计算的基本内容和基本方程 化学反应器是化工生产一系列设备中的核化学反应器是化工生产一系列设备中的核心。心。 反应器的型式、尺寸大小、流体流动状态反应器的型式、尺寸大小、流体流动状态等，在很大程度上影响产品的产量和质量。等，在很大程度上影响产品的产量和质量。 化学反应器的选型、计算、选择最优化的化学反应器的选型、计算、选择最优化的操作条件，是化工生产中极为重要的课题。操作条件，是化工生产中极为重要的课题。模块四模块四 釜式反应器计算釜式反应器计算 一、反应器计算的基本内容一、反应器计算的基本内容 反应器计算主要包括以下三项内容：反应器计算主要包括以下三项

2、内容： 选择合适的反应器型式；选择合适的反应器型式； 确定最优的操作条件；确定最优的操作条件； 计算所需的反应器体积。计算所需的反应器体积。 上述三个方面内容不是各自孤立，而是相互联系上述三个方面内容不是各自孤立，而是相互联系的，需要进行多方案的反复比较，才能做出合适的，需要进行多方案的反复比较，才能做出合适的决定。的决定。 选择合适的反应器型式，就是根据反应系统动力选择合适的反应器型式，就是根据反应系统动力学特性，如反应过程的浓度效应、温度效应及反学特性，如反应过程的浓度效应、温度效应及反应的热效应，结合反应器的流动特征和传递特性，应的热效应，结合反应器的流动特征和传递特性，如反应器的返混程

3、度，选择合适的反应器，以满如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满足反应过程的需要，使反应结果最优。足反应过程的需要，使反应结果最优。0vVR1VS应物的累积量元体积内反微元时间微的反应物量体积内转化掉微元时间微元积的反应物量离开微元体微元时间内积的反应物量进入微元体微元时间内内累积热量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应产生的热量体积内由于反微元时间微元所带走的热量微元体积的物料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1-搅拌器；2-釜体；3-夹套；4-搅拌轴；5-压料管；6-支座；7-人孔；8-轴封；9-传动装置 当设计一个车间或一套装置时，需要求算

4、需用反应釜的当设计一个车间或一套装置时，需要求算需用反应釜的容积与数量。为此首先要取得下列数据。容积与数量。为此首先要取得下列数据。 1、每天处理物料总体积或每小时需处理的物料、每天处理物料总体积或每小时需处理的物料体积体积 2、操作周期、操作周期 3、设备装料系数、设备装料系数每天处理物料总体积 根据规定的生产任务通过物料衡算可以计算出每一道工序根据规定的生产任务通过物料衡算可以计算出每一道工序每天所需处理的物料总重量每天所需处理的物料总重量 GD , 用它除以物料的密度用它除以物料的密度，即得每天所需处理物料的总体积即得每天所需处理物料的总体积VD，DDGV DDGV mVmVVtF=反应

5、体积VR 反应体积是指设备中物料所占体积，又称有效体积。VR=FVt操作周期 操作周期操作周期又称又称工时定额工时定额，是指，是指生产每一批料的全部操作时生产每一批料的全部操作时间间，即，即从准备投料到操作过程全部完成所需的总时间。从准备投料到操作过程全部完成所需的总时间。 例如萘磺化制取例如萘磺化制取2 2萘磺酸的操作周期计算如下：萘磺酸的操作周期计算如下：设备装料系数 反应器有效体积与设备实际容积之比称为设备装料系数，以符号 表示，即： =VR/V。其值视具体情况而定操作周期u 达到规定转化率所需反应时间理论上可以用化学动力学方程式计达到规定转化率所需反应时间理论上可以用化学动力学方程式计

6、算，但实际情况较为复杂，例如：算，但实际情况较为复杂，例如：不少不少强烈放热的快速反应强烈放热的快速反应，反应速率往往受传热速率的控制反应速率往往受传热速率的控制，不，不能简单地用动力学方程式来求算反应过程的时间。能简单地用动力学方程式来求算反应过程的时间。某些某些非均相反应非均相反应，过程进行的速率，过程进行的速率受相间传质速率的影响受相间传质速率的影响，也不，也不能单纯地从动力学方程式计算反应时间。能单纯地从动力学方程式计算反应时间。某些某些反应速率较快的反应反应速率较快的反应，在加料过程及升温过程中已开始反应在加料过程及升温过程中已开始反应。在保温阶段之前可能已达到相当高的转化率。有时需

7、分段作动力在保温阶段之前可能已达到相当高的转化率。有时需分段作动力学计算。学计算。u 在在实际设计工作实际设计工作中操作周期的确定有时需考虑到中操作周期的确定有时需考虑到生产组织管理上生产组织管理上的方便的方便。比如操作周期实际需。比如操作周期实际需7 7小时，可取作小时，可取作8 8小时，按每一个班小时，按每一个班（8 8小时制）投一批料来组织生产。小时制）投一批料来组织生产。VVVVR002424RV2424t nVVn) (0 n nnRV) (0VVVRnVV) (0 已已 知每小时处理的物料体积知每小时处理的物料体积FV与操作周期与操作周期t,求设备体积与个数求设备体积与个数 需要设

8、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。后备能力后备能力 %100%100mmmaaVVVVVV例4-2：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)，求需要还原锅的个数与容积。设备装料系数取0.75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、V

9、m以及等解：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/ )85. 810(思考 如果取受料时间为1h，结果如何？31例4-3同例4-1，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

10、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%32三个还原锅交替操作的时间安排图受料还原024681012141618202224246810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10110220120230130212333例4-4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

11、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的最大搪瓷锅4台。=（4-3.78）/3.78100%=5.82%34 例4-5萘磺化反应器体积的计算。 萘磺化生产2-萘磺酸，然后通过碱熔得2-萘酚。已知2-萘酚的收率收率按萘计为75%，2-萘酚的纯度纯度为99%，工业萘纯度为98.4%，密度为963kg/m3 。

12、磺化剂为98%硫酸，密度为1.84kg/m3。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，年工作日330天,若采用2500L标准反应器两个，则反应器的生产后备能力SO3HOH128144H2SO4+9835L6269631000984. 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

13、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：SO3HOH128144H2SO4+98设计任务已知条件36设计任务计算示例37 且已知 =0.52，根据已知条件设计计算成盐反应釜的V和n，并验证 设计结果是否合理。设计任务38设计任务39设计任务4041物料处理量V0一般由生产任务确定，辅助时间t视实际操作情况而定，反应时间反应时间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。三、间歇操作釜式反应器动力学计算法三、间歇操作釜式反应器动力学计算法 间

14、歇反应是非定态操作，釜内的浓度随反应时间而变化，对于反应AR : 0 43反应器容积V反应器有效体积VRFV, tt = t + t0确定反应时间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。 三、间歇操作釜式反应器动力学计算法三、间歇操作釜式反应器动力学计算法物料衡算： 0 = 0 +（-rA）VRd + dnA 有：dnA= dnA0 (1-xA) = - nA0 dxA 整理并积分得： 这是计算间歇操作釜式反应器中反应时间的通式。适用于任何间歇反应过程。均相、非

15、均相，恒温、非恒温。但对非恒温过程需结合反应器的热量衡算求解。 应物量积累量元体积内反微元时间微掉反应物量微元体内转化微元时间内积反应物量离开微元体微元时间内积反应物量进入微元体微元时间内AxRAAAVrdxn00)(1 1恒温恒容间歇反应恒温恒容间歇反应恒容条件下：恒容条件下：n nA0A0/V/VR R=C=CA0A0 C CA A=C=CA0A0(1-x(1-xA A),),则则dCA= - CdCA= - CA0A0dxdxA A 从上式可得出一个重要的结论：从上式可得出一个重要的结论： 间歇操作釜式反应器达到一定转化率所需的反应时间歇操作釜式反应器达到一定转化率所需的反应时间，只取决

16、于过程的反应速率，而于反应器的大小无关；间，只取决于过程的反应速率，而于反应器的大小无关；反应器的大小仅取决于反应物料的处理量。反应器的大小仅取决于反应物料的处理量。AAACCAAxAAArdCrdxC0)()(00AxRAAAVrdxn00)(如果已知计算间歇操作釜式反应器中反应时间的通如果已知计算间歇操作釜式反应器中反应时间的通式如下：式如下：又知反应为二级反应（又知反应为二级反应（-rA）=kCA2则则重要推导重要推导46020000112.97(1)1AAxxAAAAARAAAAdxdxxtnhr VkCxkCxAxRAAAVrdxn00)( 只有符合只有符合一级动力学一级动力学的化学

17、反应才具有的化学反应才具有稳定的半衰期数据稳定的半衰期数据，与核衰变不同的是，化学反应的半衰期数据并非一成不变。与核衰变不同的是，化学反应的半衰期数据并非一成不变。 非一级动力学反应的半衰期会随着非一级动力学反应的半衰期会随着起始状态起始状态的变化而发生变的变化而发生变化，随时检测反应体系化，随时检测反应体系浓度的变化浓度的变化可以了解半衰期与起始状态之可以了解半衰期与起始状态之间的联系，从而了解一个化学反应的反应级数和表观速率常数。间的联系，从而了解一个化学反应的反应级数和表观速率常数。半衰期半衰期在化学中是指在一定的温度下，反应物在化学中是指在一定的温度下，反应物反应至起始浓度一半时所需的

18、时间反应至起始浓度一半时所需的时间 。任何化学反应的半衰期都任何化学反应的半衰期都与反应速率常数与反应速率常数K有关有关。补充知识点补充知识点48 1.1.恒温恒容过程恒温恒容过程 (1) 不可逆反应速率方程及积分式不可逆反应速率方程及积分式 .零级不可逆反应 A P 速率方程： 积分得： 半衰期半衰期:1/21/2=C=CA0 A0 / 2k/ 2kK的单位:浓度时间-1CCA0CA斜率斜率kC的直线关系:kkCddCrAAA0AAAAxCCCk00AAAfACCAAxxAAArdCrdxC00)()(049 .一级不可逆反应 A P 速率方程： 积分得： 半衰期半衰期:1/2=ln2 /

19、kK的单位:时间-1lnCAlnCA0lnCAlnC的直线关系:斜率斜率kAAAkCddCrAAAxCCk11lnln0AAAfACCAAxxAAArdCrdxC00)()(050 .二级不可逆反应 2A P 速率方程： 积分得 : 半衰期半衰期: 1/21/2=1/kC=1/kCA0A0 浓度-1时间-1l/CA 的直线关系: l/CAl/CA0K2AAAkCddCrAAAAAxxCCCk111100AAAfACCAAxxAAArdCrdxC00)()(0 在液相反应中，由于反应物料的体积变化不大，在液相反应中，由于反应物料的体积变化不大，所以多数液相反应都可以按恒容过程处理。所以多数液相反

20、应都可以按恒容过程处理。当动力学方程解析式相当复杂或不能做数值分析当动力学方程解析式相当复杂或不能做数值分析时，可以用图解积分法计算所需的反应时间时，可以用图解积分法计算所需的反应时间. AAAfACCAAxxAAArdCrdxC00)()(0A0A0AAA0AfA52AAACCkxkt0ln1)1/(1ln(1AAkCr AACkr2)11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt0AAkCr kCCkCxtAfAAAf00/BAACkCr BAACkCr )11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt)()(ln)(1000000RBARABBACCCCCCCCkt等温恒容下

21、的简单反应的反应时间积分表等温恒容下的简单反应的反应时间积分表53课后总结( 学生自己完成) 例题例题4-6 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在比在70等温过程用间歇釜，并以硫酸作催化剂进行缩聚等温过程用间歇釜，并以硫酸作催化剂进行缩聚反应而生产的。反应动力学方程式为反应而生产的。反应动力学方程式为rA=kc2A，反应速度，反应速度常数常数k=1. 971/(kmolmin)，己二酸初始浓度，己二酸初始浓度cAO为为0.004kmol/L。求：己二酸转化率分别为。求：己二酸转化率分别为0.5、0.6、0.8、0.9时所需的反应时间为多少？时

22、所需的反应时间为多少？解：解：以以rA=kc2A代入积分得：对于其他各种不同反应的动力代入积分得：对于其他各种不同反应的动力学方程式都可以代入进行积分计算，便可求得反应时间和学方程式都可以代入进行积分计算，便可求得反应时间和转化率的关系。转化率的关系。 AAxAAAAAAAxAAxxkcxkcdxcrdxc00220000A)1 (1)1 (5 . 0Axh1 . 26015 . 015 . 0004. 097. 116 . 0Axh18. 38 . 0Axh50. 89 . 0Axh0 .19 补充习题补充习题:已知：已知：MA=60MB=74.12例题4-7 在搅拌良好的间歇操作釜式反应器

23、中,用乙酸和丁醇生产乙酸乙酯,其反应式为: CH3COOH + C4H9OH CH3COOC4H9 + H2O 反应在恒温条件下进行,温度为373K,进料比为乙酸:丁醇=1:4.97(mol)，以少量的H2SO4作催化剂。当使用过量丁醇时，该反应以乙酸（下标以A计）表示的动力学方程为（-rA）=kCA2。在上述条件下，反应的速率常数K=0.0174m3/(kmol min),反应物密度=750 kg/m3(设反应前后不变)，若每天生产2400kg乙酸乙酯（不考虑损失），（1 1）计算反应的半衰期。（）计算反应的半衰期。（2 2）计算要求乙酸转化）计算要求乙酸转化率率X XAfAf达到达到0.5

24、0.5时，所需反应器的有效体积。时，所需反应器的有效体积。每批辅助时间为30min，取反应釜只数为1，装料系数为0.7。（相对分（相对分子质量：乙酸丁酯子质量：乙酸丁酯-116、乙酸乙酸-60和丁酯和丁酯74 ）解 (1)计算反应时间 此反应为二级反应:乙酸和丁酯的相对分子质量分别为60和74，设乙酸的物质量为nA0则丁酯的物质的量为4.97 nA0，故得乙酸的初始浓度为：将k=0.0174m3/(kmolmin), xAf=0.5代入上式得反应时间：AfAfAAAxxkCCCk11)11(10030000/8 . 17497. 46017501mkmolmnmnVnCAAAA总总总总总h53

25、.0min32)5.01(5.08.10174.01半衰期半衰期: 1/21/2=1/kC=1/kCA0A0=1/=1/0.0174*1.8=32min（2）计算反应器的有效体积：要求每天生产2400kg乙酸丁酯，乙酸丁酯的相对分子质量为116，则每小时乙酸用量：每小时需要处理的原料体积为：反应器的有效体积为： VR=0.979(0.5+0.53)=1.008m3(3)计算反应器的体积： V=VR/ =1.008/0.7=1.44m3hkg /1035 . 0111660242400hmV/979. 07501)97. 460741 (10330例题4-8 拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反

26、应 ClCH2CH2 OH NaHCO3 OHCH2CH2OH NaClCO2 A B P D S 以生产乙二醇，产量为20kgh。使用15(质量)的NaHCO3水溶液及30(质量)的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1 1，混合液相对密度为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2L(molh)。要求转化率达到95。（分子量 MA=80.5 MB=84 MP=62 ） (1)若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。 (2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。解：解：计量方程可写成：AB PDS.各组分的分子量 MA=

27、80.5 MB=84 MP=62.各组分的摩尔处理量 NP=20/62=0.3226 mol/h NA0=NB0=NP/0.95=0.3396 mol/h.求两股物料的重量流量(含A的下标记为1，含B的下标记为2) 0.3W1/80.5=0.15W2/84=0.3396 mol/h W1=91.126 kg/h W2=190.167 kg/h W=W1W2=281.239 kg/h v0=W/=281.239/1.02=275.78 L/ h.反应时间 .反应器有效体积 VR=v0 (tt0)=275.78(2.970.5)=956.92 L.反应器实际体积 =1275.893 L020000

28、112.97(1)1AAxxAAAAARAAAAdxdxxtnhr VkCxkCxRVV65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66物料的处理量为L/h0 .171004. 014

29、6242400VF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？674.1.3 等温间歇操作反应器的放热规律 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

30、体计算。68例3-9 设在间歇釜式反应器中进行某二级不可逆反应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开始在绝绝热热条件下进行反应，在温度达到373.0K时开始等等温温反应。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？69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AiiArxCvnnqTT00ARiiAxVCvnCqTT/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 70rA1.371012exp(-12628/