化學反應工程__第2章_理想反應器

1、第二章第二章 理想反應器理想反應器Ideal Flow Reactor第一節(jié)第一節(jié) 間歇反應器間歇反應器(BR)第二節(jié)第二節(jié) 平推流反應器平推流反應器(PFR)第三節(jié)第三節(jié) 全混流反應器全混流反應器(CSTR)2022年5月29日星期日2022年5月29日星期日反應器設(shè)計的基本內(nèi)容反應器設(shè)計的基本內(nèi)容1）根據(jù)化學反應的動力學特性來選擇合適的反應器形式；）根據(jù)化學反應的動力學特性來選擇合適的反應器形式；2）結(jié)合動力學和反應器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化）結(jié)合動力學和反應器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化 的操作設(shè)計；的操作設(shè)計；3）根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應裝置進行設(shè)計計算，確定反應器）根據(jù)給定的產(chǎn)量

2、對反應裝置進行設(shè)計計算，確定反應器 的幾何尺寸并進行某些經(jīng)濟評價。的幾何尺寸并進行某些經(jīng)濟評價。2022年5月29日星期日（無返混）（無返混）（返混程度最大）（返混程度最大）理想反應器理想反應器全混流反應器（理想混合）全混流反應器（理想混合） （完全混合）（完全混合） 平推流平推流反應器（活塞流、理想置換反應器）反應器（活塞流、理想置換反應器）Plug Flow Reactor(PFR)（無（無返混返混）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5月29日星期日

3、返返 混混：不同停留時間的粒子間的混合不同停留時間的粒子間的混合 平推流平推流：反應物料以相同的流速和一致的方向進行移動，反應物料以相同的流速和一致的方向進行移動， 所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。2022年5月29日星期日4 間歇反應器的最優(yōu)操作時間1 物料衡算第一節(jié) 間歇反應器2 熱量衡算3 反應容積的計算2022年5月29日星期日 間歇式完全混合反應器間歇式完全混合反應器2022年5月29日星期日特點：特點： 反應器內(nèi)各處溫度始終相等，無需考慮反應器內(nèi)的熱反應器內(nèi)各處溫度始終相等，無需考慮反應器內(nèi)的熱量傳遞問題量傳遞問題 所有物料具有相同的反應時間

4、所有物料具有相同的反應時間 優(yōu)點：優(yōu)點： 操作靈活，易于適應不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，操作靈活，易于適應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，反應時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)多品種，反應時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn) 缺點：缺點： 裝料，卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定裝料，卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定2022年5月29日星期日對于間歇釜式反應器：對于間歇釜式反應器： 假設(shè)釜的有效反應容積為假設(shè)釜的有效反應容積為VR ，單位時間內(nèi)反應掉的，單位時間內(nèi)反應掉的A量量為：為： RAVr )(積累積累 dtdnA1 物料衡算物料衡算單位時間單位時間輸入的物輸入的物料料A量量

5、單位時間單位時間輸出的物輸出的物料料A量量 單位時間單位時間內(nèi)反應掉內(nèi)反應掉的的A量量 A在反應在反應器內(nèi)積累器內(nèi)積累速率速率_=dtcVdAR輸入輸入=輸出輸出=02022年5月29日星期日dtcVdVrARRAAARncVdtcVdARdtdxVnrARAA0積分得：積分得：AxARAArVdxnt00 間歇完全混合反應器的設(shè)計方程間歇完全混合反應器的設(shè)計方程AAxn10dtdxnAA0AxAAArdxc00AAccAArdc0RAVr等溫操作等溫操作等溫操作（動力學等溫操作（動力學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

6、：一級反應：一級反應A產(chǎn)物，單位時間需處理的物料體積為產(chǎn)物，單位時間需處理的物料體積為v，動力學方程為：，動力學方程為： （-rA）=kCA=kCA0(1-xA)求反應所需時間（轉(zhuǎn)化率為求反應所需時間（轉(zhuǎn)化率為xA）t及反應器的有效容及反應器的有效容積。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）要求反應時間，需要對反應器進行熱量衡算。要求反應時間，需要對反應器進行熱量衡算。由于間歇反應器任何瞬間都具有相同的溫

7、度，可就整個反由于間歇反應器任何瞬間都具有相同的溫度，可就整個反應器進行熱量衡算：應器進行熱量衡算：量的累積量反應器內(nèi)熱單位時間內(nèi)的熱量反應所放出單位時間內(nèi)應器的熱量環(huán)境傳給反單位時間內(nèi) UA(Tm-T) (-Hr)(-rA)V dtTVCdv)( UA(Tm-T) + (-Hr)(-rA)V =dtTVCdv)(符號說明：符號說明：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、-分別為反應流體的定容比熱和密度分別為反應流體的定容比熱和密度(KJ/Kg.、Kg/m3)；Hr-反應焓變反應焓變(KJ/Kmol)； Tm-冷卻（或加熱）介質(zhì)的溫度（冷

8、卻（或加熱）介質(zhì)的溫度（K）對于恒容過程：對于恒容過程：)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(對于恒容變溫操作的間歇反應器的設(shè)計計算，就是聯(lián)立設(shè)計方對于恒容變溫操作的間歇反應器的設(shè)計計算，就是聯(lián)立設(shè)計方程、操作方程及動力學方程式求解的過程。程、操作方程及動力學方程式求解的過程。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）：

9、絕熱操作（與外界的熱交換為零）：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) （使對使對t的積分變?yōu)閱螀⒌姆e分變?yōu)閱螀?shù)數(shù)）將上式代入動力學方程式，再代入設(shè)計方程即可采用圖解法將上式代入動力學方程式，再代入設(shè)計方程即可采用圖解法或數(shù)值法求解。或數(shù)值法求解。dtTVCdv)(dtdxdtdTA2022年5月29日星期日3 反應容積的計算反應容積的計算00ttQVR：反應時間：反應時間t：輔助時間：輔助時間0t0Q：單位時間內(nèi)處理的反應物料的體積：單位時間內(nèi)處理的反應物料

10、的體積2022年5月29日星期日 實際反應器的體積實際反應器的體積fVVR 裝填系數(shù)，裝填系數(shù)，0.4-0.85 。一般由實驗確定，也可根據(jù)反應。一般由實驗確定，也可根據(jù)反應物料的性質(zhì)不同而選擇。物料的性質(zhì)不同而選擇。 對于對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 對于對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5月29日星期日例題例題2- 1用間歇反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生用間歇反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生 產(chǎn)乙酸乙酯產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為：，其化學反應式為：OHHCCOOHC

11、H523原料中反應組分的質(zhì)量比為原料中反應組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35, 反應液的反應液的密度為密度為1020kg/m3, 并假定在反應過程中不變，每批裝并假定在反應過程中不變，每批裝料，卸料及清洗等輔助操作時間為料，卸料及清洗等輔助操作時間為1h，反應在，反應在100下等溫操作，其反應速率方程如下：下等溫操作，其反應速率方程如下：KcccckrSRBAA1OHHCOOCCH252312kk2022年5月29日星期日100時時： min/1076. 441mollk平衡常數(shù)平衡常數(shù)K=2.92，試計算乙酸轉(zhuǎn)化，試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應時所需的反應體積，根據(jù)反應物料的特性，

12、若反應器填充系數(shù)為體積，根據(jù)反應物料的特性，若反應器填充系數(shù)為0.75，則反應器的實際體積是多少？，則反應器的實際體積是多少？2022年5月29日星期日分析：分析：fVVR求求RV求求V00ttQVR0t已知已知求求0Q和和t0Qt設(shè)計方程設(shè)計方程已知已知2022年5月29日星期日解：解： 首先計算原料處理量首先計算原料處理量 0Q每小時的乙酸用量為：每小時的乙酸用量為：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. 02

13、48812000hkmol/23.162022年5月29日星期日原料液的起始組成：原料液的起始組成：155. 423.160Ac46260908. 30Bc1835. 160908. 30Sc由由AxAAArdxct00求反應時間求反應時間lmol /908. 3lmol /2 .10lmol /59.172022年5月29日星期日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.

14、32 .1061. 22022年5月29日星期日AxAAAAcbxaxdxckt02011KccccbAsAB00001Ka1192. 2908. 359.17908. 32 .10192. 21115. 5acbbaxacbbaxacbckAAA4242ln41222016575. 02022年5月29日星期日61. 2235. 0434. 415. 562. 2235. 0434. 415. 5ln434. 4908. 31076. 414t所需的反應體積為：所需的反應體積為：00ttQVR反應器的實際體積為：反應器的實際體積為： 75. 038.12Vmin8 .1181608 .118

15、155. 4338.12m351.16macb426575. 061. 2415. 52434. 4例題例題 2-2：工廠采用間歇反應器以硫酸為催化劑使已二酸與已二工廠采用間歇反應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下進行縮聚反應生產(chǎn)醇酸樹脂，下進行縮聚反應生產(chǎn)醇酸樹脂，實驗測得該反應的速率方程式為：實驗測得該反應的速率方程式為： （-rA）=kCACB式中：式中：（-rA）-以已二酸組分計的反應速率，以已二酸組分計的反應速率，kmol.L-1.min-1 k-反應速率常數(shù)，反應速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，分

16、別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.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所需的反應所需的反應時間分別為多少？時間分別為多少？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，每批操作的輔助時間為作的輔助時間為1小時，試計算確定反應器的體積大小時，試計算確定反應器的體積大小，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：求達到一定的轉(zhuǎn)化率所需時間：求達到一定的轉(zhuǎn)化率所需時間：計量方程式中，計量方程式中， A、B的初始濃度相同，則反應的初始濃度相同，則反應

17、動力學方程可寫為：動力學方程可寫為： 由于反應為液相等溫過程，故可按恒容處理，可將已知由于反應為液相等溫過程，故可按恒容處理，可將已知數(shù)據(jù)代入設(shè)計方程求解：數(shù)據(jù)代入設(shè)計方程求解：1BA2AAkC)r(AA0Ax1xkC1t 計算結(jié)果計算結(jié)果 xA=0.5 t=2.10h xA=0.6 t=3.18h xA=0.8 t=8.47h反應器體積的計算反應器體積的計算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=反應時間反應時間+輔助時間輔助時間=t + t0 =8.47+1=9.47h反應有效體積：反應有效體

18、積： VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考慮裝填系數(shù)，則反應器的實際體積：考慮裝填系數(shù)，則反應器的實際體積： V=VR /=1619/0.75=2160L=2.16m300AACFv 練習題練習題 試計算轉(zhuǎn)化率達到試計算轉(zhuǎn)化率達到90%時，所需間歇反應器的有效容積是時，所需間歇反應器的有效容積是多少多少?例題例題2-3 在間歇反應釜中進行下列液相一級不可逆反應：在間歇反應釜中進行下列液相一級不可逆反應：AB，其，其反應速率方程為反應速率方程為（-rA）=kCA，反應初始溫度為，反應初始溫度為163, 求絕求絕熱操作下，日產(chǎn)熱操作下，日產(chǎn)150kg（B）所需反應器的體積。已知數(shù)據(jù)

19、）所需反應器的體積。已知數(shù)據(jù)如下：如下：163下下, k=0.8h-1，反應的活化能，反應的活化能E=121.25kJ/mol，反應熱：反應熱：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)性操作時間為，非生產(chǎn)性操作時間為1h。解：解：絕熱操作時有絕熱操作時有:T=T0+(xA-xA0)xA0=0所以，所以，T=T0+xA= T0+ = = (273+163) -Av0ArxcCHAv0Ar0 xcCHTRvAR0AVcxVC5 .347T= 436+16

20、6xAT= 436+166xA （操作方程）（操作方程） （1） （設(shè)計方程）（設(shè)計方程） （2）-rA=kCA0(1-xA) （動力學方程）（動力學方程） （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(dxCtRTEkkaexp0（4）聯(lián)立（聯(lián)立（1）-（4）式可得反應時間）式可得反應時間t。求解過程：求解過程：用式（用式（1）給定）給定xA后求后求T，用參數(shù)計算式求，用參數(shù)計算式求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

21、：列表作圖：AfAfx0Ax0AAdxZ)x1(kdxt)x1(k1ZAxA00.10.2.xAfTT1T2T3Tnkk1k2k3knZ=)r(1AZ1Z2Z3.Znn1iA1n32n1Af1iinxZZZ2ZZx2ZZtlim t =0.12hVR=v(t+t0)=L8 . 7) 112. 0(900241502022年5月29日星期日4 4 間歇反應器的最優(yōu)操作時間間歇反應器的最優(yōu)操作時間ttt0總0t一定一定最優(yōu)t目標函數(shù)目標函數(shù)增大增大減小減小tArRr減小減小2022年5月29日星期日1.1.以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標反應反應 RA，反應產(chǎn)物反應產(chǎn)物R R的

22、濃度為的濃度為 ，單位時間單位時間Rc的產(chǎn)品產(chǎn)量為：的產(chǎn)品產(chǎn)量為：hmolttVcyRRR/0200ttcdtdcttVdtdyRRRR02022年5月29日星期日 0ttcdtdcRR單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件 00RRcttdtdc2022年5月29日星期日圖解法圖解法McRt0tAt02022年5月29日星期日2.2.以生產(chǎn)費用最低為目標以生產(chǎn)費用最低為目標RRRFTMCVataatA000a：輔助操作費用輔助操作費用a：單位時間內(nèi)反應操作費用單位時間內(nèi)反應操作費用Fa：固定費用固定費用TA：單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費用：單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費用2022

23、年5月29日星期日dtdATaatatcdtdcFRR00生產(chǎn)費用最小所必須滿足的條件生產(chǎn)費用最小所必須滿足的條件2001RRFRRRcdtdcataatacVM02022年5月29日星期日用圖解法求解用圖解法求解NBaataF00cRt0t2022年5月29日星期日第二節(jié)第二節(jié) 平推流反應器平推流反應器(PFR)平推流反應器的特征：平推流反應器的特征： 在與流動方向是垂直的截面上沒有流速分在與流動方向是垂直的截面上沒有流速分布，即徑向混合均勻布，即徑向混合均勻在流體流動的方向不存在流體質(zhì)點間的混在流體流動的方向不存在流體質(zhì)點間的混合，即軸向不返混合，即軸向不返混2022年5月29日星期日lu

24、dltt0對于恒容反應：對于恒容反應：0vvttR平均停留時間反應時間和空時是一致的平均停留時間反應時間和空時是一致的Rvvdv02022年5月29日星期日1 1 物料衡算物料衡算- -設(shè)計方稱設(shè)計方稱輸入：輸入： lAlAvcF 輸出：輸出： llAF積累積累=0=0A A的反應量：的反應量：vrA0llll0AF0vAFAAdFF 2022年5月29日星期日0vrFFAllAlAvrFFAlAllAdvrdFAAAAAxFF10dvrdxFAAA0分離變量積分分離變量積分 :RvAFdv0000ARcvv0ARFv0AcAxAArdx02022年5月29日星期日即：AxAAArdxc00平

25、推流反應器的設(shè)計方程平推流反應器的設(shè)計方程對于恒容過程有：對于恒容過程有：01AAAccx0AAAcdcdx代入設(shè)計方程：代入設(shè)計方程：00AARcFvAxAArdx0AAccAAArdcc0012022年5月29日星期日或： tAxAAArdxc00AAccAArdc0 可見，恒容時平推流反應器與分批式完全混合可見，恒容時平推流反應器與分批式完全混合反應器的設(shè)計方程一致反應器的設(shè)計方程一致2022年5月29日星期日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為周長為周長2022年5月29日星期日積累積累0反應放熱反應

26、放熱vHrrA0VHrlTTUATcFTcFrAmllipiilipiidldVHrTTUAdlTCFdrAmipii)()()(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5月29日星期日dldVHrTTUAdldTCFrAmipii)()(若反應器為直徑為若反應器為直徑為D的圓柱形的圓柱形DAdlDdV24DTTUHrdldTDCFmrAipii)(4)(422022年5月29日星期日dVHrdTcFrApiii對于絕熱過程對于絕熱過程由設(shè)計方程得由設(shè)計方程得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

27、表示FcFccFpmiipmpiii注：注：P86 絕熱溫升或絕熱溫升或絕熱溫降絕熱溫降2022年5月29日星期日AArpmdxFHFdTc0)( AApmrdxFFcHdT0)( 若為等分子反應若為等分子反應0A時，0FF ApmArdxcFFHdT00000AApmArxxcyHTTApmArdxcyH0552A1AAA0A0RdxxrxcVV222AAA0A02A20AA0A0R111dxxkcxkcxcVVx 例題例題2-4 2-4 條件同例題條件同例題2-22-2，計算轉(zhuǎn)化率分別，計算轉(zhuǎn)化率分別為為8080、9090時所需平推流反應器的大小時所需平推流反應器的大小。 解：對解：對PF

28、RPFR33Rm45. 16018 . 018 . 041097. 1171. 0V3Rm26. 3V56代入數(shù)據(jù)代入數(shù)據(jù)x xA A=0.8=0.8時：時：x xA A=0.9=0.9時：時：3 3 變?nèi)莘磻^程變?nèi)莘磻^程 活塞流反應器是一種活塞流反應器是一種連續(xù)流動連續(xù)流動反應反應器，可以用于器，可以用于液相反應液相反應，也可以用于，也可以用于氣氣相反應相反應。用于。用于氣相反應氣相反應時，有些反應，時，有些反應，反應前后摩爾數(shù)不同反應前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)，在系統(tǒng)壓力壓力不變不變的情況下，反應會引起系統(tǒng)的情況下，反應會引起系統(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。物

29、流體積的改變必然帶來反應反應物濃度物濃度的變化，從而引起的變化，從而引起反應速率反應速率的變的變化?；?。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物系體積變化給反應速率帶來的于反應物系體積變化給反應速率帶來的影響。影響。58膨脹因子膨脹因子59SRBAsrba0SRBAISRBAI反應式：反應式：計量方程：計量方程：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計量的膨脹因子等于反應計量系數(shù)的系數(shù)的代數(shù)和代數(shù)和除

30、以除以A A組分計量系數(shù)。組分計量系數(shù)。 膨脹因子是由膨脹因子是由反應式反應式?jīng)Q定的，一旦反應式確決定的，一旦反應式確定，膨脹因子就是一個定，膨脹因子就是一個定值定值，與其它因素無，與其它因素無關(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，引起反應物系摩爾時，引起反應物系摩爾數(shù)的變化量。對于恒壓的氣相反應，摩爾數(shù)數(shù)的變化量。對于恒壓的氣相反應，摩爾數(shù)的變化導致反應體積變化。的變化導致反應體積變化。A A=0=0是摩爾數(shù)不變的反應，是摩爾數(shù)不變的反應，反應體積不變反應體積不變。62A A00是摩爾數(shù)增加的反應，是摩爾數(shù)增加

31、的反應，反應體積增加反應體積增加。A A00是摩爾數(shù)減少的反應，是摩爾數(shù)減少的反應，反應體積減反應體積減小小。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)，因此引入第二個參數(shù)物的存在等有關(guān)，因此引入第二個參數(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

32、以推導出：可以推導出：65AA0Ay000nnyAA其中：其中：5 5變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系變?nèi)葸^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得到。可以由以下推導得到。AAA0AAII0AA0A0AAI0III11xxccxVxnnVncAAA0AA11xxcc67對于對于A組分組分： 例題例題2-5 2-5 均相均相氣相氣相反應反應A3RA3R，其動力學方程為，其動力學方程為- -r rA A= =k kc cA A，該過程在，該過程在185185，400kPa400kPa下在一平推下在一平推流反應器中進行，其中流反應器中進

33、行，其中k k=10=10-2-2s s-1-1，進料量，進料量F FA0A0=30kmol/h=30kmol/h，原料含，原料含5050惰性氣，為使反應惰性氣，為使反應器出口轉(zhuǎn)化率達器出口轉(zhuǎn)化率達8080，該反應器體積應為多大，該反應器體積應為多大? ?68692113A解：該反應為解：該反應為氣相反應氣相反應A3RA3R 已知已知y yA0A0=0.5=0.5，因此，因此A A=y=yA0A0A A=1=1 平推流反應器設(shè)計方程平推流反應器設(shè)計方程A0AA0Adxrxc8 . 00AA0A0AA0AddAkcxcrxcx8 . 00AAA8 . 00AAA0AA0Ad1110011dxxx

34、xxkcxc707130R1313008 . 00AAm4 .381587. 08 .241sm1587. 0hm2 .57140018515.273314. 85 . 0/30s8 .2411ln2100VVpRTFVxx 例例2-62-6在一個在一個平推流平推流反應器中，由反應器中，由純乙烷純乙烷進料裂解制乙烯。年設(shè)計生產(chǎn)能力為進料裂解制乙烯。年設(shè)計生產(chǎn)能力為1414萬噸乙烯。反應是萬噸乙烯。反應是不可逆的一級反應不可逆的一級反應，要求乙烷轉(zhuǎn)化率達到要求乙烷轉(zhuǎn)化率達到8080，反應器在，反應器在1100K1100K等溫，恒壓等溫，恒壓600kPa600kPa下操作，已知反下操作，已知反應活

35、化能為應活化能為347.3kJmol347.3kJmol-1-1 ，溫度，溫度1000K1000K時，時，k k=0.0725 s=0.0725 s-1-1 。設(shè)計。設(shè)計工業(yè)規(guī)模的管工業(yè)規(guī)模的管式反應器式反應器。72反應器反應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進料進料乙烷的摩爾流率是：乙烷的摩爾流率是：75110001100

36、10001100314. 8103 .347K110010001100100011001000011000K1000K11000s23. 3e0725. 0eeee3kkkkkkkRERERERTE計算計算1100K時反應速率常數(shù)：時反應速率常數(shù)：7611111A111AA0Ay膨脹因子：膨脹因子：膨脹率：膨脹率：進口體積流量：進口體積流量：1333000A0sm34. 3106001100314. 810219. 0pRTFVA0AA0A0RdxrxcVV77 平推流反應器設(shè)計方程平推流反應器設(shè)計方程8 . 00AAAA0A000AA0A0R11ddAxxkcxcVkcxcVVAx8 . 0

37、0AAA8 . 00AAA0d1123. 334. 311dxxxxxkxV7838 . 00AARm50. 21ln203. 1xxV6 6 流體在平推流反應器中的真實停流體在平推流反應器中的真實停留時間留時間 由平推流反應器的定義可知，流由平推流反應器的定義可知，流體在反應器內(nèi)不存在任何返混，所體在反應器內(nèi)不存在任何返混，所有流體微元的真實停留時間都有流體微元的真實停留時間都等于等于平均停留時間。平均停留時間。79 如果反應物系體積縮小，停留時間將如果反應物系體積縮小，停留時間將大于空間時間。大于空間時間。80 恒壓變?nèi)莘磻銐鹤內(nèi)莘磻?，由于反應物系體，由于反應物系體積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真

38、實停留時積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實停留時間與空間時間間與空間時間不同。不同。 如果反應物系體積如果反應物系體積膨脹膨脹，流體流速將，流體流速將逐漸加快，停留時間將逐漸加快，停留時間將小于小于空間時間；空間時間；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) 全混流反應器（全混流反應器（CSTR)CSTR)n全混流反應器又稱全混釜或連續(xù)流動充全混流反應器又稱全混釜或連續(xù)流動充分攪拌槽式反應器，簡稱分攪拌槽式反應器，簡稱CSTR

39、CSTR。流入反。流入反應器的物料，在應器的物料，在瞬間瞬間與反應器內(nèi)的物料與反應器內(nèi)的物料混合均勻，即在反應器中各處物料的溫混合均勻，即在反應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 全混流反應器特性全混流反應器特性 連續(xù)、穩(wěn)定流動，是一連續(xù)、穩(wěn)定流動，是一定態(tài)過程定態(tài)過程。85 物料在反應器內(nèi)物料在反應器內(nèi)充分返混充分返混； 反應器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；反應器內(nèi)各處物料參數(shù)均一； 反應器的反應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5月29日星期日2 2 、反應器中其他時間表示方法、反應器中其他時間表示方法 反應物料進入反應器后，從

40、實際發(fā)生反應的反應物料進入反應器后，從實際發(fā)生反應的 時刻起到反應達某一程度的時間。時刻起到反應達某一程度的時間。指反應物粒子從進入到離開反應器的時間指反應物粒子從進入到離開反應器的時間對于對于間歇反應器間歇反應器和和平推流反應器平推流反應器，反應時間和停留時間相同反應時間和停留時間相同對于對于全混流反應器全混流反應器，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)停留時間不同，具有停留時間的分布，此時常用平均在器內(nèi)停留時間不同，具有停留時間的分布，此時常用平均停留時間來表征。停留時間來表征。1）反應時間反應時間：2）停留時間）停留時間：2022年5月29日星期日反應器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速反應器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速之比。之比。 vVtR3）平均停留時間與）平均停留時間與空時空時t和和含義不同含義不同:非恒容過程，非恒容過程，兩者不同。兩者不同。平均停留時間平均停留時間：0vv 恒容過程恒容過程兩者是一致的兩者是一致的3 3 設(shè)計