第三章-理想流动反应器

1第三章理想流动反应器第一节流动模型概述第二节理想流动反应器第三节思考题第四节计算题欣赏3-1反应器中流体的流动模型3-2反应器设计的基本方程3-3间歇反应器3-4平推流反应器3-5全混流反应器3-6多级全混流反应器的串连及优化3-7理想流动反应器的组合与反应体积比较3-8理想流动反应器中多重反应的选择性3-9全混流反应器的热稳定性2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3图3-1间歇反应器与理想流动反应器作业41、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52、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6(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7图3-2反应器的推动力作业8图3-3偏离平推流的几种情况作业9图3-4偏离全混流的几种情况作业10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113-2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123、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13dtdnVrAA00其中：dtdxndtxnddtdnAAAAA001dtdxndtdnVrAAAA0AxAAAVrdxnt00AxAAAtVrdxndt000此式表示了txA~的关系。作业14图3-7间歇反应过程反应时间t的图解积分作业15对于恒容系统：00AAAACCCxAAAdCCdx01AACCAAAAdCrCCt0001AACCAArdC0AxAAArdxC00作业16图3-6间歇反应过程t/CA0的图解积分作业17表3-1理想间歇反应器中反应结果作业18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193559.07407496.4960601mV30079.1559.01mkmolVnCAAAAxAAAAxAAAxkCdxCrdxCt02200001AAAxxkC110作业20hxxkCtAAA535.05.015.0045.179.111105.0hxxkCtAAA81.49.019.0045.179.111109.0hxxkCtAAA9.5299.0199.0045.179.1111099.0txA，作业21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22%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2330091.309804.06023mkmolVnCBB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24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25hkmol674.23882450000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26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27BxABBABxxCCdxkt00011BBBxxkC1ln11095.0125.195.025.1ln125.108.01092.913s3.7906作业28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29tkCtkCxAAA001114808206.0100RTPCAA351004.10104.0cmmollmol当t＝1s时，%111004.1977111004.197755Ax当t=10s时，%2.9101004.19771101004.197755Ax作业30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31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323-4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33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34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35AAxnAnAAxAAARxkCdxVrdxCVV01000001当n＝1时：AxAARxkxkdxVVA11ln1100当n≠1时：11100010011111nAnAnAxnAnAARxnxkCVxkCdxVVA1111100nxkCVVnAnAR作业362、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37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38AxnAAAnAAARxxkCdxCVV000011AxnAAnAAnAxdxxkCV010011当n=1时：AAAARxxkVV11ln10作业39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40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41解：RTCVRTnPAAAAARTdCdP动力学方程为：AAAkCdtdCr化学膨胀率：11121