qk第三章 間歇釜式反應器

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1、1第三章 間歇釜式反應器BR（Batch Reactor） 3.1 釜式反應器的特點及其應用釜式反應器的特點及其應用 3.2 間歇釜式反應器的容積與數(shù)量及設備間的平衡間歇釜式反應器的容積與數(shù)量及設備間的平衡 3.3 等溫間歇反應釜的計算等溫間歇反應釜的計算 3.4 變溫間歇釜的計算變溫間歇釜的計算 3.5 半間歇釜式反應器半間歇釜式反應器23.1.1釜式反應器的結(jié)構(gòu)釜式反應器的結(jié)構(gòu) *1.釜的主體釜的主體，提供足夠的容積，確保達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的時間 2.攪拌裝置攪拌裝置，由攪拌軸和攪拌器組成，使反應物混合均勻，強化傳質(zhì)傳熱 3.傳熱裝置傳熱裝置，主要是夾套和蛇管，用來輸入或移出熱量，以保持適

2、宜的反應溫度 4.傳動裝置傳動裝置,是使攪拌器獲得動能以強化液體流動。6.工藝接管工藝接管, ,為適應工藝需要為適應工藝需要 5.軸密封裝置軸密封裝置，用來防止釜體與攪拌軸之間的泄漏 343.1.2間歇釜式反應器的特點及其應用間歇釜式反應器的特點及其應用 1 1、特點、特點* *輔助時間占的比例大輔助時間占的比例大 , ,勞動強度高，生產(chǎn)效率低勞動強度高，生產(chǎn)效率低. .操作靈活性大，便于控制和改變反應條件操作靈活性大，便于控制和改變反應條件 非穩(wěn)態(tài)操作非穩(wěn)態(tài)操作，反應過程中，溫度、濃度、反應，反應過程中，溫度、濃度、反應速度隨著反應時間而變速度隨著反應時間而變 同一瞬時，反應器內(nèi)各點同一瞬時

3、，反應器內(nèi)各點溫度、濃度分布均勻溫度、濃度分布均勻* *結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，傳質(zhì)、傳熱效率高結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，傳質(zhì)、傳熱效率高 l反應物料一次加入，產(chǎn)物一次取出反應物料一次加入，產(chǎn)物一次取出5幾乎所有有機合成的單元操作幾乎所有有機合成的單元操作 2、應用應用適合于多品種、小批量生產(chǎn)適合于多品種、小批量生產(chǎn)適應于各種不同相態(tài)組合的反應物料適應于各種不同相態(tài)組合的反應物料63.2.1間歇釜式反應器的容積與數(shù)量間歇釜式反應器的容積與數(shù)量 確定反應器的容積與數(shù)量是車間設計的基礎，是實現(xiàn)化學反應工業(yè)放大的關(guān)鍵1、求算反應器的容積與數(shù)量需要的基礎數(shù)據(jù)求算反應器的容積與數(shù)量需要的基礎數(shù)據(jù)7（1）每天處理物

4、料總體積每天處理物料總體積VD和單位時間的物和單位時間的物料處理量為料處理量為FVDDGV=FV=VD/24GD每天所需處理的物料總重量 物料的密度8（2） 操作周期操作周期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成所需的總時間t ，操作時間t包括反應時間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: 檢查設備 15分 加萘 15分 加硫酸及升溫 25分 反應 160分 壓出料 15分 操作周期 240分或4小時9反應時間反應時間t的求算方法的求算方法 由動力學方程理論計算或經(jīng)驗獲得，但

5、應注意： (1)不少強烈放熱的快速反應，反應過程的速率往往受傳熱速率的控制傳熱速率的控制，不能簡單地用動力學方程式來求算反應過程的時間。 (2)某些非均相反應，過程進行的速率受相間傳質(zhì)傳質(zhì)速率的影響速率的影響，也不能單純地從化學動力學方程式計算反應時間。 (3)某些反應速率較快的反應，在加料過程及升溫過程中已開始反應。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計算。有時需分段作動力學計算。10（3）反應體積）反應體積VR 反應體積是指設備中物料所占體積，又稱有效體積。VR=FVt11（4）*設備裝料系數(shù)設備裝料系數(shù) 反應器有效體積與設備實際容積之比稱為設備裝料系數(shù)，以符號 表示

6、，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釜0.800.85帶攪拌的反應釜0.700.80易起泡或沸騰狀況下的反應0.400.60液面平靜的貯罐和計量槽0.850.90122、反應器的容積和個數(shù)的確定、反應器的容積和個數(shù)的確定 （1）已知VD或FV與t ，根據(jù)已有的設備容積Va，求算需用設備的個數(shù)m。 設備裝料系數(shù)為 ，則每釜物料的體積為 Va，按設計任務，每天需要操作的總批次為： 每個設備每天能操作的批數(shù)為： VaFVVVaD2424=t按設計任務需用的設備個數(shù)為： VatFVtVmVaD=24=13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

7、實際設備總能力比設計需求提高了。其提高的程度稱為設備能力的后備系數(shù)后備系數(shù)，以表示，%100mmm則 14（2）已知每小時處理的物料體積FV與操作周期t,求設備體積與個數(shù) 需要設備的總?cè)莘e為：mVmVVtF=如果反應器容積V V的計算值很大，可選用幾個小的反應器 若以m表示反應釜的個數(shù)，則每個釜的容積:Vm=V/m=FVt/( m) 為便于反應器的制造和選用，釜的規(guī)格由標準(GB 9845-88)而定。 %100%100mmmaaVVVVVV15 思考 選用個數(shù)少而容積大的設備有利還是選用個數(shù)多而容積小的設備有利 ？16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

8、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。設備裝料系數(shù)取0.753、計算示例、計算示例物料處理量FV一般由生產(chǎn)任務確定，輔助時間t0視實際操作情況而定，反應時間t可由動力學方程確定，也可由實驗得到。由以上數(shù)據(jù)可求VR、V、m、Vm以及等17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，于是需要設備的總?cè)莘e為37 .1775. 0/1683. 0/ mtFVV 取兩臺釜，每釜容積為8.85m3，采用標準容積為10m3的反應釜，后備能

9、力為%0 .13%10085. 8/ )85. 810(思考 如果取受料時間為1h，結(jié)果如何？18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=13.44h 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%19三個還原鍋交替操作的時間安

10、排圖受料還原024681012141618202224246810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10110220120230130212320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=3330Kg（GD） 需要設備總?cè)莘e: mVm=（3330/1.41）20010-3/12.5=37.8m3 取Va為10 m

11、3的最大搪瓷鍋4臺。=（4-3.78）/3.78100%=5.82%21 例3-4萘磺化反應器體積的計算。萘磺化生產(chǎn)2-萘磺酸，然后通過堿熔得2-萘酚。已知2-萘酚的收率收率按萘計為75%，2-萘酚的純度純度為99%，工業(yè)萘純度為98.4%，密度為963kg/m3 ?；腔瘎?8%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。22L6269631000984. 0175. 01441282433099. 01040003L27084. 1100098. 0175. 014407. 19

12、82433099. 01040003LtFVV439075. 067. 3896%9 .13%1004390439025002根據(jù)生產(chǎn)任務，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：每小時處理物料總體積為:FV=626+270=896L反應器的體積為：若采用2500L標準反應器兩個，則反應器的生產(chǎn)能力后備系數(shù)為：SO3HOH128144H2SO4+98233.2.2 間歇操作設備間的平衡間歇操作設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：總操作批數(shù)相等的條件是：m11 = m22 = =mnn或 2211=.=nntmtmtm即各工

13、序的設備個數(shù)與操作周期之比要相等 各工序的設備容積之間保證互相平衡 即333222111=aVaVaVVFVFVF或 333222111=aDaDaDVVVVVV24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?，F(xiàn)有鑄鐵磺化鍋的規(guī)格2 m3，2.5 m3及3m3三種。試設計各工序的設備容積與數(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20.021.2530.0113.54.01.53.05.00.800.850.600.6025解： （1）先作磺化工序的計算 如取Va=2 m3，計算5 .12=28 . 020=VaVD6=424=24=t

14、65 .12=m%44%10008. 208. 23%100mmm再取Va=2.5 m3與Va=3 m3做同樣計算，結(jié)果列于下表中：mVam%2.02.53.00.80.80.812.510.08.346662.081.671.5832244204426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：VaVD=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27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

15、：m工序VD（m3）m%Va磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.51010101061684.81.670.6251.252.08212319.86060442.52.52190.80.850.60.6283.3 等溫間歇釜式反應釜釜的計算*反應器容積V反應器有效體積VRFV, tt = t + t0確定反應時間的兩種方法：經(jīng)驗法; 動力學法間歇反應屬非定態(tài)操作，反應時間取決于所要達到的反應進程反應器內(nèi)各處濃度、溫度均一，所以，可對其中某一反應物做物料衡算，以確定反應時間。293.3.1 單一反應單一反應設在間歇反應器內(nèi)進行如下化學反應 ABR 的積累速度反應器中的反應量單位時間

16、的流出量單位時間的流入量單位時間AAAARAVr dtCVddtdnARA）（= 0 0 1.1.反應時間的計算反應時間的計算若VR為反應混合物的體積(反應器有效容積)；rA為t時刻的反應速率；nA0為反應開始時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。 dtdnVrARA/30*00AxRAAAVrdxnt00/ )(AAAAnnnx適用于任何間歇反應過程。 AAAdxndn0dtdxnVrAARA/031恒容條件下：RAAVnC/00所以00000/ )(/ )(AAAAAAAAAACdCdxCCCnnnx取 t=0 時 xA= 0、CACA0；t=

17、t 時 xA=xAf、CA= CAf，積分得*00AfxAAArdxCt*0AfACCAArdCt其中rA一般具有 rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式 反應器的有效體積反應器的有效體積 VR=FV (tt0) 32等溫恒容下的簡單反應的反應時間積分表*化學反應速率微分式反應時間積分式 (1) 零級反應AR (2) 一級反應AR(3) 二級反應AR(4) 二級反應A+BR(CA0=CB0)(5) 二級反應A+BR(CA0CB0)AAACCkxkt0ln1)1/(1ln(1AAkCr AACkr2)11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt0AAkCr

18、kCCkCxtAfAAAf00/BAACkCr BAACkCr )11(1)1 (00AAfAfAAfCCkxkCxt)()(ln)(1000000RBARABBACCCCCCCCkt33例3-6間歇反應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，求反應體積反應體積為9.0m3時的A的轉(zhuǎn)化率。解：由解上述方程得%0 .80Afx)1 (0AfAAfxkCxt001AAAfktCktCx)(0ttFVVR得又由得0/tFVtVR34例3-7：在間歇反應器中進行己二酸和己

19、二醇的縮聚反應,其動力學方程為rA=kCA2 kmol/(Lmin)，k=1.97L/(kmolmin)。己二酸與己二醇的摩爾配比為1:1，反應混合物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，計算反應器體積。解：h5 . 8)1 (0AfAAfxkCxt2202)1 (AAAAAxkCkCdtdCr積之得35物料的處理量為L/h0 .171004. 0146242400VF操作周期為h5 . 90ttt反應體積為L1625tFVVR反應器容積為L2167/RVV思考 計算FV時，為什

20、么不考慮己二醇？36 正反應速率常數(shù)k1為4.7610-4m3/（kmol.min），逆反應速率常數(shù)k2為1.6310-4m3/（kmol.min）。反應器內(nèi)裝入0.3785m3水溶液，其中含有90.8kg乙酸，181.6lkg乙醇。物料密度為1043kg/m3，假設反應過程不改變。試計算反應2h后乙酸的轉(zhuǎn)化率。CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OABRS例3-8在攪拌良好間歇操作釜式反應器中，以鹽酸作為催化劑，用乙酸和乙醇生產(chǎn)乙酸乙酯，反應式為：已知100時，反應速率方程式為SRBAACCkCCkr2137解：乙酸的初始濃度0 . 4=3785. 0608 .90=0AC

21、乙醇的初始濃度4 .10=3875. 0466 .181=0BC水的初始濃度183785. 018)6 .1818 .90(043. 13875. 00SC設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 (4AAxCABxC44 .10ARxC4=ASxC4+18=kmol/m3kmol/m3kmol/m338代入反應速率方程式，則得)418(41063. 1)44 .10)(1 ( 41076. 444AAAAAxxxxr=)063. 049. 0248. 0(10822AAxx 所以AfAfxAAAxAAAxxdxrdxCt02200063. 049. 0248. 01084

22、 =AfxAAxx0422. 0490. 0125. 0422. 0490. 0125. 0ln422. 050 =912. 0068. 0068. 0125. 0912. 0125. 0ln422. 050AfAfxx當t=120min，用上式算得：xAf=0.356，即35.6%乙酸轉(zhuǎn)化成乙酸乙酯。39（2） 間歇反應釜的最佳反應時間問題的提出 ：操作時間包括反應時間和輔助時間，輔助時間一般是固定的；延長反應時間可提高產(chǎn)品收率，但反應后期，反應物濃度降低，反應的推動力變小，反應速率變低，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；縮短反應時間，產(chǎn)品收率低，但反應速率一直較大，所以單

23、位操作時間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量未必低。由此看來，應存在一最佳反應時間，使得操作單位時間內(nèi)獲得的產(chǎn)品量為最大。40 以單位操作時間內(nèi)產(chǎn)品的收獲量最大為目標對于反應AR，若反應產(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)對反應時間求導200)/()/)(/ttCdtdCttVdtdGRRRR若使GR為最大，可令 dGR/dt = 0，于是)/(/0ttCdtdCRR此為使單位操作時間內(nèi)產(chǎn)物收獲量為最大應滿足的條件。思考 上述結(jié)果是否表明該最優(yōu)反應時間與其動力學特征無關(guān)？41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

24、作OMN的切線 交 OMN于M點; M點的橫坐標就是最佳反應時間。 42 以單位產(chǎn)品生產(chǎn)費用最低為目標設一個操作周期中單位時間內(nèi)反應操作所需費用為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) 對反應時間求導)/()/)(/200RRRFRCVdtdCataataCdtdZ若使Z為最大，可令 dZ/dt = 0，于是)/ )(/(/00aatatCdtdCFRR此為單位生產(chǎn)量的總費用最小應滿足的條件。43圖解法圖解法/ )(00FtOB.自B0,/ )(00Ft 做CRt曲線的切線切點N，斜率NE/BE=dCR/dt.作由切點N

25、的橫坐標值 ， 確定最佳反應時間t=OE， 相應的CR值由縱坐標得知。 .作CRt圖間歇反應最佳反應時間圖解法示意圖 目標不同時，最佳反應時間不同。443.3.2 復雜反應(考慮平行反應和串聯(lián)反應) 平行反應 平行反應的基本特征是相同的反應物能進行兩個或兩個以上的反應。其中R為目標產(chǎn)物，則A的轉(zhuǎn)化率、組份濃度與反應時間的關(guān)系可由物料衡算求得。 A1kR （主反應） ARCkr1A2kS （副反應） ASCkr2ASRAAACkkrrrrr)(212,1 ,設等溫間歇反應器中進行一級平行反應：45對于A：對于R：對于S：0/)(21dtdnCkkVAAR0/-1dtdnCkVRAR0/-2dtd

26、nCkVSAR46對于A：對于R：對于S：0=/+)+(21dtdCCkkAA0/-1dtdCCkRA0/-2dtdCCkSA恒容條件下，上述方程可用濃度表達47A的衡算方程表達了A的濃度(A的轉(zhuǎn)化率)與反應時間的關(guān)系。設 t=0時，CA=CA0，xA0=0，積之得:AfAAxkkCCkkt11ln1ln121021把CA關(guān)于t的表達式代入R的衡算方程，并設 t=0時，CR=0，積之得:也就是)(exp(210tkkCCAA)(exp(1 (212101tkkkkCkCAR48同理)(exp(1 (212120tkkkkCkCAS由CR和CS的關(guān)于反應時間的表達式可知:21kkCCSR49對于

27、上例瞬時選擇性： 211kkkdCdCrrSARARR收率： AARRRxkkkCCCY21100-50例3-8 在等溫間歇釜式反應器中進行以下恒容液相反應：A+BR，rR=2CA kmol/(m3h)2AS， rS=0.5CA2 kmol/(m3h)反應開始時A和B的濃度均為2.0kmol/m3，目的產(chǎn)物為R，計算反應時間為3h的A的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率和R的收收率率以及生成R的選擇性選擇性。解：rA= rR+2rS=2CA+20.5CA2=2CA+CA2，所以，恒容條件下，組份A的物料衡算式為22/-AAAACCrdtdC積之得51)+2()+2(ln21=00AAAACCCCt代入已知條件得C

28、Af=2.4810-3kmol/m3，即反應3h后A的濃度此時xA=(2.0-2.4810-3)/2.0=0.9988=99.88%22/-AAACCdtdC又由及ARCdtdC2=/得2/11-/AARCdCdC積之得52AfARfCCAARCdCdC02/1C0于是2/+12/+1ln2=0AfARfCCC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。53 串聯(lián)反應 設在等溫間歇釜

29、式反應器中進行某一級不可逆串聯(lián)反應各組分的速率方程分別為： AACkr1 =-dtdCAPAPCkCkr21- = =dtdCPPSCkr2dtdCS=12kkAPS 54若0t 時0000AAPSCCCC 由AACkdtdC1得tkAAeCC10所以tkAex11AAAxkCCkt11ln1ln1101PAPCkCkdtdC21-tkAAeCC10把代入得到tkAPPeCkCkdtdC1012)()(xQyxpdxdy形如的一階線性微分方程取t=0時，CP=0，積之得)exp()exp(120211tktkCkkkCAP55 因 CA + CP + CS = CA0所以 CS= CA0- C

30、A- CP )exp()exp(112112210tkktkkkkCCAS01210120exp()exp()pAPAAAACCkk tk tCCkk CC 12112exp()exp()PkYk tk tkk56根據(jù)各反應組分濃度與反應時間關(guān)系的三個關(guān)系式以時間對濃度作圖 串聯(lián)反應的組分濃度與反應時間的關(guān)系 當目的產(chǎn)物為P時就需要控制反應時間，以使P的收率最大. 57為使YR最大，應滿足dYR/dt=0，即0)exp()exp(1122211tkktkkkkkdtdYP2112)exp()exp(kktktk將上式兩邊取對數(shù)整理得最優(yōu)反應時間 即2121ln1kkkktP的最大濃度 )lne

31、xp()lnexp(21211212120211max,kkkkkkkkkkCkkkCAP212102()kkkAkCk122210maxmaxkkkAPPkkCCY583.4 變溫間歇釜的計算問題的提出問題的提出*化學反應經(jīng)常伴有熱效應。對于釜式間歇反應而言，要做到等溫時極其困難的；化學反應通常要求溫度隨著反應進程有一個適當?shù)姆植?，以獲得較好的反應效果。因此研究非等溫間歇釜式反應器的設計與分析具有重要的實際意義。變溫操作時，要對反應進程進行數(shù)學描述，需要聯(lián)立物料衡算方程(速率方程)和熱平衡方程。59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

32、應微元時間、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。量積累速度反應器中熱傳給環(huán)境的熱量單位時間內(nèi)體系反應的放熱量單位時間內(nèi)60設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時化學反應產(chǎn)生的熱； Q5表示時刻t時熱累積量，于是：Q1 = Q4 = 0)(2TsTKAQdtdxnqVrqQAArRAr03=5dtdTCnQi vi61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為以組份A為基準基準的摩爾反應熱，放熱反應取

33、正直；nA0為A組份的起始摩爾流量；ni、Cvi分別表示反應器中的組份i的摩爾數(shù)和定容摩爾熱容摩爾熱容；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為反應釜的傳熱面積；T為反應物溫度；Ts為傳熱介質(zhì)溫度*)(-0TsTKAdtdxnqdtdTCnAArivi62由此可見，對于一定的反應物系，反應溫度反應溫度、關(guān)鍵組份的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率都取決于物系與外界的傳熱速率傳熱速率.另一方面，對于非等溫過程，由于其反應速率常反應速率常數(shù)數(shù)是隨溫度的變化而變化的，所以，要想準確描述反應溫度、關(guān)鍵組份的轉(zhuǎn)化率隨反應時間的變化關(guān)系，須聯(lián)立熱平衡方程與動力學方程(物料平衡方程)求解。63當Q2=0，即絕熱

34、情況下，熱平衡方程為dtdxnqdtdTCnAAriVi0=起始條件積分上式得*)-(000AAi viArxxCnnqTTT0、xA0分別為反應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器的絕熱方程，表明絕熱條件下，反應溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系。64若平均熱容可視為常數(shù)，絕熱方程可表達為*)(00AAxxTTvArCyq0其中稱為絕熱溫升，其物理意義為反應物中的A組份完全轉(zhuǎn)化時，引起物系溫度變化的度數(shù)。 思考 就間歇釜式反應器而言，該絕熱方程有哪些應用？若以yA0表示組份A的初始摩爾分數(shù)，則*)-(000AAvArxxCyqTT653.間歇反應器恒溫操作計算 即要使反應在等溫下進行，

35、反應放出(或吸收)的熱量必須等于體系與換熱介質(zhì)交換的熱量。應用：求換熱面積。0dtdT)(0TsTKAdtdxnqAAr若為恒溫過程qTTKAVqrSRrA)(664.等溫間歇操作反應器的放熱規(guī)律 為了保持在等溫下進行操作，化學反應過程所產(chǎn)生的熱效應必須與外界進行熱交換，而且反應系統(tǒng)與外界交換的熱量應該等于反應放出的熱量（放熱反應）或吸收的熱量（吸熱反應），其關(guān)系式可以下式表示RrAVqqr=q 反應系統(tǒng)與外界傳熱速率kJ/h上式變形為RrAVqrq = 因為反應物料VR和等溫下進行的熱效應qr均為定值，所以傳熱量變化規(guī)律可以根據(jù)化學反應速率來確定。對于不同反應，則可按照其化學反應動力學方程式

36、進行具體計算。67例3-9 設在間歇釜式反應器中進行某二級不可逆反應A+BR。已知反應熱為33.5kJ/molA；反應物平均熱容為1980kJ/(m3K)。反應速率 rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s)，A和B的初濃度分別為4.55kmol/m3和5.34kmol/m3 ，在反應物預熱預熱到326.0K后，從326.0K開始在絕絕熱熱條件下進行反應，在溫度達到373.0K時開始等等溫溫反應。計算A的轉(zhuǎn)化率達到0.98所需要的時間；若反應始終在373K等溫進行，所需反應時間又是多少？68解：絕熱反應過程的轉(zhuǎn)化率和溫度的關(guān)系由絕熱方程確定。注意到反應開始時混合

37、物中不含產(chǎn)物，即xA0=0，所以AiiArxCvnnqTT00ARiiAxVCvnCqTT/0r0 右端分子分母同除反應體積VR，得右端分母即是以kJ/(m3K)給出的反應混合物平均熱容AxT98.760 .326 69rA1.371012exp(-12628/T)CACBkmol/(m3s)1.371012exp(-12628/T)CA0(1-xA)(CB0-CA0 xA)所以AxAAArdxCt00AxAABAAAxCCxdxx000)(1 (1037. 1)98.760 .32612628exp(1270可知由AxT98.760 .326 當絕熱反應到373.0K開始等溫反應時, xA=

38、0.6105絕熱反應23.1min，A的轉(zhuǎn)化率達到0.6105后，開始在373.0K維持等溫反應，至xA=0.98止于是 t絕熱 = 23.1min98. 06105. 000)(1 (1037. 1)12628exp(12AABAAxCCxdxTt等溫min8 .1471所以，先絕熱再等溫的總反應時間是37.9min若反應始終再373.0K下等溫進行，則98. 0000)(1 (1037. 1)12628exp(12AABAAxCCxdxTt等溫min4 .16 思考 為什么先絕熱后等溫的反應時間較始終等溫的長？72例3-10鄰甲氧基重氮鹽水解反應生成鄰甲氧基苯酚OCH3CuSO4OHH2S

39、O4N2OCH3N2SO4H+H2O+反應動力學式為rAkCACB,以硫酸銅為催化劑，反應溫度96時2. 2 X 10-3M3/(kmolmin)，重氮鹽的初濃度CAO為0.25 kmol/m3，水初濃度CBO為5 kmol/m3，化學反應熱效應qr為502kJmol。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。73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-xA）， CB=CB0-CA0 xArA=k

40、CA CB= k CA0（1-xA）（CB0-CA0 xA）則 00AxAAArdxCt =xAAABAAAAxCCxkCdxC00000)(1 (=AABABABxxCCCCkC11ln)1 (100000=AAxx1)5/25. 0(1ln)5/25. 01 (5102 . 21374簡化為：)694.95/exp(05. 0)694.95/exp(1ttxA式RrAVqrq =中dtdxCdtdCrAAAA0則 RrAAVqdtdxCq0=AxArRAtdxqVCdtq000)(75積分得ArRAxqVcqt)(=0上式中qt即為反應進行至t時總需傳出熱量，亦即反應總放熱量，以Qt表示：

41、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AArPxxqNQt5028 . 0124101008 . 03即 Qt=5.06105xAkJ所需冷卻水量為kgxxCQGAAPtt5510151. 0)2230(18. 41006. 5水76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t（min）xAQt（kJ） Gt（kg） t（min）Q（kJ） G（kg）030609012015000.27930.47860.62170.72500.800001411602419003142503664604042900422072409400

42、109601209003030303030014116010074723605221037830042203020216015601130773.5 半間歇釜式反應器半間歇釜式反應器1、半分批操作形式 （）此種操作主要適應于以下幾種情況可以在沸騰溫度下進行的強放熱反應，用氣化潛熱帶走大量反應熱；要求嚴格控制反應物A濃度；濃度高，A和C濃度低對反應有利的場合；可逆反應。78（）主要適用于以下情況：要求嚴格控制鍋內(nèi)的濃度防止A過量副反應增加的情況；保持在較低溫度下進行的放熱反應;A濃度低，濃度高對反應有利的情況。79（）這種操作可以嚴格計量控制、的加料比例，而且可以保持和B都在低濃度下進行，適合于

43、濃度降低對反應有利的場合。80（）此種操作方式既能滿足A,B的比例要求，又能保持A, B在反應過程中的高濃度，對可逆反應尤為適合。812.半間歇反應器設計計算半間歇反應器設計計算 液相、等溫反應A + B C 按（b）形式進行操作 V1 FVO CAO V C x r 反應器內(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組分進行物料平衡，由恒算式加入量 - 反應消耗量 = 積累量)(00VCdVdtrdtCFAAAV100()()(1)AAAVAAd C Vdnd nF C txAAVAAVAdxtCFndtCFx)()1 (0010082dtxCFVrdxtCFnAAVA

44、AAVA)()(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 txCFVrxtCFnAAVAAAVA)()(00001平均若nA1=0，則 VdtrtxdCFAAAV=)(00寫成差分式為tVrtxCFAAAV平均)(=)(0083例3-12在半連續(xù)操作反應器中進行一級不可逆等溫反應A+BC，rA=kCA，先在反應器內(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。反應速度常數(shù)k=1.3310-2min-1。求（1）100分鐘后釜內(nèi)

45、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 VxtFkCkCrAVAAA)1 (00tVrtxCFAAAV平均)(=)(00txFkCVrAVAA)1 (0084）（平均1+1+21=)(iAiiAiAVrVrVr1121100iAiiAiAVtxtxCkF）（）（iittt1iAAiiAiAtxxtxtx111)(將)(txA、（rAV）代入式 得 tVrtxCFAAAV平均)(=)(00)(1/2() 1/2(21tttktxtkttxiiAiiAi85取t，初始條件i=0，t0=0和上

46、式進行迭代求解 例如取t=10min計算結(jié)果如下表：T（min）102030405060708090100 xA0.0620.1210.1740.2240.2690.3110.3490.3840.4170.44786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，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，對反應物A進行物料衡算加入量=反應量+累計量，也就是dtCVdVrCFARRAAV/ )(00其中87223

47、4/AAAACCtCdtdCrA= rR+2rS=2CA+CA2，F(xiàn)V0=1/3 m3/h，VR=1 + t/3于是一階非線性方程，可由計算機求其數(shù)值解t/hCA/kmolm-3t/hCA/kmolm-3002.00.33670.40.31032.40.31600.80.38022.80.29721.20.37833.00.28861.60.3503 88可見，加完A后釜內(nèi)A的濃度為0.2886 kmol/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進行物料衡算RRRRVrdtVCd/ )(又知rR=2CA 且VR=1 + t

48、/3，所以ARRCtdtVCd) 3/1 ( 2/ )(就是dtCtVCdAVCVCRRfRRRR30)()() 3/1 (2)(089注意到 t=0時，CR=0，CRVR=0； t=3時，VR=2，CRVR=2CR，所以dttCdtCCAARf303031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%xA/%YR/%SR/%間 歇99.8869.269.3半間歇85.5773.085.390 間歇釜式反應器思考題 1.間歇釜式反應器由哪幾部分組成？具有哪些特

49、點？主要用于何種反應？ 2.為什么間歇釜式反應器存在最佳反應時間？當考核指標不同時，最佳反應時間相同嗎？如何確定間歇釜式反應器最佳反應時間？ 3.如何確定間歇釜式反應器內(nèi)物料的反應溫度與反應時間的關(guān)系？ 4.寫出間歇釜式反應器的絕熱方程,并說明各項的含義。其有什么用途？ 5.若某放熱反應在間歇釜式反應器中等溫操作，如何確定冷卻水的流量？ 6.半間歇釜式反應器的工藝計算與間歇釜式反應器有何異同點？對于平行反應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）熱反應分別進行絕熱操作和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