文档介绍：第三章釜式反应器
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)。
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。
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。
连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。
深入理解:
变温间歇釜式反应器的计算。
广泛了解:
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。
产生多定态点的原因,着火点与熄火点的概念。
釜式反应器
反应器的分析与设计是《反应工程》的重要组成部分和主要任务。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。具体内容包括:
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)
全混流反应器的设计
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
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
第一节釜式反应器的物料衡算方程
反应器设计的基本内容:
选择合适的反应器类型
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积(尺寸)
最终的目标是经济效益最大(实际上不应该仅仅针对反应系统,应该包括整个过程)
基本方程:
物料衡算--描述浓度的变化规律
能量衡算--描述温度的变化规律
动量衡算--描述压力的变化情况
注意:
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,这时只能选择微元体积作为控制体。
对于复杂反应,方程数大大增多
第二节等温间歇釜式反应器的计算(单一反应)
特点:
分批装、卸;
适用于不同品种和规格的产品的生产,广泛用于医药、试剂、助剂等生产。
整个操作时间=反应时间+辅助时间(装+卸+清洗)
(每批) 计算经验估计
一、反应时间和体积的计算
A 关键组分
(总是成立的)
(单一反应)
或(复杂反应)
因为整个反应器中浓度均一,将整个反应器作为控制体,那么根据物料衡算方程,有
初值条件为:t=0, XA=0 t=t,XA=XAf
该式可用于均相、多相,等温或非等温过程。
对于间歇反应器,由于dV=0,若为均相则(否则不行)
设反应速率方程为(不可逆反应),则,在等温下有
当温度T↑时,反应速率常数k↑,导致达到规定转化率所用的反应时间t↓。对于可逆放热反应,是上面的结论仍然正确吗?
注意:
α=1,t与CAO无关
t与rA有关与Vr无关
Vr与Q0(单位时间内处理的反应物料的体积)有关,有。
实际的反应器体积为:
对于沸腾或易发泡液体物料
对于一般流体
二、最优反应时间
对于间歇釜式反应器,总反应时间可以表示为:
当反应时间t↑时, tr↑、CA↓、rA↓,但↑。而且比值不总是增加的,存在最优值。如果将目标函数定义为:
那么通过求解
第三节等温间歇釜式反应的计算(复合反应)
一、平行反应
在等温间歇反应器中,设进行的反应为一平行反应:
A→P rP=k1CA P为目的产物
A→Q rQ=k2CA
根据物料衡算可以得到:
其中只有两个独立反应(当然只要两个方程就够了)。对于均相,恒容过程方程进一步变为:
设初值条件为:t=0时,CA=CAO,CP=0,CQ=0,则方程的解为
进一步:
,由图可见,t ↑,CA↓,而CP↑、CQ↑。
图3-3 平行反应组成随时间的变化关系
而且(由于两个反应均是一级)
由于产物P是目的产物,希望k1>k2。
第三节等温间歇釜式反应的计算(复合反应)续
二、连串反应
设在等温间歇反应器中进行如下的连串反应:
假设反应均为一级,那么根据物料衡算得到:
设初值条件为: 。首先可以解出:
将该式带入第二个方程,有
(3-37)
最后解出:
(3-38)
(3-39)
反应物系组成随时间的变化关系如图3-4所示,如果P是目的产物,其值有最优解。通过CP 对时间求导数,可以得到: