化工原理 第七、八章 化学反应器超详细讲解
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v
对第一釜有:
v
对第二釜有:
................................................................................ .
对第n釜有: 式中:CAn——第n釜的出口浓度,是从1→n逐釜降为CAn的, 第n釜中的浓度变化量为CAn-1-CAn 。 xAn—第n釜的出口转化率, 是从1→n釜, 逐釜升至xAn 的, 第n釜中的转化率为xAn-xAn-1。 1.解析法:适用于已知动力学方程及N、VRi、Ti、v0的 反应体系
∵ dCA=-CA0*dxA
x
2.定义 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—反应器有效容积;VT —反应器总容积。
§7-2 间歇操作搅拌釜式反应器——间歇釜
一、间歇釜的特点
1.间歇操作,存在装料、调温、出料、清洗等辅助时间t`。 2.釜内CA, xA, (-rA)~t反变化,但不随位置变化。 3.各物料微团的 t停 都相等。
(-rA)*dVR= -dFA= v0CA0dx
管式反应器基本设计方程
tS=VR/v0—空间时间
tS=VR/v0—空间时间
变容过程:当Δν﹥0,分子数增加,使t停﹤tS (VR=10m3, v0=2m3/s,则tS=5 s,但由于体积膨胀使 t停↓,使物料不到5s 就离开了反应器);当Δν﹤0,分子数减少,使t停﹥tS 。
2.对非定容的气相反应(不作要求)
而 ∴需先找到(-rA)~xA关系,即先找CA~xA关系: ∵CA=nA/V ∴要找 nA~xA和 V~xA关系, 而nA=nA0(1-xA) 而V~nT~xA,先找nT~xA 摩尔数、反应体系体积。 对于变容(气体)反应: 以A为关键组分, 以xA表示反应的转化率, 则反应表示为:
dns 1.定义 rs d (V , t )
( r A) ( r B) ( r S) (dnA) : (dnB) : (dnS ) a : b : s ∴ a b s
dnA nA 0 dxA dxA (rA) nA 0 d (V t ) d (V t ) d (V t )
间歇釜
管式反应器
全混流反应器
由于全混流反应器中CA, (-rA), xA为定值,温度、浓度处处一 致,操作稳定,易于控制并实现自动化,产品质量稳定。但反应速 度低,在相同xA时所需VR大,投资巨大,为克服此缺点,设法使CA 逐步减小,即设法用N个小釜代替一个大釜,则既有温度、浓度一 致, 操作稳定, 产品质量均匀的优点, 又有(-rA)较高的优点。如图:
不论先后进入反应器的物料立即充分混合,均 匀分布,任意时刻的出口浓度与反应器内的浓度相 等。物料的停留时间分布在0→ ∞区间内。 由于停留时间对反应的结果产生很大的影响, 因而提出理想流动模型的概念,以理想流动模型中 的停留时间分布作为实际的反应器的参考依据。
§7-1动力学基本概念 一.化学反应速率的定义式 对于反应:
一级:
t反只与xA有关,与CA0无关,CA0/CA亦可表示转化率。
二级:
t反既与xA有关,又与CA0有关。
例2 设
t1/t2=1
即:对二级反应,xA从0—0.9的耗时是xA从0.9—0.99耗时 的十分之一。可见:反应级数n越大,xA越高,反应时间 增加越快,因此对高级数的反应,应设法使某一廉价原料 过量,以↓反应级数n,减少反应时间。
N=1 全混流反应器—返混程度最大, t 分布在0--∞ N=∞ 管式反应器—无返混, t =常数 N 反映反应器的返混程度,实际反 应器常用N表示返混程度的大小。
如图: CA-VR曲线变为N步阶梯
注意xA1, xA2, xAn , xAN 分别是第一釜,第 二釜,第n釜,第N釜的积累转化率,而第 n釜内的转化率为xAn-xAn-1。
FA0——A组分起始摩尔流量
例1:在间歇釜中进行己二酸A与己二醇B等摩尔比酯化反应,已知: (-rA)=kCACB k=1.97升/(kmol min)) 解:二级反应,A、B等摩尔消耗,故 每天处理2400kgA
每天处理2400kgA, 即每小时100kgA
kmol/h
0
§7-3 间歇釜中一级反应与二级反应的比较
4 pB--xA .5 来自A--xA .对于变容一级反应有设计方程:
对于二级反应:
对于二级反应:
§7-5 全混流反应器(理想混合反应器)
一、特点: (continuous stirred tank reactor,CSTR) 1、连续操作,进料、反应、出料 同时进行。 2、CA,(-rA),xA不随时间而变,亦不随位置而变,为一定值。 3、存在着强烈的返混——在反应器内停留时间不同的物料粒子之 间的掺合——各物料微团的停留时间t停分布在0→∞的区间内。
第二篇
化学反应工程
一、研究内容:工业反应器的分类及正确选择,合理设计,有效放 大,最优化控制及反应器的评价。
二、研究方法:结合微观动力学方程和宏观传递过程两方面的规律 建立起描述反应器内各参数的数学模型( xA~t反=t停 ~VR ) 对反应器而言,总希望达一定转化率,所需反应器体积最小, 或生成的目的产物最多,这与反应的动力学特征、反应器的结构特 征及操作方法有关,一般是从这两方面入手得到设计方程。
第七章
基本反应器
§7--0 概述 一、反应器分类 釜式:间接加热的搅拌容器——液相反应 管式:平式直管,传热效果好——气相反应 1.按结构分类 塔式:直立圆筒——气液相反应 固定床 P21 床式:直立圆筒——气固相反应 流化床
2.按操作方法分类
间歇式:加料—反应—出料,下一循环 连续式:加料—反应—出料同时进行 半连续式:一种物料连续,一种物料间歇 均相——釜、管 非均相——塔、床 等温反应器,温度变化可忽略 变温反应器,换热,T仍显著变化 绝热反应器,不换热,反应热由产物带走
作业:
P44 1、3
酸A+醇B→酯D + 水E 60 74 116 18 解:液相酯化反应—定容 例4
M
G—质量流量 F—摩尔流量
§7-4 管式反应器—平推流反应器—活塞流反应器 plug flow reactor(PFR) 一. 管式反应器的特点: 将管式反应器中流体的流动理想化成无摩擦力的反应器 1. CA, (-rA), xA均随管长l 变化,但同一截面为定值。 2. 各物料微团的 t停都相等。(设为理想排挤流动模型)
=VR/v0 可求VR
或据: 求出1/(-rA),在CA~1/(-rA)坐标图上画出高为:1/(-rA), 长为: CA0-CA的长方形,其面积S即为 t平均。如图:
§7-6
返混对简单反应的影响
例6(8-5): xA 管式 间歇釜 串联釜N=2 全混流反应釜 0.8 1.45 2.16 3.17 7.234m3 0.9 3.25 3.43 6.79 32.55 m3 可见:全混流反应釜的VR 远大于其他类型的反应器。
一、多级串联反应器特点 各小釜内CA,(-rA) 既不随时间而变,又不随位置而变, 存在强烈的返混,t停分布在t1→t2区间内;但CA,(-rA)随N 变化。整个反应器存在一定程度的返混,各物料微团的t停 分布在t`1→t`2区间内。 二、设计方程 由于多级串联反应器一般只进行液相反应,视为定容 反应。由于各小釜内CA , (-rA)不随时间t和位置变化,故每 一个小釜就是一个全混流反应器,所以逐釜应用全混流反 应器的设计方程,可求出每一个小釜的容积,则反应器总 容积可求。 全混流反应器的设计方程为:
2. 解析法——适用于已知动力学方程的反应体系
a. 一级反应等温等容反应 (-rA)=kCA=kCA0 (1-xA)
dCA 1 CA 0 dCA 1 1 1 1 1 t反 - 2 2 C A0 kCA C A k CA k C A CA k C A C A 0
混合——几何位置不同的物料粒子之间的参合。
间歇釜:有混合、无返混。 管式反应器:无混合、无返混。 全混流反应器:有混合、更有返混。
4. CA、xA随有效容积变化关系图
二、设计方程:
在稳定流动、稳定反应过程中,以整个 反应器对A组分进物料衡算: 由于无积累: or: 均为定值
由于该釜中只进行液相反应,即为定容反应:
(1)逐釜计算求xAn
(2) 已知各釜的
二. 设计方程 由于CA, (-rA), xA均随管长 l 变化,故只能在dVR内对A 组分进行物料衡算:对于稳定流动反应过程,无积累。
A的进入速率= A的流出速率+ A的消耗速率+A的累积速率
FA=FA+dFA+(-rA)*dVR……(1)
∵FA =FA0(1-xA)=v0CA0(1-xA) ∴dFA=-v0CA0dx……(2)
1. 由于返混使反应物的浓度在进釜的瞬间降到与出口浓 度相等,并始终在较低的CA、(-rA)下反应。
2. 由于反应在低的CA下进行,故达相同xA所需t反长,VR 大。
3、xA↑,VR↑,且VR比xA↑快得多。 4、xA↑,(VR)P↑,(VR)S↑,且(VR)S↑比(VR)P↑快得多。
§7-7 多级串联反应器 在间歇釜、管式反应器、全混流反应器中
二、反应时间的计算
1.基本公式
以整个反应釜在dt 内对A组分作物料衡算得: (因为浓度随时间变而不随位置变,故需取时间微元)
在dt 内:A的进入速率=A的流出速率+A的消耗速率+A的积累速率
(rA) * VR (dnA / dt) nA0 * dxA / dt
xA:A的转化率
VR=V0=Vx
1. 定容反应过程 ∵FA =FA0(1-xA) v0=v=vf ∴ CA=CA0(1-xA) dCA=- CA0dxA
①解析法求解: 对等温一级反应: A→R
对二级等温反应:2A→R+S ∵
例5:8-5 P 34 ②图解法求解: 以 xA对1/(-rA)作图,曲线下0→ xA之间的面积即为:
以CA对1/(-rA)作图,曲线下CA→CA0之间的面积即为tS 。
一般使nH2O : nCO = 4~6:1 → 5:1
变为拟一级反应后,转化率达99%所耗时间仅为原需时间 的1/21.5,大大缩短。
例3 已知: 为二级反应,求CA0从1 和5 kmol/m3降 到 CA=0.01kmol/m3的t反 。
可见:对于二级反应,当A的残余浓度很低时,可增大起始浓 度CA0以提高产量,而t↗很少。
式中:CA、nA 、V是任意τ时刻(转化率为xA)时, A的浓度、
(nA0*xA—反应消耗A摩尔数 )
(nT—t 时刻体系总mol数 ) …膨胀因子—每转化1molA引起
反应体系总摩尔数的变化量。
∴ nT
1 .
A的起始mol分率
2 (δA=0时还原) . 3 pA--xA 首先求任意时刻A的摩尔分率Z :∵p =P*Z A A A .
CA
CA 0
3.图解法求解——只有CA~(-rA)或xA~(-rA)数据,无速率方程时。
VR
2、 反应器总容积—VT 由于反应体系的发泡、沸腾等因素,必须VT>VR 设:VR / VT=φ 装料系数 (0.5~0.8)
4、原料的体积流量v0 的计算
G——反应物质量流量 ρ——反应物的密度
F——反应物摩尔流量
3.按反应物相态分类
4.按温度变化分类
二、反应器内物料的流动状况—物料的停留时间分布 1.理想排挤流动模型—活塞流 停留时间t完全相同 反应器内物料的流动象气缸中活塞的平动一样,齐头并进,在 与流动方向垂直的截面上各质点的 u、 p、t 完全相同 VR—有效容积 v—体积流量 2.理想混合流动模型 停留时间分布在0→ ∞区间内。
则有: 即: v0 CA0 xAf = (-rA) VR
全混流反应器基本设计方程
1、解析法 对一级反应:
对二级反应:
例:8-6 P36
解:二级反应:
作业:
P45 7、 10-(1)、(2)、(3)
2、图解法
因为(-rA)定值 ∴随xA↗,1/(-rA)不变而为水平线。所以,求 出1/(-rA),在xA~1/(-rA)坐标图上画出高为:1/(-rA),长为xA的 长方形,其面积S即为: