【文章內容簡介】 R ? 為平推流反應器物料平衡方程的微分式 。對整個反應器而言 ， 應將上式積分 。 85 ? 上式為平推流反應器的積分設計方程。 ?? ?? AR 0AA00AR dd xVrxFV? ??? A0AA0A0AR dxrxcFV ?? ??? A0AA0A0R dxrxcVV?86 ? 對于恒容過程： ? 以上設計方程關聯(lián)了反應速率、轉化率、反應器體積和進料量四個參數，可以根據給定條件從三個已知量求得另一個未知量。 ? ?A0AA 1 xcc ??? ???? 2A1A AA0R dcc rcVV?87 ? 例 14條件同例 13，計算轉化率分別為 80％、 90％時所需平推流反應器的大小。 ? 解：對 PFR ? 代入數據 xA=： ? xA=： ? ??? 2A1A AA0A0R dxx rxcVV?? ? ? ?222AAA0A0 2A20AA0A0R111dxxkcxkcxcVV x???? ?? ?33R 1 ??????? ?V3R ?V88 變容反應過程 ? 理想置換反應器是一種連續(xù)流動反應器，可以用于液相反應，也可以用于氣相反應。用于氣相反應時，有些反應，反應前后摩爾數不同，在系統(tǒng)壓力不變的情況下，反應會引起系統(tǒng)物流體積發(fā)生變化。物流體積的改變必然帶來反應物濃度的變化，從而引起反應速率的變化。 89 膨脹因子和膨脹率 ? 為了表征由于反應物系體積變化給反應速率帶來的影響，引入兩個參數，膨脹因子和膨脹率。 90 膨脹因子 ? 反應式 ? 計量方程 ? 定義膨脹因子 ? 即關鍵組份 A的膨脹因子等于反應計量系數的代數和除以 A組分計量系數的相反數 。 SRBA srba ?? ???0SRBAI SRBAI ?????? ?????? ?AIA ????? ?91 ? 膨脹因子是由反應式決定的，一旦反應式確定，膨脹因子就是一個定值，與其它因素一概無關。 02312C3BA2A ?????? ??? ?92 膨脹因子的物理意義 ? 關鍵組分 A消耗 1mol時，引起反應物系摩爾數的變化量。對于恒壓的氣相反應，摩爾數的變化導致反應體積變化。 δA0是摩爾數增加的反應，反應體積增加。δA0是摩爾數減少的反應，反應體積減小。 δA=0是摩爾數不變的反應，反應體積不變。 93 膨脹率 ? 物系體積隨轉化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數，而且與其它因素，如惰性物的存在等有關，因此引入第二個參數膨脹率。 ? 定義膨脹率 ? 即 A組分的膨脹率等于物系中 A組分完全轉化所引起的體積變化除以物系的初始體積。 001AAAA??? ??xxxVVV?94 膨脹因子與膨脹率的關系 ? 可以推導出 AA0A ?? y?95 變容過程轉化率與濃度的關系 ? 恒壓變容體系中各組分濃度、摩爾分率及分壓可以由以下推導得到。 ? 對于 A組分 ? ?? ?? ?AAA0AAII0AA0A0AAI0III 11 xxccxVxnnVnc???????????????AAA0AA 11xxcc????96 ? 例 15均相氣相反應 A→3R ，其動力學方程為 rA=kcA，該過程在 185℃ ， 400kPa下在一平推流反應器中進行，其中 k=102s1，進料量 FA0=30kmol/h，原料含 50％惰性氣，為使反應器出口轉化率達 80％，該反應器體積應為多大 ? 97 ? 解：該反應為氣相反應 A→3R ? 已知 yA0=， 因此 εA=yA0δA=1 ? 平推流反應器設計方程 21 13A ????? ?? A0AA0Adxrxc?98 ? ?? ?? ? ? ?30R1313000AA0AAA0AAA0AA0A0AA0A0AA0A400d1110011dddA???????????????????????????????????????VVpRTFVxxxxxxxkcxckcxcrxcx????99 ? 例 16在一個平推流反應器中 ， 由純乙烷進料裂解制造乙烯 。 年設計生產能力為14萬噸乙烯 。 反應是不可逆的一級反應 ，要求達到乙烷轉化率為 80％ ， 反應器在1100K等溫 ， 恒壓 600kPa下操作 ， 已知反應活化能為 kJmol1 ， 1000K時 ，k= s1 。 設計工業(yè)規(guī)模的管式反應器 。 100 ? 解：設 A為乙烷 ， B為乙烯 ， C為氫氣 ? 反應器流出的乙烯的摩爾流率是： CBAHHCHC 24262?? ???? ??1111117B sk m o m o lkg28hs3600dh24ad330akg1014 ??????????????? ???F101 ? 進料乙烷的摩爾流率是： ? 計算 1100K時反應速率常數： 1ABA0 sk m o l2 1 ?????xFF11000110010001100K110010001100100011001000011000K1000K11000eeee3????????????????kkkkkkkRERERERTE102 ? 膨脹因子： ? 膨脹率： ? 進口體積流量： 11 111A ?????111AA0A ???? ?? y1333000A0 ????????pRTFV103 ? 平推流反應器設計方程 ? ?? ?30AAR0AAA0AAA00AAAA0A000AA0A0R0AA0A0Rd1111d11dddAA???????????????????????????????????????xxVxxxxxkxVxxkcxcVkcxcVVrxcVVAxx??104 流體在平推流反應器中的真實停留時間 ? 由平推流反應器的定義可知，流體在反應器內不存在任何返混，所有流體微元的真實停留時間都等于平均停留時間。 105 ? 恒壓變容反應，由于反應物系體積隨轉化率而變化，其真實停留時間與空間時間 η不同。如果反應物系體積膨脹，流體流速將逐漸加快，停留時間將小于空間時間；相反，如果反應物系體積縮小，停留時間將大于空間時間。 106 ? 恒容條件下， εA=0，上式還原為： ? ? ? ?? ? ? ?? ???? ???????AAR0 AAAAA00AA0AA00R1d1dd xx AVxrxcxVrxFVVt??? ?? A0AA0Adxrxc??? R0 RdV VVt107 全混流反應器 ? 全混流反應器又稱全混釜或連續(xù)流動充分攪拌槽式反應器，簡稱CSTR。流入反應器的物料，在瞬間與反應器內的物料混合均勻，即在反應器中各處物料的溫度、濃度都是相同的。 108 全混流反應器特性 ? ① 物料在反應器內充分返混；②反應器內各處物料參數均一；③反應器的出口組成與器內物料組成相同；④連續(xù)、穩(wěn)定流動，是一定態(tài)過程。 109 全混流反應器基本設計方程 ? 全混釜中各處物料均一，故選整個反應器有效容積 VR為物料衡算體系，對組分 A作物料衡算。 ??????????????????????????? 的積累量物料 中單位時間內的量消失的物料 內反應單位時間的量的物料單位時間排出的量的物料單位時間進入 AAAA RRRR VVVV? ? 0RfAAfA1 ???? VrFF110 ? 整理得到： ? 恒容條件下又可以簡化為： ? ? ? ? RfAA1AfA0 VrxxF ???? ? fA1AAfA0RrxxFV???? ? fA1AAf0A0RrxxcVV?????? ?fAAfA1rcc????111 ? 例 17 條件同例 13的醇酸樹脂生產，若采用 CSTR反應器，求己二酸轉化率分別80％、 90％時，所需反應器的體積。 ? 解：由例 13已知： ? ? 2A2A0A 1 xkcr ???110A m i nk m o l0 1 1 m o ?? ????F130 ??V112 ? 由設計方程 ? 代入數據， xAf= ? 代入數據， xAf= ? ? 2A2 0A1AAf0AR 1 xkcxxFV???? ?3223R 1 ????????V? ?3223R 1 ????????V113 ? 將例 13， 14， 17的結果匯總 ? 從上表可看出 ， 達到同樣結果間歇反應器比平推流反應器所需反應體積略大些 ，這是由于間歇過程需輔助工作時間所造成的 。 而全混釜反應器比平推流反應器 、間歇反應器所需反應體積大得多 ， 這是由于全混釜的返混造成反應速率下降所致 。 當轉化率增加時 ， 所需反應體積迅速增加 。 反應器有效容積 平推流反應器 間歇釜式反應器 全混流反應器x A = 0 . 8 1 . 4 5 m 3 2 . 1 7 m 3 7 . 2 3 m 3x A = 0 . 9 3 . 2 6 m 3 4 . 5 6 m 3 3 2 . 6 m 3114 第二章 復合反應與反應器選型 115 ? 化學反應動力學關聯(lián)溫度及單位反應體積內反應物的摩爾數（濃度）與反應速率的函數關系。而反應速率講的是單位反應體積內反應物（或產物）摩爾數隨時間的變化率。二者都涉及到“單位反應體積”?；瘜W反應工程學重視反應體積的概念，強調在反應器中不同時間、不同位置上的局部濃度可能不相同。這就造成了同一個反應發(fā)生在不同反應器 116 間歇反應器與平推流反應器 ? 平推流反應器在結構和操作方式上與間歇反應器截然不同，一個沒有攪拌一個有攪拌；一個連續(xù)操作一個間歇操作；一個是管式一個是釜式，但有一點是共同的，就是二者都沒有返混，所有物料在反應器內的停留時間都相同。既然停留時間都相同，沒有不同停留時間（即不同轉化率，不同濃度）物料的混合，兩種反應器在相同的進口（初始）條件和反應時間下，就應該得到相同的反應結果。 117 間歇反應器與全混流反應器 ? 間歇反應器與全混流反應器在結構上大體相同，但從返混的角度上看卻是完全不同的。間歇反應器完全沒有返混，而全混流反應器的返混達到了極大的程度。因而，二者的設計方程不同，同一個反應在這兩種反應器中進行，產生的結果也就不一樣。 118 單一不可逆反應過程平推流反應器與全混流反應器的比較 119 ? 對于平推流反應器 ， 在恒溫下進行 ， 其設計式為： ? 對于全混流反應器 ， 在恒溫下進行 ， 其設計式為： ? ? 二式相除 ， 當初始條件和反應溫度相同時： A0nAAA1nA0P d111 A xxxkcx? ????