反应器选择理论计算

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,10/18/2013,#,第三,章 反应器理论计算,化学反应计量式,化学反应计量式（化学反应计量方程）,是一个方程式，允许按方程式的运算规则进行运算，如将各相移至等号的同一侧。,化学反应计量式只表示参与化学反应的各组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以进行的程度无关。,化学反应计量式不得含有除,1,以外的任何公因子。具体写法依习惯而定，,与,均被认可，但通常将关键组分（关注的、价值较高的组分）的计量系数写为,1,。,反应程度（反应进度）,引入“反应程度”来描述反应进行的深度。,对于任一化学反应,定义反应程度,式中，,n,I,为体系中参与反应的任意组分,I,的摩尔数，,I,为其计量系数，,n,I0,为起始时刻组分,I,的摩尔数。,转化率,目前普遍使用着眼组分,A,的转化率来描述一个化学反应进行的程度。,定义,化学反应速率,反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时间的变化率,常用的还有以反应体系中各个组份分别定义的反应速率。,n,A,：反应体系内，反应物,A,的摩尔数；,V,：反应体积,t,：时间,以反应物,B,为基准定义的反应速率为：,以反应产物,C,为基准定义的反应速率为：,化学反应动力学方程,对于体系中只进行一个不可逆反应的过程，,式中：,c,A,，,c,B,：,A,，,B,组分的浓度,mol.m,-3,k,c,为以浓度表示的反应速率常数，随反应级数的不同有不同的因次。,k,c,是温度的函数。,10,k,c0,：指前因子，又称频率因子，与温度无关，具有和反应速率常数相同的因次。,E,：活化能，,Jmol,-1,，从化学反应工程的角度看，活化能反映了反应速率对温度变化的敏感程度。,把化学反应定义式和化学反应动力学方程相结合，可以得到：,直接积分，可获得化学反应动力学方程的积分形式。,对一级不可逆反应，恒容过程，有：,由上式可以看出，对于一级不可逆反应，达到一定转化率所需要的时间与反应物的初始浓度,c,A0,无关。,半衰期,定义反应转化率达到,50%,所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。,例如，二级反应,14,化学反应器设计基础,物料衡算方程 物料衡算所针对的具体体系称体积元。体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。在这个体积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大。在这个体积元中对关键组分,A,进行物料衡算。,用符号表示：,更普遍地说，对于体积元内的任何物料，进入、排出、反应、积累量的代数和为,0,。,不同的反应器和操作方式，某些项可能为,0,。,几个时间概念,(1),反应持续时间,t,r,简称为,反应时间,，用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到所要求的反应程度或转化率所需时间，其中不包括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。,(2),停留时间,t,和,平均停留时间,停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。,(3),空间时间,其定义为反应器有效容积,V,R,与流体特征体积流率,V,0,之比值。即,空间时间是一个人为规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的时间。,空间时间不是停留时间,简单混合与返混,若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。,如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。,间歇反应器,(No.1),间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。,间歇反应器,反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。,间歇反应器设计方程,反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积,V,R,作为衡算体系。在单位时间内，对组分,A,作物料衡算：,整理得,当进口转化率为,0,时，分离变量并积分得,为,间歇反应器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率,x,A,所需的反应时间,t,r,。,23,平推流,反应器,(No.2),理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。,24,理想置换反应器的设计方程,在等温理想置换反应器内，物料的组成沿反应器流动方向，从一个截面到另一个截面不断变化，现取长度为,d,z,、体积为,d,V,R,的一微元体系，对关键组份,A,作物料衡算，如图所示，这时,d,V,R,=,S,t,d,l,，式中,S,t,为截面积。,25,进入量,-,排出量,-,反应量,=,累积量,故,F,A,-(,F,A,+d,F,A,)-(-,r,A,)d,V,R,=0,由于,F,A,=,F,A0,(1-,x,A,),微分,d,F,A,=-,F,A0,d,x,A,所以,F,A0,d,x,A,=(-,r,A,)d,V,R,为平推流反应器物料平衡方程的微分式。对整个反应器而言，应将上式积分。,26,上式为平推流反应器的积分设计方程。,流体在平推流反应器中的真实停留时间,由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。,28,全混流,反应器,(No.3),连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。,29,全混流反应器,全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称,CSTR,。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。,全混流反应器基本设计方程,全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积,V,R,为物料衡算体系，对组分,A,作物料衡算。,整理得到：,恒容条件下又可以简化为：,32,非理想流,反应器,(No.x),非理想流反应器。物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。,等温条件下进行醋酸,(A),和丁醇,(B),的酯化反应：,CH,3,COOH+C,4,H,9,OH=CH,3,COOC,4,H,9,+H,2,O,醋酸和丁醇的初始浓度分别为,0.2332,和,1.16kmolm,-3,。测得不同时间下醋酸转化量如表所示。,试求反应的速率方程。,例,1.,求,反应的速率方程,34,解：由于题目中给的数据均是醋酸转化率较低时的数据，可以忽略逆反应的影响，而丁醇又大大过量，反应过程中丁醇浓度可视为不变。所以反应速率方程为：,35,将实验数据分别按,0,、,1,和,2,级处理并得到,t,-,f,(,c,A,),的关系,36,37,从图可知,，该,反应对醋酸,为,一,级反应，而,丁醇的反应级数,m,可以用保持醋酸浓度不变的方法求得，二者结合可以求得反应在此温度下的速率常数,k,。,38,例,2.,间歇反应器衡算,某,厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在,70,用间歇釜并以,H,2,SO,4,作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：,c,A0,=4 kmol.m,-3,39,若每天处理,2400kg,己二酸，每批操作辅助生产时间为,1h,，反应器装填系数为,0.75,，求：,(1),转化率分别为,x,A,=0.5,，,0.6,，,0.8,，,0.9,时，所需反应时间为多少,?,(2),求转化率为,0.8,，,0.9,时，所需反应器体积为多少,?,40,解：,(1),达到要求的转化率所需反应时间为：,x,A,=0.5,x,A,=0.6,t,r,=3.18h,x,A,=0.8,t,r,=8.5h,x,A,=0.9,t,r,=19.0h,41,(2),反应器体积的计算,x,A,=0.8,时：,t,t,=,t,r,+,t,=,8.5+1=9.5h,每小时己二酸进料量,F,A0,，己二酸相对分子质量为,146,，则有,：,处理体积为：,实际反应器体积,V,R,：,42,反应器有效容积,V,R,：,实际反应器体积,V,R,：,当,x,A,=0.9,时：,t,t,=19+1=20h,V,R,=0.17120=3.42m,3,V,R,=3.42,0.75=4.56m,3,43,例,3.,间歇反应器,衡算,条件同,上,，,计算转化率分别为,80,、,90,时所需平推流反应器的大小。,解：对,PFR,代入数据,x,A,=0.8,时：,x,A,=0.9,时：,44,例,4.,全混流（,CSTR,）反应器衡算,条件同,上,，,若采用,CSTR,反应器，求己二酸转化率分别,80,、,90,时，所需反应器的体积。,解,：已知,：,45,由设计方程,代入数据，,x,Af,=0.8,时,代入数据，,x,Af,=0.9,时,46,将上述,3,例结果,汇总,从上表可看出，达到同样结果间歇反应器比平推流反应器所需反应体积略大些，这是由于间歇过程需辅助工作时间所造成的。而全混釜反应器比平推流反应器、间歇反应器所需反应体积大得多，这是由于全混釜的返混造成反应速率下降所致。当转化率增加时，所需反应体积迅速增加。,