理想流动反应器

1第一节流动模型概述3-1反应器中流体的流动模型反应器类型：1、间歇反应器：不存在停留时间分布2、平推流反应器：不存在停留时间分布3、全混流反应器：存在停留时间分布一、理想流动模型由流体的流动状态分类：作业2图3-1间歇反应器与理想流动反应器作业31、平推流模型(活塞流、理想置换)指反应物在反应器中流体流动方向的垂直截面上，各点的流速、流向相同。特点：(1)物料的停留时间相同；(2)在同一截面上浓度、温度相同；(3)返混程度最小。用PFR表示。作业42、全混流模型(理想混和模型)理想化的条件：(1)假定反应器搅拌完全良好；(2)物料完全混和均匀；(3)反应器内各处物料的浓度、温度相同。指刚进入反应器的物料与已存在的物料达到瞬间混和。特点：(1)反应器内各点的温度、浓度均相同；作业5(2)返混程度最大；(3)各粒子的停留时间不同，具有停留时间分布。用CSTR表示。二、非理想流动模型非理想流动：凡是流体流动状态偏离PFR和CSTR两种理想情况的流动，称为非理想流动。非理想流动模型介于PFR和CSTR之间；非理想流动停留时间介于PFR和CSTR之间。作业6图3-2反应器的推动力作业7图3-3偏离平推流的几种情况作业8图3-4偏离全混流的几种情况作业9非理想流动产生的影响：(1)影响化学反应的转化率、选择性等；(2)各种参数不同。非理想流动的形成：(1)流体流动速度发生变化；(2)分子的扩散效应。年龄：流体粒子在反应器内停留的时间。返混：指不同年龄的粒子之间的混和。作业103-2反应器设计的基本方程基本方程包括：1、物料衡算进入量＝出去量+反应量+累积量(1)连续系统：累积量＝0。(2)间歇系统：进入量＝0；出去量＝02、热量衡算进入热量＝出去热量+反应热+累积热量+热损失反应热：放热为负；吸热为正。作业113、动量衡算以动量守恒定律为基础。实际计算时应联立三个方程求解。第二节理想流动反应器3-3间歇反应器对A组分作物料衡算：累积量单位时间反应量单位时间出料量单位时间＝进入量单位时间作业12dtdnVrAA00其中：dtdxndtxnddtdnAAAAA001dtdxndtdnVrAAAA0AxAAAVrdxnt00AxAAAtVrdxndt000此式表示了txA~的关系。作业13图3-7间歇反应过程反应时间t的图解积分作业14对于恒容系统：00AAAACCCxAAAdCCdx01AACCAAAAdCrCCt0001AACCAArdC0AxAAArdxC00作业15图3-6间歇反应过程t/CA0的图解积分作业16表3-1理想间歇反应器中反应结果作业17实际操作时间包括：反应时间t和辅助时间t’。反应器的有效体积：'0ttVVR例3-1以醋酸A和正丁醇B为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B，已知反应速率hmkmolCrAA32045.1试求醋酸转化率分别为0.5、0.9、0.99时所需的反应时间。已知醋酸和正丁醇的密度分别为9603mkg和7403mkg解：加入物料的体积作业183559.07407496.4960601mV30079.1559.01mkmolVnCAAAAxAAAAxAAAxkCdxCrdxCt02200001AAAxxkC110作业19hxxkCtAAA535.05.015.0045.179.111105.0hxxkCtAAA81.49.019.0045.179.111109.0hxxkCtAAA9.5299.0199.0045.179.1111099.0txA，作业20例题：用间歇反应器生产乙酸乙酯50t/d，反应方程式为：C2H5OH(A)+CH3COOH(B)CH3COOC2H5(P)+H2O(S)原料质量配比为A:B:S=0.46:0.23:0.31，反应在100℃等温下进行，反应速率为：hmkmolCCCCrSPBAA3993.2/1020.2反应液密度为1020kg/m3，求乙酸转化率达到35％时所需的反应器体积，每批物料的辅助操作时间为1h。解：分子量：18886046SPBA，，，进料中各组分的含量：%4631.023.046.046.0A作业21%2331.023.046.023.0B%3131.023.046.031.0S假定进料为100kg(混合物)，则物料的总体积为：309804.01020100mmV则各组分的初始浓度为：3002.1009804.04646mkmolVnCAA作业2230091.309804.06023mkmolVnCBB00PC30056.1709804.01831mkmolVnCSS各组分与转化率的关系：BBBAAxxCCC91.32.1000BBBBxxCC191.310BBBPPxxCCC91.300BBBSSxxCCC91.356.1700作业2393.2/91.356.1791.3191.391.32.10102.29BBBBBxxxxr2907.106.78882.39102.2BBxx反应时间：BxBBBrdxCt0035.002907.106.78882.39102.291.3BBBxxdxh97.1每批物料的生产时间为2.97小时。乙酸乙酯单位时间产量：作业24hkmol674.23882450000乙酸的投入量为：hkmol64.6735.0674.23乙酸的体积流量：反应器的体积：3'04.5197.113.17mttVVRhmCNVBB30003.1791.364.67作业25例题：如反应：A+B→产物，动力学方程：BAACkCr恒容，skmolmk331092.9初始浓度分别为0.1和0.08，间歇反应，A、B的3mkmol为95％时所需的反应时间。试求B的转化率解：ABBBAAxCxCCkr1000令：25.108.01.000BACC对于恒容过程：BBxABBBABBxBBBxCxCCkdxCrdxCt00000001作业26BxABBABxxCCdxkt00011BBBxxkC1ln11095.0125.195.025.1ln125.108.01092.913s3.7906作业27例题：某气相分解反应可按二级动力学方程进行：2A→B+C，已知smolcmk39771atm下进行反应，反应开始时反应器中全部为A，试计算在间歇反应器中反应时间为1s、10s和10min时的转化率。，在850℃和解：由题条件：2AAkCrAAxAAAAxAAAxkCdxCrdxCt02200001AAAxxkC110作业28tkCtkCxAAA001114808206.0100RTPCAA351004.10104.0cmmollmol当t＝1s时，%111004.1977111004.197755Ax当t=10s时，%2.9101004.19771101004.197755Ax作业29当t=10min，%866001004.197716001004.197755Ax例题：醋酐浓度为341016.2cmmollVR200，反应混合物密度为305.1cmg反应速率为min0806.03cmmolCrAA，求：(1)说明为什么二级反应速率可写成如上式表示的表达式；(2)当醋酐转化率达70％时需多少时间；(3)物料的条件流量为多少。作业30解：(1)032401071.5181021016.205.1ABCcmmolCB组分的浓度在反应过程中基本不变，所以动力学方程：ABAACkCkCr'(2)AxAAAAAxkxkCdxCt00011ln11min94.147.011ln0806.0111ln1Axkt(3)min4.1394.142000ltVVR作业313-4平推流反应器应满足三个条件：1、正常情况下，连续稳定操作；2、反应器内轴向各点的浓度不同；3、反应器径向速度分布均匀，不存在浓度梯度。作业32对A组分作物料衡算：进入量＝出去量+反应量+累积量0110000RAAAAAAdVrdxxCVxCV化简后得：RAAAdVrdxCV00AxAAARrdxCVV000由000AACNVAxAAARrdxNV00作业33反应时间：AxAAARrdxCVVt000AAxAAxAAARrdCVrdxCVV00000一、等温平推流反应器动力学方程：nAAkCr1、反应过程中无体积变化浓度与转化率的关系：AAAAAAxCVxnVnC11000作业34AAxnAnAAxAAARxkCdxVrdxCVV01000001当n＝1时：AxAARxkxkdxVVA11ln1100当n≠1时：11100010011111nAnAnAxnAnAARxnxkCVxkCdxVVA1111100nxkCVVnAnAR作业352、反应过程中有体积变化定义化学膨胀率：001xxxAVVV化学膨胀率的意义：当反应物A全部转化后系统体积的变化分率。气相反应：MLBAMLBA化学膨胀因子：ABAMLA作业36化学膨胀率：AAAiAAyCC000其中：Ci0－初始反应混合物的浓度(包括惰性组分)反应物体积的变化：AAAAAxVxyVV11000浓度与转化率的关系：AAAAAAAAAAxxCxVxnVnC1111000作业37AxnAAAnAAARxxkCdxCVV000011AxnAAnAAnAxdxxkCV010011当n=1时：AAAARxxkVV11ln10作业38当n＝2时：AAAAAAAAARxxxxkCVV111ln122200例题：在平推流反应器中进行某等温二级不可逆分解反应，反应过程中无体积变化，物料体积流率min1230mV，反应物A的初始浓度lkmolCA5.00，反应速率常数skmollk6.0求转化率为70％时所需的反应器体积为多少？解：对于二级反应：作业39AAAxAAAARxxkCVxkCdxCVVA11000220003556.17.015.06.0607.012m例题：在等温下进行丙烷裂解反应：C3H8→C2H4+H2，若忽略副反应，系统保持恒压P=0.1MPa，V0=800l/h，当丙烷转化率达到50％时所需平推流反应器体积。已知动力学方程为：AAkPdtdP，该温度下14.0hk作业40解：RTCVRTnPAAAAARTdCdP动力学方程为：AAAkCdtdCr化学膨胀率：111210AAAyAAAAxxCC110AxAAxAAAAARdxxxkVxkCdxxCVVAA0000001111作业41AARxxkVV11ln203773.117735.05.011ln24.0800mlVR例题：在平推流反应器中进行气相反应：atm