第八章均相反应过程学案.ppt

8-1 概 述 化工过程：一个特定的化工产品,从原料到产品的生产过程。 釜式反应器 换热装置 管式反应器 基本结构 固定床反应器 流化床反应器 定态操作时，对关键组分A进行物料衡算: 单位时间内物料A的进入量(qn,A ) =单位时间内物料A的引出量(qn,A+dqn,A )+单位时间内反应掉的A的量(rAdVR)+累积量(连续操作条件下为0 ) 8-5 全混流反应器(CSTR) 第七节 反应器类型的比较和选择 对于自催化反应，CSTR在反应过程中浓度和温度不随时间而变化的特性可使反应始终在最大的反应速率下进行。如达不到最终转化率要求，可在CSTR后再串联PFR，从而用最少的反应时间或最小的反应器容积得到最大的经济效益。 对整个反应器，其边界条件为： 空间时间t：反应器的有效容积与进口处的体 积流量之比。 若反应过程中流体体积流量不发生变化 活塞流反应器基本计算式 注：理想管式反应器中简单级数的反应表达式与间歇釜式反应器的结果完全一样 停留时间和空间时间 t：停留时间，反应器中反应物料从进入到离开反应器的时间 t：空间时间，反应器有效容积与进口处物料体积流量之比 （p33） 对等温恒容过程的PFR，两者一致 ∴ 反应时间的计算（p34） 反应级数 反应速率 反应物浓度式 转化率式 零级 rA = k kt = cA,0-cA kt = cA,0 xA 一级 rA = kcA 二级 rA = kcA2 — PFR与BSTR相同 例8-3（p33，例8-5）反应物A和B以等物质的量比，在343K下进行反应。反应式可表示为：A+B→R，由实验测得其反应速率方程式为rA=k?cA?cB，式中cA为A的瞬时浓度（kmol?m-3），343K时反应速率常数k=0.1182m3?kmol-1?h-1，反应物A的起始浓度cA,0=4kmol?m-3，A的摩尔质量为146kg?kmol-1。若每天处理2400kg（A），A的转化率为80%。间歇釜每批操作的辅助时间t’=1h，装料系数为0.75，分别计算使用间歇操作釜式反应器的反应时间和总容积以及使用理想管式反应器所需的容积。 解：（1）BSTR反应时间和总容积 反应速率方程式表明该反应为二级反应 反应器有效容积：VR = u(t + t’) （2）PFR容积 VR = t?qV 每小时处理物料量 BSTR与PFR比较 一、相同点 1. 停留（反应）时间的表达式相同 2. 物料操作方程形式类似 3. 反应器内物料浓度、反应速度、转化率变迁过程相同，反应推动力一致 二、不同点 物料流动状况不同 BSTR PFR 混合 = ∞ 混合 = 0 非稳态过程 （各参数随时间变化） 稳态过程 （各参数随空间变化） 全混流 特点： 反应器内物料的参数处处均匀，且等于流出物料的参数； 但物料质点在反应器中停留的时间各不相同，即形成停留时间分布； 物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。 是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混合流。 CSTR：Continuous Stirred Tank Reactor 又称连续搅拌釜式反应器 一、结构与操作特点 1. 结构 CSTR结构与BSTR相同 可以是单釜连续操作，也可由多釜串联操作 2. 操作 CSTR：连续操作，连续投料，连续出料 BSTR：间歇操作，一次投料，一次出料 二、物料流动状况 1. 连续加料并高速搅拌，CSTR内混合程度∞ 2. 反应器内c、x、rA、T等都为定值，且任一位置上的c、x、rA、T都相同 3. 连续出料，出料的c、x、rA、T等都与反应器内物料相同 4. 物料在反应器内停留时间从0~∞都存在，不同停留时间的物料在反应器内混合很好 在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算： 设反应过程中，物料体积不变 进入量=引出量+反应量+累积量 三、CSTR的计算 t为停留时间，由于物料微粒在反应器中停留时间不等，故t应称为平均停留时间。 1/rA 1/rA xA xAf 0 cA cA0 0 面积=t/cA0 面积=VR/qV = t 物料出口情况 cA 1. CSTR基本方程: t：停留时间，对CSTR，t为平均停留时间 完成相同的反应任务，CSTR所需平均停留时间远大于PFR和BSTR所对应的时间（p35） 间歇釜式反应器和平推流反应器的计算方程式都是微分形式；而全混流反应器的计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应器内，反应