第4章 等温反应器设计.ppt

浙江工业大学化材学院 刘华彦 第4章 等温反应器设计Isothermal Reactor Design 刘华彦 665980) 浙江工业大学化材学院: 化工楼-513 hyliu@ hyliu16@ 本章内容 总结前三章，得到反应器设计的逻辑结构 测定反应速率常数的液相间歇反应器 用间歇反应速率数据进行CSTR、PFR设计 填充床中压降~转化率的讨论 非稳态操作及半间歇反应器 4.1等温反应器的设计步骤Design Structure for Isothermal Reactors 举例 4.1等温反应器的设计步骤 4.2 液相间歇反应器数据放大到CSTR的设计Scale-Up of Liquid-Phase Batch Reactor Data to the Design of a CSTR 工业规模：流动反应器设计 间歇操作 恒体积的间歇反应器 间歇操作 反应 A→B 反应不可逆，对A为二级。A的消耗速率 间歇操作 等温条件下 间歇反应器的循环周期 间歇反应时间及反应器大小估算 间歇反应器操作优化 反应时间优化 间歇操作的反应时间估算 恒体积间歇反应器中，X=0.9 一级反应 二级反应 例题： 试对一级反应和二级反应分别计算转化率从90%提高到99%时，转化所需的时间为其前期转化时间的倍数。 令反应物的初浓度为单位浓度，则反应进程为 转化率：∣ X =0.99 ∣ ∣ X =0.90 ∣ X =0.90 ∣ 浓度： 1 0.1 0.01 时间： ∣ t1 ∣ t2 ∣ CA0=1,CA=0.1,X =0.90,t1 CA0=0.1,CA=0.01,X =0.90,t2 (a) 一级反应： t1 =t2 转化率从90%增高到99%所费时间与其前期转化达到90%的时间相同 (b) 二级反应 t2 = 10·t1 末期转化时间为前期转化时间的10倍 例题： 均相等温液相聚合反应中，单体的初始浓度为0.04mol/l和0.8mol/l时，在34min内单体均消失20%，问单体的消失速率为多少 单体转化率与初始浓度无关：一级反应 已知：t = 34 min，X = 20% 单体的消失速率为： 例4-1 从间歇反应器的数据确定反应速率常数k 设计由环氧乙烷水解生产2亿磅/年乙二醇的CSTR反应器 设计前：分析间歇反应器的实验以确定反应速率常数k 反应温度为55℃，高温下有大量的副产物生成，而低于40℃反应速率过低 水过量：水的浓度可认为是常数。反应对环氧乙烷为一级 500mL、2kmol/m3环氧乙烷水溶液与500mL、0.9％(wt)硫酸-水混合，水中的硫酸为催化剂。温度恒定在55℃。 由表E4-1.1数据，确定55℃时的反应速率常数 解： ①间歇反应器摩尔衡算方程 ②反应速率方程 水过量：CB≌CB0 ③化学计量学：液相，V＝V0 ③化学计量学 ④联立反应速率方程和摩尔衡算方程，有 在t时刻乙二醇浓度可以由反应计量学得到 对液相反应V＝V0 应用十倍法估算斜率 反应速率方程 该方程可用于工业 CSTR 反应器设计 CSTR反应器的设计 CSTR设计方程 体积流率恒定时 CSTR反应器的设计 一级不可逆反应 Damk?hler特征数 定义 反应器入口处A组分的反应速率与对流传递速率的比值 Damk?hler特征数 Da与连续流动反应器转化率的关系 Da≤0.1：转化率通常低于10% Da≥10.0：转化率通常高于90% CSTR反应器中的二级反应 CSTR反应器串联CSTR in Series 两个串联CSTR反应器中进行无体积变化的一级反应 CSTR反应器串联 反应器1 反应器2 CSTR反应器串联 n个等体积的CSTR串联，反应温度相同 最后一个反应器出口 CSTR反应器并联 CSTR in Parallel 等体积CSTR并联 进料等量地分配到每个反应器中 CSTR反应器并联 对任一反应器 反应器等体积、等温、等进料速率 CSTR反应器并联 例4-2 用CSTR年产2亿磅乙二醇 CSTR等温操作 1lb-mol/ft3环氧乙烷水溶液A与等体积含0.9％(wt) 硫酸催化剂的水溶液一起输入到反应器中 达到80％的转化率，CSTR反应器体积? 并联: 需要多少个800gal反