《間歇釜式反應(yīng)器》PPT課件

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1、1,3.1.2間歇釜式反應(yīng)器的特點及其應(yīng)用,1、特點*,輔助時間占的比例大 ,勞動強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低.,操作靈活性大，便于控制和改變反應(yīng)條件,非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)過程中，溫度、濃度、反應(yīng)速度隨著反應(yīng)時間而變,同一瞬時，反應(yīng)器內(nèi)各點溫度、濃度分布均勻*,結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，傳質(zhì)、傳熱效率高,反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出,2,（1）每天處理物料總體積VD和單位時間的物料處理量為FV,FV=VD/24,GD每天所需處理的物料總重量,物料的密度,3,（2） 操作周期t*,操作周期又稱工時定額或操作時間，是指生產(chǎn)每一批料的全部操作時間，即從準(zhǔn)備投料到操作過程全部完成所需的總時間t ，操作時間t包括反應(yīng)時間

2、t和輔助操作時間t0 兩部分組成。 即t = t + t0,例如萘磺化制取2-萘磺酸的操作周期: 檢查設(shè)備 15分 加萘 15分 加硫酸及升溫 25分 反應(yīng) 160分 壓出料 15分 操作周期 240分或4小時,4,反應(yīng)時間t的求算方法,由動力學(xué)方程理論計算或經(jīng)驗獲得，但應(yīng)注意： (1)不少強(qiáng)烈放熱的快速反應(yīng)，反應(yīng)過程的速率往往受傳熱速率的控制，不能簡單地用動力學(xué)方程式來求算反應(yīng)過程的時間。 (2)某些非均相反應(yīng)，過程進(jìn)行的速率受相間傳質(zhì)速率的影響，也不能單純地從化學(xué)動力學(xué)方程式計算反應(yīng)時間。 (3)某些反應(yīng)速率較快的反應(yīng)，在加料過程及升溫過程中已開始反應(yīng)。在保溫階段之前可能已達(dá)到相當(dāng)高的轉(zhuǎn)化

3、率。有時需分段作動力學(xué)計算。,5,（3）反應(yīng)體積VR,反應(yīng)體積是指設(shè)備中物料所占體積，又稱有效體積。,VR=FVt,確定反應(yīng)器的容積V的前提是確定反應(yīng)器的有效容積(反應(yīng)容積)VR。 如果由生產(chǎn)任務(wù)確定的單位時間的物料處理量為FV，操作時間為t(包括反應(yīng)時間t和輔助操作時間t0 )，則反應(yīng)器的有效容積：,其中 t = t + t0,6,（4）*設(shè)備裝料系數(shù),反應(yīng)器有效體積與設(shè)備實際容積之比稱為設(shè)備裝料系數(shù)，以符號 表示，即： =VR/V。其值視具體情況而定,實際生產(chǎn)中，反應(yīng)器的容積要比有效容積大，以保證液面上留有空間。,7,2、反應(yīng)器的容積和個數(shù)的確定,（1）已知VD或FV與t ，根據(jù)已有的設(shè)備

4、容積Va，求算需用設(shè)備的個數(shù)m。 設(shè)備裝料系數(shù)為 ，則每釜物料的體積為 Va，按設(shè)計任務(wù)，每天需要操作的總批次為： 每個設(shè)備每天能操作的批數(shù)為：,按設(shè)計任務(wù)需用的設(shè)備個數(shù)為：,8,由上式算出的m值往往不是整數(shù)，需取成整數(shù)m, mm。,因此實際設(shè)備總能力比設(shè)計需求提高了。 其提高的程度稱為設(shè)備能力的后備系數(shù)，以表示，,則,9,（2）已知每小時處理的物料體積FV與操作周期t,求設(shè)備體積與個數(shù),需要設(shè)備的總?cè)莘e為：,如果反應(yīng)器容積V的計算值很大，可選用幾個小的反應(yīng)器,若以m表示反應(yīng)釜的個數(shù)， 則每個釜的容積:Vm=V/m=FVt/( m),為便于反應(yīng)器的制造和選用，釜的規(guī)格由標(biāo)準(zhǔn)(GB 9845-8

5、8)而定。在選擇標(biāo)準(zhǔn)釜時，應(yīng)注意使選擇的容積與計算值相當(dāng)或略大。如果大，則實際生產(chǎn)能力較要求為大，富裕的生產(chǎn)能力稱為反應(yīng)器的后備能力，可用后備系數(shù)來衡量后備能力的大小，若標(biāo)準(zhǔn)釜的容積為Va，那么，,10,思考 選用個數(shù)少而容積大的設(shè)備有利還是選用個數(shù)多而容積小的設(shè)備有利 ？,11,例3-1：鄰硝基氯苯連續(xù)氨化，然后分批還原生產(chǎn)鄰苯二胺。已知氨化出料速率為0.83m3/h，還原操作時間為7h(不計受料時間)，求需要還原鍋的個數(shù)與容積。設(shè)備裝料系數(shù)取0.75,3、計算示例,物料處理量FV一般由生產(chǎn)任務(wù)確定，輔助時間t0視實際操作情況而定，反應(yīng)時間t可由動力學(xué)方程確定，也可由實驗得到。由以上數(shù)據(jù)可求

6、VR、V、m、Vm以及等,12,解：因氨化為連續(xù)操作，故至少需要兩臺還原釜交替進(jìn)行受料和還原。還原操作時間為7h，可取受料時間為8h，安排每班進(jìn)行一次還原操作，則每批的操作時間為16h。裝料系數(shù)取0.75，于是需要設(shè)備的總?cè)莘e為,取兩臺釜，每釜容積為8.85m3，采用標(biāo)準(zhǔn)容積為10m3的反應(yīng)釜，后備能力為,思考 如果取受料時間為1h，結(jié)果如何？,13,例3-2同例3-1，如果根據(jù)工廠的加工能力能夠制造的最大容積的還原鍋為6m3。問需用幾個還原鍋。,解：,選用6 m3的鍋，每鍋受料體積為VR=0.756=4.5 m3， 則,受料時間：,4.5/0.83=5.44h,操作周期：,5.44+8=13

7、.44h,每天操作總批數(shù)：,=24X0.83/4.5=4.45,每鍋每天操作批數(shù)：,=24/13.44=1.78,需要鍋的個數(shù)：,m=4.55/1.78=2.5,取用三個鍋，生產(chǎn)能力后備系數(shù)為：,=（3-2.5）/2.5100%=20%,14,三個還原鍋交替操作的時間安排圖,15,例3-3西維因農(nóng)藥中試車間取得以下數(shù)據(jù)：用200升搪瓷鍋做實驗，每批操作可得西維因成品12.5Kg，操作周期為17小時。今需設(shè)計年產(chǎn)1000噸的西維因車間，求算需用搪瓷鍋的數(shù)量與容積。年工作日取300天。,解：,每臺鍋每天操作批數(shù)：,=24/17=1.41,每天生產(chǎn)西維因農(nóng)藥數(shù)量：,10001000300=3330K

8、g（GD）,需要設(shè)備總?cè)莘e:,mVm=（3330/1.41）20010-3/12.5=37.8m3,取Va為10 m3的最大搪瓷鍋4臺。,=（4-3.78）/3.78100%=5.82%,16,例3-4萘磺化反應(yīng)器體積的計算。萘磺化生產(chǎn)2-萘磺酸，然后通過堿熔得2-萘酚。已知2-萘酚的收率按萘計為75%，2-萘酚的純度為99%，工業(yè)萘純度為98.4%，密度為963kg/m3 。磺化劑為98%硫酸，密度為1.84。萘與硫酸的摩爾比為1：1.07。每批磺化操作周期為3.67小時。萘磺化釜的裝料系數(shù)為0.7。年產(chǎn)2-萘酚4000t，年工作日330天。,17,根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，每小時需處理工業(yè)萘的體積為：

9、,每小時需處理硫酸的體積為：,每小時處理物料總體積為:FV=626+270=896L 反應(yīng)器的體積為：,若采用2500L標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)器兩個，則反應(yīng)器的生產(chǎn)能力后備系數(shù)為：,18,3.2.2 間歇操作設(shè)備間的平衡,保證各道工序每天操作總批次相等,即,1 = 2 = = n,總操作批數(shù)相等的條件是：,m11 = m22 = =mnn,或,即各工序的設(shè)備個數(shù)與操作周期之比要相等,各工序的設(shè)備容積之間保證互相平衡,即,或,19,例3-5萘酚車間的磺化工段有四道工序：磺化、水解、吹萘及中和。現(xiàn)有鑄鐵磺化鍋的規(guī)格2 m3，2.5 m3及3m3三種。試設(shè)計各工序的設(shè)備容積與數(shù)量。已知各工序的VD，t及 如下表：

10、,20,解：,（1）先作磺化工序的計算,如取Va=2 m3，計算,再取Va=2.5 m3與Va=3 m3做同樣計算，結(jié)果列于下表中：,21,使水解工序：=10 =24/1.5=16，m=10/16=0.625 取,水解鍋容積的計算：,Va=VD/,=21.25/（100.85）=2.5m3,=1，,=（1-0.625）/0.625 100%=60%,比較三種方案，選用2個2.5 m3的磺化鍋較為合適。,（2）水解及其他工序的計算,22,同樣方法計算吹萘及中和二個工序。 將各工序計算結(jié)果列表如下：,23,3.3 等溫間歇釜式反應(yīng)釜的計算*,反應(yīng)器容積V,反應(yīng)器有效體積VR,FV, t,t = t

11、 + t0,確定反應(yīng)時間的兩種方法：經(jīng)驗法; 動力學(xué)法,間歇反應(yīng)屬非定態(tài)操作，反應(yīng)時間取決于所要達(dá)到的反應(yīng)進(jìn)程,反應(yīng)器內(nèi)各處濃度、溫度均一，所以，可對其中某一反應(yīng)物做物料衡算，以確定反應(yīng)時間。,24,3.3.1 單一反應(yīng),設(shè)在間歇反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行如下化學(xué)反應(yīng) ABR,0,0,1.反應(yīng)時間的計算,若VR為反應(yīng)混合物的體積(反應(yīng)器有效容積)；rA為t時刻的反應(yīng)速率；nA0為反應(yīng)開始時A的摩爾量；nA為t時刻的A的摩爾量。并以A為關(guān)鍵組分作微元時間dt內(nèi)的物料衡算。,所以,25,適用于任何間歇反應(yīng)過程。,由反應(yīng)物A轉(zhuǎn)化率xA的定義,得到,于是，,積分得：,26,恒容條件下：,所以,取 t=0 時 xA=

12、 0、CACA0；t=t 時 xA=xAf、CA= CAf，積分得,其中rA一般具有 rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式,反應(yīng)器的有效體積 VR=FV (tt0),27,等溫恒容下的簡單反應(yīng)的反應(yīng)時間積分表*,其它反應(yīng)的積分請參閱參考書1，6,28,例3-6間歇反應(yīng)A+BR+S，二級不可逆rA=kCACB， 等溫恒容，k=1.0m3/(kmol.h)，處理量為2.0m3/h，A、B的初濃度均為1.0kmol/m3，每批輔時為0.5h，求反應(yīng)體積為9.0m3時的A的轉(zhuǎn)化率。,解：由,解上述方程得,得,又由,得,29,例3-7：在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行己二酸和己二醇的縮

13、聚反應(yīng),其動力學(xué)方程為rA=kCA2 kmol/(Lmin)，k=1.97L/(kmolmin)。己二酸與己二醇的摩爾配比為1:1，反應(yīng)混合物中己二酸的初始濃度為0.004kmol/L。若每天處理己二酸2400kg,要求己二酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，每批操作的輔時為1h，裝料系數(shù)取為0.75，計算反應(yīng)器體積。,解：,積之得,30,物料的處理量為,操作周期為,反應(yīng)體積為,反應(yīng)器容積為,思考 計算FV時，為什么不考慮己二醇？,31,正反應(yīng)速率常數(shù)k1為4.7610-4m3/（kmol.min），逆反應(yīng)速率常數(shù)k2為1.6310-4m3/（kmol.min）。反應(yīng)器內(nèi)裝入0.3785m3水溶液，其中含有

14、90.8kg乙酸，181.6lkg乙醇。物料密度為1043kg/m3，假設(shè)反應(yīng)過程不改變。試計算反應(yīng)2h后乙酸的轉(zhuǎn)化率。,例3-8在攪拌良好間歇操作釜式反應(yīng)器中，以鹽酸作為催化劑，用乙酸和乙醇生產(chǎn)乙酸乙酯，反應(yīng)式為：,已知100時，反應(yīng)速率方程式為,32,解：乙酸的初始濃度,乙醇的初始濃度,水的初始濃度,設(shè)XA為乙酸的轉(zhuǎn)化率，則各組分的瞬時濃度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為,kmol/m3,kmol/m3,kmol/m3,33,代入反應(yīng)速率方程式，則得,=,所以,=,=,當(dāng)t=120min，用上式算得：xAf=0.356， 即35.6%乙酸轉(zhuǎn)化成乙酸乙酯。,34,（2） 間歇反應(yīng)釜的最佳反應(yīng)時間,問題的提出

15、 ：操作時間包括反應(yīng)時間和輔助時間，輔助時間一般是固定的；延長反應(yīng)時間可提高產(chǎn)品收率，但反應(yīng)后期，反應(yīng)物濃度降低，反應(yīng)的推動力變小，反應(yīng)速率變低，所以，從宏觀上看，單位操作時間內(nèi)的產(chǎn)品收獲量未必高；縮短反應(yīng)時間，產(chǎn)品收率低，但反應(yīng)速率一直較大，所以單位操作時間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量未必低。,由此看來，應(yīng)存在一最佳反應(yīng)時間，使得操作單位時間內(nèi)獲得的產(chǎn)品量為最大。,35, 以單位操作時間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量最大為目標(biāo),對于反應(yīng)AR，若反應(yīng)產(chǎn)物的濃度為CR，則單位時間內(nèi)獲得的產(chǎn)品量GR為,GR = VRCR /(t+t0),對反應(yīng)時間求導(dǎo),若使GR為最大，可令 dGR/dt = 0，于是,此為使單位操作時間內(nèi)產(chǎn)物

16、收獲量為最大應(yīng)滿足的條件。,思考 上述結(jié)果是否表明該最優(yōu)反應(yīng)時間與其動力學(xué)特征無關(guān)？,36,圖解法,描繪產(chǎn)物濃度CR與時間t的曲線于坐標(biāo)軸上(OMN); 在橫軸上取A(-t0,0)；過A點作OMN的切線交OMN于M點; M點的橫坐標(biāo)就是最佳反應(yīng)時間。,37, 以單位產(chǎn)品生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo),設(shè)一個操作周期中單位時間內(nèi)反應(yīng)操作所需費(fèi)用為a；輔助操作所需費(fèi)用為a0；固定費(fèi)用為aF，則單位產(chǎn)品的總費(fèi)用Z為,Z= (at+a0t0+aF) /(VRCR),對反應(yīng)時間求導(dǎo),若使Z為最大，可令 dZ/dt = 0，于是,此為單位生產(chǎn)量的總費(fèi)用最小應(yīng)滿足的條件。,38,圖解法,.自B,做CRt曲線的切線切點N

17、， 斜率NE/BE=dCR/dt,.作,由切點N的橫坐標(biāo)值 ， 確定最佳反應(yīng)時間t=OE， 相應(yīng)的CR值由縱坐標(biāo)得知。,.作CRt圖,間歇反應(yīng)最佳反應(yīng)時間圖解法示意圖,目標(biāo)不同時，最佳反應(yīng)時間不同。,39,3.3.2 復(fù)雜反應(yīng)(考慮平行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)), 平行反應(yīng),平行反應(yīng)的基本特征是相同的反應(yīng)物能進(jìn)行兩個或兩個以上的反應(yīng)。,其中R為目標(biāo)產(chǎn)物，則A的轉(zhuǎn)化率、組份濃度與反應(yīng)時間的關(guān)系可由物料衡算求得。,A,R （主反應(yīng)）,A,S （副反應(yīng)）,設(shè)等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行一級平行反應(yīng)：,40,對于A：,對于R：,對于S：,41,對于A：,對于R：,對于S：,恒容條件下，上述方程可用濃度表達(dá),42,A的衡

18、算方程表達(dá)了A的濃度(A的轉(zhuǎn)化率)與反應(yīng)時間的關(guān)系。設(shè) t=0時，CA=CA0，xA0=0，積之得:,把CA關(guān)于t的表達(dá)式代入R的衡算方程，并設(shè) t=0時，CR=0，積之得:,也就是,43,同理,由CR和CS的關(guān)于反應(yīng)時間的表達(dá)式可知:,44,對于上例瞬時選擇性：,收率：,45,例3-8 在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行以下恒容液相反應(yīng)：,A+BR，rR=2CA kmol/(m3h) 2AS， rS=0.5CA2 kmol/(m3h),反應(yīng)開始時A和B的濃度均為2.0kmol/m3，目的產(chǎn)物為R，計算反應(yīng)時間為3h的A的轉(zhuǎn)化率和R的收率以及生成R的選擇性。,解：rA= rR+2rS=2CA+20.5

19、CA2=2CA+CA2，所以，,恒容條件下，組份A的物料衡算式為,積之得,46,代入已知條件得,CAf=2.4810-3kmol/m3，即反應(yīng)3h后A的濃度 此時,xA=(2.0-2.4810-3)/2.0=0.9988=99.88%,又由,及,得,積之得,47,于是,代入數(shù)據(jù)得,CRf=1.384kmol/m3，則R的收率為,YR=1.384/2=0.692，即69.2%；生成R的選擇性為,SR=YR/xA=0.693%，即69.3%,上述計算表明，A轉(zhuǎn)化了99.88%，而轉(zhuǎn)化生成R只有69.2%，其余的30.68%則轉(zhuǎn)化為S。,48, 串聯(lián)反應(yīng),設(shè)在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行某一級不可逆串聯(lián)

20、反應(yīng),各組分的速率方程分別為：,=-,=,=,49,若,時,由,得,所以,把,代入,得到,形如,的一階線性微分方程,取t=0時，CP=0，積之得,50,因 CA + CP + CS = CA0 所以 CS= CA0- CA- CP,51,根據(jù)各反應(yīng)組分濃度與反應(yīng)時間關(guān)系的三個關(guān)系式 以時間對濃度作圖,串聯(lián)反應(yīng)的組分濃度與反應(yīng)時間的關(guān)系,當(dāng)目的產(chǎn)物為P時就需要控制反應(yīng)時間，以使P的收率最大.,52,為使YR最大，應(yīng)滿足dYR/dt=0，即,將上式兩邊取對數(shù)整理得最優(yōu)反應(yīng)時間,即,P的最大濃度,53,3.4 變溫間歇釜的計算,問題的提出* 化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常伴有熱效應(yīng)。對于釜式間歇反應(yīng)而言，要做到等溫時

21、極其困難的；化學(xué)反應(yīng)通常要求溫度隨著反應(yīng)進(jìn)程有一個適當(dāng)?shù)姆植?，以獲得較好的反應(yīng)效果。 因此研究非等溫間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計與分析具有重要的實際意義。,變溫操作時，要對反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，需要聯(lián)立物料衡算方程(速率方程)和熱平衡方程。,54,3.4.1.間歇反應(yīng)器熱平衡,由于是間歇操作，可取整個釜作為衡算單元。,55,設(shè)Q1、Q4分別為時刻t時物料帶入、帶出微元體積的熱量；Q2表示時刻t時間壁傳熱量；Q3表示時刻t時化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱； Q5表示時刻t時熱累積量，于是：,Q1 = Q4 = 0,56,由熱量守恒方程知(假定傳熱劑從系統(tǒng)取熱) Q5 = Q1Q2 + Q3Q4，所以,式中： qr為以

22、組份A為基準(zhǔn)的摩爾反應(yīng)熱，放熱反應(yīng)取正直； nA0為A組份的起始摩爾流量； ni、Cvi分別表示反應(yīng)器中的組份i的摩爾數(shù)和定容摩爾熱容； dT為物料在dt時間間隔內(nèi)溫度的變化； K為總傳熱系數(shù)； A為反應(yīng)釜的傳熱面積； T為反應(yīng)物溫度； Ts為傳熱介質(zhì)溫度,57,由此可見，對于一定的反應(yīng)物系，反應(yīng)溫度、關(guān)鍵組份的轉(zhuǎn)化率都取決于物系與外界的傳熱速率.,另一方面，對于非等溫過程，由于其反應(yīng)速率常數(shù)是隨溫度的變化而變化的，所以，要想準(zhǔn)確描述反應(yīng)溫度、關(guān)鍵組份的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系，須聯(lián)立熱平衡方程與動力學(xué)方程(物料平衡方程)求解。,58,2.間歇反應(yīng)器絕熱操作計算,當(dāng)Q2=0，即絕熱情況下，熱

23、平衡方程為,起始條件：t=0，T=T0，xA= xA0,積分上式得,T0、xA0分別為反應(yīng)開始時的物系溫度及A組份的轉(zhuǎn)化率,此式稱為間歇釜式反應(yīng)器的絕熱方程，表明絕熱條件下，反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系。,59,若平均熱容可視為常數(shù)，絕熱方程可表達(dá)為,稱為絕熱溫升，其物理意義為反應(yīng)物中的A組份完全轉(zhuǎn)化時，引起物系溫度變化的度數(shù)。,思考 就間歇釜式反應(yīng)器而言，該絕熱方程有哪些應(yīng)用？,若以yA0表示組份A的初始摩爾分?jǐn)?shù)，則,60,3.間歇反應(yīng)器恒溫操作計算,即要使反應(yīng)在等溫下進(jìn)行，反應(yīng)放出(或吸收)的熱量必須等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量。 應(yīng)用：求換熱面積。,若為恒溫過程,61,4.等溫間歇操作反應(yīng)

24、器的放熱規(guī)律,為了保持在等溫下進(jìn)行操作，化學(xué)反應(yīng)過程所產(chǎn)生的熱效應(yīng)必須與外界進(jìn)行熱交換，而且反應(yīng)系統(tǒng)與外界交換的熱量應(yīng)該等于反應(yīng)放出的熱量（放熱反應(yīng)）或吸收的熱量（吸熱反應(yīng)），其關(guān)系式可以下式表示,q 反應(yīng)系統(tǒng)與外界傳熱速率kJ/h,上式變形為,因為反應(yīng)物料VR和等溫下進(jìn)行的熱效應(yīng)qr均為定值，所以傳熱量變化規(guī)律可以根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率來確定。對于不同反應(yīng)，則可按照其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程式進(jìn)行具體計算。,62,例3-9 設(shè)在間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行某二級不可逆反應(yīng)A+BR。已知反應(yīng)熱為33.5kJ/molA；反應(yīng)物平均熱容為1980kJ/(m3K)。反應(yīng)速率 rA1.371012exp(-12628/T

25、)CACBkmol/(m3s)，A和B的初濃度分別為4.55kmol/m3和5.34kmol/m3 ，在反應(yīng)物預(yù)熱到326.0K后，從326.0K開始在絕熱條件下進(jìn)行反應(yīng)，在溫度達(dá)到373.0K時開始等溫反應(yīng)。計算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.98所需要的時間；若反應(yīng)始終在373K等溫進(jìn)行，所需反應(yīng)時間又是多少？,63,解：絕熱反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率和溫度的關(guān)系由絕熱方程確定。注意到反應(yīng)開始時混合物中不含產(chǎn)物，即xA0=0，所以,右端分子分母同除反應(yīng)體積VR，得,右端分母即是以kJ/(m3K)給出的反應(yīng)混合物平均熱容,64,rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s),1.3710

26、12exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0 xA),所以,65,當(dāng)絕熱反應(yīng)到373.0K開始等溫反應(yīng)時, xA=0.6105,絕熱反應(yīng)23.1min，A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.6105后，開始在373.0K維持等溫反應(yīng)，至xA=0.98止,于是 t絕熱 = 23.1min,66,所以，先絕熱再等溫的總反應(yīng)時間是37.9min,若反應(yīng)始終再373.0K下等溫進(jìn)行，則,思考 為什么先絕熱后等溫的反應(yīng)時間較始終等溫的長？,67,例3-10鄰甲氧基重氮鹽水解反應(yīng)生成鄰甲氧基苯酚,反應(yīng)動力學(xué)式為rAkCACB,以硫酸銅為催化劑，反應(yīng)溫度96時2. 2 X 10-3M3/(kmolmin)，

27、重氮鹽的初濃度CAO為0.25 kmol/m3，水初濃度CBO為5 kmol/m3，化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)qr為502kJmol。在間歇攪拌鍋中進(jìn)行，重氮鹽的終點轉(zhuǎn)化率為0.8，夾套冷卻水進(jìn)出口溫度分別為22和30。求生成100 kg甲氧基苯酚過程中放熱量、冷卻水用量隨時間變化的關(guān)系。,68,解：因為液相體積視為不變，過程作為等溫等容計算,CAO=0.25 kmol/m3 CBO=5 kmol/m3 CA=CA0（1-xA）， CB=CB0-CA0 xA rA=k CA CB= k CA0（1-xA）（CB0-CA0 xA）,則,=,=,=,69,簡化為：,式,中,則,70,積分得,上式中qt即為反應(yīng)

28、進(jìn)行至t時總需傳出熱量，亦即反應(yīng)總放熱量，以Qt表示：Qt=NA0qr xA 式中NA0為A的投料總摩爾數(shù)，終點轉(zhuǎn)化率為0.8，則,即 Qt=5.06105xAkJ,所需冷卻水量為,71,取一定的時間間隔t=30min，計算不同 xA、Qt、 Gt及Q、G之值如下表,72,3.5 半間歇釜式反應(yīng)器,1、半分批操作形式,（）此種操作主要適應(yīng)于以下幾種情況 可以在沸騰溫度下進(jìn)行的強(qiáng)放熱反應(yīng)，用氣化潛熱帶走大量反應(yīng)熱； 要求嚴(yán)格控制反應(yīng)物A濃度； 濃度高，A和C濃度低對反應(yīng)有利的場合； 可逆反應(yīng)。,73,（）主要適用于以下情況：要求嚴(yán)格控制鍋內(nèi)的濃度防止A過量副反應(yīng)增加的情況； 保持在較低溫度下進(jìn)行

29、的放熱反應(yīng); A濃度低，濃度高對反應(yīng)有利的情況。,74,（）這種操作可以嚴(yán)格計量控制、的加料比例，而且可以保持和B都在低濃度下進(jìn)行，適合于濃度降低對反應(yīng)有利的場合。,75,（）此種操作方式既能滿足A,B的比例要求，又能保持A, B在反應(yīng)過程中的高濃度，對可逆反應(yīng)尤為適合。,76,2.半間歇反應(yīng)器設(shè)計計算,液相、等溫反應(yīng)A + B C 按（b）形式進(jìn)行操作,V1,FVO,CAO,V,C,x,r,反應(yīng)器內(nèi)瞬時物料體積隨時間變化關(guān)系為：V=V1+FV0t,在dt時間內(nèi)對A組分進(jìn)行物料平衡， 由恒算式,加入量 - 反應(yīng)消耗量 = 積累量,77,該式即可計算xA與t的關(guān)系。式中rA=f（xA）和V=f（

30、t），比較復(fù)雜時難于求解析解，可寫成差分形式用數(shù)值法求解。,寫成差分形式為,若nA1=0，則,寫成差分式為,78,例3-12在半連續(xù)操作反應(yīng)器中進(jìn)行一級不可逆等溫反應(yīng)A+BC，rA=kCA，先在反應(yīng)器內(nèi)加入500l物料B，含B8kmol，不含A。然后連續(xù)加入物料A，含A濃度為8mol/l，加入速度為10l/min。反應(yīng)速度常數(shù)k=1.3310-2min-1。求（1）100分鐘后釜內(nèi)物料體積；（2）A的轉(zhuǎn)化率隨時間變化情況。,解：（1）V=V1+FV0t=500+10100=1500l,（2）因為nA1=0，所以可用差分式 計算,79,將,、（rAV）代入式 得,80,取t，初始條件i=0，t0

31、=0和上式進(jìn)行迭代求解,例如取t=10min計算結(jié)果如下表：,81,例3-13將例3-9改為半間歇操作，溫度不變。先把1m3濃度為4.0kmol/m3的B投入釜內(nèi)，再將1m3濃度為4.0kmol/m3的A于3h內(nèi)均勻地連續(xù)加到釜內(nèi)，使之與B反應(yīng)，問加完后，A的轉(zhuǎn)化率、R的收率和生成R的選擇性各是多少。,解：該間歇操作屬連續(xù)加料而間歇出料的情況，對反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算,加入量=反應(yīng)量+累計量，也就是,其中,82,rA= rR+2rS=2CA+CA2，F(xiàn)V0=1/3 m3/h，VR=1 + t/3,于是,一階非線性方程，可由計算機(jī)求其數(shù)值解,83,可見，加完A后釜內(nèi)A的濃度為0.2886 kmol

32、/m3，故,xAf=(2.0-0.2886)/2.0 100%=85.57%,求R的收率，先要確定R的最終濃度，可對R進(jìn)行物料衡算,又知,rR=2CA 且VR=1 + t/3，所以,就是,84,注意到 t=0時，CR=0，CRVR=0； t=3時，VR=2，CRVR=2CR，所以,利用表中數(shù)據(jù)可求得,CRf=1.46kmol/m3，因此，目的產(chǎn)物R的收率為,YR=1.46/2.0=0.73，即73.0%；生成R的選擇性為,SR=YR/xA=0.853%，即85.3%,85,間歇釜式反應(yīng)器思考題 1.間歇釜式反應(yīng)器由哪幾部分組成？具有哪些特點？主要用于何種反應(yīng)？ 2.為什么間歇釜式反應(yīng)器存在最佳反應(yīng)時間？當(dāng)考核指標(biāo)不同時，最佳反應(yīng)時間相同嗎？如何確定間歇釜式反應(yīng)器最佳反應(yīng)時間？ 3.如何確定間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)物料的反應(yīng)溫度與反應(yīng)時間的關(guān)系？ 4.寫出間歇釜式反應(yīng)器的絕熱方程,并說明各項的含義。其有什么用途？ 5.若某放熱反應(yīng)在間歇釜式反應(yīng)器中等溫操作，如何確定冷卻水的流量？ 6.半間歇釜式反應(yīng)器的工藝計算與間歇釜式反應(yīng)器有何異同點？對于平行反應(yīng)AP，AQ，rP=CA，rQ=CA2，定性分析哪一種操作有利于P的生成？ 7.某放（吸）熱反應(yīng)分別進(jìn)行絕熱操作和150等溫操作，在相同的操作周期下，哪種操作的轉(zhuǎn)化率高？說明原因。 作業(yè)：書后1、2、3、4、5、9、11,