物料衡算

1 V C C C A0 ( X 2 X 1 ) A2 2 A1 第二釜： 2 2 v0 rA 2 kC A0 (1 X 2 ) 2 1 X 2 0.382 kC A0 1 2 2 (1 X 2 ) X 2 0.568
实际反应器相当于两个 等体积CSTR串联的效果
X
0
F 0 dX A2 rA kC A0
1 1 X X 4 ) 2 dX ( 0 1 X
1 1 X 0.8 4 ) 2 dX 2.90 kC A0 ( 0 1 X
附录A :

X
0Hale Waihona Puke Baidu
1 X 2 (1 )2 X ( ) dx 2 (1 ) ln( 1 X ) 2 X 1 X 1 X 16
假设一些列X，通过软件计算得到相应的T
9
• X~T计算结果汇总
X 0.014 T 250
0.041 260 0.105 270
60
0.217 280
0.363 290
0.500 300
0.558 310
0.486 320
0.360 330
0.246 340
0.162 350
50
40
X(%)
30
20
2 2 rA kC A kC A0 (1 X ) 2
预测CSTR中，X 0.50 C A0 C A C A0 X V 2 v0 rA kC A0 (1 X ) 2 X kC A0 2 2 (1 X )
用于后续计算
4
假设实际CSTR相当于两个等体积的CSTR串联 1 V C C C A0 X 1 A1 2 A0 第一釜： 1 2 v0 rA1 kC A0 (1 X 1 ) 2 1 X1 kC A0 1 2 2 (1 X 1 ) X 1 0.382
2 不可逆气相基元反应 A B : rA kC A 2 ' FA 0 1 ' 1 1 1 2 1 ( 2) ' , y A0 , y 'A0 FC 0 2 3 3 2 6
C
' A0
y 'A0 p0 1 2 CT C A0 RT0 3 3
2 A ' 2 A0

14
• P4-12B 在一个等温管式（活塞流）反应器中， 发生不可逆气相基元反应2A→B。反应物A和稀 释剂C以等摩尔比加入，A的转化率为80%。
• 如果A的摩尔进料流率减少一半，C的摩尔流率保 持不变，那么A的转化率为多少？ • 假设气体的理想性和反应器的温度保持不变 • （选自加利福尼亚职业工程师考试）
X 0
dX rA

k l n
1 1 X

1 1 ln 0.2h 5 1 0.632
( 2)实际的情形： PFR : k 1 l n CSTR : k 2 1 1 X1 5( 0.2 2 ) l n 5 2 1 1 X1
X 2 X1 1 X2
0.586 X 1 1 0.586
其中： 1 2 0.2h X 1 0.351, 2 0.114h VCSTR 2 0.114 0.568 V 0.2
19
Polymath求解源程序
• • • • f(t) = 5 * (0.2 - t) - ln(1 / (1 - x)) f(x) = 5 * t - (0.586 - x) / (1 - 0.586) x(0) = 0.5 t(0) = 0.1
13
• 参数估计：
T1 800 F 299.83 K E 1 1 k ( 260 F ) k (T1 ) exp[ ( )] R T1 T2
0
0.0015 25000 1 1 exp[ ( )] 54.978 min 1 min 1.987 299.83 399.83
预测CSTR中，T 300K , X 0.50 V v0 C A0 X X2 2 kC A0 [(1 X ) 2 ] Kc X X (1 X ) 15
2 2
k ( 300K )C A0
2.1428
7
CSTR中，任意温度T下 E 1 1 k (T ) k ( 300K ) e xp[ ( )] R 300 T C A0 X V X2 v0 2 2 kC A0 [(1 X ) ] Kc
15
2 不可逆气相基元反应 A B : rA kC A 2
(1)
FA 0 y p 1 2 1 1 1, y A0 0.5, y A0 0.5 , C A0 A0 0 CT FC 0 2 4 RT0 2
2 A 2 A0
1 X 2 rA kC kC ( ) 1 1 X 4 PFR中，V FA0
始压力为10atm，温度为118℃，压降参数α等于
0.01g-1
21
• （1）计算维持出口压力高于1atm时能够使 用的催化剂的最大质量。
气相酯化反应：A B C D rA kC A , k 1.2 L /( gcat m i n ), 0 FA 0 PBR反应器中， 1, F0 10mol / m i n FB 0 p0 10atm, T0 118 273K , 0.01g 1 要求p出 1atm, mcat ,max ?
5
• （2）考虑该反应可逆的情况:
– 在300K时，Kc=15且ΔHRX=-25000cal/mol。假设在 300K时测定的间歇数据是准确的且E=15000cal/mol – 为了达到最大的转化率，你推荐的CSTR操作温度?
6
二级可逆液相反应：
2 CB X2 2 2 rA k (C A ) kC A0 [(1 X ) 2 ] Kc Kc
1 X 2 4 1 X 2 2 rA kC kC ( ) kC A0 ( ) 1 1 9 1 X 1 X 6 6 1 1 X X dX 9 FA 0 X ' 6 ) 2 dX PFR中，V FA0 ( 2 0 r 8 kC A0 0 1 X A 1 1 X 9 X 6 ) 2 dX 2.90 kC A0 ( 8 0 1 X X 0.757
X2 (1 X ) 25000 4.184 1 1 15e xp[ ( )] 8.314 300 T 1 1 X 2.1428e xp[ 7548 7( . )] X2 300 T 2 (1 X ) 1 1 15e xp[ 125812( . )] 300 T 采用Polymath 求解，做出X ~ T曲线
20
• P4-18B 乙酸乙酯是一种广泛使用的溶剂而且能 够通过乙酸和乙醇的气相酯化作用生成。在填充
床反应器中用微孔树脂做催化剂时这个反应被研
究[Ind. Eng. Chem. Res., 26(2),198(1987)] • 该反应对乙醇为一级反应而对乙酸是拟零级反应 • 乙酸和乙醇等摩尔进料时，反应速率常数为1.2L/ (gcat· min)，总摩尔进料流率为10mol/min，初
18
一级气相分解反应A B : rA kC A y A0 1, v 0 5 ft 3 / h, k 5.0h1 预计：PFR, X 0.632 实际：PFR CSTR PFR, X 0.632 92.7% 0.586 (1)预计的情形： PFR : V FA0
FB FA0 X
0
FA0
0.2874 lbmol 0.3193 0.9 min
0
719.69 T 260 F 260 459.69 719.69 R 399.83 K 1.8 P 132 ln/ in2 132 0.068046 8.9821atm y A0 p0 1 8.9821atm C A0 RT0 0.73 ft 3 atm /( lbmol R ) 719.69 R 0.01710 lbmol 3 ft
8
• f(X) = X / ((1 - X) ^ 2 - X * X / 15 / exp(12581.2 * (1 / 300 - 1 / t))) - 2.1428 * exp(7548.7 * (1 / 300 - 1 / t)) • t = 340.0 • X(0) = 0.5 • X(max) = 1 • X(min) = 0
FA0 1 0.3193 1 V ln ln kC A0 1 X 54.987 0.01710 1 0.9 0.782 ft 3 1 2 单根钢管体积： ( ) 10 0.05451 ft 3 4 12 0.782 故需要钢管数量： 14.3 （根） 0.05451
习题四——反应器的设计与操 作习题解答
浙江工业大学 化材学院
1
• P4-8B 一个液相异构化反应A→B，在1000gal的 CSTR反应器中进行，在该反应器的中部有一个 螺旋搅拌桨，液相从顶部进入而出口在底部。 • 该反应为二级反应 • 根据从间歇反应数据确定的反应速率常数预测的 转化率为50% • 而预测的转化率比测量的转化率X=0.57低约13%
10
0 240 260 280 300 320 340 360
10
P4-11B 气相反应A→B
• 80℉时，单分子反应速率常数0.0015min-1 • 该反应在10ft长、内径1 in的平行管式反应 器中，260℉和132 lb/in2的压力下进行的 • 要求B的生产能力为1000 lb/h。假设活化能 25kcal/mol，如果A的转化率达到90%需要 多少根管子？ • 假设符合理想气体定律。A和B的相对分子 质量均为58
1 p (1 m ) 2 p0 1 1 (1 0.01 m ) 2 10
0
H 1 1 K c (T ) K c ( 300K ) e xp[ RX ( )] R 300 T X k (T )C A0 X2 2 (1 X ) K c (T ) X
2
15000 4.184 1 1 2.1428e xp[ ( )] 8.314 300 T
2
• （1）提出这种差异的原因，并建议能使预测转化 率与测量转化率更为吻合的措施。用计算支持你 的建议。 • 分析：实际反应器转化率高于CSTR反应器转化 率，说明实际反应器中的返混程度低于CSTR。 因此可考虑多釜串联的组合来模拟实际反应器
• 最简单的情形为串联釜数 n=2
3
对于二级不可逆液相反应：
11
• ①PFR设计方程
dX FA0 rA dV
• ②反应速率方程
• ③化学计量学
rA kC A
v v0
FA CA C A0 (1 X ) v
FA 0 1 V ln kC A0 1 X
12
• 参数估计：
1000lb 1h 1lbmol lbmol FB 1000lb / h 0.2874 1h 60 min 58lb min
可用polymath求解
17
• P4-16B 对一级气相分解反应A→B，当纯A以 5ft3/h流率进料时要使63.2%A转化为B，需设计 一个等温恒压活塞流反应器。 • 选定的温度下，反应速率常数k=5.0h-1。 • 当反应器安装并投入运行后，发现仅能达到期望 转化率的92.7%。这个差异被认为是由于反应器 中流体的扰动产生了一个强烈的返混区域。 • 假设这个区域像一个被串联在两个活塞流反应器 之间的完全混合的搅拌釜式反应器，该区域占有 的体积为整个反应器体积的多大分率？