连续操作反应釜的计算2015.11.9

1、模块四模块四 釜式反应器的计算釜式反应器的计算 理想连续操作釜式反应器的计算理想连续操作釜式反应器的计算 理想连续操作釜式反应器的计算理想连续操作釜式反应器的计算 一、单个连续操作釜式反应器的计算一、单个连续操作釜式反应器的计算二、多个串联连续操作釜式反应器的计算二、多个串联连续操作釜式反应器的计算课前思考 反应器的操作方式有哪些？反应器的操作方式有哪些？理想流动模型的包括哪两种？理想流动模型的包括哪两种？理想混合流动模型特点是什么？理想混合流动模型特点是什么？1 1、连续操作釜式反应器的特点、连续操作釜式反应器的特点u连续操作釜式反应器的结构和间歇操作釜式反应器相同，但进出物料的操作是连续的

2、，即一边连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应产物引出反应器。u这样的流动状况很接近理想混合流动模型理想混合流动模型或全混流模型全混流模型。 1 1、连续操作釜式反应器的特点、连续操作釜式反应器的特点（1 1）反应器中物料浓度和温度处处相等，并等于反应器出口）反应器中物料浓度和温度处处相等，并等于反应器出口物料的浓度和温度。物料的浓度和温度。（2 2）反应器内物料的所有参数，如浓度、温度等不随时间变）反应器内物料的所有参数，如浓度、温度等不随时间变化，故不存在时间这个变量。化，故不存在时间这个变量。（3 3）稳定操作条件下，物料的加料速度不随时间发生变化。）稳定操作条件下，物料的

3、加料速度不随时间发生变化。（4 4）由于连续操作，反应釜不存在间歇操作中的辅助时间问）由于连续操作，反应釜不存在间歇操作中的辅助时间问题题. . 在连续操作釜式反应器内，过程参数与空间位置、时间无关，各处的物料组成和温度都是相同的，且等于出口处的组成和温度。 下图为单个连续操作釜式反应器的性能示意图。 计算连续操作釜式反应器的反应体积时，可以对整个反计算连续操作釜式反应器的反应体积时，可以对整个反应釜作某一组分的物料衡算。在稳定状况下，没有物料应釜作某一组分的物料衡算。在稳定状况下，没有物料累积，则有累积，则有物料累积量单位时间内反应消耗量单位时间内物料排出量单位时间内物料进入量单位时间内0A

4、FAFRAVr )(00(),/AAARAARFFrVFAkmolhFAkmolhV 进口物料 的摩尔流量，出口物料 的摩尔流量，反应器体积00(1)()AAAAAARFFxF xr V 其中，得到：2、单个连续釜式反应器的计算通式、单个连续釜式反应器的计算通式n 此即为通式，以不同的 和已知条件代入，便可对不同反应的计算式中任意一项进行计算。 00003030,/,/RAAAAVFcvvvmhhcckmol m又进口物料的体积流量，物料在釜式反应器的平均停留时间，进料和出料中反应物A的浓度，000()()AAAARAAcxccVvrr)(Ar已知：求：一级、二级反应的平均时间公式？并比较间歇

5、反应器的一、二级的反应时间？000()()AAAARAAc xccVvrr 例例1 1 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在尔比在70等温过程用间歇釜，并以硫酸作催化剂等温过程用间歇釜，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进行缩聚反应而生产的。反应动力学方程式为rA=kc2A，反应速度常数，反应速度常数k=1. 971/(kmolmin)，己二，己二酸初始浓度酸初始浓度cAO为为0.004kmol/L。若每天己二酸的进若每天己二酸的进料量为料量为2400kg2400kg。 求（求（1）己二酸转化率分别为）己二酸转化率分别为0

6、.8 时所需的反应时间时所需的反应时间为多少？（为多少？（2）若每批生产时间为）若每批生产时间为1h，反应器装填，反应器装填系数为系数为0.75，求此时反应器的体积。，求此时反应器的体积。3、计算例1 解答解：以解：以rA=kc2A代入积分得：对于其他各种不同反应的动力学代入积分得：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转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。化率的关系。 AAxAAAAAAAxAAxxkcxkcdxcrdxc00220000A)1 (1)1 (0.8Ax 10.818.51.97 0.0041 0.860h 例1

7、解答解：己二酸的分子量：解：己二酸的分子量：146，每小时己二酸的进料量：，每小时己二酸的进料量： 000030324000.684/24*1460.684171( / )0.004()171*(8.5 1)16251.632.17AAARRFkmol hFVL hcVV ttLmVVm每小时处理的物料量：有效体积实际体积例1（3 3）若采用搅拌良好的连续操作的釜式反应器进行生产，反）若采用搅拌良好的连续操作的釜式反应器进行生产，反应条件不变，求转化率为应条件不变，求转化率为0.80.8时的反应时间和反应器体积。时的反应时间和反应器体积。 例1 A0022200200030()(1)(1)10

8、.82538min42.31.97 0.004(1 0.8)0.684171( / )0.004171*42.372337.23AAAAAAAAAAARxxxccrkcxkcxhFVL hcVV tLm解每小时处理的物料量：有效体积3、计算 例题2例题2 解答例题3例题3 解答例题3 解答例题4 有一分解反应，反应如下，在一搅拌良好的连续操作的釜式反应器中进行，其中cA0=4mol/L, cR0=cS0=0,物料的流量为5L/min,试求当反应物A的转化率为80%时，反应器的有效体积。2(),(),2RARAARrcASrc目的产物副产物例题4 解答000200220()()240.28.6m

9、in20.22 0.243.18AAAAAARAAAAAAAARc xccccVvrrccccccVVL 项目项目2 2 理想连续操作釜式反应器的计算理想连续操作釜式反应器的计算 一、单个连续操作釜式反应器的计算一、单个连续操作釜式反应器的计算二、多个串联连续操作釜式反应器的计算二、多个串联连续操作釜式反应器的计算课前思考1.反混的定义、危害？反混的定义、危害？2.间歇操作釜式反应器存不存在反混？为什么间歇操作釜式反应器存不存在反混？为什么?3.连续操作釜式反应器存不存在反混？降低反混连续操作釜式反应器存不存在反混？降低反混的措施？的措施？二、多个串联连续操作釜式反应器二、多个串联连续操作釜式

10、反应器n 单个连续操作釜式反应器存在严重的单个连续操作釜式反应器存在严重的返混返混，使反应器内，使反应器内反应物的浓度下降，降低了大多数反应的反应速率。反应物的浓度下降，降低了大多数反应的反应速率。n 由于由于返混返混，有些物料质点在釜内停留时间很长，容易在，有些物料质点在釜内停留时间很长，容易在某些反应中导致某些反应中导致副反应的增加副反应的增加。n 为了降低返混的程度，又发挥其优点，可采用为了降低返混的程度，又发挥其优点，可采用多个连续多个连续操作釜式反应器的串联操作釜式反应器的串联。（1 1）抑制返混的程度；）抑制返混的程度；（2 2）在各釜内控制不同的反应温度和物料浓度以及）在各釜内控

11、制不同的反应温度和物料浓度以及不同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求不同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求。 二、多个串联连续操作釜式反应器二、多个串联连续操作釜式反应器n 单个连续操作釜式反应器存在严重的单个连续操作釜式反应器存在严重的返混返混，使反应器内，使反应器内反应物的浓度下降，降低了大多数反应的反应速率。反应物的浓度下降，降低了大多数反应的反应速率。n 由于由于返混返混，有些物料质点在釜内停留时间很长，容易在，有些物料质点在釜内停留时间很长，容易在某些反应中导致副反应的增加。某些反应中导致副反应的增加。n 为了降低返混的程度，又发挥其优点，可采用为了降低返混的程度，又发挥

12、其优点，可采用多个连续多个连续操作釜式反应器的串联操作釜式反应器的串联。（1 1）抑制返混的程度；）抑制返混的程度；（2 2）在各釜内控制不同的反应温度和物料浓度以及）在各釜内控制不同的反应温度和物料浓度以及不同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求不同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求。 （1 1）返混）返混u 返混返混不是一般意义上的混合，它专指不同时刻进入反应器不是一般意义上的混合，它专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。点之间的混合。返混改变了反应器内的浓度分布返混改变了反应器内的

13、浓度分布，使器内，使器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。F返混是返混是连续化连续化后才出现的一种混合现象。后才出现的一种混合现象。F间歇反应器间歇反应器中不存在返混，中不存在返混，理想置换反应器理想置换反应器是没有返混是没有返混的一种典型的连续反应器，而的一种典型的连续反应器，而理想混合反应器理想混合反应器是返混达是返混达到极限状态的一种反应器。到极限状态的一种反应器。1 1、返混及其对反应过程的影响、返混及其对反应过程的影响（2 2）返混对反应过程的影响）返混对反应过程的影响u间歇釜式反应器间歇釜式反应器存在剧烈的搅拌与混合，但不会导致高浓度的消失。

14、间歇釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻进入反间歇釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻进入反应器的，在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间应器的，在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间，具有相同的性质和浓度，这种浓度相同的物料之间的，具有相同的性质和浓度，这种浓度相同的物料之间的混合，不会使原有的高浓度消失。混合，不会使原有的高浓度消失。u同一时刻进入反应器的物料之间的混合，并不改变同一时刻进入反应器的物料之间的混合，并不改变原有的物料浓度。原有的物料浓度。1 1、返混及其对反应过程的影响、返混及其对反应过程的影响（2 2）返混对反应过程的影响）返混对反应过程的影响u连续釜式反应器连续

15、釜式反应器中存在的都是早先进入反应器并经历了不同反应时间的物料，其浓度已经下降。进入反应器的新鲜高浓度物料一旦与这种已经反应过的物料相混合，高浓度自然会随之消失。C这种混合是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是这种混合是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是不同浓度、不同性质物料之间的混合，属于不同浓度、不同性质物料之间的混合，属于返混返混。C它它造成了反应物高浓度的迅速消失，导致反应器的生产造成了反应物高浓度的迅速消失，导致反应器的生产能力下降能力下降。1 1、返混及其对反应过程的影响、返混及其对反应过程的影响 降低反混的措施：降低反混的措施：只有在最后一个釜的反应物浓度与单釜操作时相同，

16、处于最低的出口浓度，其它各釜的浓度均比单釜操作时的浓度高 ；提高了反应速率。具有相同的出口转化率 多个连续操作釜式反应器串联多个连续操作釜式反应器串联2、多釜串联连续釜式反应器的计算、多釜串联连续釜式反应器的计算 假设：假设： 1.多釜串联连续操作釜式反应器中各釜内均为理想混合各釜内均为理想混合 2.各釜之间没有逆向混合各釜之间没有逆向混合 如图所示 对于稳定操作、恒容过程的单釜以组分A为基准进行物料衡算： 0 故有 整理得物料累积量单位时间内反应消耗量单位时间内物料排出量单位时间内物料进入量单位时间内0AFAFRAVr )(RAAAVrFF)(0)(00AAARrccVV12iNAiF1,

17、NAF1, NAC0AF0AC1AC2AC1AiC1AF2AFAiCANF1AiFANCRiiAAiiAVrFF)() 1(iAiAAiAiAiAAiAiRrxxVcrxxFV)()()()() 1(00) 1(0任一釜任一釜i物料衡算物料衡算2、多釜串联连续釜式反应器的计算、多釜串联连续釜式反应器的计算 式中 为物料在第釜内的平均停留时间，以 表示则有 若改浓度为反应转化率形式表示，则有 上两式为多釜串联恒容反应器计算的基本公式上两式为多釜串联恒容反应器计算的基本公式，具体应用仍然按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的转化率为止。 0VVRiiiAAiiARiirccV

18、V)()1(0iAiAAiARiirxxcVV)()1(00 第一釜的有效体积 第二釜的有效体积 第釜的有效体积 第N釜的有效体积 则反应器的总有效体积为 101001)(AAAARrxxcVV212002)(AAAARrxxcVViAiAAiARirxxcVV)()1(00NANAANARNrxxcVV)()1(00RNRiRRRVVVVV21(1)有效体积有效体积I 解析法：前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次 计算，直到达到要求的转化率 1 一级不可逆反应： 2122021AAARxxxkVV ANNAANNRNxxxkVV 1)1(0第一釜的体积：第二釜的体积：第N釜的体积：101

19、1011AAARxxxkVV一级反应相关计算一级反应相关计算例题5 问题：用两个串联连续操作的釜式反应器生产乙酸丁酯，第一只釜的问题：用两个串联连续操作的釜式反应器生产乙酸丁酯，第一只釜的乙酸转化率为乙酸转化率为32.3%，第二只釜的乙酸转化率为，第二只釜的乙酸转化率为50%，反应条件和产，反应条件和产量不变，试求各釜式反应器的有效体积。量不变，试求各釜式反应器的有效体积。(2)浓度浓度cA、反应时间、反应时间t、转化率、转化率xAiAiAiRiirccVV10PAAAkcr AiiAiAiRiickccVV10 以下对一级反应对第对第i i釜，按以上公式有釜，按以上公式有 iiAiAikcc

20、11(2)浓度浓度cA、反应时间、反应时间t、转化率、转化率xiiAiAikcc11i=1 11011kccAAi=2 )1)(1 (1221102212kkckccAAAi=3 )1)(1)(1 (133221103323kkkckccAAA(2)浓度浓度cA、反应时间、反应时间t、转化率、转化率x 若各釜大小和操作温度都相同，即1212ininkkkkkk每个釜的停留时间: 每个釜中反应速率常数: 则有0(1)AAnncck)1 (0AnAAnxcc代入 ，可变为：11(1)Annxk 例题 在各釜大小相等操作温度相同三只串联连续搅拌反在各釜大小相等操作温度相同三只串联连续搅拌反应釜中进行

21、液相反应，动力学式为应釜中进行液相反应，动力学式为 ，速度常数速度常数 ，每小时加料量，每小时加料量3 m3 m3 3，其中，其中含含A A的浓度为的浓度为3 kmol/m3 kmol/m3 3，不含，不含R R和和S S。求求: :(1)(1)每釜有效容积每釜有效容积V VR R=1m=1m3 3时，各釜内时，各釜内A A的浓度的浓度;(2);(2)若若要求要求A A的最终转化率达的最终转化率达0.90.9，设备的装料系数为，设备的装料系数为0.80.8，各釜的容积为多少？各釜的容积为多少？AAkcr 14105skABRS思考题1 若为三釜串联呢？若为三釜串联呢？ 若为单釜呢若为单釜呢？思

22、考题2解答II 图解法：(-RA）XA0XA1XA2MNPXA3XA4Q单釜物衡:)1(00)( iAiAAiiAiAxCxCr 想一想:当各釜的温度不同时，怎样？当各釜的体积不同时，怎样？非一级反应相关计算非一级反应相关计算（1 1）返混）返混u 返混返混不是一般意义上的混合，它专指不同时刻进入反应器不是一般意义上的混合，它专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。点之间的混合。返混改变了反应器内的浓度分布返混改变了反应器内的浓度分布，使器内，使器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升反应物的浓度下

23、降，反应产物的浓度上升。F返混是连续化后才出现的一种混合现象。返混是连续化后才出现的一种混合现象。F间歇反应器间歇反应器中不存在返混，中不存在返混，理想置换反应器理想置换反应器是没有返混是没有返混的一种典型的连续反应器，而的一种典型的连续反应器，而理想混合反应器理想混合反应器是返混达是返混达到极限状态的一种反应器。到极限状态的一种反应器。1 1、返混及其对反应过程的影响、返混及其对反应过程的影响（2 2）返混对反应过程的影响）返混对反应过程的影响u间歇釜式反应器间歇釜式反应器存在剧烈的搅拌与混合，但不会导致高浓度的消失。间歇釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻进入反间歇釜式反应器中彼此混合的

24、物料是在同一时刻进入反应器的，在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间应器的，在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间，具有相同的性质和浓度，这种浓度相同的物料之间的，具有相同的性质和浓度，这种浓度相同的物料之间的混合，不会使原有的高浓度消失。混合，不会使原有的高浓度消失。u同一时刻进入反应器的物料之间的混合，并不改变同一时刻进入反应器的物料之间的混合，并不改变原有的物料浓度。原有的物料浓度。1 1、返混及其对反应过程的影响、返混及其对反应过程的影响（2 2）返混对反应过程的影响）返混对反应过程的影响u连续釜式反应器连续釜式反应器中存在的都是早先进入反应器并经历了不同反应时间的物料，其浓度已经

25、下降。进入反应器的新鲜高浓度物料一旦与这种已经反应过的物料相混合，高浓度自然会随之消失。高浓度自然会随之消失。C这种混合是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是这种混合是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是不同浓度、不同性质物料之间的混合，属于不同浓度、不同性质物料之间的混合，属于返混返混。C它它造成了反应物高浓度的迅速消失，导致反应器的造成了反应物高浓度的迅速消失，导致反应器的生产生产能力下降能力下降。1 1、返混及其对反应过程的影响、返混及其对反应过程的影响2、多釜串联连续釜式反应器的计算、多釜串联连续釜式反应器的计算 假设多釜串联连续操作釜式反应器中各釜内均为理想混合，且各釜之间没有逆

26、向混合，如图所示。 对于稳定操作、恒容过程的第釜以组分A为基准进行物料衡算： 0 故有 整理得物料累积量单位时间内反应消耗量单位时间内物料排出量单位时间内物料进入量单位时间内)1( iAFAiFRiiAVr )(RiiAAiiAVrFF)()1(iAAiiARirccVV)()1(0 式中 为物料在第釜内的平均停留时间，以 表示则有 若改浓度为反应转化率形式表示，则有 上两式为多釜串联恒容反应器计算的基本公式上两式为多釜串联恒容反应器计算的基本公式，具体应用仍然按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的转化率为止。 0VVRiiiAAiiARiirccVV)()1(0iAiA

27、AiARiirxxcVV)()1(00 第一釜的有效体积 第二釜的有效体积 第釜的有效体积 第N釜的有效体积 则反应器的总有效体积为 101001)(AAAARrxxcVV212002)(AAAARrxxcVViAiAAiARirxxcVV)()1(00NANAANARNrxxcVV)()1(00RNRiRRRVVVVV21(1)有效体积有效体积例题5 问题：用两个串联连续操作的釜式反应器生产乙酸丁酯，第一只釜的问题：用两个串联连续操作的釜式反应器生产乙酸丁酯，第一只釜的乙酸转化率为乙酸转化率为32.3%，第二只釜的乙酸转化率为，第二只釜的乙酸转化率为50%，反应条件和产，反应条件和产量不变，试求各釜式反应器的有效体积。量不变，试求各釜式反应器的有效体积。(2)浓度浓度cA、反应时间、反应时间t、转化率、转化率xAiAiAiRiirccVV10PAAAkcr AiiAiAiRiickccVV10 以下对一级反应对第对第i i釜，按以上公式有釜，按以上公式有 iiAiAikcc11(2)浓度浓度cA、反应时间、反