第三章 釜式反应器.

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1 第三章 釜式反应器

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3 (continuous stirred tank reactor, CSTR) 间歇操作 (batch reactor, BR)
操作方式：间歇、连续、半间歇 连续操作 (continuous stirred tank reactor, CSTR) 间歇操作 (batch reactor, BR) 用途：绝大多数用作有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。

4 (batch reactor, BR)的特点 特点：
反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间

5 continuous stirred tank reactor, CSTR的特点(全混流反应器)
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。 特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。

6 本章内容  釜式反应器的物料衡算通式  等温间歇釜式反应器的计算  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
 釜式反应器中复合反应的收率与选择性  变温间歇釜式反应器  连续釜式反应器的定态操作

7 反应器设计的基本方程 选择合适的反应器型式 确定最佳的工艺条件 计算所需反应器体积 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率 计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化

8 反应消耗 累积 物料衡算方程 计算反应体积 某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量 流入 流出 间歇式 整个反应器
反应单元 反应消耗 累积 流入 流出 反应器 反应单元 流入量 流出量 反应量 累积量 间歇式 整个反应器 √

9 对整个反应器进行物料衡算： 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量 单位时间内反应量 = 单位时间内消失量 等容过程，液相反应

10 1/rA —xA t/CA0 1/rA —CA t

11 等温 BR 的计算 1.反应体积 t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键 操作时间
经验给定 2.反应器的体积 ：装填系数 ，由经验确定,一般为 0.4～0.85

12 *间歇反应器中的单反应 反应速率 rA=kCA rA=kCA2

13 一级反应 非一级反应 反应时间 相同 区别  达到一定转化率所需的反应时间与反应器大小无关，只取决于动力学因素。
 温度越高，速率常数 k 越大，则达到相同转化率所需的反应时间 t 越短。 区别 t 与cA0无关 t 与cA0有关

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15 间歇反应器中的单反应 1. k的影响 零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关 2. 反应浓度的影响
2. 反应浓度的影响 零级反应：残余浓度随t直线下降一级反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降 3. 残余浓度 反应后期的速度很小；反应机理的变化

16 例：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：
该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02 mol/L，反应速率常数等于4.6 L/(mol min)。试求乙酸乙酯转化率分别达到 80％、90％和 95％时的反应时间。 解： 得： XA=80%，t = 43.5min； XA=90%，t = 97.8min； XA=95%，t = 206.5min

17 *间歇反应器中的复合反应 对各组分作物料衡算(恒容条件)： 对A： 对P： 对Q： 系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅二式是独立的。

18 等温 BR 的计算 组分 浓度 A P Q 反应时间

19 等温 BR 的计算 平行反应物系组成与反应时间关系示意图 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

20 反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。
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 ： 反应物A的浓度为： 反应产物的浓度为： 反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。

21 等温 BR 的计算  复合反应－连串反应 对A作物料衡算： 对P作物料衡算：

22 等温 BR 的计算 连串反应组分浓度与反应时间关系示意图 令： 得：

23 3-4 连续釜式反应器(全混流反应器 ) 反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量  单一反应 进口中已有A

24 全混流反应器τ的图解积分

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26 等温CSTR 的计算 对稳态操作，有： 则物料衡算通式变为： 连续釜式反应器物料衡算式  单一反应

27 等温CSTR 的计算  空时与空速的概念：  空时： （因次：时间）  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，反应器的原料处理能力越大。

28 三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系
等温CSTR 的计算  复合反应－平行反应 对关键组分A有： 对目的产物P有： 对副产物Q有： 三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系

29 三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系
等温CSTR 的计算  复合反应－连串反应 对关键组分A有： 对中间产物P： 对最终产物Q： 三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系

30 小结：等温反应釜的设计方程 反应 BR CSTR

31 BR和CSTR反应体积的比较

32 连续釜式反应器的串联与并联 思考  1. 用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小) 2. 若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？
3. 若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？ 或各釜的最佳反应体积比如何？

33 连续釜式反应器的串联与并联 1.图解分析  正常动力学 单釜 两釜串联

34 对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。 (但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）
连续釜式反应器的串联与并联 1.图解分析  小结 正常动力学，转化速率 随XA增加而降低。 多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。 对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。 (但操作复杂程度增大，附属设备费用增大） 反常动力学，转化速率 随XA增加而增加。 单釜的反应体积小于串联釜的总体积。

35 连续釜式反应器的串联与并联 2. 串联釜式反应器的计算 假设： ①各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等， 则各釜的空时  相等。
② 各釜操作温度相同，则各釜的速率常数 k 相等。 对第P釜作组分A的物料衡算：

36 注意：其中的  为单釜空时，总空时为N  。
连续釜式反应器的串联与并联 2. 串联釜式反应器的计算 对一级不可逆反应： N个釜 注意：其中的  为单釜空时，总空时为N  。

37 连续釜式反应器的串联与并联 3.串联釜式反应器的最佳反应体积比 据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。
对单一反应，总反应体积为： 据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。 即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。

38 连续釜式反应器的串联与并联 3.串联釜式反应器的最佳反应体积比 小结：串联釜式反应器进行 级反应：

39 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 1.总收率与总选择性 则：

40 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 1.总收率与总选择性
 总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反应器形式和操作方式等。因此，同是釜式反应器，由于操作方式不同，虽然最终转化率一样，但最终收率却不一样。  当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时， 收率顺序： 间歇釜＜多个连续釜串联＜单一连续釜  当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时， 间歇釜＞多个连续釜串联＞单一连续釜

41 变温间歇釜式反应器 变温间歇操作的热量衡算 根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为： 即：与环境交换的热=内能的变化 Tr为计算的基准温度
用焓变代替内能的变化 间歇釜式反应器 Tr为计算的基准温度

42 变温间歇釜式反应器 变温间歇操作的热量衡算

43 变温间歇釜式反应器 变温间歇操作的热量衡算 式中：U为总传热系数 Ah为传热面积 Tc为环境温度 讨论 等温反应 绝热反应

44 连续釜式反应器的定态操作 1.连续釜式反应器的热量衡算式 定态操作热量衡算式为： 对绝热反应，有
：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。

45 连续釜式反应器的定态操作 2.连续釜式反应器的定态热稳定性 定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。
物料衡算式： 热量衡算式：

46 连续釜式反应器的定态操作 2.连续釜式反应器的定态热稳定性