化学反应工程第三章均相反应过程.ppt

* 2. 物料衡算(一) 当循环比等于零时，cA1=cA0，简化为PFR; 循环比愈大，循环返回量愈多，入口浓度下降得愈厉害; 当循环比趋于无穷大时，入口浓度接近于出口浓度，这时循环反应器中各处的反应物浓度接近于反应器出口浓度，具有CSTR的特征。 对反应器入口前的物料汇合点A作物料衡算，可得 * 对循环反应器可按理想管式反应器进行物料衡算 2. 物料衡算(二) 由 ，导出 又因为对循环管式反应器入口处的物料流分析可知： 故有： 进而推出： 和 * 图 不同循环比时循环反应器的性能 ——当循环比R=0时，与PFR相同； ——随着循环比的增大，且当循环比足够大时，循环反应器的性能趋于CSTR的性能 * 【例11】：有一自催化反应 已知cA0=1mol/L，cP0=0，FA0=1mol/s，k=1L/(mol.s)；今在一循环反应器中进行此反应，要求达到的转化率为98%，求：当循环比分别为R=0，R=3，R=∞时，所需要的反应器体积为多少？ * 解：对于自催化反应，其反应动力学方程式为： 对于任意循环比R，反应器计算的基础设计式为： 把动力学方程式代入基础设计式，并积分可得： * 1) 当R=0时，即平推流反应器的情况， 由于进料中没有产物，该反应无法启动，所以V=∞ 2) 当R=3时， 3) 当R= ∞时，即连续流动釜式反应器的情况， * §3.3.5 半连续操作反应器 考虑反应： 设在反应开始前，预先加入物料量为nB0和nA0(少量)，此时体积为V0；以稳定流率v连续加入浓度为cA0的料液(含少量B，浓度为cB0)，液面不断上升，体积由V0上升到V，一段时间t后，器内A、B的含量分别为nA和nB，若器内全混且等温，并定义转化率为： * 则有： 或 在微元时间dt内对组分A作物料衡算： 输入量 = 输出量 + 反应量 + 累积量 vcA0dt 0 (-rA)Vdt dnA 故有： vcA0dt - (-rA)Vdt = dnA 而 代入得： (半连续操作反应器的基础设计方程，自学其求解方法） 温度是化学反应速率最敏感的影响因素。 * §3.4 非等温过程 温度是化学反应速率最敏感的影响因素。为使反应器的性能达到最优级，应该采用怎样的反应温度或温度系列? §3.4.1 温度的影响 图 不同反应的xA~T关联图（图3-15，P53） * 对一级可逆放热反应 ，在恒容过程纯A加料时，有： 而： 当转化率一定时，要使(-rA)最大，求d(-rA)/dT=0时的反应温度即为最优温度，故有： ----使反应速率最大的温度控制轨迹(红线)称最优操作温度线。 * §3.4.2 非等温操作 根据不同的反应特点和温度效应，采用不同的操作方式，如等温、绝热或非等温操作。其一般原则是： ΔrH不大、反应选择性随温度变化也小的反应，常采用既不供热也不除热的绝热操作； ΔrH中等的反应，先考虑绝热操作；但应对收率、反应器大小、操作费用等衡算后，确定采用绝热或变温的方式； ΔrH较大的反应，在整个反应过程中进行有效的热交换； 极为快速的反应，考虑采用绝热操作或利用溶剂的蒸发来控制温度。 * 物料衡算式 热量衡算式 动力学方程 联立求解 浓度分布 温度分布 图 非等温过程设计思路示意图 * 一、BR中非等温过程的计算 定容操作的BR中热量衡算可简化为： 即， 或 若为绝热操作，则 (绝热温升λ，随着xA增大，T线性变化) * 【例12】：有等容下的二级液相反应 在间歇操作的反应釜内进行，已知ΔrH=11800kJ/kmol，nA0=nB0=2.5kmol，V=1m3，U=1836kJ/(m2.h.K)。在70oC的恒温条件下进行试验，经过1.5h后，转化率达到90%，若加热介质的最高温度为Tm=200oC，为达到75%转化率，传热面积应如何配置？ * 解：间歇反应釜中的热量衡算式为： 因过程恒温，即dT/dt=0，故有： 进而导出， 又恒温等容下二级反应速率方程为： * 由恒温等容下的二级反应动力学方程可知： 又cA0=nA0/V=2.5kmol/m3，且当t=1.5h时，xA=0.9，故有： 所需传热表面积A的计算则为： xA 0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.75 A/m2 0.295 0.190 0.105 0.074 0.054 0.027 0.0185 * 解：由平推流反应器的基础设计式开始构思， * xA 0 1.00 0.2 1.224 0.4 1.525 0.6 2.00 0.8 3.00 * 用图解法积分或辛普森数值积分法可解上式， 如辛普森法： 故有： 【例5】在容积为2.5m3的间歇反应器中进行均相反应 ，反应维持在等温操作，实验测得反应速率