1、1,3 釜式反应器Tank Reactor,2,釜式反应器概述,一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。 釜式反应器按操作方式可分为：间歇釜式反应器，或称间歇釜。 操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产
2、尚有困难，至今还采用间歇釜。,3,釜式反应器概述,连续釜式反应器，或称连续釜 可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器，以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。半连续釜式反应器指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。,4,一区,二区,三区,四区,五区,6,7,本章内容,釜式反应器的物料衡算式等温间歇式反应器的计算（单一反应）等温间歇式反应器的计算（复
3、合反应）连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器的串联与并联釜式反应器中复合的收率与选择性半间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器连续釜式反应器的定态操作,1,2,3,4,5,6,7,8,9,8,优化操作,本章内容,9,等于出口值,均一假定反应器内物料浓度均一反应器内物料温度均匀,10,在dt时间间隔内做关键组分i的物料衡算：,进入 = 流出 + 反应 + 累积,反应物为负,产物为正,11,定态,连续釜式,非定态,间歇釜式,半连续,12,小结,、反应器的设计方程,、设计方程和反应速率方程的比较,13,(1) 反应体积,：单位时间内处理的反应物料量,：反应时间，装料完毕后算起到达到所要求的产品收率时所需
4、要的时间,：辅助时间，装料卸料清洗所需时间之和,操作时间,计算关键,经验确定,(2) 反应器实际体积,f为装填系数，等于 0.4-0.85，由经验确定,3.2.1 反应时间与体积计算,14,(3)反应时间的计算,任何间歇,恒容,15,16,间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，乙酸乙酯的产量为12000kg/d，反应方程如下：,原料中反应组分质量比：A：B：S=1：2：1.35，反应液密度1020kg/m3，且保持不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。反应在100的等温下操作，其反应速率方程如下：,100时，k1=4.7610-4L/(mol.min)，平衡常数：K=2.92。试计算乙
5、酸转化35%时所需的反应体积。若反应器填充系数为0.75，则实际的反应体积为多少？,【例3.1】,17,解：原料处理量Q0， 乙酸需用量,单位时间原料液量,原料液乙酸的始浓度,A：B：S=1：2：1.35,18,19,目标：单位时间的产品产量FR最大,单位时间产物产量最大所必须满足的条件，由此可求最优反应时间,目标：生产费用最低,生产费用最小满足的条件，由此可求最优反应时间,3.2.2 最优反应时间,操作费用,辅助操作费用,固定费用,20,在12.38m3的间歇反应器中生产乙酸乙酯，反应动力学和例3.1相同，试求乙酸乙酯的最大产量，此时乙酸的转化率是多少？,【例3.2】,解：,21,3.3.1
6、 平行反应,反应结束后，产物浓度如何？目标产物收率如何？,22,（主反应）,（副反应）,恒容,均相,3.3.1 平行反应,23,任意时刻两种反应产物浓度之比，等于两个反应速率常数之比,3.3.1 平行反应,24,注意： 当各反应的速率方程形式相同时此关系式才成立,3.3.1 平行反应,25,【例3.2】在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应，cA0=cB0=2kmol/m3，目的产物为P，求3h后A的转化率和P的收率。,解：,26,如何确定P的生成量？,27,3.3.2 连串反应,甲醇在银催化剂上的氧化反应是典型的串级反应过程，甲醛是目标产物，但甲醛可能会进一步生成甲酸，为了减少甲酸的生成，采
7、用较短的停留时间是必要的。,一阶线性微分方程,通解,确定P的浓度?,3.3.1 连串反应,topt,注意：针对两个一级连串反应，只要是中间产物，必存在极大浓度。对于非一级反应，难获得解析解，需用数值解法。,3.3.1 连串反应,根据上面几个关系式作图，由图可见，tCACQ，CP先后，因反应时间短，A转化率超过P转化为Q的速率，故CP，过了极大值后，P转化成Q的速率大于A转化成P的速率，故CP。,30,k1等于k2时式3.38-3.40变成了不定式,3.3.1 连串反应,31,例3.4 在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应,k2/k1=0.68，计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率,32,3
8、3,如果二甲胺可以继续转化成三甲胺，对一甲胺的收率是否有影响？,34,Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR),特点：参数不随时间而变，定态，故设计方程为代数方程空间参数均匀，温度、浓度在反应器内均一，等于出口出温度和浓度多用于液相反应，可认为恒容反应可以认为物料进出口流量相等,连续釜式反应器反应体积的计算公式,35,关键组分A,注意：等速操作是连续釜式反应器不同于其他反应器的一个显著特点反应速率应按反应器内的反应物料组成计算，由于此组成与出口物料组成相同，也即按出口物料组成计算,36,空时与空速,目的：对连续反应器的生产能力作比较,（因次：时间）,空时,生
9、产能力,空速,空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速越大，反应器的生产能力越大,等容均相，空时等于物料在反应器内的平均停留时间,例：若空速为4/h，就意味着在规定条件下，每小时进入反应器的物料量相当于4个反应器的体积,37,说明：空速有体积空速和质量空速之分，体积空速：Q0/Vr，质量空速：Q0/m催间歇反应器没有空时和空速反应物进料为液态，或气化后再反应，常采用液空速的概念，如：,甲醇裂解制氢：CH3OH=CO+2H2；CO+H2O=CO2+H2,38,小结：等温反应釜的设计方程（一级不可逆）,浓度随时间而变,反应器内浓度等于出口,39,【例3.5】 CSTR，按例3.1，计算
10、XA=35%所需的反应体积,40,BR,CSTR,cA,t、V,41,1.用一个大反应器好还是几个小反应器好？2.若几个小反应器，是串联好还是并联好？3.若几个小反应器，则各釜的体积是多少？或各釜的最佳反应体积比如何？,为使连续釜式反应器总体积最小，需考虑以下问题：,42,单釜,3.5.1 概述,43,rA=kcA，出料浓度cA5单釜是以cA5为浓度进行反应的，故需要较大的反应体积,两釜串联,正常动力学，多釜串联比单釜有利，总反应体积小反常动力学，单釜比多釜串联有利,小结,单釜,45,正常动力学的反应采用串联方式；反常动力学，则应各釜单独操作，即采用并联方式，并联时，需要各釜空时相同，即出口转
11、化率相同。,46,3.5.2 串联釜式反应器计算,问题：反应器体积和数量已知，求此反应系统所达到的最终 转化率或收率方法：对各釜分别作关于i的物料横算得下列方程组,出口组成,进料量组成体积温度,逐釜计算,47,问题：已知进料量和组成，求达到规定转化率时(输出物 料组成)所需的釜数和各釜的反应体积对于正常动力学，釜数增大，则总体积减小，但操作复 杂程度增大，附属设备费用增大,各釜反应体积相等，且各釜的进料可近似认为相等。则各釜的空时相等又有各釜操作温度相同，则各釜的反应速率常数k相同,单一反应,一级不可逆,假定,48,N个釜,注意,对于非一级反应，纵使在各釜反应体积相等、操作温度相同的前提下，也
12、需作逐釜计算，通过试差才能求出达到规定的最终转化率所需的反应体积,49,二级反应,已知，逐釜计算可确定达到规定的最终转化率所需的N；N已知，则要假设，逐釜计算求得到最终转化率所需要的N计算, 如果与N不等，重新假定。,较容易,需试差，较麻烦,50,已知，逐釜计算可确定达到规定的最终转化率所需的N；N已知，则要假设，逐釜计算求得到最终转化率所需要的N计算, 如果与N不等，重新假定。,已知，逐釜计算可确定达到规定的最终转化率所需的N；N已知，则要假设，逐釜计算求得到最终转化率所需要的N计算, 如果与N不等，重新假定。,作图法,52,【例3.6】与例3.5的要求相同，但采用三等体积釜串联，试求总反应
13、体积。,XA3=0.35,53,XA1 = 0.1598 ， XA2 = 0.2714,54,当釜数及最终转化率已规定情况下，为使总的反应体积最小，各釜反应体积存在最佳比例,3.5.3 串联釜式反应器的最佳反应体积比,设反应为单一反应，则：,55,3.5.3 串联釜式反应器的最佳反应体积比,56,3.5.3 串联釜式反应器的最佳反应体积比,57,总反应体积最小必须遵循的条件,3.5.3 串联釜式反应器的最佳反应体积比,58,一级不可逆,一级不可逆，各釜反应体积相等，则总反应体积最小；非一级反应，不能直接解析求得结果(图解法自学)。,59,小结：串联釜式反应器进行级反应,=0，串联总体积与单釜操
14、作体积相等=1，各釜体积相等（前已证明）1，各釜体积依次增大，小釜在前，大釜在后0多釜串联单一CSTR,反应器的收率图,63,S随XA增加而单调上升,单个CSTR反应器：YO=AFGO,2个CSTR反应器：YO=DEHO+BFGH,N ()个CSTR反应器：YO=YBATCH,BATCH反应器：YO=曲线以下面积,E,转化率相同时的收率：单一CSTR多釜串联间歇釜,64,选择加料方式满足浓度要求(自学),3.6.2 平行反应,65,3.6.2 平行反应,【例3.9】 以纯A为原料在连续釜式反应器中生产P，反应为,k1=A1exp(-E1/RT)， k2=A2exp(-E2/RT)，A1=3.5
15、331018h-1， A2=4.368105h-1，E1=41800J/(mol.K)， E2=141000J/(mol.K)，空时为1h，问在什么温度下操作P的收率最大？,解题思路：dYP/dT=0,解题思路：dYP/dT=0,解：列组分A和P的物料衡算式如下,YP=max的条件,67,最佳操作温度和空时有关,68,BR中YMAX，CSTR中YMAX?,A,P,CSTR,3.6.3 连串反应,CSTR最大收率,69,BR,3.6.3 连串反应,BR最大收率,70,时,BR的转化率与收率的关系,3.6.3 连串反应,CSTR转化率与收率的关系,71,1. X相同，BR的收率大于CSTR2. k
16、2/k1越小，差异越大3. 都存在极大值4. 收率随k2/k1越小而增大,间歇及连续釜式反应器的转化率与收率的关系（连串反应）,1. E1E2，温度越高，则k2/k1越小，收率越大2. E1E2，低温操作可获较大的收率，但生产强度减小3. E2=E1，采用高温可提高生产强度,改变k2/k1比值的其它方法：选择合适的催化剂。从而提高P的收率。如果Q为目的产物，如何？,【例3.10】 在CSTR中进行甲醇与氨的反应，条件同例3.4，则一甲胺的最大收率是多少？氨的转化率又是多少？,A,M,B,A,B,73,特点：半间歇操作反应物系组成随时间而变,Q0=const,t=0VcA=0,不出料，Q=0,B
17、过量，CB=const,74,cRt,cAt,R,75,k=0.2h-1，V0/Q0=0.5h计算结果,76,变温间歇操作计算基础,热力学第一定律,忽略搅拌器的功：物系与环境交换的热量=内能的变化,间歇釜式反应器：用焓变代替内能的变化（H=U+PV),77,变温间歇操作的热量衡算,Tr计算的基准温度,单一反应,mt反应物系的质量,78,U：总传热系数，Ah：传热面积，TC：换热介质温度,BR反应物料温度与时间关系,TXA,变温间歇操作的热量衡算,BR设计方程,79,等温，dT=0,绝热,变温间歇操作的热量衡算,TXA,为绝热温升（），指A全部反应时，反应体系的温度变化量。,80,【例3.11】
18、 顺丁烯二酸酐与正己醇反应生产顺丁烯二酸己酯,(B),(1)先从326K开始绝热反应，到373K后等温反应，XA=98%，t=?,(A),绝热反应,81,等温反应,82,(2)373K等温，t=?,(3)比较两种情况下冷却水用量及蒸气用量(自学）,83,CSTR内的反应物料温度均匀一致，若为定态操作，则反应是在等温下进行的，若为非定态操作，则属变温过程。但都不随空间而变无论是定态还是非定态操作，反应过程的温度均需由反应器的热量衡算和物料衡算式来决定定态不唯一（定态稳定性问题）,3.9.1 连续釜式反应器的热量衡算式,热力学第一定律，定态,BR焓变,84,定态操作下CSTR的热量衡算式,TX,绝
19、热q=0,绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度变化的度数,绝热下条件下间歇、连续反应温度与转化率关系相同,单一,85,3.9.2 连续釜式反应器的定态热稳定性,定态，T和X满足物料和热量衡算式,一级不可逆放热,热量衡算,移热速率,放热速率,可求定态操作温度,86,三个定态点不同之处：温度、转化率、稳定性,稳定性：反应器操作受到外来扰动后的自衡能力,定态操作稳定的必要条件。,定态温度会随着操作条件的改变而改变,放热：可能有多定态；吸热：定态唯一,3.9.2 连续釜式反应器的定态热稳定性,qr,qg,TF,TM,87,CSTR的着火点和熄火点,【例3.13】 326K顺丁烯二酸酐和己醇的混合液，CSTR， 0.01m3/s， V=2.65m3，绝热，计算出口转化率和温度(热力学和动力学数据见例3.12),其中第1、3点是不稳定的定态点，2是稳态的定态点,89,作业：3.1、3.4、3.8、 3.9(15),
