转化率和反应器的尺寸.ppt
2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,1,前章内容回顾,刘华彦浙江工业大学化材学院:化工楼-513,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,2,通用摩尔衡算方程+反应器流动混合特性,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,3,通用的摩尔衡算方程反应器流动特性(B.R.,CSTR,PFR,PBR)反应动力学：-rA(Ci,T)化学计量学:CiCj,求解方程,预测反应器出口浓度设计反应器大小,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,4,第2章转化率和反应器的尺寸Conversion and Reactor Sizing,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,5,本章主要内容,定义转化率X给出由转化率X表示的设计方程利用设计方程及给定的-rAX关系，确定反应器(CSTR、PFR)的大小,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,6,2.1 转化率的定义 Definition of Conversion,对通用反应 a A+b B c C+d D选择有限的反应组分A作为计算基准其它组分的量均以“每摩尔A”为基准,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,7,2.1 转化率的定义,转化率X进入体系的每摩尔A中已反应掉组分A的摩尔数简记：XXA,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,8,2.2 设计方程Design Equations,2.2.1 间歇系统2.2.2 流动系统,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,9,2.2.1 间歇系统Batch Reactor Design Equation,间歇系统中：X=f(t)经过反应时间t后:,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,10,2.2.1 间歇系统,反应器中A的摩尔数NAA组分的摩尔衡算,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,11,2.2.1 间歇系统,变体积间歇反应器应用初始条件：t=0，X=0积分,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,12,2.2.1 间歇系统,恒体积间歇反应器,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,13,问题：,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,14,2.2.2 流动系统Design Equations for Flow Reactors,A组分的摩尔流率:FA0反应掉的A组分的摩尔流率为FA0X,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,15,2.2.2 流动系统,离开系统的A组分的摩尔流率FA,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,16,2.2.2 流动系统,FA0(mol/s)CA0(mol/L)v0(L/s)关系：对液相体系，CA0：摩尔浓度对理想气体,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,17,例2-1 用理想气体定律计算 CA0,由 50A和50惰性气体组成的混合物在10atm(1013kPa)和300(422.2K)时以 6 L/s 的流率进入反应器。计算A的入口浓度CA0和入口摩尔流率FA0。理想气体常数为 R0.082 L atm/(molK),2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,18,解：对理想气体A的摩尔浓度入口的摩尔流率FA0,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,19,2.2.2 流动系统,CSTR或返混反应器 组分A 的摩尔衡算,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,20,2.2.2 流动系统,CSTR或返混反应器达到转化率 X所必需的 CSTR 体积反应速率按出口条件进行估算,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,21,2.2.2 流动系统,管式流动反应器（PFR）反应组分A的摩尔衡算方程设计方程,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,22,2.2.2 流动系统,管式流动反应器（PFR）达到指定转化率X时所需的活塞流反应器体积,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,23,2.2.2 流动系统,填充床反应器（PBR）类似于PFRI.C.:m0 时，X0,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,24,用转化率表示的反应器设计方程的微分和积分形式,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,25,2.3 连续流动反应器设计方程的应用Applications of the Design Equations for Continuous-Flow Reactors,设计方程求解的关键：-rA X 的关系！,反应动力学,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,26,2.3 连续流动反应器设计方程的应用,举例等温气相分解反应 AB+C表2-1：-rAX 数据。温度为 300(422.2K)，总压为10atm(1013kPa)，初始的进料为 A 和惰性气体各占 50的混合物,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,27,表2-1 原始数据,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,28,表2-2 经过处理的数据,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,29,图2-1 经过处理的数据图,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,30,例2-2 确定CSTR反应器的尺寸,用表2-2或图2-1中的数据，计算CSTR中转化率达到80时所需的体积。图E2-2.1中的阴影面积乘以FA0后将给出达到 80转化率(即X0.8)时需要的CSTR反应器体积。,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,31,图 E2-2.1,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,32,解：入口条件为v0 6L/s，p010atm，yA00.5，T0422.2K组分A的入口摩尔流率a）CSTR设计方程,-rA为出口转化率X下的反应速率,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,33,根据表2-2或图2-1，当X=0.8 时，有,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,34,b）CSTR反应器的体积转化率80时，CSTR体积为555L,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,35,例2-3 确定PFR反应器的尺寸,由表2-1和表2-2中数据描述的反应在PFR反应器中进行。入口摩尔流率5mol/s。计算达到80转化率时PFR反应器体积用附录A.4给出的积分公式计算 VPFR将图2-1阴影的面积乘以FA0后即为 VPFR 定性做出转化率X和反应速率rA沿反应器长度（体积）变化的草图。,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,36,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,37,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,38,解:a)PFR反应器当X=0.80时，步长X0.2 的五点二次公式积分,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,39,b)上述积分为(1/-rA)X曲线下的面积,X=80时，阴影面积约为 260(Ls/mol)FA0=0.867mol/s，X=80时,V PFR=225L,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,40,(c)作-rA和X沿反应器长度变化的简图。当X=0.2 时，用步长为X=0.1的 Simpson法计算相应的反应器体积,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,41,X=0.4依此类推，得到 表 E2-3.1 转化率分布,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,42,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,43,例2-4 比较CSTR和PFR大小,利用图2-1中的数据去研究为达到60的转化率，比较CSTR反应器或 PFR反应器，哪种所需的体积较小两种情形中进 料条件相同，入口摩尔流率为5mol/s,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,44,解:对CSTR反应器达到60转化率时,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,45,对活塞流（管式）反应器达到60转化率时,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,46,FA0相同时，X=0.6时，VPFRVCSTR(下图)对于反应级数大于零的等温反应，上述结果总成立,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,47,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,48,2.4 反应器串联Reactors in Series,转化率X为进入第一个反应器的每摩尔组分A，在达到某一位置时反应掉的组分A 的总摩尔数这一定义只适用于没有侧线抽出，且原料只进入串联反应器中的第一个反应器情况,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,49,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,50,第一个PFR，体积V1中间CSTR第三个PFR,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,51,例2-5 串联CSTR反应器体积比较,两个串联的CSTR反应器的总体积是多少？（FA20.2FA0。）,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,52,解:FA00.867mol/s反应器1，当X10.4时,反应器2，当X20.8时，,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,53,2-CSTR串联总体积为 V1+V2364L单个 CSTR的体积为,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,54,例2-6 串联活塞流反应器的尺寸,计算两个串联PFR的体积V1和V2。入口摩尔流率为0.867mol/s,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,55,解:使用Simpson法计算积分1#PFR：X0=0,X1=0.2,X2=0.4,且X0.2,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,56,2#PFR:总体积为 V1+V2225L,使用一个PFR与两个PFR串联并无实质性的变化；达到相同转化率所需的反应器总体积相同,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,57,其它的排布方式：CSTR与PFR串联,每个反应器的尺寸确定，CSTR在前或PFR在前的最终转化率 X2 不同中间及出口转化率指定，反应器体积及其加和值对不同的排列顺序也不同,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,58,例2-7 比较反应器的排布顺序,当X1=50,FA00.867 mol/s时，计算图中单个反应器的体积以及反应器的总体积,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,59,解：图APFR反应器CSTR反应器VtotalV1+V2305L,X1=0.5,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,60,图BCSTR反应器PFR反应器VtotalV1+V2 262L,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,61,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,62,2.5 更多的定义,相对反应速率对反应,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,63,2.5 更多的定义,空时(space time)反应器体积除以反应器的入口体积流率 基于入口条件处理整个反应器体积的流体所必需的时间也称为保持时间或平均停留时间,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,64,Typical Space Time for Industrial Reactors,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,65,Sample Industrial Space Time,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,66,2.5 更多的定义,空时PFR设计方程CSTR设计方程,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,67,2.5 更多的定义,PFR设计方程改写成CA的形式,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,68,2.5 更多的定义,CSTR设计方程改写成CA的形式,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,69,2.5 更多的定义,恒定体积等温反应,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,70,2.5 更多的定义,空速（SV）(space velocity)定义为空时和空速这两个量的定义上是有差别的 空时用的是在入口条件下测量的体积流率空速常常用到其他条件下测定的体积流率 LHSV液体小时空速，h-1 GHSV气体小时空速，h-1(在标准标况下),2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,71,小 结,1.本章有三方面的内容：定义了转化率X，给出了用X表示的摩尔衡算方程将rA表示成转化率的函数，可以确定反应器尺寸，或者在给定反应器尺寸时，计算转化率利用化学计量方程，关联了反应物和产物的相对反应速率,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,72,小 结,2.对于反应相对反应速率可以表示为,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,73,小 结,3.转化率X是进料中每摩尔组分A被反应掉的摩尔数 间歇系统 连续系统,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,74,小 结,4.对于无中间抽出或多股进料的连串反应器，设计方程的计算可以通过用转化率代表达到串联反应器中某一特殊位置时被反应掉的总摩尔数而进行简化,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,75,小 结,5.用转化率表示的反应器设计方程,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,76,小 结,6.用图解法可确定 CSTR或PFR的尺寸,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,77,小 结,PFR反应器的积分形式也可由下式计算,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,78,小 结,对无侧线流(或中间抽出)的串联反应器，转化率为达到某一指定位置时的总转化率。,反应器体积可由图示的 Levenspiel 曲线下的面积确定,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,79,小 结,7、空时和空速SV由下式给出在计算空速时，入口体积流率通常指标准温度和压力下的数值,2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,80,小 结,8.其它定义：LHSV液体小时空速，h-1GHSV气体小时空速，h-1(在标准标况下),2023/8/26,浙江工业大学化材学院 刘华彦,81,作业,P2-6,P2-8,P2-12完成的作业发送电子邮件至：,
