釜式反应器Chapter3TankReactor.ppt

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1、釜式反应器Chapter 3 Tank Reactor,化学反应工程Chemical Reaction Engineering,釜式反应器的组合,第三章 釜式反应器,釜式反应器概述 釜式反应器的物料衡算通式 等温间歇釜式反应器的计算 连续釜式反应器的反应体积 连续釜式反应器的串联与并联 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 连续釜式反应器的定态操作,一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或

2、在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。操作方式 釜式反应器按操作方式可分为：间歇釜式反应器,或称间歇釜。操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。,釜式反应器概述,连续釜式反应器,或称连续釜 可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不

3、利因素。此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。半连续釜式反应器 指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。,釜式反应器概述,釜式反应器设计方程物料衡算：,间歇反应器Batch Reactor,间歇操作的充分搅拌槽式反应器。用于液相反应。在反应过程中没有进出料。反应器内物料充分混合，器内各点温度浓度相同。间歇操作，需要辅助生产时间。,等温 BR 的Vr计算,间歇釜式反应器设计方程物料衡算：,恒容条件下（多数情况），上式可以简化成：二者相同。这说明，在充分混合的间歇反应器中，反应是依照它的动力学特征进行的。流动过程对反应没有影响。

4、,1.反应体积,t 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。计算关键,t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。经验给定,等温 BR 的Vr计算,2.反应器的体积,：装填系数，由经验确定,一般为 0.40.85,对非稳态操作，反应时间内：,间歇釜式反应器物料衡算式,则物料衡算通式变形为：,3.反应时间的计算,等温 BR 的计算,单一反应,等温 BR 的计算,得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5min,对各组分作物料衡算(恒容条件)：,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。,对A：,对

5、P：,对Q：,复合反应,等温 BR 的计算,3.反应时间的计算,等温 BR 的计算,即：任意时刻两个反应产物浓度之比，等于两个反应速率常数之比,等温 BR 的计算,将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统：,反应物A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。,等温 BR 的计算,复合反应,复合反应连串反应,对A作物料衡算：,对P作物料衡算：,等温 BR 的计算,令：,得：,等温 BR 的计算,全混流反应器连续搅拌槽式反应器(CSTRContinuous Stirred Tank Reactor)特性：物料在反应器内充分返混，达到极大程度，以至于反应器内各处物

6、料参数均一；反应器的出口组成与反应器内物料的组成相同；连续、稳定流动，在定常态下操作。,连续釜式反应器的反应体积,全混流反应器图,基本设计方程：说明，全混流反应器在出口条件下操作，当出口浓度较低时，整个反应器处于低反应速率状态。,连续釜式反应器物料衡算式,等温CSTR 的计算,对稳态操作，有：,则物料衡算通式变为：,单一反应,空时与空速的概念：,空时：,（因次：时间）,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：,等温CSTR 的计算,对关键组分A有：,对目的产物P有：,对副产物Q有：,三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系,复合反应平行

7、反应,等温CSTR 的计算,对中间产物P：,对最终产物Q：,等温CSTR 的计算,复合反应连串反应,对关键组分A有：,三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系,小结：等温反应釜的设计方程,BR和CSTR反应体积的比较,思考 1.用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小)2.若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？（Vr最小)3.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？,连续釜式反应器的串联与并联,正常动力学,单釜,两釜串联,连续釜式反应器的串联与并联,1.图解分析,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。,对

8、于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。(但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）,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。,连续釜式反应器的串联与并联,1.图解分析,小结,2.串联釜式反应器的计算,连续釜式反应器的串联与并联,假设：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 相等。各釜操作温度相同，则各釜的速率常数 k 相等。,对第P釜作组分A的物料衡算：,对一级不可逆反应：,连续釜式反应器的串联与并联,2.串联釜式反应器的计算,N个釜,注意：其中的 为单釜空时，总空时为N。,3.串联釜式反应器的最佳反应体积比,即：在釜数及最终转化率已规定情况

9、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。,连续釜式反应器的串联与并联,对单一反应，总反应体积为：,据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。,小结：串联釜式反应器进行 级反应：,连续釜式反应器的串联与并联,3.串联釜式反应器的最佳反应体积比,并联的釜式反应器,XAf与Q01,Q02,XAf1,XAf2有关,釜式反应器中复合反应的收率和选择性,对于复杂反应，目的产物的收率和选择性是非常重要的，反映了原料的有效利用程度。收率和选择性与反应器的型式，操作方式和操作条件密切相关。,釜式反应器中复合反应的收率与选择性,1.总收率与总选择性,则：,总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，

10、反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，虽然最终转化率一样，但最终收率却不一样。,釜式反应器中复合反应的收率与选择性,1.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，收率顺序：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，收率顺序：间歇釜多个连续釜串联单一连续釜,注意：,(1)瞬时收率可能随时间变化。间歇反应器就是一例；,(2)对于连续反应器（在定态下操作），瞬时选择性不随，时间变化，但可能随位置变化，这时要用到总收率，其定义为：,YPf是总收率，针对整个反应器而言的。如果用S0表示总选择性(对整个反应而言)，那么,讨

11、论：(1)XA时，S的情形,釜式反应器的最终收率,对于间歇釜式反应器,=整个曲边梯形的积分面积,对于连续釜式反应器,从图中可以看出,多釜串联系统介于间歇釜式反应器和连续釜式反应器之间，即:,=矩形的面积,(2)对于XA时，S的情况结果恰恰与上面的相反（不妨自己分析一下）。,2.平行反应,设在釜式反应器中进行平行反应：,A+BP,A+BQ,假设P为目的产物，则瞬时选择性为:,反应组分A和B的浓度CA、CB，以及温度T均对选择性S有影响。可以根据,和,的相对大小，选择适当的反应组分浓度和温度，来提高反应的选择性S。,反应器中各组分的浓度与反应器型（釜式、管式）、操作方式、加料浓度、原料配比，以及加

12、料方式等因素密切相关。,例如：(1)如果要求CA，CB，选择（a）间歇釜（b）多釜串联（如果体积不等，从小到大排列）（请说出原因，为什么是这样的？）。(2)如果要求CA，CB，单釜连续操作（f），如果串联最好从大小排列（为什么是这样呢？）。(3)如果要求CB，CA，选择（d）B先加入，A流加。,在等温间歇反应器中，可以得到最佳反应时间,3、连串反应假设如下的连串反应均为一级，P为目的产物,目的产物P的最佳收率,但如果是在连续釜式反应器进行上述连串反应，最佳空时（不是反应时间）和最佳收率又怎样呢？,首先根据物料衡算式，有,和,即,这样就可以得到：,由导数,最佳收率为：,目的产物收率与组成的关系可

13、以表示为：,即,当k1=k2时，,而对于间歇釜式反应器，则有：,请看下图，对比间歇釜式反应器和连续釜式反应器性能的差别。,间歇及连续釜式反应器进行连串反应时的反应率和收率,在相同条件下，,应该特别关注最大收率的轨迹线。,注意,可以通过改变操作温度的办法来改变k2/k1 的相对大小，但无论E2和E1相对大小如何，一般采用较高的反应温度，以提高反应器的生产程度；,可以使用催化剂来改变k2/k1当然，如果Q是目的产物，问题就简单多了。采用反应时间t、空时的办法即可。,例：在一个体积为300L的反应器中，86等温下将浓度为3.2的过氧化氢异丙苯溶液分解：生产苯酚和丙酮。该反应为1级反应，反应温度下反应

14、速率常数等于0.08s-1，最终转化率达98.9，试计算苯酚的产量。（1）如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15min；（2）如果是全混反应器；（3）试比较上述两问的计算结果；（4）若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？,解：(1)Ln 1/（1XA）/k=56.37s=0.94min Vr=Q0(t+t0)=300 L Q0=300/15.94=18.82 l/min苯酚浓度C苯酚=CA0XA=3.20.989=3.165 mol/l苯酚产量Q0C苯酚=18.823.165=59.56mol/min=335.9kg/h（2）全混流反应器 Vr=Q0 CA0XA

15、j/k CA0（1XAj）=Q0 XAj/k（1XAj）Q0=Vrk（1XAj）/XAj=0.2669 l/s=16.02 l/min 苯酚产量Q0C苯酚=16.023.1648=50.69mol/min=285.9kg/h（3）说明全混斧的产量小于间歇斧的产量，这是由于全混斧中 反应物浓度低，反应速率慢的原因。（4）由于该反应为一级反应，由上计算可知，无论式间歇斧或全混流反应器，其原料处理量不变，但由于CA0浓度增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍。,变温间歇釜式反应器,间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应小时，近似等温可以办到，如果热效应大时，很难做到

16、；,温度会影响到,和反应器的,生产强度等,很多时候变温的效果更好,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：,即：与环境交换的热=内能的变化,变温间歇釜式反应器,间歇釜式反应器,用焓变代替内能的变化,Tr为计算的基准温度,变温间歇釜式反应器,变温间歇操作的热量衡算,式中：U为总传热系数 Ah为传热面积 Tc为环境温度,变温间歇釜式反应器,变温间歇操作的热量衡算,讨论,等温反应,绝热反应,1.连续釜式反应器的热量衡算式,定态操作热量衡算式为：,连续釜式反应器的定态操作,对绝热反应，有,：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。,2.连续釜式反应器的定态热稳定性,定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。,连续釜式反应器的定态操作,物料衡算式：,热量衡算式：,连续釜式反应器的定态操作,2.连续釜式反应器的定态热稳定性,本章回顾,等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串应）。连续釜式反应器的计算。空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。连续釜式反应器的串联和并联。釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。,本章习题,P923.1 3.2 3.4 3.5 3.9 3.10 3.12 3.133.15 3.17 3.18 3.21,