聚合物制备第三章-5

第三章聚合物制备工程基础黄启谷材料科学与工程学院北京化工大学聚合物制备工程第2章聚合物制备工程基础3.9化学反应动力学基础3.9.1化学反应和反应速率3.9.2均相反应动力学3.10理想反应器流动模型3.10.1反应器操作方式3.10.2理想反应器流体流动形态3.11理想反应器设计3.11.1理想反应器设计的基本原理3.11.2间歇反应器设计3.11.3平推流反应器设计3.11.4理想混合反应器设计3.11.5多釜串联理想混合反应器3.11.6反应器型式和操作方式的评比与选择3.12理想混合反应器的热稳定性3.12.1基本概念3.12.2热稳定性原理3.12.3影响热稳定的因素3.12.4T与TW间的最大温差3.13连续反应器的停留时间分布3.13.1停留时间产生的原因3.13.2停留时间分布3.13.3停留时间分布的测定方法3.13.4停留时间分布的数字特征3.13.5反应器的流动模型3.14聚合反应工程分析3.15聚合物工程设计简介重点内容内容对于后续课程有帮助理想反应器的设计模型间歇釜式反应器时间CA0CA间歇反应器理想混合反应器平推流反应器时间CA0CA轴向CA0CA平推流反应器理想混合反应器多级串连理想混合反应器多级串连理想混合反应器CA时间CA0间歇反应器连续反应器理想反应器设计方程dtdxnVrAAA0AxAAArdxCt00微分方程代数方程积分方程Remarks间歇Batch理想混合反应器CSTR平推流反应器PFRdVrdxFAAA0AfACCAArdCvV00反应物浓度随时间变化反应物浓度恒定反应物浓度延轴向变化AiAiAiAAiAiAiiirxxCrCCvV)(1010间歇釜式设计方程)1(0AAAxnn物料A反应消失量＝rA·V物料A累积量=－dnA/dtrA·V＝－dnA/dt00AAAAnnnx恒容等温条件下：dtdxndtxndAAAA001rA·VdtdxCdtdxVnrAAAAA00恒容时：AxAAArdxCt00间歇釜式基本设计方程0000AAAAAAACCCnnnxAACCAArdCt0恒容时：222)1(0AAAxkCkCrA举例：二级不可逆反应)1(1)1(00220000AAAxAAAAxAAAxCxkxkCdxCrdxCtAAAxAAArdxCt00理想反应器设计例题1：在间歇釜式反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：其中：γA－－反应速度，消耗己二酸kmoles/l•mink－－反应速度常数，l/kmole•minCA－－己二酸的瞬时浓度，kmoles/l据实验测定，70度时，k=1.97l/kmole•min；己二酸的初始浓度CA0＝0.004kmoles/l；若每天处理2400kg己二酸，其转化率为80%，每批操作的辅助时间为1小时。采用单釜生产，装料系数Φ＝0.75，试计算反应器的体积。2AAkC间歇釜式计算)1(1)1(00220000AAAxAAAAxAAAxCxkxkCdxCrdxCtAA解答：1。首先计算每批料所需的反应时间。该反应是二级反应，即下式：已知：xA=0.8，CA0=0.004kmol/l，k=1.97l/kmol•minhxCxktAAA5.8min510)8.01)(004.097.1(8.0)1(102.计算反应器的体积。每天处理己二酸2400kg，即每小时处理100kg（24小时/天），己二酸分子量MW＝146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171l/h每批操作所需的总时间t总=8.5+1=9.5h反应器的有效体积VR=V0t总＝171X9.5=1630l=1.63m3反应器的实际体积V=VR/Φ=1.63/0.75=2.17m3间歇反应器的体积=2.17m3平推流反应器计算稳态操作的平推流反应器，其物料衡算式为：（流入量）＝（流出量）＋（反应消失量）000AACF其中：反应物A进入dV的摩尔流量为FA反应物A流出dV的摩尔流量为FA＋dFA反应消失的A量为rAdV为物料停留时间0vVFAxAFA+dFAxA+dxAdlLCAFAxAvCA0FA0xA0=0v0dV物料衡算示意图：平推流反应器计算dVrdxFAAA0AfxAAArdxCvV000222)1(0AAAxkCkCrA已知：)1(1)1(00220000AAAxAAAAxAAAxCxkxkCdxCrdxCAA平推流反应器设计方程：平推流反应器计算例题2：在平推流反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。条件与例题1相同。计算平推流反应器的有效体积。平推流反应器计算hxCxkAAA5.8min510)8.01)(004.097.1(8.0)1(100vV已知：xA=0.8，CA0=0.004kmol/l，k=1.97l/kmol•min每天处理己二酸2400kg，即每小时处理100kg（24小时/天），己二酸分子量MW＝146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171l/h＝0.171m33045.15.8171.0mV相同反应条件下，平推流反应器有效体积1.45m3单级理想混合反应器计算CA0v0CAv0CAVR稳态操作的理想混合反应器，其物料衡算式为：（流入量）＝（流出量）＋（反应消失量）其中：反应物A流入速度为v0·CA0反应物A流出速度为v0·CA反应消失的A量为rA·V0vVVrCvCvAAA000故单级理想混合反应器计算AAAAAArxCrCCvV000222)1(0AAAxkCkCrA上式为理想混合反应器基本设计方程2022000011AAAAAAAAAAxkCxxkCxCrxCvV已知：单级理想混合反应器计算•例题3：在单级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。条件与例题1相同。计算单级理想混合反应器的有效体积。单级理想混合反应器计算已知：xA=0.8，CA0=0.004kmol/l，k=1.97l/kmol•min每天处理己二酸2400kg，即每小时处理100kg（24小时/天），己二酸分子量MW＝146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171l/h＝0.171m3325.72.0004.06097.18.0171.012200mxkCxVAAA相同反应条件下，单级理想混合反应器有效体积7.25m3多级理想混合反应器计算其中：反应物A流入速度为v0·CA0反应物A流出速度为v0·CA反应消失的A量为rA·V0vVii恒容稳态操作下，且各级反应器不发生返混，则其第i级反应器中A组分的物料衡算式为：（流入量）＝（流出量）＋（反应消失量）多级理想混合反应器计算1010110011)(AAAAAAArxxCrCCvV第i级反应器中的A组分列出物料衡算：iAiAiAiVrCvCv010AiAiAiAAiAiAiiirxxCrCCvV)(10100vVii第一级反应器：第二级反应器：2120221022)(AAAAAAArxxCrCCvV多级理想混合反应器计算•例题4：在二级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。第一级反应器中己二酸的转化率为60％；第二级中己二酸的转化率为80％。其他条件与例题1相同。计算多级理想混合反应器的有效体积。12x1=60%x2=80%多级理想混合反应器计算已知：x1=0.6，CA0=0.004kmol/l，k=1.97l/kmol•min每天处理己二酸2400kg，即每小时处理100kg（24小时/天），己二酸分子量MW＝146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171l/h＝0.171m3336.16.01004.06097.16.0171.012210101mxkCxVA第一级理想混合反应器有效体积1.36m3多级理想混合反应器计算2120221022)(AAAAAAArxxCrCCvV2220120022)1()(xkCxxCvV222)1(0AAAxkCkCrA第二级反应器：已知：2201202)1()(xkCxxV3281.1)8.01(004.06097.1)6.08.0(171.02mV第二级理想混合反应器有效体积1.81m3多级理想混合反应器计算•因此，对于二级串连理想混合反应器而言，总有效体积为：V1+V2=1.36＋1.81＝3.17m3如果串连更多的反应器如何计算？其反应器有效体积如何变化？多级理想混合反应器图解法例题5：在四级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。己二酸的最终转化率为80％。其他条件与例题1相同。用图解法计算四级串连理想混合反应器的有效体积。（四个等体积反应釜）x4=80%CA0v0CA1v0CA2v0CA3v0CA4v0多级理想混合反应器计算N21第i级反应器中的A组分列出物料衡算：iAiAiAiVrCvCv010AiAiAiAAiAiAiiirxxCrCCvV)(10100vVii反应器体积相同时111AiAiAiCCr上式表示：第I级反应器地进口浓度CAi-1一定时，出口浓度CAi与反应速率rAi的关系；在CAi-1和一定时，rAi与CAi为线性关系，即在rAi～CAi图上是直线。多级理想混合反应器图解法AiAiAikCCfr)(111AiAiAiCCr另外：rA为浓度的函数；因此直线与动力学曲线相交的交点的横坐标即为反应器的出口浓度。多级理想混合反应器图解法2222.1186097.1AAAACCkCr已知：CA(kmol/l)0.0040.00350.0030.00250.0020.00150.001γA(kmol/l·h)1.891.451.0620.7370.4720.2560.118已知：进口浓度CA0=0.004反应器级数为4出口浓度CA4=?CA4=CA0(1-x4)=0.004·（1－0.8）=0.0008多级理想混合反应器图解法0.0000.0010.0020.0030.0040.00.51.01.52.0rACACA4CA3CA2CA11级2级3级4级多级理想混合反应器图解法反复试差，结果得到CA1=0.0022,CA2=0.00142,CA3=0.001,CA4=0.0008，与最终出口浓度相符合测定物料衡算线斜率为－0.315315.01即τ＝3.18所以VR=v0·τ=0.171×3.18=0.545反应器的总体积V=2.18m3计算反应器的体积，条件：A、B等摩尔比，实验测定的动力学方程：CAAkr2kmol/l·mink=1.97l/kmol·minCA0=0.004kmol/l1.间歇反应器，每天处理2400kgA，A转化率为80％，辅