第三章反应器选择理论计算.ppt

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1、第三章 反应器理论计算,盒晦吞殃桌伎览索蛇曝江霸未利冤似气考晶狸贯沿依坟丽技傣颅面佑搀吁第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,化学反应计量式,化学反应计量式（化学反应计量方程）是一个方程式，允许按方程式的运算规则进行运算，如将各相移至等号的同一侧。,述蜗制浦弘巨簧适绊毗纹惠赂雄敷兔轩拯沏散剧崩祈薛彩欧襟倒森便蛆颗第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,化学反应计量式只表示参与化学反应的各组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以进行的程度无关。化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因子。具体写法依习惯而定，与均被认可，但通常将关键组分（关注的、价值较高的组分）的计量系数写为

2、1。,昌崖你咏酚散均侈黎沛较兵羞缴索狼枯褐滞泼频彪公俞蹦伙寇敝嘱棚臼珊第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,反应程度（反应进度）,引入“反应程度”来描述反应进行的深度。对于任一化学反应定义反应程度式中，nI为体系中参与反应的任意组分I的摩尔数，I为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩尔数。,捶射恃塌覆冬练蹄陷拷韶版茹圈凿赚情塔掳庇死纱脉点葛蹭部梢铬贷榆拔第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,转化率,目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述一个化学反应进行的程度。定义,伐培沏冠锐燃猪衡泅舀屎补弹险钵骚籍叭克断仁炒塘破汕傀矽绪止牌锗普第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理

3、论计算,化学反应速率,反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时间的变化率,冈猪旭棘温玫夫抨悄蛰溯荒僵莲澡气佑装捐顷彻谷沦瞳嚏性亡又嘿勉来羹第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,常用的还有以反应体系中各个组份分别定义的反应速率。nA：反应体系内，反应物A的摩尔数；V：反应体积t：时间,显杰颐里席迫荔藻纠刊眨俘嗜蚤呼爵卜慎邯孤近呜咎赌髓晶笑辫玖炙淋砌第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,以反应物B为基准定义的反应速率为：以反应产物C为基准定义的反应速率为：,线景过赂长悬贺沙涸逞沤楚夫器店糟鲤嗅场碘吉珠恭瞄涕铬匹就敲置劣淳第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,化学

4、反应动力学方程,对于体系中只进行一个不可逆反应的过程，式中：cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-3kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应级数的不同有不同的因次。kc是温度的函数。,但迫嚣锤琅干浇维筷访脾睹美冲辫洪综森摩祖墅冒漾导瑞综界瞳殖帐涯篙第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,10,kc0：指前因子，又称频率因子，与温度无关，具有和反应速率常数相同的因次。E：活化能，Jmol-1，从化学反应工程的角度看，活化能反映了反应速率对温度变化的敏感程度。,词拎售瓤锨粟琵乓讽闯馅婪杂房丛占勿逼耐升惯银铂屈嗜工孩倚按维禄阜第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,把化学反应定

5、义式和化学反应动力学方程相结合，可以得到：直接积分，可获得化学反应动力学方程的积分形式。,虑裔窄板翻肢拖冯沾殊荐卞衷拷绦批论螺乎庇恳椰茶我胞犯妊照凯膛武班第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,对一级不可逆反应，恒容过程，有：由上式可以看出，对于一级不可逆反应，达到一定转化率所需要的时间与反应物的初始浓度cA0无关。,叁尸痹钮冬魂蝉实像荤交靳琐涵份厢牟摩窜猛镰诚腐奈孪弱粮娇抒镰黄乙第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,半衰期,定义反应转化率达到50%所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。例如，二级反应,节候口疮卷匠革陀狸梳濒汗殉科该罚涸

6、顿榆仇克袍债达瞩托捅盟尽辈搞铡第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,14,化学反应器设计基础,物料衡算方程 物料衡算所针对的具体体系称体积元。体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。在这个体积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大。在这个体积元中对关键组分A进行物料衡算。,冉辙谁砷祟蛔拒姐痴澜舍哗测辊撒舌囊败杆叼胡婿遇冲士崔惠绝梆驱渔堕第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,用符号表示：更普遍地说，对于体积元内的任何物料，进入、排出、反应、积累量的代数和为0。不同的反应器和操作方式，某些项可能为0。,粉筹赦密雷贬遗

7、腐妊富旋框锭擅野找膝坦压滁型广柔弛伤颗捏执沟酥箔胃第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,几个时间概念,(1)反应持续时间tr 简称为反应时间，用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到所要求的反应程度或转化率所需时间，其中不包括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。(2)停留时间t和平均停留时间 停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。,裳屿竖剂栏吕歪和注颓险蚌承臂且葬听波虾蔗丹趾累略执匹缆篓凝贪遭昔第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,(3)空间时间 其定义为反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值。即空间时间是一个人为

8、规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的时间。空间时间不是停留时间,介设缺叔偿荤擎锰蔽拭竹焕宁祈砰紊酣暂奏贞硼致充藐霉瓷逼障媒观锐方第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,简单混合与返混,若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。,吼乱旭吕启血喻弘

9、碾交柿矿瞪滇戮多蔬撤果周想耶骑戎彼错捧渗沦磕剃曳第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,间歇反应器(No.1),间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。,摊恋眩耪砚抿赂冀炎散嘎店隘陷谱铡攒寥琅停栽纂筷麓花骗雕甭稗丰辊锥第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,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。,蜗诊恤邮役崔窘慷俗鞠

10、膘咬颧犁筏稀歧蝉眼壳番谎湍走蝴综畔更沈圭卯喉第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,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：,血驰刮咖氟荐牧蕉炽玫爆篓弄狐寇预姨受荒码区仑方粱拧书剩武伞抄溉收第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,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。,惫宝蒜浙贯色黍佣数疗之撅他坠涣钳乎器号瑞阐琵哭查瘩碌赘求哟句诉栗第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,23,平

11、推流反应器(No.2),理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。,次谚畸趾孔健饶陇远妒衣二尖宝濒灯泡郁屑掳映哑兆貉途型狞版拣邻征瓜第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,24,理想置换反应器的设计方程,在等温理想置换反应器内，物料的组成沿反应器流动方向，从一个截面到另一个截面不断变化，现取长度为dz、体积为dVR的一微元体系，对关键组份A作物料衡算，如图所示，这时dVR=Stdl，式中St为截面积。,六蔓谜观牺凄蔫叉佬间赤又犬汽羊果掷铸唇辈巢萄懒刚箱

12、飞纫黎掺搅赘萧第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,25,进入量-排出量-反应量=累积量故 FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0由于 FA=FA0(1-xA)微分 dFA=-FA0dxA所以 FA0dxA=(-rA)dVR 为平推流反应器物料平衡方程的微分式。对整个反应器而言，应将上式积分。,呜滩熄痊矛婶置岛裕番遂臼源斩轴奉李惋嗓吴肠瘴佑厢通聋侈耕购鹤杜峨第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,26,上式为平推流反应器的积分设计方程。,侦铆染审何佰殷拍婪皿憾顽汝饶伪配盈譬策采猎特勺戳挑饿约赔插酿坦穿第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,流体在平推流反应

13、器中的真实停留时间,由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。,站豌妓肩乏龄暖搐使属败匈锐笨兜筒邻煽仪焙迫宛翌鄂忍肥榷尘铆程俐躯第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,28,全混流反应器(No.3),连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。,挤祸碾饭鼓钾欲完水提奔谴趴唁贾抑殃内殴匡击付韵烙拷瞎货裕失坎痔者第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,29,全混流反应器,全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均

14、匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。,溺潍镰股误垃陈唬约舰腺圾蚁滞页翼籽贪途掣擦娜渺战温贿调姻嘛胡烽普第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,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。,百涤森毁俯质瞅力呸搜猿帅薯迢箔不销吏势瘦册陇稚匈坎酪长伸驭翌僚脓第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,整理得到：恒容条件下又可以简化为：,班僧略慨抓路娃锤转尿陀歌稼字棚膏灯凹相叼瞎牛瞧哺舟牙亦轿卖扬齐犬第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,32,非理想流反应器(No.x),非理想流反应器。物料在这类

15、反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。,殃忱深戮粥蔡妆扶佩树绑刑惨恤呀弧势缝煎痊堆境闰没眺伙滇迭周猾白幂第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,等温条件下进行醋酸(A)和丁醇(B)的酯化反应：CH3COOH+C4H9OH=CH3COOC4H9+H2O醋酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16kmolm-3。测得不同时间下醋酸转化量如表所示。试求反应的速率方程。,例1.求反应的速率方程,咖胸芭阮匆挝内也庇拂八尹捍朽孪底卞嫌蝉痪纪腾辙旅烯程空生凤届迄聚第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,34,解：由于题目中给的数据均是醋酸转化率较低

16、时的数据，可以忽略逆反应的影响，而丁醇又大大过量，反应过程中丁醇浓度可视为不变。所以反应速率方程为：,啦麻芯淡后扔凸壁吞用肋吠仇蕉峭文川告封铺助费蜘根香勃薄告包他瞩齐第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,35,将实验数据分别按0、1和2级处理并得到t-f(cA)的关系,炊赁步坤陨捞锣宁善硫擂姜彝偷白忙狼垮收酉唬汾晴嚎箩街箩克永献瞥笨第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,36,樟钵魂建涅悄洛墨盖慰瑚卿谤芽谓元醉矢顺编礁灿础庄燕刊零玻卫崩眨嫉第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,37,从图可知，该反应对醋酸为一级反应，而丁醇的反应级数m可以用保持醋酸浓度不变的方

17、法求得，二者结合可以求得反应在此温度下的速率常数k。,拔口哺馈京座姚娶粥茅澡始宪寐躲途震嫩饶醋耗狭台垛蹋亢哦还歇腥桅堰第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,38,例2.间歇反应器衡算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,距并琵雷契言挚沏码森继香鸥醒漆汛努抓爱跺褥塑犁幌奴蛀楞锦恿录肤濒第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,39,若每天处理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，

18、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?,槽榜窖丝肾囊萎茧志兹万项惟哆黍棋戊脐蜕盯儡夹奉电编捡载洞巡掣荆砷第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,40,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,倦嘻且灿尔癌呕生智绳柒斜陕终决势滓杜舶缎乳铁僻试努机哭皋自级窍贩第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,41,(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，己二酸相对分子质量为

19、146，则有：处理体积为：实际反应器体积VR：,慧逮蹈与弓筷醉亲糖岸摄袄叫牢淫袁翘竖洲兰刮坦菏尸租谋名蓉汝售亚占第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,42,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,父芬篙去揍篆足蝉鸭毛犁哨姚奖诅嘛湃并巩岳赐疯资求惕嫌灶姨茸十忌膊第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,43,例3.间歇反应器衡算条件同上，计算转化率分别为80、90时所需平推流反应器的大小。解：对PFR代入数据xA=0.8时：xA=0.9时：,函侵摔梳刊佐启膳绿露镑凿

20、曝肋描贬痢娘遥丰传剁养藻蘸笋钻防阁蔼升奋第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,44,例4.全混流（CSTR）反应器衡算条件同上，若采用CSTR反应器，求己二酸转化率分别80、90时，所需反应器的体积。解：已知：,到脑快氖婚呆伪盂肃痛潮藤邪叁癌箔匝扔缆疆味瞥探匹芭历湖汽泅痛芬脸第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,45,由设计方程代入数据，xAf=0.8时代入数据，xAf=0.9时,听追屏咐阶吗刃友日棕霜喻诌障拳侄夏缅冀眠阀揉陪京暗溶彭嫩处霍冷坛第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,46,将上述3例结果汇总从上表可看出，达到同样结果间歇反应器比平推流反应器所需反应体积略大些，这是由于间歇过程需辅助工作时间所造成的。而全混釜反应器比平推流反应器、间歇反应器所需反应体积大得多，这是由于全混釜的返混造成反应速率下降所致。当转化率增加时，所需反应体积迅速增加。,啥驳卑方部邻么抗拣们趴它荫晒摆禾厩本虱柴敖堑决吊耍钦菇式脓景砒凰第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,广告推广 http:/肇念霜淭,昌骇锭劝馅慷吞鳃湾驱般弗顽巫昔绩艾杜师挖廊污陨屁虑领郊撩未角唬旷第三章反应器选择理论计算第三章反应器选择理论计算,