化学反应工程第二章1.ppt

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1、第二章第二章 反应器内的流体流动与混合反应器内的流体流动与混合几种理想反应器几种理想反应器不同反应器及反应器的组合不同反应器及反应器的组合停留时间对转化率选择性的影响停留时间对转化率选择性的影响停留时间分布测定停留时间分布测定停留时间分布与流动模型停留时间分布与流动模型第二章第二章1第一页，编辑于星期六：十八点 分。复习复习u 物料衡算方程：复习复习积累速率积累速率=输入速率输入速率 -输出速率输出速率 -反应消耗反应消耗/生成速率生成速率u 重要概念：反应时间；停留时间或平均停留时间；空间时间反应时间；停留时间或平均停留时间；空间时间简单混合；返混简单混合；返混u典型的理想反应器间歇反应器间

2、歇反应器平推流反应器平推流反应器全混流反应器全混流反应器非理想反应器非理想反应器简单混合；返混简单混合；返混a)机机械械搅搅拌拌引引起起物物料料质质点点的的运运动动方方向向和和主主体体流流动动方方向向相相反反，不不同同年年龄龄的的质质点点混混合合在在一起一起 b)反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等 第二页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器反应过程中没有进料和出料的反应器反应过程中没有进料和出料的反应器复习复习3第三页，编辑于星期六：十八点 分。连续流动的管式反应器连续流动的管式反应器管式反应器管式反应器复习复习4第四页

3、，编辑于星期六：十八点 分。连续流动的搅拌槽式反应器连续流动的搅拌槽式反应器连续进料、连续出料连续进料、连续出料复习复习5第五页，编辑于星期六：十八点 分。三种典型反应器三种典型反应器*反应器：反应器：A Product rA=k cA*间歇反应器：间歇反应器：cA=cA0 exp(-kt)*连续流动置换反应器连续流动置换反应器 t t=L/u cA=cA0 exp(-kt t)*连续流动理想混合反应器连续流动理想混合反应器 cA=cA0/(1+kt t)反应器反应器6第六页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到

4、要求的转化率后，再全部放出反应物料。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。间歇反应器间歇反应器7第七页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器8第八页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器设计方程反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积VR作为衡算体系。在单位时间内，对组分A作物料衡算：间歇反应器间歇反应器9第九页，编辑于星期六：十八点 分。整理得当进口转化率为0时，分离变量并积分得为间歇反应器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间tr。间歇反应器间歇反应器反应时间与浓度反应时间与浓度10第十页，编辑于星期六：

5、十八点 分。在恒容条件下，上式可简化为：间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间tr，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。间歇反应器间歇反应器反应时间与浓度反应时间与浓度11第十一页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器12第十二页，编辑于星期六：十八点 分。反应时间与浓度反应时间与浓度 反应速率方程：反应速率方程：rA=k cAcA=cA0 exp(-kt)间歇反应器间歇反应器一级不可逆反应一级不可逆反应13第十三页，编辑于星期六：十八点 分。二级反应二级反应 反应速率方程：反应速率方程：rA=k cA2cA=cA0-1+kt-1间歇反应器间歇反应器14第十四

6、页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器 反应速率方程：反应速率方程：rA=k cA cA=cA0-1+kt-(-1)间歇反应器间歇反应器15第十五页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器16第十六页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器反应器的设计原则反应器的设计原则质量衡算、能量衡算、动量衡算质量衡算、能量衡算、动量衡算质量衡算：质量衡算：积累速率积累速率 =输入速率输出速率反应消输入速率输出速率反应消耗速率反应生成速率耗速率反应生成速率反应反应:Aproduct-dNA=VrAdtdt=dNA/VrA(NA)dt=-dcA/rA(cA)反应速率：反应速率：r

7、 rA A反应体积：反应体积：V V总质量：总质量：N N反应物浓度：反应物浓度：c cA A 反应器体积计算反应器体积计算间歇反应器间歇反应器17第十七页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器反应反应 Aproduct-dNA=VrAdtNA=NA0(1-xA)NA0dxA/dt=VrAdt=cA0dxA/rA体积不变！体积不变！间歇反应器间歇反应器18第十八页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器反应反应 Aproduct-dNA=VrAdtNA=NA0(1-xA)NA0dxA/dt=VrAdt=cA0dxA/rA?体积变化？体积变化？NA0/V cA0V=V0(N/N

8、0)=V0(1+xA)cA0=NA0/V0dt=cA0dxA/rA(1+xA)间歇反应器间歇反应器19第十九页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器体积计算体积计算反应器体积反应器体积=生产强度生产强度*批次生产所需时间批次生产所需时间生产强度：单位时间处理物料量，生产强度：单位时间处理物料量，m m3 3/h,m/h,m3 3/min,/min,批次生产时间：反应时间批次生产时间：反应时间+辅助时间辅助时间间歇反应器间歇反应器20第二十页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器体积计算体积计算反应反应 Aproduct辅助时间辅助时间 t0反应器体积反应器体积=生产强度生产

9、强度*(t+t0)间歇反应器间歇反应器21第二十一页，编辑于星期六：十八点 分。间歇反应器间歇反应器体积计算体积计算反应器体积反应器体积=生产强度生产强度*t生产强度生产强度NA 0/cA0 cA是确定的！是确定的！间歇反应器间歇反应器22第二十二页，编辑于星期六：十八点 分。设计计算过程对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量FAkmol.h-1以及原料组成CA0kmol.m-3、达到的产品要求xAf及辅助生产时间t、动力学方程等，均作为给定的条件，设计计算出间歇反应器的体积。间歇反应器间歇反应器23第二十三页，编辑于星期六：十八点 分。由式 计算反应时间tr；计算一批料所需时间tt；tt

10、=tr+tt为辅助生产时间计算每批投放物料总量FA；FA=FAtt计算反应器有效容积VR；间歇反应器间歇反应器24第二十四页，编辑于星期六：十八点 分。计算反应器总体积VR。反应器总体积应包括有效容积、分离空间、辅助部件占有体积。通常有效容积占总体积分率为6085，该分率称为反应器装填系数，由生产实际决定。间歇反应器间歇反应器25第二十五页，编辑于星期六：十八点 分。例1-3某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：cA0=4 kmol.m-3间歇反应器间歇反应器26第二十六页，编辑于星期六：十八点 分。若每

11、天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求：(1)转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少?(2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?间歇反应器间歇反应器27第二十七页，编辑于星期六：十八点 分。解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为：xA=0.5xA=0.6 tr=3.18hxA=0.8 tr=8.5hxA=0.9 tr=19.0h间歇反应器间歇反应器28第二十八页，编辑于星期六：十八点 分。(2)反应器体积的计算xA=0.8时：tt=tr+t=8.5+1=9.5h每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质

12、量为146，则有：处理体积为：实际反应器体积VR：间歇反应器间歇反应器29第二十九页，编辑于星期六：十八点 分。反应器有效容积VR：实际反应器体积VR：当xA=0.9时：tt=19+1=20hVR=0.17120=3.42m3VR=3.420.75=4.56m3间歇反应器间歇反应器30第三十页，编辑于星期六：十八点 分。连续流动理想混合反应器连续流动理想混合反应器连续进料、连续出料连续进料、连续出料反应器内充分混合反应器内充分混合反应器内浓度温度处处相同反应器内浓度温度处处相同出口与反应器内的状态相同出口与反应器内的状态相同反应器内体积保持不变反应器内体积保持不变全混流反应器全混流反应器31第

13、三十一页，编辑于星期六：十八点 分。全混流反应器特性全混流反应器特性u 物料在反应器内充分返混；u 反应器内各处物料参数均一；u 反应器的出口组成与器内物料组成相同；u 连续、稳定流动，是一定态过程。全混流反应器全混流反应器第三十二页，编辑于星期六：十八点 分。全混流反应器基本设计方程全混流反应器基本设计方程 全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积VR为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。全混流反应器全混流反应器第三十三页，编辑于星期六：十八点 分。整理得到：恒容条件下又可以简化为：全混流反应器全混流反应器第三十四页，编辑于星期六：十八点 分。连续流动理想混合反应器连续流动理想混合反应器反

14、应速率方程：反应速率方程：rA=k cA 进料流速：进料流速：v 进料浓度：进料浓度：cA0 出料浓度：出料浓度：cA 反应器内反应器内A消耗速率：消耗速率：VrA v(cA0-cA)=VrA=VkcA cA=cA0/(1+k)=V/vv cA0v cAV全混流反应器全混流反应器第三十五页，编辑于星期六：十八点 分。连续流动理想混合反应器连续流动理想混合反应器设计方程：设计方程：进反应器进反应器A的摩尔流率出反应的摩尔流率出反应器器A的摩尔流率的摩尔流率反应速率反应器体积反应速率反应器体积全混流反应器全混流反应器36第三十六页，编辑于星期六：十八点 分。连续流动理想混合反应器连续流动理想混合反

15、应器反应速率方程：反应速率方程：rA=k cA 进料流速：进料流速：v 进料浓度：进料浓度：cA0 出料浓度：出料浓度：cA 反应器内反应器内A消耗速率：消耗速率：VrA v(cA0-cA)=VrA=VkcA cA=cA0/(1+k)=V/vv cA0v cAV全混流反应器全混流反应器37第三十七页，编辑于星期六：十八点 分。连续流动理想混合反应器连续流动理想混合反应器反应速率方程：反应速率方程：rA=k cA2 进料流速：进料流速：v 进料浓度：进料浓度：cA0 出料浓度：出料浓度：cA 反应器内反应器内A消耗速率：消耗速率：VrA v(cA0-cA)=VrA=VkcA2 k cA2+cA-cA0=0 =V/vv cA0v cAV全混流反应器全混流反应器38第三十八页，编辑于星期六：十八点 分。