分享
分享赚钱 收藏 举报 版权申诉 / 51

类型3理想流动式反应器47.ppt

  • 上传人:kpmy5893
  • 文档编号:8752505
  • 上传时间:2019-07-10
  • 格式:PPT
  • 页数:51
  • 大小:827KB
  • 配套讲稿:

    如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。

    特殊限制:

    部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。

    关 键  词:
    3理想流动式反应器47.ppt
    资源描述:

    1、第二章 理想反应器计算,几种简单反应器 1.间歇操作釜式反应器 Batch Reactor 2.连续操作平推流反应器 Piston(Plug) Flow Reactor 3.连续操作釜式反应器 Continuant Stirred Tank Reactor(流加操作釜式反应器Semibatch Reactor),定态(积累项=0) steady state,非定态(有积累项) transient state,间歇反应器 (无流入,流出项),定态下的流动式反应器(无积累项),反应器热量衡算(J/s),定态(积累项=0) steady state,非定态(有积累项) transient state

    2、,间歇反应器 (无流入,流出项),定态下的流动式反应器(无积累项),第一节 间歇釜反应器计算,A P,t=0, CA0= nA0 / V 求釜内浓度达CA时所需时间 t,某时刻作化学反应的摩尔衡算,V (-rA )dt = -VdCA,(-rA )dt = -dCA,(各种一, 二级反应的公式见书上p19,p21),例:,例:,间歇釜反应器(有反应热时的计算),必需作热量衡算才能求得每一瞬时的T. 对绝热反应器有 T =f(x),数值解:,设反应为 A P,非绝热非等温间歇反应器 (参见p41) dT/dt = k(1 x) + UA(T Tm) /V Cv,发热量=釜内温升T (n t) C

    3、v nA0 X (-H) = T n 0(1+X) Cv T = (nA0/n0) (-H) / Cv (1+X) X= f(x) X = (nA0/n0) (-H)/ Cv= yA0 (-H) /Cv= CA0 (-H) / Cv , (Cv=Cv/M)量纲为J/ g混合物,设t=0时釜温为T0 , 转化率为X0 反应热为 (-H) kJ/mol A 料液热容为 Cv J/mol混合物,绝热反应器的热量衡算方程:, 称绝热温升,量纲为,U 换热系数 kW/0Km2 A 换热面积 m2 ks-1,考虑A的不可逆异构化反应:,该反应为一级反应,在163时k=0.8h-1,活化能E为12kJ/mo

    4、l,反应热(-HT0)为83 kJ/mol。A的分子量为250,A和B的热容为,,比重为,反应在绝热间歇反应釜中进行。料液予热至163后加入反应器, 求反应到A的转化率为97%,所需反应时间 t 及反应结束时釜内 温度T。 2) 每天处理3000kg的反应物A,(反应结束后排料时间可忽略不计) 求反应釜的体积V。 3) 为避免高温反应,要求反应在恒温操作,反应温度为163, 用50循环冷却水控制温度,换热系数U为1kW0K m2求反应釜的体积V及所需换热面积A,例,t = (1.25+1.234+1.238+1.275+1,346+1.472+1.689+2.08+2.89+5.376)(0.

    5、1)+(0.07)(7.299)=1.98+0.51=2.49 h 反应结束时釜内温度T=5970K=3240C 2) 用以上列表方法可得:t2.49 h, 每天完成:24/2.499.6(批); 每批处理量:3000/9.6312.5(kg批); 反应器体积为:VR312.5/0.9347(L);装载系数设为0.7,釜体积为500(L) 3)对恒温全混釜,反应时间为:,每天完成:24/4.385.48(批); 每批处理量:3000/5.48547.4(kg批)=2.18kgmol批; 反应器体积为:VR547.4/0.9608(L);装载系数设为0.7,釜体积为868(L) 此为放热反应,要

    6、维持恒温,要移出热量Q:,T=T-50=113 0C U=0.3kW 0K m2 A= 40/133/0.3=1 m2,所需换热面积A=1m2,(给定体积V和时间t),第二节 平推流反应器,连续操作讨论定常态(steady state), 状态变化项(d /dt)项=0,定容反应可取一微元,借用间歇反应来分析,反应器转化率定义: 间歇操作 xA=(nA0 nAt)/ nA0 定态操作 xA=(FA0 FAf)/ FA0,(给定体积V和进出口),Piston Flow Reactor(PFR)假设轴向无反混,径向全混合的管式反器。,(单位时间内dV中i物料转化的量)= (单位时间进入dV的i物料

    7、量) - (单位时间流出dV的i物料量),取管中一体积元dV进行化学反应的衡算,,x,平推流反应器(非定容),可得到基础方程:,或,1/(-rA),CA,CA,CA0,XA,1/(-rA),0,1,XA,/CA0=V/FA0,PFR,Batch Reactor,),1,/(,),1,(,),(,:,0,x,x,C,C,kC,r,例:,x,x,A,A,A,A,e,+,-,=,=,-,1,),1,(,),1,ln(,),1,(,2,1,),1,(,),1,(,1,1,),1,/(,),1,(,),(,:,2,2,2,0,0,2,2,0,2,0,2,0,0,0,2,x,x,x,x,kC,dx,x,k

    8、C,x,dx,kC,dx,r,F,V,x,x,C,C,kC,r,A,x,A,x,A,x,A,A,A,A,A,A,-,+,+,+,-,+,=,-,+,=,=,-,=,+,-,=,=,-,e,e,e,e,e,e,例:,空时是处理相当一个反应器体积的原料所需的时间。,空时(Space Time),也称平均接触时间。它是反应物微团在反应器内停留平均所需时间。 当反应器内压力和温度恒定、反应前后无体积变化、且进口物料的压力和温度与反应器内相同时, 或者更普遍地说:,秒,平均停留时间,=,是反应器进口的压力温度下的体积流量,(若指的是标态下的体积流量,就相应有标态空时),当反应器内的物料密度无变化且等于进

    9、料的物料密度时才有:空时=平均停留时间,空间速度(Space Velocity) 一般简称为空速。可用反应物体积流速(标准状况下)除以催化剂体积来定义。,催化反应动力学中,空速通常用小时-1来表示。 空速反映了单位时间(每小时)处理反应物料量(体积)和催化剂体积的比值。一定程度上反映了生产强度。,秒-1,空时是物料在反应器内 表观停留时间,不是真实停留时间,各种一, 二级反应的PFR计算公式见书上p68,反应过程中物料密度有变化时,反应器的计算 A 3P (-rA)= kC2A,例:,反应过程中物料密度有变化时,反应器的计算 A 2P (-rA)= kCA,例, =(2-1) / 1=1,第三

    10、节 全混流反应(Continuous Stirred Tank Reactor),CSTR的特征: 1.全釜内浓度温度均一 2.出口浓度就是釜内浓度,CSTR入口浓度由CA0突降为CA造成 浓度势头 (Concentr. Potential)损失,反应器体积V的计算: 定态下对组分A作物料衡算,对一级反应 (-rA)= kCA有,对二级反应 (-rA)= kC2A有,( Da=kmCA0 ),( Da=km ),Damkoehler准数,理想反应器设计方程,Batch reactor,PFR,CSTR,因损失浓度推动力而降低了反应速 n(反应级数)或 x (转化率)越大, 下图的曲线越徒, 反

    11、应速损失就越大,PFR改成CSTR时,例;,对比PFR,CSTR: 当反应级数n0时 m p, n, x越大,兩者相差越大,CSTR 多级CSTR PFR,(-1/rA),CA,N=1,N=3,N=5,n(反应级数)越大或 x (转化率)越大,下图的曲线就徒, 此类改造收益就越大,在相同反应条件,相同转化率要求时,(n0)时,n2,n1,n2n1,例: 由间歇反应釜改为CSTR时,t,t,1 反应器并联:,要求是 CA1=CA2 如果二反应器反应条件(T,P)相同则要求即,第四节组合反应器计算,2.平推流反应器串联,XAi的基准: FA0的转化率定义为零,按平推流推导有,x f,3 多级CST

    12、R串联,对一级反应, (-rA) = kCA 则有,对非一级反应可用图解法求,对一级反应,若V1=V2 = -Vi- =VN 有,若已知各釜的空时 求各釜的浓度Ci 则可用右图图解法,已知斜率 即可作图求Ci,多级CSTR的转化率x与空时 的关系,对一级反应:,k 为无因次量,对2级反应,kCA0为无因次量,它与 x , N 的关系为,有一等温一级不可逆液相反应在CSTR反应器中进行反应,转化率为 xA = 60%, 若再串接二个体积相同的CSTR则转化率可达多少?如果单级连续釜要达到三级串联的转化率,则其反应器体积为原体积的几倍?,解:对于CSTR反应器:,因为是一级反应,所以:,即:,若再

    13、串联两个体积相同的CSTR,有:,如果单釜要达到三釜串联的转化率,则:,4 釜式与管式反应器串联,为什么第一段反应改用釜式反应器因为高浓段反应速率快,发热量大, 而CSTR撤热方便且温度场易于保持均一高浓段 (-1/rA) CA 曲线变化较缓,空时增加(与平推流比)不多,5 循环反应器,假设: 1反应器是平推流反应器 2非定容 3循环流量 v2 , 循环比,解:,即,而依据 x1的定义,因为内部有返混 非平推流,当变化由 0 循环反应器相当于CSTR PFR,V ,a) 一级反应:,b) 一级可逆:,c) 二级反应:,自催化反应过程,A + P P + P,时,反应器体积最小,转化率x的优化:

    14、 间歇反应器的 xopt,若每批操作辅助时间为 t 则总周期为 t+t 为追求该釜的最大生产 能力 x /(t+t), 求 x opt 或 t opt 解: 若t= 1hr, k=1/hr有,CSTR的 xopt,d(Mt / Fp) / dx = 0 式中Mt= V Mr + FA0 Ma=Fp / k CA0(1-x)Mr + (Fp/x)Ma 解得:,V,CA0,第五节 反应器的优化,设反应为一级, 有,设反应为一级,则有 Fp=V k CA0(1-x) 若原料单价为 Ma 反应器运行费单价为 Mr 总成本为 Mt=V Mr + FA0 Ma 总成本最低的 xopt应满足下式,在CSTR

    15、反应器中由A的饱和溶液(CA00.1 mol/L)生成R反应为 AR,,rR=kCA,k=0.2hr-1 。在CA00.1 mol/L 时反应物A的成本MA=0.5$/ molA,包括安装,辅助设备,仪器,企业管理费用,劳动力及折旧等在内的反应器成本Mm=0.01$/(hrL) 。要求R的生成速率为100mol/hr,若未反应的A被丢弃,为获得最低的R成本,应该用多大的反应器、进料流量和转化率?,在此条件下产品R的成本单价是多少?,解:总成本:MtVMmFA0MA对一级反应有:,R的生成速率:FRFA0xA100 mol/hr,例,令:,则xA0.5。即最佳操作时的转化率为xA0.5。进料流率

    16、:,进料流量:,反应器体积:,产品R的成本为:,选择性的优化,若a1 a2, b1 b2 则应提高CA0 , CB0 若CA0,CB0己给定,则应 选择PFR而不选CSTR 对间歇反应器应采用 瞬间加入,而不用流加,CACB,A P A S,A+B PA+B S,平行反应,相对瞬时选择性,瞬间选择性,总选择性,是状态函数,与经历有关,CA,CA0,CA,CA,CA0,CA,对CSTR过程,由于反应只在出口浓度CA下反应 所以CA浓度下的瞬间选择性 即为CSTR的总选择性,=,在 已给定条件下如何提高,CA,CA,CA0,CA,CA,CA0,CA,CA,CA0,CA1,CA0,CA1,CA,CA

    17、0,P,A,分离器,CSTR,CSTR,连串反应选择性优化,对于PFR,Cp是以k2/k1为参数的曲线族,求opt,dCp/d = 0,opt=,连串反应的初期 选择性p高,转化率X低 所以连串反应的反应器其收率有极值,对于CSTR优化,对A作物料衡算,对P作物料衡算,Cp是以k2/k1为参数的曲线族,Cp是以k2/k1为参数的曲线族,求opt,dCp/d = 0,opt=,1) k1, k2 差4个数级后,返混对Cpmax影响不大,2) 返混对opt有影响,例如 当k1大于k2 4个数量级时,某一级液相不可逆串联反应 A-P-S. 反应速率常数 k1=1 时-1 ,k2=4 时-1. 原料浓度CA0= 1MOL/升, 进料量v0=1升/分. 若反应在PFR中进行,为使产品收率最大, 反应器体积V 应为多少. 产品P的最高浓度CP 为多少. 若在CSTR中进行, 又各为多少.,对PFR -dCA /dt =k1 CA dCp /d t = k1 CA k2 Cp 由dCp /d = 0 得,=(ln4)/3 =0.462 V= v =0.462 * 60=27.7 升,对CSTR,V= v = 0.5 * 60 =30 升,=1 / (1+ 4*0.5) (1+ 1*0.5)=0.222 mol,解,例,

    展开阅读全文
    提示  道客多多所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
    关于本文
    本文标题:3理想流动式反应器47.ppt
    链接地址:https://www.docduoduo.com/p-8752505.html
    关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服 - 联系我们

    道客多多用户QQ群:832276834  微博官方号:道客多多官方   知乎号:道客多多

    Copyright© 2025 道客多多 docduoduo.com 网站版权所有世界地图

    经营许可证编号:粤ICP备2021046453号    营业执照商标

    1.png 2.png 3.png 4.png 5.png 6.png 7.png 8.png 9.png 10.png



    收起
    展开