1、第二章,化学反应工程基础,作业: 在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：反应物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反应在100下进行。A转化率达50需要时间为24.6min，辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸丁酯（忽略分离损失），计算反应器体积。混合物密度为750kgm-3，反应器装填系数为0.75,二、理想置换反应器（平推流反应器）,1. 理想置换反应器的特性, 由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的； 在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一
2、致的； 在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。实际生产中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。,在等温理想置换反应器内，物料的组成沿反应器流动方向，从一个截面到另一个截面不断变化，现取长度为dl、体积为dV的一微元体系，对关键组份A作物料衡算，如图所示，这时dV=Stdl，式中St为截面积。,2.平推流应器设计方程,进入量-排出量-反应量=累积量,FA-(FA+dFA)-rAdV=0 由于 FA=FA0(1-xA) 微分 dFA=-FA0dxA 所以 FA0dxA=rAdV 为平推流反应器物料平衡方程的微分式。对整个反应
3、器而言，应将上式积分。, 对于恒容过程：, 变容反应过程,理想置换反应器是一种连续流动反应器，可以用于液相反应，也可以用于气相反应。用于气相反应时，有些反应，反应前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反应会引起系统物流体积发生变化。物流体积的改变必然带来反应物浓度的变化，从而引起反应速率的变化。,对于A组分：,例: 均相气相反应A3R，其动力学方程为rA=kcA，该过程在185，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1，进料量FA0=30kmol/h，原料含50惰性气，为使反应器出口转化率达80，该反应器体积应为多大?解：该反应为气相反应A3R,平推流反应器设计方程,例:
4、 在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯。年设计生产能力为14万吨乙烯。反应是不可逆的一级反应，要求达到乙烷转化率为80，反应器在1100K等温，恒压600kPa下操作，已知反应活化能为347.3 kJmol-1 ，1000K时，k=0.0725 s-1 。设计工业规模的管式反应器。解：设A为乙烷，B为乙烯，C为氢气,反应器流出的乙烯的摩尔流率是：,进料乙烷的摩尔流率是：计算1100K时反应速率常数：,膨胀率：进口体积流量：,三、全混流反应器,全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、
5、浓度都是相同的。,1. 全混流反应器特性, 物料在反应器内充分返混； 反应器内各处物料参数均一； 反应器的出口组成与器内物料组成相同； 连续、稳定流动，是一定态过程。,2. 全混流反应器基本设计方程,全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积V为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。,整理得到：,恒容条件下又可以简化为：,等温变容情况下,变容一级不可逆反应:,变容二级不可逆反应:,若采用CSTR反应器，求己二酸转化率90时，所需反应器的体积。,例1 某厂以己二酸与己二醇等摩尔缩聚反应生产醇酸树脂。反应温度70，催化剂为H2SO4。已知： cA0=4 kmolm-3,由设计方程代入数据，xAf=0
6、.9时,用间歇反应器所需容积为：4.56m3,四、理想流动反应器的组合,1. 平推流反应器的并联操作VR=VRl+VR2 因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和：V0=V01+V02 由平推流反应器的设计方程,尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。如果各支路之间的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物流的混合，就是返混。因此应当遵循的条件：,2. 全混流反应器的并联操作,多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并联操作同样道理，必须满足的条件相同。,3. 平推流反应器的串联操作
7、,1,2,i,n,与单一平推流反应器相同,请考虑要使并列的两路得到相同的转化率，则两路的流量比是多少？,对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。 对恒容、定常态流动系统，V0不变， ，故有：,4. 全混流反应器的串联操作,对于N釜串联操作的系统，总空间时间：小于单个全混釜达到相同转化率xAN操作时的空间时间。,对于一级反应：,依此类推：,如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：对二级反应，以上面方法，可以推出：,根据动力学方程做rA CA关系曲线,rA,CA,CA1,CA2,CA3,CA0,以两只不等容的理想混合反应器串联操作为例：对于第一级反应器对于第二级反应器反应所需的总平均停留时间为,设计多级
8、串联理想混合反应器时，合理分配各级反应器 的出口转化率，可使反应器所需总体积最小。,两种组合方式均可达到最终转化率xA2。如果能确定最佳xA1，可使反应总体积最小。,结论：故要是长方形面积最大，必需使M点斜率等于长方形对角线的斜率。,矩形KLMN面积S=x1(y-y1) 其中y是定值 令dS/dx1=0 可推得 dy1/dx1=(y-y1)/x1 dy1/dx1为M的斜率(y-y1)/x1 是长方形对角线LN的斜率,根据“最大矩形法”可以确定xA1。两个大小不等的理想混合反应器等温串联操作时，对一级反应采用等体积最好；反应级数n1时，小反应器宜在前；反应级数n1时，大反应器应在前。若几只理想混
9、合反应器串联操作，可参照上述方法确定最佳中间转化率。生产中考虑到制造和维修方便，常采用等体积理想混合反应器串联操作。,五、反应器的型式和操作方法的评比与选择,选择标准：a、到达给定生产能力所需反应器的体积要小b、用等量的原料得到的目的产物要多,1. 单一反应,平推流反应器、理想混合反应器及多级串联理想混合反应器设计方程式为：,容积效率：指同一反应，在相同的温度、产量和转化率条件下，平推流反应器与理想反应器所需的总体积比，即：,容积效率不仅与反应器类型有关，还与反应级数有关对于零级反应对于一级反应对于二级反应,图中观察可得,2. 平行反应,主、副反应的速率方程,二式相除得,主、副反应的速率方程,二式相除得, 间歇操作, 连续流动操作,3. 连串反应,rA=-dCA/dt=k1CA rR=dCR/dt=k1CA-k2CR rS=dCS/dt=k2CR,若R为目的产物，应使cA较大，选平推流反应器、间歇反应器。 若S为目的产物，应使cA较小，选理想混合反应器。,4. 连串平行反应,三种加料方式：A慢慢加入B中；B慢慢加入A中；A与B迅速混合。,第一种：反应体系中无A和R的积累。知道体系中B消耗完，A才会累积，但是得不到R。第二种：R先增大后减小。要想得到最多的R，需要掌握B的加入量。第三种：产物分布于第二种相同。,
