化学反应工程第3章釜式反应器.pptx

第三章第三章 釜式反应器釜式反应器化学反应工程湖北大学化学与化工学院 反应器的分析与设计是反应器的分析与设计是反应工程反应工程的重要组的重要组成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定成部分和主要任务。反应器设计的任务就是确定进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产进行化学反应的最佳操作条件和完成规定的生产任务所需的反应器体积和主要尺寸。任务所需的反应器体积和主要尺寸。对于反应器的分析计算需要建立适当的数学对于反应器的分析计算需要建立适当的数学模型，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇模型，本章将针对两类理想的反应器模型（间歇釜式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论釜式反应器模型和全混流反应器模型）进行讨论和分析，考察反应器性能与各种因素的关系，反和分析，考察反应器性能与各种因素的关系，反应器性能的优化设计问题等。应器性能的优化设计问题等。化学反应工程湖北大学化学与化工学院本章内容等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）全混流反应器的设计全混流反应器的设计全混流反应器的串联与并联全混流反应器的串联与并联釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性半间歇釜式反应器半间歇釜式反应器 变温间歇釜式反应器的计算变温间歇釜式反应器的计算全混流反应器的定态操作与分析全混流反应器的定态操作与分析化学反应工程湖北大学化学与化工学院要 求 重点掌握重点掌握：等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。连续釜式反应器的计算。连续釜式反应器的计算。空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。连续釜式反应器的串联和并联。连续釜式反应器的串联和并联。釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择。釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。深入理解深入理解：变温间歇釜式反应器的计算。变温间歇釜式反应器的计算。广泛了解广泛了解：串联釜式反应器最佳体积的求取方法。串联釜式反应器最佳体积的求取方法。连续釜式反应器的多定态分析与计算。连续釜式反应器的多定态分析与计算。产生多定态点的原因，着火点与熄火点的概念。产生多定态点的原因，着火点与熄火点的概念。化学反应工程湖北大学化学与化工学院第一节 釜式反应器的衡算方程化学反应工程湖北大学化学与化工学院反应器设计的基本内容 选择合适的反应器类型选择合适的反应器类型确定最佳操作条件确定最佳操作条件计算完成规定的生产任务所需的反应器体计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺寸）积（尺寸）最终的目标是经济效益最大最终的目标是经济效益最大(实际上不应该实际上不应该仅仅针对反应系统，应该包括整个过程仅仅针对反应系统，应该包括整个过程)化学反应工程湖北大学化学与化工学院基本方程 物料衡算物料衡算描述浓度的变化规律描述浓度的变化规律能量衡算能量衡算描述温度的变化规律描述温度的变化规律动量衡算动量衡算描述压力的变化情况描述压力的变化情况化学反应工程湖北大学化学与化工学院物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：动量衡算式：动量衡算式：化学反应工程湖北大学化学与化工学院釜式反应器的物料衡算通式 假设：反应器内物料温度均一假设：反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一反应器内物料浓度均一即：反应器内物料完全混合均匀即：反应器内物料完全混合均匀 达到无梯度！达到无梯度！取整个反应体积作控制体积取整个反应体积作控制体积图图3.1 釜式反应器示意图釜式反应器示意图化学反应工程湖北大学化学与化工学院釜式反应器的物料衡算通式在在dt 时间间隔内对整个反应器时间间隔内对整个反应器做关键组分做关键组分 i 的物料衡算：的物料衡算：其中：其中：对反应物为负对反应物为负对产物为正对产物为正图图3.1 釜式反应器示意图釜式反应器示意图定态操作：定态操作：间歇操作：间歇操作：化学反应工程湖北大学化学与化工学院注 意1.首先要选择控制体首先要选择控制体如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体选择整如果反应器内各处浓度均一，衡算的控制体选择整个反应器。如果反应区内存在两个或两个以上相态，反个反应器。如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能选择应体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能选择微元体积作为控制体。微元体积作为控制体。2.对于复杂反应，方程数大大增多对于复杂反应，方程数大大增多化学反应工程湖北大学化学与化工学院第二节 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）化学反应工程湖北大学化学与化工学院特点特点：操作时间操作时间=反应时间反应时间+辅助时间辅助时间(装装+卸卸+清洗清洗)，每批操作时间由计算和经验估计结合得到。每批操作时间由计算和经验估计结合得到。分批装、卸。分批装、卸。所有物料具有相同的反应时间。所有物料具有相同的反应时间。反应器内各处浓度相等，各处温度相等，排除反应器内各处浓度相等，各处温度相等，排除 了传质和传热的影响。了传质和传热的影响。间歇搅拌釜示意图间歇搅拌釜示意图间歇釜式反应器(BR)属于非定态过程。属于非定态过程。间歇反应器的优点是操作灵活，易于适应不同操作条件和不同产品间歇反应器的优点是操作灵活，易于适应不同操作条件和不同产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，特别是精细特别是精细化工与生物化工产品的生产。间歇反应器的缺点是装料、化工与生物化工产品的生产。间歇反应器的缺点是装料、卸料等辅助操卸料等辅助操作要耗费一定的时间，产品质量不易稳定。作要耗费一定的时间，产品质量不易稳定。化学反应工程湖北大学化学与化工学院一、反应时间和反应体积的计算1.反应时间的计算(A为关键组分为关键组分)对非稳态操作，反应时间内：对非稳态操作，反应时间内：物料衡算通式变形为：物料衡算通式变形为：间歇釜式反应器物料衡算式间歇釜式反应器物料衡算式单一反应单一反应（总是成立的）（总是成立的）由于由于恒容反应恒容反应(3.7)适用于任何间歇反应过程适用于任何间歇反应过程化学反应工程湖北大学化学与化工学院等温 BR 反应时间的计算一级不可逆反应一级不可逆反应非一级不可逆反应非一级不可逆反应反应时间反应时间 (3.12)(3.11)相相 同同l 达到一定转化率所需的反应时间与反应达到一定转化率所需的反应时间与反应 器大小无关，只取决于动力学因素。器大小无关，只取决于动力学因素。l 温度越高，速率常数温度越高，速率常数k 越大，则达到相越大，则达到相 同转化率所需的反应时间同转化率所需的反应时间 t 越短。越短。区区 别别t 与与cA0无关无关t 与与cA0有关有关化学反应工程湖北大学化学与化工学院2.反应体积的计算操操作作时时间间t0为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。经验给定经验给定1.反应体积反应体积2.反应器的体积反应器的体积t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。定转化率时所经历的时间。计算关键计算关键Q0：单位时间内处理的反应物料的体积：单位时间内处理的反应物料的体积化学反应工程湖北大学化学与化工学院例3.1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12000kg，其，其化学反应式为：化学反应式为：原料中反应组分的质量比为：原料中反应组分的质量比为：A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为反应液的密度为1020 kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助，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操作时间为1h。反应在。反应在100下等温操作，其反应速率方程如下：下等温操作，其反应速率方程如下：100时，时，k1=4.7610-4 L/(molmin)，平衡常数，平衡常数 K=2.92。试计算乙酸。试计算乙酸转化转化35%时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应器填充系时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应器填充系数取数取0.75，则反应器的实际体积是多少？，则反应器的实际体积是多少？返回例返回例3.4化学反应工程湖北大学化学与化工学院解：解：首先计算原料处理量首先计算原料处理量Q0。根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙。根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为：酸需用量为：式中式中88为乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料液中乙酸为乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料液中乙酸:乙醇乙醇:水水=1:2:1.35，所以所以1+2+1.35=4.35kg原料液中含原料液中含1kg乙酸，由此可求单位时间的原料液量为乙酸，由此可求单位时间的原料液量为:60为乙酸的相对分子质量。原料液起始组成如下为乙酸的相对分子质量。原料液起始组成如下:乙醇及水的相对分子质量分别为乙醇及水的相对分子质量分别为 46 和和 18，通过乙酸的起始浓度和原料中各，通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为:由式（由式（3.8）可求反应时间，需将题给的速率方程变换成转化率的函数，因为：）可求反应时间，需将题给的速率方程变换成转化率的函数，因为：化学反应工程湖北大学化学与化工学院代入速率方程，整理后得代入速率方程，整理后得:（A）式（式（A）中）中 a=cB0/cA0，b=1+cB0/cA0+cS0/(cA0K)，c=11/K 将式（将式（A）代入式（）代入式（3.8）得反应时间）得反应时间:由由a、b 及及 c 的定义式知：的定义式知：a=10.2/3.908=2.61，b=1+10.2/3.908+17.59/(3.9082.92)=5.15，c=11/2.92=0.6575 将有关数值代入式（将有关数值代入式（B）得反应时间为）得反应时间为:（B）所需反应体积为所需反应体积为:反应器实际体积为反应器实际体积为:化学反应工程湖北大学化学与化工学院二、最优反应时间最优反应时间使得最优反应时间使得单位时间内产品产量最大（生产能力最大）单位时间内产品产量最大（生产能力最大）生产费用最低生产费用最低单位时间内产品产量最大单位时间内产品产量最大对于间歇釜式反应器，总反应时间可以表示为：对于间歇釜式反应器，总反应时间可以表示为：当反应时间当反应时间 t时，时，tT、cA、rA，但，但 nR。而且比值。而且比值 nR/tT不总是增不总是增加的，存在最优值。如果将目标函数定义为：加的，存在最优值。如果将目标函数定义为：那么通过求解那么通过求解 可以得到最优反应时间。可以得到最优反应时间。-单位操作时间的产品产量单位操作时间的产品产量化学反应工程湖北大学化学与化工学院单位时间内产品产量最大单位时间内产品产量最大生产费用最低生产费用最低cRMNBAODEFct0(a0t0+af)/at图图3.2 间歇反应器的最优反应时间间歇反应器的最优反应时间单位质量产品的总费用：单位质量产品的总费用：化学反应工程湖北大学化学与化工学院第三节 等温间歇釜式反应的计算（复合反应）化学反应工程湖北大学化学与化工学院反应时间的计算例如：例如：主反应主反应 副反应副反应对各组分作物料衡算对各组分作物料衡算(恒容条件恒容条件)：对对A：对对P：对对Q：系统中只进行两个独立反应，因此三式中仅有二式是独立的。系统中只进行两个独立反应，因此三式中仅有二式是独立的。(3.24)(3.25)(3.26)一、平行反应化学反应工程湖北大学化学与化工学院组分组分浓浓 度度A (3.27a)P (3.29)Q (3.30)反应反应 时间时间 (3.27)平行反应物系中组分浓度和反应时间的关系(3.24)(3.25)(3.26)化学反应工程湖北大学化学与化工学院 由图可见，由图可见，t，cA、而、而cP、cQ。c t 成指数关系。成指数关系。图图3.3 平行反应物系组成与平行反应物系组成与 反应时间关系示意图反应时间关系示意图结论结论:而且而且 ，即：任意时刻，即：任意时刻 两个反应产物浓度之比，等于两个反应产物浓度之比，等于 两个反应速率常数之比。两个反应速率常数之比。（由于两个反应均是一级）（由于两个反应均是一级）对于对于 型反应，型反应，cAt 曲线曲线 具有一级不可逆反应的特征：具有一级不可逆反应的特征：化学反应工程湖北大学化学与化工学院将上述结果推广到含有将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统：个一级反应的平行反应系统：反应物反应物 A 的浓度为：的浓度为：反应产物的浓度为：反应产物的浓度为：反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。化学反应工程湖北大学化学与化工学院例3.2 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应 反应开始时反应开始时 A 和和 B 的浓度均等于的浓度均等于2kmol/m3，目的产物为，目的产物为P，试计算反应时，试计算反应时间为间为3h 时时 A 的转化率和的转化率和 P 的收率。的收率。解：解：因因:（A）由式（由式（3.5）得）得:（B）由于是等容系统，将式（由于是等容系统，将式（A）代入式（）代入式（B）化简后得）化简后得:（C）积分积分（D）得得:返回例返回例3.5返回例返回例3.10化学反应工程湖北大学化学与化工学院题给组分题给组分A的起始浓度的起始浓度，反应时间，反应时间t=3h，代入式（，代入式（D）可求组分）可求组分A的浓度的浓度cA 此即反应此即反应3h时时A的浓度，因此，组分的浓度，因此，组分A的转化率为的转化率为:只知道只知道A的转化率尚不能确定的转化率尚不能确定P的生成量，因转化的的生成量，因转化的A既可转化成既可转化成P也可能转也可能转化成化成Q。由题给的速率方程知。由题给的速率方程知:所以：所以：cA=2.48210-3 kmol/m3式（式（C）除以式（）除以式（E）有：）有：（E）所以所以（F）将有关数值代入式（将有关数值代入式（F）得）得:化学反应工程湖北大学化学与化工学院P的收率的收率:即即A转化了转化了99.88%，而转化成，而转化成P的只有的只有69.19%，余下，余下(99.8869.19)%=30.69%则转化成则转化成Q。化学反应工程湖北大学化学与化工学院二、连串反应反应时间的计算例如：一级不可逆连串反应例如：一级不可逆连串反应(A、P为关键组分为关键组分)对对A作物料衡算：作物料衡算：对对P作物料衡算：作物料衡算：由于：由于：(3.35)(3.38)(3.39)化学反应工程湖北大学化学与化工学院图图3.4 连串反应的组分浓度连串反应的组分浓度 与反应时间的关系与反应时间的关系 由图可见，由图可见，t，cA、而、而cQ、cP存在极大值存在极大值。c t 成指数关系。成指数关系。结论结论:求求 ，则，则化学反应工程湖北大学化学与化工学院例题3.3在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应 这两个反应对各自的反应物均为一级，并已知反应温度下这两个反应对各自的反应物均为一级，并已知反应温度下 ，试计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率。试计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率。解解：由题意知这两个反应的速率方程为：由题意知这两个反应的速率方程为：式中式中A、B及及M分别代表氨、一甲胺和醇。氨的转化速率为：分别代表氨、一甲胺和醇。氨的转化速率为：一甲胺的生成速率为：一甲胺的生成速率为：(A)返回例返回例3.9(B)化学反应工程湖北大学化学与化工学院(A)、(B)两式相除得两式相除得（C）因因 ，式（式（C）可写成）可写成:式（式（D）为一阶线性常微分方程，初值条件为）为一阶线性常微分方程，初值条件为XA0，YB0。式（。式（D）的解为）的解为:式（式（E）中）中 c 为积分常数，将初值条件代入式（为积分常数，将初值条件代入式（E）中可得：）中可得：（D）dXA（E）化学反应工程湖北大学化学与化工学院再将再将 c 代回式（代回式（E）则有）则有:（F）为了求一甲胺的最大收率，将式（为了求一甲胺的最大收率，将式（F）对）对 XA求导得求导得:令令dYB/dXA=0，则有：，则有：所以：所以：此即一甲胺收率最大时氨的转化率，已知此即一甲胺收率最大时氨的转化率，已知 k2/k1=0.68，代入式（，代入式（G）得）得:再代回式（再代回式（F）可得一甲胺的最大收率为）可得一甲胺的最大收率为:实际上，第二个反应生成的二甲胺仍可和甲醇反应生成三甲胺实际上，第二个反应生成的二甲胺仍可和甲醇反应生成三甲胺:如果将这个反应也考虑在内，对上面所计算的一甲胺的最大收率是否产生影如果将这个反应也考虑在内，对上面所计算的一甲胺的最大收率是否产生影响？并请考虑一下是什么原因。响？并请考虑一下是什么原因。（G）化学反应工程湖北大学化学与化工学院第四节 连续釜式反应器的反应体积间歇釜间歇釜：各参数随时间变化，一次性装卸料；：各参数随时间变化，一次性装卸料；连续釜式反应器连续釜式反应器：基本在定态下操作，有进有出。：基本在定态下操作，有进有出。化学反应工程湖北大学化学与化工学院一、连续釜式反应器的特点出口处的出口处的c,T=反应器内的反应器内的c,T连续釜式反应器示意图连续釜式反应器示意图连续釜式反应器（连续釜式反应器（CSTR）的特点：的特点：反应器的参数不随时间变化，反应器的参数不随时间变化，属定态过程（不存在时间自变属定态过程（不存在时间自变 量）。量）。反应器的参数不随空间变化，反应器的参数不随空间变化，达到无梯度（也没有空间自变达到无梯度（也没有空间自变 量量）。）。多用于液相反应，恒容操作。多用于液相反应，恒容操作。化学反应工程湖北大学化学与化工学院二、连续釜式反应器反应体积的计算连续釜式反应器示意图连续釜式反应器示意图物料衡算通式：物料衡算通式：连续釜式反应器物料衡算式：连续釜式反应器物料衡算式：单一反应单一反应恒恒 容容当同时进行多个反应时，只要进出口组成和当同时进行多个反应时，只要进出口组成和 Q0已知，就可以已知，就可以针对一个组分求出反应体积针对一个组分求出反应体积 Vr（如式（如式3-41所示）。所示）。连续釜式反应器示意图连续釜式反应器示意图注意注意：反应器内反应器内c、T恒定，不随时间变化，也不随位置变化。所以恒定，不随时间变化，也不随位置变化。所以其内的反应速率各处相同，也不随时间变化其内的反应速率各处相同，也不随时间变化等速反应器。等速反应器。化学反应工程湖北大学化学与化工学院 两个重要的物理量空时、空速1.空时空时衡量生产能力（只针对连续反应器而言），其定义为：衡量生产能力（只针对连续反应器而言），其定义为：2.空速空速单位反应体积、单位时间内所处理的物料量，可表示为空时单位反应体积、单位时间内所处理的物料量，可表示为空时 的倒数，即：的倒数，即：s时，生产能力时，生产能力。为了便于比较，通常采用为了便于比较，通常采用“标准情况下的体积流量标准情况下的体积流量”。对于有固体催化剂参。对于有固体催化剂参与的反应，与的反应，用用催化剂空速催化剂空速（往往以催化剂质量或体积衡量）。（往往以催化剂质量或体积衡量）。，生产能力，生产能力(比较时比较时QO应在相同的应在相同的T，p下求得，即在同一基准下进下求得，即在同一基准下进行比较行比较)；，生产能力，生产能力。dV=0 的过程，的过程，=，即物料在反应器内的平均停留时间等于空时。，即物料在反应器内的平均停留时间等于空时。化学反应工程湖北大学化学与化工学院等温CSTR 反应体积的计算复合反应平行反应复合反应平行反应对关键组分对关键组分A有：有：对目的产物对目的产物P有：有：对副产物对副产物Q有：有：例如：例如：主反应主反应 副反应副反应三式中有两式独立，可解出三式中有两式独立，可解出Vr、XA、YP三者的关系。三者的关系。化学反应工程湖北大学化学与化工学院复合反应连串反应复合反应连串反应对关键组分对关键组分A有：有：对中间产物对中间产物P：对最终产物对最终产物Q：等温CSTR 反应体积的计算例如：一级不可逆连串反应例如：一级不可逆连串反应三式中有两式独立，可解出三式中有两式独立，可解出Vr、XA、YP三者的关系。三者的关系。化学反应工程湖北大学化学与化工学院小结小结:等温反应釜的设计方程等温反应釜的设计方程化学反应工程湖北大学化学与化工学院三、三、BR 和 CSTR 反应体积的比较 XAf 0XABR XAf0XACSTR化学反应工程湖北大学化学与化工学院例题 3.4按照按照例例3.1所规定的要求和给定的数据，使用连续釜式反应器生产乙酸乙酯，所规定的要求和给定的数据，使用连续釜式反应器生产乙酸乙酯，试计算所需的反应体积。试计算所需的反应体积。解解：单位时间处理的原料量及原料组成，在例单位时间处理的原料量及原料组成，在例3.1中已作了计算，即中已作了计算，即Q0=4.155m3/h，cA0=3.908mol/L，cB0=10.2mol/L，cS0=17.59mol/L，cR0=0。且且k1=4.7610-4 L/(molmin)，K=2.92。将初始组成及反应速率常数将初始组成及反应速率常数 k1 及平衡常数及平衡常数 K 代入上式化简后得代入上式化简后得:由于反应器内反应物料组成与流出液体组成相同，因此应按出口转化率来计算由于反应器内反应物料组成与流出液体组成相同，因此应按出口转化率来计算反应速率，把转化率值代入上式得：反应速率，把转化率值代入上式得：=0.3781kmol/(m3h)返回例返回例3.1乙酸的转化速率可由题给的反应速率方程求得，将其变换为转化率的函数：乙酸的转化速率可由题给的反应速率方程求得，将其变换为转化率的函数：化学反应工程湖北大学化学与化工学院根据式（根据式（3-43）即可得算出所需反应体积为：）即可得算出所需反应体积为：为什么例为什么例3.4 中中Vr例例3.1中中Vr？由例由例3.1的计算结果知，采用间歇作所需的反应体积为的计算结果知，采用间歇作所需的反应体积为12.38m2较之连续釜较之连续釜式反应器要小，其原因是间歇反应器是变速操作，开始时反应速率最大，式反应器要小，其原因是间歇反应器是变速操作，开始时反应速率最大，终了时最小，而连续釜式反应器是等速操作，且恰恰是在相应于间歇反应终了时最小，而连续釜式反应器是等速操作，且恰恰是在相应于间歇反应器的最小反应速率下操作，反应体积自然就增大，从这个角度看连续釜式器的最小反应速率下操作，反应体积自然就增大，从这个角度看连续釜式不如间歇反应器。不如间歇反应器。例题 3.5用连续釜式反应器来实现用连续釜式反应器来实现例例3.2的反应，的反应，若保持其空时为若保持其空时为3h，则组分，则组分A的最终转化率的最终转化率是多少？是多少？P的收率又是多少？的收率又是多少？解解：由式（由式（3-41）可分别列出）可分别列出A 及及 P 的物料衡算式为：的物料衡算式为：或或（A）同理得同理得 P 的物料衡算式：的物料衡算式：（B）=3h，cA0=2kmol/m3，代入式（，代入式（A）整理后有：）整理后有：解此二次方程得反应器出口组分解此二次方程得反应器出口组分A 的浓度的浓度 另一根为负根，舍去，另一根为负根，舍去，A 的最终转化率为：的最终转化率为：将将cA值代入式（值代入式（B）得）得P 的浓度：的浓度：所以，所以，P 的收率为：的收率为：由此可见，当连续釜式反应器的空时与间歇釜的反应时间相同时，两者的由此可见，当连续釜式反应器的空时与间歇釜的反应时间相同时，两者的转化率和收率都不相等，因此在进行反应器放大时，这点必须予以足够的注意。转化率和收率都不相等，因此在进行反应器放大时，这点必须予以足够的注意。另外在本情况下连续操作时的收率大于间歇操作，这是由于另外在本情况下连续操作时的收率大于间歇操作，这是由于A的浓度低有利于的浓度低有利于目的产物目的产物P的生成之故。的生成之故。化学反应工程湖北大学化学与化工学院第五节 连续釜式反应器的串联与并联化学反应工程湖北大学化学与化工学院一、概述1.用一个大反应器好还是几个小反应器好用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小最小)2.若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？（若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？（Vr最小最小)3.若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？或各釜若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？或各釜 的最佳反应体积比如何？的最佳反应体积比如何？思考思考:化学反应工程湖北大学化学与化工学院图图3.5连续釜式反应器反应体积的几何图示连续釜式反应器反应体积的几何图示 连续釜式反应器的串联连续釜式反应器的串联1.图解分析图解分析正常动力学正常动力学化学反应工程湖北大学化学与化工学院图图3.5连续釜式反应器反应体积的几何图示连续釜式反应器反应体积的几何图示 连续釜式反应器的串联连续釜式反应器的串联1.图解分析图解分析反常动力学反常动力学化学反应工程湖北大学化学与化工学院图图3.5连续釜式反应器反应体积的几何图示连续釜式反应器反应体积的几何图示 2.小小 结结 对于正常动力学，串对于正常动力学，串 联联 的釜数增多，则总体积减小。的釜数增多，则总体积减小。(但操作复杂程度增大，附属但操作复杂程度增大，附属设备费用增大设备费用增大)。对于反常动力学，则使对于反常动力学，则使用单釜有利，如使用多釜，用单釜有利，如使用多釜，采用并联的方式。采用并联的方式。化学反应工程湖北大学化学与化工学院对于釜式反应器的并联，存在如何分配加入每个反应器中物料量的对于釜式反应器的并联，存在如何分配加入每个反应器中物料量的问题（使得各釜反应体积一定时，总转化率问题（使得各釜反应体积一定时，总转化率XAf最大）。最大）。图图3.6 并联的釜式反应器并联的釜式反应器 通常可以采取通常可以采取1=2，这时整，这时整个反应系统最优。即要个反应系统最优。即要:这时有：这时有：连续釜式反应器的并联连续釜式反应器的并联化学反应工程湖北大学化学与化工学院二、串联釜式反应器的计算假设假设N个串联的釜式反应器如图个串联的釜式反应器如图 3.7 所示。可以通过对每个釜进行物料所示。可以通过对每个釜进行物料衡算，得到系统的计算方程。衡算，得到系统的计算方程。图图3.7 串联的釜式反应器操作示意图串联的釜式反应器操作示意图 假设：假设：各釜体积相同，各釜体积相同，且各釜的进料可近似认且各釜的进料可近似认为相等，则各釜的空时为相等，则各釜的空时相等。相等。各釜操作温各釜操作温度相同，则各釜的速率度相同，则各釜的速率常数常数 k 相等。相等。p=1，2，N（3.47）对第对第P釜作组分釜作组分A的物料衡算：的物料衡算：化学反应工程湖北大学化学与化工学院对于一级不可逆反应：对于一级不可逆反应：p=1，2，N（3.47）注意：其中的注意：其中的为单釜空时，为单釜空时，总空时为总空时为 N。（3.50）N个釜个釜A（1）每一个单釜的体积）每一个单釜的体积 Vri已知已知 此时每个釜的空时此时每个釜的空时i已知，已知，XAi或或cAi（逐一的计算），直至（逐一的计算），直至 求出达到求出达到 XAN所需的釜数所需的釜数 N。小小 结结:该过程对于非一级反应，没有解析解，需要进行逐釜计算。该过程对于非一级反应，没有解析解，需要进行逐釜计算。根据已知条件，可以将逐釜计算过程分成以下两种。根据已知条件，可以将逐釜计算过程分成以下两种。也可采用作图法来求解，但首先要在二维坐标中绘出转化率与反应速也可采用作图法来求解，但首先要在二维坐标中绘出转化率与反应速率的关系曲线，然后利用下面的公式逐釜作折线。率的关系曲线，然后利用下面的公式逐釜作折线。（2）釜数）釜数 N 已知已知 需要先假设空时需要先假设空时i，按（，按（1）的方法逐釜计算）的方法逐釜计算 求出第求出第N个釜出口个釜出口的转化率，并与要求的转化率的转化率，并与要求的转化率 XAN对比，如果不一致需要重新假对比，如果不一致需要重新假设空时设空时i，重复进行计算，直到两者吻合为止。，重复进行计算，直到两者吻合为止。（3.47）（3.52）化学反应工程湖北大学化学与化工学院逐釜计算的图解法逐釜计算的图解法XA1 0XAXA2XA3XA4 M N P Q图图3.8 作图法确定串联釜式反应器作图法确定串联釜式反应器 各釜的出口转化率各釜的出口转化率 步步 骤骤:1.假设各釜的温度相同，绘出假设各釜的温度相同，绘出一条动力学线。一条动力学线。（3.52）2.设设XA0=0，(3.52)式为过原点，式为过原点，作斜率为作斜率为cA0/1的直线的直线OM，交，交动力学线于点动力学线于点M，M点横坐标点横坐标为为XA1。3.假设各釜反应体积相等，则假设各釜反应体积相等，则空时相等，物衡线斜率相同。空时相等，物衡线斜率相同。过点过点(XA1,0)，作，作OM平行线，平行线，交动力学线于点交动力学线于点N，N点横坐点横坐标为标为XA2。4.如此下去，直至达到所要求如此下去，直至达到所要求的的XAN为止。为止。例3.6与与例题例题3.4的要求相同，但改用三个等体积的釜式反应器串联，的要求相同，但改用三个等体积的釜式反应器串联，试求总反应体积。试求总反应体积。解解：根据式（：根据式（3.47），可写出三个釜的物料衡算式分别为：），可写出三个釜的物料衡算式分别为：因因 Vr1=Vr2=Vr3，由上三式可得：，由上三式可得：的关系在例的关系在例3.4中已求出为：中已求出为：XA30.35，代入式（，代入式（C）得）得:与式（与式（C）一起代入式（）一起代入式（A）及式（）及式（B）则有：）则有：（A）（B）（3.47）（C）)联立求解式（联立求解式（D）及式（）及式（E）得：）得：将有关数值代入第一釜的物料衡算式得：将有关数值代入第一釜的物料衡算式得：又因又因 Vr1=Vr2=Vr33.299m3，故所需的总反应体积为，故所需的总反应体积为3.2993=9.897m3。如果采用两个等体积釜串联操作，则如果采用两个等体积釜串联操作，则XA20.35，由式（，由式（A）求）求XA1，其值，其值为为0.2202，仿照三釜串联时的方法，求得总反应体积为，仿照三釜串联时的方法，求得总反应体积为10.88m3。例。例3.4计计算得到只用一个釜时所需的反应体积为算得到只用一个釜时所需的反应体积为14.68m3，由此可见，串联的釜数，由此可见，串联的釜数越多，所需的总反应体积越小。当然，当反应具有反常动力学时，此结越多，所需的总反应体积越小。当然，当反应具有反常动力学时，此结论不成立。论不成立。（D）（E）（A）（B）0例3.7用作图法重新求解例用作图法重新求解例3.6。解解：求解例：求解例3.6的关键是求出第一釜的出口转化率，若此值已知，便可计算的关键是求出第一釜的出口转化率，若此值已知，便可计算反应体积。现作图法来求定。为此首先根据例反应体积。现作图法来求定。为此首先根据例3.4的式（的式（C）算出不同转化率）算出不同转化率下的下的(-R RA)值，结果如表值，结果如表3A所示。图所示。图3A为按表为按表3A中的数据以中的数据以(-R RA)对对XA作图作图的结果，所得的动力学曲线为的结果，所得的动力学曲线为MMNPNP，因釜的反应体积未知，故物料，因釜的反应体积未知，故物料衡算线的斜率未定，只得采取试差法。过衡算线的斜率未定，只得采取试差法。过O作直线作直线OM交动力学曲线于交动力学曲线于M，作作MS垂直于横轴，垂足为垂直于横轴，垂足为S，作，作NSOM，NS即为第二釜的物料衡算即为第二釜的物料衡算线，同理可作出第三釜的物料衡算线线，同理可作出第三釜的物料衡算线PQ，P点对应的转化率即为第三釜的点对应的转化率即为第三釜的出口转化率，由图上读出约为出口转化率，由图上读出约为0.25，达不到规定的，达不到规定的0.35，表示原假定的斜率，表示原假定的斜率太大即反应体积太小了，需将物料衡算线的斜率减小，按上述方法再作图，太大即反应体积太小了，需将物料衡算线的斜率减小，按上述方法再作图，图中的实线所示，则第三釜出口转化率正好等于图中的实线所示，则第三釜出口转化率正好等于0.35。此时。此时M点对应的转化点对应的转化率为率为0.16，按式（，按式（3.47）不难算出所需反应体积等于）不难算出所需反应体积等于3.3m3。因为物料衡算的。因为物料衡算的斜率等于斜率等于cA0/t t，故又可从图，故又可从图3A上量出上量出OM的斜率来求的斜率来求t t，OM的斜率为的斜率为0.0813mol/(L min)，所以：，所以：由空时的定义可求反应体积由空时的定义可求反应体积:总反应体积为总反应体积为3(3.324)9.972m3，与例，与例3.6的结果甚相接近。的结果甚相接近。三、串联釜式反应器各釜的最佳反应体积对单一反应，总反应体积为：对单一反应，总反应体积为：可求得各釜的转化率，可求得各釜的转化率，从而求得从而求得Vrp此时此时Vr最小。最小。在釜数及最终转化率已规定情况下，为使总的反应体积最小，各釜反应体积在釜数及最终转化率已规定情况下，为使总的反应体积最小，各釜反应体积存在一个最佳比例。存在一个最佳比例。令：令：最优体积比条件：最优体积比条件：化学反应工程湖北大学化学与化工学院优化的目标函数为：优化的目标函数为：对于对于a a 级反应，有级反应，有rA=kcAa a，得到以下结论：，得到以下结论：三、串联釜式反应器各釜的最佳反应体积a a 1 1 从小釜从小釜大釜排列最优大釜排列最优 0 0 a a 1 1 从大釜从大釜小釜排列最优小釜排列最优 a a=1=1 釜体积相等时最优釜体积相等时最优 a a=0=0 rA与与 cA无关无关,多釜串联没有必要多釜串联没有必要 a a00 单釜优于多釜串联单釜优于多釜串联 化学反应工程湖北大学化学与化工学院第六节 釜式反应器中复合反应的收率和选择性 对于复杂反应，目的产物的收率和选择性是非常重要的，反映了原料的有对于复杂反应，目的产物的收率和选择性是非常重要的，反映了原料的有效利用程度。收率和选择性与反应器的型式，操作方式和操作条件密切相关。效利用程度。收率和选择性与反应器的型式，操作方式和操作条件密切相关。化学反应工程湖北大学化学与化工学院一、总收率与总选择性 前面曾经给出前面曾经给出瞬时选择性瞬时选择性的定义：的定义：其中，其中，m mPA的物理意义是生成的物理意义是生成 1mol 的目的产物的目的产物 P 要消耗要消耗 A 的摩尔数。的摩尔数。应该注意应该注意：(1)瞬时选择性可能随时间变化。间歇反应器就是一例；瞬时选择性可能随时间变化。间歇反应器就是一例；(2)对于连续反应器（在定态下操作），瞬时选择性不随时间变化，对于连续反应器（在定态下操作），瞬时选择性不随时间变化，但可能随位置变化，这时要用到总收率，其定义为：但可能随位置变化，这时要用到总收率，其定义为：YPf是总收率，针对整个反应器而言的。是总收率，针对整个反应器而言的。S0表示总选择性表示总选择性(对整个反应而对整个反应而言言)，那么，那么：则：则：（3.55）（3.57）讨论：讨论：(1)XA时，时，S的情形的情形：图图 3.10 釜式反应器的最终收率釜式反应器的最终收率 对于间歇釜式反应器对于间歇釜式反应器=整个曲边梯形的积分面积；整个曲边梯形的积分面积；对于连续釜式反应器对于连续釜式反应器=矩形的面积；矩形的面积；由图可知，多釜串联系统介于间歇釜式反应器和连续釜式反应器之间，即：由图可知，多釜串联系统介于间歇釜式反应器和连续釜式反应器之间，即：(2)对于对于XA时，时，S的情况的情况 结果恰恰与上面的相反结果恰恰与上面的相反。l 总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反应器形式和操作总选择性和转