第3讲 理想置换反应器.ppt

若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求： (1)转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少? (2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少? 转化率与反应程度的关系，结合 得到： 例 在0.12MPa,898K等温下进行乙苯的催化脱氢反应 该反应的速率方程为 [kmol/(kg·s) 式中，p为分压，A，S，H分别为乙苯、苯乙烯及氢 K=1.68×10-10kmol/(kg·s·Pa) Kp=3.727×104Pa 若在活塞流反应器中进行该反应，进料为乙苯与水蒸气的混合物，其物质的量比为1：20。试计算当乙苯的进料量为1.7×10-3 kmol/s，最终转化率达60%时的催化剂用量。 等温等压下，物系体积的变化是由物系中总物质的量的变化引起的 结合 任意组分的摩尔分数及分压 对本题： 代入动力学方程 已知苯乙烯的进料量为FA0=1.7×10-3kmol/s，得催化剂的质量为 得 用解析法或数值法求解 变容过程转化率与浓度的关系 恒压变容体系中各组分浓度、摩尔分率及分压可以由以下推导得到。 对于A组分 例 氨的分解反应是在常压、高温及使用催化剂的情况下进行的，反应计量式为 2NH3 →N2 + 3H2 今有含95%氨和5%惰性气体的原料气进入反应器进行分解反应，在反应器出口处测得未分解的氨气为3%，求氨的转化率及反应器出口处各组分的摩尔分数。 由 理想置换反应器 理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器，英文名称为Plug (Piston) Flow Reactor，简称PFR。 理想置换反应器的特性 ①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；②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）是一致的；③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。 理想置换反应器的设计方程 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dz、体积为dVR的一微元体系，对关键组份A作物料衡算，如图所示，这时dVR=Stdl，式中St为截面积。 进入量-排出量-反应量=累积量 故 FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0 由于 FA=FA0(1-xA) 微分 dFA=-FA0dxA 所以 FA0dxA=(-rA)dVR 为平推流反应器物料平衡方程的微分式。对整个反应器而言，应将上式积分。 上式为平推流反应器的积分设计方程。 对于恒容过程： 以上设计方程关联了反应速率、转化率、反应器体积和进料量四个参数，可以根据给定条件从三个已知量求得另一个未知量。 例1-4条件同例1-3，计算转化率分别为80％、90％时所需平推流反应器的大小。 解：对PFR 代入数据xA=0.8时： xA=0.9时： 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。 膨胀因子和膨胀率 为了表征由于反应物系体积变化给反应速率带来的影响，引入两个参数，膨胀因子和膨胀率。 膨胀因子 反应式 计量方程 定义膨胀因子 即关键组份A的膨胀因子等于反应计量系数的代数和除以A组分计量系数的相反数。 膨胀因子是由反应式决定的，一旦反应式确定，膨胀因子就是一个定值，与其它因素一概无关。 膨胀因子的物理意义 关键组分A消耗1mol时，引起反应物系摩尔数的变化量。对于恒压的气相反应，摩尔数的变化导致反应体积变化。δA0是摩尔数增加的反应，反应体积增加。δA0是摩尔数减少的反应，反应体积减小。δA=0是摩尔数不变的反应，反应体积不变。 膨胀率 物系体积随转化率的变化不仅仅是膨胀因子的函数，而且与其它因素，如惰性物的存在等有关，因此引入第二个参数膨胀率。 定义膨胀率 即A组分的膨胀率等于物系中A组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初始体积。 如果物系的体积与转化率的变化为线性关系 则 即 得 等温等压下，物系体积的变化是由物系中总物质的量的变化引起的 结合 膨胀因子与膨胀率的关系 可以推导出 物理意义 下述气相反应 CH4 +2 H2O =