第七八章-化学反应器.ppt

2 .按操作方法分类，分批式：供给-反应-原料，以下循环连续式：供给-反应-原料同时半连续式：材料连续，材料分批，均匀釜，管不均匀塔，床，等温反应器，温度变化可以忽略温度变化反应器，热交换，t为隔热反应热被生成物带走，3 .按反应物的相状态分类4 .按温度变化2 .反应器内的材料的流动状况材料的滞留时间分布1 .理想排除流动模型活塞流滞留时间t完全相同反应器内的材料的流动，像汽缸内的活塞的平移一样，排列头，在垂直于流动方向的截面上各质点的u 前后进入反应器的材料马上充分混合分布，任意时刻的出口浓度与反应口内的浓度相等。 品种的停留时间分布在0区间。 因为停留时间对反应结果有很大影响，所以提出了理想流动模型的概念，并以理想流动模型中的停留时间分布作为实际反应器的参考依据。7-0动力学的基本概念1、化学反应速度的定义式为反应：1定义、定容时：注意： v-反应物体积、v0-起始反应物体积、VX-转化率为xA时的反应物体积VR-反应器的有效容积vt-反应器的总容积v0-反应物的开始体积流量、2定义、浓度定义的速度、摩尔流量来定义dCA=-CA0*dxA，流动反应体系：速度原始定义：541-21，7-2间歇操作搅拌釜式反应器间歇釜一，间歇釜的特征1 .间歇操作、投入、温度调节、排出、清洗等辅助时间t 。 2 .釜内CA、xA、(-rA)t反过来变化，但不随位置而变化。 3 .各材料微组的t-stop相等。 二、反应时间的计算1 .基本式是反应釜整体在dt内用材料平衡计算a成分：(浓度随时间变化，不随位置变化，因此需要时间微分) dt内： a的进入速度=A的流出速度a的消耗速度a的积蓄速度2 .解析法， 已知动力学方程式的反应体系a .一次反应等温等容反应(-rA)=kCA=kCA0(1-xA )、VR=V0=Vx、xA:A的转化率、-、541-15，3、3 .解析法仅求出CA(-rA )或xA(-rA )的数据，速度方程式1-16 2.反应器的总容积vt应根据反应体系的发泡、沸腾等因素设定vt VR:VR/vt=充电系数(0.50.8 )，注意： v0的单位与时间单位一致，三，间歇反应釜容积的计算1 .有效容积：VR为反应釜使原料体积流量为v0m3/h。 反应时间内流入缓冲池的反应物与v0*t相反，投入、排出、清洗等辅助时间内流入缓冲池的反应物为v0*t ，反应器的有效容积为：4，原料的体积流量v0的计算，05141-23、G反应物质量流量反应物质的密度， F反应物质摩尔流量FA0A成分的起始摩尔流量，例2 :用间歇釜进行己二酸a和己二醇等的摩尔比酯化反应，每天处理2400kgA，解：为了知道二次反应、a、b等的消耗，每天处理2400kgA，每小时(-rA)=kCACBk=1.97升/kmolmin、kmol/h、541-21、次级：t与xA和CA0两者有关。 假设例2(7-1)解： t1/t2=1，即，对于二次反应，xA从00.9开始的时间是xA从0.90.99开始的时间的十分之一。 反应级数n越大，xA越高，反应时间就越快，所以对于高阶数的反应，必须设法使某廉价的原料过剩，反应级数n来减少反应时间。 变成模拟一级反应后，转化率达到99%的时间只是本来所需时间的1/21.5，大幅缩短了。一般地，当n H2O : NCO=4 6:153336501时，在二次反应中，在a的剩馀浓度低的情况下，能够增大开始浓度CA0来提高产量，但t=少。 例4 :练习问题10乙酸a丁醇B酯D H2OEP16607411618每天的酯2400kg解：液相酯化反应-定容(a和b的加入比1:4.97，摩尔比)，例3(7-2)在二次反应中使CA0为1和5kmol/m3 7-4管式反应器-平推流反应器-活塞流反应器plugflowreactor(PFR )，1 .管式反应器的特征：将管式反应器中的流体流动理想化为没有摩擦力的反应器，CA、(-rA )、xA根据管长l变化，但同一截面是一定的。 各材料微集团的t停相等。 (作为理想的排除流动模型)、管式反应器的基本设计方程式、2 .设计方程式CA、(-rA )、xA随着管长l的变化，只能在dVR内计算a成分的材料平衡：稳定流动反应过程中没有积蓄。 a的进入速度=A的流出速度a的消耗速度，tS=VR/v0空间时间，fa=fa0(1- xa )=v0ca0dx(2) (-ra ) * DVR=-DFA=v0ca0dx，fa=fa DFA (-ra ) * DVR 141-22 tS=VR/v0空间时间容量变化过程：？0，分子数增加，使t停止，ts 当成为0时，分子数减少，使t停止。 1 .定容反应过程fa=fa0(1-xa)v0=v=vf8756； CA=ca0(1-xa)dca=-ca0dxa、分析法：对等温一次反应：AR， 541-18，对二次等温反应： 2AR S，例5:8-5P34例8-2的反应，分析法求解： 141-17对xa1/(-ra )曲线图，曲线下0xA间的面积为：ca对1，2 .对于非定容的气相反应， 222222喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓653，以a为关键成分，以xA表示反应的转化率，反应为：VnTxA，首先寻找nTxA，对容量变化(气体)的反应：(na0 ) 1.a的起始摩尔分数，8756； nt，2 .(用A=0还原)，3.4.5.pa-xa，首先，任意时刻a的摩尔分数za :pa=p * za，p-xa，rA-xA， 求141-24，对可变容量一次反应设计方程式：对二次反应：对二次反应：化材3 7-5全混流反应器(理想混合反应器) 1，特征： (CSTR ) 1，连续操作，供给，反应，排出2、CA、(-rA )、xA不随时间和位置而变化，是一定的值。 3、在反应器内强返回的滞留时间不同的材料粒子间的参照的各材料微小团的滞留时间t分布在0的区间。 混合几何位置不同的材料粒子之间的参照。 间歇釜：有混合，无混合。 管式反应器：无混合，无返回混合。 全混流反应器：有混合，还有混合。 二、设计方程式：在稳定流动、稳定反应过程中，在反应器整体上平衡计算a成分：无蓄积：or :均为一定值，541-24，由于在该釜中只进行液相反应，所以定容反应：即v0CA0 xAf=(-rA)VR，1，解析法对一级反应：对二级反应：全混流例如：8-6P36解：二级反应：2，图式解法：相对于(-rA )一定值，因此求出1/(-rA )，在xA1/(-rA )坐标图上画出高度：1/(-rA )，长度： xA的长方形，其面积s为：或：哦图：=VR/v0可以求出VR，3.CA、xA根据有效容积变化的关系图，7-6的折回混合对简单反应的影响，1 .通过折回混合，反应物的浓度进入釜的瞬间与出口浓度相等，总是以低的CA、(-rA )反应2 .因为反应以低的CA进行，所以达到相同xA所需的t相反地长，VR大。 例6(8-6):xA管式间歇釜串联釜N=2全混流反应釜0.81.452.163.177.234 m 30.93.253.436.7932.55 m3:全混流反应釜的VR远大于其他类型的反应器。 141-25、241-25、7-7多级串联反应器1-18、间歇釜、管式反应器、全混流反应器中，全混流反应器中的CA、(-rA )、xA一定，温度、浓度随处一致，操作稳定，控制和自动化容易，产品质量稳定。 但是反应速度低，同样的xA需要VR，投资巨大，为了克服这个缺点逐渐减小CA，用n个小釜代替一个大釜，具有温度、浓度一致，操作稳定，产品质量均匀的优点。 图：间歇釜，管式反应器，全混流反应器，3，xA，VR，并且VR比xA快得多。 4、xA、(VR)P、(VR)S，并且(VR)S比(VR)P快得多。 N=1全混流反应器的返回混合度最大，分布为0-，CA-VR曲线为n个步骤，xA1、xA2、xAn、xAn分别是第一釜、第二釜、第n釜、第n釜的累积转化率，第n釜内的转化率为xAn-xAn-1 图：n反映了反应器的返回程度，实际反应器中经常使用的n表示返回程度的大小。N=管式反应器-无回归混合，=常数，14541-25，二，设计方程式由于多级串联反应器通常仅进行液相反应，所以被视为定容反应。 各小釜内CA、(-rA )不会根据时间t和位置而变化，因此，每个小釜都是全混流反应器，因此，可以对每个釜应用全混流反应器的设计方程式，求出每个小釜的容积，可以求出反应器的总容积。 全混流反应器的设计方程式为：第一釜中：一、多级串联反应器的特征各小釜内CA、(-rA )不随时间变化，随位置而变化，存在强的返回混合，t分布在t1t2区间，但CA、(-rA )随n而变化。 整个反应器存在一定程度的返回混合，各材料微观团的t分布在t1t2区间。 式中： CAn第n釜的出口浓度从1n釜下降到CAn，第n釜的浓度变化量不是CA0-CAn，而是CAn-1-CAn。 在第n釜中有：在第二釜中有：.xan-第n釜的出口转化率，在第n釜中不是上升到了xAn-xAn-1，而在第n釜中上升到了xAn-xAn-1。 1 .解析法：适用于已知的动力学方程式及n、VRi、Ti、v0的反应体系，(1)每釜求xAn，(2)知道各釜，每釜计算的话，可求VR1、VR2、VRT。 例7:8-7(P39 )，与例8-5和8-6比较，解：液相(定容二级反应)，根据上式，在k=9.48h-1、CA0=1kmol/m3、xa3=0、解：全混流反应器中进行时：各釜出口浓度：0513331 - 对于第I釜：第I釜的出口转化率必须同时满足上式。 如果解这个方程式，就可以在xA-(-rA )上画两条线，对应于两条线交点的xAi是方程式的解，(1)xan :已知的k，n或xA-(-rA )数据(等温反应) a.xa-(-ra )动力学曲线MN，b .作为第一釜操作线，(切片为0 )。 对于第二釜操作线切片、求出的、倾斜的、求出的操作线方程式，在(-rA2)=0时，xA2=xA1，即第二条操作线过(xa 1，0 )点。 因此，(xa1，0 )和倾斜，线平衡。 同样，可以有n条平行操作线，与第n条操作线和动力学曲线的交点相对应的xA为xAN。(两条操作线的斜率可能不同)。在VR1=VR2的情况下，可以制作第二条操作线，交点xA2，各小釜的t和VR不同的情况下，应该制作n条不同的动力学曲线和n条倾斜不同的操作线，从n釜的操作线和第n条动力学曲线的交点求出：则通过两个操作，(2)等容各小釜的体积VRi和vrr (等温反应)，a，动力学曲线MNb，n条操作线：假设从原点开始倾斜，相同倾斜的操作线为n条，第n条操作线与动力学线的交点相对应的xAxAN。 否则，假设您要重试，直到斜率正好匹配。 根据c、作业线的倾斜，例9:(8-8)P40基于例8-5的数据，求出用4个等容小釜串联连接的情况下的VRT。 根据解(-rA)-xA的关系式，求出动力学数据(xA=0.8)，制作xA的组，对应的(-ra ) xa 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 (-ra )1. 891.531.210.93 根据表的数据作成动力学曲线的b，作为釜操作线：从原点开始，以与第4条操作线和动力学曲线的交点对应的xA0.8为斜率，以假定VRnVRT(1.58m3 )的斜率求出。 表8-4:P42的作业P45(11 )，a，描绘动力学曲线b，作业线：从原点开始，斜率为、(3)，求出釜数n :已知的k、n或xA-(-rA )数据，以及到与某作业线和动力学曲线的