【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 R ? 為平推流反應(yīng)器物料平衡方程的微分式 。對(duì)整個(gè)反應(yīng)器而言 ， 應(yīng)將上式積分 。 85 ? 上式為平推流反應(yīng)器的積分設(shè)計(jì)方程。 ?? ?? AR 0AA00AR dd xVrxFV? ??? A0AA0A0AR dxrxcFV ?? ??? A0AA0A0R dxrxcVV?86 ? 對(duì)于恒容過程： ? 以上設(shè)計(jì)方程關(guān)聯(lián)了反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器體積和進(jìn)料量四個(gè)參數(shù)，可以根據(jù)給定條件從三個(gè)已知量求得另一個(gè)未知量。 ? ?A0AA 1 xcc ??? ???? 2A1A AA0R dcc rcVV?87 ? 例 14條件同例 13，計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別為 80％、 90％時(shí)所需平推流反應(yīng)器的大小。 ? 解：對(duì) PFR ? 代入數(shù)據(jù) xA=： ? xA=： ? ??? 2A1A AA0A0R dxx rxcVV?? ? ? ?222AAA0A0 2A20AA0A0R111dxxkcxkcxcVV x???? ?? ?33R 1 ??????? ?V3R ?V88 變?nèi)莘磻?yīng)過程 ? 理想置換反應(yīng)器是一種連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，可以用于液相反應(yīng)，也可以用于氣相反應(yīng)。用于氣相反應(yīng)時(shí)，有些反應(yīng)，反應(yīng)前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)壓力不變的情況下，反應(yīng)會(huì)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(lái)反應(yīng)物濃度的變化，從而引起反應(yīng)速率的變化。 89 膨脹因子和膨脹率 ? 為了表征由于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來(lái)的影響，引入兩個(gè)參數(shù)，膨脹因子和膨脹率。 90 膨脹因子 ? 反應(yīng)式 ? 計(jì)量方程 ? 定義膨脹因子 ? 即關(guān)鍵組份 A的膨脹因子等于反應(yīng)計(jì)量系數(shù)的代數(shù)和除以 A組分計(jì)量系數(shù)的相反數(shù) 。 SRBA srba ?? ???0SRBAI SRBAI ?????? ?????? ?AIA ????? ?91 ? 膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是一個(gè)定值，與其它因素一概無(wú)關(guān)。 02312C3BA2A ?????? ??? ?92 膨脹因子的物理意義 ? 關(guān)鍵組分 A消耗 1mol時(shí)，引起反應(yīng)物系摩爾數(shù)的變化量。對(duì)于恒壓的氣相反應(yīng)，摩爾數(shù)的變化導(dǎo)致反應(yīng)體積變化。 δA0是摩爾數(shù)增加的反應(yīng)，反應(yīng)體積增加。δA0是摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，反應(yīng)體積減小。 δA=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變。 93 膨脹率 ? 物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)，而且與其它因素，如惰性物的存在等有關(guān)，因此引入第二個(gè)參數(shù)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(zhuǎn)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(guān)系 ? 可以推導(dǎo)出 AA0A ?? y?95 變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系 ? 恒壓變?nèi)蒹w系中各組分濃度、摩爾分率及分壓可以由以下推導(dǎo)得到。 ? 對(duì)于 A組分 ? ?? ?? ?AAA0AAII0AA0A0AAI0III 11 xxccxVxnnVnc???????????????AAA0AA 11xxcc????96 ? 例 15均相氣相反應(yīng) A→3R ，其動(dòng)力學(xué)方程為 rA=kcA，該過程在 185℃ ， 400kPa下在一平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，其中 k=102s1，進(jìn)料量 FA0=30kmol/h，原料含 50％惰性氣，為使反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達(dá) 80％，該反應(yīng)器體積應(yīng)為多大 ? 97 ? 解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng) A→3R ? 已知 yA0=， 因此 εA=yA0δA=1 ? 平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程 21 13A ????? ?? A0AA0Adxrxc?98 ? ?? ?? ? ? ?30R1313000AA0AAA0AAA0AA0A0AA0A0AA0A400d1110011dddA???????????????????????????????????????VVpRTFVxxxxxxxkcxckcxcrxcx????99 ? 例 16在一個(gè)平推流反應(yīng)器中 ， 由純乙烷進(jìn)料裂解制造乙烯 。 年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為14萬(wàn)噸乙烯 。 反應(yīng)是不可逆的一級(jí)反應(yīng) ，要求達(dá)到乙烷轉(zhuǎn)化率為 80％ ， 反應(yīng)器在1100K等溫 ， 恒壓 600kPa下操作 ， 已知反應(yīng)活化能為 kJmol1 ， 1000K時(shí) ，k= s1 。 設(shè)計(jì)工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器 。 100 ? 解：設(shè) A為乙烷 ， B為乙烯 ， C為氫氣 ? 反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是： CBAHHCHC 24262?? ???? ??1111117B sk m o m o lkg28hs3600dh24ad330akg1014 ??????????????? ???F101 ? 進(jìn)料乙烷的摩爾流率是： ? 計(jì)算 1100K時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)： 1ABA0 sk m o l2 1 ?????xFF11000110010001100K110010001100100011001000011000K1000K11000eeee3????????????????kkkkkkkRERERERTE102 ? 膨脹因子： ? 膨脹率： ? 進(jìn)口體積流量： 11 111A ?????111AA0A ???? ?? y1333000A0 ????????pRTFV103 ? 平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程 ? ?? ?30AAR0AAA0AAA00AAAA0A000AA0A0R0AA0A0Rd1111d11dddAA???????????????????????????????????????xxVxxxxxkxVxxkcxcVkcxcVVrxcVVAxx??104 流體在平推流反應(yīng)器中的真實(shí)停留時(shí)間 ? 由平推流反應(yīng)器的定義可知，流體在反應(yīng)器內(nèi)不存在任何返混，所有流體微元的真實(shí)停留時(shí)間都等于平均停留時(shí)間。 105 ? 恒壓變?nèi)莘磻?yīng)，由于反應(yīng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實(shí)停留時(shí)間與空間時(shí)間 η不同。如果反應(yīng)物系體積膨脹，流體流速將逐漸加快，停留時(shí)間將小于空間時(shí)間；相反，如果反應(yīng)物系體積縮小，停留時(shí)間將大于空間時(shí)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(yīng)器 ? 全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動(dòng)充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器，簡(jiǎn)稱CSTR。流入反應(yīng)器的物料，在瞬間與反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，即在反應(yīng)器中各處物料的溫度、濃度都是相同的。 108 全混流反應(yīng)器特性 ? ① 物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；②反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；③反應(yīng)器的出口組成與器內(nèi)物料組成相同；④連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，是一定態(tài)過程。 109 全混流反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)方程 ? 全混釜中各處物料均一，故選整個(gè)反應(yīng)器有效容積 VR為物料衡算體系，對(duì)組分 A作物料衡算。 ??????????????????????????? 的積累量物料 中單位時(shí)間內(nèi)的量消失的物料 內(nèi)反應(yīng)單位時(shí)間的量的物料單位時(shí)間排出的量的物料單位時(shí)間進(jìn)入 AAAA RRRR VVVV? ? 0RfAAfA1 ???? VrFF110 ? 整理得到： ? 恒容條件下又可以簡(jiǎn)化為： ? ? ? ? RfAA1AfA0 VrxxF ???? ? fA1AAfA0RrxxFV???? ? fA1AAf0A0RrxxcVV?????? ?fAAfA1rcc????111 ? 例 17 條件同例 13的醇酸樹脂生產(chǎn)，若采用 CSTR反應(yīng)器，求己二酸轉(zhuǎn)化率分別80％、 90％時(shí)，所需反應(yīng)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(shè)計(jì)方程 ? 代入數(shù)據(jù)， xAf= ? 代入數(shù)據(jù)， xAf= ? ? 2A2 0A1AAf0AR 1 xkcxxFV???? ?3223R 1 ????????V? ?3223R 1 ????????V113 ? 將例 13， 14， 17的結(jié)果匯總 ? 從上表可看出 ， 達(dá)到同樣結(jié)果間歇反應(yīng)器比平推流反應(yīng)器所需反應(yīng)體積略大些 ，這是由于間歇過程需輔助工作時(shí)間所造成的 。 而全混釜反應(yīng)器比平推流反應(yīng)器 、間歇反應(yīng)器所需反應(yīng)體積大得多 ， 這是由于全混釜的返混造成反應(yīng)速率下降所致 。 當(dāng)轉(zhuǎn)化率增加時(shí) ， 所需反應(yīng)體積迅速增加 。 反應(yīng)器有效容積 平推流反應(yīng)器 間歇釜式反應(yīng)器 全混流反應(yīng)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(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器選型 115 ? 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)溫度及單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)物的摩爾數(shù)（濃度）與反應(yīng)速率的函數(shù)關(guān)系。而反應(yīng)速率講的是單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)物（或產(chǎn)物）摩爾數(shù)隨時(shí)間的變化率。二者都涉及到“單位反應(yīng)體積”?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)重視反應(yīng)體積的概念，強(qiáng)調(diào)在反應(yīng)器中不同時(shí)間、不同位置上的局部濃度可能不相同。這就造成了同一個(gè)反應(yīng)發(fā)生在不同反應(yīng)器 116 間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器 ? 平推流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和操作方式上與間歇反應(yīng)器截然不同，一個(gè)沒有攪拌一個(gè)有攪拌；一個(gè)連續(xù)操作一個(gè)間歇操作；一個(gè)是管式一個(gè)是釜式，但有一點(diǎn)是共同的，就是二者都沒有返混，所有物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間都相同。既然停留時(shí)間都相同，沒有不同停留時(shí)間（即不同轉(zhuǎn)化率，不同濃度）物料的混合，兩種反應(yīng)器在相同的進(jìn)口（初始）條件和反應(yīng)時(shí)間下，就應(yīng)該得到相同的反應(yīng)結(jié)果。 117 間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器 ? 間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)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(yīng)器完全沒有返混，而全混流反應(yīng)器的返混達(dá)到了極大的程度。因而，二者的設(shè)計(jì)方程不同，同一個(gè)反應(yīng)在這兩種反應(yīng)器中進(jìn)行，產(chǎn)生的結(jié)果也就不一樣。 118 單一不可逆反應(yīng)過程平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較 119 ? 對(duì)于平推流反應(yīng)器 ， 在恒溫下進(jìn)行 ， 其設(shè)計(jì)式為： ? 對(duì)于全混流反應(yīng)器 ， 在恒溫下進(jìn)行 ， 其設(shè)計(jì)式為： ? ? 二式相除 ， 當(dāng)初始條件和反應(yīng)溫度相同時(shí)： A0nAAA1nA0P d111 A xxxkcx? ????