華東理工CH4(簡化)

1、第四章第四章 理想流動(dòng)管式反應(yīng)器理想流動(dòng)管式反應(yīng)器4.1、 理想流動(dòng)管式反應(yīng)器的特點(diǎn)理想流動(dòng)管式反應(yīng)器的特點(diǎn)4.2、理想流動(dòng)管式反應(yīng)器的基本方程式理想流動(dòng)管式反應(yīng)器的基本方程式4.3、空時(shí)、空速和停留時(shí)間、空時(shí)、空速和停留時(shí)間4.4、反應(yīng)前后分子數(shù)變化的氣相反應(yīng)、反應(yīng)前后分子數(shù)變化的氣相反應(yīng) 0 Z/2 Z 4 4.1.1、理想、理想流動(dòng)流動(dòng)管式反應(yīng)器的特點(diǎn)管式反應(yīng)器的特點(diǎn)1、通過反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)，沿同一方向以同一流速流動(dòng)通過反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)，沿同一方向以同一流速流動(dòng).2、所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同。同一截面所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同。同一截面上的物料濃度相同、溫度相同

2、，不隨時(shí)間變化。上的物料濃度相同、溫度相同，不隨時(shí)間變化。3、物料的溫度、濃度沿管長連續(xù)變化。反應(yīng)速率也隨管長物料的溫度、濃度沿管長連續(xù)變化。反應(yīng)速率也隨管長連續(xù)變化。連續(xù)變化。衡算體積元：因參數(shù)沿軸向位置不斷變化，故取反應(yīng)器中一衡算體積元：因參數(shù)沿軸向位置不斷變化，故取反應(yīng)器中一 微元段微元段dLdL作物料衡算。作物料衡算。衡算時(shí)間元：因參數(shù)不隨時(shí)間變，取單位時(shí)間作衡算。衡算時(shí)間元：因參數(shù)不隨時(shí)間變，取單位時(shí)間作衡算。 4.2、理想管式反應(yīng)器的基本方程式理想管式反應(yīng)器的基本方程式 0 d L L FA 0 FA f d V FA FA+ d FA AA=+AA單位時(shí)間 流單位時(shí)間 流單位時(shí)間

3、微元體單位時(shí)間微元入微元體的量出微元體的量內(nèi)反應(yīng)掉 的量體內(nèi) 的積累量 F FA A = F = FA AdFdFA A + + （- -r rA A)dV)dV + 0 + 0即：即：AAdF( r )dV 001AAAAAdFd FxF dx 0()AAAF dxrdV 積分得積分得00()AfxAAAdxVFr 此式為理想管式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式，上式積分只有在此式為理想管式反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式，上式積分只有在下列兩種情況下可直接進(jìn)行求解：下列兩種情況下可直接進(jìn)行求解：因因 F FA A= = F FA AdFdFA A + +（- -r rA A)dV)dV+ 0+ 0（1）等溫等溫理想管

4、式反應(yīng)器理想管式反應(yīng)器: : 此時(shí)此時(shí)k k為常數(shù)為常數(shù)，可可采用解析法直采用解析法直接積分，也可采用數(shù)值積分和圖解積分。接積分，也可采用數(shù)值積分和圖解積分。（2）絕熱理想管式反應(yīng)器）絕熱理想管式反應(yīng)器; 反應(yīng)物料沿管長的溫度變化可反應(yīng)物料沿管長的溫度變化可由熱量衡算式導(dǎo)出，將由熱量衡算式導(dǎo)出，將k表示為表示為xA的函數(shù)，通常采用數(shù)值積的函數(shù)，通常采用數(shù)值積分和圖解積分。分和圖解積分。 對(duì)非絕熱非等溫過程，要結(jié)合熱量衡算式聯(lián)立求解，因?qū)Ψ墙^熱非等溫過程，要結(jié)合熱量衡算式聯(lián)立求解，因不能將不能將T表示為表示為xA的單一函數(shù)，故不能由上式直接積分。的單一函數(shù)，故不能由上式直接積分。注：對(duì)固定床反應(yīng)

5、器，只要滿足平推流的假定，上式同樣注：對(duì)固定床反應(yīng)器，只要滿足平推流的假定，上式同樣適用。若以單位催化劑質(zhì)量表示反應(yīng)速率，則：適用。若以單位催化劑質(zhì)量表示反應(yīng)速率，則：00()AfxAAAdxVFr AAA WF dxrdW0() 空時(shí)、空速用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器。進(jìn)料體積流量按反應(yīng)空時(shí)、空速用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器。進(jìn)料體積流量按反應(yīng)器入口處溫度、壓力求取。器入口處溫度、壓力求取。2、空速：、空速： 空時(shí)的倒數(shù)?？諘r(shí)的倒數(shù)。1、空時(shí)、空時(shí) 反應(yīng)器的體積反應(yīng)器的體積VR與進(jìn)料的體積流量與進(jìn)料的體積流量v0之比。之比。4.34.3 、空時(shí)、空速和停留時(shí)間空時(shí)、空速和停留時(shí)間0RVh1SVh-1 理想管式反

6、應(yīng)器內(nèi)參數(shù)不隨時(shí)間變，度量其生產(chǎn)強(qiáng)度采理想管式反應(yīng)器內(nèi)參數(shù)不隨時(shí)間變，度量其生產(chǎn)強(qiáng)度采用空時(shí)和空速。用空時(shí)和空速。3 3、停留時(shí)間：、停留時(shí)間： 反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器始到離開反應(yīng)器止所用的時(shí)間。反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器始到離開反應(yīng)器止所用的時(shí)間。 在間歇反應(yīng)器中，所有物料具有相同的停留時(shí)間，且在間歇反應(yīng)器中，所有物料具有相同的停留時(shí)間，且等于反應(yīng)時(shí)間。等于反應(yīng)時(shí)間。 對(duì)理想管式反應(yīng)器，所有物料具有相同的停留時(shí)間。對(duì)理想管式反應(yīng)器，所有物料具有相同的停留時(shí)間。 對(duì)非平推流的反應(yīng)器，物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)對(duì)非平推流的反應(yīng)器，物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間不同，常用平均停留時(shí)間來表達(dá)。間不同，常用平均

7、停留時(shí)間來表達(dá)。定義：平均停留時(shí)間定義：平均停留時(shí)間RVRdVt0= 反反應(yīng)應(yīng)器器的的體體積積反反應(yīng)應(yīng)器器中中物物料料的的體體積積流流率率注注：對(duì)恒容過程對(duì)恒容過程,體積流率體積流率v=v0，空時(shí)與停留時(shí)間相等；空時(shí)與停留時(shí)間相等； 對(duì)變?nèi)葸^程對(duì)變?nèi)葸^程v不等于不等于v0，空時(shí)不等于停留時(shí)間?？諘r(shí)不等于停留時(shí)間。對(duì)對(duì)平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器000AAFCv 代入設(shè)計(jì)方程代入設(shè)計(jì)方程AfAfAfxxAARAAAAxRAAAdxdxVFCvrrVdxCvr00000000 ()() (4-12)() 4、平推流的、平推流的與與間歇釜與與間歇釜t的比較的比較AfxAAAdxtCr00() 上式與間歇

8、釜反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算式形式相同，對(duì)恒容過上式與間歇釜反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算式形式相同，對(duì)恒容過程，用程，用代換代換t后在理想間歇反應(yīng)器中的結(jié)論完全適合理想后在理想間歇反應(yīng)器中的結(jié)論完全適合理想管式反應(yīng)器。見表管式反應(yīng)器。見表4-14.4、反應(yīng)前后分子數(shù)變化的氣相反應(yīng)、反應(yīng)前后分子數(shù)變化的氣相反應(yīng)工業(yè)上進(jìn)行的液相反應(yīng)通常視為恒容反應(yīng)；工業(yè)上進(jìn)行的液相反應(yīng)通常視為恒容反應(yīng)；對(duì)氣相反應(yīng)恒溫、恒壓和恒分子數(shù)的反應(yīng)屬恒容反應(yīng)；對(duì)氣相反應(yīng)恒溫、恒壓和恒分子數(shù)的反應(yīng)屬恒容反應(yīng)；在間歇釜內(nèi)發(fā)生分子數(shù)變化的氣相反應(yīng)時(shí)，由于反應(yīng)器在間歇釜內(nèi)發(fā)生分子數(shù)變化的氣相反應(yīng)時(shí)，由于反應(yīng)器容積恒定，其結(jié)果是反應(yīng)器總壓發(fā)生了變化，也為恒容

9、過程；容積恒定，其結(jié)果是反應(yīng)器總壓發(fā)生了變化，也為恒容過程；若在連續(xù)管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行分子數(shù)改變的氣相反應(yīng)，由若在連續(xù)管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行分子數(shù)改變的氣相反應(yīng)，由于系統(tǒng)壓力不變，則為變?nèi)葸^程。于系統(tǒng)壓力不變，則為變?nèi)葸^程。表征反應(yīng)前后分子數(shù)變化程度的方法有膨脹率法和膨脹表征反應(yīng)前后分子數(shù)變化程度的方法有膨脹率法和膨脹因子法。因子法。4.4.1 膨脹率法膨脹率法定義：膨脹率定義：膨脹率反應(yīng)物反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積變化的分率。全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積變化的分率。表示在等溫等壓下反應(yīng)，反應(yīng)混合物的瞬時(shí)體積等于表示在等溫等壓下反應(yīng)，反應(yīng)混合物的瞬時(shí)體積等于初始體積初始體積加上因反應(yīng)而引起的反應(yīng)混合物的體積變化

10、加上因反應(yīng)而引起的反應(yīng)混合物的體積變化xxAAAAxVVV100 AAVVx01 用于物系體積隨轉(zhuǎn)化率變化呈線性關(guān)系的情況。用于物系體積隨轉(zhuǎn)化率變化呈線性關(guān)系的情況。對(duì)反應(yīng)：對(duì)反應(yīng)： 211 11AAAOAABCFFx 由由 01AAVVx 又又：得：得： 00011 4-1611AAAAAAAAAAFxFxCCVVxx （）xxAAAAxVVV100 注：若反應(yīng)系統(tǒng)有注：若反應(yīng)系統(tǒng)有50%的惰性氣體，則初始體積為的惰性氣體，則初始體積為2，反應(yīng)，反應(yīng)后體積為后體積為3，A320.52 aAbBpPsS 對(duì)反應(yīng)對(duì)反應(yīng)011AAAAAxCCx 01AAVVx 00BBAAbFFFxa 00000

11、000011 , 11BAABAABBAAAAPAASAAPSAAAAbbFFxCCxFaaCVVxxpsCCxCCxaaCCxx同理同理其它組分：其它組分：AAAAAOAOAOAAAAAAxxxPCRTPyPxxx111111對(duì)氣相反應(yīng)，用分壓表示反應(yīng)速率更為方便。對(duì)氣相反應(yīng)，用分壓表示反應(yīng)速率更為方便。 nnAApApnAAAAAAAkrkCk PkRTxPC RTCCx0 1 1 其其中中，BAABAABOAOABOAOABAAAAPOAOAPOAOAPAAAASOAOASOAOASAAAAbCCxaCxbbPPxyyxaaPPxxppPPxyyxaaPPxxssPPxyyxaaPPxx

12、00B=11111 11 對(duì)對(duì) 組組分分：同同理理：4.4.2、膨脹因子法、膨脹因子法定義：膨脹因子定義：膨脹因子反應(yīng)掉反應(yīng)掉1摩爾摩爾A所引起的反應(yīng)系統(tǒng)總摩所引起的反應(yīng)系統(tǒng)總摩爾數(shù)的改變量。爾數(shù)的改變量。aAbBpPsS 對(duì)反應(yīng)對(duì)反應(yīng) Ap sa ba 膨脹因子：膨脹因子： 0表示反應(yīng)后分子數(shù)增加；表示反應(yīng)后分子數(shù)增加； 0表示反應(yīng)后分子數(shù)減表示反應(yīng)后分子數(shù)減少；少； =0表示反應(yīng)后分子數(shù)不變。膨脹因子的值與進(jìn)料中有表示反應(yīng)后分子數(shù)不變。膨脹因子的值與進(jìn)料中有無惰性物料無關(guān)。無惰性物料無關(guān)。A A A 00000tABPStABPSFFFFFFFFFF 1AAOAFFx BBOAOAbFFF

13、xa ppOAOApFFFxa ssOAOAsFFFxa 1ttOAAOAtOAAOAFFFxFyx 得：得：推導(dǎo)推導(dǎo) 與與 的關(guān)系式的關(guān)系式:A A Ap sa ba 對(duì)恒壓過程有：對(duì)恒壓過程有：1tAAOAtOOFVyxFV 與與 1OAAVVx 比較得：比較得：AAOAy ttOAAOAFFyx1 AAAAOAOAAAAAxxPPPxyx01111BOAOAPOAOABPAAAAAASOAOASAAAbpPPxPPxaaPPyxyxsPPxaPyx000 , 111 4.4.3、變分子數(shù)反應(yīng)過程的反應(yīng)器計(jì)算、變分子數(shù)反應(yīng)過程的反應(yīng)器計(jì)算由理想管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程由理想管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程

14、AfxARAOOAdxVFr() 對(duì)零級(jí)反應(yīng)：對(duì)零級(jí)反應(yīng)：PAk Ark0000AxAARAARAAdxxVFFkkVxFk 速率方程：速率方程：積分得：積分得： 11AAAAAOAAdCxrkCkCdtx 00000000111111ln 1ln 1AAxAARAAAAxAAAAAAAAAAAAAAxVFdxkCxFxdxkCxxFxxxkC 001(1)ln 1RAAAAAAVxxFkC 即：即：對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)PAk對(duì)二級(jí)不可逆反應(yīng)對(duì)二級(jí)不可逆反應(yīng)速率方程：速率方程：積分得：積分得： 2222(1)(1)AAAAAOAAdCxrkCkCdtx 20220022022002

15、2020(1)(1)12(1)21ln 111AAxAAARAAAxAAAAAAAAAAAAAAAAAAFxVdxkCxFxxdxkCxFxxxkCx 當(dāng)用分壓表示反應(yīng)速率時(shí)，對(duì)當(dāng)用分壓表示反應(yīng)速率時(shí)，對(duì)n級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率式為：級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率式為： nA0nAy1= 1AAppAAxrk PkPx ()AfxARAOOAdxVFr 代入代入 積分得表積分得表4-3注：變分子數(shù)的氣相反應(yīng)在管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行時(shí)，物料體注：變分子數(shù)的氣相反應(yīng)在管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行時(shí)，物料體積流量隨轉(zhuǎn)化率不斷變化，其停留時(shí)間不等于空時(shí)，可由積流量隨轉(zhuǎn)化率不斷變化，其停留時(shí)間不等于空時(shí)，可由下式計(jì)算：下式計(jì)算： RVRAA

16、AAARAARAdVtvvxvF dxrdVF dxdVr0000 1 物物料料衡衡算算式式：， AAxxAAAAAAAAAAF dxdxtCrvxrx0000011對(duì)對(duì)n級(jí)反應(yīng)級(jí)反應(yīng) 0101000011111111AAnnnAAAAAAnnxxAAAAAAAnnnnAAAAAAxrkCkCxxdxxdxtCkCkCxxx 001AxAAAAAdxtCrx (4-50)000 (4-12)()AfxRAAAVdxCVr Afnx010001+1 = ()1AfxAAAAAnAAAdxxCdxrkCx (4-49)只有反應(yīng)前后分子數(shù)不變時(shí)，空時(shí)和平均停留時(shí)間才相等。只有反應(yīng)前后分子數(shù)不變時(shí)，空

17、時(shí)和平均停留時(shí)間才相等。 在在215和和5大氣壓下，均相氣相反應(yīng)大氣壓下，均相氣相反應(yīng) A3R在平推流反應(yīng)在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行。器中進(jìn)行。215時(shí)，速率式為時(shí)，速率式為（-rA）=10-2CA0.5(mol/Ls)，原料，原料氣中含有氣中含有50A和和50惰性氣體惰性氣體(CA0=0.0625mol/L)，求轉(zhuǎn)化率為，求轉(zhuǎn)化率為80時(shí)所需的空間時(shí)間。時(shí)所需的空間時(shí)間。 式中積分項(xiàng)可用圖解積分、數(shù)值積分計(jì)算，下面依次說明式中積分項(xiàng)可用圖解積分、數(shù)值積分計(jì)算，下面依次說明這些解法。這些解法。2113A 0.520.520.5AAAA0AA0A1x( r )10 C10 C1yx AfAfAfxxR

18、AAA0A00.5000A20.5AA0AA0A0.5x0.5AA0A0AVdxdxCCV( r )1x10 C1yx1x100Cdx1x 【解解】根據(jù)題所給出的已知條件有：根據(jù)題所給出的已知條件有：yA0=0.5x xA A0.00.00.20.20.40.40.60.60.80.8Y Y1.0001.0001.2771.2771.5281.5282.0002.0003.0003.000 Afx0A5 . 0AAdxx1x1面積面積5 . 0AAx1x1Y 用目測法計(jì)算面積得：用目測法計(jì)算面積得：面積面積1.700.81.3 令：令：圖解積分圖解積分 首先計(jì)算被積函數(shù)值，再作圖首先計(jì)算被積函數(shù)值，再作圖Y 3 2 1 XA 0 0.4 0.8 Af0.5x0.5AA0A0A1x100Cdx1x n