机械毕业设计外文翻译.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流机械毕业设计外文翻译.精品文档. 内蒙古科技大学本科生毕业设计外文翻译学生姓名：武新伟 学 号：0964134112专 业：过程装备与控制工程班 级：装备09-1 班指导教师：李胜（王昌）高工不同的行为批次和半连续反应器的两个化学反应的比较研究M.D. Graua,1, J.M. Nougués b,2, L. Puigjaner b,*,2a矿业及天然资源工程系，曼雷沙大学，加泰罗尼亚理工大学,AV.西班牙曼雷沙61-73基地，08240 .b巴塞罗那工业工程学院，加泰罗尼亚理工大学化学工程系，AV.西班牙巴塞罗那，对角线647，08028.2001年10月收到，2002年2月19日发表摘要：基于不同的行为的两个反应，批处理和半间歇反应器性能之间的比较研究已经进行了在玻璃夹套设置与测量5升的反应器中，数据采集和控制系统。所选择的反应是酸 - 碱反应（乙酸乙酯皂化反应），和一个具有高的反应热（硫代硫酸钠，过氧化反应）的氧化 - 还原反应。甲第一差值的方法中，用于建立的动力学方程。对于使用的酸 - 碱反应的等温方法，根据该溶液的电导率，用于氧化反应的温度的测量的基础上使用的绝热方法。此工作的重点在于得到的物种的浓度，在反应器中，通过实验测量与不同的传感器（pH，温度，等）所需要的值，以得到的浓度分布。对于酸 - 碱反应，它可以转换成浓度值的反应溶液的pH值测量。在氧化反应的情况下，通过测量唯一的反应器的温度为绝热的批处理模式下的操作，和在半间歇法的操作模式通过仿真得到的浓度分布。以前被验证实验获得的温度分布的数学模型。关键词:批处理和半间歇反应器 ；模型 ；反应动力学命名法a：化学计量系数反应物AAi：内传热面积（米2）A0：以外的传热面积（米2）B：反应物B的化学计量系数cA ：反应物的浓度（NaOH或H 2 O 2）（千摩尔米-3）cA0：初始反应物的浓度甲（千摩尔米-3）cA1：初始反应物的浓度在坦克（千摩尔米-3）cB：反应物B的浓度（千摩尔米-3）cB0：反应物B的初始浓度（千摩尔米-3）cB1：罐中反应物B的初始浓度（千摩尔米-3）cP：浓度的产品（千摩尔米-3）CJ：护套的流体的热容量（千焦耳千克-1 K -1）CP：的反应物的热容量（千焦耳千克-1 K -1）CM：的壁的热容量（千焦耳千克-1 K -1）Ea：活化能（千焦耳千摩尔-1）FW：护套的流体流（米3 s-1 ）F0： 添加流量（米3 s-1 ）hi：内部传热系数（千焦耳-1 米 -2 K -1）h0：外面的传热系数（千焦耳-1 米 -2 K -1）Hr：反应热（千焦耳千摩尔-1）k：速率常数（M 3 千摩尔 -1 S -1）k0：具体的速率常数（M 3 千摩尔 -1 S -1）Qr：热生成（千焦耳-1）QJ：外面的热传输率（千焦耳-1）QM：内部的热传输率（千焦耳-1）r：反应率（千摩尔米-3 s -1）R：气体常数（千焦耳 千摩尔-1 K -1）t：时间（s）T：反应器的温度（K）TJ ：夹套温度（K）TM ：壁温度（K）Tad ：温度的H 2 O2增值（K）TJ0 ：内外套流体温度（K）Tset ：设定点温度（K）T0 ：在绝热的实验中的初始温度（K）Tad：增量的绝热温度（K）V：反应物料的体积（米3）VJ：夹克体积（米3）VM ：壁体积（米3）x：转换率希腊字母 反应质量密度（公斤米-3）J 夹克流体密度（公斤米-3）M 密度墙（公斤米-3）1、介绍批处理过程的非凡的灵活性，是众所周知的。批生产过程中使用的特种化学品，聚合物和生物技术领域。批处理过程，通常采用获得具有高附加价值的产品。他们强烈受化学的反应，这可能是复杂的，并与动力学知之甚少。的化学反应的动力学分析经常发生在一个均匀的液体相的等温条件下（Levenspiel 1 ）。这是的皂化反应的情况下，因为它是能够容易地控制反应器的温度。还有一些情况下，它是比较合适的非等温方法的，评估反应速率模型和动力学参数的应用。这是使用批处理系统的绝热实验获得的温度分布，从简单的和复杂的系统的动力学模型和参数可以应用的热平衡后，提取涉及温度与转换（Stoessel2 ）的情况下。这是氧化反应的情况下，是不可能的，因为它以保持恒定的反应器的温度。对绝热反应器的研究已经报道几个作者用硫代硫酸钠-过氧化反应。例如，根和Schmitz和Vetjasa和Schmitz4研究了在间歇式反应器中的反应，并使用为研究稳态多重在回路反应器和搅拌釜反应器（CSTR）中分别得到的数据。张和Schmitz 5进行了类似的工作。Guha 6 等人的研究报告中也有绝热CSTR的瞬态行为。在这项工作中，从数据中获得的一系列运行，其中的初始试剂浓度保持恒定，测量初始温度是变化的，可以推导出的动力学方程。使用的方法是相似的Cohen和Spencer 7 。批处理和半间歇反应器中的热行为已调查由Rafalimanana8等，Kiparissides和Shah9和Rotstein和Lewin10 ，但反应物和产物的浓度的演变没有调查，这是非常重要的是要优化运行性能，因为它已经指出，Hugo11 等人。在这项工作中，为酸 - 碱反应，在反应器中存在的物种原位浓度通过测量溶液的pH值来确定。对于氧化还原反应，反应的电压分布实验得到，但其转换成浓度分布被认为是非常困难的。在这种情况下，浓度分布是通过模拟获得的。的动态的数学模型，预测的热行为的间歇式反应器，并在反应过程中反应物和产物的浓度的演变。对于该反应中，它有可能以获得实验的浓度分布，仅在绝热操作的箱子。在这种模式的操作中，它是通过只测量反应温度可能遵循的浓度演化。为酸-碱反应的（低反应热），其中反应器的温度将保持控制，两种操作模式（分批或半间歇）是可能的。在硫代硫酸盐反应（非常的放热反应）的情况下，温度控制是唯一可行的半间歇反应器中。在这种情况下，当一组点被选择的反应物料的温度，也可以通过操纵一种反应物的进料速率，入口夹套温度保持在一个前缀的值来控制反应。因此，这种操作模式可以被使用，以控制反应，并且，它是特别有用的高度放热的过程，其中，安全是一个主要问题。从这个意义上说，的的作品Steensma和Westertep12和Stoessel2是非常相关的。Hugo和Steinbach13补料批式反应器和连续搅拌釜式反应器安全之间的比较研究。纸张主要作用域从pH值和温度数据的浓度分布的模拟，然后预测实验的控制行为。因此，一个关键的贡献，目前的工作重点是在两个均相反应的行为的比较研究，批次和半连续反应器中进行。这些反应可再现的实验得到的，使用的传感器的pH，温度或潜在的，大量的数据，以便获得适当的信息，用来比较的批次和半间歇反应器中的操作模式的行为。一般，该比较是仅使用温度测量。这项工作给特殊的重要性，得到的浓度分布（通过pH值或温度的实验性的措施），显示出更好的两种操作模式之间的不同行为。在这种方式中，该研究导致一种推论批处理的方式来控制和半间歇反应器。此外，使用简单的反应已被特别选择，因为，即使在发展的动能表达式，使用的方法是不同的，使得可以比较的等温反应器中和一个绝热反应器的行为。利益的工作还包括在比较两个非常不同的反应速度和热行为反应。2、数学模型在一般的方式，考虑这两个反应可以表示为：aA + bBcC + dD其中的一个a，b，c，和d是不同的对于每个反应：CH3COOCH2CH3 + NaOH CH3COONa + CH3CH2OHNa2S2O3 + 2H2O2 Na2S3O6 + Na2SO4 + 2H2O将反应率被假定为成比例的反应物A和B的浓度的第一顺序，和溶液的密度是恒定的：r = kcAcB（1） 其中 ，k 是一个函数，所述的温度的Arrhenius表达式：k = k0 eEa/R(T+273) （2） 两种方法可以通过以下方式获得的动力学参数 k 0 和 E a。2.1.等温法得到的溶液在不同温度下的电导率的档案。因此，一组在不同温度下的k值 可以以下方式获得的，然后通过绘制lnk对1 / T 式中的对数表达 Eq（2） ，k 0和Ea值可以很容易地获得： （3）2.2.（直接法）考虑到能量平衡方程完全是被称为反应物料，获得以下表达式： （4）（4）给出了在每一时刻的速率常数： （5） 导数d T / d t 可以计算从所记录的温度-时间曲线。然后时，ln k被计算，使用从Ea得到的值（5） 。下面的过程是类似的等温方法。 批处理和半间歇反应器的动态行为可以被描述由一组微分方程套壁和夹克内的循环流体的能量平衡的反应混合物中，产生的质量和能量平衡。批式反应器的整体质量平衡：（6） （7） 半间歇反应器的整体质量平衡： （8） （9）间歇式反应器的组件的质量平衡： （10） （11） 半间歇反应器中的组件的质量平衡： （12） （13）对于pH值的酸 - 碱反应，转化浓度分布不同操作模式的研究需要不同的表达式。如果A代表NaOH和乙乙酸乙酯，唯一的贡献对pH值的NaOH的存在是由于，因为乙酸钠的贡献可以忽略不计。在这些条件下：POH = log cA （14）不然cA = 10(pH14) （15）否则为间歇式反应器中，浓度可以表示为：cA = cA0(1 x) （16）从式（15）和 （16） ： （17）半间歇反应器中时，被认为是，试剂A的添加效果，必须考虑该混合物的初始浓度在加入时间：（18）和 （19）当馈送的NaOH停止反应器中在批处理模式下操作，并建模方程是前面所指出的那些。用于氧化反应和绝热的间歇式反应器中，从（4）和（10）得到：（20）通过集成这个方程，得到下面的表达式：（21）的差异之间的初始温度和最终温度，当转换是 x = 1时，被定义为 T ad： （22）公式（21）可以改写为： （23）使用表达式（23），可以得到具有不同的反应物和产物的浓度。批式反应器的能量平衡： （24）半间歇反应器的能量平衡： （25）批次和半间歇反应器外壁的能量平衡：（26）通过QM = hiAi(T TM) （27）和Q0 = h0A0(TM TJ) （28）夹克液的批次和半间歇反应器的能量平衡：（29）护套的流体的行为，已被认为是一个完美的混合，因为它是由Luyben 14所示。3、工厂介绍在中试规模的反应器中（图1）中，pH值，电导率，电压和温度的已获得的实验措施。它由一个5升玻璃夹套反应器中，设置有一个数据采集系统基于GPIB总线和PC软件。图1 试验工厂。在夹套中循环的流体的流率可以前缀或通过差开闭阀控制，提供一种替代的加热-冷却流体（热水或冷水），表1中表示的不同模式的状态的阀门操作。表1中 阀门阀门行动IaII bIIIcV1反应A入口XX（*）V2反应B入口XV3护套流体入口XXV4护套流体出口XXV5产品出口Xa 反应器进行充电。b仅在半间歇模式的的反应发展（*）。c 清空的反应器（当实验结束时）。所有实际可用的模拟输入和输出，以及所有的虚拟通道自动监视和存储过程值。它也能够得到上线，被配置在显示画面上的曲线。4、实验的发展 在不同的条件下进行了初步实验，得到的动能表达式为每个反应和批处理模式下的操作。然后，将两个反应表示进行了在两种操作模式：批处理和半间歇法。对于所有的实验中，将夹套填充有循环水的流动的1.37×10-5 2m/s。在反应器中的所选择的设定点温度为308 K，而反应物的体积一个用混合1.3升反应物B2.7升，反应的质量得到4升。反应物A是NaOH在皂化反应和H 2 O2的氧化反应中。实验1和2对应于在批处理的皂化反应和半间歇操作模式分别和实验3和4对应于分别批处理和半间歇操作模式中的氧化反应，表2中表示的操作条件。皂化实验中所用的反应物的体积为在类似条件下进行氧化反应的实验。在这些条件下，在反应器中的初始浓度而稀释。用于该反应的硫代硫酸盐和过氧化氢，几个实验（Szeifert 15 等人）使用更集中的解决方案，其比率为cBO/ cAO = 2/3。实验5和6分别为这些条件的例子（表3）。的反应物的初始浓度分别为在表中所标明的一半，因为音量的两个解决方案的时间是相同的。这些实验被用来验证的数学模型，在FORTRAN 77语言编写的软件模块来实施。实验7和8与试验5中的相类似的条件进行，但引入的设定点温度在313 K。表2操作条件，实验1-4皂化反应氧化反应实验1实验2实验3实验4T （ K）294.9299.0299.9297.9TJO（K）334.0334.0299.0299.0cA（M）111.21.2cB（M）220.80.8FO（m2s-1）-7.4×10-7-8.9×10-7表 3 操作条件，实验5-8T（K）Tset（K）TJO（K）cA（M）cB（M）Fo（米2秒-1 ）实验5293.2-293.51.20.83.1×10-6实验6293-293.91.20.84.7×10-6实验7293.5313294.11.20.83.1×10-6实验8293.2313294.21.20.83.1×10-65、结果与讨论阿仑尼乌斯方程得到的对皂化和氧化反应结果表明，与其他研究者发现的一个很好的相同性（Ortiz 16 等人Cohen和Spencer7 ）。这两个反应显示出非常不同的反应速度，以及热行为。事实上，在氧化反应的速度比的皂化反应，因为下和(Ea/ R )acidbase= 4829.6 K，在8.13×10 11 m3 kmol-1 s -1，和9156 K为氧化反应前。用来比较的间歇和半间歇操作模式的行为，的温度曲线示于图2为两种反应。对于皂化反应，初始斜率和过冲，在批处理模式下，半连续模式相比更为明显。对于氧化反应，这种差异是更重要的。在批处理模式下，这是不可能以控制温度的演化。出于这个原因，该反应将不能在此操作模式下研究了这项工作。说，在皂化反应的护套流体最初热水（表2），这一点很重要的，因为反应热是非常低的，如果外套流体本来冷水，将有没有可以看到温度上升。图（2） 温度分布的实验1-4。为了后续的反应物的浓度的演化，为saponifaction反应，测定其pH。使用（14），（15），（16），（17），（18）和（19），它是可以转换成浓度公司的pH曲线。批次和半间歇反应器的反应混合物中示出图的相应浓度的演变。图3 和图 。4，分别为。A的进给停止后1800秒时的化学计量的输入值被达到。这是可以看到的NaOH增值（C A ）在反应混合物中的积累。一旦达到最大数后，反应演化的间歇式反应器中的类似。相同的初始条件下，进行了模拟，基于质量平衡方程（6），（7），（8），（9），（10），（11），（12）和（13），因为它表示在以前的工作中（Grau和Puigjaner的17）。图3 实验的间歇式反应器（皂化反应，实验1）的浓度分布。图4， 实验的浓度分布的半间歇反应器（皂化反应，实验2）。使用实验数据用于氧化反应的浓度分布，得到仅用于绝热的运作模式。使用公式。（23）得到的转化率在每一时刻。上表示它的反应组分的浓度分布图.5。用实验的温度分布与浓度值的数学模型进行了验证。的浓度分布的半间歇法的操作模式，通过模拟获得的。以前的数学模型进行了验证实验的温度分布图。图.6展示出了良好的工作更浓缩的反应物和保持比CBO/ CAO = 2/3的试验6的实验和模拟的温度之间的协议。已经通过仿真验证的数学模型，它是可能的，得到的浓度分布。这是非常有趣的过氧化物被添加（图7）来观察的积累。480秒后的H 2 O2被消耗和的Na 2 S 2 O 3和产品的浓度分别为0.1和0.15 M。图5，实验和模拟的浓度分布氧化反应（绝热模）图6, 实验和模拟温度曲线实验6 图7, 模拟用于氧化反应（半间歇反应器）中的浓度分布。图8, 温度分布与设定点的温度进行氧化反应。实验5和6进行没有护套流体的变化，并且在不控制反应器的温度的情况下。当设定点温度是固定的（在313 K）是不可能的，以控制反应温度，在这些操作条件下（实验7和8）中，仅通过夹套流体（图8）通过加热去除，因为护套是不能够以除去反应热。对于相同的操作条件（半间歇反应器）中进行了详尽的研究，硫代硫酸盐和过氧化氢之间的反应中的前一工作（Grau等人18 ）。使用的一种优化方法，来获取最优的温度分布，利用作为变量的过氧化物的添加流量。6、结论半间歇反应器操作的酸 - 碱低放热反应，随后由pH值的测量和非常放热的氧化反应相比，间歇式反应器的操作已被。获得的结果表明，用于皂化反应，它是可能操作的反应器中，这两种操作模式（批处理和半间歇）。在氧化反应的情况下，这是不可能的，以控制反应温度在批处理模式下，仅非常稀释的浓度时，也能够在半间歇模式下操作，通过控制反应温度与护套流体。在这种情况下，当反应物较为集中，过氧化物的加入流量为高，这是要使用另一个参数，以控制反应温度：过氧化物的添加流量，因为在热传输是不足以以除去产生的热量的的反应。在所有情况下，实验结果表明，通过仿真得到的结果吻合良好。浓度分布，得到两个反应，使用不同的技术。对于皂化反应的浓度随时间演变的不同组成部分已经通过以下方式获得的溶液的pH值的实验措施的装置。在氧化反应的情况下，只有为绝热的操作模式已经能够得到使用实验的温度曲线的浓度分布。与模拟结果已获得一个很好的协议，使得有可能开发的数学模型进行验证。的浓度分布的知识是非常有趣的理解的反应行为。介绍的方法提供了一个有用的方法批次和半连续反应器的操作和控制，在工业实践中很容易实现。致谢财政支持收到CICYT的令人欣慰的承认，（项目QUI99 1091）。参考文献1O. Levenspiel，化学反应器工程，威利，纽约，1999年.2F. Stoessel，设计termally安全的半间歇反应器，化学工程.编.91（1995）46.3RA RB Root，R.A. Schmitz 在环管反应器中稳态多样性的实验研究AICHE J.，15（1969）页.6704S.A Vetjasa，R.A Schmitz 在绝热稳定状态的多样性和稳定性的实验研究搅拌反应器 AICHE J.，16（1970）410页.5M. Chang， R.A. Schmitz 在搅拌反应器的振荡状态的实验研究化学科学工程。，30（1975）21页.6B.K. Guha，G Narsimhan，J.B. Agnew 瞬态行为的绝热连续流搅拌釜式反应器的实验研究工业工程。化学过程.德.开发，14（1975）146页.7W.C. Cohen，J.L. Spencer由量热法测定化学动力学化学工程.PROG.，58（1962），40页.8A. Rafalimanana M. Cabassud M.V. Le Lann， G. Casamatta，CASAMATTA和灵活的半批中试装置反应器的自适应控制 COMPUT.化学，（1992），6，837页.9C. Kiparissides,S.L. Shah,自我调整和稳定自适应控制的间歇聚合反应器自动化，（1983），19，225页。10GE Rotstein，D.R. Lewin 一个不稳定的间歇化学反应器的控制COMPUT.化学（1992年），16，27页.11P Hugo，F Stoessel，J Steinbach 在搅拌罐反应器中的最高温度在一个击穿的冷却的情况下的计算化学工程，（1988），43，2147页.12M.Steensma，KR Westertep termally冷却的半间歇式反应器中的安全操作。慢的液 - 液反应 化学工程.，43（1988），2125页.13P Hugo，J A Steinbach比较安全操作的限制的SBR和一个CSTR 化学工程，41（1986），页108114WL Luyben，化学工程师，McGraw-Hill，美国，1990年的过程建模仿真与控制15F Szeifert，L Nagy，T Chován 过程的动态特性和补料分批反应器的温度控制COMPUT。化学，19（1）（1995年），S447页.16M I Ortiz，A·Romero，A Irabien 积分从程序升温反应数据的动力学分析：乙酸乙酯作为测试反应的碱性水解Termochim.文献，141（1989），169页 17M DGrau，L Puigjaner 批次和半连续反应器在线pH测量的基础上的建模和验证 化学工程，178（2000年），49页 18M D Grau，J M Nougués，L. Puigjaner，便利于获得的最佳喂养配置文件中补料分批反应器，采用遗传算法，工业工程.化学研究 40（2001）1488.Comparative study of two chemical reactions with differentbehaviour in batch and semibatch reactorsM.D. Grau a,1, J.M. Nougués b,2, L. Puigjaner b,2a Mining Engineering and Natural Resources Department, Escola Universitàtia Politècnica de Manresa, Universitat Politècnica de Catalunya,Av. Les Bases de Manresa 61-73, 08240 Manresa, Spainb Chemical Engineering Department, Escola Tècnica Superior dEnginyers Industrials de Barcelona, Universitat Politècnica de Catalunya,Av. Diagonal 647, 08028 Barcelona, SpainReceived 4 October 2001; accepted 19 February 2002AbstractBased on two reactions with different behaviour, a comparative study between batch and semibatch reactors performance has been carried out in a glass-jacketed reactor of 5 l provided with the measuring, data acquiring and controlling system. The reactions chosen were an acidbase reaction (ethyl acetate saponification), and an oxidationreduction reaction with a high reaction heat (thiosulfate-peroxide reaction). A first difference was in the method used to establish the kinetic equation. For the acidbase reaction was used an isothermal method based on the conductivity profiles of the solution. For the oxidation reactionwas used an adiabatic method based on the measurement of temperatures.This work focuses in the interest to obtain the concentrations of the species in the reactor, by measuring experimentally with different sensors (pH, temperature, etc.) the needed values to get the concentration profiles. For the acidbase reaction it was possible to convert the pH measurements of the reaction solution to concentration values. In the case of the oxidation reaction, the concentration profiles were obtained by measuring only reactor temperature for the adiabatic batch mode of operation, and by simulation in the semibatch mode of operation. The mathematical model was previously validated with temperature profiles obtained experimentally.© 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.Keywords: Batch and semibatch reactor; Modelling; Reaction kinetic1. IntroductionThe extraordinary flexibility of batch processes is well known. Batch processes are used in the domains of speciality chemicals, polymers and biotechnology. Batch processes are generally employed to obtain products with high added value. They are strongly governed by the chemistry of the reactions, which can be complex, and with kinetics poorly known.The kinetic analysis of chemical reactions frequently takes place in a homogeneous liquid phase under isothermal conditions (Levenspiel 1). This is the case of the saponification reaction, because it is possible to control the reactor temperature easily. There are also cases where it is more appropriate the application of non-isothermal methods for evaluating reaction rate models and kinetic parameters. That is the case of adiabatic experiments using batch systems to obtain temperature profiles from which the kinetic model and parameters for simple and complex systems can be extracted after application of a heat balance to relate temperature with conversion (Stoessel 2). That is the case of the oxidation reaction, because it is impossible to maintain constant the reactor temperature. Studies with adiabatic reactors have been reported by several authors using the thiosulfate-peroxide reaction. For example Root and Schmitz 3 and Vetjasa and Schmitz 4 studied the reaction in a batch reactor and used the data obtained for the study of steady state multiplicity in a loop reactor and a stirred tank reactor (CSTR) respectively. Similar work was carried out by Chang and Schmitz 5. Guha et al. 6 reported also an study of transient behaviour of an adiabatic CSTR. In this work the kinetic equation can be derived from data obtained in a series of runs in which the initial reagent concentrations is held constant and the initial temperature is varied. The method used is similar to the one presented by Cohen and Spencer 7.Nomenclaturea stoichiometric factor of reactant AAi inside heat-transfer area (m2)A0 outside heat-transfer area (m2)B stoichiometric factor of reactant BcA concentration of reactant A (NaOH or H2O2)(kmol m3)cA0 initial concentration of reactant A(kmol m3)cA1 initial concentration of reactant A in tank(kmol m3)cB concentration of reactant B (kmol m3)cB0 initial concentration of reactant B (kmol m3)cB1 initial concentration of reactant B in tank(kmol m3)cP concentration of products (kmo lm3)CJ