6-第3章-理想流动均相反应器

第3章理想流动均相反应器设计河北科技大学化学与制药工程学院张向京•3.1间歇釜式反应器(BSTR)•3.2稳态全混流反应器(CSTR)•3.3平推流管式反应器(PFR)•3.4反应器类型、操作方式及过程优化化学动力学方程物料衡算方程热量衡算方程动量衡算方程第2章中讲过计算反应体积计算温度变化计算压力变化反应器设计的基本方程物料衡算方程某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量反应消耗累积流入流出反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇釜式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√3.1间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征基本结构3.1间歇釜式反应器操作状态特点:1由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产精细化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定3.1间歇釜式反应器3.1间歇釜式反应器对整个反应器进行物料衡算RddAAnrVt流入量=流出量+反应量+累积量00单位时间内反应量=单位时间内消失量二、间歇釜的一般设计方程温度浓度均一AfAfA0AA000RdxxAAAnxdxtcVrr入口物料中不含产物的情况3.1间歇釜式反应器A0ARA0d(1)dddAAnxxrVnttAA0A(1)nnx由于分离变量并积分3.1间歇釜式反应器AfAfA0AA00dxcAcAAdxctcrr等容过程，液相反应AA0AAA0A1ddccxccx－AAA0ddcxc以转化率表示，主要是着眼于原料的利用率，或是减轻反应后的分离任务。以残余浓度表示，主要是为了适应后续工序的要求，如有害杂质的去除。1/(rA)VxA0xAfxt/cA01/(rA)VcAfcA0cAt1/rA－xAt/cA01/rA-cAt3.1间歇釜式反应器AfAfA00A001xAAxAAdxtcrtdxcrAfA0A0AfAAd1dccAccActrtcr图解积分反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1AArkcArk2AArkcAAnrkcA0AlncktcA0AktccA0AktcxAA0ktcce1ktAxe1ln1AktxAA011ktccAA0A11xktcxAA0ccktA0AktxcA0AA01cccktA0AA01cktxckt11AA01()1nnktccn11AA011(1)nnxnckt－（－）3.1间歇釜式反应器等温等容过程的积分结果由表中所列结果，可以得出以下几点结论：(1)对于任一级反应，当cA0、xA或cA确定后，kt即为定值：当k↗，t↘；当k↘，t↗。(2)当转化率xA确定后，反应时间与初始浓度的关系和反应级数有关。0级反应：，成正比1级反应：，无关2级反应：，成反比利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数，例如确定xA，然后测定的关系，判别反应级数。A0tc与A0Aktcx1ln1AktxA0tc与AA0A11xktcxA0tc与3.1间歇釜式反应器A0tc与0级反应：，直线下降1级反应：，较缓慢下降2级反应：，缓慢下降对于一级或二级不可逆反应，在反应后期cA的下降速率，即xA的上升速率相当缓慢，若追求过高的转化率或过低的残余浓度，则在反应后期要花费大量的反应时间。Act随(3)残余浓度和反应时间的关系（转化率和反应时间的关系）与反应级数有关。AA0ccktAA0ktcceAct随Act随A0AA01ccckt3.1间歇釜式反应器3.1间歇釜式反应器三、间歇釜的热量衡算蛇管电加热3.1间歇釜式反应器外盘管3.1间歇釜式反应器[单位时间内由反应产生的热量]=[单位时间内通过冷却面传出的总热量]=[单位时间内由冷却介质带走的总热量]反应等温进行时：qWapvWW()()AArr-HVKAT-TCVT3.1间歇釜式反应器四、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化1工程放大AfA00xAAdxtcr反应物达到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率，与反应器的大小无关，反应器的大小由反应物料的处理量决定。实验室结果工业过程反应条件相同设备结构合理放大3.1间歇釜式反应器反应时间t辅助时间t0反应体积＝单位时间所要处理的物料体积×操作周期由生产任务决定装料卸料清洗R00VvttRtVV填充系数沸腾或鼓泡的液体，可取0.4－0.6不沸腾或不鼓泡的液体，可取0.7－0.85为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml反应液用0.515mol/L的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90%。试计算反应器的实际体积。假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。(装料系数取0.8）3.1间歇釜式反应器时间，min010203050∝NaOH用量，ml52.532.123.518.914.410.5例3-1：丙酸钠与盐酸的反应：2525CHCOONa+HClCHCOOH+NaClABRS3.1间歇釜式反应器解：利用与NaOH的当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为：于是可求出A的平衡转化率：NaOHAB051510.VccAe52510508525..x..AAe90072xx%.AA00515525(1)(1-0.72)=0.75710A..ccx此时，010203040500.51.01.52.02.53.0c(mol/L)t(min)3.1间歇釜式反应器由图中可以得出，当CA=0.757mol/l时，所对应的反应时间为48min。由于在同样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是48min。丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min。所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min。A00A01564=5784L/min005155251000F.v.c../原料处理量为：3.1间歇釜式反应器R00=()5784482010=4512LVvtt.反应体积为：TR==4512/0.8=5640LVV/因此，反应器的实际体积为：