化學(xué)反應(yīng)工程__第2章_理想反應(yīng)器

1、第二章第二章 理想反應(yīng)器理想反應(yīng)器Ideal Flow Reactor第一節(jié)第一節(jié) 間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器(BR)第二節(jié)第二節(jié) 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器(PFR)第三節(jié)第三節(jié) 全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器(CSTR)2022年3月1日星期二2022年3月1日星期二反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容1）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)選擇合適的反應(yīng)器形式；）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)選擇合適的反應(yīng)器形式；2）結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器兩方面特性來(lái)確定操作方式和優(yōu)化）結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器兩方面特性來(lái)確定操作方式和優(yōu)化 的操作設(shè)計(jì)；的操作設(shè)計(jì)；3）根據(jù)給定的產(chǎn)量對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定反應(yīng)器）根據(jù)給定的產(chǎn)量對(duì)反

2、應(yīng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定反應(yīng)器 的幾何尺寸并進(jìn)行某些經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。的幾何尺寸并進(jìn)行某些經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。2022年3月1日星期二（無(wú)返混）（無(wú)返混）（返混程度最大）（返混程度最大）理想反應(yīng)器理想反應(yīng)器全混流反應(yīng)器（理想混合）全混流反應(yīng)器（理想混合） （完全混合）（完全混合） 平推流反應(yīng)器（活塞流、理想置換反應(yīng)器）平推流反應(yīng)器（活塞流、理想置換反應(yīng)器）Plug Flow Reactor(PFR)（無(wú)返混）（無(wú)返混）間歇式完全混合間歇式完全混合連續(xù)式完全混合連續(xù)式完全混合Batch Reactor(BR)Continuous Stirred Tank Reactor(CSTR)2022年3月1日星期二 返返

3、混混：不同停留時(shí)間的粒子間的混合不同停留時(shí)間的粒子間的混合 平推流平推流：反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進(jìn)行移動(dòng)，反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進(jìn)行移動(dòng)， 所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時(shí)間。所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時(shí)間。2022年3月1日星期二4 間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時(shí)間1 物料衡算第一節(jié) 間歇反應(yīng)器2 熱量衡算3 反應(yīng)容積的計(jì)算2022年3月1日星期二 間歇式完全混合反應(yīng)器間歇式完全混合反應(yīng)器2022年3月1日星期二特點(diǎn)：特點(diǎn)： 反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等，無(wú)需考慮反應(yīng)器內(nèi)的熱反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等，無(wú)需考慮反應(yīng)器內(nèi)的熱量傳遞問(wèn)題量傳遞問(wèn)題 所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間所有物料具有

4、相同的反應(yīng)時(shí)間 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量，適用于小批量， 多品種，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn)多品種，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 裝料，卸料等輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定裝料，卸料等輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定2022年3月1日星期二對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器：對(duì)于間歇釜式反應(yīng)器： 假設(shè)釜的有效反應(yīng)容積為假設(shè)釜的有效反應(yīng)容積為VR ，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)掉的，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)掉的A量量為：為： RAVr )(積累積累 dtdnA1 物料衡算物料衡算單位時(shí)間單位時(shí)間輸入的物輸入的物料料A量量 單位時(shí)間單位時(shí)

5、間輸出的物輸出的物料料A量量 單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)掉內(nèi)反應(yīng)掉的的A量量 A在反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)積累器內(nèi)積累速率速率_=dtcVdAR輸入輸入=輸出輸出=02022年3月1日星期二dtcVdVrARRAAARncVdtcVdARdtdxVnrARAA0積分得：積分得：AxARAArVdxnt00 間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程AAxn10dtdxnAA0AxAAArdxc00AAccAArdc0RAVr等溫操作等溫操作等溫操作（動(dòng)力學(xué)等溫操作（動(dòng)力學(xué)k為常數(shù)）為常數(shù)）可將速度方程直接代入操作方程直接積分求解可將速度方程直接代入操作方程直接積分求解t。例例1：一級(jí)反應(yīng)：一級(jí)

6、反應(yīng)A產(chǎn)物，單位時(shí)間需處理的物料體積為產(chǎn)物，單位時(shí)間需處理的物料體積為v，動(dòng)力學(xué)方程為：，動(dòng)力學(xué)方程為： （-rA）=kCA=kCA0(1-xA)求反應(yīng)所需時(shí)間（轉(zhuǎn)化率為求反應(yīng)所需時(shí)間（轉(zhuǎn)化率為xA）t及反應(yīng)器的有效容及反應(yīng)器的有效容積。積。)11ln1()(11ln1)1 ()(0000000txkvttvVxkxkCdxCrdxCtARxAAAAAxAAAAA2 2熱量衡算熱量衡算變溫操作（絕熱操作和變溫（非等溫非絕熱）變溫操作（絕熱操作和變溫（非等溫非絕熱）要求反應(yīng)時(shí)間，需要對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算。要求反應(yīng)時(shí)間，需要對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算。由于間歇反應(yīng)器任何瞬間都具有相同的溫度，可就整個(gè)反由

7、于間歇反應(yīng)器任何瞬間都具有相同的溫度，可就整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算：應(yīng)器進(jìn)行熱量衡算：量的累積量反應(yīng)器內(nèi)熱單位時(shí)間內(nèi)的熱量反應(yīng)所放出單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)器的熱量環(huán)境傳給反單位時(shí)間內(nèi) UA(Tm-T) (-Hr)(-rA)V dtTVCdv)( UA(Tm-T) + (-Hr)(-rA)V =dtTVCdv)(符號(hào)說(shuō)明：符號(hào)說(shuō)明：U-總括傳熱系數(shù)（總括傳熱系數(shù)（KJ/m2.h.）；）；A-傳熱面積傳熱面積(m2)； Cv、-分別為反應(yīng)流體的定容比熱和密度分別為反應(yīng)流體的定容比熱和密度(KJ/Kg.、Kg/m3)；Hr-反應(yīng)焓變反應(yīng)焓變(KJ/Kmol)； Tm-冷卻（或加熱）介質(zhì)的溫度（冷卻（或加熱）介質(zhì)

8、的溫度（K）對(duì)于恒容過(guò)程：對(duì)于恒容過(guò)程：)TT(VCUAdtdxdtdTmvA（操作方程）（操作方程）式中：式中： （物理意義：最大溫升）（物理意義：最大溫升）v0ArCC)H(對(duì)于恒容變溫操作的間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算，就是聯(lián)立設(shè)計(jì)方對(duì)于恒容變溫操作的間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算，就是聯(lián)立設(shè)計(jì)方程、操作方程及動(dòng)力學(xué)方程式求解的過(guò)程。程、操作方程及動(dòng)力學(xué)方程式求解的過(guò)程。即：即：A0AACCAAx0AA0A)r(dC)r(dxCt)TT(VCUAdtdxdtdTmvA)C(f)T(k)r(A一般采用圖解法或數(shù)一般采用圖解法或數(shù)值法求解。值法求解。特例：特例：絕熱操作（與外界的熱交換為零）：絕熱操作（與外界

9、的熱交換為零）：UA（Tm-T）=0則：則：(-Hr)(-rA)V = 即：即：初始條件：初始條件：t=0 T=T0 xA=xA0將上式積分得：將上式積分得：T=T0 + (xA-xA0) （使對(duì)使對(duì)t的積分變?yōu)閱螀⒌姆e分變?yōu)閱螀?shù)數(shù)）將上式代入動(dòng)力學(xué)方程式，再代入設(shè)計(jì)方程即可采用圖解法將上式代入動(dòng)力學(xué)方程式，再代入設(shè)計(jì)方程即可采用圖解法或數(shù)值法求解?；驍?shù)值法求解。dtTVCdv)(dtdxdtdTA2022年3月1日星期二3 反應(yīng)容積的計(jì)算反應(yīng)容積的計(jì)算00ttQVR：反應(yīng)時(shí)間：反應(yīng)時(shí)間t：輔助時(shí)間：輔助時(shí)間0t0Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積2022年3

10、月1日星期二 實(shí)際反應(yīng)器的體積實(shí)際反應(yīng)器的體積fVVR 裝填系數(shù)，裝填系數(shù)，0.4-0.85 。一般由實(shí)驗(yàn)確定，也可根據(jù)反應(yīng)。一般由實(shí)驗(yàn)確定，也可根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)不同而選擇。物料的性質(zhì)不同而選擇。 對(duì)于對(duì)于沸騰或起泡沫沸騰或起泡沫的液體物料，可取的液體物料，可取0.4-0.6 對(duì)于對(duì)于不起泡或不沸騰不起泡或不沸騰的液體，可取的液體，可取0.7-0.85:f2022年3月1日星期二例題例題2- 1用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生 產(chǎn)乙酸乙酯產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為：，其化學(xué)反應(yīng)式為：OHHCCOOHCH523原料中反應(yīng)組分

11、的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35, 反應(yīng)液的反應(yīng)液的密度為密度為1020kg/m3, 并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變，每批裝并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變，每批裝料，卸料及清洗等輔助操作時(shí)間為料，卸料及清洗等輔助操作時(shí)間為1h，反應(yīng)在，反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下：下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下：KcccckrSRBAA1OHHCOOCCH252312kk2022年3月1日星期二100時(shí)時(shí)： min/1076. 441mollk平衡常數(shù)平衡常數(shù)K=2.92，試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化，試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35%時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)所需的反應(yīng)體積，根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)為體積，

12、根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)為0.75，則反應(yīng)器的實(shí)際體積是多少？，則反應(yīng)器的實(shí)際體積是多少？2022年3月1日星期二分析：分析：fVVR求求RV求求V00ttQVR0t已知已知求求0Q和和t0Qt設(shè)計(jì)方程設(shè)計(jì)方程已知已知2022年3月1日星期二解：解： 首先計(jì)算原料處理量首先計(jì)算原料處理量 0Q每小時(shí)的乙酸用量為：每小時(shí)的乙酸用量為：ARxM2412000由于原料液中由于原料液中A:B:S=1:2:1.35kg35. 435. 121原料液中含原料液中含1kg乙酸乙酸原料液量為：原料液量為：102035. 46023.16hm /155. 4335. 0248812000hkmol/

13、23.162022年3月1日星期二原料液的起始組成：原料液的起始組成：155. 423.160Ac46260908. 30Bc1835. 160908. 30Sc由由AxAAArdxct00求反應(yīng)時(shí)間求反應(yīng)時(shí)間lmol /908. 3lmol /2 .10lmol /59.172022年3月1日星期二AARxcc0 AASSxccc00AAAxcc10 AABBxccc00先將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)：先將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)：代入速率方程，整理后得：代入速率方程，整理后得：2021AAAccbxaxkr式中：式中：00ABccc 908. 32 .1061. 22022年

14、3月1日星期二AxAAAAcbxaxdxckt02011KccccbAsAB00001Ka1192. 2908. 359.17908. 32 .10192. 21115. 5acbbaxacbbaxacbckAAA4242ln41222016575. 02022年3月1日星期二61. 2235. 0434. 415. 562. 2235. 0434. 415. 5ln434. 4908. 31076. 414t所需的反應(yīng)體積為：所需的反應(yīng)體積為：00ttQVR反應(yīng)器的實(shí)際體積為：反應(yīng)器的實(shí)際體積為： 75. 038.12Vmin8 .1181608 .118155. 4338.12m351.1

15、6macb426575. 061. 2415. 52434. 4例題例題 2-2：工廠采用間歇反應(yīng)器以硫酸為催化劑使已二酸與已二工廠采用間歇反應(yīng)器以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在醇以等摩爾比在70下進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，下進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速率方程式為：實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速率方程式為： （-rA）=kCACB式中：式中：（-rA）-以已二酸組分計(jì)的反應(yīng)速率，以已二酸組分計(jì)的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1 k-反應(yīng)速率常數(shù)，反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.

16、L-1 CA0、CB0均為均為0.004 kmol.L-1求：求：已二酸的轉(zhuǎn)化率分別為已二酸的轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5、0.6、0.8所需的反應(yīng)所需的反應(yīng)時(shí)間分別為多少？時(shí)間分別為多少？若每天處理已二酸若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為，轉(zhuǎn)化率為80%，每批操，每批操作的輔助時(shí)間為作的輔助時(shí)間為1小時(shí)，試計(jì)算確定反應(yīng)器的體積大小時(shí)，試計(jì)算確定反應(yīng)器的體積大小，裝填系數(shù)小，裝填系數(shù)=0.75，單釜生產(chǎn)。，單釜生產(chǎn)。解：解：求達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間：求達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間：計(jì)量方程式中，計(jì)量方程式中， A、B的初始濃度相同，則反應(yīng)的初始濃度相同，則反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可寫為：動(dòng)力學(xué)方程可寫為：

17、 由于反應(yīng)為液相等溫過(guò)程，故可按恒容處理，可將已知由于反應(yīng)為液相等溫過(guò)程，故可按恒容處理，可將已知數(shù)據(jù)代入設(shè)計(jì)方程求解：數(shù)據(jù)代入設(shè)計(jì)方程求解：1BA2AAkC)r(AA0Ax1xkC1t 計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果 xA=0.5 t=2.10h xA=0.6 t=3.18h xA=0.8 t=8.47h反應(yīng)器體積的計(jì)算反應(yīng)器體積的計(jì)算VR=v(t+t0) FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/hv=0.685/0.004=171L/h生產(chǎn)周期生產(chǎn)周期=反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間+輔助時(shí)間輔助時(shí)間=t + t0 =8.47+1=9.47h反應(yīng)有效體積：反應(yīng)有效體積： VR=v(t+t0)=171*

18、9.47=1619L考慮裝填系數(shù)，則反應(yīng)器的實(shí)際體積：考慮裝填系數(shù)，則反應(yīng)器的實(shí)際體積： V=VR /=1619/0.75=2160L=2.16m300AACFv 練習(xí)題練習(xí)題 試計(jì)算轉(zhuǎn)化率達(dá)到試計(jì)算轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%時(shí)，所需間歇反應(yīng)器的有效容積是時(shí)，所需間歇反應(yīng)器的有效容積是多少多少?例題例題2-3 在間歇反應(yīng)釜中進(jìn)行下列液相一級(jí)不可逆反應(yīng)：在間歇反應(yīng)釜中進(jìn)行下列液相一級(jí)不可逆反應(yīng)：AB，其，其反應(yīng)速率方程為反應(yīng)速率方程為（-rA）=kCA，反應(yīng)初始溫度為，反應(yīng)初始溫度為163, 求絕求絕熱操作下，日產(chǎn)熱操作下，日產(chǎn)150kg（B）所需反應(yīng)器的體積。已知數(shù)據(jù)）所需反應(yīng)器的體積。已知數(shù)據(jù)如下：如

19、下：163下下, k=0.8h-1，反應(yīng)的活化能，反應(yīng)的活化能E=121.25kJ/mol，反應(yīng)熱：反應(yīng)熱：Hr=-347.5kJ/kg，A與與B的定容比熱均為的定容比熱均為2.093J/kg.K，A與與B的密度均為的密度均為900kg/m3，A的最終轉(zhuǎn)化率的最終轉(zhuǎn)化率xAf=0.97，非生產(chǎn)性操作時(shí)間為，非生產(chǎn)性操作時(shí)間為1h。解：解：絕熱操作時(shí)有絕熱操作時(shí)有:T=T0+(xA-xA0)xA0=0所以，所以，T=T0+xA= T0+ = = (273+163) -Av0ArxcCHAv0Ar0 xcCHTRvAR0AVcxVC5 .347T= 436+166xAT= 436+166xA （操

20、作方程）（操作方程） （1） （設(shè)計(jì)方程）（設(shè)計(jì)方程） （2）-rA=kCA0(1-xA) （動(dòng)力學(xué)方程）（動(dòng)力學(xué)方程） （3）式中式中k是溫度的函數(shù)，與溫度的關(guān)系式可用下式表示：是溫度的函數(shù)，與溫度的關(guān)系式可用下式表示：Afx0AA0A)r(dxCt RTEkkaexp0（4）聯(lián)立（聯(lián)立（1）-（4）式可得反應(yīng)時(shí)間）式可得反應(yīng)時(shí)間t。求解過(guò)程：求解過(guò)程：用式（用式（1）給定）給定xA后求后求T，用參數(shù)計(jì)算式求，用參數(shù)計(jì)算式求k，然后將（，然后將（2）（3）式聯(lián)立即得：）式聯(lián)立即得： 其中：其中：利用數(shù)值法求解（梯形公式）：利用數(shù)值法求解（梯形公式）：列表作圖：列表作圖：AfAfx0Ax0AA

21、dxZ)x1(kdxt)x1(k1ZAxA00.10.2.xAfTT1T2T3Tnkk1k2k3knZ=)r(1AZ1Z2Z3.Znn1iA1n32n1Af1iinxZZZ2ZZx2ZZtlim t =0.12hVR=v(t+t0)=L8 . 7) 112. 0(900241502022年3月1日星期二4 4 間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時(shí)間間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時(shí)間ttt0總0t一定一定最優(yōu)t目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)增大增大減小減小tArRr減小減小2022年3月1日星期二以單位時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標(biāo)以單位時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標(biāo)反應(yīng)反應(yīng) RA，反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物R R的濃度為的濃度為 ，單位時(shí)間單位時(shí)間Rc的產(chǎn)品產(chǎn)

22、量為：的產(chǎn)品產(chǎn)量為：hmolttVcyRRR/0200ttcdtdcttVdtdyRRRR02022年3月1日星期二 0ttcdtdcRR單位時(shí)間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件單位時(shí)間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件 00RRcttdtdc2022年3月1日星期二圖解法圖解法McRt0tAt02022年3月1日星期二2.2.以生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)以生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)RRRFTMCVataatA000a：輔助操作費(fèi)用輔助操作費(fèi)用a：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作費(fèi)用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作費(fèi)用Fa：固定費(fèi)用固定費(fèi)用TA：?jiǎn)挝毁|(zhì)量產(chǎn)品的總費(fèi)用：?jiǎn)挝毁|(zhì)量產(chǎn)品的總費(fèi)用2022年3月1日星期二dtdATaatatcdtdcFRR

23、00生產(chǎn)費(fèi)用最小所必須滿足的條件生產(chǎn)費(fèi)用最小所必須滿足的條件2001RRFRRRcdtdcataatacVM02022年3月1日星期二用圖解法求解用圖解法求解NBaataF00cRt0t2022年3月1日星期二第二節(jié)第二節(jié) 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器(PFR)平推流反應(yīng)器的特征：平推流反應(yīng)器的特征： 在與流動(dòng)方向是垂直的截面上沒(méi)有流速分在與流動(dòng)方向是垂直的截面上沒(méi)有流速分布，即徑向混合均勻布，即徑向混合均勻在流體流動(dòng)的方向不存在流體質(zhì)點(diǎn)間的混在流體流動(dòng)的方向不存在流體質(zhì)點(diǎn)間的混合，即軸向不返混合，即軸向不返混2022年3月1日星期二ludltt0對(duì)于恒容反應(yīng)：對(duì)于恒容反應(yīng)：0vvttR平均停留時(shí)

24、間反應(yīng)時(shí)間和空時(shí)是一致的平均停留時(shí)間反應(yīng)時(shí)間和空時(shí)是一致的Rvvdv02022年3月1日星期二1 1 物料衡算物料衡算- -設(shè)計(jì)方稱設(shè)計(jì)方稱輸入：輸入： lAlAvcF 輸出：輸出： llAF積累積累=0=0A A的反應(yīng)量：的反應(yīng)量：vrA0llll0AF0vAFAAdFF 2022年3月1日星期二0vrFFAllAlAvrFFAlAllAdvrdFAAAAAxFF10dvrdxFAAA0分離變量積分分離變量積分 :RvAFdv0000ARcvv0ARFv0AcAxAArdx02022年3月1日星期二即：AxAAArdxc00平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程對(duì)于恒容過(guò)程有：對(duì)于恒容

25、過(guò)程有：01AAAccx0AAAcdcdx代入設(shè)計(jì)方程：代入設(shè)計(jì)方程：00AARcFvAxAArdx0AAccAAArdcc0012022年3月1日星期二或： tAxAAArdxc00AAccAArdc0 可見(jiàn)，恒容時(shí)平推流反應(yīng)器與分批式完全混合可見(jiàn)，恒容時(shí)平推流反應(yīng)器與分批式完全混合反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程一致反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程一致2022年3月1日星期二2 2 熱量衡算熱量衡算操作方程操作方程輸入輸入lipiiTcF輸出輸出lTTUATcFmllipiidVdl注：注：A為周長(zhǎng)為周長(zhǎng)2022年3月1日星期二積累積累0反應(yīng)放熱反應(yīng)放熱vHrrA0VHrlTTUATcFTcFrAmllipiilipii

26、dldVHrTTUAdlTCFdrAmipii)()()(兩邊除兩邊除l，求極限求極限取平均摩爾熱容取平均摩爾熱容2022年3月1日星期二dldVHrTTUAdldTCFrAmipii)()(若反應(yīng)器為直徑為若反應(yīng)器為直徑為D的圓柱形的圓柱形DAdlDdV24DTTUHrdldTDCFmrAipii)(4)(422022年3月1日星期二dVHrdTcFrApiii對(duì)于絕熱過(guò)程對(duì)于絕熱過(guò)程由設(shè)計(jì)方程得由設(shè)計(jì)方程得AAAdxFdVr0即：即：AAripiidxFHdTcF0)( 若以平均組成下的熱容表示若以平均組成下的熱容表示FcFccFpmiipmpiii注：注：P86 絕熱溫升或絕熱溫升或絕熱

27、溫降絕熱溫降2022年3月1日星期二AArpmdxFHFdTc0)( AApmrdxFFcHdT0)( 若為等分子反應(yīng)若為等分子反應(yīng)0A時(shí)，0FF ApmArdxcFFHdT00000AApmArxxcyHTTApmArdxcyH0552A1AAA0A0RdxxrxcVV222AAA0A02A20AA0A0R111dxxkcxkcxcVVx 例題例題2-4 2-4 條件同例題條件同例題2-22-2，計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別，計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別為為8080、9090時(shí)所需平推流反應(yīng)器的大小時(shí)所需平推流反應(yīng)器的大小。 解：對(duì)解：對(duì)PFRPFR33Rm45. 16018 . 018 . 041097. 1171.

28、 0V3Rm26. 3V56代入數(shù)據(jù)代入數(shù)據(jù)x xA A=0.8=0.8時(shí)：時(shí)：x xA A=0.9=0.9時(shí)：時(shí)：3 3 變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程 活塞流反應(yīng)器是一種活塞流反應(yīng)器是一種連續(xù)流動(dòng)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)反應(yīng)器，可以用于器，可以用于液相反應(yīng)液相反應(yīng)，也可以用于，也可以用于氣氣相反應(yīng)相反應(yīng)。用于。用于氣相反應(yīng)氣相反應(yīng)時(shí)，有些反應(yīng)，時(shí)，有些反應(yīng)，反應(yīng)前后摩爾數(shù)不同反應(yīng)前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)，在系統(tǒng)壓力壓力不變不變的情況下，反應(yīng)會(huì)引起系統(tǒng)的情況下，反應(yīng)會(huì)引起系統(tǒng)物流體積發(fā)物流體積發(fā)生變化生變化。物流體積的改變必然帶來(lái)。物流體積的改變必然帶來(lái)反應(yīng)反應(yīng)物濃度物濃度的變化，從而引起的變化，從而引起反應(yīng)速

29、率反應(yīng)速率的變的變化。化。574 膨脹因子和膨脹率膨脹因子和膨脹率（Expanded Factor and Expanded Ratio) 膨脹因子和膨脹率的作用：為了膨脹因子和膨脹率的作用：為了表征表征由由于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來(lái)的于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來(lái)的影響。影響。58膨脹因子膨脹因子59SRBAsrba0SRBAISRBAI反應(yīng)式：反應(yīng)式：計(jì)量方程：計(jì)量方程：AIA60定義膨脹因子：定義膨脹因子： 即關(guān)鍵組份即關(guān)鍵組份A A的膨脹因子等于反應(yīng)計(jì)量的膨脹因子等于反應(yīng)計(jì)量系數(shù)的系數(shù)的代數(shù)和代數(shù)和除以除以A A組分計(jì)量系數(shù)。組分計(jì)量系數(shù)。 膨脹因子是由膨脹因子是由反應(yīng)式反應(yīng)式

30、決定的，一旦反應(yīng)式確決定的，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是一個(gè)定，膨脹因子就是一個(gè)定值定值，與其它因素?zé)o，與其它因素?zé)o關(guān)。關(guān)。6102312C3BA2A膨脹因子的物理意義膨脹因子的物理意義關(guān)鍵組分關(guān)鍵組分A A消耗消耗1mol1mol時(shí)，引起反應(yīng)物系摩爾時(shí)，引起反應(yīng)物系摩爾數(shù)的變化量。對(duì)于恒壓的氣相反應(yīng)，摩爾數(shù)數(shù)的變化量。對(duì)于恒壓的氣相反應(yīng)，摩爾數(shù)的變化導(dǎo)致反應(yīng)體積變化。的變化導(dǎo)致反應(yīng)體積變化。A A=0=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變反應(yīng)體積不變。62A A00是摩爾數(shù)增加的反應(yīng)，是摩爾數(shù)增加的反應(yīng)，反應(yīng)體積增加反應(yīng)體積增加。A A00是摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，是摩爾數(shù)減少的

31、反應(yīng)，反應(yīng)體積減反應(yīng)體積減小小。膨脹率膨脹率63 物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)，而且與其它因素，如惰性因子的函數(shù)，而且與其它因素，如惰性物的存在等有關(guān)，因此引入第二個(gè)參數(shù)物的存在等有關(guān)，因此引入第二個(gè)參數(shù)膨脹率。膨脹率。001AAAAxxxVVV64膨脹率的概念：膨脹率的概念： 即即A組分的膨脹率等于物系中組分的膨脹率等于物系中A組分完全轉(zhuǎn)組分完全轉(zhuǎn)化化所引起的所引起的體積變化體積變化除以物系的除以物系的初始體積初始體積。膨脹因子與膨脹率的關(guān)系膨脹因子與膨脹率的關(guān)系可以推導(dǎo)出：可以推導(dǎo)出：65AA0Ay000nnyAA其中：其中：5 5變?nèi)葸^(guò)程

32、轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系變?nèi)葸^(guò)程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系66 恒壓變?nèi)莺銐鹤內(nèi)蒹w系中各組分濃度、摩爾分率體系中各組分濃度、摩爾分率可以由以下推導(dǎo)得到?？梢杂梢韵峦茖?dǎo)得到。AAA0AAII0AA0A0AAI0III11xxccxVxnnVncAAA0AA11xxcc67對(duì)于對(duì)于A組分組分： 例題例題2-5 2-5 均相均相氣相氣相反應(yīng)反應(yīng)A3RA3R，其動(dòng)力學(xué)方程為，其動(dòng)力學(xué)方程為- -r rA A= =k kc cA A，該過(guò)程在，該過(guò)程在185185，400kPa400kPa下在一平推下在一平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，其中流反應(yīng)器中進(jìn)行，其中k k=10=10-2-2s s-1-1，進(jìn)料量，進(jìn)料量F FA0A0

33、=30kmol/h=30kmol/h，原料含，原料含5050惰性氣，為使反應(yīng)惰性氣，為使反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達(dá)器出口轉(zhuǎn)化率達(dá)8080，該反應(yīng)器體積應(yīng)為多大，該反應(yīng)器體積應(yīng)為多大? ?68692113A解：該反應(yīng)為解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)氣相反應(yīng)A3RA3R 已知已知y yA0A0=0.5=0.5，因此，因此A A=y=yA0A0A A=1=1 平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程A0AA0Adxrxc8 . 00AA0A0AA0AddAkcxcrxcx8 . 00AAA8 . 00AAA0AA0Ad1110011dxxxxxkcxc707130R1313008 . 00AAm4 .381587.

34、08 .241sm1587. 0hm2 .57140018515.273314. 85 . 0/30s8 .2411ln2100VVpRTFVxx 例例2-62-6在一個(gè)在一個(gè)平推流平推流反應(yīng)器中，由反應(yīng)器中，由純乙烷純乙烷進(jìn)料裂解制乙烯。年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為進(jìn)料裂解制乙烯。年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1414萬(wàn)噸乙烯。反應(yīng)是萬(wàn)噸乙烯。反應(yīng)是不可逆的一級(jí)反應(yīng)不可逆的一級(jí)反應(yīng)，要求乙烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到要求乙烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到8080，反應(yīng)器在，反應(yīng)器在1100K1100K等溫，恒壓等溫，恒壓600kPa600kPa下操作，已知反下操作，已知反應(yīng)活化能為應(yīng)活化能為347.3kJmol347.3kJmol-1-1 ，溫度，溫度

35、1000K1000K時(shí)，時(shí)，k k=0.0725 s=0.0725 s-1-1 。設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工業(yè)規(guī)模的管工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器式反應(yīng)器。72反應(yīng)器反應(yīng)器流出流出的乙烯的摩爾流率是：的乙烯的摩爾流率是：73CBAHHCHC24262解：設(shè)解：設(shè)A為乙烷，為乙烷，B為乙烯，為乙烯，C為氫氣為氫氣1111117Bskmol175. 0kmolkg28hs3600dh24ad330akg1014F1ABA0skmol219. 08 . 0175. 0 xFF74進(jìn)料進(jìn)料乙烷的摩爾流率是：乙烷的摩爾流率是：7511000110010001100314. 8103 .347K1100100011001000

36、11001000011000K1000K11000s23. 3e0725. 0eeee3kkkkkkkRERERERTE計(jì)算計(jì)算1100K時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)：時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)：7611111A111AA0Ay膨脹因子：膨脹因子：膨脹率：膨脹率：進(jìn)口體積流量：進(jìn)口體積流量：1333000A0sm34. 3106001100314. 810219. 0pRTFVA0AA0A0RdxrxcVV77 平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程8 . 00AAAA0A000AA0A0R11ddAxxkcxcVkcxcVVAx8 . 00AAA8 . 00AAA0d1123. 334. 311dxxxxxkxV7

37、838 . 00AARm50. 21ln203. 1xxV6 6 流體在平推流反應(yīng)器中的真實(shí)停流體在平推流反應(yīng)器中的真實(shí)停留時(shí)間留時(shí)間 由平推流反應(yīng)器的定義可知，流由平推流反應(yīng)器的定義可知，流體在反應(yīng)器內(nèi)不存在任何返混，所體在反應(yīng)器內(nèi)不存在任何返混，所有流體微元的真實(shí)停留時(shí)間都有流體微元的真實(shí)停留時(shí)間都等于等于平均停留時(shí)間。平均停留時(shí)間。79 如果反應(yīng)物系體積縮小，停留時(shí)間將如果反應(yīng)物系體積縮小，停留時(shí)間將大于空間時(shí)間。大于空間時(shí)間。80 恒壓變?nèi)莘磻?yīng)恒壓變?nèi)莘磻?yīng)，由于反應(yīng)物系體，由于反應(yīng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實(shí)停留時(shí)積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實(shí)停留時(shí)間與空間時(shí)間間與空間時(shí)間不同。不同。 如

38、果反應(yīng)物系體積如果反應(yīng)物系體積膨脹膨脹，流體流速將，流體流速將逐漸加快，停留時(shí)間將逐漸加快，停留時(shí)間將小于小于空間時(shí)間；空間時(shí)間；81AAR0AAAAA00AA0AA00R1d1ddxxAVxrxcxVrxFVVtR0RdVVVtRAAAdVrdxF0n恒容條件下，恒容條件下，A=0，上式還原為：，上式還原為：A0AA0Adxrxc82第三節(jié)第三節(jié) 全混流反應(yīng)器（全混流反應(yīng)器（CSTR)CSTR)n全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動(dòng)充全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動(dòng)充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器，簡(jiǎn)稱分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器，簡(jiǎn)稱CSTRCSTR。流入反。流入反應(yīng)器的物料，在應(yīng)器的物料，在瞬間瞬間與反應(yīng)器內(nèi)的物料與

39、反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，即在反應(yīng)器中各處物料的溫混合均勻，即在反應(yīng)器中各處物料的溫度、濃度都是相同的。度、濃度都是相同的。83841 1 全混流反應(yīng)器特性全混流反應(yīng)器特性 連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，是一連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，是一定態(tài)過(guò)程定態(tài)過(guò)程。85 物料在反應(yīng)器內(nèi)物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混充分返混； 反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一； 反應(yīng)器的反應(yīng)器的出口出口組成與器內(nèi)物料組成相同；組成與器內(nèi)物料組成相同；2022年3月1日星期二2 2 、反應(yīng)器中其他時(shí)間表示方法、反應(yīng)器中其他時(shí)間表示方法 反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器后，從實(shí)際發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)物料進(jìn)入反應(yīng)器后，從實(shí)際發(fā)生反應(yīng)的 時(shí)刻起到反應(yīng)達(dá)某一程度的時(shí)

40、間。時(shí)刻起到反應(yīng)達(dá)某一程度的時(shí)間。指反應(yīng)物粒子從進(jìn)入到離開反應(yīng)器的時(shí)間指反應(yīng)物粒子從進(jìn)入到離開反應(yīng)器的時(shí)間對(duì)于對(duì)于間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器和和平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器，反應(yīng)時(shí)間和停留時(shí)間相同反應(yīng)時(shí)間和停留時(shí)間相同對(duì)于對(duì)于全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器，由于可能有短路，死區(qū)和循環(huán)流，物料，由于可能有短路，死區(qū)和循環(huán)流，物料在器內(nèi)停留時(shí)間不同，具有停留時(shí)間的分布，此時(shí)常用平均在器內(nèi)停留時(shí)間不同，具有停留時(shí)間的分布，此時(shí)常用平均停留時(shí)間來(lái)表征。停留時(shí)間來(lái)表征。1）反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間：2）停留時(shí)間）停留時(shí)間：2022年3月1日星期二反應(yīng)器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速反應(yīng)器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速之比。之比。 vVtR3）平均停留時(shí)間與）平均停留時(shí)間與空時(shí)空時(shí)t和和含義不同含義不同:非恒容過(guò)程，非恒容過(guò)程，兩者不同。兩者不同。平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間：0vv 恒容過(guò)程恒容過(guò)程兩者是一致的兩者是一致的3 3