精细化工过程与设备 第二章上

r
Ai
=
− 1
i
−
1
τ
c
i
Ai
+
1
τ
c
i
Ai
− 1
直线斜率为 τ ，横坐标轴上截距 为 c Ai − 1 。曲线与直线的交点，同 时满足动力学方程式和物料衡算 式，故交点所对应的坐标值即为 某段反应器内的反应速率rAi和出口 浓度cAi。
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2.3.2 多段连续釜式反应器 • 1、解析法
– 用单段理想连续釜式反应器的计算方法依次进行各段计算， 直至达到要求的转化率为止。现以一级不可逆反应为例说明。
cAi−1 cAi = = 1+ kiτi
∏(1+ k τ )
i i i 1
cA0
由解析法可以进行各种类型反应的计算，且计算结果准确度高，是连续 釜式反应器的主要计算方法、不足之处是计算繁杂。
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2.3 连续操作釜式反应器工艺计算
• 如采用都等于VR的釜式反应器串联连续操作，已知初始浓度cA0和 要求的最终转化率xAf及物料处理量V0，即可在rA—cA图上求出串联 段数。 • 其步骤是：先作出动力学方程曲线，然后从横轴上cA0点出发，作 V • 斜率为 − V0 的直线．与动力学曲线相交，在横轴上得点cA1，从 V R − 0 的平行直线与动力学曲线相交得c 。 • cA1出发，再作斜率为 VR A2 重复上述做法，直至与动力学 曲线所得交点的浓度小于或等 于最终转化率相对应的浓度 cAf为止。这时所作的平行直线 数就是所求段数，如图所示
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2.1 概述
• • 2．1．1 釜式反应器构型 精细化工生产中经常遇到 气—液、液—液和液—固相反 应，应用最为广泛的一类反应 设备就是釜式反应器 釜式反应器。 设备就是釜式反应器。图示的 是一种标准釜式反应器， 是一种标准釜式反应器，它由 钢板卷焊制成圆筒体 圆筒体， 钢板卷焊制成圆筒体，再焊接 上由钢板压制的标准釜底 釜底， 上由钢板压制的标准釜底，并 封头、 配上封头 夹套、搅拌器等零 配上封头、夹套、搅拌器等零 部件。按工艺要求， 部件。按工艺要求，可选用不 同型式的搅拌器和传热构件。 同型式的搅拌器和传热构件。 标推釜底一般为椭圆形， 标推釜底一般为椭圆形，有时 根据工艺上的要求， 根据工艺上的要求，也可以采 用其他形式的釜底， 平底、 用其他形式的釜底，如平底、 半球底、锥形底等 半球底、锥形底等。
2.2 间歇操作釜式反应器工艺计算
近似:
全混流，等容过程
计算：
求出为达到一定转化率所需的反应时间 结合非生产时间和每小时要求处理的物料量，计算反应器体积。 2.2.1 反应时间 物料衡算
− rAV
∵
R
d τ
= dn
A
n A = n A0 (1 − x A )
∴
dn A = −n A0 dx A
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2.3 连续操作釜式反应器工艺计算
• 图解法 图解法：首先，根据动力学方程式或实验数据作出操作温度下的 rA—cA的关系曲线。然后在同一图上，作出相同温度下由某段反应 器物料衡算式所表示的rA—cA操作线，此为一直线，如图所示。
决定反应器的实际体积，应考虑装料系数φ
V =
设备台数
V R
φ
V m= V a
设备后备系数
Leabharlann Baidu
mP − m δ= ×100% m
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2.3 连续操作釜式反应器工艺计算
• 整个化学反应过程都 在较低的反应物浓度 下进行 • 为完成相同产量，理 想连续釜式反应器所 需体积大于理想管式 流动反应器所需体积 • 连续釜式反应器可采 用多段串联操作
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• 如已知处理量V0、初始浓度cA0和要求的终止浓度cAf，要 确定段数和各釜体积，也可以在图上试算。当各釜体积相 同时，在cA0和cAf之间可以作出多组有不同斜率和不同段 数的平行直线，表示段数N和各釜体积VR值的不同组合关 系。通过技术经济比较，其中最优的一组为所求的解。如 段数N也已选定，只要在图上调整平行线的斜率，使之同 时满足cA0、cAf和N，由平行线斜率即可求得VR 。 • 如各段反应器操作温度不同就需要作出各种操作温度下的 动力学曲线，结合相同温度的操作线求交点。 • 述图解法只在动力学方程式可用一种反应浓度函数关系表 示时才适用。
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2.3 连续操作釜式反应器工艺计算
• 2.3.2 多段连续釜式反应器
τ
i
=
c
Ai
− 1
−
Ai
c
Ai
r
计算多段理想连续釜式反应器的目的主要是根据处理的物料量决定达到一 定转化率所需釜段数、各段釜体积和相应转化率等
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2.2 间歇操作釜式反应器工艺计算
rAVR dτ = n A0 dx A
积分，得
dτ =
n
dx V R rA
A 0
A
τ
τ
= nA0 ∫
xAf
0
xA f
dxA rV A R
d A x r A
等容过程
= cA0 ∫
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2．1．2 釜式反应器的特点及其应用
• 釜式反应器的优点
– – – – – 结构简单 加工方便 传质、传热效率高 温度浓度分布均匀 操作灵活性大，便于控制和改变反应条件
• 应用广泛
– 适合于多品种、小批量生产。 – 适应于各种不同相态组合的反应物料 – 几乎所有有机合成的单元操作
• 缺点
– 间歇操作时，辅助时间有时占的比例大 – 对于大吨位产品，需要多台反应器同时操作，增加产品成本。
• 发展趋势
– 近年来，釜式反应器趋向于设备大型化、操作机械化、控制自动化，使 劳动生产率大为提高。
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第二章 釜式反应器
（上）
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第二章 釜式反应器 2.1 概述 2.2 间歇操作釜式反应器工艺计算 2.3 连续操作釜式反应器工艺计算 2.4 搅拌器 2.5 传热装置
0
对于一级反应
τ
=
1 1 l n k 1− xAf
对于二级反应
τ=
kcA0 (1− xAf )
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xAf
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2.2 间歇操作釜式反应器工艺计算
2.2.2 反应器有效体积VR
VR = V (τ +τ ′) 0
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2.3 连续操作釜式反应器工艺计算
• 2.3.1 单段连续釜式反应器
– 理想连续釜式反应器内温度均一，不随时间而变，为等温反应器。 – 由于釜内浓度均一，不随时间改变，故可对全釜有效体积和任意时间 间隔作物料衡算。衡算式中釜内物料累积量为零，反应速度应按出口 处浓度和温度计算。 物料衡算式 平均停留时间 对于等容一级反应
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FA0 ∆τ − FA0 (1 − x Af )∆τ − rAVR ∆τ = 0
τ=
cA0 xAf
rA x Af τ= k (1 − x Af )
τ=
kc A0 (1 − x Af ) x Af
2
对于等容二级反应
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