設(shè)備釜式連續(xù)反應(yīng)器學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1設(shè)備設(shè)備(shbi) 釜式連續(xù)反應(yīng)器釜式連續(xù)反應(yīng)器第一頁(yè)，共61頁(yè)。實(shí)現(xiàn)理想混合假設(shè)的必要條件：實(shí)現(xiàn)理想混合假設(shè)的必要條件：葉輪葉輪(yln)(yln)的排料速率的排料速率( (循環(huán)量循環(huán)量) )為進(jìn)料流量的為進(jìn)料流量的510510倍。倍。該判據(jù)可由以下公式表示：該判據(jù)可由以下公式表示：QR/QFQR/QF510510，其中，其中QFQF為進(jìn)料流為進(jìn)料流量；葉輪量；葉輪(yln)(yln)的排料速率的排料速率QRQR可由以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：可由以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：QR/nd3=NQR QR/nd3=NQR 式中：式中：n n為攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)；為攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)；d d為攪拌器葉輪為攪拌器葉輪(yln

2、)(yln)直徑；直徑；NQRNQR為無(wú)因?yàn)闊o(wú)因次 準(zhǔn) 數(shù) 。 在 有 擋 板 的 條 件 下 ， 對(duì) 于 推 進(jìn) 式 葉 輪次 準(zhǔn) 數(shù) 。 在 有 擋 板 的 條 件 下 ， 對(duì) 于 推 進(jìn) 式 葉 輪(yln)NQR=0.5(yln)NQR=0.5；對(duì)于渦輪式葉輪；對(duì)于渦輪式葉輪(yln)(yln)(六葉，寬徑比六葉，寬徑比為為1:5)1:5)，NQR=0.93D/d(NQR=0.93D/d(用于用于ReRe104104，D D為反應(yīng)器內(nèi)徑；為反應(yīng)器內(nèi)徑； d d為為攪拌器槳徑攪拌器槳徑) )。第2頁(yè)/共61頁(yè)第二頁(yè)，共61頁(yè)。連續(xù)釜式反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上通常與間歇釜式反應(yīng)器相同連續(xù)釜式反應(yīng)器在

3、結(jié)構(gòu)上通常與間歇釜式反應(yīng)器相同。其常見(jiàn)的進(jìn)出。其常見(jiàn)的進(jìn)出(jnch)料方式如下料方式如下第3頁(yè)/共61頁(yè)第三頁(yè)，共61頁(yè)。5.2 5.2 連續(xù)連續(xù)(linx)(linx)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度、溫度穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度、溫度、壓力等操作參數(shù)不隨時(shí)間變化，符合、壓力等操作參數(shù)不隨時(shí)間變化，符合(fh)(fh)理理想混合假設(shè)。由于不存在時(shí)間變量，可取整個(gè)反應(yīng)想混合假設(shè)。由于不存在時(shí)間變量，可取整個(gè)反應(yīng)釜作為衡算單元，對(duì)關(guān)鍵組份釜作為衡算單元，對(duì)關(guān)鍵組份A A作物料衡算作物料衡算輸入量輸入量=F FV V0 0C CA A0 0=n

4、=nA0A0反應(yīng)反應(yīng)(fnyng)(fnyng)量量=rAVR=rAVR輸出量輸出量=F FVfVfC CAfAf=n=nA A累計(jì)量累計(jì)量=0=0，所以所以F FV V0 0C CA A0 0=F FVfVfC CAfAf+ + r rA AV VR R5.2.1 5.2.1 反應(yīng)體積反應(yīng)體積第4頁(yè)/共61頁(yè)第四頁(yè)，共61頁(yè)。液相反應(yīng)時(shí)，可視為恒容，液相反應(yīng)時(shí)，可視為恒容，F(xiàn)V0=FVfFV0=FVf；而且；而且(r (r qi)qi)穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，xA=xAfxA=xAf，CA=CAfCA=CAf，于是，于是AAAVRrCCFV)-(0000-AAAACCCx 由于由于(yuy)

5、(yuy)所以所以(suy)(suy)AAAVRrxCFV00=這就是等溫恒容液相連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。這就是等溫恒容液相連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。在給定操作條件以及反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程后，可由簡(jiǎn)單的在給定操作條件以及反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程后，可由簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算求得反應(yīng)體積。代數(shù)計(jì)算求得反應(yīng)體積。第5頁(yè)/共61頁(yè)第五頁(yè)，共61頁(yè)。如果如果(rgu)(rgu)反應(yīng)器的進(jìn)料轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器的進(jìn)料轉(zhuǎn)化率xA00 xA00，根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義根據(jù)轉(zhuǎn)化率的定義CA0-CA=CA0(xA-xA0)CA0-CA=CA0(xA-xA0)，得，得到到AAAAVRrxxCFV)-(000其中其中rArA一般具有一般具有rA=

6、A0exp(-Ea/RT)CAmCBn rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn 的形式，由于其中的溫度的形式，由于其中的溫度(wnd)(wnd)、濃度均為恒定值，所以濃度均為恒定值，所以rArA亦為恒定值，即連續(xù)亦為恒定值，即連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的是恒速率的化學(xué)反應(yīng)，這釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的是恒速率的化學(xué)反應(yīng)，這是連續(xù)釜式反應(yīng)器區(qū)別于其它類型反應(yīng)器的重是連續(xù)釜式反應(yīng)器區(qū)別于其它類型反應(yīng)器的重要特征。要特征。第6頁(yè)/共61頁(yè)第六頁(yè)，共61頁(yè)。在連續(xù)操作的反應(yīng)在連續(xù)操作的反應(yīng)(fnyng)(fnyng)系統(tǒng)中，反應(yīng)系統(tǒng)中，反應(yīng)(fnyng)(fnyng)體積與進(jìn)料的體積流量之比定義為停留體積與進(jìn)

7、料的體積流量之比定義為停留時(shí)間，以時(shí)間，以表示。表示。對(duì)于釜式連續(xù)反應(yīng)對(duì)于釜式連續(xù)反應(yīng)(fnyng)(fnyng)器，由于物料的停留器，由于物料的停留時(shí)間并不相同，所以由上述定義計(jì)算得到的停留時(shí)間時(shí)間并不相同，所以由上述定義計(jì)算得到的停留時(shí)間稱為平均停留時(shí)間。稱為平均停留時(shí)間。對(duì)于恒容過(guò)程對(duì)于恒容過(guò)程5.2.2 5.2.2 停留時(shí)間停留時(shí)間AAAAVRrxxCFV)-(000此式可用代數(shù)法求解析解，例如在連續(xù)此式可用代數(shù)法求解析解，例如在連續(xù)(linx)(linx)釜式釜式反應(yīng)器中，進(jìn)行二級(jí)不可逆反應(yīng)：反應(yīng)器中，進(jìn)行二級(jí)不可逆反應(yīng)：rA=kCA2=k(CA0(1-xA)2rA=kCA2=k(C

8、A0(1-xA)2，則停留時(shí)間，則停留時(shí)間第7頁(yè)/共61頁(yè)第七頁(yè)，共61頁(yè)。20)1 (AAAxkCx如果如果rArA的表達(dá)式較為復(fù)雜，如三級(jí)反應(yīng)或非整的表達(dá)式較為復(fù)雜，如三級(jí)反應(yīng)或非整數(shù)級(jí)反應(yīng)，求其解析解可能數(shù)級(jí)反應(yīng)，求其解析解可能(knng)(knng)比較困比較困難，此時(shí)，可借助計(jì)算機(jī)求其數(shù)值解，或采用難，此時(shí)，可借助計(jì)算機(jī)求其數(shù)值解，或采用圖解法求解圖解法求解)()(=fxxfAA或由此可見(jiàn)，對(duì)于由此可見(jiàn)，對(duì)于(duy)(duy)給定的化學(xué)反應(yīng)，若其給定的化學(xué)反應(yīng)，若其動(dòng)力學(xué)方程已知，則動(dòng)力學(xué)方程已知，則VRVR、僅為轉(zhuǎn)化率僅為轉(zhuǎn)化率xAxA的函數(shù)的函數(shù)，即，即第8頁(yè)/共61頁(yè)第八頁(yè)，

9、共61頁(yè)。5.2.3 5.2.3 平均平均(pngjn)(pngjn)停留時(shí)間的圖解法停留時(shí)間的圖解法求解求解給定轉(zhuǎn)化率求停留時(shí)間以及給定轉(zhuǎn)化率求停留時(shí)間以及(yj)(yj)給定停留時(shí)給定停留時(shí)間求轉(zhuǎn)化率實(shí)際上是求下列方程組的解。間求轉(zhuǎn)化率實(shí)際上是求下列方程組的解。AAAnAnAAxrC xkCr00)1 (由方程組的解的幾何意義可知，其解就是方程由方程組的解的幾何意義可知，其解就是方程所代表的曲線的交點(diǎn)所代表的曲線的交點(diǎn)(jiodin)(jiodin)，因此，上，因此，上述方程組可采用圖解法求解。述方程組可采用圖解法求解。第9頁(yè)/共61頁(yè)第九頁(yè)，共61頁(yè)。方法方法于于rAxArAxA直角坐標(biāo)

10、系中描繪直角坐標(biāo)系中描繪(miohu)(miohu)曲線曲線rA=kCA0 rA=kCA0 n(1-xA)nn(1-xA)nMNMN已知終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率已知終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAfxAf，求，求停留時(shí)間停留時(shí)間： 在在xAxA軸上截取軸上截取OQ=xAfOQ=xAf，過(guò)，過(guò)QQ作垂線，交作垂線，交MNMN于于P P點(diǎn)，由直線點(diǎn)，由直線OPOP的斜的斜率可計(jì)算率可計(jì)算(j sun)(j sun)出出，進(jìn)而求得反應(yīng)體積，進(jìn)而求得反應(yīng)體積VRVR已知停留時(shí)間已知停留時(shí)間，求終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率，求終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAf： 過(guò)原點(diǎn)過(guò)原點(diǎn)o作斜率作斜率(xil)為為CA0/的直線交的直線交MN于于P點(diǎn)，點(diǎn)，P點(diǎn)點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為終點(diǎn)轉(zhuǎn)化

11、率，直線的橫坐標(biāo)即為終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率，直線OP稱為物料衡算線。稱為物料衡算線。第10頁(yè)/共61頁(yè)第十頁(yè)，共61頁(yè)。圖解法的優(yōu)點(diǎn)在于既可用已知的動(dòng)力學(xué)方程作圖，也可以(ky)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，因此，在缺乏動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，圖解法尤其顯示出其優(yōu)越性。例5.1 等溫條件下，一液相分解反應(yīng)AB+C，rA=kCA，已知操作條件下速率常數(shù)k=0.6/h。A的起始濃度為1.0kmol/m3，恒容，要求(yoqi)A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%，試計(jì)算物料的處理量為2.0m3/h的連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積。第11頁(yè)/共61頁(yè)第十一頁(yè)，共61頁(yè)。rA=kCA=kCA0(1-xA)h5 . 2)6 . 0-1 (6 . 06 .

12、 0)-1 (0AAAAAxkxxrCVR=FV0 =5.0m3（1）解析(ji x)法 解：（2）圖解法以rA為縱坐標(biāo)，xA為橫坐標(biāo)作圖：由動(dòng)力學(xué)方程式rA=kCA=kCA0(1-xA)知，rA與xA的關(guān)系為一直線，因此取兩點(diǎn)很容易(rngy)地就可以在rAxA圖上繪出動(dòng)力學(xué)曲線MN。第12頁(yè)/共61頁(yè)第十二頁(yè)，共61頁(yè)。13由物料(w lio)衡算式AAAxCr0=在橫坐標(biāo)上取xA=0.6一點(diǎn)做垂線交于MN線上與一點(diǎn)P，因進(jìn)口物料中不含反應(yīng)( f n y n g ) 產(chǎn) 物 ， 即xA0=0，過(guò)O連接P點(diǎn)得物料衡算線（又稱操作線）OP，其斜率為CA0/,查圖得6 . 024. 0=0AC已

13、知CA0=1 kmol/m3，則h5 . 2=6 . 024. 01=VR=FV0 =5.0m3第13頁(yè)/共61頁(yè)第十三頁(yè)，共61頁(yè)。5.3 5.3 連續(xù)連續(xù)(linx)(linx)釜式反應(yīng)器的并聯(lián)與串聯(lián)釜式反應(yīng)器的并聯(lián)與串聯(lián)問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出連續(xù)釜式反應(yīng)器在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。連續(xù)釜式反應(yīng)器在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。但在反應(yīng)器設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常遇到這樣的問(wèn)但在反應(yīng)器設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常遇到這樣的問(wèn)題，即，是使用一個(gè)較大的反應(yīng)器完成題，即，是使用一個(gè)較大的反應(yīng)器完成(wn chng)(wn chng)生產(chǎn)任務(wù)，抑或是用若干個(gè)生產(chǎn)任務(wù)，抑或是用若干個(gè)較小的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，這樣的反應(yīng)器組又較小的反應(yīng)器

14、實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，這樣的反應(yīng)器組又如何計(jì)算，這是本節(jié)要解決的問(wèn)題。如何計(jì)算，這是本節(jié)要解決的問(wèn)題。第14頁(yè)/共61頁(yè)第十四頁(yè)，共61頁(yè)。5.3.1 并聯(lián)(bnglin)當(dāng)需要用單釜進(jìn)行連續(xù)操作，其體積過(guò)大而難于加工制造時(shí)，常常用若干個(gè)體積較小的反應(yīng)釜并聯(lián)操作。其設(shè)計(jì)(shj)方法與單釜連續(xù)相同，但存在流量分配問(wèn)題。第15頁(yè)/共61頁(yè)第十五頁(yè)，共61頁(yè)。為能穩(wěn)定地控制產(chǎn)品質(zhì)量，通常使并聯(lián)各釜的出為能穩(wěn)定地控制產(chǎn)品質(zhì)量，通常使并聯(lián)各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，即口轉(zhuǎn)化率相同，即xA1= xA2= = xAnxA1= xA2= = xAn由釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程可知，為使各釜的出口由釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程可知，為使各釜

15、的出口轉(zhuǎn)化率相同，應(yīng)使反應(yīng)物在各釜的停留時(shí)間相同轉(zhuǎn)化率相同，應(yīng)使反應(yīng)物在各釜的停留時(shí)間相同，即，即1=2= =n1=2= =n由于由于i=VRi/FV0ii=VRi/FV0i，所以，要使各釜的出口轉(zhuǎn)化，所以，要使各釜的出口轉(zhuǎn)化率相同，應(yīng)使各釜的進(jìn)料流量與其率相同，應(yīng)使各釜的進(jìn)料流量與其(yq)(yq)對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的反應(yīng)體積比相同，就是反應(yīng)體積比相同，就是第16頁(yè)/共61頁(yè)第十六頁(yè)，共61頁(yè)。實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用等體積的反應(yīng)釜并聯(lián)，并實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用等體積的反應(yīng)釜并聯(lián)，并平均地分配進(jìn)料流量。但如果并聯(lián)的數(shù)量過(guò)多，平均地分配進(jìn)料流量。但如果并聯(lián)的數(shù)量過(guò)多，設(shè)備及操作費(fèi)用會(huì)增加，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)設(shè)備及操作

16、費(fèi)用會(huì)增加，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)(jngj)角度出角度出發(fā)，確定并聯(lián)的臺(tái)數(shù)。發(fā)，確定并聯(lián)的臺(tái)數(shù)。n0n022011= =VRVRVRFVFVFV第17頁(yè)/共61頁(yè)第十七頁(yè)，共61頁(yè)。5.3.2 串聯(lián)(chunlin)多釜串聯(lián)是工業(yè)上一種常見(jiàn)的操作方式。是一種介于理想混合和理想置換的流動(dòng)模型。設(shè)計(jì)時(shí)同樣要解決反應(yīng)體積和臺(tái)數(shù)的問(wèn)題。其計(jì)算(j sun)方法是采用單釜連續(xù)的計(jì)算(j sun)方法進(jìn)行多次計(jì)算(j sun)，也可以用圖解法。第18頁(yè)/共61頁(yè)第十八頁(yè)，共61頁(yè)。如上圖所示的多釜串聯(lián)(chunlin)，恒容條件下，對(duì)第i釜進(jìn)行物料衡算：RiAiiAViAVVrxCFxCF)1 ()1 (001 -0

17、0RiAiAiVAiVVrCFCF01 -0于是(ysh)或AiAiAiVRirCCFV)-(1 -0AiAiAiAVRirxxCFV)-(1 -00或5.3.2.1 解析(ji x)法第19頁(yè)/共61頁(yè)第十九頁(yè)，共61頁(yè)。第i釜的平均(pngjn)停留時(shí)間為：AiAiAiirCC-1 -AiAiAiAirxxC)-(1 -0或因此(ync)，在給出FV0、VRi、CA0及串聯(lián)數(shù)目n后，可依次求出第1、2n釜的出口濃度或轉(zhuǎn)化率；在各釜的反應(yīng)體積已定時(shí)，可確定達(dá)到指定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)器臺(tái)數(shù)。第20頁(yè)/共61頁(yè)第二十頁(yè)，共61頁(yè)。例如，n釜串聯(lián)(chunlin)的反應(yīng)器中，進(jìn)行一級(jí)恒容不可逆反應(yīng)

18、，rA=kCA，AiAiAiirCC-1 -iiAiAikCC111 -得即1101+11=kCCAA2212+11=kCCAA3323+11=kCCAA、nnAnAnkCC111 -由第21頁(yè)/共61頁(yè)第二十一頁(yè)，共61頁(yè)。連乘之，得1=0+11=niiiAAnkCC若xAn為終點(diǎn)(zhngdin)轉(zhuǎn)化率，則依轉(zhuǎn)化率的定義0001-AAnAAnAAnCCCCCx所以(suy)111-1niiiAnkx第22頁(yè)/共61頁(yè)第二十二頁(yè)，共61頁(yè)。工業(yè)上一般(ybn)采用等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)，故1=2= =n= ；又若各釜的反應(yīng)溫度相同，則k1=k2 =kn=k ，于是，對(duì)于等溫恒容的一級(jí)反應(yīng)，在等體

19、積串聯(lián)時(shí)，反應(yīng)物濃度、轉(zhuǎn)化率與每釜的停留時(shí)間的關(guān)系為：nAnkx)1 (11nAAnkCC)+1 (=0及所以(suy) 1-)11(11nAnxk第23頁(yè)/共61頁(yè)第二十三頁(yè)，共61頁(yè)。) 1-)11(1nAnTxknn) 1-)11(1010nAnVniVRiRxknFnFVV總反應(yīng)(fnyng)體積為由此可見(jiàn)對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在滿足等溫、恒容和等體積串聯(lián)的情況(qngkung)下，可由終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率求出平均停留時(shí)間及反應(yīng)體積，反之亦可，那么對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)呢？此時(shí)(c sh)，總反應(yīng)時(shí)間為第24頁(yè)/共61頁(yè)第二十四頁(yè)，共61頁(yè)。例5.2 在理想混合反應(yīng)器中進(jìn)行液相等溫恒容反應(yīng)A+BR，A和B按等摩

20、爾配成，rA=kCACB，k=9.92m3/(kmols)，進(jìn)料速率0.278m3/s，A的初濃度為0.08kmol/m3。要求(yoqi)A的轉(zhuǎn)化率為87.5%，問(wèn)分別以一個(gè)反應(yīng)釜兩個(gè)等體積的反應(yīng)釜三個(gè)等體積的反應(yīng)釜串聯(lián)操作時(shí)，總的反應(yīng)體積各是多少。第25頁(yè)/共61頁(yè)第二十五頁(yè)，共61頁(yè)。解：rA=kCACB=9.92CA2=9.92CA02(1-xA)2；xAf=0.875；FV0=0.278m3/s；CA0=0.08kmol/m3一個(gè)(y )反應(yīng)釜 xA0=0兩個(gè)等體積(tj)的反應(yīng)釜串聯(lián)s6 .70)875. 01 (08. 092. 9875. 0)-(200AAAfArxxC30m

21、6 .19=6 .70278. 0=VRFV2100110101)-1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC2012102)1 (-)-(AfAAAfAAAfAxkCxxrxxC相除得第26頁(yè)/共61頁(yè)第二十六頁(yè)，共61頁(yè)。212101)1 (-)1 (-AfAAfAAAxxxxxx由于(yuy)xA0=0；xAf=0.875，所以21112)1)(875. 0()875. 01 (AAAxxx其數(shù)值(shz)解為%5 .72=1Axs08.12)725. 01 (08. 092. 9725. 0)1 (-2210011AAAAxkCxx310m72. 6=08.12278. 02=2

22、=VRFV三個(gè)等體積(tj)的反應(yīng)釜串聯(lián)2100110101)1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC第27頁(yè)/共61頁(yè)第二十七頁(yè)，共61頁(yè)。2201221202)1 (-)-(AAAAAAAAxkCxxrxxC2023203)-1 (-)-(AfAAAfAAAfAxkCxxrxxC三元(sn yun)方程組，其數(shù)值解為s76. 5=%4 .80=%9 .62=32121AAxx310m80. 4=76. 5278. 03=3=VRFV單釜連續(xù)(linx)VR=19.6m3；雙釜連續(xù)(linx)VR=6.72m3；三釜連續(xù)(linx)VR=4.80m3第28頁(yè)/共61頁(yè)第二十八頁(yè)，共6

23、1頁(yè)。由此可見(jiàn)，采用解析法計(jì)算非一級(jí)反應(yīng)(fnyng)的多釜串聯(lián)問(wèn)題是比較繁復(fù)的。此時(shí)，可采用圖解法。5.3.2.2 圖解法已知反應(yīng)釜串聯(lián)(chunlin)的個(gè)數(shù)n以及反應(yīng)體積VR(也就是停留時(shí)間)，求終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAf已知終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAf，求串聯(lián)(chunlin)的個(gè)數(shù)n(已知反應(yīng)體積，即停留時(shí)間)已知終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率xAf，求反應(yīng)體積VR(已知串聯(lián)(chunlin)的個(gè)數(shù)n)第29頁(yè)/共61頁(yè)第二十九頁(yè)，共61頁(yè)。)-(1 -0AiAiiAAixxCr得AiAiAiAirxxC)-(1 -0由描繪(miohu)動(dòng)力學(xué)曲線rA=f(xA)MN于直角坐標(biāo)系中第30頁(yè)/共61頁(yè)第三十頁(yè)，共61頁(yè)。例5.

24、3 用圖解法解決例5.2中的兩等體積(tj)釜串聯(lián)問(wèn)題。解：屬圖解法的第種情況(qngkung)，應(yīng)采用試差法由已知條件(tiojin)知rA=9.92CA02(1-xA)2，據(jù)此描繪出動(dòng)力學(xué)曲線MN；過(guò)原點(diǎn)O作直線OP1交 動(dòng) 力 學(xué) 曲 線 于P1點(diǎn)(OP1為第一釜的物料衡算線)；第31頁(yè)/共61頁(yè)第三十一頁(yè)，共61頁(yè)。過(guò)P1作垂線P1S1交橫軸于S1點(diǎn)，過(guò)S1作OP1的平行線S1P2交動(dòng)力學(xué)曲線于P2點(diǎn)，過(guò)P2作橫軸的垂線P2S2交橫軸于S2點(diǎn)，于圖上讀得點(diǎn)S2的橫坐標(biāo)(第二(d r)釜的轉(zhuǎn)化率)為0.730.875，表明第一次所作的物料衡算線的斜率偏大，即停留時(shí)間過(guò)短。按上述方法重新作

25、圖，直到第二(d r)釜的出口轉(zhuǎn)化率為0.875，如圖所示的物料衡算線OP1、S1P2，此時(shí)P1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第一釜的轉(zhuǎn)化率為0.725。量取P1點(diǎn)的縱坐標(biāo)，計(jì)算出直線OP1的斜率為0.0066，所以s 1 .12=0066. 008. 0=于是，總反應(yīng)(fnyng)體積為3m72. 6=1 .12278. 02=RV第32頁(yè)/共61頁(yè)第三十二頁(yè)，共61頁(yè)。5.3.3.4 多釜串聯(lián)反應(yīng)器組以總反應(yīng)體積(tj)最小為目標(biāo)的各釜轉(zhuǎn)化率的最佳分配問(wèn)題的提出：由以上的討論可以看出，對(duì)于多釜串聯(lián)反應(yīng)器組，當(dāng)物料處理量、物料的初濃度及終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率一定(ydng)時(shí)，反應(yīng)器的臺(tái)數(shù)、各釜的反應(yīng)體積和轉(zhuǎn)化率之間存在一定

26、(ydng)關(guān)系，那么，在各釜之間是否存在一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)化率分配，使得總的反應(yīng)體積為最小呢？先以兩釜串聯(lián)為例設(shè)兩釜串聯(lián)，等溫恒容，一級(jí)不可逆反應(yīng)(kn-fnyng)， rA=kCA0 (1-xA) ，要求終點(diǎn)轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%第33頁(yè)/共61頁(yè)第三十三頁(yè)，共61頁(yè)。)1-1(21211021AAAAAVRRRxxxxxkFVVV總反應(yīng)(fnyng)體積為描繪VRk/FV0 xA1于直角坐標(biāo)系中，可見(jiàn)總反應(yīng)(fnyng)體積隨著xA1的變化而變化，當(dāng)xA1=0.55時(shí)，VR達(dá)到最小第34頁(yè)/共61頁(yè)第三十四頁(yè)，共61頁(yè)。多釜串聯(lián)時(shí)，仍設(shè)各釜溫度相同，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)(fnyng)，則總反應(yīng)(fny

27、ng)體積VR)-1-1-(1 -10101AnAnAnAAAVniRiRxxxxxxkFVV 為使總反應(yīng)體積VR最小，將上式分別(fnbi)對(duì)xA1、xA2 xAn求導(dǎo)，于是) 1 -,., 2 , 1(),11-)1 (1(121 -0nixxxkFxVAiAiAiVAiR第35頁(yè)/共61頁(yè)第三十五頁(yè)，共61頁(yè)。則令, 0AiRxV) 1, 2 , 1( , 011)1 (1121 nixxxAiAiAi此式為總反應(yīng)體積最小應(yīng)滿足的條件。共有(n yu)n-1個(gè)方程(因xAn已確定)，聯(lián)立求解可算出各釜轉(zhuǎn)化率。將上面的方程變形：) 1, 2 , 1( ,111111 nixxxxAiAiA

28、iAi第36頁(yè)/共61頁(yè)第三十六頁(yè)，共61頁(yè)。等式兩端(lin dun)再同時(shí)減1，得) 1, 2 , 1( ,11111 nixxxxxxAiAiAiAiAiAi) 1, 2 , 1( ,1111010 nixxxkFxxxkFAiAiAiVAiAiAiV即也就是VRi=VR(i+1)，這說(shuō)明要保證總反應(yīng)體積最小，應(yīng)使各釜反應(yīng)體積相等。但此結(jié)論不可無(wú)條件推廣，對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，應(yīng)采用類似方法(fngf)另行處理。第37頁(yè)/共61頁(yè)第三十七頁(yè)，共61頁(yè)。38)()(00srARpTTKFqrVTTcn式中0為物料進(jìn)口(jn ku)溫度，T為反應(yīng)溫度，Ts為換熱介質(zhì)溫度， 為溫度在T與0之間的平均

29、定壓熱容， n0為物料進(jìn)口(jn ku)的總摩爾流量， r為摩爾反應(yīng)熱， 為傳熱系數(shù)，F(xiàn)為傳熱面積。 pc第38頁(yè)/共61頁(yè)第三十八頁(yè)，共61頁(yè)。39)(00AAAARxxnrV因 代入上式可得反應(yīng)過(guò)程的溫度(wnd)與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如下： )(-)()(0000sAArApTTKFxxqnTTcn若在絕熱條件下進(jìn)行反應(yīng)(fnyng)，上式右端的第二項(xiàng)為零 )(0000AAprAxxcnqnTT)()(0000AAAAprAxxxxcqyTT第39頁(yè)/共61頁(yè)第三十九頁(yè)，共61頁(yè)。40第40頁(yè)/共61頁(yè)第四十頁(yè)，共61頁(yè)。41解：(1)計(jì)算所需反應(yīng)(fnyng)溫度T 全混流反應(yīng)器： AAAAV

30、RrxxCFV)-(000一級(jí)不可逆液相反應(yīng)(fnyng)：rA=kCA hFVVR25. 0=375. 0=0010.22110.04180.25AACCkh根據(jù)(gnj)阿累尼烏斯方程有 0lnlnEkkRT905525.9308.6(lnln)ln(1.0788 10 )ln18ETKkkR第41頁(yè)/共61頁(yè)第四十一頁(yè)，共61頁(yè)。42(2)原料液起始溫度(wnd)T0的計(jì)算 pVSrARpSrARCFTTKFqrVTcnTTKFqrVTT000)()(018 0.04 0.75 20921209.2 5 (308.6298.16)308.6297.43 1050 2.929TK （原料液

31、的起始(q sh)溫度為297.4K(或24.2) 第42頁(yè)/共61頁(yè)第四十二頁(yè)，共61頁(yè)。43第43頁(yè)/共61頁(yè)第四十三頁(yè)，共61頁(yè)。44在一種定常態(tài)操作時(shí)，由于進(jìn)料、傳熱劑等操作參數(shù)發(fā)生偏離擾動(dòng)，使反應(yīng)器偏離定常態(tài)操條件，但在擾動(dòng)消除后，反應(yīng)系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)原來(lái)的定常態(tài)，我們稱這種定常態(tài)是穩(wěn)定的定常態(tài)。在一種定常態(tài)操作時(shí)，由于進(jìn)料、傳熱劑等操作參數(shù)發(fā)生微小的偏離干擾(gnro)足以使反應(yīng)器的操作狀態(tài)大大地偏離原先規(guī)定的定常操作，即使擾動(dòng)消除，系統(tǒng)也不能恢復(fù)至原有狀態(tài)，不具有抗干擾(gnro)能力，這就叫不穩(wěn)定的定常態(tài)。第44頁(yè)/共61頁(yè)第四十四頁(yè)，共61頁(yè)。45以理想混合反應(yīng)器為例，介紹

32、有關(guān)(yugun)熱穩(wěn)定性的問(wèn)題。 設(shè)一個(gè)(y )簡(jiǎn)單放熱反應(yīng)APk其動(dòng)力學(xué)方程為r=kCA,穩(wěn)定(wndng)操作時(shí)，其熱平衡方程如下：)()(00sprRATTKFTTcnqVr方程的左邊為化學(xué)反應(yīng)熱，設(shè)為Qr，右邊為系統(tǒng)與外界的熱交換，設(shè)為Qg，則 rRArqVrQ )()(00spgTTKFTTcnQAaAACRTEAkCr)/exp(0ArRrCRTEaAqVQ)/exp(0sppgKFTTcnTKFcnQ000)(從Qr-T和g-T關(guān)系式可以看到，r和T是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而g和T則是線性關(guān)系 第45頁(yè)/共61頁(yè)第四十五頁(yè)，共61頁(yè)。46圖5-8放熱反應(yīng)(fn r fn yng)的Qr

33、和Qg線圖上反應(yīng)放熱曲線和散熱線相交于a、b、c三點(diǎn)，三個(gè)交點(diǎn)都滿足熱平衡條件Qr=Qg，表明可能(knng)存在三個(gè)定常狀態(tài)。 a、b、c三點(diǎn)有什么不同？分析(fnx)可知a、c點(diǎn)是定態(tài)穩(wěn)定點(diǎn)，b點(diǎn)為不穩(wěn)定的定態(tài)點(diǎn)。 為什么？一般選擇上定態(tài)點(diǎn)，即圖5-8中的c點(diǎn) 第46頁(yè)/共61頁(yè)第四十六頁(yè)，共61頁(yè)。47在穩(wěn)定的定態(tài)點(diǎn)a及c處，移熱線的斜率(xil)大于放熱曲線的斜率(xil)，即： dTdQgdTdQr 這是定態(tài)操作穩(wěn)定的必要條件，但不是充分條件(chn fn tio jin)，也就是說(shuō)，如果滿足上式，則定態(tài)可能是穩(wěn)定的；若不滿足該式，則定態(tài)一定是不穩(wěn)定的。 定態(tài)穩(wěn)定定態(tài)穩(wěn)定(wndng

34、)(wndng)的必要條件是：的必要條件是： Qg=Qr Qg=QrdTdQgdTdQr 第47頁(yè)/共61頁(yè)第四十七頁(yè)，共61頁(yè)。48)1)(exp(00AaArrXRTEACqVQr)()(00SPgTTKATTCnQnarrrACRTEAqVQ)exp(0)(SgTTKAQ第48頁(yè)/共61頁(yè)第四十八頁(yè)，共61頁(yè)。4902exp()nRrAEEKAV q ACRTRT20)exp(RTECRTEAqVdTdQanarrrAKAdTdQgdTdQdTdQrg第49頁(yè)/共61頁(yè)第四十九頁(yè)，共61頁(yè)。500()exp()nSRrAEKA TTV q ACRT2SRTTTTE 第50頁(yè)/共61頁(yè)第五

35、十頁(yè)，共61頁(yè)。51在實(shí)際生產(chǎn)(shngchn)中，希望只在一種穩(wěn)定工況下操作，同時(shí)希望在反應(yīng)速率較大的工況下操作，要做到這一點(diǎn)可通過(guò)改變進(jìn)料溫度T0和其流量n0來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖5-9改進(jìn)進(jìn)料溫度得到(d do)不同的操作狀態(tài) 在D線時(shí)的進(jìn)料溫度一般稱為著火(zho hu)溫度或起燃溫度，相應(yīng)的點(diǎn)4稱為著火(zho hu)點(diǎn)或起燃點(diǎn)。B線溫度為熄火溫度，點(diǎn)6為熄火點(diǎn)。 著火與熄火現(xiàn)象對(duì)于反應(yīng)器操作控制甚為重要，特別是開(kāi)停工的時(shí)候 第51頁(yè)/共61頁(yè)第五十一頁(yè)，共61頁(yè)。5.5 返混對(duì)復(fù)雜(fz)反應(yīng)產(chǎn)品分配的影響前面就單一反應(yīng)(fnyng)，討論了連續(xù)操作的反應(yīng)(fnyng)器的物料流動(dòng)狀況對(duì)反應(yīng)

36、(fnyng)器大小的影響另一方面，就復(fù)雜反應(yīng)(fnyng)而言，反應(yīng)(fnyng)過(guò)程中主副產(chǎn)物生成量的相對(duì)多少，主要取決于主副反應(yīng)(fnyng)的競(jìng)爭(zhēng)速率。如果不考慮溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)(fnyng)的影響，則產(chǎn)品分布主要決定于反應(yīng)(fnyng)物的濃度分布(由于不同級(jí)數(shù)的反應(yīng)(fnyng)對(duì)濃度的敏感程度不同)，而返混恰恰可以通過(guò)影響反應(yīng)(fnyng)物的濃度分布而影響產(chǎn)品分布.下面分別討論(toln)返混對(duì)平行反應(yīng)和串聯(lián)反應(yīng)的影響第52頁(yè)/共61頁(yè)第五十二頁(yè)，共61頁(yè)。4.6.1 平行(pngxng)反應(yīng)設(shè)在等溫下進(jìn)行(jnxng)下列平行反應(yīng)：)(主RARK)(副SASK速率方程分別(fn

37、bi)為：mARRRCkdtdCrnASSSCkdtdCr第53頁(yè)/共61頁(yè)第五十三頁(yè)，共61頁(yè)。目的產(chǎn)物R和副產(chǎn)物S的生成(shn chn)量的比取決于兩者生成(shn chn)速率之比，即nmASRSRSRCkkdCdCrr顯然(xinrn)，這個(gè)比值越大，目標(biāo)產(chǎn)物R的生成量就越多；反之，副產(chǎn)物S的生成量就越多在一定的溫度(wnd)下，由于kR/kS為定值，所以rR/rS的比值取決于CAm-n的大小在連續(xù)釜式反應(yīng)器中，由于存在物料的返混現(xiàn)象，返混現(xiàn)象，使反應(yīng)物的濃度降低使反應(yīng)物的濃度降低，從而影響CAm-n的大小第54頁(yè)/共61頁(yè)第五十四頁(yè)，共61頁(yè)。(1) mn，即主反應(yīng)，即主反應(yīng)(fnyng)的級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)的級(jí)數(shù)大于