一般情况下反应器的操作温度是无法预先知道,而要通过计算求得的。况且在反应器内所控制的温度变化范围较大。这些就是接下来所要讨论的课题。
最重要的热效应发生在放热反应过程。在一个绝热间歇放热反应中,随着反应的进行,温度将一直上升到反应终止,也就是放热的终了。反应速率,也就是放热速率,在开始时将随着温度的上升而增高。温度的上升与反应的程度有关,反应的程度高,就是意味着剩下的反应物的浓度低。由于反应物的消耗,反应逐渐减慢;而当反应物全部耗尽,反应终于完全停止,如图39所示。
若反应是明显的可逆反应,此时,温度的增加将导致平衡常数的降低。因此,对可逆反应,可能达到的最大转化率将会随着温度的升高而降低。这种作用将会造成可逆反应比实际的不可逆反应在较低的转化率和温度的情况下使反应停止,且温度趋近恒定。
对一个连续反应器,这些因素由于反应物和产物的流动而改变。因此,需要在反应器系统中取一微元进行物料和热量衡算以判别反应系统的性能。这种步骤原则上仅是物料衡算的一种延伸,只是在平衡方程式中必须再考虑到系统与周围的热量交换,因为系统一般不是绝热的。这样的热交换将根本地改变反应系统的性能。这些内容将在后面讨论。
例题1
在一连续反应过程中,一元有机酸酯水溶液在能装6m3液体的连续搅拌釜式反应器中与苛性钠水溶液进行水解反应。反应釜中有浸没的冷却盘管以维持反应温度恒定在25℃。在进入盘管的冷却水温度为15℃而离开盘管的温度为20℃的情况下,且忽略反应器壁的热损失,试用下面的数据,估计所需的传热表面积。
酯溶液的浓度、温度和流量分别为:
1.0kg mol/m3,25℃,0.025m3s-1。
碱溶液的浓度、温度和流量分别为:
5.0kg mol/m3,20℃,0.010m3s-1。
在25℃时的反应速度常数:0.11m3(kgmol)-1s-1。
反应热:1.46×10(7次方)J/(kgmol)
在给定条件下的传热系数:2280Jm-2s-1(°K)-1。
〔答案:8.0m2〕
例题2
反应物A和B间的二级液相反应是在两个串联的连续釜式反应器中进行的,两釜的容积相等,每一釜中都装有冷却盘管。为了在两个容器中获得相同的温度,估计所需的冷却盘管传热面积的比值。其它的条件如搅拌速度等都是相同的。
如果采用统一的单位,每个容器具有的容量为10(4次方),速度常数为10(-2次方),每一反应物的公斤分子进料流量各为5,溶液的体积流量为12。
〔答案:3.2:1〕