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第3章釜式及均相管式反应器1/133第一节间歇釜式反应器第二节连续流动均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器第四节理想流动反应器组合第五节多重反应选择率第六节半间歇釜式反应器第七节釜式反应器中进行多相反应第八节讨论与分析本章主要内容2/133化学动力学方程物料衡算方程热量衡算方程动量衡算方程第2章中讲过计算反应体积计算温度改变计算压力改变反应器设计基本方程反应器设计基础3/133物料衡算方程某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量反应消耗累积流入流出反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇釜式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√反应器设计基础4/1333.1间歇釜式反应器一、釜式反应器特征基本结构搅拌器进料口出料口夹套图3-1间歇反应器示意图5/1333.1间歇釜式反应器操作状态6/1333.1间歇釜式反应器特点:1因为猛烈搅拌，反应器内物料浓度到达分子尺度上均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应影响；

2含有足够强传热条件，温度一直相等，无需考虑器内热量传递问题；3物料同时加入并同时停顿反应，全部物料含有相同反应时间。7/1333.1间歇釜式反应器优点：操作灵活，适合用于小批量、多品种、反应时间较长产品生产

精细化工产品生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定8/1333.1间歇釜式反应器反应物料间歇加入与取出，反应物料温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，全部物料质点在反应器内经历相同反应时间应用：众多有机化学反应，药品中间体合成反应，反应时间需要几个小时。9/1333.1间歇釜式反应器对整个反应器进行物料衡算流入量=流出量+反应量+累积量00单位时间内反应量=单位时间内消失量二、间歇釜式反应器数学模型温度浓度均一10/1333.1间歇釜式反应器入口物料中不含产物情况因为等容条件下分离变量并积分在没有任何假设条件下导出，不论在等温条件和变温条件，还是在等容条件和变容条件下都是适用，是间歇反应釜用于反应时间计算普通公式。反应速率单位是mol/（时间*体积）11/1333.1间歇釜式反应器等容过程，液相反应以转化率表示，主要是着眼于原料利用率，或是减轻反应后分离任务。以残余浓度表示，主要是为了适应后续工序要求，如有害杂质去除。12/1333.1间歇釜式反应器图解积分13/1333.1间歇釜式反应器反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2等温等容过程积分结果14/133三、间歇釜热量衡算3.1间歇釜式反应器15/1333.1间歇釜式反应器电加热外盘管16/1333.1间歇釜式反应器[单位时间内由反应产生热量]=[单位时间内经过冷却面传出总热量]=[单位时间内由冷却介质带走总热量]

反应等温进行时：17/1333.1间歇釜式反应器四、间歇釜式反应器工程放大及操作优化1工程放大反应物到达一定转化率所需反应时间，只取决于过程反应速率，与反应器大小无关，反应器大小由反应物料处理量决定。试验室结果工业过程反应条件相同设备结构合理放大前提条件理想间歇釜式反应器18/1333.1间歇釜式反应器反应时间t辅助时间t0反应体积＝单位时间所要处理物料体积×操作周期由生产任务决定装料卸料清洗填充系数沸腾或鼓泡液体，可取0.4－0.6不沸腾或不鼓泡液体，可取0.7－0.8519/1333.1间歇釜式反应器为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在试验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应试验。反应开始时两反应物摩尔比为1，为了确定反应进行程度，在不一样反应时间下取出10ml反应液用0.515mol/LNaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。不一样反应时间下，NaOH溶液用量以下表所表示：时间，min010203050∝NaOH用量，ml52.532.123.518.914.410.5例3-1：丙酸钠与盐酸反应：20/1333.1间歇釜式反应器现拟用与试验室反应条件相同间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h，且丙酸钠转化率要到达平衡转化率90%。试计算反应器实际体积。假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需时间为20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。(装料系数取0.8）21/1333.1间歇釜式反应器解：利用与NaOH当量关系可求出任一时刻盐酸浓度（也就是丙酸钠浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为：于是可求出A平衡转化率：22/1333.1间歇釜式反应器由图中能够得出，当CA=0.757mol/l时，所对应反应时间为48min。因为在一样条件下，间歇反应器反应时间与反应器大小无关，所以该生产规模反应器反应时间也是48min。丙酸产量为：500kg/h=112.6mol/min。所需丙酸钠量为:112.6/0.72=156.4mol/min。

23/1333.1间歇釜式反应器24/1333.1间歇釜式反应器2反应时间优化反应时间延长反应物浓度降低产物生成速率降低产量增加单位操作时间产品产量不一定增加存在一最优操作时间单位操作时间产品产量最大反应时间5101520产品产量20303537平均产量11.21.171.06辅助时间1525/1333.1间歇釜式反应器对于反应若要求产物R最终浓度为cR则单位操作时间产品产量为将上式对反应时间求导，并令其等于0：26/1333.1间歇釜式反应器可得：27/133若以单位质量产品生产费用最低为目标设单位时间内反应操作费用为a，辅助操作费用为a0，而固定费用为af，则单位质量产品总费用为：将上式对反应时间求导，并令其等于0：3.1间歇釜式反应器28/1333.1间歇釜式反应器可得：29/1333.1间歇釜式反应器3配料比为了使价格较高或在后续工序中较难分离组分A残余浓度尽可能低，提升反应速率，常采取使另一个反应物B过量操作方法。定义配料比：配料比提升所带来负面影响：降低反应器容积利用率增加组分B回收费用30/1333.1间歇釜式反应器4反应温度对于间歇釜式反应器，能够在不一样反应时间不一样阶段，调整反应温度。改变反应温度时，应该注意：反应温度提升，液相组分蒸汽压上升很快，会增加冷凝负荷；反应温度过高，可使一些组分腐蚀性增强；对于多重反应，反应温度增高，会使一些负反应加剧。31/1333.2全混流反应器一、全混釜普通设计方程连续流动釜式反应器全混流反应器强烈搅拌浓度、温度均匀出口处物料参数与反应器内物料参数相等反应速率由釜内浓度和温度决定32/1333.2全混流反应器全混流反应器特点：反应器中物料浓度和温度处处相等，而且等于反应器出口物料浓度和温度；物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不一样停留时间物料混合，及返混程度最大；反应器内物料全部参数，温度、浓度等都不随时间改变，从而不存在时间这个自变量。33/133流入量=流出量+反应量+累积量0进口中已经有产物3.2全混流反应器34/133空间时间,简称空时。其物理意义为在连续流动条件下按照反应器进口流量计算反应物在反应器内停留时间，当反应前后无分子数改变时就等于反应时间。空速3.2全混流反应器35/133n=0时n=1时n=2时3.2稳态全混流反应器36/133反应器特征时间图解积分间歇釜全混流矩形面积为全混流曲线下面积为间歇釜3.2稳态全混流反应器37/133给定物料初始状态及反应器体积，求转化率或出口浓度给定物料初始状态及出口浓度，求反应体积二、简单反应单个全混釜设计3.2稳态全混流反应器38/133例3－2:在反应体积为1m3釜式反应器中，环氧丙烷甲醇溶液与水反应生产1，2-丙二醇：该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下反应速率常数等于0.98h-1，原料液中环氧丙烷浓度为2.1kmol/m3,环氧丙烷最终转化率为90%。（1）若采取间歇操作，辅助时间为0.65h,则1，2-丙二醇日产量是多少？（2）有些人提议改在定态下连续操作，其余条件不变，则丙二醇-1，2日产量又是多少？（3）为何这两种操作方式产量会有不一样？3.2稳态全混流反应器39/133解：

（1）

一级不可逆反应：丙二醇浓度=

丙二醇产量=

3.2稳态全混流反应器40/133(2)采取定态下连续操作丙二醇产量=（3）因连续釜在低反应物浓度下操作，反应速率慢，故产量低。3.2稳态全混流反应器41/133平推流反应器物料参数如浓度等沿流动方向改变。对于等温反应，极难控制整个反应器内物料温度均匀。对于全混流反应器，物料参数是均匀，对于物料温度控制比较轻易。三、简单反应多釜串联3.2稳态全混流反应器42/133在有机反应中，尤其是多重反应，要求反应过程中物料浓度温度等参数保持稳定，不然极易发生副反应，所以普通选择全混流反应器。为了满足工艺要求，又要提升反应推进力，人们把一个大反应器分割成m个小全混流反应器，然后串联起来，称为“多级串联全混流反应器”。3.2稳态全混流反应器43/1333.2稳态全混流反应器44/1333.2稳态全混流反应器45/1333.2稳态全混流反应器全混流反应器反应速率一直处于出口反应物浓度低速率状态，采取多级全混流反应器串联后，能够降低返混影响程度，提升反应速率或降低反应器体积。多级全混流反应器串联级数越多，过程就越靠近平推流反应器，那么，是不是级数越多越好呢？46/133VR1VRmVR2VRiVRi-1v0v0v0v0v0v0多级全混流反应器串联计算3.2稳态全混流反应器47/133解析计算假设：稳定状态，等温，等容。对第i级作A物料衡算，则有：则或3.2稳态全混流反应器48/133多级全混流反应器级数普通为2－3级，所以能够按上式从第1级开始逐层计算，依据不一样已知条件来计算反应器体积，级数或者最终转化率。3.2稳态全混流反应器49/133A对于一级不可逆反应，能够直接建立级数m和最终转化率之间关系，无须逐层计算。

3.2稳态全混流反应器50/1333.2稳态全混流反应器51/133每级体积相等时，则公式可深入简化为：或总体积：3.2稳态全混流反应器52/133重排得：依据多釜串联反应器设计方程：（3-33）B对于多级不可逆反应，能够用图解法确定出口浓度或转化率（3-40）3.2稳态全混流反应器53/133式（3-40）几何意义是：图3-11多釜串图解示意图过点（cAi-1，0）斜率为-1/τ直线。再结合动力学方程（rA）线，即可图解求出cAiM1,M2，M3，MN分别为第一釜，第二釜，第N釜操作点3.2稳态全混流反应器54/133普通而言，级数不能太多，能够事先确定。多级全混流反应器串联优化当物料处理量、进料组成及最终转化率相同时，反应器串联级数m越多，反应推进力越大。串联级数越多，设备、流程及操作控制越复杂。合理分配各级转化率，使总反应体积最小。优化问题3.2稳态全混流反应器55/1333.2稳态全混流反应器反应器设计中常碰到类似这么问题，物料处理量V0，进料组成CA0及最终转化率XAm均提前确定。反应器级数因受生产条件限制亦确定。怎样分配各级反应器转化率才合理呢？通常以总体积为目标函数来求解这类问题即使反应总体积为最小来确定各级反应釜转化率。56/1333.2稳态全混流反应器各级反应体积不一样57/133为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、……xAm－1求偏导数，并令之为零：对于等温等容过程，计算总反应体积VR，则有从以上共m-1个方程，可解出m-1个待定量(xA1、xA2、……xAm－1)3.2稳态全混流反应器58/133以一级不可逆反应为例化简后：3.2稳态全混流反应器59/133上式两边减1得：可见这时：上式表示：当一级不可逆反应时，各级体积相等时，总反应体积最小。即：3.2稳态全混流反应器60/133例3－4以硫酸为催化剂，由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯。仓库里闲置两台反应釜，一台体积为3m3，另一台则为1m3。现拟将它们用来生产醋酸丁酯，初步决定采取等温连续操作，原料中醋酸浓度为0.15kmol/m3，丁醇则大量过剩。该反应对醋酸为一级，在反应温度下反应速率常数为1.2h-1,要求醋酸最终转化率为50%,求两种连接方式酯产量各为多少？3.2稳态全混流反应器61/133解：(1)小反应器在前，大反应器在后联立以上二式，将xA2=0.5代入，化简得：3.2稳态全混流反应器62/133解得：丁酯产量3.2稳态全混流反应器63/133(2)大反应器在前，小反应器在后联立以上二式，将=0.5代入，化简得：3.2稳态全混流反应器64/133解得：丁酯产量一样为0.4182kmol/h结果表明：对一级不可逆反应，多釜串联时连接方式对结果无影响。3.2稳态全混流反应器65/1333.3平推流管式反应器一、平推流管式反应器特征66/1333.3平推流管式反应器速度分布不均匀产生径向或轴向混合为简化设计计算平推流模型管久远大于管径处于湍流状态67/1333.3平推流管式反应器68/1333.3平推流管式反应器连续定态下，各个截面上各种参数只是位置函数，不随时间而改变；径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；反应物料含有相同停留时间。平推流反应器特点对于平推流反应器，可采取空时：69/1333.3平推流管式反应器流入量=流出量+反应量+累积量二、普通设计计算方程70/1333.3平推流管式反应器1.k与xA关系等温时k为常数2.v与xA关系等分子反应？变分子反应？3.等容过程与间歇反应器公式相同间歇反应器或71/1333.3平推流管式反应器对于n级不可逆反应三、简单反应等温恒容过程72/1333.3平推流管式反应器反应级数反应速率反应器体积转化率n=0n=1n=2等温恒容平推流反应器计算式73/1333.3平推流管式反应器例3－6在常压及800℃等温下在平推流反应器中进行以下气相均相反应：反应速率方程为：式中cT及cH分别为甲苯和氢浓度（mol/L）。原料处理量为2kmol/h，其中甲苯与氢摩尔比等于1。若反应器直径为50mm，试计算甲苯最终转化率为95%时反应器长度。74/1333.3平推流管式反应器解:由题意知，甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢进料比等于1，即：75/1333.3平推流管式反应器所需反应体积为：所以反应器长度为：76/1333.3平推流管式反应器工业实际中，没有一个反应器是绝对等温热量衡算式联立求解浓度分布温度分布物料衡算式四、简单反应变温过程77/1333.3平推流管式反应器在稳定状态时，有物料衡算：热量衡算：对象为dVR[物料带入热量]＝[物料带走热量]+[传向环境热量]+[反应热]78/1333.3平推流管式反应器[物料带入热量]＝[物料带走热量]+[传向环境热量]+[反应热]等温时：绝热时：79/1333.3平推流管式反应器1）等温过程则有积分dA80/1333.3平推流管式反应器2）绝热过程热量衡算式简化为则有称为绝热温升，即为在绝热条件下组分A完全反应时物料温升。81/1333.3平推流管式反应器积分得当xA0=0,有若略去反应焓及定压热容随温度改变，则绝热温升为一定值。82/133一、半间歇釜式反应器特征反应物B一次投入A在反应过程中连续加入适用情况：（1）要求严格控制器内A浓度，预防因A过量而使副反应增加情况；（2）只有在低浓度下才能进行放热反应；（3）B浓度高、A浓度低对反应有利情况。3.4半间歇釜式反应器83/133反应物A和B同时连续加入适用情况：（1）需严格控制A与B浓度百分比情况；（2）A和B浓度较低对反应有利情况。3.4半间歇釜式反应器84/133反应物A和B一次按百分比投入反应器连续移出产物适用情况：（1）要求A和B浓度均较高情况；（2）尤其适合用于可逆反应。3.4半间歇釜式反应器85/133二、半间歇釜式反应器数学模型等温半间歇液相均相反应设开始时向反应器中加入体积为VR0反应物B；然后连续地输入浓度为cA0反应物A，体积流量恒定为vA0；某一时刻时，反应器中液相反应物料体积为VR；过程中不导出物料，则在时刻t时：若B组分大量过剩3.4半间歇釜式反应器86/133单位时间内对整个反应釜作物料衡算：3.4半间歇釜式反应器87/133产物R浓度随时间改变计算设某时刻t时产物R浓度为cR，则此时R生成量应等于反应所消耗掉A量3.4半间歇釜式反应器88/133反应器生产操作特点惯用物系适宜反应间歇釜间歇、小批量、多品种液相或高粘液 正级数、简单、复合全混流连续、大批量、单品种液相低级数、自催化平推流连续、大批量、单品种气、液相正级数、简单、复合多釜串联连续、大批量、单品种液相任意级数、简单、复合一、各类反应器综合比较3.5理想流动反应器组合和比较89/1331246573124657二、理想流动反应器组合3.5理想流动反应器组合和比较90/1331全混流一级不可逆等容单一反应设每个反应器体积为VR，总体积流量为v03.5理想流动反应器组合和比较91/1332全混流第一个釜出口第二个釜出口3.5理想流动反应器组合和比较92/1333平推流全混流平推流出口全混流出口3.5理想流动反应器组合和比较93/1334平推流全混流平推流出口全混流出口3.5理想流动反应器组合和比较94/1335平推流63.5理想流动反应器组合和比较95/1337平推流全混流平推流出口全混流出口3.5理想流动反应器组合和比较96/1333.5理想流动反应器组合和比较理想流动反应器组合工业生产中应用某个真实反应器模型97/1333.5理想流动反应器组合和比较相同反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率98/1333.5理想流动反应器组合和比较相同条件下全混流（平推流），前者存在返混造成

。1转化率越小，二者体积差异越小，采取低转化率操作，可降低返混带来影响。但原料得不到充分利用，可采取循环流程。2反应级数越高，返混对反应影响越严重。级数高反应在生产中应注意降低返混。3采取多级全混流及反应器串联操作能够减少返混，提升反应推进力，使差异降低。99/1333.5理想流动反应器组合和比较100/1333.5理想流动反应器组合和比较若以为纵坐标，以为横坐标，将上式作成曲线：1在串联级数m一定时，越大，之比也越大。2在最终转化率一定时，m越大，之比越小，靠近平推流。当时，再增加级数所能降低反应体积也很有限，但会增加设备投资，故应在经济上权衡。101/1333.5理想流动反应器组合和比较3一定时，m不一样，所得到最终转化率也不一样。，对二级不可逆反应或

可得到类似结论。102/133例3-8：生化反应工程中A→R为自催化液相反应，反应速率式，产物R是过程催化剂，所以进料产物中含有产物R，某温度，采取原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3，原料进料量10m3/h，要求A最终浓度降到0.01kmol/m3，求（1）反应速率到达最大时，A浓度是多少？（2）采取全混流反应器，反应体积是多大？（3）采取平推流反应器时，反应体积是多大？（4）为使反应体积为最小，将全混流和平推流反应器组合使用，组合方式怎样，其最小体积为多少？3.5理想流动反应器组合和比较103/133解：（1）（2）在全混流反应器中：3.5理想流动反应器组合和比较104/133（3）在平推流反应器中，因为cA0到cAm和cAm到cAf时反应速率曲线是对称，所以，（4）反应器组合形式及最小体积

要使反应器体积最小，从cA0到cAm应该选取全混流反应器，而后从cAm到cAf应该串联一个平推流反应器。3.5理想流动反应器组合和比较105/133全混流反应器体积为：平推流反应器体积为：所以最小总体积为：3.5理想流动反应器组合和比较106/1331、平行反应---一个反应物AR(主反应)D(副反应)123.6多重反应选择率3.6多重反应选择率107/1333.6多重反应选择率主副反应速率之比为称为对比速率瞬时选择率(imtantaneousfractional)总选择率(over-allfractionalfield)二者关系：S是反应过程中瞬时选择率s平均值108/133平推流反应器中，总选择率是反应过程中或反应器中瞬时选择率平均值全混流反应器中，因浓度处处相等，总选择率即为瞬时选择率3.6多重反应选择率109/1331）温度效应提升温度对活化能高反应有利降低温度对活化能低反应有利若E1>E2,则在较高温度下进行若E1<E2,则在较低温度下进行若E1=E2,温度改变对选择性无影响反应器型式无影响3.6多重反应选择率110/1332）浓度效应若n1>n2,较高反应物浓度对主反应有利若n1<n2,较低反应物浓度对主反应有利若n1=n2,反应物浓度对选择性无影响平推流反应器，低单程转化率全混流反应器，加入稀释剂；反应后物料循环反应器型式无影响3.6多重反应选择率111/1333.6多重反应选择率所以，对于平行反应，当主反应级数大于副反应级数时，提升CA,对s有利，可采取平推流反应器（或间歇反应器），或使用浓度高原料，或采取较低单程转化率等，反之，降低CA对s有利，可采取全混流反应器；或使用浓度低原料（也可加入惰性稀释剂，也可用部分反应后物料循环以降低进料中反应物浓度），或采取较高转化率等112/133A+BL(主反应)M(副反应)12平行反应两个反应物3）平行反应加料方式选择3.6多重反应选择率113/133n1>n2,m1>m2cA,cB都高n1>n2,m1<m2cA高,cB低n1<n2,m1<m2cA,cB都低间歇操作开始时A,B同时加入A,B迟缓滴入B向A中迟缓滴入3.6多重反应选择率114/133A+BL(主反应)M(副反应)12连续流动操作n1>n2,m1>m2要求CA,CB都高n1<n2,m1<m2要求CA,CB都低n1>n2,m1<m2要求CA高,CB低A,B在入口处同时进料A,B同时加入全混流反应器A进口加入，B分段加入3.6多重反应选择率115/1332、连串反应一级反应cL0=cM0=03.6多重反应选择率116/133组分A:

单调下降；产物L:

先升后降，有极大值；产物M:

单调上升连串反应瞬时选择率s可表示为：3.6多重反应选择率117/133若E1>E2,则在较高温度下进行若E1<E2,则在较低温度下进行若E1=E2,温度改变对选择性无影响瞬时选择率s:1）温度效应3.6多重反应选择率118/1332）浓度效应若n1>n2,增加初浓度cA0若n1<n2,降低初浓度cA0若n1=n2,初浓度改变对选择性无影响3.6多重反应选择率119/1333）流动类型影响3.6多重反应