反应工程 第3章 均相反应过程.pdf
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1、攻宗工程 第三章的相反应逑程第3章均相反应过程徐 A攻宗工程 第三章的相反应逑程第3章均相反应过程反应器开发的任务:(D选择合适的反应器;(2)确定操作方式的优化设计;(3)确定反应器尺寸和进行经济评价。反应器的特性:流动状态 混合状态传热特性这些特性因反应器的几何结构及 几何尺寸而异2019/8/18-年 A改成X 第三章的相双应过程3.1概述1,间歇反应器物料一次性加入,反应一定时间后把产物一次性取出,反应是分 批进行的。物料在反应器内的温度和浓度是均一的。温度与温度 都是均一的处处相等。2019/8/18徐 A攻怠工卷 第三章的和双应过程2 万地加入反应器,又不断地离开反应器。物料在反应
2、器内的流动过程不同。有的物料正常的通过反 应器,有的物料进入反应器的死角,有的物料短路(即近 路)通过反应器,有的物料在反应器内回流。停留时间不 同的流体颗粒之间的混合,称为“返混”将导致反应效率 的降低。在流动反应器中物料的流动过程不相同,造成物料浓度 不均匀,经历的反应时间不相同,直接影响反应结果。我们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。2019/8/18年 A平推流反应器:其特点是反应器无返混工程 第三章构和反位过程平推流反应器全混流反应器:其特点返混无穷大全混流反应器2019/8/18徐 A流动模型分类如下:r理想流动模型 流动模型i非理想流动模型r平推流模型1全混流模型流动模
3、型是专指流动反应器而言的。对于流动反应器,必须考虑物料在反应器内的流动状况。2019/8/18年 A攻述 程平推流反应器(活塞流或理想排挤流等)平推流反应器 是指其中物料的流动状况满足平推流的假定。平均停留 时间相等,无返混。也即某一时刻进入反应器的流体,到某一时刻同时流出反应器。全混流反应器(也称完全混合流或理想混合流)全混流 反应器,是指反应器中的流动状况满足全混流的假定的 反应器。返混无穷大的含义,指新鲜的物料,进入反应 器,即于反应器内原有的物料达到充分完全的混合,意 味着反应器中的温度和浓度处处相等。出口的温度、浓 度同反应器内。温度和浓度不随时间变化,反应速率处 处相等并保持恒定。
4、2019/8/18攻宗工程 第三章的相反应逑程平推流和全混流都是理想的连续流动反应器。实际反应器中 的流动状况,介于这两种理想流动之间。之所以研究理想反 应器是为把问题简化,把接近于理想流动的过程当作该种理 想流动来处理。平均停留时间:进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短,形成一个时间分布,称为停时间分布,常用平均停留时间来描述。V 反应器容积v反应器中物料的用219/88 2攻宗工程 第三章的相反应逑程空时:进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间T o反应器容积V:进料的体积流周空速:在规定条件下,单位时间内进入反应器的物料体积 相当于几个反应器的容积,或单位时间内通过单位
5、反应器 容积的物料体积。牛=叁 v 丁令 2019/8/18改成X 第三章的相双应过程年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间;是对仍留在反 应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间;是对已经离开 反应器的物料质点而言的。返混又称逆向返混,不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合2019/8/18in年 A攻怠工卷 第三章的和双位过程3.2简单反应器理想反应器的分类理想反应器 理想间歇式反应器 简称间歇式反应器理想平推流反应器 简称平推流反应器理想全混流反应器 简称全混流反应器2019/8/181、间歇式反应器怎间歇式反应器中的物料平衡:反应单元反应消耗
6、流出4-累积徐 A2019/8/18191、间歇式反应器间歇反应器的性能方程首先进行物料平衡单位时间 进入反应 器A的量单位时间流出反应器A的量单位时间反应消失的A的量单位时间反应器A的累积量2019/8/18攻宗工程 第三章的相反应逑程单位时间反应消失的A的量=(-rA)Y物料平衡:流入=流出+反应+累积0=0+(么)V+d(VcA)/dt2019/8/18也可以这样写反应工程 第三章均相反应过程AO若反应为恒容玖f)d不88/17/2019(对于恒容反应)QdXA反应工程 第三章均相反应过程(一般式)(恒容)从而得出反应时间和转化率关系的理想反应的间歇式 反应器性能方程/()8/17/20
7、19攻宗工程 第三章的相反应逑程例题:计算反应时间一级不可逆反应在一间歇式反应器中进行,求在50 反应转化率达70%所需的时间。已知:rA=kq=左/(krndtni 玲k=9.5*1 Ge448弋万iq4G=2.3fdmdlnl珍=02019/8/1817改成X 第三章的相双应过程据已知条件分析:1 一级不可逆反应就可写出速率方程;2 间歇式反应器,50反应转化率达70%指由070%需 要的时间,可应用间歇式反应器性能方程;3 由AfR可知是等摩尔反应,无论是否液相反应都是恒容的;4 据k的值,可推知活化能E和指前因子5 反应温度50今转换为绝对温度2019/8/18 j 年 A改成X 第三
8、章的相双应过程解:50的反应速率常数k=9.52l0e7448-4/(273-15+5O)反应时间=0.92)1Ink07)=1.31(h)2019/8/18攻怠工福 第三章的和双应过程计算结果权为反应时间间歇式反应器的操作周期中还包括非反应时间,反应前的升温(或降温)、反应器的清洗等非反应过程间歇式反应器的特点:1 结构简单;2 操作灵活;3 适合小品种、多批次生产;4 非反应时间的延长,使得生产效率低;5 难于控制每批生产的条件,故质量不稳定。2019/8/18 _9n年 A攻成工第三章构相反位过程2、平推流反应器%,Co,R月03.2简单反应器PAXAFA+CFA CA,修+-V,F a
9、dV dl单位时间划 定体积微元 反应掉的A 的摩尔数琦=7)d、912019/8/18FAO进入反应器反应物A的摩尔流率FA单位时间流出反应器的A的摩尔流率CAO进口浓度染出口浓度为反应器入口的体积流率2019/8/18攻成工第三章均相反应过式中:4 0对于恒容反应A指为。=0时的值平推流反应器的设计方程V=p=%产dqL)2019/8/18A例题:计算平推流反应器中的反应时间 一级不可逆反应在一平推流反应器中进行,求在50 反应转化率达70%所需的空时。若=10种/7,求反应 器体积匕已知:A-RrA=kA=kqD(Jx)kmdlrii 万 k=9.521(3e 7448,/T1=2.3R
10、mdlnl5cp尸42019/8/18与间歇式反应器相同据已知条件分析:1 一级不可逆反应就可写出速率方程;2 平推流反应器,50反应转化率达70%指由070%需 要的时间,可应用平推流反应器性能方程;3 由A今R可知是等摩尔反应,无论是否液相反应都是恒容的;4 据k的值,可推知活化能E和指前因子5 反应温度50今转换为绝对温度徐 A2019/8/1897解:50的反应速率常数上=9.3正0/4当之空玷正=O.9X反应空时和反应器体积(口人)p工H t看)T=1n(4)_ In(40.7)_ 以 k 0.92-,V=l O-根据实际的需要,有时因单个平推流反应器的管径太粗加工 运输不便等实际情
11、况,要用到平推流反应器的串并联。但应 满足:石_|=此时总的反应器的效率最高。2、具有相同或不同体积的N个全混釜的串联图38多釜串联操作示意图一级不可逆反应在N个串联的等体积全混流反应器中进行反应注意:全混流反应器中,一旦原料进入反应器,处处温度浓 度都是恒定的,出口的浓度与反应器中一致,但入口的浓度 则是CAO.A01=vCA2=A2=XA3XA4对于每个反应器,都可根据全混流反应器的设计方程,写出 浓度、空时的关系式2019/8/18A2、具有相同或不同体积的N个全混釜的串联A一级不可逆反应在N个串联的等体积全混流反应器中进 行反应两个不同体积的全混流反应器的串联A未知反应在串联的全混流反
12、应器中进行反应的图解法对于一级不可逆恒容反应,速率方程为根据全混流反应器的设计方程变形得 幺二1i+kz2019/8/18n对于单个反应器:第1个反应器:第2个反应器:t _ C A 0 Al t _ C Al C A 2Al 卜 A2I Al _ ,A2 _ go 如+I c A k+I将N个反应器串联每个反应器的体积都是V、每个反应器的空 时都是r攻宗工程 第三章的相反应逑程1:2:N:圆。1+kt0A2=1cA1 1+kzCAN=1CNI 1+kz-9-=-k绛%1+fe若想求最终出口浓度CAN与第一个反应器入口浓度的关系,令N个关系式左右相乘得:CAN1或Go 1+立)%CAN=(卜5
13、2019/8/18改成X 第三章的相双应过程AN(1+52019/8/18攻宗工程 第三章的相反应逑程%v=4o(l%)导=1一%.1/=%CA0CA01 1+后 1这样就得到了转化率、反应器开始和最终的浓度、反应器 的个数及单个反应器的空时的关系。2019/8/18改成X 第三章的相双应过程设N个全混流反应器的总空时为:T,则I根据平推流反应器的设计方程,对一级不可逆反应有5n2019/8/18攻成工福 第三章的相反应过程N个全混流反应器串联,当N越大,反应器总体接近平推流2019/8/18攻成工第三章均相反应过(l-xA)=ekTt n ln(l-xA)=-krtCA0而平推流反应器:T
14、0dxArA以 dxA0左的(1一显见无限多个全混流反应器串联与平推流反应器一致2019/8/18述 程而根据平推流反应器的设计方程TA 二J。dxACA0 f%a dx一%dxA圆。J。of)N个全混流反应器串联N越大越接近平推流反应器,或者说 平推流反应器可看做是无限多个全混流反应器串联的结果。2019/8/18根据全混流反应器的设计方程对于恒容反应注意:第二个反应器计算仍用第一个反应器入口的体积 流率卜0,是指反应开始时的流率。因为公式推导时设定 的就是转化率为。时的量。542019/8/18两个不同体积的全混釜串联,CA1为多少时,体积的和、空时的和最小,总空时为C的函数。将空时的和对
15、CA1求导,令dr/dcM=0,解出J九再分别代入上式,求出总空时。解得明、。和 七、T2 从而求出得V、T2019/8/1855n例:一级不可逆恒容反应在两个串联的全混流反应器中 进行,最终出口的转化率为90%。若使总空时最小,第一个反 应器出口的转化率应为多少?两个反应器的空时各为多少?解:总空时-1-21 _-W.3殊-=O2019/8/1856也即当M7=O.376C4O时,反应器的总空时最小。得第一 个反应器的转化率为:、。CB,-N3D反应器的总空时为A+%2019/8/1857ngy Q.金s.可见,本例中当两个反应器的大小相等时,总空时最小。但多数情况下,两个反应器的大小是不一
16、样的。实际上,采用两个大小不等的反应器串联,使反应器总体 积最小,在经济上并没多大优势。图示:AOVO68.4%90%2019/8/18程对给定了处理量和转化率要需选釜数和釜容积时,避免求解的试差。Yr是c的函数:CA2 g C/由得到以空时负倒数为斜率的 直线,与X轴的交点为入口 的浓度。图3-9多釜串联操作的图解计算2019/8/1860n得到以空时负倒数为斜率的直线,与X轴的交点为入口的浓度。作图直到所要求的出口浓度为 止,有n个阶梯,即代表所需 的釜数。斜率不同表示釜的大 小不同。图解计算只适用于反应速率最 后能以单一组分的浓度来表达 的简单反应。-c3、不同型式反应器的串联I A 0
17、1 A 0C A 0T口卜在全混混流反应器后连接两个平推流反 应器,然后再接另一个全混流反应器2019/8/1862年 AA!其相互关系以图解型式表示在图3-10中。该图可供推算系统的总转化 率、中间阶段的转化率或已经定出 各段的转化率,可利用此图求得各 个反应器的体积大小。全混流反应 器中,反应速率的倒数对转化率作 图,矩形的面积代表全混流反应器 是7/Jo,而平推流反应器中,曲线 下的面积对应的也是2019/8/1864徐 AA混、平的串联平、混串联对于全混流反应器与平推流反应器串联的顺序,会影响总 体反应器的大小。若总体反应器大小一定,则平推流与全 混流反应器的前后顺序会影响转化率。例:
18、有两个有效容积均为/=7L的平推流和全混流反应器,反应器内进行的是二级不可逆液相反应。已知反应的速率方 程,初始转化率为0,A的初始浓度,反应器入口原料的体积 流率。反已知:7)*cA0=mol I L v0=1/mm试通过计算比较平推流与全混流反应器的顺序最终对转化 率是否有影响。2019/8/1867徐 A解:a.平推流反应器在前、全混流反应器在后,根据平推流反 应器的设计方程2019/8/18Vv。CA0CA01CA0112Jodx,40(1-/1d(l-一(1一以1(1-/-102019/8/18、根据全混流反应器的设计方程出口-入口V _ V _ 一 1人X;一 才一以Kx/3x+=
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