任務(wù)0203

連續(xù)釜、半間歇釜、管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目二釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算

《化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備》主講教師：張聰連續(xù)釜：進(jìn)出物料的操作是連續(xù)的，一邊連續(xù)恒定地向反應(yīng)器內(nèi)加入反應(yīng)物，同時(shí)連續(xù)不斷地把反應(yīng)產(chǎn)物引出反應(yīng)器，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，穩(wěn)定性好，操作安全。特點(diǎn)：1.釜內(nèi)的流動(dòng)狀況很接近理想混合流動(dòng)模型，返混程度非常大，所以釜內(nèi)物料濃度較低；2.釜內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，而且等于反應(yīng)器出口處物料濃度和溫度（也就是說反應(yīng)器濃度和出口處性質(zhì)是一致的）；3.溫度比較恒定，特別適宜對(duì)溫度敏感的化學(xué)反應(yīng)。0203-1連續(xù)釜的計(jì)算V0CA0V0CAfVR物料衡算（取整個(gè)釜作為衡算對(duì)象，取某一組分A進(jìn)行物料衡算）：

流入量=流出量+反應(yīng)量+積累量0V0，CA0，V0，CAf，VR，XAf平均反應(yīng)時(shí)間把VR和V0的關(guān)系加入進(jìn)去（反應(yīng)器體積和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系）0203-1連續(xù)釜的計(jì)算V0CA0V0CAfVR物料衡算（取整個(gè)釜作為衡算對(duì)象，取某一組分A進(jìn)行物料衡算）：

流入量=流出量+反應(yīng)量+積累量進(jìn)口中A的轉(zhuǎn)化率=0進(jìn)口中A的轉(zhuǎn)化率≠0整個(gè)反應(yīng)過程當(dāng)中轉(zhuǎn)化率的變化量，就是說進(jìn)口的轉(zhuǎn)化率到出口轉(zhuǎn)化率這二者之間的差值因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)的劇烈攪拌，反應(yīng)器中的物料性質(zhì)和出口處的物料性質(zhì)相同，所以釜內(nèi)的反應(yīng)速率恒等于出口處反應(yīng)速率。因此，將出口處的濃度溫度等參數(shù)帶入得到出口處的反應(yīng)速率，既可以得到釜內(nèi)的反應(yīng)速率，這種代入法符合客觀事實(shí)是科學(xué)的。速率用的是出口處的反應(yīng)速率0203-1連續(xù)釜的計(jì)算1.解析法N=0N=1N=20203-1連續(xù)釜的計(jì)算2.圖解法0203-1連續(xù)釜的計(jì)算反應(yīng)器的設(shè)計(jì)確定反應(yīng)器的大小考慮反應(yīng)器的可操作性熱穩(wěn)定性尤其對(duì)于那些反應(yīng)速率快，反應(yīng)熱效應(yīng)大，溫度敏感性強(qiáng)的反應(yīng)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，反應(yīng)器不僅不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還可能導(dǎo)致反應(yīng)溫度劇烈波動(dòng)，甚至發(fā)生惡劣的情況，比如反應(yīng)器失去控制，燒壞催化劑、沖料、爆炸等，造成嚴(yán)重的后果。反應(yīng)器本身對(duì)熱的擾動(dòng)有無自行恢復(fù)平衡的能力外界有干擾出現(xiàn)時(shí)，會(huì)使得反應(yīng)器內(nèi)的溫度發(fā)生波動(dòng)，那么當(dāng)干擾消失后，反應(yīng)器能否恢復(fù)到之前的平衡狀態(tài)OR0203-2連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性反應(yīng)放熱曲線恒容一級(jí)不可逆放熱反應(yīng)的放熱速率與溫度的函數(shù)關(guān)系圖移熱速率：?jiǎn)挝环磻?yīng)時(shí)間內(nèi)，物料帶出的熱量和換熱介質(zhì)帶出的熱量之和由于移熱直線的斜率和截距會(huì)隨著移熱條件的變化而變化，所以能在坐標(biāo)軸上可以畫出多條移熱線0203-2連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性反應(yīng)放熱曲線恒容一級(jí)不可逆放熱反應(yīng)的放熱速率與溫度的函數(shù)關(guān)系圖移熱直線當(dāng)反應(yīng)過程中某些因素發(fā)生變化或者受到干擾，就會(huì)出現(xiàn)釜溫將升高或降低。那么如何選擇合適的操作點(diǎn)呢？0203-2連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性反應(yīng)放熱曲線恒容一級(jí)不可逆放熱反應(yīng)的放熱速率與溫度的函數(shù)關(guān)系圖移熱直線熱穩(wěn)定點(diǎn)移熱速率﹥

放熱速率熱不穩(wěn)定點(diǎn)移熱速率﹤

放熱速率abde點(diǎn)c點(diǎn)0203-2連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性恒容一級(jí)不可逆放熱反應(yīng)的放熱速率與溫度的函數(shù)關(guān)系圖1.移熱速率﹥

放熱速率2.移熱量=換熱量熱穩(wěn)定條件：實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)該選擇在這幾個(gè)abde這四個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)中的哪一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行操作呢？釜溫比較低，反應(yīng)速率比較慢，工業(yè)上是不希望的反應(yīng)速率較快，釜溫較高，使副反應(yīng)增加，選擇性下降，收率降低，特別對(duì)一些熱敏性物質(zhì)是不利的。溫度適宜，反應(yīng)速率比較適宜0203-2連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性釜式反應(yīng)器間歇操作半間歇操作連續(xù)操作單只釜多個(gè)釜配合反應(yīng)不是在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)一次完成，而是在數(shù)個(gè)串聯(lián)的釜內(nèi)逐步進(jìn)行；串聯(lián)的每一個(gè)釜是一個(gè)獨(dú)立的連續(xù)釜，每一個(gè)反應(yīng)器中的組成和溫度是均一的，但是釜與釜之間是變化的。生產(chǎn)中為什么會(huì)有這樣的設(shè)計(jì)呢？為什么要進(jìn)行多釜串聯(lián)操作呢？0203-3多釜串聯(lián)生產(chǎn)中為什么會(huì)有這樣的設(shè)計(jì)呢？為什么要進(jìn)行多釜串聯(lián)操作呢？1.由于單釜連續(xù)操作存在嚴(yán)重的返混，返混程度非常大，導(dǎo)致釜內(nèi)的物料濃度比較低，降低了反應(yīng)速率；而且部分物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)，容易在某些反應(yīng)中導(dǎo)致副反應(yīng)的增加。返混釜內(nèi)的物料濃度反應(yīng)速率副反應(yīng)增加物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間0203-3多釜串聯(lián)生產(chǎn)中為什么會(huì)有這樣的設(shè)計(jì)呢？為什么要進(jìn)行多釜串聯(lián)操作呢？2.采用多釜串聯(lián)能使物料濃度呈階梯狀變化，降低逆向混合程度，就像這個(gè)圖中一樣，使反應(yīng)器內(nèi)的物料濃度接近理想置換流動(dòng)模型，串聯(lián)的釜數(shù)越多越接近理想置換流動(dòng)模型，可以有效提高反應(yīng)速率；0203-3多釜串聯(lián)生產(chǎn)中為什么會(huì)有這樣的設(shè)計(jì)呢？為什么要進(jìn)行多釜串聯(lián)操作呢？3.多釜串聯(lián)可以在各釜內(nèi)控制不同的反應(yīng)溫度和物料濃度以及不同的攪拌速率和加料情況，以適應(yīng)工藝上的不同要求。缺點(diǎn)操作復(fù)雜性大釜與釜之間的附屬設(shè)備費(fèi)用增加工業(yè)上的串聯(lián)釜數(shù)一般不大于40203-3多釜串聯(lián)半間歇操作是指：一種物料連續(xù)加入或取出，其他物料一次性加入或取出；或者一種物料一次性加入或取出，其他物料連續(xù)加入或取出，特別適用于反應(yīng)中要求一種反應(yīng)物濃度高，而另一種反應(yīng)物濃度低的情況。A+BRRBABARRABRAB廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工生產(chǎn)中0203-4半間歇操作1.原料B在反應(yīng)開始時(shí)一次性全部加入反應(yīng)器中，原料A在反應(yīng)過程中連續(xù)加料，同時(shí)產(chǎn)物R連續(xù)出料，這樣的操作類型使得原料A在反應(yīng)過程中的濃度比較低，而原料B的濃度則比較高，同時(shí)產(chǎn)物R在系統(tǒng)中保持比較小，所以濃度也很低。RBA適用于以下情況：可以在沸騰溫度下進(jìn)行的強(qiáng)烈放熱反應(yīng)，利用不斷排出產(chǎn)物R，帶出大量反應(yīng)熱。要求嚴(yán)格控制反應(yīng)物A的濃度，通過調(diào)整加料速度控制A的反應(yīng)濃度；要求B的濃度高，A和R的濃度低，對(duì)反應(yīng)有利的場(chǎng)合；可逆反應(yīng)，通過排出產(chǎn)物R，促進(jìn)正反應(yīng)方向進(jìn)行。0203-4半間歇操作BAR2.原料B在反應(yīng)開始時(shí)一次性全部加入反應(yīng)器中，原料A在反應(yīng)過程中連續(xù)加料，產(chǎn)物R也要待反應(yīng)結(jié)束時(shí)一次性出料，這樣的操作類型使得原料A在反應(yīng)過程中濃度一直比較低，原料B和產(chǎn)物R的濃度則比較高。適用于以下幾種反應(yīng)情況：要求嚴(yán)格控制反應(yīng)器內(nèi)A的濃度，通過加料閥門來控制A的流量；保持在較低溫度下進(jìn)行的放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱效應(yīng)比較小，溫度波動(dòng)??；A濃度低、B濃度高對(duì)反應(yīng)有利的情況。0203-4半間歇操作RAB3.原料A和B在反應(yīng)過程中連續(xù)加料，產(chǎn)物R在反應(yīng)結(jié)束時(shí)一次性出料。這樣的操作類型，使得原料A和B在反應(yīng)過程中濃度一直比較低，而產(chǎn)物R在系統(tǒng)中越來越多，濃度比較高。適用于：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(jìn)行，適合A、B濃度降低對(duì)反應(yīng)有利的場(chǎng)合。0203-4半間歇操作RAB4.原料A和B在反應(yīng)開始時(shí)，一次性全部加入反應(yīng)器，產(chǎn)物R連續(xù)出料。這樣的操作使得原料A和B在反應(yīng)過程中濃度都比較高，而產(chǎn)物R濃度比較低。特別適合于：1.可逆反應(yīng)；2.同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)A、B可以按比例加料。Tips：在生產(chǎn)中根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)來選擇不同的進(jìn)出料形式，以更加匹配反應(yīng)的需要。0203-4半間歇操作練習(xí)1：某一反應(yīng)要求反應(yīng)物A濃度低、B濃度高，對(duì)反應(yīng)有利，應(yīng)采用以下半間歇操作形式中的哪一類情況？答：第一種和第二種。如果該反應(yīng)是可逆的，那么選擇第一類型更合適。如果不是可逆的，兩者皆可。RBABARRABRAB0203-4半間歇操作練習(xí)2：下列那種操作方式適合于可逆反應(yīng)？答：第一類和第四類都可用于可逆反應(yīng)。也就是說只要產(chǎn)物及時(shí)能從系統(tǒng)中移除，都有利于可逆反應(yīng)正方向移動(dòng)。RBABARRABRAB0203-4半間歇操作1.連續(xù)操作的管式反應(yīng)器的特點(diǎn)：（1）連續(xù)定態(tài)操作情況下，各個(gè)截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù)，不隨時(shí)間而變化；（2）徑向速度均勻，徑向不存在濃度分布，軸向存在濃度差；（3）反應(yīng)物料具有相同的停留時(shí)間；物料的流動(dòng)狀態(tài)接近于理想置換流動(dòng)模型，返混幾乎為零，反應(yīng)參數(shù)是連續(xù)變化的，容易控制。通常用于反應(yīng)速率較快的液相反應(yīng)和氣相反應(yīng)；而且由于管式反應(yīng)器能夠承受較高的壓力，所以特別適合一些加壓反應(yīng)或者高壓反應(yīng)過程。0203-5連續(xù)操作管式反應(yīng)器的計(jì)算2.反應(yīng)時(shí)間和轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系：物料衡算：V0CA0(1-xA)=V0CA0(1–xA–dxA)+(-rA)dVRV0CA0dxA=(-rA)dVRΤc=VR/V0[A的流入量]=[A的流出量]+[A的反應(yīng)量]+[A的積累量]0203-5連續(xù)操作管式反應(yīng)器的計(jì)算2.反應(yīng)時(shí)間和轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系：從理論的角度來看，僅研究反應(yīng)過程時(shí)，管式反應(yīng)器和間歇釜反應(yīng)器這兩種反應(yīng)器具有相同的效率，達(dá)到相同的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)時(shí)間是一樣的。但如果從總的過程來看的話，因?yàn)殚g歇釜是一個(gè)間歇操作過程，不僅需要反應(yīng)時(shí)間還需要一些非反應(yīng)時(shí)