第三章均相反应器的设计

第三章均相反应器设计13.1概述一、反应器设计的基本内容最终目标：经济效益最大（应该包括整个过程）反应器设计的基本内容：1、选择合适的反应器类型2、确定最佳操作条件3、计算完成规定的生产任务所需的反应器体积23.1概述二、反应器设计的基本方程物料衡算式（描述浓度变化）

能量衡算式（描述温度变化）

动量衡算式（描述压力变化）

33.1概述动力学方程式：描述反应的变化情况

如果反应器内各处浓度均一，恒算的控制体可选择整个反应器；如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各处的反应物组成未必相同，这时只能选择微元体积作为控制体。43.1概述三、均相反应系统均相反应器的特征：

物料在反应器内已达到分子尺度的均匀，混合时间远小于反应时间。

实现途径：

1、机械搅拌2、湍流脉动3、分子扩散

考察一个反应过程是否为均相反应过程，不应仅仅着眼于反应物系的相态，更重要的是考察微元尺度的传递过程是否会影响反应效果。53.1概述四、理想反应器的主要类型间歇釜式反应器（分批加料）

BatchStirredTankReactor(BSTR)连续釜式反应器（连续加料）

ContinuedStirredTankReactor(CSTR)

理想管式反应器（连续加料）

PlugFlowReactor(PFR)

63.2间歇釜式反应器反应体积Vr反应器体积V有反应发生的空间体积反应体积+预留空间体积间歇反应器的设计参数：（1）反应时间t；（2）反应体积Vr7一、特点分批装料、卸料适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、试剂、助剂等生产。

操作时间=反应时间+辅助时间（装料+卸料+清洗）反应器内浓度及温度处处相等

3.2间歇釜式反应器8二、物料衡算和能量衡算方程3.2间歇反应器控制体

整个反应器体积非定态操作

反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变

可忽略压力变化（常用于液相反应）

描述反应器的数学模型包括物料衡算和能量衡算。

93.2间歇反应器A+B→C+D

衡容过程三、等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）103.2间歇反应器

II一级不可逆反应

I零级不可逆反应一级不可逆反应，反应时间与反应物料起始浓度无关113.2间歇反应器

III二级不可逆反应

IIIn级不可逆反应反应体积：Q0为单位时间内处理的反应物料的体积t0为辅助时间（经验）123.2间歇反应器例题：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应是为原料中反应组分的质量比为A:B:S:=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助时间为1h。反应在1000C下等温操作，起反应速率方程如下：1000C时，k1=4.76×10-4L/(mol·min)，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应器填充系数取0.75，则反应器的实际体积是多少？133.2间歇反应器解：143.2间歇反应器15最优反应时间单位时间产物产量最大所必须满足的条件说明：目标函数不同，结果不同。（1）如从单位产品所消耗的原料量最少着眼，则反应时间越长，原料单耗越少；（2）以生产费用最低为目标，则需满足其中a为单位时间内反应操作费用；a0为辅助操作费用；af为固定费用。

16四、等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）

1、平行反应主反应A的转化率目的产物的产量17Aiki

通式：183.2间歇反应器作业1、反应如下：A+BPrP=2cAkmol/(m3h)2AQ rQ=0.5cA2kmol/(m3h)初始状态：cA=cA=2kmol/m3目的产物为P，求3h后A的转化率及P的收率。193.2间歇反应器2、连串反应APQ k1

k2

203.2间歇反应器top

213.2间歇反应器作业2、对下列反应：NH3(A)+CH3OH(M)CH3NH2(B)+H2Or1=k1cAcM

CH3NH2+CH3OH(CH3)2NH+H2O

r2=k2cBcMk1/k2=0.68求一甲胺的最大收率和相应的氨的转化率。

k1

k2

xA=0.7004YB,max=0.4406221列与反应相同个数的设计方程，且方程中至少包括每步反应的一个组分；2根据反应条件，确定定解条件；3解方程（组），求出反应时间；4Vr=Q0(t+t0)5V=Vr/f间歇反应器的设计步骤：装料系数，常在0.4~0.85，对于沸腾或易发泡液体反应物料取0.4~0.6；对一般液体物料，取0.7~0.853.2间歇反应器233.3连续釜式反应器CSTR一、单个连续釜式反应器的相关计算（1）定态下操作（2）等容下反应24例题：用连续釜式反应器中进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应是为原料中反应组分的质量比为A:B:S:=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在1000C下等温操作，起反应速率方程如下：1000C时，k1=4.76×10-4L/(mol·min)，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。3.3连续釜式反应器CSTRABRS253.3连续釜式反应器CSTR反应器CSTRBRVr/m314.6812.38间歇反应器是变速操作，开始时反应速率最大，终了时最小，而连续式反应器是等速操作，且恰恰是在相应于间歇反应器的最小反应速率下操作，反应体积自然就增大。263.3连续釜式反应器CSTR空时越小，表示该反应器的处理物料量越大。空速越大，反应器的生产能力越大。有质量空速和体积空速之分。273.3连续釜式反应器CSTR二、连续釜式反应器的串联与并联1、CSTR的串联

Q0

xA1

xA2283.3连续釜式反应器CSTR正常动力学

反常动力学

对CSTR，两釜串联所需总的反应体积要小于单釜；串联的釜数越多，所需总的反应体积越小。故对正常动力学，使用多釜串联总是比单釜有利。293.3连续釜式反应器CSTR2、CSTR的并联

xAf

Q0

xA1

xA2

c0

Q01

Q02

c1

c2

Vr2

Vr1303.3连续釜式反应器CSTR同一处理量，对BR只计反应时间，达到相同转化率所需的反应体积正常动力学单釜≥多釜串联宜采用串联操作（零级反应相等）=等体积多釜并联BR≤CSTR零级反应相等反常动力学单釜≥多釜串联宜采用并联操作（零级反应相等）=等体积多釜并联BR≤CSTR零级反应相等313.3连续釜式反应器CSTR三、串联釜式反应器的计算计算基准：第一个反应器的入口，逐釜计算一般情况下，釜数越多，总反应体积越小，但釜数增多，相应的管道阀门和控制仪表等也要增多，操作的复杂程度也随之增加。

323.3连续釜式反应器CSTR各釜的反应体积间的比例也是一个优化问题。前提：釜数及最终转化率一定目标：总反应体积最小反应级数a>1小釜在前，大釜在后=1各釜相等0<a<1大釜在前，小釜在后=0与排列方式无关<0无需串联，并联更佳333.3连续釜式反应器CSTR总收率和总选择性曲线类型达到相同转化率下的收率IS随xA增加二单调下降间歇釜>多釜串联>单一釜IIS随xA增加二单调上升间歇釜<多釜串联<单一釜四、连续釜式反应器中复合反应343.3连续釜式反应器CSTR1、平行反应

获得选择性和收率：（1）满足有利的浓度和温度条件；（2）反应器的型式及操作方式、所采用的原料浓度及配比以及加料方式等有关。（3）E主=E次时，反应的瞬时选择性与温度无关，一般选择较高温度，以提高反应器的生产强度；E主<E次时，低温瞬时选择性好，但生产强度不大，故存在一最佳温度，此温度下在连续釜式反应器中，可使目的产物的产量最大；353.3连续釜式反应器CSTR2、串联反应

（1）不论k2/k1为何值，在相同转化率下，间歇釜的收率总是大于连续釜的收率；（2）随k2/k1减小，釜式反应器的收率增大；（3）E1>E2，温度越高，则k2/k1越小，则收率越大；E1>E2，情况相反，低温下操作可获得较大的收率，但是温度降低导致反应速率下降，反应器的生产强度减小；（4）选择合适的催化剂363.4半间歇釜式反应器

（1）要求一种反应物的浓度高而另一种反应物浓度低时；（2）为了提高某些可逆反应的产品收率，需要不断移走产物373.4半间歇釜式反应器

383.4半间歇釜式反应器

393.4半间歇釜式反应器

403.4半间歇釜式反应器

413.4半间歇釜式反应器

423.4半间歇釜式反应器

433.4半间歇釜式反应器

443.5连续管式反应器

45463.5连续管式反应器

473.5连续管式反应器

483.5连续管式反应器

493.