釜式反应器

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釜式反应器

釜式反应器

重点掌握内容
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。
其它要求
dn A dt 0
0
0
对于均相,恒容过程方 程进一步变为:
(k1 k 2 )C A
dCA dt
0
k1C A
dCp dt
0
k 2C A
dCQ dt
0
设初值条件为:t=0 时,CA=CA0,CP=0,CQ=0,则方
程的解为
t 1 ln CA0 或 t 1 ln 1
k1 k2 CA
问题之二:并联操作各釜流量如何分配
图3-6 并联的釜式反应器
并联情况
通常可以采取τ1=τ2,这时整个反应系统最优。
即要
Vr1 Vr2
Q Q O1
O2
这时有 : X Af 1 X Af 2 X Af
二、 串联釜式反应器的计算
假设N个串联的釜式反应器如图 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。
空时的倒数,即
s
1
s↑时,生产能力↑。
其他几种术语
为了便于比较,通常采用“标准情况下的体积流 量”。
对于有固体催化剂参与的反应, 用催化剂空速(往 往以催化剂质量或体积衡量)。
几种不同的空速: 质量空速(m3/g-cat)、体积空速(m3/ m3 cat) 液空速(m3液体原料/g-cat、 m3液体原料/ m3 cat ) 碳空速、烃空速等
研究内容

第三章 釜式及均相管式反应器综述

第三章 釜式及均相管式反应器综述
t C A0
x Af 0 CA dxA dCA C A0 rA rA
等容过程,液相反应
图解积分示意图
t C A0
x Af
0
CA dxA dCA C A0 rA rA
[rA]-1
[rA]-1
t/cA0 xA0 xAf x CA0
t CAf CA
二、间歇反应器的数学描述
Standardised stirred tank reactor sizes
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 总容积 夹套容积 换热面积 400 L L m2 d1 h1 主要尺寸 (mm) d2 h2 533 120 2.5 800 1000 900 1250 630 847 152 3.1 1000 1000 1100 1300 1000 1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550 2500 3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060 4000 5374 499 11.7 1800 2000 1900 2500 6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
4.155m / h
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
CB 0 3.908 60 2 10.2(mol / L) 46
3.908 60 1.35 CS 0 17.59(mol / L) 18
然后,将题给的速率方程变换成转化率的函数。
第三章 釜式及均相管式反应器
第一节 第二节 间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
第一节 间歇反应器
一、釜式反应器的特征
(1)反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀,且反应 器内浓度处处相等,因而排除了物质传递对反应的影响;

釜式反应器的特点

釜式反应器的特点
间歇操作 物料一次性加入釜中,反应结束后 一 次性排出。所有物料的反应时间相同,物 料和产物的浓度及化学反应速率均随时间 而变化,是一个非定态过程。其生产能力 小,产品质量不稳定,劳动强度大,不易 自动控制和自动调节。宜于小批量、多品 种的生产。
釜式反应器的特点
单釜连续操作 物料不断加入,产物不断的流出。在搅 拌作用下,釜内各点浓度均匀一致,出口 浓度与釜中浓度相同,属定态过程。但物 料在釜内停留时间不一,因而会降低转化 率。其产品质量稳定,易于自动控制,宜 于大规模生产。
釜式反应器的特点
多釜串联操作 可分段控制反应,提
高每釜的推动力。克服单釜 连续操作中返混大,物料浓 度低的缺点;温差小,易于 稳定控制温度。生产中常采 用2-4釜串联。
釜式反应器的特点
半连续操作 一种物料一次性全部加入,另一种物料 连续加入。物料浓度随时间不断变化,属 非定态过程。适宜于小型生产,对放热剧 烈的反应,用改变进料速度的方法来调节 放热量的变化,达到控制温度的目的。
釜式反应器
一、釜式反应器的结构
釜式反应器
釜体:由壳体和上、下封头组成,其高与直
径之比一般1~3之间。必须提供足够的体积
以保证反应物有一定的停留时间来达到规
定的转化率;必须有足够的强度和耐腐蚀
能力以保证操作安全可靠。
釜式反应器
换热装置
釜式反应器
搅拌装置:由搅拌器和传动装置组成
二、釜式反应器的特点
反应时间(t)可参考动力学方程结合物料衡算 求得,或者由生产经验值与实验值获得。辅 助时间(t’)由实践经验确定。

2. 反应釜的总容积(VT)
VT VR /
装料系数 一般在0.4~0.85之间, 不起泡不沸腾的物料可取0.7~0.85,易起 泡或沸腾的物料可取0.4~0.6

第三章 釜式反应器

第三章  釜式反应器
dcP 0 dt
t0 pt
ln( k1 / k 2 ) 代入式( 6 ) k1 k 2 k
cP max
k1 c A0 k2
k k 2 1
2
cP max YP max = cA0
3.4 连续釜式反应器反应体积的计算
物料衡算式:Q0Ci0=QCi-RiV r 因为釜式反应器大多数进行液相反应 所以视作为恒容过程 Q=Q0
dcA 对A : ( RA ) k1cA (1) dt dcP 对P : RP k1cA k2cP (2) dt
cA cA0 exp(k1t )(4)
dcP 带入式(2)得: k1cA0 exp(k1t ) k2cP dt
dcP k2cP k1c A0 exp(k1t )(5) dt
Vr=
Q 0( c i,0 - c 0 )
-R
i
i = 1,2,...,k
Q0( c A,0 - c A ) Q0( c A,0 - c A ) Q0c A,0( x A, f - c A,0 ) = = 2 - R Ac A, f -R A x A, f
Vr=
-R
A
空时 V r
Q0
单位时间处理单位体积无聊所需的空间体积 空时越大,反应器的生产能力越小
∵ cA0 cA cP cQ
k2 c A0 ∴ cQ cA0 cA cP 1 exp (k1 k2 )t k1 k2
cP k1 常数 cQ k2
可推广到M个一级平行反应: 对反应物A:
cA cA0 exp ( - k1 +k2 +... +km)t

第三章 釜式反应器

第三章 釜式反应器
13
等温间歇反应器反应时间的解析计算
由于反应在等温条件下进行,则反应速率常数在反应 过程中保持不变。
对于n级不可逆反应 将反应速率方程变换为转化率的函数并积分得到:
对于一级不可逆反应积分结果为:
14
影响间歇反应器反应时间的因素分析
从间歇反应器反应时间的计算公式可以看出: 反应时间随反应组分的初始浓度(一级反应除外)的提
rAVr
nA0
dxA dt
分离变量积分:
t
t
0 dt nA0
dx x A f
A
0 rAVr
11
间歇反应器的反应时间计算 (单一反应)
恒容条件下(多数情况)
t
cA0
xAf 0
dxA rA
or
t cA dcA
r cA0 A
如果动力学方程形式为: rA kCAn
i


反应生成

物质量 物质量 i物质量
通式为
7
间歇釜式反应器的物料衡算式
由于间歇反应器在反应过程中无物料的进出,因此
Q0=Q=0,即:
单位时间 单位时间内积
反应掉的
=累在反应器内

i物质量 的i物质量
由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论:反应物达 到一定的转化率所需的反应时间,只取决于过程的反应速率, 也就是说取决于动力学因素,而与反应器的大小无关。
第三章 釜式反应器
釜式反应器是工业上应 用广泛的反应器之一。
可以用来进行均相反应 (主要是液相均相反应), 又可用于多相反应,如 气液、液固、液液及气 液固等反应。
在操作方式上,既可以 是进行连续操作,也可 以进行间歇或半间歇操 作。

釜式反应器的特点

釜式反应器的特点

特点
操作优点
釜式反应器的特点
练一练
1.多釜串联操作与单釜串联操作、间 歇操作相比较的优点是什么?
2. 间歇操作、单釜连续操作、多釜串 联操作和半连续操作过程的不同点。
釜式反应器的特点
讨论
多釜串联操作中是否釜数越多 越好,为什么?
结论
不是,随串联釜数的增加,设备 的折旧费和操作费将增加,通常采用 2~4釜串联。
釜式反应器
一、釜式反应器的结构
釜式反应器
釜体:由壳体和上、下封头组成,其高与直
径之比一般1~3之间。必须提供足够的体积
以保证反应物有一定的停留时间来达到规
定的转化率;必须有足够的强度和耐腐蚀
能力以保证操作安全可靠。
釜式反应器
换热装置
釜式反应器
搅拌装置:由搅拌器和传动装置组成
二、釜式反应器的特点
解:已知原料的处理量为462kg/h
平均每小时处理的原理体积为:
V0 462/ 0.75 616L / h
Hale Waihona Puke 则乙酸初始浓度为:C0 1.08/ 616 1.8 103 kmol/ L
则每批次所需反应时间:
1 1 1 1 1 1 t ( ) ( ) 128min 2.13h 3 3 k C A C A0 17.4 0.2 1.8 10 1.8 10
反应釜容积的计算
1. 反应釜的有效容积(VR) 反应器有效体积VR是指反应物料在反 应器中所占的体积。 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t') VR = V0 (t+t')
V0—为平均每小时处理物料体积,m3/h;
t —每批物料达到规定转化率所需的时间,h; t’—加料、卸料、清洗等辅助时间,h;

第三章 釜式反应器

第三章 釜式反应器

������������
1
= − ln 1 − ������
1 − ������
������
化学反应工程——釜式反应器
7
t与CA0有关 t与CA0无关
2. 间歇反应器的反应体积:
������ = ������ ������ + ������
式中: Q0— 单位时间内处理的反应物料的体积(由生产任务决定) t— 反应时间 t0— 辅助时间
1 − ������
������������
������������
1 反应时间:������ =
������������
������������ 1 − ������
若 ������ ≠ 1
t = 1 − ������
−1
������ − 1 ������������
若 ������ = 1
1 ������ = ������
������ = = ������ ������
(5)
������������
初 始 条 件 : t=0时,CA=CA0 ; CP=0; CQ=0
对 ( 4 ) 积 分 得 : ∴ ������ =
ln =
ln
(6)
由此式可求得为达到一定的XA所需要的反应时间,式(6)也可写成:
������ = ������ exp − ������ + ������ ������
1 − exp − ������ + ������ ������
������ + ������
两种产物的浓度之比,在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。
化学反应工程——釜式反应器
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3_釜式反应器.

3_釜式反应器.
A
c
0
AP AQ
P
Q
t
cP k1
cQ
k2
即:任意时刻两 个反应产物浓度 之比,等于两个 反应速率常数之 比
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
等温 BR 的计算
复合反应
将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统 :
M
反应物A的浓度为:
(t ki )
cA cA0e 1
反应产物的浓度为:
M
ci
Q0
ci0
Q
ci
Q0ci0dt Qcidt RiVr dt dni
Vr
Q0ci0
Qci
RiVr
dni dt
i 1,2, K
假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一
M
R
其中:
i
ij r j
j 1
KM
对反应物为负 对产物为正
等温 BR 的计算
1.反应体积
Vr Q0 (t t0 )
釜式反应器的物料衡算通式
Q0
Q
ci0
ci
Vr
假设 反应器内物料温度均一 反应器内物料浓度均一
Q0 :反应器进料的体积流量
Q :反应器出料的体积流量
ci0 :反应器进料中关键组分浓度 ci :反应器出料中关键组分浓度
Vr :反应体积
取整个反应体积作控制体积
釜式反应器的物料衡算通式
在 dt 时间间歇内对整个反应 器做关键组分 i 的物料衡算:
A P rP k1cA A Q rQ k2cA
对A:(k1 k2 )cA
dcA dt
0
对P:
k1cA
dcP dt
0
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2.1.2釜式反应器特点及其应用 釜式反应器的特点: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。
釜式反应器可用于气-液、液-液和液-固相反应。
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2019/12/13
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2.2 间歇操作釜式反应器计算
理想混合反应器:釜内物料完全混合,浓度、温度处处相等。
CCAA00
lnA0CCC0AxAAA0f
A
CAA0ekt
kt ln 1 1 xA
xA 1 ekt
kt 1 1
CA CA0
CA

CA0 1 CA0kt
kt 1 xA
CA0
1
xA
xA

CA0kt 1 CA0kt
rA kCAn
kt

n
1
1
(C1An

C1n A0
)
(1-xA)1-n 1 (n 1)CAn01kt
第二章 釜式反应器
2019/12/13
主要内容
2.1 概述 2.2 间歇操作釜式反应器计算 2.3 连续操作釜式反应器计算 2.4 搅拌器 2.5 传热装置
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2.1 概述
2.1.1釜式反应器构型
1.釜体 2.搅拌装置 3.轴封 4.换热装置
封头 筒体 釜底 手(人)孔 透视镜 工艺接管口
对全釜有效体积和 任意时间间隔作物料衡算
CA0
FA0、V0
CAf
FA0 (1 xAf )
FA0 FA0 (1 x Af ) rAVR 0
VR CA V0
FA0x Af rAVR
VR

FA0
xAf rA
τ
VR V0
CA0
xAf rA
等容一级反应
τ
VR V0
rAVRdτ dnA nA nA0 (1 xA )
dnA nA0dxA
dτ nA0dxA rAVR
τ
nA0
x Af 0
dxA rAVR
等容过程
VR不变
τ nA0
dx xAf
A
VR 0 rA
τ
CA0
xAf 0
dxA rA
找出反应速度与转化率之间的函数关系
2400 1 60 103kg h1 24116 0.5
每小时处理总原料量为 103 103 4.97 74 734kg h1
60
每小时处理原料体积为
V0

734 750

0.98m3
h1
故反应器有效体积为 VR 0.98(0.55 0.5) 1.04m3
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2.3 连续操作釜式反应器计算
理想混合反应器:釜内物料完全混合,浓度、温度处处相等。
连续操作:反应参数不随时间变化。
CA0
CA0
CAf
CA1
CA2
CA3
CA0


CAf
位置
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CA0
浓 度
CA1
位置
CA2
CA3
2.3 连续操作釜式反应器计算
2.3.1 单段连续釜式反应器 (等温过程)
2.2 间歇操作釜式反应器计算
2.2.2 反应器有效体积VR
VR V0(τ τ`)
V0 :平均每小时需耍处理的物料体积,m3·h-1 τ`:非生产时间,h
反应器总体积V包括有效体积、分离空间、辅助部件占有体积
装料系数
VR
V
对于不起泡、不沸腾的物料 取0.7 ~ 0.85
对于起泡、沸腾的物料
取0.4 ~ 0.6
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2.2 间歇操作釜式反应器计算
例2.1 在搅拌良好的间歇操作釜式反应器中,用乙酸和丁醇 生产乙酸丁酯,反应式为
反应在等温下进行,温度为100℃,进料配比为乙酸/丁醇 =1:4.97(物质的量比)、以少量硫酸为催化剂。当使用过量 丁醇时,其动力学方程式为 rA kCA2 。下标A表示乙酸。在 上述条件下,反应速度常数k为1.04m3·kmol-1·h-1,反应物密 度ρ为750 kg·m-3,并假设反应前后不变。每天生产2400kg 乙酸丁酯(不考虑分离过程损失),如要求乙酸转化率为50% ,每批非生产时间为0.5h,试计算反应器的有效体积。
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2.2 间歇操作釜式反应器计算
对于一级反应A→R,反应速度方程式为
rA kCA kCA0(1 xA )
等温过程 k为常数
τ
CA0
xAf 0
dxA kCA0(1 xA )
τ 1 xAf dxA
k 0 (1 xA )
τ 1 ln 1 k 1 xAf
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解 (1)计算反应时间
xAf
kCA0 (1 xAf )
CA0

1 750 1 60 4.97 74
1.75kmol m3


0.5 1.041.75(1-
0.5)
0.55h
(2)计算有效体积VR VR V0(τ τ`)
每天生产2400 kg乙酸丁酯,则每小时乙酸用量为
间歇操作:反应参数随时间变化。等容过程。
先求得为达到一定转化率所需的反应时间,然后结合非生产时
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
反应时间计算式根据反应器物料衡算推导。
①由于反应器内浓度、温度均一.不随位置而变,故可对整
个反应器有效体积(反应体积)进行物料衡算。
②间歇操作.进料项和出料项均为零。
微元时间内进 微元时间离开 微元时间、微反 微元时间、微反
入微元体积

-
微元体积的

-
元应体积内转化

元应体积内反应
的反应物量 反应物量 掉的反应物量 物2 间歇操作釜式反应器计算
对于二级反应2A→B+C或A+B→C+D,nA0=nB0。
反应速度方程式为: rA kCA2 kCA02(1 xA )2
τ
CA0
xAf 0
dxA kCA02(1 xA )2

1 kCA0
dx xAf
A
0 (1 xA )2

xAf
kCA0 (1 xAf )
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理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
反应级数 反应速率 残余浓度式
转化率式
n=0
n=1
n=2 n级 n≠1
2019/12/13
rA k
rA kCA rA kCA2
kt CA0 CA
kt CA0 xA
CA CA0 kt
xA

kt CA0
kt
τ
C drx
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