sb第三章_间歇釜式反应器.ppt
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1、sb第三章_间歇釜式反应器 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望(1)每每天天处处理理物物料料总总体体积积VD和和单单位位时时间间的的物物料处理量为料处理量为FVFV=VD/24GD每天所需处理的物料总重量 物料的密度2(2)操作周期操作周期t*操作周期又称工时定额或操作时间,是指生产每一批料的全部操作时间,即从准备投料到操作过程全部完成所需的总时间t,操作时间t包括反应时间t和辅助操作时间t0 两部分组成。即t=t+t0 例如萘磺化制取2-萘磺酸的操作
2、周期:检查设备 15分加萘 15分加硫酸及升温 25分反应 160分压出料 15分操作周期 240分或4小时3反应时间反应时间t的求算方法的求算方法由动力学方程理论计算或经验获得,但应注意:(1)不少强烈放热的快速反应,反应过程的速率往往受传传热热速速率率的的控控制制,不能简单地用动力学方程式来求算反应过程的时间。(2)某些非均相反应,过程进行的速率受相间传传质质速速率率的的影影响响,也不能单纯地从化学动力学方程式计算反应时间。(3)某些反应速率较快的反应,在加料过程及升温过程中已开始反应。在保温阶段之前可能已达到相当高的转化率。有时需分段作动力学计算。有时需分段作动力学计算。4(3)反应体积
3、)反应体积VR反应体积是指设备中物料所占体积,又称有效体积。VR=FVtn确确定定反反应应器器的的容容积积V V的的前前提提是是确确定定反反应应器器的的有有效效容容积积(反应容积反应容积)V VR R。n如如果果由由生生产产任任务务确确定定的的单单位位时时间间的的物物料料处处理理量量为为F FV V,操操作作时时间间为为tt(包包括括反反应应时时间间t t和和辅辅助助操操作作时时间间t t0 0 ),则反应器的有效容积:,则反应器的有效容积:其中其中其中其中 t=t+tt=t+t0 05(4)*设备装料系数设备装料系数反应器有效体积与设备实际容积之比称为设备装料系数,以符号 表示,即:=VR/
4、V。其值视具体情况而定条 件装料系数范围无搅拌或缓慢搅拌的反应釜0.800.85带搅拌的反应釜0.700.80易起泡或沸腾状况下的反应0.400.60液面平静的贮罐和计量槽0.850.90实实实实际际际际生生生生产产产产中中中中,反反反反应应应应器器器器的的的的容容容容积积积积要要要要比比比比有有有有效效效效容容容容积积积积大大大大,以以以以保保保保证液面上留有空间。证液面上留有空间。证液面上留有空间。证液面上留有空间。62、反应器的容积和个数的确定、反应器的容积和个数的确定(1)已知VD或FV与t,根据已有的设备容积Va,求算需用设备的个数m。设备装料系数为 ,则每釜物料的体积为 Va,按设
5、计任务,每天需要操作的总批次为:每个设备每天能操作的批数为:按设计任务需用的设备个数为:7由上式算出的m值往往不是整数,需取成整数m,mm。因此实际设备总能力比设计需求提高了。其提高的程度称为设备能力的后备系数后备系数,以表示,则 8(2)已知每小时处理的物料体积FV与操作周期t,求设备体积与个数 需要设备的总容积为:如果反应器容积V V的计算值很大,可选用几个小的反应器 若以m表示反应釜的个数,则每个釜的容积:Vm=V/m=FVt/(m)为便于反应器的制造和选用,釜的规格由标准(GB 9845-88)而定。在在选选择择标标准准釜釜时时,应应注注意意使使选选择择的的容容积积与与计计算算值值相相
6、当当或或略略大大。如如果果大大,则则实实际际生生产产能能力力较较要要求求为为大大,富富裕裕的的生生产产能能力力称称为为反反应应器器的的后后备备能能力力,可可用用后后备备系系数数来来衡衡量量后后备备能能力力的的大大小小,若标准釜的容积为若标准釜的容积为VaVa,那么,那么,9思考选用个数少而容积大的设备有利还是选用个数多而容积小的设备有利?10例3-1:邻硝基氯苯连续氨化,然后分批还原生产邻苯二胺。已知氨化出料速率为0.83m3/h,还原操作时间为7h(不计受料时间),求需要还原锅的个数与容积。设备装料系数取0.753、计算示例、计算示例物料处理量FV一般由生产任务确定,辅助时间t0视实际操作情
7、况而定,反应时间t可由动力学方程确定,也可由实验得到。由以上数据可求VR、V、m、Vm以及等11解:因氨化为连续操作,故至少需要两台还原釜交替进行受料和还原。还原操作时间为7h,可取受料时间为8h,安排每班进行一次还原操作,则每批的操作时间为16h。装料系数取0.75,于是需要设备的总容积为 取两台釜,每釜容积为8.85m3,采用标准容积为10m3的反应釜,后备能力为思考 如果取受料时间为1h,结果如何?12例3-2同例3-1,如果根据工厂的加工能力能够制造的最大容积的还原锅为6m3。问需用几个还原锅。解:选用6 m3的锅,每锅受料体积为VR=0.756=4.5 m3,则受料时间:4.5/0.
8、83=5.44h操作周期:5.44+8=13.44h 每天操作总批数:=24X0.83/4.5=4.45每锅每天操作批数:=24/13.44=1.78 需要锅的个数:m=4.55/1.78=2.5 取用三个锅,生产能力后备系数为:=(3-2.5)/2.5100%=20%13三个还原锅交替操作的时间安排图14例3-3西维因农药中试车间取得以下数据:用200升搪瓷锅做实验,每批操作可得西维因成品12.5Kg,操作周期为17小时。今需设计年产1000吨的西维因车间,求算需用搪瓷锅的数量与容积。年工作日取300天。解:每台锅每天操作批数:=24/17=1.41 每天生产西维因农药数量:10001000
9、300=3330Kg(GD)需要设备总容积:mVm=(3330/1.41)20010-3/12.5=37.8m3 取Va为10 m3的最大搪瓷锅4台。=(4-3.78)/3.78100%=5.82%15例3-4萘磺化反应器体积的计算。萘磺化生产2-萘磺酸,然后通过碱熔得2-萘酚。已知2-萘酚的收收率率按萘计为75%,2-萘酚的纯纯度度为 99%,工 业 萘 纯 度 为 98.4%,密 度 为963kg/m3。磺化剂为98%硫酸,密度为1.84。萘与硫酸的摩尔比为1:1.07。每批磺化操作周期为3.67小时。萘磺化釜的装料系数为0.7。年产2-萘酚4000t,年工作日330天。16根据生产任务,
10、每小时需处理工业萘的体积为:每小时需处理硫酸的体积为:每小时处理物料总体积为:FV=626+270=896L反应器的体积为:若采用2500L标准反应器两个,则反应器的生产能力后备系数为:173.2.2 间歇操作设备间的平衡间歇操作设备间的平衡保证各道工序每天操作总批次相等 即 1=2=n总操作批数相等的条件是:总操作批数相等的条件是:m11=m22=mnn或 即各工序的设备个数与操作周期之比要相等 各工序的设备容积之间保证互相平衡 即或 18例3-5萘酚车间的磺化工段有四道工序:磺化、水解、吹萘及中和。现有铸铁磺化锅的规格2 m3,2.5 m3及3m3三种。试设计各工序的设备容积与数量。已知各
11、工序的VD,t及 如下表:工序VD(m3)t (h)磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.54.01.53.05.00.800.850.600.6019解:(1)先作磺化工序的计算 如取Va=2 m3,计算再取Va=2.5 m3与Va=3 m3做同样计算,结果列于下表中:Vam%2.02.53.00.80.80.812.510.08.346662.081.671.5832244204420使水解工序:=10=24/1.5=16,m=10/16=0.625取水解锅容积的计算:Va=VD/=21.25/(100.85)=2.5m3=1,=(1-0.625)/0.625 100%=60%
12、比较三种方案,选用2个2.5 m3的磺化锅较为合适。(2)水解及其他工序的计算21同样方法计算吹萘及中和二个工序。将各工序计算结果列表如下:工序VD(m3)m%Va磺化水解吹萘中和20.021.2530.0113.51010101061684.81.670.6251.252.08212319.86060442.52.52190.80.850.60.6223.3 等温间歇釜式反应釜釜的计算*反应器容积V反应器有效体积VRFV,tt=t+t0确定反应时间的两种方法:经验法;动力学法间歇反应属非定态操作,反应时间取决于所要达到的反应进程反应器内各处浓度、温度均一,所以,可对其中某一反应物做物料衡算,
13、以确定反应时间。233.3.1 单一反应单一反应设在间歇反应器内进行如下化学反应 ABR 0 0 1.1.反应时间的计算反应时间的计算若VR为反应混合物的体积(反应器有效容积);rA为t时刻的反应速率;nA0为反应开始时A的摩尔量;nA为t时刻的A的摩尔量。并以A为关键组分作微元时间dt内的物料衡算。所以所以所以所以24适用于任何间歇反应过程。由反应物由反应物由反应物由反应物A A转化率转化率转化率转化率x xA A的定义的定义的定义的定义得到得到得到得到于是,于是,于是,于是,积分得:积分得:积分得:积分得:25恒容条件下:所以取 t=0 时 xA=0、CACA0;t=t 时 xA=xAf、
14、CA=CAf,积分得其中rA一般具有 rA=-dCA/dt=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式 反应器的有效体积反应器的有效体积 VR=FV(tt0)26等温恒容下的简单反应的反应时间积分表*化学反应速率微分式反应时间积分式(1)零级反应AR(2)一级反应AR(3)二级反应AR(4)二级反应A+BR(CA0=CB0)(5)二级反应A+BR(CA0CB0)其它反应的积分请参阅参考书其它反应的积分请参阅参考书其它反应的积分请参阅参考书其它反应的积分请参阅参考书11,6627例 3-6间 歇 反 应 A+BR+S,二 级 不 可 逆 rA=kCACB,等温恒容,k=1.0m3/(kmol
15、.h),处理量为2.0m3/h,A、B的初浓度均为1.0kmol/m3,每批辅时为0.5h,求反应体积反应体积为9.0m3时的A的转化率。解:由解上述方程得得又由得28例3-7:在间歇反应器中进行己二酸和己二醇的缩聚反应,其动力学方程为rA=kCA2 kmol/(Lmin),k=1.97L/(kmolmin)。己二酸与己二醇的摩尔配比为1:1,反应混混合合物物中己二酸的初始浓度为0.004kmol/L。若每天处理己二酸2400kg,要求己二酸的转化率达到80%,每批操作的辅时为1h,装料系数取为0.75,计算反应器体积。解:积之得29物料的处理量为操作周期为反应体积为反应器容积为思考 计算FV
16、时,为什么不考虑己二醇?30 正反应速率常数k1为4.7610-4m3/(kmol.min),逆反应速率常数k2为1.6310-4m3/(kmol.min)。反应器内装入0.3785m3水溶液,其中含有90.8kg乙酸,181.6lkg乙醇。物料密度为1043kg/m3,假设反应过程不改变。试计算反应2h后乙酸的转化率。例3-8在搅拌良好间歇操作釜式反应器中,以盐酸作为催化剂,用乙酸和乙醇生产乙酸乙酯,反应式为:已知100时,反应速率方程式为31解:乙酸的初始浓度乙醇的初始浓度水的初始浓度设XA为乙酸的转化率,则各组分的瞬时浓度与转化率的关系为kmol/m3kmol/m3kmol/m332代入
17、反应速率方程式,则得=所以 =当t=120min,用上式算得:xAf=0.356,即35.6%乙酸转化成乙酸乙酯。33(2)间歇反应釜的最佳反应时间问题的提出:操作时间包括反应时间和辅助时间,辅助时间一般是固定的;延长反应时间可提高产品收率,但反应后期,反应物浓度降低,反应的推动力变小,反应速率变低,所以,从宏观上看,单位操作时间内的产品收获量未必高;缩短反应时间,产品收率低,但反应速率一直较大,所以单位操作时间内产品的收获量未必低。由此看来,应存在一最佳反应时间,使得操作单位时间内获得的产品量为最大。34 以单位操作时间内产品的收获量最大为目标对于反应AR,若反应产物的浓度为CR,则单位时间
18、内获得的产品量GR为GR=VRCR/(t+t0)对反应时间求导若使GR为最大,可令 dGR/dt=0,于是此为使单位操作时间内产物收获量为最大应满足的条件。思考 上述结果是否表明该最优反应时间与其动力学特征无关?35图解法描绘产物浓度 CR与 时 间 t的曲线于坐标轴上(OMN);在横轴上取A(-t0,0);过A点作OMN的切线交OMN于M点;M点的横坐标就是最佳反应时间。36 以单位产品生产费用最低为目标设一个操作周期中单位时间内反应操作所需费用为a;辅助操作所需费用为a0;固定费用为aF,则单位产品的总费用Z为Z=(at+a0t0+aF)/(VRCR)对反应时间求导若使Z为最大,可令 dZ
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