不同的行为批次和半连续反应器的两个化学反应的比较研究 M.D. Graua,1, J.M. Nougués b,2, L. Puigjaner b,*,2

a矿业及天然资源工程系，曼雷沙大学，加泰罗尼亚理工大学,AV.西班牙曼雷沙61-73基地，08240 . b巴塞罗那工业工程学院，加泰罗尼亚理工大学化学工程系，AV.西班牙巴塞罗那，对角线647，08028. 2001年10月收到，2002年2月19日发表 摘要：基于不同的行为的两个反应，批处理和半间歇反应器性能之间的比较研

究已经进行了在玻璃夹套设置与测量5升的反应器中，数据采集和控制系统。所选择的反应是酸 - 碱反应（乙酸乙酯皂化反应），和一个具有高的反应热（硫代硫酸钠，过氧化反应）的氧化 - 还原反应。甲第一差值的方法中，用于建立的动力学方程。对于使用的酸 - 碱反应的等温方法，根据该溶液的电导率，用于氧化反应的温度的测量的基础上使用的绝热方法。 此工作的重点在于得到的物种的浓度，在反应器中，通过实验测量与不同的传感器（pH，温度，等）所需要的值，以得到的浓度分布。对于酸 - 碱反应，它可以转换成浓度值的反应溶液的pH值测量。在氧化反应的情况下，通过测量唯一的反应器的温度为绝热的批处理模式下的操作，和在半间歇法的操作模式通过仿真得到的浓度分布。以前被验证实验获得的温度分布的数学模型。

关键词:批处理和半间歇反应器 ；模型 ；反应动力学

命名法 a：化学计量系数反应物A Ai：内传热面积（米2） A0：以外的传热面积（米2） B：反应物B的化学计量系数 cA ：反应物的浓度（NaOH或H 2 O 2）（千摩尔米-3） cA0：初始反应物的浓度甲（千摩尔米-3） cA1：初始反应物的浓度在坦克（千摩尔米-3） cB：反应物B的浓度（千摩尔米-3） cB0：反应物B的初始浓度（千摩尔米-3） cB1：罐中反应物B的初始浓度（千摩尔米-3） cP：浓度的产品（千摩尔米-3） CJ：护套的流体的热容量（千焦耳千克-1 K -1） CP：的反应物的热容量（千焦耳千克-1 K -1） CM：的壁的热容量（千焦耳千克-1 K -1） Ea：活化能（千焦耳千摩尔-1） FW：护套的流体流（米3 s-1 ） F0： 添加流量（米3 s-1 ） [10] ，但反应物和产物的浓度的演变没有调查，这是非常重要的是要优化 运行性能，因为它已经指出，Hugo[11] 等人。 在这项工作中，为酸 - 碱反应，在反应器中存在的物种原位浓度通过测量溶液的pH值来确定。对于氧化还原反应，反应的电压分布实验得到，但其转换成浓度分布被认为是非常困难的。在这种情况下，浓度分布是通过模拟获得的。的动态的数学模型，预测的热行为的间歇式反应器，并在反应过程中反应物和产物的浓度的演变。对于该反应中，它有可能以获得实验的浓度分布，仅在绝热操作的箱子。在这种模式的操作中，它是通过只测量反应温度可能遵循的浓度演化。

为酸-碱反应的（低反应热），其中反应器的温度将保持控制，两种操作模式（分批或半间歇）是可能的。在硫代硫酸盐反应（非常的放热反应）的情况下，温度控制是唯一可行的半间歇反应器中。在这种情况下，当一组点被选择的反应物料的温度，也可以通过操纵一种反应物的进料速率，入口夹套温度保持在一个前缀的值来控制反应。因此，这种操作模式可以被使用，以控制反应，并且，它是特别有用的高度放热的过程，其中，安全是一个主要问题。从这个意义上说，的的作品Steensma和Westertep[12]和Stoessel[2]是非常相关的。Hugo和Steinbach[13]补料批式反应器和连续搅拌釜式反应器安全之间的比较研究。 纸张主要作用域从pH值和温度数据的浓度分布的模拟，然后预测实验的控制行为。因此，一个关键的贡献，目前的工作重点是在两个均相反应的行为的比较研究，批次和半连续反应器中进行。这些反应可再现的实验得到的，使用的传感器的pH，温度或潜在的，大量的数据，以便获得适当的信息，用来比较的批次和半间歇反应器中的操作模式的行为。一般，该比较是仅使用温度测量。这项工作给特殊的重要性，得到的浓度分布（通过pH值或温度的实验性的措施），显示出更好的两种操作模式之间的不同行为。在这种方式中，该研究导致一种推论批处理的方式来控制和半间歇反应器。 此外，使用简单的反应已被特别选择，因为，即使在发展的动能表达式，使用的方法是不同的，使得可以比较的等温反应器中和一个绝热反应器的行为。利益的工作还包括在比较两个非常不同的反应速度和热行为反应。 2、数学模型 在一般的方式，考虑这两个反应可以表示为： aA + bB→cC + dD 其中的一个a，b，c，和d是不同的对于每个反应： CH3COOCH2CH3 + NaOH→ CH3COONa + CH3CH2OH Na2S2O3 + 2H2O2 →Na2S3O6 + Na2SO4 + 2H2O 将反应率被假定为成比例的反应物A和B的浓度的第一顺序，和溶液的密度是恒定的：

r = kcAcB…………………………………………………………………………（1）

其中 ，k 是一个函数，所述的温度的Arrhenius表达式： k = k0 e−EaR(T+273) ………………………………………………………… （2） 两种方法可以通过以下方式获得的动力学参数 k 0 和 E a。 2.1.等温法

得到的溶液在不同温度下的电导率的档案。因此，一组在不同温度下的k值 可以以下方式获得的，然后通过绘制lnk对1 T 式中的对数表达 Eq（2） ，k 0

和Ea值可以很容易地获

得：

……………………………………………………（3）2.2.（直

接法） 考虑到能量平衡方程完全是被称为反应物料，获得以下表达式：

………………………………………………………………（4） （4）给出了在每一时刻的速率常数： ………………………………………………………………… （5） 导数d T d t 可以计算从所记录的温度-时间曲线。然后时，ln k被计算，使用从Ea得到的值（5） 。 下面的过程是类似的等温方法。 批处理和半间歇反应器的动态行为可以被描述由一组微分方程套壁和夹克内的循环流体的能量平衡的反应混合物中，产生的质量和能量平衡。

批式反应器的整体质量平衡： …………………………………………………………………………（6） ……………………………………………………………………………

（7） 半间歇反应器的整体质量平衡：…………………………………………………………………… （8） ……………………………………………………………………… …（9）间歇式反应器的组件的质量平衡： …………………………………………………………… （10） …………………………………………………

…………（11） 半间歇反应器中的组件的质量平衡：

…………………………………………………… （12） …………………………………………………………… （13） 对于pH值的酸 - 碱反应，转化浓度分布不同操作模式的研究需要不同的表达式。如果A代表NaOH和乙乙酸乙酯，唯一的贡献对pH值的NaOH的存在是由于，因为乙酸钠的贡献可以忽略不计。在这些条件下： POH = −log cA ………………………………………………………………

（14）不然

cA = 10(pH−14) …………………………………………………………………（15）否则为间歇式反应器中，浓度可以表示为：

cA = cA0(1 − x)………………………………………………………………… （16）从式（15）和 （16） ： ……………………………………………………………（17）半间歇反应器中时，被认为是，试剂A的添加效果，必须考虑该混合物的初始浓度在加入时间： ……………………………………………………………………（18）和

……………………………………………………………（19）当馈送的NaOH停止反应器中在批处理模式下操作，并建模方程是前面所指出的那些。

用于氧化反应和绝热的间歇式反应器中，从（4）和（10）得到： …………………………………………………………………（20）通过集成这个方程，得到下面的表达式：

………………………………………………………………（21）

的差异之间的初始温度和最终温度，当转换是 x = 1时，，被定义为Δ T ad： ……………………………………………………………… （22）公式（21）可以改写为： ……………………………………………………………………（23）使用表达式（23），可以得到具有不同的反应物和产物的浓度。 批式反应器的能量平衡： ………………………………………………… （24） 半间歇反应器的能量平衡：

CpVQCpcHrkcVTTadFdtdMBAT)(

0……………………………………… （25）

批次和半间歇反应器外壁的能量平衡： …………………………………………………………………（26） 通过 QM = [14]所示。3、工厂介绍

在中试规模的反应器中（图1）中，pH值，电导率，电压和温度的已获得的实验措施。它由一个5升玻璃夹套反应器中，设置有一个数据采集系统基于GPIB总线和PC软件。

图1 试验工厂。 在夹套中循环的流体的流率可以前缀或通过差开闭阀控制，提供一种替代

的加热-冷却流体（热水或冷水），表1中表示的不同模式的状态的阀门操作。 表1中 阀门

阀门 行动 Ia II b IIIc V1 反应A入口 X X（*） V2 反应B入口 X V3 护套流体入口 X X