第四章 化学反应工程学.ppt

二级反应 当CA,O=CB,O，且各釜的温度及体积均相等，有 例4-4 将乙酸乙酯的皂化反应放在二釜串联反应器中进行，若在第一釜中乙酸乙酯的转化率为60%，第二釜中达到最终转化率90%，当反应条件与例4-2中完全相同时，计算该两釜串联反应器的总体积? 解： 已知： 所以反应器的总体积为 图解法 当串联反应器各釜体积相等时 或 对于简单反应，不存在选择性的问题，只需考虑其生产能力的大小 对复杂反应，除需考虑反应器体积的大小外，还要考虑反应的选择性。由于副产物的多少影响着原料的消耗量、分离流程的选择及分离设备的大小。因此复杂反应的选择性更应着重考虑。 4.4 反应器型式和操作方法的评比和选择 4.4.1反应器生产能力的比较 表4-4 乙酸乙酯皂化反应所需各种不同类型反应器的有效容积 4.4.2 容积效率 在等温等容过程中，相同产量，相同转化率，相同初始浓度的条件下，将所需理想排挤反应器体积与理想混合反应器体积之比称为容积效率，即 容积效率的大小随反应级数及转化率而变。 零级反应 一级反应 二级反应 n ↑?↓ x ↑?↓ 4.4.3 反应选择性的分析 平行反应 连串反应 2.理想混合 （全混流 ） 特点 在整个反应器中，各点的浓度和温度均匀一致，且等于反应器出口处的物料的温度和浓度。 物料质点的停留时间并不相等. 将反应器内停留时间不同的物料质点之间的混合现象。 返混： 理想排挤模型中，物料停留时间都一样，因此，不存在“返混”。 理想混合模型的提出是以高效率搅拌釜作为基础，所以，实际生产中连续操作搅拌釜中的流动型式可看作理想混合。 间歇釜式反应器：反应时间 = 停留时间 连续操作的釜式反应器：反应时间?停留时间； 反应时间: 反应物料加入反应器后从实际进行反应起至反应到某一时刻所需的时间。 停留时间: 指反应物料从进入反应器至离开反应器所经历的时间 。 4.3.2 反应器操作中的几个基本概念 空时:在规定条件下进入反应器的物料 通过反应体积所需的时间。 空速 :在规定条件下，单位时间内通过单位反应器容积的物料体积。 1.达到一定转化率时所需反应时间 2.反应器有效容积V的计算 计算的内容 计算的对象 4.3.3 间歇釜式反应器(BTR) 间歇釜式反应器内设有搅拌装置，反应物料按一定配比一次加入到反应器内，在搅拌良好的情况下，釜内物料达到完全混合，各处浓度、温度均一。各点的化学反应速度也都相同。随反应的进行，釜内的浓度、温度和反应速度都随时间而改变。因此为一非稳态过程。 BTR特点： 操作条件灵活，多品种小批量的化学生产 生产规模小或者反应时间长的反应 反应时间的计算和反应器的有效容积 非流动系统 0 0 -(物料A消耗速度)＝(物料A积累速度) 一级反应 表4-3 不同级数反应的反应时间计算式 反应器容积的计算 反应器实际体积VR 反应器有效容积V 辅助操作时间 装料系数 物料起泡、沸腾： 0.4～0.65 不起泡不沸腾，0.7～0.85 例4-1在等温间歇反应器内进行乙酸乙酯的皂化反应已知该反应对乙酸乙醋和氢氧化钠均为一级，反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02kmol?m-3，反应速率常数为0.0935m3?kmol?s-1，若每天处理乙酸乙酯176 kg，试求最终转化率大达90%所需反应器的有效容积；若装料系数取0.80，则反应器的实际体积为多少 (已知辅助操作时间为t? = 30 min) ? MCH3COC2H5 = 88 kg/mol V = 7.66 m3 VR= 9.58 m3 4.3.4 理想置换反应器(PFR) 图4-4 理想置换反应器物料衡算示意图 (物料A加入量)-(物料A引出量)-(物料A消耗量)＝0 PFR与BTR比较 相同点 不同点 反应物浓度的变化过程相同 反应器内物料的流动形态却完全不同 PFR:物料为无返混的定态过程 BTR:物料属于混合均匀的非定态过程 例4-2 将例4-1中所述乙酸乙酯与氢氧化钠进行的皂化反应，改在理想置换反应器中进行，操作条件及乙酸乙酯处理量与上例完全相同，试求算理想排挤反应反应器所需的体积。 解：已知反应为二级反应, 气相反应的膨胀因子(或体积变化率) 当着眼反应组分A每转化1 kmol时，引起物系总量(以kmol计)增加或减少的值。 物理意义 该数值与进料中有无惰性物质无关。 当 时，着眼反应组分A的摩尔分数为 等温等压，由理想气体状态方程和分压定律得 4.3.5 理想混合反应器(CSTR) (物料A加入速度)＝(物料A引出速度)+(物料A消耗速度) 图5-6 理想混合反应器物料衡算示意图 例4-3：将例4-1中所进行的反应，改用理想混合反应器中