第3讲 初等反应工程 Ch2 转化率和反应器尺寸

1、2022-5-12第三讲第三讲 初等反应工程初等反应工程Ch2 转化率和反应器尺寸转化率和反应器尺寸福建师范大学化学与化工学院 郭菊花郭菊花单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程第三讲 初等反应工程Ch1 摩尔衡算Ch2 Ch2 转化率和反应器尺寸转化率和反应器尺寸Ch3 速率方程和化学计量学Ch4 等温反应器设计Ch5 化学反应速率数据收集与分析Ch6 复合反应Ch7 生化反应（略讲，看时间）Ch8 稳态费等文反应器设计Ch9 停留时间分布Ch10 非理想反应器21. 对组分对组分 j的摩尔衡算，在一个体积为的摩尔衡算，在一个体积为V的系的系统中进入，离开，反应和积累的量为统中进入

2、，离开，反应和积累的量为0jVjjjdNFFr dVdt进入离开产生积累-+=复习复习 Ch1 2. 四种常见反应器内组分四种常见反应器内组分 A的摩尔衡算的摩尔衡算BatchCSTRPFRPBR无空间差异无空间差异,稳态稳态稳态摩尔衡算微分形式AAdNr VdtAAdFrdVAAdFrdW0AAAFFVrA0A1A1AFFdFVrA0AA1AFFdFWr代数形式积分形式3. 反应速率反应速率 rj 为为 只是反应物性质或反应条件的函数单相： 单位体积内物种j 的生成速率多相： 单位质量催化剂时物种j 的生成速率 强度量 (即, 其不依赖于总量) 代数方程，不是微分方程 2AArkCAArkC

3、e.g.,单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程第三讲 Ch2 转化率和反应器尺寸Page 62.0 2.0 概述概述2.1 2.1 转化率的定义转化率的定义2.2 间歇反应器设计方程2.3 连续流动反应器设计方程 2.3.1 连续搅拌釜式反应器 2.3.2 管式反应器 2.3.3 填充床反应器2.4 连续流动反应器设计方程的应用2.5 反应器串联 2.5.1 CSTR串联 2.5.2 PFR串联 2.5.3 CSTR和PFR组合串联 2.5.4 CSTR与PFR反应器体积的比较及串联顺序2.6 更多的定义 2.6.1 空时 2.6.2 空速2.7 小结单击此处编辑母版标题样式化学反

4、应工程化学反应工程2.0 概述u在摩尔衡算方程的基础上设计四种典型反应器的尺寸（V）u转化率: 反应过程向反应完全转化程度的量度u设计方程: 以转化率为变量改写所有摩尔衡算方程 -rA = f(X)uCSTR与PFR的比较u多个反应器的最佳组合方式u小结 转化率 vs. 反应器体积7单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.1 转化率的定义8ABCDabcdABCDbcdaaa每摩尔AXA=反应掉的A摩尔数A的进料摩尔数不可逆反应， XA,max = 1.0可逆反应，XA,max = Xe单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程第三讲 Ch2 转化率和反应器尺寸Page 92

5、.0 概述2.1 转化率的定义2.2 2.2 间歇反应器设计方程间歇反应器设计方程2.3 连续流动反应器设计方程 2.3.1 连续搅拌釜式反应器 2.3.2 管式反应器 2.3.3 填充床反应器2.4 连续流动反应器设计方程的应用2.5 反应器串联 2.5.1 CSTR串联 2.5.2 PFR串联 2.5.3 CSTR和PFR组合串联 2.5.4 CSTR与PFR反应器体积的比较及串联顺序2.6 更多的定义 2.6.1 空时 2.6.2 空速2.7 小结单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.2 间歇釜反应器设计方程10 A0AAAAANX 反应掉的 摩尔数反应掉的 摩尔数 消耗进

6、料摩尔数进料摩尔数反应掉的 摩尔数 消耗t时刻反应器中A的摩尔数在t = 0时刻进入反应器的A的摩尔数反应消耗的A的摩尔数=-AA0A0A01NNNXNX一般地AAdNr Vdt反应速率无空间差异: 无论反应器体积是否恒定，此式都是成立的AAdNrVdt 间歇反应器: 让反应物在反应器中停留多长时间可以达到一定的 转化率XA0AdXNr Vdt AA00dNdXNdtdtA0AdXNr Vdt设计方程(微分形式)AA0A0NNNX对于恒定体积 的间歇釜反应器，V=V0A0AA0AA/1d NVdNdCVdtdtdtdCrdtAAdNr VdtA0AdXNr Vdt 设计方程(微分形式)A0Ad

7、XdtNr VA00AXdXtNr V积分形式的设计方程单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程第三讲 Ch2 转化率和反应器尺寸Page 142.0 概述2.1 转化率的定义2.2 间歇反应器设计方程2.3 2.3 连续流动反应器设计方程连续流动反应器设计方程 2.3.1 2.3.1 连续搅拌釜式反应器连续搅拌釜式反应器 2.3.2 2.3.2 管式反应器管式反应器 2.3.3 2.3.3 填充床反应器填充床反应器2.4 连续流动反应器设计方程的应用2.5 反应器串联 2.5.1 CSTR串联 2.5.2 PFR串联 2.5.3 CSTR和PFR组合串联 2.5.4 CSTR与PFR

8、反应器体积的比较及串联顺序2.6 更多的定义 2.6.1 空时 2.6.2 空速2.7 小结单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.3 流动体系反应器的设计方程15AA01FFXA00AAFF XF对流动式反应器, 使用 F mol/s 和 X=离开系统的A的摩尔流率系统内消耗的A的摩尔流率进料中A的摩尔流率-液相: A00 0AFC v气相: 000000AAAPy PCRTRT0000000AAAy PFv CvRT00000AAAtFPyFP单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.3.1 CSTR17ABCDbcdaaa0jjjFFVrA0AAFFVrAA0A0F

9、FF XA0AexitF XVr其中CSTR:完全混合单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.3.2 PFR18AAdFrdV 摩尔衡算方程:AA0A0FFF XA0AdXFrdV A00AXdXVFr微分形式的设计方程积分形式的设计方程单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.3.3 PBR19A0AdXFrdW 摩尔衡算方程:A00AXdXWFrAAdFrdW微分形式的设计方程积分形式的设计方程单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程第三讲 Ch2 转化率和反应器尺寸Page 202.0 概述2.1 转化率的定义2.2 间歇反应器设计方程2.3 连续流动反应器

10、设计方程 2.3.1 连续搅拌釜式反应器 2.3.2 管式反应器 2.3.3 填充床反应器2.4 2.4 连续流动反应器设计方程的应用连续流动反应器设计方程的应用2.5 反应器串联 2.5.1 CSTR串联 2.5.2 PFR串联 2.5.3 CSTR和PFR组合串联 2.5.4 CSTR与PFR反应器体积的比较及串联顺序2.6 更多的定义 2.6.1 空时 2.6.2 空速2.7 小结单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.4 连续流动反应器设计方程的应用210.00.20.40.60.81.0024681012 FA0/(-rA)Conversion XPFR0.00.20.4

11、0.60.81.0024681012 FA0/(-rA)Conversion XCSTRVCSTR = 6.4 m3VPFR 2.2 m3A00 1 AAAAAFrrf CCCXX单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程第三讲 Ch2 转化率和反应器尺寸Page 222.0 概述2.1 转化率的定义2.2 间歇反应器设计方程2.3 连续流动反应器设计方程 2.3.1 连续搅拌釜式反应器 2.3.2 管式反应器 2.3.3 填充床反应器2.4 连续流动反应器设计方程的应用2.5 2.5 反应器串联反应器串联 2.5.1 CSTR 2.5.1 CSTR串联串联 2.5.2 PFR 2.5.

12、2 PFR串联串联 2.5.3 CSTR 2.5.3 CSTR和和PFRPFR组合串联组合串联 2.5.4 CSTR 2.5.4 CSTR与与PFRPFR反应器体积的比较及串联顺序反应器体积的比较及串联顺序2.6 更多的定义 2.6.1 空时 2.6.2 空速2.7 小结单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.5 反应器串联23Xi = 到达i点时反应掉的A组分总摩尔数进入第一个反应器的A组分的摩尔数AiA0A0iFFF X物料只只 进入串联的第一个反应器，无其它途径加入的物料或支流时。单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.5.1 CSTR串联24FA0-rA1FA1

13、, X1 = 0.4-rA2FA2, X2 = 0.8Reactor 1: A0A1A1 10FFr VA1A0A01FFF XReactor 2: 1A01A11VFXrA1A2A220FFr VA2A0A02FFF XA0221A2FVXXr0.00.20.40.60.81.0024681012 FA0/(-rA)Conversion XV1 = 0.82 m3V1 = 3.2 m3V1+V2 = 4.02 m3V = 6.4 m3Two CSTRs in seriesOne CSTR: 多个CSTR串联近似为PFR1234512345多个等体积Vi 的小CSTR串联，近似为PFRConv

14、ersion, XFA0/(-rA)(m3)单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.5.2 PFR串联272121A0A0A000AAAXXXXXXdXddFFFrrrFA0FA2 X2FA1 X1单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.5.3 CSTR与PFR组合串联28FA0, X = 0FA1, X1FA2, X2反应器 1A011A1F XVr反应器 2A0212A2FXXVr反应器 3A0AdXFrdV 32A03AXXFVdXrFA3, X3X2X1 FA0/(-rA)Conversion XX3V1V2V3例FA0/(-rA)Conversion, XX1

15、X2X3单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.5.4 CSTR与PFR反应器体积的比较及串联顺序31例例2-7单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程注意32u必须了解必须了解当反应速率已知或仅通过转化率的函数-rA=f(X)得到时，或通过一些中间计算得到时，就可以设计多个反应器或组合反应器。需要 -rA=f(X) 来确定流动反应器的大小Ch3 速率方程和化学计量学单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程第三讲 Ch2 转化率和反应器尺寸Page 332.0 概述2.1 转化率的定义2.2 间歇反应器设计方程2.3 连续流动反应器设计方程 2.3.1 连续搅拌釜式

16、反应器 2.3.2 管式反应器 2.3.3 填充床反应器2.4 连续流动反应器设计方程的应用2.5 反应器串联 2.5.1 CSTR串联 2.5.2 PFR串联 2.5.3 CSTR和PFR组合串联 2.5.4 CSTR与PFR反应器体积的比较及串联顺序2.6 2.6 更多的定义更多的定义 2.6.1 2.6.1 空时空时 2.6.2 2.6.2 空速空速2.7 小结单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.6.1 空时340V空时是基于入口条件处理整个反应器体积的流体所必需的时间。空时在没有流体分散时: mt（非理想流动）（非理想流动）考虑到流体的分散，使用平均停留时间, tm单击

17、此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程工业反应器的典型空时35反应器类型平均停留时间范围生产能力间歇釜15 min to 20 h10 min to 4 h0.5 s to 1 hFew kg/day to 100,000 t/a10 to 3,000,000 t/a50 to 5,000,000 t/a反应时间CSTR管式CSTR空时单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程一些工业反应的空时3626242C H C H + HPFR860C1 s空时温度反应器反应2532532C H OH + CH COOH C H COOCH + H OCSTR100C2 hr222CO +

18、 H O CO + HPBR300C4.5 s* 在管式反应器中，流动可能是也可能不是理想的平推流. 单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程2.6.2 空速370SVV1SV0liquidLHSVV0 STPGHSVV液体小时体积空速 气体小时体积空速单击此处编辑母版标题样式化学反应工程化学反应工程第三讲 Ch2 转化率和反应器尺寸Page 382.0 概述2.1 转化率的定义2.2 间歇反应器设计方程2.3 连续流动反应器设计方程 2.3.1 连续搅拌釜式反应器 2.3.2 管式反应器 2.3.3 填充床反应器2.4 连续流动反应器设计方程的应用2.5 反应器串联 2.5.1 CS

19、TR串联 2.5.2 PFR串联 2.5.3 CSTR和PFR组合串联 2.5.4 CSTR与PFR反应器体积的比较及串联顺序2.6 更多的定义 2.6.1 空时 2.6.2 空速2.7 2.7 小结小结小结1. 转化率转化率X是单位摩尔是单位摩尔A进料后反应掉的进料后反应掉的A摩尔数摩尔数对于间歇釜体系:A0AA0NNXN对于流动体系:A0AA0FFXF对于无支流的串联反应器AAiiX 到达 点时反应掉的 组分摩尔数进入第一个反应器的 组分的摩尔数2. 以转化率为变量，微分与积分形式的反应器设计以转化率为变量，微分与积分形式的反应器设计方程为：方程为：BatchCSTRPFRPBR微分形式代数形式积分形式A0AdXNr Vdt A0AoutoutinFXXVrA0AdXFrdV A0AdXFrdW A0AoutinXXdXWFrA0AoutinXXdXVFrA00AXdXtNr V3 3. .如果如果以转化率为变量的速率方程已知，如下的绘以转化率为变量的速率方程已知，如下的绘图技术可以用来确定图技术可以用来确定CSTRCSTR和和PFRPFR的体积。的体积。A0AoutoutinFXXVr0.00.20.40.60.81.0024681012 FA0/(-rA)Conversion XPFR0.00.20.40.60.81.0024681012 FA0/(-rA