第2章转化率和反应器的尺寸

• 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 A的组摩分尔 数
FA0X
时间
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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。
V FA 0
X
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2.2.2 流动系统
• 填充床反应器（PBR）
– 类似于PFR
dX
FA0
dm
rA'
– I.C.: m＝0 时，X＝0
X dX
mFA0 0 rA'
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用转化率表示的反应器设计方程的 微分和积分形式
AbBcCdD a aa
– 其它组分的量均以“每摩尔A”为基准
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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 A的 组摩 分尔 数
– 简记： X≡XA
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2.2.2 流动系统
• CSTR或返混反应器
– 达到转化率 X所必需的 CSTR 体积
V FA0 X (rA )exit
1 -rA
V FA0
– 反应速率按出口条件进
行估算
X
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2.2.2 流动系统
• 管式流动反应器（PFR）
求解方程
• 反应动力学：-rA ~ (Ci, T) • 化学计量学: Ci~Cj
Fj,Nj ~?~rj
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第2章 转化率和反应器的尺寸
Conversion and Reactor Sizing
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本章主要内容
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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
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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:
掉 A反的应摩消尔 ＝ 耗N 数A0X
反应器 间歇反应器
CSTR PFR PBR
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微分形式
代数形式
积分形式
dX NA0 dt rAV
t NA0
X dX 0 rAV
t
X dX
0V(t)dtNA0 0 rA
VFA0(XoutXin)
(rA)out
dX FA0 dV rA
out dX
V FA0 in rA
FA0
dX dm
rA‘
m FA0
out dX in rA’
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2.3 连续流动反应器设计方程的应用
Applications of the Design Equations for Continuous-Flow Reactors
第2章转化率和反应器的尺寸
通用摩尔衡算方程 +
反应器流动混合特性
Fj0
Fj
V
rjdV
dNj dt
••• •••
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• 通用的摩尔衡算方程
Fj0
Fj
V
rjdV
dNj dt
预测反应器出口浓度 设计反应器大小
• 反应器流动特性 (B.R., CSTR, PFR, PBR)
44 L
– 入口的摩尔流率FA0
F A 0 C A 0 v 0 0 .1m 4l 4 o 6 .0 ll s 0 .8m 6s7 o
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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 rAVFA0XrAV FA0 FA FA0X
– 反应组分A的摩尔衡算方程
dFA dV
rA
– 设计方程
dX FA0 dV rA
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FAFA0(1X)
dF j dV
rj
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2.2.2 流动系统
• 管式流动反应器（PFR）
– 达到指定转化率X时所需 的活塞流反应器体积
V FA0
X dX 0 rA
1 -rA
• 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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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
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2.2.1 间歇系统
• 变体积间歇反应器
பைடு நூலகம்
Vdt
dX N A0 ( rA )
dX dt N A 0 ( rA ) V
• 应用初始条件：t=0，X=0积分
x(t) dX
t NA0 0 (rA)V
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2.2.1 间歇系统
• 恒体积间歇反应器
1 dN A N A0 dX V dt V dt
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2.2.1 间歇系统
• 反应器中A的摩尔数NA
N A N A 0 N A 0 X N A 0 ( 1 X )
• A组分的摩尔衡算
dNA dt
(rA)V
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NA0 ddXt rAV
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dN j dt
rj
V
C A0
dX dt
rA
x(t) dX
t CA0 0 (rA)
1 -rA
t CA0
X
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问题：
NANA0(1X) C AC A 0(1X ) ?
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2.2.2 流动系统
Design Equations for Flow Reactors
– 理想气体常数为 R＝0.082 L ·atm/(mol·K)
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• 解：对理想气体
– A的摩尔浓度
CA0
pA0 RT0
yA0p0 RT0
0 .5 1a0tm
mol
C A 00 .0L 8a2t/m m ( K o ) 4 l .2K 2 0 .1