化学反应工程第3章釜式反应器.ppt
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1、第三章第三章 釜式反应器釜式反应器化学反应工程湖北大学化学与化工学院 反应器的分析与设计是反应器的分析与设计是反应工程反应工程的重要组的重要组成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产任务所需的反应器体积和主要尺寸。任务所需的反应器体积和主要尺寸。对于反应器的分析计算需要建立适当的数学对于反应器的分析计算需要建立适当的数学模型,本章将针对两类理想的反应器模型(间歇模型,本章将针对两类理想的反应器模型(间歇釜式反应器模型和全混流反应器模型)进行讨论釜式反应器模型和全混流反
2、应器模型)进行讨论和分析,考察反应器性能与各种因素的关系,反和分析,考察反应器性能与各种因素的关系,反应器性能的优化设计问题等。应器性能的优化设计问题等。化学反应工程湖北大学化学与化工学院本章内容等温间歇釜式反应器的计算(单一反应)等温间歇釜式反应器的计算(单一反应)等温间歇釜式反应器的计算(复合反应)等温间歇釜式反应器的计算(复合反应)全混流反应器的设计全混流反应器的设计全混流反应器的串联与并联全混流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釜式反应器中复合反应的收率与选择性半间歇釜式反应器半间歇釜式反应器 变温间歇釜式反应器的计算变温间歇釜式反应器的计算全混流反应器的定态操作与分
3、析全混流反应器的定态操作与分析化学反应工程湖北大学化学与化工学院要 求 重点掌握重点掌握:等温间歇釜式反应器的计算(单一反应、平行与连串反应)。等温间歇釜式反应器的计算(单一反应、平行与连串反应)。连续釜式反应器的计算。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。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。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。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。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。深入理
4、解深入理解:变温间歇釜式反应器的计算。变温间歇釜式反应器的计算。广泛了解广泛了解:串联釜式反应器最佳体积的求取方法串联釜式反应器最佳体积的求取方法。连续釜式反应器的多定态分析与计算连续釜式反应器的多定态分析与计算。产生多定态点的原因,着火点与熄火点的概念产生多定态点的原因,着火点与熄火点的概念。化学反应工程湖北大学化学与化工学院第一节 釜式反应器的衡算方程化学反应工程湖北大学化学与化工学院反应器设计的基本内容 选择合适的反应器类型选择合适的反应器类型确定最佳操作条件确定最佳操作条件计算完成规定的生产任务所需的反应器体计算完成规定的生产任务所需的反应器体积(尺寸)积(尺寸)最终的目标是经济效益最
5、大最终的目标是经济效益最大(实际上不应该实际上不应该仅仅针对反应系统,应该包括整个过程仅仅针对反应系统,应该包括整个过程)化学反应工程湖北大学化学与化工学院基本方程 物料衡算物料衡算描述浓度的变化规律描述浓度的变化规律能量衡算能量衡算描述温度的变化规律描述温度的变化规律动量衡算动量衡算描述压力的变化情况描述压力的变化情况化学反应工程湖北大学化学与化工学院物料衡算式:物料衡算式:能量衡算式:能量衡算式:动量衡算式:动量衡算式:化学反应工程湖北大学化学与化工学院釜式反应器的物料衡算通式 假设:反应器内物料温度均一假设: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即:反应器内物料完
6、全混合均匀即:反应器内物料完全混合均匀 达到无梯度!达到无梯度!取整个反应体积作控制体积取整个反应体积作控制体积图图3.1 釜式反应器示意图釜式反应器示意图化学反应工程湖北大学化学与化工学院釜式反应器的物料衡算通式在在dt 时间间隔内对整个反应器时间间隔内对整个反应器做关键组分做关键组分 i 的物料衡算:的物料衡算:其中:其中:对反应物为负对反应物为负对产物为正对产物为正图图3.1 釜式反应器示意图釜式反应器示意图定态操作:定态操作:间歇操作:间歇操作:化学反应工程湖北大学化学与化工学院注 意1.首先要选择控制体首先要选择控制体如果反应器内各处浓度均一,衡算的控制体选择整如果反应器内各处浓度均
7、一,衡算的控制体选择整个反应器。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,反应体积内各点的反应物料组成未必相同,这时只能选择应体积内各点的反应物料组成未必相同,这时只能选择微元体积作为控制体。微元体积作为控制体。2.对于复杂反应,方程数大大增多对于复杂反应,方程数大大增多化学反应工程湖北大学化学与化工学院第二节 等温间歇釜式反应器的计算(单一反应)化学反应工程湖北大学化学与化工学院特点特点:操作时间操作时间=反应时间反应时间+辅助时间辅助时间(装装+卸卸+清洗清洗),每批操作时间由计算和经验估计结合得到。每批操作时间由计算和经验估计结合得到。分批装、卸
8、分批装、卸。所有物料具有相同的反应时间。所有物料具有相同的反应时间。反应器内各处浓度相等,各处温度相等,排除反应器内各处浓度相等,各处温度相等,排除 了传质和传热的影响。了传质和传热的影响。间歇搅拌釜示意图间歇搅拌釜示意图间歇釜式反应器(BR)属于非定态过程。属于非定态过程。间歇反应器的优点是操作灵活,易于适应不同操作条件和不同产品间歇反应器的优点是操作灵活,易于适应不同操作条件和不同产品品种,适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产,品种,适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产,特别是精细特别是精细化工与生物化工产品的生产。间歇反应器的缺点是装料、化工与生物化工产品的生产。间歇反
9、应器的缺点是装料、卸料等辅助操卸料等辅助操作要耗费一定的时间,产品质量不易稳定。作要耗费一定的时间,产品质量不易稳定。化学反应工程湖北大学化学与化工学院一、反应时间和反应体积的计算1.反应时间的计算(A为关键组分为关键组分)对非稳态操作,反应时间内:对非稳态操作,反应时间内:物料衡算通式变形为:物料衡算通式变形为:间歇釜式反应器物料衡算式间歇釜式反应器物料衡算式单一反应单一反应(总是成立的)(总是成立的)由于由于恒容反应恒容反应(3.7)适用于任何间歇反应过程适用于任何间歇反应过程化学反应工程湖北大学化学与化工学院等温 BR 反应时间的计算一级不可逆反应一级不可逆反应非一级不可逆反应非一级不可
10、逆反应反应时间反应时间 (3.12)(3.11)相相 同同l 达到一定转化率所需的反应时间与反应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。器大小无关,只取决于动力学因素。l 温度越高,速率常数温度越高,速率常数k 越大,则达到相越大,则达到相 同转化率所需的反应时间同转化率所需的反应时间 t 越短。越短。区区 别别t 与与cA0无关无关t 与与cA0有关有关化学反应工程湖北大学化学与化工学院2.反应体积的计算操操作作时时间间t0为辅助时间:装料、卸料、清洗所需时间之和。为辅助时间:装料、卸料、清洗所需时间之和。经验给定经验给定1.反应体积反应体积2.反应器的体积反应器
11、的体积t 为反应时间:装料完毕开始反应算起到达到一为反应时间: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。定转化率时所经历的时间。计算关键计算关键Q0:单位时间内处理的反应物料的体积:单位时间内处理的反应物料的体积化学反应工程湖北大学化学与化工学院例3.1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,其化学反应式为:化学反应式为:原料中反应组分的质量比为:原料中反应组分的质量比为:A:B:S=1:2:1.35,反应液的密度为反应液的密度为1020 kg/m3,并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等
12、辅助,并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为操作时间为1h。反应在。反应在100下等温操作,其反应速率方程如下:下等温操作,其反应速率方程如下:100时,时,k1=4.7610-4 L/(molmin),平衡常数,平衡常数 K=2.92。试计算乙酸。试计算乙酸转化转化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数取0.75,则反应器的实际体积是多少?,则反应器的实际体积是多少?返回例返回例3.4化学反应工程湖北大学化学与化工学院解:解:首先计算原料处理量首先计算原料处理量Q0。根据题给的乙酸乙酯产量,可
13、算出每小时乙。根据题给的乙酸乙酯产量,可算出每小时乙酸需用量为:酸需用量为:式中式中88为乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料液中乙酸为乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料液中乙酸:乙醇乙醇:水水=1:2:1.35,所以所以1+2+1.35=4.35kg原料液中含原料液中含1kg乙酸,由此可求单位时间的原料液量为乙酸,由此可求单位时间的原料液量为:60为乙酸的相对分子质量。原料液起始组成如下为乙酸的相对分子质量。原料液起始组成如下:乙醇及水的相对分子质量分别为乙醇及水的相对分子质量分别为 46 和和 18,通过乙酸的起始浓度和原料中各,通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比,可求出乙醇和水的起始浓度
14、为组分的质量比,可求出乙醇和水的起始浓度为:由式(由式(3.8)可求反应时间,需将题给的速率方程变换成转化率的函数,因为:)可求反应时间,需将题给的速率方程变换成转化率的函数,因为:化学反应工程湖北大学化学与化工学院代入速率方程,整理后得代入速率方程,整理后得:(A)式(式(A)中)中 a=cB0/cA0,b=1+cB0/cA0+cS0/(cA0K),c=11/K 将式(将式(A)代入式()代入式(3.8)得反应时间)得反应时间:由由a、b 及及 c 的定义式知:的定义式知:a=10.2/3.908=2.61,b=1+10.2/3.908+17.59/(3.9082.92)=5.15,c=11
15、/2.92=0.6575 将有关数值代入式(将有关数值代入式(B)得反应时间为)得反应时间为:(B)所需反应体积为所需反应体积为:反应器实际体积为反应器实际体积为:化学反应工程湖北大学化学与化工学院二、最优反应时间最优反应时间使得最优反应时间使得单位时间内产品产量最大(生产能力最大)单位时间内产品产量最大(生产能力最大)生产费用最低生产费用最低单位时间内产品产量最大单位时间内产品产量最大对于间歇釜式反应器,总反应时间可以表示为:对于间歇釜式反应器,总反应时间可以表示为:当反应时间当反应时间 t时,时,tT、cA、rA,但,但 nR。而且比值。而且比值 nR/tT不总是增不总是增加的,存在最优值
16、如果将目标函数定义为:加的,存在最优值。如果将目标函数定义为:那么通过求解那么通过求解 可以得到最优反应时间。可以得到最优反应时间。-单位操作时间的产品产量单位操作时间的产品产量化学反应工程湖北大学化学与化工学院单位时间内产品产量最大单位时间内产品产量最大生产费用最低生产费用最低cRMNBAODEFct0(a0t0+af)/at图图3.2 间歇反应器的最优反应时间间歇反应器的最优反应时间单位质量产品的总费用:单位质量产品的总费用:化学反应工程湖北大学化学与化工学院第三节 等温间歇釜式反应的计算(复合反应)化学反应工程湖北大学化学与化工学院反应时间的计算例如:例如:主反应主反应 副反应副反应对
17、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):对对A:对对P:对对Q:系统中只进行两个独立反应,因此三式中仅有二式是独立的。系统中只进行两个独立反应,因此三式中仅有二式是独立的。(3.24)(3.25)(3.26)一、平行反应化学反应工程湖北大学化学与化工学院组分组分浓浓 度度A (3.27a)P (3.29)Q (3.30)反应反应 时间时间 (3.27)平行反应物系中组分浓度和反应时间的关系(3.24)(3.25)(3.26)化学反应工程湖北大学化学与化工学院 由图可见,由图可见,t,cA、而、而cP、cQ。c t 成指数关系。成指数关系。图图3.3 平行反应物系组成与平行反应物
18、系组成与 反应时间关系示意图反应时间关系示意图结论结论:而且而且 ,即:任意时刻,即:任意时刻 两个反应产物浓度之比,等于两个反应产物浓度之比,等于 两个反应速率常数之比。两个反应速率常数之比。(由于两个反应均是一级)(由于两个反应均是一级)对于对于 型反应,型反应,cAt 曲线曲线 具有一级不可逆反应的特征:具有一级不可逆反应的特征:化学反应工程湖北大学化学与化工学院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:反应物反应物 A 的浓度为:的浓度为: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
19、确定必需的反应体积。化学反应工程湖北大学化学与化工学院例3.2 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应 反应开始时反应开始时 A 和和 B 的浓度均等于的浓度均等于2kmol/m3,目的产物为,目的产物为P,试计算反应时,试计算反应时间为间为3h 时时 A 的转化率和的转化率和 P 的收率。的收率。解:解:因因:(A)由式(由式(3.5)得)得:(B)由于是等容系统,将式(由于是等容系统,将式(A)代入式()代入式(B)化简后得)化简后得:(C)积分积分(D)得得:返回例返回例3.5返回例返回例3.10化学反应工程湖北大学化学与化工学院题给组分题给组分A的
20、起始浓度的起始浓度,反应时间,反应时间t=3h,代入式(,代入式(D)可求组分)可求组分A的浓度的浓度cA 此即反应此即反应3h时时A的浓度,因此,组分的浓度,因此,组分A的转化率为的转化率为:只知道只知道A的转化率尚不能确定的转化率尚不能确定P的生成量,因转化的的生成量,因转化的A既可转化成既可转化成P也可能转也可能转化成化成Q。由题给的速率方程知。由题给的速率方程知:所以:所以:cA=2.48210-3 kmol/m3式(式(C)除以式()除以式(E)有:)有:(E)所以所以(F)将有关数值代入式(将有关数值代入式(F)得)得:化学反应工程湖北大学化学与化工学院P的收率的收率:即即A转化了
21、转化了99.88%,而转化成,而转化成P的只有的只有69.19%,余下,余下(99.8869.19)%=30.69%则转化成则转化成Q。化学反应工程湖北大学化学与化工学院二、连串反应反应时间的计算例如:一级不可逆连串反应例如:一级不可逆连串反应(A、P为关键组分为关键组分)对对A作物料衡算:作物料衡算:对对P作物料衡算:作物料衡算:由于:由于:(3.35)(3.38)(3.39)化学反应工程湖北大学化学与化工学院图图3.4 连串反应的组分浓度连串反应的组分浓度 与反应时间的关系与反应时间的关系 由图可见,由图可见,t,cA、而、而cQ、cP存在极大值存在极大值。c t 成指数关系。成指数关系。
22、结论结论:求求 ,则,则化学反应工程湖北大学化学与化工学院例题3.3在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应 这两个反应对各自的反应物均为一级,并已知反应温度下这两个反应对各自的反应物均为一级,并已知反应温度下 ,试计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率。试计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率。解解:由题意知这两个反应的速率方程为:由题意知这两个反应的速率方程为:式中式中A、B及及M分别代表氨、一甲胺和醇。氨的转化速率为:分别代表氨、一甲胺和醇。氨的转化速率为:一甲胺的生成速率为:一甲胺的生成速率为:(A)返回例返回例3.9(B)化学反应工程湖北大学化学与
23、化工学院(A)、(B)两式相除得两式相除得(C)因因 ,式(式(C)可写成)可写成:式(式(D)为一阶线性常微分方程,初值条件为)为一阶线性常微分方程,初值条件为XA0,YB0。式(。式(D)的解为)的解为:式(式(E)中)中 c 为积分常数,将初值条件代入式(为积分常数,将初值条件代入式(E)中可得:)中可得:(D)dXA(E)化学反应工程湖北大学化学与化工学院再将再将 c 代回式(代回式(E)则有)则有:(F)为了求一甲胺的最大收率,将式(为了求一甲胺的最大收率,将式(F)对)对 XA求导得求导得:令令dYB/dXA=0,则有:,则有:所以:所以:此即一甲胺收率最大时氨的转化率,已知此即一
24、甲胺收率最大时氨的转化率,已知 k2/k1=0.68,代入式(,代入式(G)得)得:再代回式(再代回式(F)可得一甲胺的最大收率为)可得一甲胺的最大收率为:实际上,第二个反应生成的二甲胺仍可和甲醇反应生成三甲胺实际上,第二个反应生成的二甲胺仍可和甲醇反应生成三甲胺:如果将这个反应也考虑在内,对上面所计算的一甲胺的最大收率是否产生影如果将这个反应也考虑在内,对上面所计算的一甲胺的最大收率是否产生影响?并请考虑一下是什么原因。响?并请考虑一下是什么原因。(G)化学反应工程湖北大学化学与化工学院第四节 连续釜式反应器的反应体积间歇釜间歇釜:各参数随时间变化,一次性装卸料;:各参数随时间变化,一次性装
25、卸料;连续釜式反应器连续釜式反应器:基本在定态下操作,有进有出。:基本在定态下操作,有进有出。化学反应工程湖北大学化学与化工学院一、连续釜式反应器的特点出口处的出口处的c,T=反应器内的反应器内的c,T连续釜式反应器示意图连续釜式反应器示意图连续釜式反应器(连续釜式反应器(CSTR)的特点:的特点:反应器的参数不随时间变化,反应器的参数不随时间变化,属定态过程(不存在时间自变属定态过程(不存在时间自变 量)。量)。反应器的参数不随空间变化,反应器的参数不随空间变化,达到无梯度(也没有空间自变达到无梯度(也没有空间自变 量量)。)。多用于液相反应,恒容操作。多用于液相反应,恒容操作。化学反应工程
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