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1、前章内容回顾 刘华彦 13588465980 665980 浙江工业大学化材学院 化工楼 513hyliu hyliu16 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 2 通用摩尔衡算方程 反应器流动混合特性 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 3 通用的摩尔衡算方程反应器流动特性 B R CSTR PFR PBR 反应动力学 rA Ci T 化学计量学 Ci Cj 求解方程 预测反应器出口浓度设计反应器大小 第2章转化率和反应器的尺寸ConversionandReactorSizing 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 5 本章主要内容 定义转化率X给出由转化率
2、X表示的设计方程利用设计方程及给定的 rA X关系 确定反应器 CSTR PFR 的大小 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 6 2 1转化率的定义DefinitionofConversion 对通用反应aA bB cC dD选择有限的反应组分A作为计算基准其它组分的量均以 每摩尔A 为基准 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 7 2 1转化率的定义 转化率X进入体系的每摩尔A中已反应掉组分A的摩尔数简记 X XA 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 8 2 2设计方程DesignEquations 2 2 1间歇系统2 2 2流动系统 2020 1 11
3、浙江工业大学化材学院刘华彦 9 2 2 1间歇系统BatchReactorDesignEquation 间歇系统中 X f t 经过反应时间t后 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 10 2 2 1间歇系统 反应器中A的摩尔数NAA组分的摩尔衡算 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 11 2 2 1间歇系统 变体积间歇反应器应用初始条件 t 0 X 0积分 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 12 2 2 1间歇系统 恒体积间歇反应器 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 13 问题 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 14 2 2 2
4、流动系统DesignEquationsforFlowReactors A组分的摩尔流率 FA0反应掉的A组分的摩尔流率为FA0X 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 15 2 2 2流动系统 离开系统的A组分的摩尔流率FA 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 16 2 2 2流动系统 FA0 mol s CA0 mol L v0 L s 关系 对液相体系 CA0 摩尔浓度对理想气体 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 17 例2 1用理想气体定律计算CA0 由50 A和50 惰性气体组成的混合物在10atm 1013kPa 和300 422 2K 时以6L
5、s的流率进入反应器 计算A的入口浓度CA0和入口摩尔流率FA0 理想气体常数为R 0 082L atm mol K 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 18 解 对理想气体A的摩尔浓度入口的摩尔流率FA0 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 19 2 2 2流动系统 CSTR或返混反应器组分A的摩尔衡算 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 20 2 2 2流动系统 CSTR或返混反应器达到转化率X所必需的CSTR体积反应速率按出口条件进行估算 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 21 2 2 2流动系统 管式流动反应器 PFR 反应组分A的摩尔衡
6、算方程设计方程 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 22 2 2 2流动系统 管式流动反应器 PFR 达到指定转化率X时所需的活塞流反应器体积 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 23 2 2 2流动系统 填充床反应器 PBR 类似于PFRI C m 0时 X 0 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 24 用转化率表示的反应器设计方程的微分和积分形式 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 25 2 3连续流动反应器设计方程的应用ApplicationsoftheDesignEquationsforContinuous FlowReactors 设计
7、方程求解的关键 rA X的关系 反应动力学 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 26 2 3连续流动反应器设计方程的应用 举例等温气相分解反应A B C表2 1 rA X数据 温度为300 422 2K 总压为10atm 1013kPa 初始的进料为A和惰性气体各占50 的混合物 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 27 表2 1原始数据 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 28 表2 2经过处理的数据 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 29 图2 1经过处理的数据图 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 30 例2 2确定CSTR反
8、应器的尺寸 用表2 2或图2 1中的数据 计算CSTR中转化率达到80 时所需的体积 图E2 2 1中的阴影面积乘以FA0后将给出达到80 转化率 即X 0 8 时需要的CSTR反应器体积 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 31 图E2 2 1 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 32 解 入口条件为v0 6L s p0 10atm yA0 0 5 T0 422 2K组分A的入口摩尔流率a CSTR设计方程 rA为出口转化率X下的反应速率 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 33 根据表2 2或图2 1 当X 0 8时 有 2020 1 11 浙江工业大学
9、化材学院刘华彦 34 b CSTR反应器的体积转化率80 时 CSTR体积为555L 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 35 例2 3确定PFR反应器的尺寸 由表2 1和表2 2中数据描述的反应在PFR反应器中进行 入口摩尔流率5mol s 计算达到80 转化率时PFR反应器体积用附录A 4给出的积分公式计算VPFR将图2 1阴影的面积乘以FA0后即为VPFR定性做出转化率X和反应速率 rA沿反应器长度 体积 变化的草图 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 36 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 37 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 38
10、 解 a PFR反应器当X 0 80时 步长 X 0 2的五点二次公式积分 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 39 b 上述积分为 1 rA X曲线下的面积 X 80 时 阴影面积约为260 L s mol FA0 0 867mol s X 80 时 VPFR 225L 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 40 c 作 rA和X沿反应器长度变化的简图 当X 0 2时 用步长为 X 0 1的Simpson法计算相应的反应器体积 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 41 X 0 4依此类推 得到表E2 3 1转化率分布 2020 1 11 浙江工业大学化材学院
11、刘华彦 42 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 43 例2 4比较CSTR和PFR大小 利用图2 1中的数据去研究为达到60 的转化率 比较CSTR反应器或PFR反应器 哪种所需的体积较小两种情形中进料条件相同 入口摩尔流率为5mol s 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 44 解 对CSTR反应器达到60 转化率时 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 45 对活塞流 管式 反应器达到60 转化率时 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 46 FA0相同时 X 0 6时 VPFR VCSTR 下图 对于反应级数大于零的等温反应 上述结果总成立
12、2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 47 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 48 2 4反应器串联ReactorsinSeries 转化率X为进入第一个反应器的每摩尔组分A 在达到某一位置时反应掉的组分A的总摩尔数这一定义只适用于没有侧线抽出 且原料只进入串联反应器中的第一个反应器情况 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 49 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 50 第一个PFR 体积V1中间CSTR第三个PFR 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 51 例2 5串联CSTR反应器体积比较 两个串联的CSTR反应器的总体积是多少
13、FA2 0 2FA0 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 52 解 FA0 0 867mol s反应器1 当X1 0 4时 反应器2 当X2 0 8时 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 53 2 CSTR串联总体积为V1 V2 364L单个CSTR的体积为 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 54 例2 6串联活塞流反应器的尺寸 计算两个串联PFR的体积V1和V2 入口摩尔流率为0 867mol s 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 55 解 使用Simpson法计算积分1 PFR X0 0 X1 0 2 X2 0 4 且 X 0 2 202
14、0 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 56 2 PFR 总体积为V1 V2 225L 使用一个PFR与两个PFR串联并无实质性的变化 达到相同转化率所需的反应器总体积相同 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 57 其它的排布方式 CSTR与PFR串联 每个反应器的尺寸确定 CSTR在前或PFR在前的最终转化率X2不同中间及出口转化率指定 反应器体积及其加和值对不同的排列顺序也不同 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 58 例2 7比较反应器的排布顺序 当X1 50 FA0 0 867mol s时 计算图中单个反应器的体积以及反应器的总体积 2020 1 11 浙江工
15、业大学化材学院刘华彦 59 解 图APFR反应器CSTR反应器Vtotal V1 V2 305L X1 0 5 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 60 图BCSTR反应器PFR反应器Vtotal V1 V2 262L 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 61 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 62 2 5更多的定义 相对反应速率对反应 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 63 2 5更多的定义 空时 spacetime 反应器体积除以反应器的入口体积流率基于入口条件处理整个反应器体积的流体所必需的时间也称为保持时间或平均停留时间 2020 1
16、 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 64 TypicalSpaceTimeforIndustrialReactors 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 65 SampleIndustrialSpaceTime 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 66 2 5更多的定义 空时 PFR设计方程CSTR设计方程 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 67 2 5更多的定义 PFR设计方程改写成CA的形式 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 68 2 5更多的定义 CSTR设计方程改写成CA的形式 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 69 2 5更多的定义 恒定体积等温反应 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 70 2 5更多的定义 空速 SV spacevelocity 定义为空时和空速这两个量的定义上是有差别的空时用的是在入口条件下测量的体积流率空速常常用到其他条件下测定的体积流率LHSV 液体小时空速 h 1GHSV 气体小时空速 h 1 在标准标况下 2020 1 11 浙江工业大学化材学院刘华彦 71 小结 1
