转化率和反应器的尺寸

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2.1 转化率的定义 Definition of Conversion
• 对通用反应
aA+bB→cC+dD
• 选择有限的反应组分A作为计算基准
b c d A B C D a a a
– 其它组分的量均以“每摩尔A”为基准
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2.2.2 流动系统
• FA0(mol/s)~CA0(mol/L)~v0 (L/s) 关系：
FA0 C A0 v0
– 对液相体系，CA0：摩尔浓度
– 对理想气体
C A0
p A0 y A0 p0 RT0 RT0
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pA yA p CA RT RT 浙江工业大学化材学院 刘华彦
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例2-1 用理想气体定律计算 CA0
• 由 50％A和50％惰性气体组成的混合物在 10atm(1013kPa) 和300℉(422.2K)时以 6 L/s 的流率进入反应器。计算A的入口浓度 CA0和入口摩尔流率FA0。
– 理想气体常数为 R＝0.082 L ·atm/(mol· K)
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2.1 转化率的定义
• 转化率X
– 进入体系的每摩尔A中已反应掉组分A的摩尔数
已反应的摩尔数 XA 进入系统的组分 A的摩尔数
– 简记： X≡XA
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2.2 设计方程 Design Equations
• 2.2.1 间歇系统
• 2.2.2 流动系统
2.2.2 流动系统
• CSTR或返混反应器
– 达到转化率 X所必需的 1 CSTR 体积 -rA
V FA0
FA 0 X V ( rA )exit
– 反应速率按出口条件进 行估算
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X
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2.2.2 流动系统
• 管式流动反应器（PFR）
– 反应组分A的摩尔衡算方程
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2.2.2 流动系统
Design Equations for Flow Reactors
• A组分的摩尔流率: FA0
• 反应掉的A组分的摩尔流率为FA0X
已反应的组分 A的摩尔数 FA0 X 时间
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2.2.2 流动系统
• CSTR或返混反应器
– 组分A 的摩尔衡算
V
Fj0 Fj rj
FA0 FA rAV FA0 X rAV FA 0 FA FA 0 X
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• 反应器中A的摩尔数NA
N A N A0 N A0 X N A0 (1 X )
• A组分的摩尔衡算
dN j dt
dN A ( rA ) V dt
N A0
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rj V
dX rAV dt
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2.2.1 间歇系统
FA FA0 (1 X )
Biblioteka Baidu
dFA rA dV
– 设计方程
dF j dV
rj
通用摩尔衡算方程 + 反应器流动混合特性
F j 0 F j r j dV
V
dN j dt
••• •••
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• 通用的摩尔衡算方程
F j 0 F j r j dV
V
预测反应器出口浓度
设计反应器大小
dN j dt
• 反应器流动特性 (B.R., CSTR, PFR, PBR) • 反应动力学：-rA ~ (Ci, T) • 化学计量学: Ci~Cj
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2.2.1 间歇系统 Batch Reactor Design Equation
• 间歇系统中：X=f (t)
• 经过反应时间t后:
A反应消耗 ＝N A0 X 掉的摩尔数
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2.2.1 间歇系统
1 dN A N A0 dX V dt V dt dX C A0 rA dt x ( t ) dX t C A0 0 ( rA )
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1 -rA
t CA0
X
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问题：
N A N A0 (1 X ) C A C A0 (1 X ) ?
• 变体积间歇反应器
Vdt N A0 dt N A0 dX ( rA )
dX ( rA ) V
• 应用初始条件：t=0，X=0积分
t N A0
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x(t )
0
dX ( rA ) V
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2.2.1 间歇系统
• 恒体积间歇反应器
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2.2.2 流动系统
• 离开系统的A组分的摩尔流率FA
进料中A的 系统内消耗的 离开系统的 摩尔流率 A的摩尔流率 A的摩尔流率 FA 0 FA 0 X FA
FA FA0 (1 X )
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求解方程
F j , N j ~ ? ~ rj
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第 2章 转化率和反应器的尺寸
Conversion and Reactor Sizing
本章主要内容
• 定义转化率X
• 给出由转化率X表示的设计方程 • 利用设计方程及给定的-rA~X关系，确定反 应器(CSTR、PFR)的大小
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• 解：对理想气体
C A0
– A的摩尔浓度
C A0
p A0 y A0 p0 RT0 RT0
0.5 10atm mol 0.144 0.082 L atm /( mol K ) 422.2 K L
– 入口的摩尔流率FA0
FA0 C A0v0 0.144 mol 6.0 l 0.867 mol l s s