間歇釜式反應(yīng)器

《間歇釜式反應(yīng)器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《間歇釜式反應(yīng)器（90頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第三章 間歇釜式反應(yīng)器BR（ Batch Reactor） 3.1 釜 式 反 應(yīng) 器 的 特 點 及 其 應(yīng) 用 3.2 間 歇 釜 式 反 應(yīng) 器 的 容 積 與 數(shù) 量 及 設(shè) 備 間 的 平 衡 3.3 等 溫 間 歇 反 應(yīng) 釜 的 計 算 3.4 變 溫 間 歇 釜 的 計 算 3.5 半 間 歇 釜 式 反 應(yīng) 器 3.1.1釜 式 反 應(yīng) 器 的 結(jié) 構(gòu) *1.釜 的 主 體 ， 提 供 足 夠 的 容 積 ， 確 保 達到 規(guī) 定 轉(zhuǎn) 化 率 所 需 的 時 間 2.攪 拌 裝 置 ， 由 攪 拌 軸 和 攪 拌 器 組 成 ，使 反 應(yīng) 物 混 合 均 勻 ， 強 化 傳

2、質(zhì) 傳 熱 3.傳 熱 裝 置 ， 主 要 是 夾 套 和 蛇 管 ， 用 來輸 入 或 移 出 熱 量 ， 以 保 持 適 宜 的 反 應(yīng)溫 度 4.傳 動 裝 置 ,是 使 攪 拌 器 獲 得 動 能 以 強化 液 體 流 動 。 6.工 藝 接 管 ,為 適 應(yīng) 工 藝 需 要 5.軸 密 封 裝 置 ， 用 來 防 止 釜 體 與 攪 拌軸 之 間 的 泄 漏 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 度 高 ， 生 產(chǎn) 效 率 低 .操 作 靈 活 性 大 ， 便 于 控 制 和 改 變 反 應(yīng)

3、 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 l反 應(yīng) 物 料 一 次 加 入 ， 產(chǎn) 物 一 次 取 出 幾 乎 所 有 有 機 合 成 的 單 元 操 作 2、 應(yīng) 用適 合 于 多 品 種 、 小 批 量 生 產(chǎn)適 應(yīng) 于 各 種 不 同 相 態(tài) 組 合 的 反 應(yīng) 物 料 3.2.1間 歇 釜 式 反 應(yīng) 器 的 容 積 與 數(shù) 量 確 定 反 應(yīng) 器

4、的 容 積 與 數(shù) 量 是 車 間 設(shè) 計 的 基 礎(chǔ) ，是 實 現(xiàn) 化 學(xué) 反 應(yīng) 工 業(yè) 放 大 的 關(guān) 鍵1、 求 算 反 應(yīng) 器 的 容 積 與 數(shù) 量 需 要 的 基 礎(chǔ) 數(shù) 據(jù) （ 1） 每 天 處 理 物 料 總 體 積 VD和 單 位 時 間 的 物料 處 理 量 為 FVDD GV = FV=VD/24GD每 天 所 需 處 理 的 物 料 總 重 量 物 料 的 密 度 （ 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 備投 料 到 操 作 過 程 全 部完

5、成 所 需 的 總 時 間 t ，操 作 時 間 t包 括 反 應(yīng)時 間 t和 輔 助 操 作 時間 t0 兩 部 分 組 成 。 即 t = t + t 0 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 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 烈 放 熱 的 快 速 反 應(yīng) ， 反 應(yīng) 過 程 的 速 率 往 往受 傳 熱 速

6、 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 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 到 相當 高 的 轉(zhuǎn) 化 率 。 有 時 需 分 段 作 動 力 學(xué) 計 算 。 （ 3） 反 應(yīng) 體 積 VR 反 應(yīng) 體 積

7、是 指 設(shè) 備 中 物 料 所 占 體 積 ， 又 稱 有 效 體 積 。V R=FVt （ 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 條 件 裝 料 系 數(shù) 范 圍無 攪 拌 或 緩 慢 攪拌 的 反 應(yīng) 釜 0.80 0.85帶 攪 拌 的 反 應(yīng) 釜 0.70 0.80易 起 泡 或 沸 騰 狀況 下 的 反 應(yīng) 0.40 0.60液 面 平 靜 的 貯 罐和 計 量 槽 0.85 0.90 2、 反 應(yīng) 器 的 容 積 和

8、 個 數(shù) 的 確 定 （ 1） 已 知 VD或 FV與 t ， 根 據(jù) 已 有 的 設(shè) 備 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 ： VaFVV VaD 24 24= t按 設(shè) 計 任 務(wù) 需 用 的 設(shè) 備 個 數(shù) 為 ： VatFVtVm V aD =24= 由 上 式 算 出 的 m值 往 往 不 是 整 數(shù) ， 需 取 成 整 數(shù) m ,m m。 因 此 實 際 設(shè) 備 總

9、 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 ，%100 mmm則 （ 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 容 積 為 ： mV mVVtF =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

10、由 標 準 (GB 9845-88)而定 。 %100%100 m mmaa V VVVVV 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 ？ 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 0.753、 計 算 示 例物 料 處 理 量 FV一 般 由 生 產(chǎn) 任

11、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 VR、 V、 m、 Vm以及 等 解 ： 因 氨 化 為 連 續(xù) 操 作 ， 故 至 少 需 要 兩 臺 還 原 釜 交替 進 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 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 容 積 為 37.1775

12、.0/1683.0/ mtFV V 取 兩 臺 釜 ， 每 釜 容 積 為 8.85m3， 采 用 標 準 容 積 為10m3的 反 應(yīng) 釜 ， 后 備 能 力 為 %0.13%10085.8/)85.810( 思 考 如 果 取 受 料 時 間 為 1h， 結(jié) 果 如 何 ？ 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=0.75 6=4.5 m3，則受 料 時 間 ： 4.5/0.83=5.44h操

13、 作 周 期 ： 5.44+8=13.44h 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） /2.5 100%=20% 三 個 還 原 鍋 交 替 操 作 的 時 間 安 排 圖 受料 還原0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10時間（小時）鍋號 還原受料 受料 還原 還原受料 還原受料 還原受料101 102201 2

14、02301 302123 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 ： 1000 1000 300=3330Kg（ GD） 需 要 設(shè) 備 總 容 積 : mV m=（

15、 3330/1.41） 200 10-3/12.5=37.8m3 取 Va為 10 m3的 最 大 搪 瓷 鍋 4臺 。=（ 4-3.78） /3.78 100%=5.82% 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

16、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 。 L6269631000984.0 175.014412824330 99.0104000 3 L27084.1100098.0175.0144 07.19824330 99.0104000 3 LtFV V 439075.0 67.3896 %9.13%1004390439025002 根 據(jù) 生 產(chǎn) 任 務(wù) ， 每 小 時 需 處 理 工 業(yè) 萘 的 體 積 為 ：每 小 時 需 處 理 硫 酸 的 體 積 為 ：每 小 時 處 理 物 料

17、 總 體 積 為 :FV=626+270=896L反 應(yīng) 器 的 體 積 為 ：若 采 用 2500L標 準 反 應(yīng) 器 兩 個 ， 則 反 應(yīng) 器 的 生 產(chǎn) 能 力 后 備 系 數(shù) 為 ：SO3H OH128 144H2SO4 +98 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 2211 =.= nntmtmtm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

18、 之 間 保 證 互 相 平 衡 即33 322 211 1 = aVaVaV VFVFVF 或 33 322 211 1 = aDaDaD VVVVVV 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 ：工 序 VD（ m3） t （ h） 磺 化水 解吹 萘中 和 20.021.2530.0113.5 4.01.53.05.0 0.

19、800.850.600.60 解 ： （ 1） 先 作 磺 化 工 序 的 計 算 如 取 Va=2 m3， 計 算5.12=28.0 20= VaVD 6=424=24= t 65.12= m%44%10008.2 08.23%100 mmm再 取 Va=2.5 m3與 Va=3 m3做 同 樣 計 算 ， 結(jié) 果 列 于 下 表 中 ： mVa m %2.02.53.0 0.80.80.8 12.510.08.34 666 2.081.671.58 322 442044 使 水 解 工 序 ： =10=24/1.5=16， m=10/16=0.625取 m水 解 鍋 容 積 的 計 算 ：

20、 VaV D =Va=VD/ =21.25/（ 10 0.85） =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 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 ： m 工 序 VD（ m3） m % Va磺 化水 解吹 萘中 和 20.021.2530.0113.5 10101010 61684.8 1.670.6251.252.08 2123 19.8606044 2.

21、52.5219 0.80.850.60.6 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 + 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 到 的 反 應(yīng) 進 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 。 3.3.1 單 一 反 應(yīng)設(shè) 在 間 歇 反 應(yīng) 器 內(nèi) 進 行 如 下 化 學(xué) 反 應(yīng)

22、A BR 的 積 累 速 度反 應(yīng) 器 中的 反 應(yīng) 量單 位 時 間的 流 出 量單 位 時 間的 流 入 量單 位 時 間 AAAA RAVr dtCVddtdn ARA ）（= 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 。 dtdnVr ARA / *00 Ax RA AA Vrdxnt 00 /)( A

23、AAA nnnx 適 用 于 任 何 間 歇 反 應(yīng) 過 程 。 AAA dxndn 0 dtdxnVr AARA /0 恒 容 條 件 下 ： RAA VnC /00 所 以 0 0000 / /)(/)( AAA AAAAAAA CdCdx CCCnnnx 取 t=0 時 xA= 0、 CA CA0； t=t 時 xA=xAf、 CA= CAf，積 分 得 *00 Afx AAA rdxCt * 0 AfACC AArdCt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 (t t0) 等 溫

24、恒 容 下 的 簡 單 反 應(yīng) 的 反 應(yīng) 時 間 積 分 表 *化 學(xué) 反 應(yīng) 速 率 微 分 式 反 應(yīng) 時 間 積 分 式 (1) 零 級 反 應(yīng)AR (2) 一 級 反 應(yīng)AR(3) 二 級 反 應(yīng)AR(4) 二 級 反 應(yīng)A+BR(C A0=CB0)(5) 二 級 反 應(yīng)A+BR(CA0CB0) AAA CCkxkt 0ln1)1/(1ln(1 AA kCr AA Ckr 2 )11(1)1( 00 AAfAfA Af CCkxkC xt 0AA kCr kCCkCxt AfAAAf 00/BAA CkCr BAA CkCr )11(1)1( 00 AAfAfA Af CCkxkC

25、xt )( )(ln)( 1 00 0000 RBA RABBA CCC CCCCCkt 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 %0.80Afx)1(0 AfA Af xkC xt 001 AAAf ktCktCx )( 0ttFV VR 得又 由 得 0/ tFVt VR 例 3-

26、7： 在 間 歇 反 應(yīng) 器 中 進 行 己 二 酸 和 己 二 醇 的 縮聚 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 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 ： h5.8)1(0 AfA Af xkC xt 22

27、02 )1( AAAAA xkCkCdtdCr 積 之 得 物 料 的 處 理 量 為 L/h0.171004.014624 2400 VF操 作 周 期 為 h5.9 0 ttt 反 應(yīng) 體 積 為 L1625 tFV VR反 應(yīng) 器 容 積 為 L2167/ RVV 思 考 計 算 FV時 ，為 什 么 不 考 慮 己二 醇 ？ 正 反 應(yīng) 速 率 常 數(shù) k1為 4.76 10-4m3/（ kmol.min） ， 逆反 應(yīng) 速 率 常 數(shù) k2為 1.63 10-4m3/（ kmol.min） 。 反 應(yīng)器 內(nèi) 裝 入 0.3785m3水 溶 液 ， 其 中 含 有 90.8kg乙 酸

28、，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 。CH3COOH+C4H9OH CH3COOC4H9+H2OA B R S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 SRBAA CCkCCkr 21 解 ： 乙 酸 的 初 始 濃 度 0.4=3785.060 8.90=0AC乙 醇 的 初 始

29、 濃 度 4.10=3875.046 6.181=0BC水 的 初 始 濃 度 183785.018 )6.1818.90(043.13875.00 SC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 )1(4 AA xC AB xC 44.10 AR xC 4= AS xC 4+18= kmol/m3kmol/m3kmol/m3 代 入 反 應(yīng) 速 率 方 程 式 ， 則 得 )418(41063.1)44.10)(1(41076.4 44 AAAAA xxxxr = )063.049.0248.0(108 22 AA xx 所 以

30、AfAf x AAAx AAA xxdxrdxCt 0 2200 063.049.0248.0108 4 = AfxAAxx 0422.0490.0125.0 422.0490.0125.0ln422.050 = 912.0068.0068.0125.0 912.0125.0ln422.050 AfAfxx當 t=120min， 用 上 式 算 得 ： xAf=0.356，即 35.6%乙 酸 轉(zhuǎn) 化 成 乙 酸 乙 酯 。 （ 2） 間歇反應(yīng)釜的最佳反應(yīng)時間問 題 的 提 出 ： 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

31、 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 。 以 單 位 操 作 時 間 內(nèi)

32、產(chǎn) 品 的 收 獲 量 最 大 為 目 標對 于 反 應(yīng) A R， 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 = VR CR /(t+t0) 對 反 應(yīng) 時 間 求 導(dǎo) 2 00 )/()/)(/ ttCdtdCttVdtdG RRRR 若 使 GR為 最 大 ， 可 令 dGR/dt = 0， 于 是)/(/ 0ttCdtdC RR 此 為 使 單 位 操 作 時 間 內(nèi) 產(chǎn) 物 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) ？

33、 圖 解 法 描 繪 產(chǎn) 物 濃度 CR與 時 間 t的 曲 線 于 坐 標軸 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 就 是最 佳 反 應(yīng) 時 間 。 以 單 位 產(chǎn) 品 生 產(chǎn) 費 用 最 低 為 目 標設(shè) 一 個 操 作 周 期 中 單 位 時 間 內(nèi) 反 應(yīng) 操 作 所 需 費用 為 a； 輔 助 操 作 所 需 費 用 為 a0； 固 定 費 用 為 aF，則 單 位 產(chǎn) 品 的 總 費 用 Z為Z= (at+a0t0+aF) /(VRCR) 對 反 應(yīng) 時 間 求 導(dǎo) )/()/)(/ 2 00

34、 RRRFR CVdtdCataataCdtdZ 若 使 Z為 最 大 ， 可 令 dZ/dt = 0， 于 是 )/)(/(/ 00 aatatCdtdC FRR 此 為 單 位 生 產(chǎn) 量 的 總 費 用 最 小 應(yīng) 滿 足 的 條 件 。 圖 解 法 /)( 00 FtOB .自 B 0,/)( 00 Ft 做 CR t曲 線 的 切 線 切 點 N，斜 率 NE/BE=dCR/dt .作 由 切 點 N的 橫 坐 標 值 ， 確 定 最 佳 反 應(yīng) 時 間 t=OE， 相 應(yīng) 的 C R值 由 縱 坐 標 得 知 。 .作 CR t圖 間 歇 反 應(yīng) 最 佳 反 應(yīng) 時 間 圖 解 法

35、 示 意 圖 目 標 不 同 時 ， 最 佳 反 應(yīng) 時 間 不 同 。 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 行 兩 個或 兩 個 以 上 的 反 應(yīng) 。其 中 R為 目 標 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 1k R （ 主 反 應(yīng) ） AR Ckr 1A 2k S （ 副 反 應(yīng) ） AS Ckr 2 ASRAAA Ckkrrrrr )( 212,1, 設(shè) 等 溫 間 歇 反 應(yīng)

36、器 中 進 行 一 級 平 行 反 應(yīng) ： 對 于 A：對 于 R：對 于 S： 0/)( 21 dtdnCkkV AAR 0/- 1 dtdnCkV RAR 0/- 2 dtdnCkV SAR 對 于 A：對 于 R：對 于 S： 0=/+)+( 21 dtdCCkk AA 0/- 1 dtdCCk RA 0/- 2 dtdCCk SA 恒 容 條 件 下 ， 上 述 方 程 可 用 濃 度 表 達 A的 衡 算 方 程 表 達 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 :AfAA xkkCCkkt

37、1 1ln1ln1 21021把 CA關(guān) 于 t的 表 達 式 代 入 R的 衡 算 方 程 ， 并 設(shè) t=0時 ， CR=0， 積 之 得 :也 就 是 )(exp( 210 tkkCC AA )(exp(1( 2121 01 tkkkk CkC AR 同 理 )(exp(1( 21212 0 tkkkk CkC AS 由 CR和 CS的 關(guān)于 反 應(yīng) 時 間 的表 達 式 可 知 : 21kkCCSR 對 于 上 例 瞬 時 選 擇 性 ： 21 1kk kdCdCrrS ARARR 收 率 ： AA RRR xkk kCCCY 21 10 0- 例 3-8 在 等 溫 間 歇 釜 式

38、反 應(yīng) 器 中 進 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+2 0.5CA2=2CA+CA2， 所 以 ，恒 容 條 件 下 ， 組 份 A的 物 料 衡 算 式 為 22/- AAAA CCrdtdC 積 之 得 )+2( )+2(ln21= 00 AA AA CC

39、 CCt 代 入 已 知 條 件 得CAf=2.48 10-3kmol/m3， 即 反 應(yīng) 3h后 A的 濃 度此 時xA=(2.0-2.48 10-3)/2.0=0.9988=99.88% 22/- AAA CCdtdC 又 由 及AR CdtdC 2=/ 得 2/1 1-/ AAR CdCdC 積 之 得 AfARf CC AAR CdCdC 0 2/1C0 于 是2/+1 2/+1ln2= 0AfARf CCC 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.

40、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。 串 聯(lián) 反 應(yīng) 設(shè) 在 等 溫 間 歇 釜 式 反 應(yīng) 器 中 進 行 某 一 級 不可 逆 串 聯(lián) 反 應(yīng)各 組 分 的 速 率 方 程 分 別 為 ： AA Ckr 1 =- dtdCAPAP CkCkr 21 - = dtdCPPS Ckr 2 dtdCS=1 2k kA P S 若 0t 時 0 0 0 0A A P SC C C C 由 AA CkdtdC 1 得 tkAA eCC 10 所 以 tkA ex 1

41、1 AAA xkCCkt 1 1ln1ln1 101 PAP CkCkdtdC 21 -tkAA eCC 10 把 代 入得 到 tkAPP eCkCkdtdC 1012 )()( xQyxpdxdy 形 如 的 一 階 線 性 微 分 方 程取 t=0時 ， CP=0， 積 之 得 )exp()exp( 12021 1 tktkCkk kC AP 因 CA + CP + CS = CA0所 以 CS= CA0- CA- CP )exp()exp(11 2112210 tkktkkkkCC AS 01 2 10 1 2 0 exp( ) exp( )p AP A A A AC Ck k t k

42、tC C k k C C 1 2 11 2 exp( ) exp( )P kY k t ktk k 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 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 . 為 使 YR最 大 ， 應(yīng) 滿 足 dYR/dt=0， 即 0)exp()exp( 112221 1 tkktkkkk kdtdYP 2112 )exp( )exp( kktk tk 將 上 式 兩 邊 取 對

43、 數(shù) 整 理 得 最 優(yōu) 反 應(yīng) 時 間 即 2121 ln1 kkkkt P的 最 大 濃 度 )lnexp()lnexp( 21 21121 212021 1max, kk kkkkk kkkCkk kC AP 21 210 2( ) kk kA kC k 12 2210maxmax kk kAPP kkCCY 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 極 其 困 難 的 ； 化 學(xué) 反 應(yīng) 通常 要 求 溫 度 隨 著 反 應(yīng) 進 程 有 一 個 適 當 的 分 布 ，

44、 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 程 進 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 。 內(nèi) 熱 量 的 積 累微 元 體 積微 元 時 間 、或 載 熱 體 的 熱 量體 積 傳 遞 至 環(huán) 境微 元 時 間 內(nèi) 微 元 生 的 熱 量產(chǎn)體 積 內(nèi) 由 于 反 應(yīng)微 元 時 間 、 微 元料 帶 走 的 熱 量微 元 體 積 的 物微 元 時 間 內(nèi) 離 開所 帶

45、進 的 熱 量微 元 體 積 的 物 料微 元 時 間 內(nèi) 進 入由 于 是 間 歇 操 作 ， 可 取 整 個 釜 作 為 衡 算 單 元 。 量 積 累 速 度反 應(yīng) 器 中 熱傳 給 環(huán) 境 的 熱 量單 位 時 間 內(nèi) 體 系反 應(yīng) 的 放 熱 量單 位 時 間 內(nèi) 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 )(2 TsTKAQ dtd

46、xnqVrqQ AArRAr 03 = 5 dtdTCnQ ivi 由 熱 量 守 恒 方 程 知 (假 定 傳 熱 劑 從 系 統(tǒng) 取 熱 ) Q5 = Q1 Q2 + Q3 Q4， 所 以式 中 ：qr為 以 組 份 A為 基 準 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

47、 溫 度 ； Ts為 傳 熱 介 質(zhì) 溫 度 *)(-0 TsTKAdtdxnqdtdTCn AArivi 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 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

48、料平 衡 方 程 )求 解 。 當 Q2=0， 即 絕 熱 情 況 下 ， 熱 平 衡 方 程 為dtdxnqdtdTCn AAriVi 0=起 始 條 件積 分 上 式 得 *)-( 000 AAiviAr xxCnnqTT 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 。 若 平 均 熱 容 可 視 為 常 數(shù) ， 絕 熱 方 程 可 表 達 為*)( 00 AA xxTT vArCyq 0其

49、中稱 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 數(shù) ， 則*)-( 000 AAvAr xxCyqTT 3.間 歇 反 應(yīng) 器 恒 溫 操 作 計 算 即 要 使 反 應(yīng) 在 等 溫 下 進 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 。

50、 0dtdT )(0 TsTKAdtdxnq AAr 若 為 恒 溫 過 程 qTTKAVqr SRrA )( 4.等 溫 間 歇 操 作 反 應(yīng) 器 的 放 熱 規(guī) 律 為 了 保 持 在 等 溫 下 進 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 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 RrA Vqqr = q 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 與 外 界 傳 熱 速 率

51、kJ/h上 式 變 形 為 RrA Vqrq= 因 為 反 應(yīng) 物 料 VR和 等 溫 下 進 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 進行 具 體 計 算 。 例 3-9 設(shè) 在 間 歇 釜 式 反 應(yīng) 器 中 進 行 某 二 級 不 可 逆 反 應(yīng)A+B R。 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 rA 1.37 1012exp

52、(-12628/T)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 行 反 應(yīng) ， 在 溫 度 達 到 373.0K時 開 始 等溫 反 應(yīng) 。 計 算 A的 轉(zhuǎn) 化 率 達 到 0.98所 需 要 的 時 間 ； 若 反 應(yīng) 始 終 在 373K等 溫 進 行 ， 所 需 反 應(yīng) 時 間又 是 多 少 ？ 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)

53、 開 始 時 混 合 物 中不 含 產(chǎn) 物 ， 即 xA0=0， 所 以AiiAr xCvnnqTT 00 ARii A xVCvnCqTT /0r0 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AxT 98.760.326 rA 1.37 1012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s) 1.37 1012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0 xA)所 以 Ax AAA rdxCt 00 Ax AABA AA xCCx dxx0 00 )(1(1037.

54、1 )98.760.32612628exp( 12 可 知由 AxT 98.760.326 當 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 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 98.06105.0 00 )(1(1037.1 )12628exp(12 AABA A xCCx dxTt等 溫 min8.14 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

55、 373.0K下 等 溫 進 行 ， 則 98.0 0 00 )(1(1037.1 )12628exp(12 AABA A xCCx dxTt等 溫 min4.16 思 考 為 什 么 先 絕 熱 后 等 溫 的 反 應(yīng) 時 間 較 始終 等 溫 的 長 ？ 例 3-10鄰 甲 氧 基 重 氮 鹽 水 解 反 應(yīng) 生 成 鄰 甲 氧 基 苯 酚OCH3CuSO4 OH H2SO4 N2OCH3N2SO4H + H2O +反 應(yīng) 動 力 學(xué) 式 為 rA kCACB,以 硫 酸 銅 為 催 化 劑 ， 反 應(yīng)溫 度 96 時 2. 2 X 10-3M3/(kmolmin)， 重 氮 鹽 的初 濃

56、 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 502kJ mol。 在 間 歇 攪 拌 鍋 中 進行 ， 重 氮 鹽 的 終 點 轉(zhuǎn) 化 率 為 0.8， 夾 套 冷 卻 水 進 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 。 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/m3CA=CA0（ 1

57、-xA） ， CB=CB0-CA0 xArA=k CA CB= k CA0（ 1-xA） （ CB0-CA0 xA）則 00 Ax AAA rdxCt = xA AABAA AA xCCxkC dxC 0 0000 )(1(= A ABABAB x xCCCCkC 11ln)1(1 00000= A Ax x 1 )5/25.0(1ln)5/25.01(5102.2 13 簡 化 為 ： )694.95/exp(05.0 )694.95/exp(1 ttxA 式 RrA Vqrq= 中 dtdxCdtdCr AAAA 0則 RrAA VqdtdxCq 0= Ax ArRAt dxqVCdtq

58、000 )( 積 分 得 ArRA xqVcqt )(= 0上 式 中 qt即 為 反 應(yīng) 進 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 AArP xxqNQt 5028.0124 101008.0 3 即 Qt=5.06 105xAkJ所 需 冷 卻 水 量 為 kgxxCQG AAPtt 55 10151.0)2230(18.4 1006.5 水 取 一 定 的 時 間 間 隔 t=30min， 計 算 不 同xA、 Qt、

59、Gt及 Q、 G之 值 如 下 表t（min） xA Qt（ kJ） G t（ kg） t（min） Q（ kJ） G（ kg）0306090 120150 00.27930.47860.62170.72500.8000 0141160241900314250366460404290 04220724094001096012090 03030303030 014116010074723605221037830 042203020216015601130 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

60、 在 沸 騰 溫 度 下 進 行 的 強 放 熱 反應(yīng) ， 用 氣 化 潛 熱 帶 走 大 量 反 應(yīng) 熱 ；要 求 嚴 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) 。 （ ） 主 要 適 用 于 以 下 情 況 ：要 求 嚴 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 行 的 放 熱反 應(yīng) ;A濃 度 低 ， 濃 度 高 對 反 應(yīng) 有利 的 情 況 。 （ ） 這 種 操 作 可 以 嚴 格 計量 控 制 、 的 加 料 比 例 ，而 且

61、可 以 保 持 和 B都 在 低濃 度 下 進 行 ， 適 合 于 濃 度降 低 對 反 應(yīng) 有 利 的 場 合 。 （ ） 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 。 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 行 操 作 V 1 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 行 物

62、料 平 衡 ，由 恒 算 式加 入 量 - 反 應(yīng) 消 耗 量 = 積 累 量)( 00 VCdVdtrdtCF AAAV 1 0 0( ) ( )(1 )A A A V A Ad C V dn d n F C t x AAVAAVA dxtCFndtCFx )()1( 00100 dtxCFVrdxtCFn AAVAAAVA )()( 00001 該 式 即 可 計 算 xA與 t的 關(guān) 系 。 式 中 rA=f（ xA） 和 V=f（ 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 txCFVrxtC

63、Fn AAVAAAVA )()( 00001 平 均若 nA1=0， 則 VdtrtxdCF AAAV =)(00寫 成 差 分 式 為 tVrtxCF AAAV 平 均)(=)(00 例 3-12在 半 連 續(xù) 操 作 反 應(yīng) 器 中 進 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=1.33 10-2min-1。 求 （ 1） 100分鐘 后 釜 內(nèi)

64、物 料 體 積 ； （ 2） A的 轉(zhuǎn) 化 率 隨 時 間 變 化 情 況 。解 ： （ 1） V=V1+FV0t=500+10 100=1500l （ 2） 因 為 n A1=0， 所 以 可 用 差 分 式 計 算 V xtFkCkCr AVAAA )1(00 tVrtxCF AAAV 平 均)(=)(00 txFkCVr AVAA )1(00 ）（平 均 1+1+21=)( iAiiAiA VrVrVr 112 1100 iAiiAiAV txtxCkF ）（）（ ii ttt 1 iAAiiAiA txxtxtx 111)(將 )( txA 、 （ rAV） 代 入 式 得 tVrtx

65、CF AAAV 平 均)(=)(00 )(1/2( )1/2(21 tttk txtkttx i iAiiAi 取 t， 初 始 條 件 i=0， t0=0和 上 式 進 行 迭 代 求 解 例 如 取 t=10min計 算 結(jié) 果 如 下 表 ：T（ min） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 xA 0.062 0.121 0.174 0.224 0.269 0.311 0.349 0.384 0.417 0.447 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) ，

66、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 行 物 料 衡 算加 入 量 =反 應(yīng) 量 +累 計 量 ， 也 就 是 dtCVdVrCF ARRAAV /)(00 其 中 2234/ AAAA CCtCdtdC rA= rR+2rS=2CA+CA2， FV0=1/3 m3/h， VR=1 + t/3于 是一 階 非 線 性 方 程 ， 可 由 計 算 機 求 其 數(shù) 值 解t/h CA/kmolm-3 t/h CA/kmolm-30 0 2.0 0.33670.4 0.3103 2.4 0.31600.8 0.3802 2.8 0.29721.2 0.3783 3.0 0.28861.6 0.3503 可 見 ， 加 完 A后 釜 內(nèi) A的 濃 度 為 0.2886 kmol/m3， 故xAf=(2.0