反應工程第三章釜式反應器反應工程第三章1本章重點等溫間歇釜式反應器的計算（單一反應、平行與連串反應）。連續(xù)釜式反應器的計算。空時和空速的概念。連續(xù)釜式反應器的串聯(lián)和并聯(lián)。釜式反應器中平行與連串反應選擇性的分析，連接和加料方式的選擇。連續(xù)釜式反應器的熱量衡算式。本章重點等溫間歇釜式反應器的計算（單一反應、平行與連串反應）2第三章-釜式反應器課件3釜式反應器釜式反應器可用于均相、多相反應，且三種操作方式皆適用，因此釜式反應器又被稱為萬能反應器。釜式反應器釜式反應器可用于均相、多相反應，且三種操作方式皆適4第三章-釜式反應器課件5間歇操作(batchreactor,BR)連續(xù)操作(continuousstirredtankreactor,CSTR)

*反應器內物料溫度、濃度處處均一（攪拌器）間歇操作連續(xù)操作*反應器內物料溫度、濃度處處均一（攪拌器）6反應器設計的基本內容：選擇合適的反應器類型確定最佳操作條件計算完成規(guī)定的生產任務所需的反應器體積（尺寸）最終的目標是經濟效益最大(實際上不應該僅僅針對反應系統(tǒng)，應該包括整個過程)反應器設計的基本內容：7注意的問題首先要選擇控制體如果反應器內各處濃度均一，衡算的控制體選擇整個反應器。如果反應區(qū)內存在兩個或兩個以上相態(tài)，反應體積內各點的反應物料組成未必相同，這時只能選擇微元體積作為控制體。對于復雜反應，方程數大大增多注意的問題首先要選擇控制體83.1釜式反應器的物料衡算式特征：反應器內各處溫度和濃度均一,且與出口一致

取時間間隔dt，反應器內組分i的累積量為dni組分i進入的量

組分i流出的量

組分i反應掉的量-3.1釜式反應器的物料衡算式特征：反應器內各處溫度取時間間93.1釜式反應器的物料衡算式

根據總的物料衡算式，則有：寫成其中3.1釜式反應器的物料衡算式根據總的物料衡算式，則有：寫成103.1釜式反應器的物料衡算式連續(xù)釜式反應器間歇釜式反應器代數方程微分方程累積速率3.1釜式反應器的物料衡算式連續(xù)釜式反應器間歇釜式反應器代微113.2等溫間歇釜式反應器的計算特點反應器內濃度處處相等，可排除傳質的影響反應器內溫度處處相等，可排除傳熱的影響物料同時加入，所有物料具有相同的反應時間優(yōu)點操作靈活，可適應不同的操作條件與不同的產品，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品缺點裝料、卸料等操作要耗費一定時間(輔助時間)，產品質量不易穩(wěn)定，操作相對復雜3.2等溫間歇釜式反應器的計算特點123.2等溫間歇釜式反應器的計算

間歇操作的操作時間分成反應時間、輔助時間兩部分反應時間t

由開始反應到停止反應（達到生產要求時）所經歷的時間，設計反應器的關鍵即為確定反應時間，進一步根據產量確定反應器的有效體積。輔助時間t0

操作時間中除去反應時間之外的時間，包括裝料、卸料、加熱、冷卻和清洗等時間。3.2等溫間歇釜式反應器的計算間歇操作的操作時間分成133.2等溫間歇釜式反應器的計算因為積分得3.2等溫間歇釜式反應器的計算因為積分得143.2等溫間歇釜式反應器的計算對于單一反應：對恒容過程有：等溫反應(k為常數),代入(3.8)積分3.2等溫間歇釜式反應器的計算對于單一反應：對恒容過程有：等15一級反應非一級反應反應時間相同達到一定轉化率所需的反應時間與反應器大小無關，只取決于動力學因素。溫度越高，速率常數k越大，則達到相同轉化率所需的反應時間t越短。區(qū)別t與cA0無關t與cA0有關一級反應非一級反應反應時間相同達到一定轉化率所需的反應時16例：在等溫間歇反應器中進行乙酸乙酯皂化反應：該反應對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/L，反應速率常數等于4.6L/(molmin)。試求乙酸乙酯轉化率分別達到80％、90％和95％時的反應時間。解：得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5min例：在等溫間歇反應器中進行乙酸乙酯皂化反應：該反應對乙酸乙酯173.2等溫間歇釜式反應器的計算反應時間t輔助時間t0反應體積實際反應器體積計算反應器體積VrQ0為處理能力，指單位時間內處理的反應物料的體積f為裝填系數3.2等溫間歇釜式反應器的計算反應時間t輔助時間t018表3.1間歇釜式反應器單一反應結果表3.1間歇釜式反應器單一反應結果19反應物濃度對反應結果的影響表現為反應級數

以轉化率為目標，達到相同轉化率需反應時間

零級反應，反應時間與初始濃度成正比

一級反應，反應時間與初始濃度無關

二級反應，反應時間與初始濃度成反比導數隨反應時間變化不同：

零級反應，成線性關系

一級或二級反應，反應時間增加則導數值下降，特別是二級反應，在反應后期，增加反應時間對反應的轉化率的提高不多。速率常數k值的提高將導致相應反應時間減少

即提高反應溫度將使反應速率增加速率常數k值的提高將導致相應反應時間減少

即提高反應溫度將使20例3.1酯化反應,原料配比A:B:S=1:2:1.35,XAf=0.35,密度1020kg/m3,輔助時間t0=1hr,裝填系數f=0.75,產量12000kg/Day,求反應體積?解:

原料處理量初始濃度例3.1酯化反應,原料配比A:B:S=1:2:1.35,21濃度與轉化率關系為代入反應速率方程,整理得將上式代入(3.8)中濃度與轉化率關系為代入反應速率方程,整理得將上式代入(3.22對于反應若要FR取最大值，則令FR對時間t求導的值為零：在一定的條件下，若以單位時間內產品產量為目標函數，必然存在一個最優(yōu)反應時間，使得單位時間內的產量取最大值。若產物R的濃度為CR，則單位時間的產品產量為解得只要滿足(3.17)式，對應的時間t就是最優(yōu)反應時間。對于反應若要FR取最大值，則令FR對時間t求導的值為零：在一23t0CR~ttoptOptimaltimetCRt0CR~ttoptOptimaltimetCR24

在一定的條件下，若以單位質量產品的生產費用為目標函數，也存在一個最優(yōu)反應時間。類似地,則其中,單位時間內反應操作費用單位時間內輔助操作費用單位時間內固定費用在一定的條件下，若以單位質量產品的生產費用為目標函數，也存25(a0t0+af)CR~ttoptOptimaltimetCR(a0t0+af)CR~ttoptOptimal263.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）A物料衡算P物料衡算在等溫間歇釜式反應器中進行反應在均相恒容條件下：初始條件:3.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）A物料衡算P物料衡273.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）針對A組分，達到轉化率XA需要的反應時間：將其代入原物料衡算式產物濃度比與時間無關,僅為速率常數之比3.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）針對A組分，達到轉283.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）同理，對于多個平行反應由于產物P是目的產物，希望k1>k2。3.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）同理，對于多個平行29例3.2.在等溫間歇釜式反應器中進行下列液相反應將速率表達式代入等溫間歇反應器的設計方程式可有反應開始時A和B的濃度均為2kmol/m3，目的產物為P，試計算反應時間為3h時A的轉化率和P的收率。解：由題知例3.2.在等溫間歇釜式反應器中進行下列液相反應將速率表達30上式積分結果為上式積分結果為31將t=3h、cA0=2kmol/m3代入上式，可求組分A的濃度

因此，A的轉化率為

第三章-釜式反應器課件32上兩式相除可得分離變量進行積分得下面求P的收率由題給的速率方程可知上兩式相除可得下面求P的收率33P的收率為代入數據得P的收率為代入數據得343.3.2連串反應在等溫間歇釜式反應器中進行反應3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）各組分物料衡算式均相恒容兩個獨立反應,A,P,Q中任選兩個作為關鍵組分,只要兩個方程即可進行求解.3.3.2連串反應3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應35初始條件：代入Ｐ方程積分積分Ａ的方程有初始條件：代入Ｐ方程積分積分Ａ的方程有363.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）以目的產物P的收率最大為優(yōu)化目標可得最佳反應時間令：3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）以目的產物P的收率373.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）例3.3在間歇釜式反應器中等溫下進行下列反應(A)(M)(B)(B)(M)k2/k1=0.68,計算一甲胺的最大收率和與其相應的氨轉化率。(A)(B)3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）例3.3在間歇釜383.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）解：氨的轉化速率為一甲胺的生成速率為初始條件:3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）解：氨的轉化速率為393.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）因為當YB＝YBmax時已知條件k2/k1=0.68實際上第二個反應生成的二甲胺還可和甲醇反應生成三甲胺，若考慮這個反應，對上述一甲胺的最大收率是否有影響，試分析原因？3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）因為當YB＝YBm403.4連續(xù)釜式反應器的反應體積ContinuousStirTankReactor（CSTR）間歇釜式反應器：各參數隨時間變化，一次裝卸料；連續(xù)釜式反應器：穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）操作，有進有出。一、連續(xù)釜式反應器的特點：反應器的參數不隨時間變化;不存在時間自變量，也沒有空間自變量;多用于液相反應，恒容操作;出口處的C,T=反應器內的C,T。3.4連續(xù)釜式反應器的反應體積ContinuousStir413.4連續(xù)釜式反應器的反應體積對穩(wěn)態(tài)操作，有：單一反應ContinuousStirTankReactor（CSTR）3.4連續(xù)釜式反應器的反應體積對穩(wěn)態(tài)操作，有：單一反應C42反應器內C、T恒定，不隨時間變化，也不隨位置變化。所以其內的A在各點處相同，也不隨時間變化—等速反應器。當同時進行多個反應時，只要進出口組成和Q0已知，就可以針對一個組分求出反應體積Vr（如上式所示）。幾點注意反應器內C、T恒定，不隨時間變化，也不隨位置變化。所以其內43空時、空速空時（因次：時間）空速

空速的意義：單位時間單位反應體積所處理的物料量。空速越大，反應器的原料處理能力越大。工業(yè)上有許多不同的空速定義，使用時注意對于均相恒容反應過程，空時等于物料在反應器內的平均停留時間。空時只針對連續(xù)反應器而言。空時、空速空時（因次：時間）空速空速的意義：單位時間443.4.2等溫連續(xù)釜式反應器的計算（復合反應）?平行反應（主反應）（副反應）Vr、XA、YP三者關系3.4.2等溫連續(xù)釜式反應器的計算（復合反應）?平行反應453.4.2等溫連續(xù)釜式反應器的計算（復合反應）?

連串反應Vr、XA、YP三者關系3.4.2等溫連續(xù)釜式反應器的計算（復合反應）?連串反應46例3.4使用CSTR生產乙酸乙酯,條件同例3.1求：計算反應器的有效體積？乙酸的轉化速率將出口轉化率0.35代入反應器體積間歇操作整體的反應速率較CSTR要快CSTR沒有輔助操作時間例3.4使用CSTR生產乙酸乙酯,條件同例3.147例3.5使用CSTR生產乙酸乙酯,條件同例3.2求：空時為3小時，A的轉化率和P的收率？解：由A和P的物料衡算將空時和初始濃度代入上兩式，聯(lián)立求解CA=0.2573kmol/m3(負根舍去)，相應轉化率為P的濃度為收率為例3.5使用CSTR生產乙酸乙酯,條件同例3.248等溫CSTR的計算例題3.4和例題3.5思考：針對于一正級數的反應，如果不考慮間歇操作時的

輔助時間，同時當連續(xù)操作時的空時與間歇操作時的操作時間相等時，哪種操作的轉化率高？Why?等溫CSTR的計算例題3.4和例題3.5思考：針對于一493.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)思考：1.用一個大反應器好還是幾個小反應器好？2.若幾個小反應器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？3.若幾個小反應器，則各釜的體積是多少？3.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)思考：50CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)正常動力學反常動力學CSTR反應體積幾何圖示3.5對于正常動力學，多釜串聯(lián)有利；對于反常動力學，則使用單釜有利，如使用多釜，采用并聯(lián)的方式。CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)正常動力學反常動力學CSTR反應體積幾51BR正常動力學反常動力學反應體積幾何圖示對比間歇釜式反應器BR正常動力學反常動力學反應體積幾何圖示對比間歇釜式反應器523.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)1.正常動力學，轉化速率隨轉化率增加而降低，多釜串聯(lián)優(yōu)于單釜操作，總反應體積小；2.反常動力學，轉化速率隨轉化率增加而增加，單釜操作優(yōu)于多釜串聯(lián)，總反應體積小；單釜過大，難于加工時，需要用若干小釜。對于具有正常動力學的反應采用串聯(lián)方式；反常動力學，則應各釜單獨操作，即采用并聯(lián)方式。3.CSTR與BR比較呢？3.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)1.正常動力學，轉化速率53轉化速率-RA隨轉化率存在極值點單釜，面積OACD第一釜，面積OGFE第二釜，面積EBCD雙釜串聯(lián)，總面積OGFE+EBCD<OACD此時，串聯(lián)的CSTR需要的反應器總體積大于或小于單個CSTR反應器的體積。對一些自催化反應轉化速率-RA隨轉化率存在極值點543.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)兩釜并聯(lián)，如何分配各釜的進料量呢？分配原則是保證各釜的空時相同，也就是說各釜的出口轉化率相等。這就需要各釜的進料量與各釜的反應體積成正比。3.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)兩釜并聯(lián)，如何分配各釜的553.5.2串聯(lián)釜式反應器計算圖3.7串聯(lián)釜式反應器3.5.2串聯(lián)釜式反應器計算圖3.7串聯(lián)釜式反應器563.5.2串聯(lián)釜式反應器計算對由N個CSTR串聯(lián)組成的反應器，獨立反應有M個，關鍵組分數為K個。物料衡算算式為對第p釜,第i組分作物料衡算,有現在針對1級不可逆反應進行計算（針對其他級數反應的計算方法相同），動力學方程為：rA=kCA=kCA0(1-XA)3.5.2串聯(lián)釜式反應器計算對由N個CSTR串聯(lián)組成的反應57假定每個釜的體積相同，即Vr1=Vr2=……，那么每一個釜的空時相同τ1=τ2=……=τ，如果反應器中的溫度T相同（保證k一樣），針對第p個釜進行物料衡算，有整理后得到p=1，2，……Np=1，2，……N其中，=Vn/Q0。將每一個釜的衡算方程相乘，得到假定每個釜的體積相同，即Vr1=Vr2=……，那么每一個釜的58總的反應體積為：即或最后有整個系統(tǒng)的空時為：當釜數一定，由上式即可算出達到最終轉化率XAN所需的空時τ，從而算出所需的反應體積總的反應體積為：即或最后有整個系統(tǒng)的空時為：當釜數一定，由上59圖解法：方程左側為轉化速率曲線方程右側為直線,直線斜率為曲線與直線的交點即為方程的解,圖中M、N、P和Q點方法：過點O作直線OM，交點M即為第一釜的出口轉化率和轉化速率…圖解法：60方程左側為轉化速率曲線方程右側為直線,直線斜率為曲線與直線的交點即為方程的解,圖中M、N、P和Q點方法：過點(CA0,0)作直線與曲線交點M即為第一釜的出口濃度和轉化速率…方程左側為轉化速率曲線61例3.6改用三個等體積的釜式反應器串聯(lián),其余同例3.4的條件,求總反應體積?解:由于解出單個反應釜體積總反應釜體積若僅用二釜反應,則例3.6改用三個等體積的釜式反應器串聯(lián),其余同例3.4的62推論:對正級數反應，相同條件下，采用的CSTR釜數越多，所需要的反應器總體積越小。但N越大，總體積的減少越不明顯。間歇反應釜的體積和輔助時間有關，輔助時間越小，所需要的體積越小。推論:633.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比當釜數及最終轉化率已規(guī)定情況下,為使總的反應體積最小,各釜反應體積存在最佳比例。3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比當釜數及最終轉化643.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比=0總反應體積最小的必要條件3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比=0總反應體積最653.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比對于一級不可逆反應：3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比對于一級不可逆反663.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比對于一級不可逆反應而言，當串聯(lián)各釜的體積相同時，總反應體積最小對于非一級不可逆反應而言，需要采用圖解法求取，本課程不作要求，自己根據書中介紹自學3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比對于一級不可逆反673.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比結論：串聯(lián)釜式反應器中進行級反應：α>1從小釜→大釜排列最優(yōu)；0<α<1從大釜→小釜排列最優(yōu)α=1釜體積相等時最優(yōu)α=0rA與CA無關,多釜串聯(lián)沒有必要α<0單釜優(yōu)于多釜串聯(lián)3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比結論：串聯(lián)釜式反683.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.1總收率與總選擇性瞬時選擇性復合反應中，反應速率不是最重要的，目的產物的收率和選擇性是非常重要的，反映了原料的有效利用程度。收率和選擇性與反應器的型式，操作方式和操作條件密切相關。或μPA的物理意義：生成1mol的目的產物P要消耗A的mol數。3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.1總收69(1)瞬時收率可能隨時間變化。間歇反應器就是一例；

(2)對于連續(xù)反應器（在定態(tài)下操作），瞬時選擇性不隨時間變化，但可能隨位置變化，這時要用到總收率，其定義為：

總選擇性與瞬時選擇性關系YPf是總收率，針對整個反應器而言的。如果用S0表示總選擇性（對整個反應而言），那么應該注意(1)瞬時收率可能隨時間變化。間歇反應器就是一例；703.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性如圖，多釜串聯(lián)介于間歇釜和連續(xù)釜之間，即達到相同轉化率下的收率：間歇釜>多釜串聯(lián)>單CSTR

當S隨XA增加而單調下降時3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性如圖，多713.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性當S隨XA增加而單調上升時達到相同轉化率下的收率：間歇釜<多釜串聯(lián)<單CSTR3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性當S隨XA增加而723.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.2平行反應瞬時選擇性濃度和溫度對瞬時選擇性的影響在第二章已討論。思考：根據上述動力學方程，如何選擇加料方式，使得目的產物的收率達到最大？3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.2平73A)間歇釜,物料A和B一次加入間歇操作A和B濃度均較高適合α1>α2

β1>β2的反應A)間歇釜,物料A和B一次加入間歇操作74B)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入連續(xù)操作A和B濃度均較高適合α1>α2

β1>β2的反應B)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入連續(xù)操作75C)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,小釜在前連續(xù)操作A和B濃度均較高適合α1>α2

β1>β2的反應C)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,小釜在前連續(xù)操作76D)間歇釜,A一次加入,B連續(xù)加入半連續(xù)操作A間歇操作,B連續(xù)操作A濃度高和B濃度低適合α1>α2

β1<β2的反應D)間歇釜,A一次加入,B連續(xù)加入半連續(xù)操作77E)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,大釜在前連續(xù)操作A和B濃度均較低適合α1<α2

β1<β2的反應E)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,大釜在前連續(xù)操作78F)單個CSTR,A和B連續(xù)加入連續(xù)操作A和B濃度均較低適合α1<α2

β1<β2的反應F)單個CSTR,A和B連續(xù)加入連續(xù)操作適合α1<α279G)反應釜和分離裝置連用連續(xù)操作A過量加入,濃度高適合α1>α2

β1<β2的反應G)反應釜和分離裝置連用連續(xù)操作80H)多釜串聯(lián),A連續(xù)從第一釜加入,B從各釜連續(xù)加入連續(xù)操作A濃度較B濃度高適合α1>α2

β1<β2的反應H)多釜串聯(lián),A連續(xù)從第一釜加入,B從各釜連續(xù)加入連續(xù)操作81關于操作溫度要得到較高的生產強度，反應需在高溫下進行。當E2<E1

或E2=E1時，高溫有利；當E2>E1時，雖然低溫有利于提高選擇性，但應盡可能使反應在較高溫度下進行，實際上存在一個最佳溫度值。對于連續(xù)釜式反應器，在此溫度下操作可使目的產物的產量最大；間歇釜式反應器則存在最佳溫度序列，在不同的反應時刻，應保持不同的操作溫度。關于操作溫度823.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性例3.8以純A為原料在連續(xù)釜式反應器中生產P，反應為空時為1h，問在什么溫度下操作P的收率最大？解：列組分A和P的物料衡算式如下3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性例3.8以純833.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性843.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性最佳操作溫度與空時有關代入數據得：T=389.3K3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性最佳操作溫度與空85在等溫間歇反應器中，可以得到最佳反應時間和目的產物P的最佳收率：3.6.3

連串反應

假設如下的連串反應均為一級，P為目的產物在等溫間歇反應器中，可以得到最佳反應時間3.6.3連串反86在連續(xù)釜式反應器進行上述連串反應，最佳空時（不是反應時間）和最佳收率又怎樣？首先根據物料衡算式，有得到：最佳空時和最佳收率在連續(xù)釜式反應器進行上述連串反應，最佳空時（不是反應時間）和87最佳收率為：最佳收率為：883.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器中連串反應的中間目的產物的最佳收率問題BRCSTR或3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器中連串89*對于間歇釜式反應器，則有：

間歇釜式反應器和連續(xù)釜式反應器性能的差別見下圖

目的產物收率與轉化率的關系可以表示為：*對于CSTR：*對于間歇釜式反應器，則有：間歇釜式反應器和連續(xù)釜式反應器903.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器的轉化率與收率的關系圖轉化率相同，BR的收率大于CSTR2.k2/k1越小，差異越大3.都存在極大值4.收率隨k2/k1越小而增大3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器的轉化91應該注意的問題可以通過改變操作溫度的辦法來改變k2/k1的相對大小，但無論E2和E1相對大小如何，一般采用較高的反應溫度，以提高反應器的生產強度。可以使用催化劑來改變k2/k1。當然，如果Q是目的產物，問題就簡單多了。采用反應時間t↑、空時τ↑的辦法即可。應該注意的問題可以通過改變操作溫度的辦法來改變k2/k1的92例3.9在連續(xù)釜式反應器中等溫進行下列反應,反應均為一級,反應溫度下k2/k1=0.68,試計算一甲胺的最大收率和與其相應的氨轉化率?解:例3.9在連續(xù)釜式反應器中等溫進行下列反應,反應均為一級,93將B1~B4代入A式中,整理方程對xA求導,并令得到方程D,并解出將結果代入C中求出參見:例3.9.nb

例3.3.nb將B1~B4代入A式中,整理參見:例3.9.nb943.7半間歇釜式反應器應用場合:濃度:要求一種反應物濃度高,一種反應物濃度低控溫:強放熱反應,調節(jié)加料速度以控制反應溫度

產物分布:可逆反應,不斷移走產物—反應精餾特點:反應器中物料濃度隨時間變化,通過對組分作物料衡算可獲得設計方程,由于有物料連續(xù)加入或取出,反應體積是變化的,非恒容過程3.7半間歇釜式反應器應用場合:95特點：半間歇操作反應物系組成隨時間而變。液相反應：B一次加入,A連續(xù)加入。特點：半間歇操作反應物系組成隨時間而變。液相反應：B一次加入96條件：先注入V0的B，后連續(xù)加A，流量Q0，濃度為CA0，出料Q=0對A作物料衡算輸入輸出反應累積條件：先注入V0的B，后連續(xù)加A，流量Q0，濃度為CA0，出97反應體積若B大大過量,B的濃度可認為不變,初始不含A反應體積983.8變溫間歇釜式反應器問題提出：（沒有體積功）間歇釜難以做到等溫操作，熱效應小時，可近似等溫，熱效應大時，難做到；溫度影響生產強度，有時變溫的效果更好。對于封閉物系，如不考慮軸功則有：使用更為方便，即：物系與環(huán)境交換的熱量等于系統(tǒng)的焓變。選擇衡算的控制體為整個反應器。dt時間內，物系與外界交換熱量為dq，焓變?yōu)閐H；在t時刻，溫度為T，而在t+dt時刻，溫度為T+dT。由于焓變與過程無關，假定反應在基準溫度Tr下進行，則：3.8變溫間歇釜式反應器問題提出：（沒有體積功）使用99注意：反應熱是對關鍵組分A的反應熱。與外界的熱交換為：dq=UAh（Tc-T）dt

式中，U為總傳熱系數，Ah傳熱面積，Tc為換熱介質溫度。結合上面各式，有(dH)(dq)Tc>T向系統(tǒng)供熱；Tc<T向外界移熱。無論是吸熱還是放熱，開工時都需要先加熱。注意：1003.8變溫間歇釜式反應器此式即為BR的反應物料溫度與時間的關系。*等溫過程，dT=0，有*變溫過程兩方程聯(lián)立求解，可得X和T隨時間的變化3.8變溫間歇釜式反應器此式即為BR的反應物料溫度與時間1013.8變溫間歇釜式反應器絕熱過程：積分注意：T0為反應開始時的溫度為基準溫度T0下的反應熱為T0與T之間的平均比熱容復雜反應系統(tǒng)：絕熱溫升3.8變溫間歇釜式反應器絕熱過程：積分注意：T0為反應開102例3.11順丁烯二酸酐(A)與正已醇(B)反應生成順丁烯二酸乙酯(P),A+B->P,rA=kCACB,反應在間歇釜式反應器中進行.首先將固體順丁烯二酸酐(A)加入釜內用蒸汽加熱熔融,其熔點為326K.全部熔融后迅速加入已醇,此時液體混合物中順丁烯二酸酐和已醇的濃度分別為4.55及5.34kmol/m3.求:(1)t1=?326K-(絕熱)->373K-(等溫)->373KxA=0.xA1xAf=0.98(2)t2=?373K-----------(等溫)---------->373K(3)比較兩種情況下的冷卻水用量及蒸汽用量.例3.11順丁烯二酸酐(A)與正已醇(B)反應生成順丁烯二103解(1):絕熱升溫,由3.84絕熱反應時溫度與轉化率的關系:反應速率方程:絕熱過程反應溫度升高到373K時達到的轉化率為解(1):絕熱升溫,由3.84104絕熱過程反應溫度升高到373K時需要的反應時間在373K等溫反應時需要的反應時間總反應時間:代入(B)式恒容時(3.8)式絕熱過程反應溫度升高到373K時需要的反應時間代入(B)式恒105解(2)在373K等溫反應時需要的反應時間,按G式計算解(2)在373K等溫反應時需要的反應時間,按G式計算106解(3)按第一種方式反應,先絕熱反應,后進行等溫反應,式等溫反應時放熱量為q1,需要的冷卻水量為Qc1,下面以1立方米反應物料為基準計算按第二種方式反應,等溫反應時放熱量為q2,需要的冷卻水量為Qc2解(3)按第一種方式反應,先絕熱反應,后進行等溫反應,式107需要的蒸汽量計算,由于加熱到熔點326K時需要的蒸汽量是相同的,第二種方式會增加從326K加熱到373K的熱量q3,相應的飽和蒸汽用量QH已知,0.405MPa的飽和水蒸氣的冷凝熱為2136kJ/kg可見,第二種方法反應時間較少,但需要增加冷卻水和加熱蒸汽用量.需要的蒸汽量計算,由于加熱到熔點326K時需要的蒸汽量是相1083.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作CSTR內的反應物料溫度均勻一致，若為定態(tài)操作，則反應是在等溫下進行的，若為非定態(tài)操作，則屬變溫過程。但都不隨空間而變。無論是定態(tài)還是非定態(tài)操作，反應過程的溫度均需由反應器的熱量衡算和物料衡算式來決定。定態(tài)不唯一（定態(tài)穩(wěn)定性問題）3.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作CSTR內的反應物料溫度均勻1093.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作3.9.1連續(xù)釜式反應器的熱量衡算式連續(xù)釜式反應器是一個敝開物系流動系統(tǒng)。在定態(tài)操作條件下，根據流動系統(tǒng)的熱力學第一定律，可以得到整個反應體積的熱量衡算式dH=dqΔH

－系統(tǒng)的焓變，包括兩個部分①進出料液的焓變ΔH1、ΔH3；

②化學反應熱效應ΔH2

ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH33.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作3.9.1連續(xù)釜式反應器的110我們可以以進料溫度T0為基準溫度下進行，

則與間歇操作相同，可以得到CSTR的熱衡算式為

絕熱操作U=0絕熱溫升結合物料衡算式我們可以以進料溫度T0為基準溫度下進行，

則與間歇操作相同，111絕熱溫升,指絕熱條件下反應物A完全轉化后物系溫度升高或降低的度數。當為常數時也為常數,此時溫度和轉化率的關系有絕熱溫升,指絕熱條件下反應物A完全轉化后物系溫度升高或降低1123.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作3.9.2連續(xù)釜式反應器的定態(tài)在定態(tài)條件下，同時滿足物料衡算和熱量衡算一級不可逆反應：熱量衡算式：3.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作3.9.2連續(xù)釜式反應器1133.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作反應器移熱速率反應放熱速率此方程即是釜式反應器定態(tài)操作方程，符合此方程的操作點即為定態(tài)操作點其中：移熱速率用qr表示,為直線放熱速率qg表示,為一條S形的曲線3.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作反應器移熱速率反應放熱速率此1143.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作交點qr=qg，為定態(tài)操作溫度CSTR的著火點和熄火點3.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作交點qr=qg，為定態(tài)操作溫1153.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作三個定態(tài)點不同之處：溫度、轉化率、穩(wěn)定性穩(wěn)定性：指反應器操作受到外來擾動后的自衡能力。定態(tài)操作穩(wěn)定的必要條件，又稱斜率條件定態(tài)溫度會隨著操作條件的改變而改變。注：放熱反應可能有多定態(tài)；吸熱反應：定態(tài)唯一。3.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作三個定態(tài)點不同之處：溫度、轉116A類型點，，溫度有小波動dT，仍然會回到操作點，稱穩(wěn)定操作點。B1類型點，稱著火點，左側穩(wěn)定，即溫度變化-dT，仍會回到操作點，右側不穩(wěn)定，+dT變化后，T會繼續(xù)升高直到下一個操作點A2B2類型點，稱熄火點，右側穩(wěn)定，即溫度變化dT，仍會回到操作點，左側不穩(wěn)定，-dT變化后，T會繼續(xù)降低直到下一個操作點A1C類型點，不穩(wěn)定的操作點，溫度波動后會變化到操作點A1和A2A類型點，，溫度有小波動dT，仍然會回到1173.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作例3.12326K順丁烯二酸酐和己醇的混合液，CSTR,0.01m3/s,V=2.65m3,絕熱,計算出口轉化率和溫度(例3.11)。解：3.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作例3.12326K順丁烯1183.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作試差求解得3.9連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作試差求解得119反應工程第三章釜式反應器反應工程第三章120本章重點等溫間歇釜式反應器的計算（單一反應、平行與連串反應）。連續(xù)釜式反應器的計算。空時和空速的概念。連續(xù)釜式反應器的串聯(lián)和并聯(lián)。釜式反應器中平行與連串反應選擇性的分析，連接和加料方式的選擇。連續(xù)釜式反應器的熱量衡算式。本章重點等溫間歇釜式反應器的計算（單一反應、平行與連串反應）121第三章-釜式反應器課件122釜式反應器釜式反應器可用于均相、多相反應，且三種操作方式皆適用，因此釜式反應器又被稱為萬能反應器。釜式反應器釜式反應器可用于均相、多相反應，且三種操作方式皆適123第三章-釜式反應器課件124間歇操作(batchreactor,BR)連續(xù)操作(continuousstirredtankreactor,CSTR)

*反應器內物料溫度、濃度處處均一（攪拌器）間歇操作連續(xù)操作*反應器內物料溫度、濃度處處均一（攪拌器）125反應器設計的基本內容：選擇合適的反應器類型確定最佳操作條件計算完成規(guī)定的生產任務所需的反應器體積（尺寸）最終的目標是經濟效益最大(實際上不應該僅僅針對反應系統(tǒng)，應該包括整個過程)反應器設計的基本內容：126注意的問題首先要選擇控制體如果反應器內各處濃度均一，衡算的控制體選擇整個反應器。如果反應區(qū)內存在兩個或兩個以上相態(tài)，反應體積內各點的反應物料組成未必相同，這時只能選擇微元體積作為控制體。對于復雜反應，方程數大大增多注意的問題首先要選擇控制體1273.1釜式反應器的物料衡算式特征：反應器內各處溫度和濃度均一,且與出口一致

取時間間隔dt，反應器內組分i的累積量為dni組分i進入的量

組分i流出的量

組分i反應掉的量-3.1釜式反應器的物料衡算式特征：反應器內各處溫度取時間間1283.1釜式反應器的物料衡算式

根據總的物料衡算式，則有：寫成其中3.1釜式反應器的物料衡算式根據總的物料衡算式，則有：寫成1293.1釜式反應器的物料衡算式連續(xù)釜式反應器間歇釜式反應器代數方程微分方程累積速率3.1釜式反應器的物料衡算式連續(xù)釜式反應器間歇釜式反應器代微1303.2等溫間歇釜式反應器的計算特點反應器內濃度處處相等，可排除傳質的影響反應器內溫度處處相等，可排除傳熱的影響物料同時加入，所有物料具有相同的反應時間優(yōu)點操作靈活，可適應不同的操作條件與不同的產品，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品缺點裝料、卸料等操作要耗費一定時間(輔助時間)，產品質量不易穩(wěn)定，操作相對復雜3.2等溫間歇釜式反應器的計算特點1313.2等溫間歇釜式反應器的計算

間歇操作的操作時間分成反應時間、輔助時間兩部分反應時間t

由開始反應到停止反應（達到生產要求時）所經歷的時間，設計反應器的關鍵即為確定反應時間，進一步根據產量確定反應器的有效體積。輔助時間t0

操作時間中除去反應時間之外的時間，包括裝料、卸料、加熱、冷卻和清洗等時間。3.2等溫間歇釜式反應器的計算間歇操作的操作時間分成1323.2等溫間歇釜式反應器的計算因為積分得3.2等溫間歇釜式反應器的計算因為積分得1333.2等溫間歇釜式反應器的計算對于單一反應：對恒容過程有：等溫反應(k為常數),代入(3.8)積分3.2等溫間歇釜式反應器的計算對于單一反應：對恒容過程有：等134一級反應非一級反應反應時間相同達到一定轉化率所需的反應時間與反應器大小無關，只取決于動力學因素。溫度越高，速率常數k越大，則達到相同轉化率所需的反應時間t越短。區(qū)別t與cA0無關t與cA0有關一級反應非一級反應反應時間相同達到一定轉化率所需的反應時135例：在等溫間歇反應器中進行乙酸乙酯皂化反應：該反應對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/L，反應速率常數等于4.6L/(molmin)。試求乙酸乙酯轉化率分別達到80％、90％和95％時的反應時間。解：得：XA=80%，t=43.5min；XA=90%，t=97.8min；XA=95%，t=206.5min例：在等溫間歇反應器中進行乙酸乙酯皂化反應：該反應對乙酸乙酯1363.2等溫間歇釜式反應器的計算反應時間t輔助時間t0反應體積實際反應器體積計算反應器體積VrQ0為處理能力，指單位時間內處理的反應物料的體積f為裝填系數3.2等溫間歇釜式反應器的計算反應時間t輔助時間t0137表3.1間歇釜式反應器單一反應結果表3.1間歇釜式反應器單一反應結果138反應物濃度對反應結果的影響表現為反應級數

以轉化率為目標，達到相同轉化率需反應時間

零級反應，反應時間與初始濃度成正比

一級反應，反應時間與初始濃度無關

二級反應，反應時間與初始濃度成反比導數隨反應時間變化不同：

零級反應，成線性關系

一級或二級反應，反應時間增加則導數值下降，特別是二級反應，在反應后期，增加反應時間對反應的轉化率的提高不多。速率常數k值的提高將導致相應反應時間減少

即提高反應溫度將使反應速率增加速率常數k值的提高將導致相應反應時間減少

即提高反應溫度將使139例3.1酯化反應,原料配比A:B:S=1:2:1.35,XAf=0.35,密度1020kg/m3,輔助時間t0=1hr,裝填系數f=0.75,產量12000kg/Day,求反應體積?解:

原料處理量初始濃度例3.1酯化反應,原料配比A:B:S=1:2:1.35,140濃度與轉化率關系為代入反應速率方程,整理得將上式代入(3.8)中濃度與轉化率關系為代入反應速率方程,整理得將上式代入(3.141對于反應若要FR取最大值，則令FR對時間t求導的值為零：在一定的條件下，若以單位時間內產品產量為目標函數，必然存在一個最優(yōu)反應時間，使得單位時間內的產量取最大值。若產物R的濃度為CR，則單位時間的產品產量為解得只要滿足(3.17)式，對應的時間t就是最優(yōu)反應時間。對于反應若要FR取最大值，則令FR對時間t求導的值為零：在一142t0CR~ttoptOptimaltimetCRt0CR~ttoptOptimaltimetCR143

在一定的條件下，若以單位質量產品的生產費用為目標函數，也存在一個最優(yōu)反應時間。類似地,則其中,單位時間內反應操作費用單位時間內輔助操作費用單位時間內固定費用在一定的條件下，若以單位質量產品的生產費用為目標函數，也存144(a0t0+af)CR~ttoptOptimaltimetCR(a0t0+af)CR~ttoptOptimal1453.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）A物料衡算P物料衡算在等溫間歇釜式反應器中進行反應在均相恒容條件下：初始條件:3.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）A物料衡算P物料衡1463.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）針對A組分，達到轉化率XA需要的反應時間：將其代入原物料衡算式產物濃度比與時間無關,僅為速率常數之比3.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）針對A組分，達到轉1473.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）同理，對于多個平行反應由于產物P是目的產物，希望k1>k2。3.3等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）同理，對于多個平行148例3.2.在等溫間歇釜式反應器中進行下列液相反應將速率表達式代入等溫間歇反應器的設計方程式可有反應開始時A和B的濃度均為2kmol/m3，目的產物為P，試計算反應時間為3h時A的轉化率和P的收率。解：由題知例3.2.在等溫間歇釜式反應器中進行下列液相反應將速率表達149上式積分結果為上式積分結果為150將t=3h、cA0=2kmol/m3代入上式，可求組分A的濃度

因此，A的轉化率為

第三章-釜式反應器課件151上兩式相除可得分離變量進行積分得下面求P的收率由題給的速率方程可知上兩式相除可得下面求P的收率152P的收率為代入數據得P的收率為代入數據得1533.3.2連串反應在等溫間歇釜式反應器中進行反應3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）各組分物料衡算式均相恒容兩個獨立反應,A,P,Q中任選兩個作為關鍵組分,只要兩個方程即可進行求解.3.3.2連串反應3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應154初始條件：代入Ｐ方程積分積分Ａ的方程有初始條件：代入Ｐ方程積分積分Ａ的方程有1553.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）以目的產物P的收率最大為優(yōu)化目標可得最佳反應時間令：3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）以目的產物P的收率1563.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）例3.3在間歇釜式反應器中等溫下進行下列反應(A)(M)(B)(B)(M)k2/k1=0.68,計算一甲胺的最大收率和與其相應的氨轉化率。(A)(B)3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）例3.3在間歇釜1573.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）解：氨的轉化速率為一甲胺的生成速率為初始條件:3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）解：氨的轉化速率為1583.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）因為當YB＝YBmax時已知條件k2/k1=0.68實際上第二個反應生成的二甲胺還可和甲醇反應生成三甲胺，若考慮這個反應，對上述一甲胺的最大收率是否有影響，試分析原因？3.3等溫間歇釜式反應器的計算（連串反應）因為當YB＝YBm1593.4連續(xù)釜式反應器的反應體積ContinuousStirTankReactor（CSTR）間歇釜式反應器：各參數隨時間變化，一次裝卸料；連續(xù)釜式反應器：穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）操作，有進有出。一、連續(xù)釜式反應器的特點：反應器的參數不隨時間變化;不存在時間自變量，也沒有空間自變量;多用于液相反應，恒容操作;出口處的C,T=反應器內的C,T。3.4連續(xù)釜式反應器的反應體積ContinuousStir1603.4連續(xù)釜式反應器的反應體積對穩(wěn)態(tài)操作，有：單一反應ContinuousStirTankReactor（CSTR）3.4連續(xù)釜式反應器的反應體積對穩(wěn)態(tài)操作，有：單一反應C161反應器內C、T恒定，不隨時間變化，也不隨位置變化。所以其內的A在各點處相同，也不隨時間變化—等速反應器。當同時進行多個反應時，只要進出口組成和Q0已知，就可以針對一個組分求出反應體積Vr（如上式所示）。幾點注意反應器內C、T恒定，不隨時間變化，也不隨位置變化。所以其內162空時、空速空時（因次：時間）空速

空速的意義：單位時間單位反應體積所處理的物料量。空速越大，反應器的原料處理能力越大。工業(yè)上有許多不同的空速定義，使用時注意對于均相恒容反應過程，空時等于物料在反應器內的平均停留時間。空時只針對連續(xù)反應器而言。空時、空速空時（因次：時間）空速空速的意義：單位時間1633.4.2等溫連續(xù)釜式反應器的計算（復合反應）?平行反應（主反應）（副反應）Vr、XA、YP三者關系3.4.2等溫連續(xù)釜式反應器的計算（復合反應）?平行反應1643.4.2等溫連續(xù)釜式反應器的計算（復合反應）?

連串反應Vr、XA、YP三者關系3.4.2等溫連續(xù)釜式反應器的計算（復合反應）?連串反應165例3.4使用CSTR生產乙酸乙酯,條件同例3.1求：計算反應器的有效體積？乙酸的轉化速率將出口轉化率0.35代入反應器體積間歇操作整體的反應速率較CSTR要快CSTR沒有輔助操作時間例3.4使用CSTR生產乙酸乙酯,條件同例3.1166例3.5使用CSTR生產乙酸乙酯,條件同例3.2求：空時為3小時，A的轉化率和P的收率？解：由A和P的物料衡算將空時和初始濃度代入上兩式，聯(lián)立求解CA=0.2573kmol/m3(負根舍去)，相應轉化率為P的濃度為收率為例3.5使用CSTR生產乙酸乙酯,條件同例3.2167等溫CSTR的計算例題3.4和例題3.5思考：針對于一正級數的反應，如果不考慮間歇操作時的

輔助時間，同時當連續(xù)操作時的空時與間歇操作時的操作時間相等時，哪種操作的轉化率高？Why?等溫CSTR的計算例題3.4和例題3.5思考：針對于一1683.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)思考：1.用一個大反應器好還是幾個小反應器好？2.若幾個小反應器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？3.若幾個小反應器，則各釜的體積是多少？3.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)思考：169CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)正常動力學反常動力學CSTR反應體積幾何圖示3.5對于正常動力學，多釜串聯(lián)有利；對于反常動力學，則使用單釜有利，如使用多釜，采用并聯(lián)的方式。CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)正常動力學反常動力學CSTR反應體積幾170BR正常動力學反常動力學反應體積幾何圖示對比間歇釜式反應器BR正常動力學反常動力學反應體積幾何圖示對比間歇釜式反應器1713.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)1.正常動力學，轉化速率隨轉化率增加而降低，多釜串聯(lián)優(yōu)于單釜操作，總反應體積小；2.反常動力學，轉化速率隨轉化率增加而增加，單釜操作優(yōu)于多釜串聯(lián)，總反應體積小；單釜過大，難于加工時，需要用若干小釜。對于具有正常動力學的反應采用串聯(lián)方式；反常動力學，則應各釜單獨操作，即采用并聯(lián)方式。3.CSTR與BR比較呢？3.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)1.正常動力學，轉化速率172轉化速率-RA隨轉化率存在極值點單釜，面積OACD第一釜，面積OGFE第二釜，面積EBCD雙釜串聯(lián)，總面積OGFE+EBCD<OACD此時，串聯(lián)的CSTR需要的反應器總體積大于或小于單個CSTR反應器的體積。對一些自催化反應轉化速率-RA隨轉化率存在極值點1733.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)兩釜并聯(lián)，如何分配各釜的進料量呢？分配原則是保證各釜的空時相同，也就是說各釜的出口轉化率相等。這就需要各釜的進料量與各釜的反應體積成正比。3.5CSTR的串聯(lián)與并聯(lián)兩釜并聯(lián)，如何分配各釜的1743.5.2串聯(lián)釜式反應器計算圖3.7串聯(lián)釜式反應器3.5.2串聯(lián)釜式反應器計算圖3.7串聯(lián)釜式反應器1753.5.2串聯(lián)釜式反應器計算對由N個CSTR串聯(lián)組成的反應器，獨立反應有M個，關鍵組分數為K個。物料衡算算式為對第p釜,第i組分作物料衡算,有現在針對1級不可逆反應進行計算（針對其他級數反應的計算方法相同），動力學方程為：rA=kCA=kCA0(1-XA)3.5.2串聯(lián)釜式反應器計算對由N個CSTR串聯(lián)組成的反應176假定每個釜的體積相同，即Vr1=Vr2=……，那么每一個釜的空時相同τ1=τ2=……=τ，如果反應器中的溫度T相同（保證k一樣），針對第p個釜進行物料衡算，有整理后得到p=1，2，……Np=1，2，……N其中，=Vn/Q0。將每一個釜的衡算方程相乘，得到假定每個釜的體積相同，即Vr1=Vr2=……，那么每一個釜的177總的反應體積為：即或最后有整個系統(tǒng)的空時為：當釜數一定，由上式即可算出達到最終轉化率XAN所需的空時τ，從而算出所需的反應體積總的反應體積為：即或最后有整個系統(tǒng)的空時為：當釜數一定，由上178圖解法：方程左側為轉化速率曲線方程右側為直線,直線斜率為曲線與直線的交點即為方程的解,圖中M、N、P和Q點方法：過點O作直線OM，交點M即為第一釜的出口轉化率和轉化速率…圖解法：179方程左側為轉化速率曲線方程右側為直線,直線斜率為曲線與直線的交點即為方程的解,圖中M、N、P和Q點方法：過點(CA0,0)作直線與曲線交點M即為第一釜的出口濃度和轉化速率…方程左側為轉化速率曲線180例3.6改用三個等體積的釜式反應器串聯(lián),其余同例3.4的條件,求總反應體積?解:由于解出單個反應釜體積總反應釜體積若僅用二釜反應,則例3.6改用三個等體積的釜式反應器串聯(lián),其余同例3.4的181推論:對正級數反應，相同條件下，采用的CSTR釜數越多，所需要的反應器總體積越小。但N越大，總體積的減少越不明顯。間歇反應釜的體積和輔助時間有關，輔助時間越小，所需要的體積越小。推論:1823.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比當釜數及最終轉化率已規(guī)定情況下,為使總的反應體積最小,各釜反應體積存在最佳比例。3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比當釜數及最終轉化1833.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比=0總反應體積最小的必要條件3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比=0總反應體積最1843.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比對于一級不可逆反應：3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比對于一級不可逆反1853.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比對于一級不可逆反應而言，當串聯(lián)各釜的體積相同時，總反應體積最小對于非一級不可逆反應而言，需要采用圖解法求取，本課程不作要求，自己根據書中介紹自學3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比對于一級不可逆反1863.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比結論：串聯(lián)釜式反應器中進行級反應：α>1從小釜→大釜排列最優(yōu)；0<α<1從大釜→小釜排列最優(yōu)α=1釜體積相等時最優(yōu)α=0rA與CA無關,多釜串聯(lián)沒有必要α<0單釜優(yōu)于多釜串聯(lián)3.5.3串聯(lián)釜式反應器各釜最佳反應體積比結論：串聯(lián)釜式反1873.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.1總收率與總選擇性瞬時選擇性復合反應中，反應速率不是最重要的，目的產物的收率和選擇性是非常重要的，反映了原料的有效利用程度。收率和選擇性與反應器的型式，操作方式和操作條件密切相關。或μPA的物理意義：生成1mol的目的產物P要消耗A的mol數。3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.1總收188(1)瞬時收率可能隨時間變化。間歇反應器就是一例；

(2)對于連續(xù)反應器（在定態(tài)下操作），瞬時選擇性不隨時間變化，但可能隨位置變化，這時要用到總收率，其定義為：

總選擇性與瞬時選擇性關系YPf是總收率，針對整個反應器而言的。如果用S0表示總選擇性（對整個反應而言），那么應該注意(1)瞬時收率可能隨時間變化。間歇反應器就是一例；1893.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性如圖，多釜串聯(lián)介于間歇釜和連續(xù)釜之間，即達到相同轉化率下的收率：間歇釜>多釜串聯(lián)>單CSTR

當S隨XA增加而單調下降時3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性如圖，多1903.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性當S隨XA增加而單調上升時達到相同轉化率下的收率：間歇釜<多釜串聯(lián)<單CSTR3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性當S隨XA增加而1913.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.2平行反應瞬時選擇性濃度和溫度對瞬時選擇性的影響在第二章已討論。思考：根據上述動力學方程，如何選擇加料方式，使得目的產物的收率達到最大？3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6.2平192A)間歇釜,物料A和B一次加入間歇操作A和B濃度均較高適合α1>α2

β1>β2的反應A)間歇釜,物料A和B一次加入間歇操作193B)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入連續(xù)操作A和B濃度均較高適合α1>α2

β1>β2的反應B)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入連續(xù)操作194C)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,小釜在前連續(xù)操作A和B濃度均較高適合α1>α2

β1>β2的反應C)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,小釜在前連續(xù)操作195D)間歇釜,A一次加入,B連續(xù)加入半連續(xù)操作A間歇操作,B連續(xù)操作A濃度高和B濃度低適合α1>α2

β1<β2的反應D)間歇釜,A一次加入,B連續(xù)加入半連續(xù)操作196E)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,大釜在前連續(xù)操作A和B濃度均較低適合α1<α2

β1<β2的反應E)多釜串聯(lián),A和B連續(xù)從第一釜加入,大釜在前連續(xù)操作197F)單個CSTR,A和B連續(xù)加入連續(xù)操作A和B濃度均較低適合α1<α2

β1<β2的反應F)單個CSTR,A和B連續(xù)加入連續(xù)操作適合α1<α2198G)反應釜和分離裝置連用連續(xù)操作A過量加入,濃度高適合α1>α2

β1<β2的反應G)反應釜和分離裝置連用連續(xù)操作199H)多釜串聯(lián),A連續(xù)從第一釜加入,B從各釜連續(xù)加入連續(xù)操作A濃度較B濃度高適合α1>α2

β1<β2的反應H)多釜串聯(lián),A連續(xù)從第一釜加入,B從各釜連續(xù)加入連續(xù)操作200關于操作溫度要得到較高的生產強度，反應需在高溫下進行。當E2<E1

或E2=E1時，高溫有利；當E2>E1時，雖然低溫有利于提高選擇性，但應盡可能使反應在較高溫度下進行，實際上存在一個最佳溫度值。對于連續(xù)釜式反應器，在此溫度下操作可使目的產物的產量最大；間歇釜式反應器則存在最佳溫度序列，在不同的反應時刻，應保持不同的操作溫度。關于操作溫度2013.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性例3.8以純A為原料在連續(xù)釜式反應器中生產P，反應為空時為1h，問在什么溫度下操作P的收率最大？解：列組分A和P的物料衡算式如下3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性例3.8以純2023.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性2033.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性最佳操作溫度與空時有關代入數據得：T=389.3K3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性最佳操作溫度與空204在等溫間歇反應器中，可以得到最佳反應時間和目的產物P的最佳收率：3.6.3

連串反應

假設如下的連串反應均為一級，P為目的產物在等溫間歇反應器中，可以得到最佳反應時間3.6.3連串反205在連續(xù)釜式反應器進行上述連串反應，最佳空時（不是反應時間）和最佳收率又怎樣？首先根據物料衡算式，有得到：最佳空時和最佳收率在連續(xù)釜式反應器進行上述連串反應，最佳空時（不是反應時間）和206最佳收率為：最佳收率為：2073.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器中連串反應的中間目的產物的最佳收率問題BRCSTR或3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器中連串208*對于間歇釜式反應器，則有：

間歇釜式反應器和連續(xù)釜式反應器性能的差別見下圖

目的產物收率與轉化率的關系可以表示為：*對于CSTR：*對于間歇釜式反應器，則有：間歇釜式反應器和連續(xù)釜式反應器2093.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器的轉化率與收率的關系圖轉化率相同，BR的收率大于CSTR2.k2/k1越小，差異越大3.都存在極大值4.收率隨k2/k1越小而增大3.6釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器的轉化210應該注意的問題可以通過改變操作溫度的辦法來改變k2/k1的相對大小，但無論E2和E1相對大小如何，一般采用較高的反應溫度，以提高反應器的生產強度。可以使用催化劑來改變k2/k1。當然，如果Q是目的產物，問題就簡單多了。采用反應時間t↑、空時τ↑的辦法即可。應該注意的問題可以通過改變操作溫度的辦法來改變k2/k1的211例3.9在連續(xù)釜式反應器中等溫進行下列反應,反應均為一級,反應溫度下k2/k1=0.68,試計算一甲胺的最大收率和與其相應的氨轉化率?解:例3.9在連續(xù)釜式反應器中等溫進行下列反應,反應均為一級,212將B1~B4代入A式中,整理方程對xA求導,并令得到方程D,并解出將結果代入C中求出參見:例3.9.nb

例3.3.nb將B1~B4代入A式中,整理參見:例3.9.nb2133.7半間歇釜式反應器應用場合:濃度:要求一種反應物濃度高,一種反應物濃度低控溫:強放熱反應,調節(jié)加料速度以控制反應溫度

產物分布:可逆反應,不斷移走產物—反應精餾特點:反應器中物料濃度隨時間變化,通過對組分作物料衡算可獲得設計方程,由于有物料連續(xù)加入或取出,反應體積是變化的,非恒容過程3.7半間歇釜式反應器應用場合:214特點：半間歇操作反應物系組成隨時間而變。液相反應：B一次加入,A連續(xù)加入。特點：半間歇操作反應物系組成隨時間而變。液相反應：B一次加入215條件：先注入V0的B，后連續(xù)加A，流量Q0，濃度為CA0，出料Q=0對A作物料衡算輸入輸出反應累積條件：先注入V0的B，后連續(xù)加A，流量Q0，濃度為CA0，出216反應體積若B大大過量,B的濃度可認為不變,初始不含A反應體積2173.8變溫間歇釜式反應器問題提出：（沒有體積功）間歇釜難以做到等溫操作，熱效應小時，可近似等溫，熱效應大時，難做到；溫度影響生產強度，有時變溫的效果更好。對于封閉物系，如不考慮軸功則有：使用更為方便，即：物系與環(huán)境交換的熱量等于系統(tǒng)的焓變。選擇衡算的控制體為整個反應器。dt時間內，物系與外界交換熱量為dq，焓變?yōu)閐H；在t時刻，溫度為T，而在t+dt時刻，溫度為T+dT。由于焓變與過程無關，假定反應在基準溫度Tr下進行，則：3.8變溫間歇釜式反應器問題提出：（沒有體積功）使用218注意：反應熱是對關鍵組分A的反應熱。與外界的熱交換為：dq=UAh（Tc-T）dt

式中，U為總傳熱系數，Ah傳熱面積，Tc為換熱介質溫度。結合上面各式，有