第3章-理想流动均相反应器设计

1.间歇搅拌釜式反应器2.均相管式反应器3.理想流动釜式反应器①特征②数学模型③优化结构特征浓度特征时间特征)(icft优化组合转化率高选择性强④设计计算（1）理想流动釜式反应器串联及优化（2）理想流动釜式反应器热稳定性分析第3章理想流动均相反应器设计电动机减速箱液面液体进料管夹套排料口疏水阀桨叶搅拌轴测温管档版固体进料液体进料3.1间歇釜式反应器第3章理想流动均相反应器设计（14学时）①搅拌均匀，浓度均一（分子尺度）；——无需考虑传递问题；②器内物料同时开始和停止反应；——具有相同的反应时间（停留时间）。※BSTR的操作特点0-3.间歇釜式反应器的优点——操作灵活，适应性强。①操作条件可随产品不同而改变；②批量可小可大；③反应时间可长可短；0-4.间歇釜式反应器的缺点——耗费卸料、装料等辅助时间。第3章理想流动均相反应器设计3.1.1BSTR的一般设计方程),,,(tzyxfcA),,,(tzyxfT......数学模型显然，要建立包含空间、时间变量的数学模型并非易事第3章理想流动均相反应器设计※先对实际反应器内物料的流动状况进行简化（1）建立极限流动状况下的数学模型；（2）用理想流动模型建立实际反应器流动模型理想流动模型混合均匀完全没有混合——全混流——活塞流因实际反应器内物料的流动状况肯定介于两理想流动模型之间第3章理想流动均相反应器设计thekineticequationthemassbalanceequationtheenergybalanceequationthemomentumbalanceequation计算反应体积计算温度变化计算压力变化第3章理想流动均相反应器设计（14学时）※建立设计方程的依据计算反应时间※对整个反应器进行物料衡算：dtdxndtdnVrAAARA0流入量=流出量+反应量+累积量00单位时间的反应量=单位时间的积累量AfxAAArdxVnt000（一般式）第3章理想流动均相反应器设计（14学时）)1(0AAAxnn第3章理想流动均相反应器设计（14学时）AfAAfccAAxAAArdcrdxct0003.1.2.等温等容过程其中—反应时间—t—最终转化率—Afx—初始浓度；—0Ac—最终浓度—Afc—动力学方程—Ar—瞬时转化率；—Afx（1）设计方程（2）等温等容过程设计方程的图解积分AAxAAAxrrdxCtAf100AACCAAcrrdctAA10AAAfccAAxAAArdcrdxct000第3章理想流动均相反应器设计（14学时）反应速率AAcckt0lnAfxAAArdxct00Axkt11ln011AAccktAAAxxktc10AAccAArdct0（3）一、二级不可逆反应的积分方程第3章理想流动均相反应器设计（14学时）AAkcr2AAkcr（4）等温等容液相单一可逆反应的动力学及积分方程反应动力学方程积分方程可逆反应(产物初始浓度为零)LAMLALBAMLBAMLA2LBA2)(00BAcc)(00BAcc)(00BAccLcAcAckckdtdcMLcAcAcckckdtdcLcBAcAckcckdtdcMLcBAcAcckcckdtdcMLcAcAcckckdtdc22LcBAcAckcckdtdc0ln)(AAfcccctkk02000)(lnAAeAAAeAAAAAccccccccccctkAAeAAeAeAccxxxxxcKtk)12(ln20AAeAAeAeAccxxxxxcKtk)12(ln0AAeAAeAeAccxxxxxcKtk)12(ln40ln(*))2(00AeAAeAeAcccccctk202000)()()(*AAeAAAeAAeAAeAcccccccccc（5）温等容液相多重反应的动力学方程及积分式（产物初始浓度为零）反应动力学方程动力学方程积分式LAMALM1k2k1k2kAAckkdtdc)(21ALckdtdc1AMckdtdc2])(exp[210tkkccAA]})(exp[1{210211tkkckkkcAL]})(exp[1{210212tkkckkkcAMAAckdtdc1LALckckdtdc21LMckdtdc2)exp(10tkccAA)]exp()[exp(122101tktkkkckcAL])exp()exp(1[21112200kktkktkkcccccALAAM以醋酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B，已知反应速率，试求醋酸转化率分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。已知醋酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3。)/(045.132hmkmolCrAA[分析与解答]CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2O(A)(B)(C)(D)对每1kmolA而言，投料情况如下表：【例题】醋酸（A）正丁醇（B）1kmol4.96kmol60kg368kg0.062m30.496m3该反应为液相反应，反应过程中体积不变，且每次投料体积V=0.0625+0.496=0.559m3。300/79.1559.01mkmolVNcAA)1(10020AfAfAxAAAxxkckcdxctAf分别将代入上式计算可得99.09.05.0、、xAfht535.0)5.015.0(045.179.115.0ht81.4)9.019.0(045.179.119.0ht9.52)99.0199.0(045.179.1199.0计算结果表明：转化率越高，反应时间越长，而大量时间花在高转化率上。（6）间歇釜式反应器的工程放大①计算反应时间：AfAfxAAAxAAArdxCrdxVnt00000②确定辅助时间并计算：0t③将物料质量处理处理成单位时间的体积量mQ0④计算反应器的反应体积：)(00ttQVR0tt操作时间第3章理想流动均相反应器设计（14学时）⑤根据物料特性确定装料系数，计算反应器体积ffVVRt对于沸腾或鼓泡的物料：6.0~4.0f对于不沸腾或不鼓泡的物料：85.0~7.0f⑥对设备结构如搅拌装置进行合理放大。⑦依据反应物系的腐蚀性能、操作压强的大小和环保要求，选用不同材质的反应器。第3章理想流动均相反应器设计（14学时）【工程放大举例】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1200kg，其化学反应式为OHHCOOCCHOHHCCOOHCH2523523ABRS原料中反应组分的质量比为：mA:mB:mS=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，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1h。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程为)(1KcccckrSRBAAmin),/(1076.441molLk100℃时，平衡常熟K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的体积。根据反应物料的特性，若反应器填充系数取0.75，则反应器的实际体积是多少？解：首先计算原料处理量Q0，根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时的乙酸用量式中88位乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料中乙酸、乙醇与水的质量比为1：2：1.35，所以1+2+1.35=4.35kg原料液hkmolQA/23.1635.0248812000含1kg乙酸，由此可求出单位时间内的原料液量为式中，60位乙酸的相对分子质量，原料液的起始组成如下乙醇和水的相对分子质量为分别为46和18，通过乙酸的起始浓度和原谅中各组成的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度hmQ/155.4102035.46023.1630LmolcA/908.3155.423.160LmolcB/2.1046260908.30LmolcS/59.171835.160908.30由BSTR数学模型求出反应时间AfxAAArdxct00（3-4）由模型可知，须将题给的速率方程转变成转化率的函数由各组分的起始浓度和转化率计算出各组分的瞬时浓度);1(0AAAxccAABBxccc00;0AARxccAASSxccc0020211)()(AAASRBAAccxbxakKcccckr式中，;00ABcca);1(0000KccccbASABKc11将变换后的速率方程代入BSTR数学模型（3-4）得反应时间axacbbaxacbbacbckcxbxadxcktAfAfAxAAAAAf2)4(2)4(ln411222010201由a、b及c的定义式知;61.2908.32.1000ABcca;15.5)92.2908.359.17908.32.101()1(0000KccccbASAB6575.092.21111Kc434.46575.061.24)15.5(422acb将有关数据代入反应时间方程，得min8.11861.2235.0)434.415.5(61.2235.0)434.415.5(ln434.4908.31076.414t由式（3-7）所需反应体积30038.12)1608.118(155.4)(mttQVR由充填系数计算反应器的实际体积351.1675.038.12mfVVRt（7）反应时间的优化①问题分析0tt操作时间单位操作时间产量随操作时间的变化关系单位操作时间产物产量最优操作时间0t不变；t延长；Ac降低Ar减小；第3章理想流动均相反应器设计（14学时）ct②建立目标函数单位产量总操作时间最终总产量0ttCVPRRR存在极值的必要条件：0)()(200ttcVdtdcttVdtdPRRRRR即:0ttcdtdcRR（最优条件式）对于反应：RA第3章理想流动均相反应器设计（14学时）最优条件式分析与图解方法ADMDttcdtdcRR0根据确定A点，由A点作直线与曲线相切，得切点M，由M点坐标确定。0t第3章理想流动均相反应器设计（14学时）OAD0tRctMADMD邻边对边斜率C图解法确定最优操作时间t)(tfcR注意：目标函数不同，结果也不同若以生产费用最低为目标，设单位时间内操作费用为辅助操作费用为，固定费用为，则单位质量产品的总费用为，即a0afaTARRfTcVataatA000dtdATaatatcdtdcfRR/)(00第3章理想流动均相反应器设计（14学时）极值条件：OBEaataf/)(00NFtRc图解法确定最优操作时间第3章理想流动均相反应器设计（14学时）3.1.3BSTR的热量衡算WWpVWaqArATVCTTAKVHr)()(（3-6）（1）热量传递式（2）绝热升温式)()(00TTVCVdtHrpVtArA（3-7）（3）一级反应绝热温升式)/(00RTEktpVAeCckdtdT（3-9）※CSTR简介第3章理想流动均相反应器设计（14学时）（1）CSTR的结构特点——同BSTR。（2）CSTR的操作特点——连续操作。连续操作系统图0Ac00AF,0AfFAfxAfcRVAr*混合均匀；*内外同一；*物料粒子的停留时间分布参差不齐。*不仅有混合，而且有返混，两者达到最大程度；第3章理想流动均相反应器设计（14学时）*混合与BSTR一样，返混与BSTR不同；（3）物料流动状况*稳态流动；流入量=流出量+反应量+累积量0RfAAfAAVrxc