6 连续操作反应釜的计算2015.11.9

项目2 理想连续操作釜式反应器的计算
一、单个连续操作釜式反应器的计算 二、多个串联连续操作釜式反应器的计算
课前思考
1.反混的定义、危害？ 2.间歇操作釜式反应器存不存在反混？为什么? 3.连续操作釜式反应器存不存在反混？降低反混 的措施？
二、多个串联连续操作釜式反应器
单个连续操作釜式反应器存在严重的返混，使反应器内 反应物的浓度下降，降低了大多数反应的反应速率。 由于返混，有些物料质点在釜内停留时间很长，容易在 某些反应中导致副反应的增加。 为了降低返混的程度，又发挥其优点，可采用多个连续 操作釜式反应器的串联。 （1）抑制返混的程度； （2）在各釜内控制不同的反应温度和物料浓度以及 不同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求。
• 在连续操作釜式反应器内，过程参数与空间位置、时间 无关，各处的物料组成和温度都是相同的，且等于出口 处的组成和温度。 • 下图为单个连续操作釜式反应器的性能示意图。
2、单个连续釜式反应器的计算通式
• 计算连续操作釜式反应器的反应体积时，可以对整个反 应釜作某一组分的物料衡算。在稳定状况下，没有物料 累积，则有 单位时间内 单位时间内 单位时间内 单位时间内 物料进入量 物料排出量 反应消耗量 物料累积量
1、返混及其对反应过程的影响
（2）返混对反应过程的影响
间歇釜式反应器存在剧烈的搅拌与混合，但不会导 致高浓度的消失。
间歇釜式反应器中彼此混合的物料是在同一时刻进入反 应器的，在反应器中同样条件下经历了相同的反应时间 ，具有相同的性质和浓度，这种浓度相同的物料之间的 混合，不会使原有的高浓度消失。
• 上两式为多釜串联恒容反应器计算的基本公式 ，具体应 用仍然按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计 算，直至达到要求的转化率为止。
(1)有效体积
•
• • • 第一釜的有效体积 第二釜的有效体积 …… 第ｉ釜的有效体积 …… 第N釜的有效体积
VR1 V0 c A0
x A1 x A0 (rA )1
二、多个串联连续操作釜式反应器
单个连续操作釜式反应器存在严重的返混，使反应器内 反应物的浓度下降，降低了大多数反应的反应速率。 由于返混，有些物料质点在釜内停留时间很长，容易在 某些反应中导致副反应的增加。 为了降低返混的程度，又发挥其优点，可采用多个连续 操作釜式反应器的串联。 （1）抑制返混的程度； （2）在各釜内控制不同的反应温度和物料浓度以及 不同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求。
同一时刻进入反应器的物料之间的混合，并不改变 原有的物料浓度。
1、返混及其对反应过程的影响
（2）返混对反应过程的影响
连续釜式反应器中存在的都是早先进入反应器并经 历了不同反应时间的物料，其浓度已经下降。进入 反应器的新鲜高浓度物料一旦与这种已经反应过的 物料相混合，高浓度自然会随之消失。
这种混合是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是 不同浓度、不同性质物料之间的混合，属于返混。 它造成了反应物高浓度的迅速消失，导致反应器的生产 能力下降。
xA 0.8
1 0.8 1 8.5h 1.97 0.004 1 0.8 60
例1 解答
解：己二酸的分子量：146，每小时己二酸的进料量：
2400 FA0 0.684kmol / h 24*146 FA0 0.684 每小时处理的物料量：V0 171( L / h) cA0 0.004 有效体积VR V0 (t t ') 171*(8.5 1) 1625L 1.63m3 实际体积V VR 2.17m3
一级反应相关计算
I 解析法：前一釜出口浓度是后一釜入口浓度，逐釜依次 计算，直到达到要求的转化率 1 一级不可逆反应： 第一釜的体积： 第二釜的体积：
VR1
V0 x A1 x A0 k1 1 x A1
V0 x A2 x A1 VR 2 k 2 1 x A2
VRN V0 x AN x A( N 1) k N 1 x AN
FA0
FA
(rA )VR
FA0 FA ( rA )VR , FA0 进口物料A的摩尔流量，kmol / h FA 出口物料A的摩尔流量，kmol / h VR 反应器体积
其中，FA FA0 (1 xA ) 得到：FA0 xA (rA )VR
又FA0
VR c A0 v0 , v0
模块四 釜式反应器的计算
理想连续操作釜式反应器的计算
理想连续操作釜式反应器的计算
一、单个连续操作釜式反应器的计算
二、多个串联连续操作釜式反应器的计算
课前思考
反应器的操作方式有哪些？ 理想流动模型的包括哪两种？ 理想混合流动模型特点是什么？
1、连续操作釜式反应器的特点
连续操作釜式反应器的结构和间歇操作釜式反应器相同 ，但进出物料的操作是连续的，即一边连续恒定地向反 应器内加入反应物，同时连续不断地把反应产物引出反 应器。 这样的流动状况很接近理想混合流动模型或全混流模型 。
VR cA0 xA cA0 cA 已知： v0 (rA ) (rA )
求：一级、二级反应的平均时间公式？ 并比较间歇反应器的一、二级的反应时 间？
3、计算
• 例1 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩 尔比在70℃等温过程用间歇釜，并以硫酸作催化剂 进行缩聚反应而生产的。反应动力学方程式为 rA=kc2A，反应速度常数k=1. 971/(kmol· min)，己二 酸初始浓度cAO为0.004kmol/L。若每天己二酸的进 料量为2400kg。 • 求（1）己二酸转化率分别为0.8 时所需的反应时间 为多少？（2）若每批生产时间为1h，反应器装填 系数为0.75，求此时反应器的体积。
1、返混及其对反应过程的影响
（1）返混 返混不是一般意义上的混合，它专指不同时刻进入反应器
的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质 点之间的混合。返混改变了反应器内的浓度分布，使器内 反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。 返混是连续化后才出现的一种混合现象。 间歇反应器中不存在返混，理想置换反应器是没有返混 的一种典型的连续反应器，而理想混合反应器是返混达 到极限状态的一种反应器。
v0 进口物料的体积流量，m3 / h
物料在釜式反应器的平均停留时间，h
c A0 , c A 进料和出料中反应物A的浓度，kmol/m3
VR cA0 xA cA0 cA v0 (rA ) (rA )
此即为通式，以不同的 (rA ) 和已知条件代入，便可对 不同反应的计算式中任意一项进行计算。
VR 2 V0 c A0
VRi V0 c A0
x A 2 x A1 (rA ) 2
(rA ) i
x AHale Waihona Puke Baidu x A(i 1)
VRN V0 c A0
x AN x A( N 1) (rA ) N
• 则反应器的总有效体积为
VR VR1 VR 2 VRi VRN
3、计算
• 例题2
例题2 解答
例题3
例题3 解答
例题3 解答
例题4
• 有一分解反应，反应如下，在一搅拌良好的连续操 作的釜式反应器中进行，其中cA0=4mol/L, cR0=cS0=0,物料的流量为5L/min,试求当反应物A的转 化率为80%时，反应器的有效体积。
A R (目的产物), rR c A S (副产物), rR 2c A
• 如图所示
• 对于稳定操作、恒容过程的单釜以组分A为基准进行物 料衡算：
单位时间内 单位时间内 单位时间内 单位时间内 物料进入量 物料排出量 反应消耗量 物料累积量
FA0
FA
(rA )VR
0
• 故有
FA0 FA (rA ) VR
VR i FA0
• 式中 i 则有
V Ri 为物料在第ｉ釜内的平均停留时间，以 V 表示 0
c A(i 1) c Ai VRi i V0 (rA ) i
• 若改浓度为反应转化率形式表示，则有
x Ai x A(i 1) VRi i c A0 V0 (rA ) i
1、连续操作釜式反应器的特点
（1）反应器中物料浓度和温度处处相等，并等于反应器出口 物料的浓度和温度。 （2）反应器内物料的所有参数，如浓度、温度等不随时间变 化，故不存在时间这个变量。 （3）稳定操作条件下，物料的加料速度不随时间发生变化。 （4）由于连续操作，反应釜不存在间歇操作中的辅助时间问 题.
c A1 c A0 (1 k1 1 )(1 k 2 2 )
1 k 2 2
c A3
c A2 1 k 3 3

c A0 (1 k1 1 )(1 k 2 2 )(1 k 3 3 )

例1
（3）若采用搅拌良好的连续操作的釜式反应器进行生产，反 应条件不变，求转化率为0.8时的反应时间和反应器体积。
解
例1
xA xA xA cA0 c A0 2 2 (rA ) kc A0 (1 x A ) kc A0 (1 x A ) 2 1 0.8 2538 min 42.3h 2 1.97 0.004 (1 0.8) FA0 0.684 每小时处理的物料量：V0 171( L / h) c A0 0.004 有效体积VR V0t 171* 42.3 7233L 7.23m3
例1 解答
解：以rA=kc2A代入积分得：对于其他各种不同反应的动力学 方程式都可以代入进行积分计算，便可求得反应时间和转 化率的关系。 x A dx xA dxA xA 1 A cA 0 c A0 2 2 0 0 kc (1 x ) rA kcA0 (1 x A ) A0 A
VR c A0 c A V0 (rA )
• 整理得
2、多釜串联连续釜式反应器的计算
FA0
C A0
FA1
FA 2
2
C A2
FAi1
C Ai1
FAi
FA, N 1
FAN
C AN
1
C A1
i
C Ai
C A, N 1
N
任一釜i物料衡算
FA(i1) FAi (rA )iVRi
( xAi xA(i 1) ) (rA )i cA0V0 ( xAi xA(i 1) ) (rA )i
2 A
例题4 解答
cA0 cA VR c A0 x A c A 0 c A 2 v0 ( rA ) ( rA ) c A 2c A cA0 cA 4 0.2 2 8.6 min 2 c A 2c A 0.2 2 0.2 VR V0 43.18 L
AP
rA kc A
VRi c Ai1 c Ai i V0 k i c Ai
对第i釜，按以上公式有
c Ai
c Ai1 1 ki i
(2)浓度cA、反应时间t、转化率x
c Ai c Ai1 1 ki i
c A1
c A2
i=1 i=2 i=3
c A0 1 k1 1
降低反混的措施：
多个连续操作釜式反应器串联 具 有 相 同 的 出 口 转 化 率
只有在最后一个釜的反应物浓度与单釜操作时相同，处 于最低的出口浓度，其它各釜的浓度均比单釜操作时的 浓度高 ；提高了反应速率。
2、多釜串联连续釜式反应器的计算 • 假设：
1.多釜串联连续操作釜式反应器中各釜内均为理想混合 2.各釜之间没有逆向混合
第N釜的体积：
例题5
• 问题：用两个串联连续操作的釜式反应器生产乙酸丁酯，第一只釜的 乙酸转化率为32.3%，第二只釜的乙酸转化率为50%，反应条件和产 量不变，试求各釜式反应器的有效体积。
(2)浓度cA、反应时间t、转化率x
VRi c Ai1 c Ai i V0 rAi
以下对一级反应