1、第三章 釜式及均相管式反應(yīng)器第三章 釜式及均相管式反應(yīng)器第二節(jié) 連續(xù)流動均相管式反應(yīng)器第一節(jié) 間歇釜式反應(yīng)器第三節(jié) 連續(xù)流動釜式反應(yīng)器第四節(jié) 理想流動反應(yīng)器的組合和比較第五節(jié) 多重反應(yīng)的選擇率第六節(jié) 半間歇釜式反應(yīng)器第七節(jié) 釜式反應(yīng)器中進行的多相反應(yīng)第一節(jié) 間歇釜式反應(yīng)器一、 釜式反應(yīng)器的特征釜式或槽式反應(yīng)器都設(shè)置攪拌裝置。釜式反應(yīng)器大都用于完全互溶的液相或呈兩相的液-液相及液-固相反應(yīng)物系在間歇狀態(tài)下操作。與化學(xué)實驗室內(nèi)裝有電動攪拌器的玻璃三口燒瓶極為類似。間歇操作時，反應(yīng)物料按一定配料比一次加入反應(yīng)器中，容器的頂部有一可拆卸的頂蓋，以供清洗和維修用。在容器內(nèi)部設(shè)置攪拌裝置，經(jīng)過一定的時間，

2、反應(yīng)達到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率后，停止反應(yīng)并將物料排出反應(yīng)器，完成一個生產(chǎn)周期。反應(yīng)器內(nèi)液相均相和氣-液相反應(yīng)的物料濃度處處相等。反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強的傳熱條件，無需考慮反應(yīng)物料內(nèi)的熱量傳遞問題。反應(yīng)器內(nèi)物料同時開始和停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時間。間歇反應(yīng)器的優(yōu)點操作靈活，適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)。間歇反應(yīng)器缺點裝料、卸料等輔助操作要耗費一定的時間。連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器反應(yīng)物料連續(xù)地加入和排出，反應(yīng)器內(nèi)物料混合均勻，物料組成和溫度相同，但一般進口處反應(yīng)物料的溫度低于反應(yīng)器內(nèi)的物料溫度?？梢愿鶕?jù)需要利用傳熱裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度，連續(xù)操作的釜式

3、反應(yīng)器可以處于等溫或絕熱情況下操作。間歇及連續(xù)流動釜式反應(yīng)器廣泛用于含液相反應(yīng)物料的系統(tǒng)精細(xì)合成中的液相反應(yīng)及液-液非均相反應(yīng)；有色冶金及化學(xué)礦加工中的液-固相反應(yīng)；生物反應(yīng)中的微生物發(fā)酵反應(yīng)；聚合物生產(chǎn)中的乳液及懸浮液聚合；氣-液-固非催化及催化的三相反應(yīng)；油脂加氫或有機物氧化的氣-液相反應(yīng)；氣-液相絡(luò)合催化反應(yīng)等過程。釜式反應(yīng)器也可以在半間歇狀態(tài)下操作，屬于非定態(tài)過程。二、間歇釜式反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型單一反應(yīng)關(guān)鍵反應(yīng)組分A的物料衡算式可寫成 整理積分，可得： 該式是液相單一反應(yīng)達到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間的數(shù)學(xué)模型。若反應(yīng)過程為等容過程，則 1/(rA)VxAxA0 xAft/cA01/(rA)

4、VcAcAfcA0t圖3-3等溫間歇液相反應(yīng)過程反應(yīng)時間的圖解積分圖3-2 等溫間歇液相反應(yīng)過程的參數(shù)積分等溫等容液相單一反應(yīng)體積VR不變，以零級、一級和二級不可逆反應(yīng)的本征速率方程代入： 由于等容過程中， 在計算中采用轉(zhuǎn)化率和殘余濃度兩種形式表示反應(yīng)要求。若要求達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率，即著眼于反應(yīng)物料的利用率，或著眼于減輕反應(yīng)后的分離任務(wù)。另一種要求是達到規(guī)定的殘余濃度，這完全是為了適應(yīng)后續(xù)工序的要求，如有害雜質(zhì)的除去即屬此類。反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n1表31 間歇反應(yīng)器中等溫等容液相單一不可逆反應(yīng)的動力學(xué)計算結(jié)果反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2

5、n級n1表31 間歇反應(yīng)器中等溫等容液相單一不可逆反應(yīng)的動力學(xué)計算結(jié)果由表中所列結(jié)果，可以得出以下幾點結(jié)論：對于任何級數(shù)的反應(yīng)，當(dāng)CA0、xAf或CAf確定后，kt即為定值：當(dāng)k，t；當(dāng)k，t。對于任何級數(shù)反應(yīng)都是如此。當(dāng)轉(zhuǎn)化率xAf確定后，反應(yīng)時間與初始濃度的關(guān)系和反應(yīng)級數(shù)有關(guān)。0級反應(yīng)： ，t和CA0成正比1級反應(yīng)： ，t和CA0無關(guān)2級反應(yīng)： ，t和CA0成反比比較不同反應(yīng)級數(shù)的殘余濃度和反應(yīng)時間，可以發(fā)現(xiàn)：0級反應(yīng)： ，CA隨t直線下降1級反應(yīng)： ，CA隨t較緩慢下降2級反應(yīng)： ，CA隨t緩慢下降對于一級或二級不可逆反應(yīng)，在反應(yīng)后期CA的下降速率，即xA的上升速率相當(dāng)緩慢，若追求過高的

6、轉(zhuǎn)化率或過低的殘余濃度，則在反應(yīng)后期要花費大量的反應(yīng)時間。三、間歇釜式反應(yīng)器的工程放大及操作優(yōu)化工程放大反應(yīng)體積VR由反應(yīng)物料的處理量決定反應(yīng)器體積Vt VR填充系數(shù)f = VR/Vt沸騰或鼓泡的液體物料，f取0.40.6不沸騰或不鼓泡的液體物料，f取0.70.85反應(yīng)時間的優(yōu)化以單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大為目標(biāo)對于反應(yīng)：AR，某時刻R的濃度為CR；單位操作時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為：CRt0t0t + t0CRt以生產(chǎn)費用最低為目標(biāo)設(shè)單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費用為a，輔助操作費用為a0，固定費用為af ，單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費用為：CRt0(a0t0+af )/at +(a0t0+af )/aCR(a0t0+af )

7、/at配料比m=CB0/CA0若有二級反應(yīng)：A+BP+S， ，A昂貴，B價廉，使B過量。m 越大，t越短；在高轉(zhuǎn)化率下，m 對反應(yīng)時間的影響較明顯。m很大時，B的消耗可忽略不計，使反應(yīng)成為一級反應(yīng)。代價： 反應(yīng)器容積的利用率降低。增加反應(yīng)B 組分回收利用的生產(chǎn)負(fù)擔(dān)。4. 反應(yīng)溫度對于簡單反應(yīng)，隨著轉(zhuǎn)化率增高，反應(yīng)物濃度降低，此時可逐漸升高溫度以補充濃度對反應(yīng)速率的負(fù)面影響。對于復(fù)雜反應(yīng)，要根據(jù)主、副反應(yīng)的活化能相對大小來判斷反應(yīng)溫度的高低，確定高選擇率的反應(yīng)溫度。反應(yīng)溫度過高時，易揮發(fā)組分變成蒸汽而造成泄漏、不安全、放料降溫時間過長等不利因素。在過高的反應(yīng)溫度反應(yīng)時，加大了某些腐蝕性物質(zhì)對反應(yīng)

8、設(shè)備的腐蝕速度。第二節(jié) 連續(xù)流動均相管式反應(yīng)器一、平推流反應(yīng)器特點平推流模型是一種理想流動模型。平推流反應(yīng)器具有以下特點：物料參數(shù)（溫度、濃度、壓力等）沿流動方向連續(xù)變化，不隨時間變化；任一載面上的物料參數(shù)相同，反應(yīng)速率只隨軸向變化；反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間相同，即反應(yīng)時間相同；返混=0。二、平推流均相管式反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型反應(yīng)器的軸向長度在單位時間內(nèi)對A作物料衡算： A流入量 A流出量 A反應(yīng)量 A累積量上式是平推流反應(yīng)器體積計算的普遍式，適用于等溫、非等溫、等容和非等容等過程。對于等容過程，反應(yīng)器進口與出口流量均為V0，故：式中, 為平均停留時間。對比間歇反應(yīng)器：可知，二者具有一定的等效性

9、。等溫平推流均相反應(yīng)器將 代入平推流反應(yīng)器體積計算公式：若為等容過程，則反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率反應(yīng)器體積轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n1表32 等溫等容液相單一不可逆反應(yīng)平推流反應(yīng)器計算式絕熱等容平推流均相反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)下：物料衡算：熱量衡算：物料帶入熱量物料帶走熱量傳向環(huán)境熱量反應(yīng)熱0動力學(xué)方程：三者聯(lián)立，采用差分法或Runge-Kutta法求解。當(dāng)過程為等溫或絕熱過程時，可以簡化。等溫過程熱量衡算式簡化為由則有： 積分得：式中A為換熱面積。絕熱過程熱量衡算式簡化為令 ，稱為絕熱溫升，即為在絕熱條件下組分A完全反應(yīng)時物料的溫升。則當(dāng)xA0=0，有例3-2 在直徑0.6 m，長16 m的管式反應(yīng)器內(nèi)，

10、以溴化四乙胺作催化劑，由環(huán)氧丙烷和CO2合成碳酸丙烯酯。新鮮的環(huán)氧丙烷（PO）、CO2進入管式反應(yīng)器，碳酸丙烯酯(PC)則部分循環(huán)，反應(yīng)壓力7 MPa，進口溫度411 K。 CO2全部溶于PC-PO混合物，過程為液相均相平推流絕熱反應(yīng)。反應(yīng)式為：C3H6(PO)+CO2=C4H6O3(PC)反應(yīng)器進料量如下：PO 7.1 kmol/h，CO2 10.475 kmol/h，PC 33.875 kmol/h，環(huán)氧丙烷的反應(yīng)速率 ：rPOk(cPOcCO2cPC/K)反應(yīng)速率常數(shù) 平衡常數(shù)在上述絕熱反應(yīng)條件下，環(huán)氧丙烷的平均反應(yīng)焓rH96.24 kJ/mol，反應(yīng)混合物的平均密度1000 kg/m3

11、，單位質(zhì)量混合物的平均等壓熱容cp1.98 kJ/(kgK)。求解反應(yīng)器出口環(huán)氧丙烷的轉(zhuǎn)化率。解：將給定的各反應(yīng)組分的摩爾流量，kmol/h，轉(zhuǎn)換成摩爾濃度，kmol/m3。已知在反應(yīng)過程中，液相反應(yīng)混合物的平均密度1000 kg/m3，則液相混合物進口質(zhì)量流量： W7.158+10.475 44+33.875 102=4327.95 kg/h其體積流量：V04327.95/1000=4.328 m3/h因此，進口處各反應(yīng)組分的初始濃度和摩爾分?jǐn)?shù)如下：cPO, 0 =1.640 kmol/m3；cCO2,0=2.420 kmol/m3；cPC, 0=7.827 kmol/m3。 yPO, 0

12、=0.1380； yCO2,0=0.2036； yPC, 0=0.6584。對于等容液相反應(yīng)，環(huán)氧丙烷的轉(zhuǎn)化率為xPO時，環(huán)氧丙烷的濃度：cPOcPO, 0(1xPO)PO的反應(yīng)消耗量：cPOcPO, 0 xPOCO2的反應(yīng)消耗量：cCO2cPO碳酸丙烯酯的反應(yīng)增加量：cPcPO由此可得當(dāng)環(huán)氧丙烷轉(zhuǎn)化率為xPO時，CO2的濃度：cCO2cCO2, 0cCO2cCO2, 0cPO, 0 xPO碳酸丙烯酯的濃度：cPcP, 0+cPcP, 0+cPO, 0 xPO因此，動力學(xué)方程可寫成：對于連續(xù)管式均相反應(yīng)器，dVRAcdl，式中Ac為管式反應(yīng)器的截面積，dl（變量）為軸向長度，即反應(yīng)器內(nèi)物料衡算

13、方程：對于絕熱反應(yīng)器，熱量衡算方程為或 將V0，W，cp和反應(yīng)速率常數(shù)k及平衡常數(shù)K與溫度的關(guān)系式代入物料衡算及熱量衡算方程，用Runge-Kutta法求解微分方程組，可得管式反應(yīng)器中物料溫度及各反應(yīng)組分的軸向濃度和摩爾分?jǐn)?shù)分布。碳酸丙烯酯合成反應(yīng)器的軸向溫度和組分摩爾分?jǐn)?shù)分布位置/m溫度/K組成(摩爾分?jǐn)?shù))環(huán)氧丙烷二氧化碳碳酸丙烯酯0411.00.13800.20360.65841.6413.00.11850.20550.67603.2415.10.11590.20310.68114.8417.60.11280.20030.68706.4420.50.10910.19690.69408.04

14、24.10.10460.19290.70259.6428.50.09890.18780.713311.2434.10.09150.18110.727412.8441.80.08130.17190.746814.4451.80.06770.15960.772716.0460.60.05580.14890.7953第三節(jié) 連續(xù)流動釜式反應(yīng)器全混流反應(yīng)器是指物料流動狀況符合全混流模型，該反應(yīng)器稱為全混流反應(yīng)器（CSTR）。在實際反應(yīng)器中，連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器由于強烈攪拌，物料混合均勻，其流動狀況接近全混流。一、連續(xù)流動釜式反應(yīng)器的特征及數(shù)學(xué)模型反應(yīng)器內(nèi)物料參數(shù)（濃度、溫度等）處處相等，且等于物料出口處

15、的物料參數(shù)。物料參數(shù)不隨時間而變化；反應(yīng)速率均勻，且等于出口處的速率，不隨時間變化。返混全混流反應(yīng)器計算的基本公式反應(yīng)器體積VR穩(wěn)態(tài)： A流入量A流出量 A反應(yīng)量0式中rAf指按出口濃度計算的反應(yīng)速率。若xA00，則物料衡算方程為： A流入量A流出量 A反應(yīng)量0上述公式均為普遍式，全混流反應(yīng)器一般為等溫反應(yīng)器，公式可用于等容過程和非等容過程。物料平均停留時間對于等容過程，物料平均停留時間為表35列出了平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果比較，其中 ，這是對等容過程而言。表35 平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器進行等溫等容液相單一不可逆反應(yīng)的比較反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)器形式平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器n=0n=1n

16、=2例3-4 生化工程中酶反應(yīng)AR為自催化液相反應(yīng)，反應(yīng)速率式rA=kcAcR，產(chǎn)物R是過程的催化劑，因此進口原料中含有產(chǎn)物R，某溫度下k=1.512 m3/(kmolmin)，采用的原料中含A 0.99 kmol/m3，含R 0.01 kmol/m3，原料的進料量為10 m3/h，要求A的最終濃度降到0.01 kmol/m3，求: (l)反應(yīng)速率達到最大時，A的濃度為多少? (2)采用全混流反應(yīng)器時，反應(yīng)器體積是多大? (3)采用平推流反應(yīng)器時，反應(yīng)器體積是多大? (4)為使反應(yīng)器體積為最小，將全混流和平推流反應(yīng)器組合使用，組合方式如何？其最小體積為多少?解：(l) 要使反應(yīng)速率最大， 即

17、化簡得： (2) 在全混流反應(yīng)器中， (3) 在平推流反應(yīng)器中，由cA0到cAm和由cAm到cAf是對稱的，因此：(4) 反應(yīng)器的組合形式及最小體積。要使反應(yīng)器體積最小，從cA0到cAm應(yīng)該用全混流反應(yīng)器，而后從cAm到cAf串聯(lián)一個平推流反應(yīng)器。 全混流反應(yīng)器體積為： 平推流反應(yīng)器體積為： 所以最小總體積：二、多級全混釜的串聯(lián)及優(yōu)化設(shè)有一反應(yīng)，A的初始濃度為CA0，反應(yīng)結(jié)束后最終濃度為CAf，反應(yīng)的平衡濃度為CA*，考察平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的濃度推動力。由圖示，顯然有，CA平CA全平推流流反應(yīng)器中的濃度推動力大于全混流反應(yīng)器中的濃度推動力。結(jié)果，平推流反應(yīng)器體積小于全混流反應(yīng)器體積。濃

18、度分布 - 推動力反應(yīng)推動力隨反應(yīng)時間逐漸降低反應(yīng)推動力隨反應(yīng)器軸向長度逐漸降低反應(yīng)推動力不變，等于出口處反應(yīng)推動力反應(yīng)物濃度cA0cA*cA反應(yīng)時間cAf反應(yīng)物濃度cA0cA*cA反應(yīng)器的軸向長度cAf反應(yīng)物濃度cA0cA*cA反應(yīng)器的軸向長度cAf平推流反應(yīng)器的物料參數(shù)如濃度等沿流動方向變化。對于等溫反應(yīng)，很難控制整個反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均勻。對于全混流反應(yīng)器，物料參數(shù)是均勻的，對于物料溫度的控制比較容易。在有機反應(yīng)中，特別是多重反應(yīng)，要求反應(yīng)過程中物料濃度溫度等參數(shù)保持，否則極易發(fā)生副反應(yīng)，所以一般選擇全混流反應(yīng)器。為了滿足工藝要求，又要提高反應(yīng)推動力，人們把一個大的反應(yīng)器分割成m個小的全混

19、流反應(yīng)器，然后串聯(lián)起來，稱為“多級串聯(lián)全混流反應(yīng)器”。多級全混流反應(yīng)器的濃度特征設(shè)有4級串聯(lián)全混流反應(yīng)器，其濃度推動力CA多=(CA1CA*)1+(CA2CA*)2+(CA3CA*)3+(CA4CA*)4顯然CA平CA多CA全當(dāng)級數(shù)為，則CA平CA多VR1CA1CAmCAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0CAiCAi-1CA2CA1多級全混流反應(yīng)器的計算（1）解析計算假設(shè)：穩(wěn)定狀態(tài)，等溫，等容。對第i級作A的物料衡算，則有： 或多級全混流反應(yīng)器的級數(shù)一般為23級，所以可以按上式從第1級開始逐級計算，根據(jù)不同的已知條件來計算反應(yīng)器體積，級數(shù)或者最終

20、轉(zhuǎn)化率。一級不可逆反應(yīng)對于一級不可逆反應(yīng)，可以直接建立級數(shù)m和最終轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系，不必逐級計算。即將上述諸式相乘得：等容過程： 當(dāng)每級體積相等時，123m，則公式可進一步簡化為：總體積：可見，反應(yīng)釜級數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高；處理量一定時，反應(yīng)釜體積越大，最終轉(zhuǎn)化率也越高。（2）圖解計算等溫等容過程，且各級體積相同。圖解法基本原理 可以分別作出 和 線，兩線交點的橫坐標(biāo)即為CAi。作圖步驟在rA CA圖上標(biāo)出動力學(xué)曲線OM；以初始濃度為起點，過CA0作斜率為1/的直線與OM線交于A1點，其橫坐標(biāo)即為CA1；由于各級溫度相同，所以各級的動力學(xué)線均為OM線； 又為等容過程，各級體積相等，123m，

21、過CA1作的平行線，與OM曲線交于A2，其橫坐標(biāo)即為CA2，如此下去，當(dāng)最終濃度等于或略小于規(guī)定出口濃度時，所作平行線的根數(shù)就是反應(yīng)器級數(shù)。等溫、等體積情況的圖解計算1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm等容、各級體積相同，但溫度不同如果各級溫度不同，則需作出各級的動力學(xué)曲線OM1、OM2然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3 求出CA1 、CA2、 CA3等容、等溫但各級體積不同如果各級體積不相同，則rA CA的各直線斜率不相同，如圖依次作出依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3 求出CA1 、CA2、 CA3等容、各級體積相同，但溫度不

22、同1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3M1M2M3等容、等溫但各級體積不同CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm1/21/31/1多級釜串聯(lián)的優(yōu)化當(dāng)物料處理量、進料組成及最終轉(zhuǎn)化率相同時，如何確定級數(shù)m和各級的體積，使總體積最小?？疾旄骷夀D(zhuǎn)化率xA1、xA2、xAm和反應(yīng)器體積VR的關(guān)系，最佳分配xA1、xA2、xAm1，使VR最小。各級轉(zhuǎn)化率的最佳分配問題。對于等溫等容過程，計算VR，則有為使VR最小，將上式分別對xA1、xA2、xAm1求偏導(dǎo)數(shù)，并令之為零：從以上共m-1個方程，可解出m-1個待定量(xA1、xA2、xAm1)以一

23、級不可逆反應(yīng)為例上式表示：當(dāng)一級不可逆反應(yīng)時，各級的體積相等時，總反應(yīng)體積最小。三、全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏度的概念不穩(wěn)定反應(yīng)溫度繼續(xù)上升直到另一個平衡狀態(tài)為止熱平衡狀態(tài) 放熱速率=移熱速率擾動熱穩(wěn)定反應(yīng)溫度會自動返回原來的平衡狀態(tài)圖3-12 化學(xué)反應(yīng)器穩(wěn)定性和靈敏性的區(qū)別T0+TT0參數(shù)時間參數(shù)T0+TT0時間空間位置(b) 參數(shù)靈敏性問題T0+TT0(1)(2)時間(a) 穩(wěn)定性問題狀態(tài)變量參數(shù)靈敏性指各有關(guān)參數(shù)（流量、進口溫度、冷卻溫度等）作微小調(diào)整時，反應(yīng)器內(nèi)的溫度（或反應(yīng)結(jié)果）將會有多大變化。應(yīng)避免過高的參數(shù)靈敏性全混流反應(yīng)器的多態(tài)放熱速率表達式移熱速率表達式圖3-1

24、3 全混流釜的放熱與移熱曲線（一級不可逆放熱反應(yīng)）QABCDETaTbTcTdTeT213645789物料進口溫度和進料流量對全混釜熱穩(wěn)定性的影響和“起燃與熄火”改變物料的溫度熱自衡條件著火點、熄火點-利？弊？穩(wěn)態(tài)點假穩(wěn)點著火點熄火點(2) 改變進料流量其他參數(shù)不變，改變進料流量V0。熱量衡算的方程：下圖表示改變進料流量對全混釜操作狀態(tài)（一級不可逆放熱反應(yīng)）的影響。A、B、C、D和E分別代表進料流量逐漸增加時的放熱曲線QR和移熱直線QC，可依次得到點9、8、7、6的操作點，其中9、8、7點為熱穩(wěn)定的操作點。當(dāng)進料流量V0稍微超過D線的V0值，立即由點6驟降至點2，表明進料流量太大，反應(yīng)放出的熱

25、量不足以維持反應(yīng)系統(tǒng)在所需的溫度下操作，即反應(yīng)被“熄火”了。同樣，當(dāng)進料流量由高降低時，依此得到1、2、3、4、8、9各操作點，而在點4處出現(xiàn)反應(yīng)溫度驟增至點8的“起燃”現(xiàn)象。圖3-14 改變進料流量對全混釜操作狀態(tài)（一級不可逆放熱反應(yīng)）的影響TV0Q R，Q CABCDEACDBE123498765改變進料溫度時的“起燃點”和“熄火點”繪于下圖 (a)；改變進料流量時的“起燃點”和“熄火點”繪于下圖 (b)。 (a) 改變進料溫度 (b) 改變進料流量圖3-15 改變進料溫度和進料流量的“起燃點”和“熄火點”ABCDET0T123456789ABCDET123456789著火點、熄火點的利弊

26、在著火點附近操作，進料溫度稍有變化便會引起反應(yīng)體系溫度的急劇上升，出現(xiàn)操作事故。在熄火點附近操作，進料溫度稍有變化便會使反應(yīng)體系溫度驟降，對反應(yīng)過程產(chǎn)生不利影響?？衫弥瘘c的操作特性，縮短系統(tǒng)開工時間，使反應(yīng)體系達到正常的操作狀態(tài)?？衫孟ɑ瘘c的操作特性，使系統(tǒng)迅速降溫，縮短停工時間。最大允許溫差對于一級不可逆單一放熱反應(yīng)反應(yīng)器所必須具有的最小傳熱面積例3-6第四節(jié) 理想流動反應(yīng)器的組合和比較一、理想流動反應(yīng)器的組合工業(yè)生產(chǎn)中為了滿足工藝要求，常常將理想反應(yīng)器組合起來，構(gòu)成理想流動反應(yīng)器的組合。各種組合方式如圖所示：當(dāng)反應(yīng)溫度相同，流量、初始濃度及各反應(yīng)器體積相同，進行一級不可逆反應(yīng)，考察各

27、種反應(yīng)器組合所能達到的出口濃度。 a b c defg由上述計算結(jié)果，各種組合反應(yīng)器的最終轉(zhuǎn)化率的大小依次為：(e) = (f) (c) = (d) (g) (b) (a)二、理想流動反應(yīng)器的體積比較1.基本條件：V0 ， CA0 ，xAf 和反應(yīng)溫度均相同；等容過程VR ， VRP ， VRM ， VRm 分別表示：間歇反應(yīng)器體積；平推流反應(yīng)器體積；全混流反應(yīng)器體積；多級全混流反應(yīng)器體積?？疾霽RP VR，VRP VRM，VRP VRm， VR =V0t，由間歇反應(yīng)器公式知：故： VRP VR：VRP VR VRP VRM作1/rA xA曲線ABVRP V0 CA0OABDVRMV0 CA0

28、OCBD當(dāng)條件相同時，VRP n2m1m2cA、cB都高A、B同時加入的間歇式操作；A、B同時加入的平推流反應(yīng)器；多段全混流反應(yīng)器，A、B同時加入第一級。n1n2m1n2m1k2tccMcLcAk1k2ct連串反應(yīng)的溫度、濃度效應(yīng) 一級連串反應(yīng)的瞬時選擇率s可表示為：溫度效應(yīng)：決定于比值k2/k1的大小，選擇溫度的高低決定于主、副反應(yīng)活化能的相對大小。若E1E2，提高溫度可增大選擇率；若E1 E2，降低溫度可增大選擇率。濃度效應(yīng)：主反應(yīng)級數(shù)高時，CA0 ，s ；主反應(yīng)級數(shù)低時，CA0 ，s 。 xA ，cA ，cL/cA ，s 。在工業(yè)生產(chǎn)中進行連串反應(yīng)時，常使反應(yīng)在較低的單程轉(zhuǎn)化率下操作，而

29、把未反應(yīng)原料經(jīng)分離回收之后再循環(huán)使用。連串反應(yīng)的最佳反應(yīng)時間與最大收率 多重反應(yīng)中主產(chǎn)物的收率定義為： 在連串反應(yīng)中，由于總選擇率總是隨轉(zhuǎn)化率的增大而減低，而收率又是這兩個因子的乘積，因此連串反應(yīng)的收率必有極值。 間歇或平推流反應(yīng)器L的最大出口濃度：L的最大收率 ：一級連串不可逆液相反應(yīng)，其最大收率與初濃度無關(guān)，只決定于k2/k1之比全混流反應(yīng)器一級不可逆、并且進料中只含有組分A的等容液相反應(yīng)：主產(chǎn)物L(fēng)的最大濃度：主產(chǎn)物L(fēng)的最大收率：全混流反應(yīng)器中進行一級連串不可逆反應(yīng)，主產(chǎn)物最大收率與反應(yīng)物初濃度無關(guān)，只與k2/k1之比值有關(guān)。 不論在哪一種型式的反應(yīng)器中進行一級連串不可逆液相反應(yīng)，其總選擇

30、率Sf仍可用下式計算：當(dāng)xA、k1/k2相同，間歇操作或平推流操作時，主產(chǎn)物的選擇率Sf比全混流操作為高；如果k1/k21，即使轉(zhuǎn)化率較高，也可得到較高的選擇率。圖3-14 一級連串反應(yīng)Sf-xA圖1.00.80.60.40.200.20.40.60.81.0平推流全混流k1/k2=0.1k1/k2=1k1/k2=10 xA=1(cAf/cA0)Sf=cLf/(cA0cAf)第六節(jié) 半間歇釜式反應(yīng)器一、半間歇釜式反應(yīng)器的特征半間歇操作又稱半連續(xù)操作，同時具有間歇操作和連續(xù)操作的某些特征。以反應(yīng)物A和B，產(chǎn)物為R為例，幾種常用的半間歇操作方式：反應(yīng)物B一次投入反應(yīng)器，A在反應(yīng)過程中連續(xù)加入，反應(yīng)

31、過程中不出料，反應(yīng)結(jié)束后一次出料；主要適用于以下情況：要求嚴(yán)格控制反應(yīng)器內(nèi)A的濃度，防止因A過量而使副反應(yīng)增加的情況；保持在較低溫度下進行的放熱反應(yīng)；A濃度低，B濃度高對反應(yīng)有利的情況。反應(yīng)物A和B同時連續(xù)加入反應(yīng)器，反應(yīng)過程中不出料，反應(yīng)完畢后，一次出料。這種操作可以嚴(yán)格控制A、B的加料比例，而且可以保持A和B都在較低的濃度下進行；適合于A、B濃度降低對反應(yīng)有利的場合。將反應(yīng)物A、B一次按比例全部投入反應(yīng)器，反應(yīng)過程中連續(xù)不斷地移出產(chǎn)物R；這種操作方式既能滿足A、B的比例要求；又能保持A、B在反應(yīng)過程中的高濃度；對可逆反應(yīng)尤其合適。二、半間歇釜式反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型半間歇液相釜式反應(yīng)器中反應(yīng)物及

32、產(chǎn)物可以處于互溶的液相或不互溶的液-液非均相。如果屬于液-液非均相，還涉及液-液相之間的微觀混合等問題。以等溫半間歇液相均相反應(yīng)為例，作物料衡算如下：式中是釜式反應(yīng)器中液相反應(yīng)物料的體積，隨時間而變。設(shè)操作開始時先向反應(yīng)器中加入體積為VR0的物料B，然后連續(xù)地輸入濃度為cA0的反應(yīng)物A，體積流量恒定為VA0，過程中不導(dǎo)出物料，故反應(yīng)器中進行單一不可逆液相均相等溫反應(yīng)則：如果反應(yīng)物B大量過剩，可按一級反應(yīng)處理，即代入上式可得 初始條件為t=0時，VRcA=0，即則該式即反應(yīng)物A的濃度與反應(yīng)時間的關(guān)系。產(chǎn)物R的濃度cR與反應(yīng)時間的關(guān)系： 由此可計算不同反應(yīng)時間反應(yīng)物A和產(chǎn)物R的濃度。反應(yīng)物A的濃度與反應(yīng)時間關(guān)系曲線存在著一個極大值。如果不存在化學(xué)反應(yīng)，由于A的連續(xù)加入，器內(nèi)A的濃度應(yīng)隨時間而增加，有化學(xué)反應(yīng)時，A加入到反應(yīng)器后消耗一部分，但開始