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浙江工业大学化材学院 刘华彦 第1章 摩尔衡算Mole Balance 浙江工业大学化材学院 刘华彦 665980) hyliu@ hyliu16@ 本章内容 定义反应速率－rA 推导反应体系内任一组分的通用摩尔平衡 推导最常见工业反应器设计方程的初步形式 关于反应器的一些综述性问题 1.1 反应速率-rA的定义 反应物的消失速率或产物的生成速率 反应物的消失速率 反应物A 的反应速率－rA定义为 单位时间、单位体积，A反应(消失)的摩尔数 单位：mol/(L·s) A + 2B → C + D 一个易混淆的表达方法 恒体积的间歇反应器 例1-1 氢氧化钠正在反应吗？ 图E1-1.1 全混反应器 反应速率方程 rj的定义单位体积、单位时间生成j的摩尔数 rj的速率方程是在系统内某一点处反应物料浓度、温度、压力或催化剂类型的函数 rj的速率方程与反应进行的系统类型无关 (化学反应本身的特性) 反应速率方程 －rA速率方程的代数形式 1.2 通用的摩尔衡算方程(General Mole Balance Equation) “系统体”与“关键组分” 任一时刻t 对组分j进行摩尔衡算： 摩尔平衡: 输入＋生成－输出＝积累 通用的摩尔衡算方程 1.3 间歇反应器(Batch Reactors) 没有反应物流进或产物流出，即Fj0＝Fj＝0。 反应混合物完全混合 例1-2 恒体积或恒压: 有何不同？ 对恒压反应器和恒体积反应器，依照反应体积、二甲醚的浓度和生成速率，写出二甲醚的摩尔衡算式。 二甲醚气相分解反应体系 (CH3)2O → CH4 ＋ H2 ＋ CO A → M ＋ H ＋ C 解：对间歇反应器中二甲醚的摩尔衡算 恒容间歇反应器 恒压间歇反应器 1.4 连续流动反应器(Continuous-Flow Reactors) 连续搅拌釜式反应器 管式反应器 填充床反应器 连续搅拌釜式反应器(Continuous-Stirred Tank Reactor, CSTR) 稳态运行 完全混合流(全混流) 通用的摩尔衡算方程 稳态操作 反应器内完全混合 CSTR设计方程 摩尔流率Fj 1.4.2 管式反应器(Tubular Reactor, Plug-Flow Reactor, PFR) 由圆柱形管子组成 稳态下操作 活塞流理想系统 浓度无径向变化，称为活塞流反应器（PFR） 通用的摩尔衡算方程 稳态操作 距反应器入口为y 处的dV子系统内 1.4.3 填充床反应器(Packed-Bed Reactor, PBR) 流-固非均相反应体系 设PBR无径向浓度、温度和反应速率分布 催化剂Δm上,组分A的通用摩尔衡算方程 进 － 出 ＋ 生成 ＝积累 填充床反应器设计方程 忽略反应器的压降和催化剂活性衰变时 例1-3 反应器要多大？ 体积流率v恒定的管式反应器中进行一级不可逆反应 A→B 推导关系式：V ~ CA (CA0) ~ k ~ v? 当v=10L/min 和k=0.23min-1时，出口浓度减少到入口浓度10％时所需的反应体积 解：管式反应器中A的摩尔衡算 一级不可逆反应 v0恒定 整理得 B.C.：V＝0, CA＝CA0 积分： CA=0.1CA0 1.5 工业反应器(Industrial Reactors) 液相反应(Liquid-Phase Reactions) 间歇反应器 小规模生产、新产品开发、昂贵产品生产、难于连续化操作的过程 操作费用高、难操作 半间歇反应器 适用于需要控制温度、产品分布的情形 液相反应 连续搅拌的釜式反应器（CSTR） 剧烈搅拌 产量较大 温度易控制 反应器体积较大 可单独或串联使用 串联的CSTR或CSTR组 液相反应器的应用例 硝基苯生产 气相反应(Gas-Phase Reactions) 管式反应器(即活塞流反应器，PFR) 维护容易 转化率高 温度难以控制，对放热反应，会出现热点 气相反应 填充床反应器（也称固定床, Fixed-Bed Reactor） 装填有固体催化剂颗粒的管式反应器 用于非均相的催化气体反应系统 控温较难，催化剂更换较麻烦 转化率高 气相反应 流化床反应器(Fluidized-Bed Reactor) 反应器内物料完全混合，温度分布均匀 处理量大，温度容易控制，应用广泛 催化剂更换或再生容易 反应器和催化剂再生设备的投入高 F-T反应和反应器