化学反应工程第一章2.ppt

第一章 均相单一反应动力学和理想反应器 * * 用户名: hxfygch@163.com 密 码: bfxy09hg citizen_81@163.com ⑵ 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。 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。 ① 膨胀因子 膨胀因子：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。 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。 ② 膨胀率 膨胀率：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。 ⅰ反应开始时，只有A 结束时，只有P n∝V εA=(2-1)/1=1 例：有一等温气相反应，计算εA ⅱ 若开始时，除A以外，还有50％的惰性气体，εA＝？ 反应开始时：A 1mol ，惰性气体 1mol，共2mol； 反应结束后：P 2mol ，惰性气体 1mol，共3mol 。 膨胀因子与膨胀率的关系 任意时刻物料的体积: 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 体系中任意组分摩尔分数： 对于产物S： 对于反应物B： 例1-5 均相气相反应A→3R，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A→3R 已知yA0=0.5，因此εA=yA0δA=1 平推流反应器设计方程 例1-6 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 kJ·mol-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： 膨胀因子： 膨胀率： 进口体积流量： ③ 流体在平推流反应器中的真实停留时间 由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。 恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间τ不同。如果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；相反，如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间时间。 恒容条件下，εA=0，上式还原为： 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、浓度都是相同的。 1. 全混流反应器特性 ⑴ 物料在反应器内充分返混； ⑵ 反应器内各处物料参数均一； ⑶ 反应器的出口组成与器内物料组成相同； ⑷ 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VR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： 例1-7 条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采用CSTR反应器，求己二酸转化率分别80％、90％时，所需反应器的体积。 解：由例1-3已知： 由设计方程 代入数据，xAf=0.8时 代入数据，xAf=0.9时