化工反应原理第3章PPT

1、第三章第三章 釜式反应器釜式反应器间歇操作间歇操作(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。操作方式：间歇、连续、半间歇操作方式：间歇、连续、半间歇本章内容本章内容 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

2、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: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rVicQrV0Q0ic假设假设 反应器内物料温度均一反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一反应器内物料浓度均一 取整个反应取整个反应体积体积作控制体积作控制体积釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式icQrV0Q0ic釜式反应器的物料衡算通式釜式反应器的物料衡算通式iriiidndtVdtQcdtc

3、QR00KidtdnVQccQiriii,2, 100 R其中：其中：MKrMjjiji R 1对反应物为负对反应物为负对产物为正对产物为正假设假设 反应器内物料温度均一反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一反应器内物料浓度均一 在在 dt 时间间歇内对整个反应时间间歇内对整个反应器做关键组分器做关键组分 i 的物料衡算：的物料衡算：)(00ttQVr1.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

4、料、清洗所需时间之和。经验给定经验给定操作时间操作时间等温等温 BR 的计算的计算2.2.反应器的体积反应器的体积 fVVrf：装填系数 ，由经验确定,一般为 0.40.85 对于沸腾或易起泡沫的液体物料： f=0.40.6 对于不起泡或不沸腾的液体： f=0.70.8500 QQ对非定态操作，反应时间内：对非定态操作，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： 3.反应时间的计算等温等温 BR 的计算的计算00dtdXnVAAArRAfXArAAVdXnt00)( R恒容反应AfXAAAdXct00)( R0,0AXt 单一反应

5、fAXAAArdXct 00一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。 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等温等温 BR 的计算的计算例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：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

6、氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化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。试求乙酸乙酸乙酯乙酯转化率分别达到转化率分别达到 80、90和和 95时的反应时间。时的反应时间。解：解：OHHCCOONaCHNaOHHCOOCCH523523BA AfXAAAdXct00)( RAfXAAAAXkcdXc02200)1 (AAAXXkc110得：得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t =

7、206.5mintCA(-RA),RR, 而而t0是一定的；是一定的； t产品绝对产量产品绝对产量但按单位操作时间计算的产品产量不一定但按单位操作时间计算的产品产量不一定。 所以，以（产品产量所以，以（产品产量/操作时间）为目标函数。就必然存在一最优反应时间，操作时间）为目标函数。就必然存在一最优反应时间，使该目标函数值为最大。使该目标函数值为最大。 复合反应等温等温 BR 的计算的计算 3.反应时间的计算平行反应： 系统中只有两个反应，且两个反应都是独立的。 关键组分数K=独立反应数M=2。 只要任选两式就可以了对各组分作物料衡算对各组分作物料衡算(恒容条件恒容条件)：系统中只进行两个独立反

8、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)(21dtdcckkAA01dtdcckPA02dtdcckQA 复合反应等温等温 BR 的计算的计算 3.反应时间的计算AQAPckrQAckrPA21 平行反应：组分组分浓度浓度APQ反应反应时间时间)(021tkkAAecc)(2101211 tkkApekkckcAAccnkkt0211)(2102211 tkkAQekkckc00 0 0QPAAcccct，时，设等温等温 BR 的计算的计算AQAPckrQAckrPA21 平行反应物系组成与反应时间关系示意图平行反应

9、物系组成与反应时间关系示意图PAQAAPQt00Acc21kkccQP即：任意时刻两即：任意时刻两个反应产物浓度个反应产物浓度之比，等于两个之比，等于两个反应速率常数之反应速率常数之比比等温等温 BR 的计算的计算将上述结果推广到含有将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统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 复合反应连串反应对对A作物作物

10、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物料衡算式物料衡算式3.4 等温等温CSTR 的计算的计算对定态操作，有：对定态操作，有：0dtdniKirVQccQMjjijrii,2,

11、 1100 则物料衡算通式变为：则物料衡算通式变为：AAArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV 单一反应 釜式反应器多用于液相反应 反应过程中液体体积的变化不明显，可当作恒容过程。可假定 QQ0 空时与空速的概念： 空时：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:时间因次等温等温CSTR 的计算的计算对使用

12、固体催化剂的反应，有质量空速与体积空速之分。 质量空速：单位质量催化剂，单位时间内处理的物料量。 体积空速: 单位催化剂堆体积，单位时间内处理的物料量。 还有指以一定反应组分计算的空速，如碳空速，烃空速等。因此不能混淆。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， 复合反应平行反应等温等温CSTR 的计算的计算AAfArckXcQV100对中间

13、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，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VrVr、X XA A、Y YP P三者关系三者关系小结：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)(210Apckc1AAfAckXc10pA

14、pckckc213.5 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？ 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)思考思考 正常动力学正常动力学)(2200AAAArXXcQVR单釜)()()(212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVRR两釜串联1.1.图解分析

15、图解分析 采用两釜（多釜）串联比使用单釜有利。采用两釜（多釜）串联比使用单釜有利。 GXA33.5 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正常动力学正常动力学 各釜进料量的分配原则各釜进料量的分配原则? ?保证各釜的出口转化率相同。即即: : 保证各釜的空时相同保证各釜的空时相同. . 各釜的进料量之比等于各釜的反应体积之各釜的进料量之比等于各釜的反应体积之比比反常动力学反常动力学)(2200AAAArXXcQVR单釜正常动力学，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。对于正常动力学，串

16、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）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 小结小结3.5 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2. 2. 串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算0Q0iC1 iC2iC1ipC1iNCiNCipC1rV12rV2rpVprNVN 串联釜式反应器串联釜式反应器对第p釜作组分 i 的物料衡算：3.5 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011,2,.,() 1,2,.,1,2,.,ipiprpMij

17、jjpNQ CCViKv rjM对一级不可逆反应：0(1)AAArkcX01()(1)ApAprppApQXXVkX2. 2. 串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算10 (1)rpApApppApVXXQkX11ApApppApXXkX1 111ApppApXkX以A为关键组分，对第p釜作组分A的物料衡算：单一反应：11111,1ApkX若则 1-122212,1AAXpkX若则 1-1 111ApppApXkX233313,1AAXpkX若则 1-。 1 1,1A NNNA NXpNkX若则 1-1122 1(1)(1).(1)1NNA NkkkX假设：假设： 各釜体积相同，且各釜的进料

18、可近似各釜体积相同，且各釜的进料可近似 认为相等，则各釜的空时认为相等，则各釜的空时 相等。相等。 各釜操作温度相同，则各釜的速率常各釜操作温度相同，则各釜的速率常 数数 k 相等。相等。 1(1)1NA NkX若进行二级不可逆反应： 2. 2. 串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算单一反应：逐釜计算逐釜计算图解法图解法2. 2. 串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算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 .12121010021ANANANAAAAAAXXXXXXArNrrrcQVVVVRRR 对单一反应，总反应体积为：对单一反应，总反应体积为：1, 2

19、 , 1, 0NPXVApr 据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。rpVrV3.5 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。以两釜串联为例（进行单一反应） 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 第一釜 第二釜 当矩形当矩形ABMC的对角线的斜率等于的对角线的斜率等于M点的切线斜率时，点的切线斜率时， 则则M点所对应的横坐标点所对应的横坐标XA 1即为使即为使Vr 最小的最优中间转化率。最小的最优中间转化率。 物理意义：物理意义： 对一级不可逆反应

20、 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 以两釜串联为例（进行单一反应） 代入式（代入式（* *），得），得 化简得：化简得：代入物衡式，得代入物衡式，得 结论：对于一级反应，选择两个体积相同的釜串联，可使总反应体积 最小。若多釜串联，则选择各釜的体积相同，可使总Vr最小。 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 3.5 连

21、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例例3.63.6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ApAppAAppAdXdYdndnS)()(RR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 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

22、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。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3.6.2 平行反应平行反应 反应器型式、操作方式及加料方

23、式反应器型式、操作方式及加料方式 1.若要求A,B浓度均高： 选间歇釜 A,B同时一次加入。见图（a） 选多釜串联 A,B均从第一釜同时加入。见图（b） （若不同体积釜串联，小釜在前，大釜在后。）见图（c） 2.若要求A,B的浓度均低： 采用单釜连续操作 见图（d） 若多釜串联，则做成体积不等的釜。 见图（e） （大釜在前，小釜在后） 3.若要求A低，B高：釜式反应器半间歇操作 B一次性连续加入，A连续缓慢加入。见图（f）连续操作，多釜串联 B从第一釜进入，A分釜加入。见图（g）按配料，B大大过量，反应产物分离，B循环。见图（h）3.6.3 连串反应连串反应 从图中可看出：无论k2/k1为何值

24、， 在相同的转化率下，间歇釜的收率总是大于连续釜中的收率。且随着k2/k1值的，差异越大。 每一曲线均存在一极大值。 黑线-间歇釜中YPxA的关系。紫线连续釜中YPxA的关系。 3.7 半间歇釜式反应器半间歇釜式反应器半间歇釜式反应器的物衡式：变温间歇操作的热量衡算变温间歇操作的热量衡算 根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：Uq即：与环境交换的热即：与环境交换的热= =内能的变化内能的变化变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器HqdHdq 间歇釜式反应器间歇釜式反应器用焓变代替内能的变化用焓变代替内能的变化 CBACBArTHHT31 2dHTrTr为计算的基准温度为计算的基准温度1()rT

25、pttpttrTHmc dTm cTT3()rTdTpttpttrTHmc dTm cTdtT2( R ) rArdHHV dT （单一反应）变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算变温间歇操作的热量衡算123 ( R )pttrArdHHdHHm c dTHV dt 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 2dHdtTTUAdqCh)(又：式中：式中：U U为总传热系数为总传热系数 A Ah h为传热面积为传热面积 TcTc为环境温度为环境温度变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器变温间歇操作的热量衡算变温间歇操作的热量衡算)()(ArrchpttVHTTUAdtdTcmR)()(ArrchVHTTUAR讨论讨论等温反应等温反应绝热反应绝热反应ApttrAXcmHnTT)(00dtdXHnTTUAdtdTcmArAchptt0)(rAAAVdtdXn)(0R1.1.连续釜式反应器的热量衡算式连续釜式反应器的热量衡算式连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作1.1.连续釜式反应器的热量衡算式连续釜式反应器的热量衡算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连续釜式反应器的定态操作)()()()(000TTUAVHTTcQch