第2章 转化率和反应器的尺寸.ppt
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1、前章内容回顾前章内容回顾刘华彦刘华彦(13588465980,665980)浙江工业大学化材学院浙江工业大学化材学院:化工楼化工楼- 通用摩尔衡算方程通用摩尔衡算方程+反应器流动混合特性反应器流动混合特性 1/24/20232浙江工业大学化材学院 刘华彦通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程反应器流动特性反应器流动特性 (B.R.,CSTR,PFR,PBR)反应动力学:反应动力学:-rA (Ci,T)化学计量学化学计量学:CiCj求解方程求解方程预测反应器出口浓度预测反应器出口浓度设计反应器大小设计反应器大小1/24/20233浙江工业大学化材学院 刘华彦第第2 2章章转化率和反应器的尺寸转化率
2、和反应器的尺寸Conversion and Reactor SizingConversion and Reactor Sizing本章主要内容本章主要内容定义转化率定义转化率X给出由转化率给出由转化率X表示的设计方程表示的设计方程利用设计方程及给定的利用设计方程及给定的-rAX关系关系,确定反确定反应器应器(CSTR、PFR)的大小的大小1/24/20235浙江工业大学化材学院 刘华彦2.1 转化率的定义转化率的定义 Definition of Conversion对通用反应对通用反应 a A+b B c C+d D选择选择有限的有限的反应组分反应组分A作为计算基准作为计算基准其它组分的量均以
3、其它组分的量均以“每摩尔每摩尔A”为基准为基准1/24/20236浙江工业大学化材学院 刘华彦2.1 转化率的定义转化率的定义转化率转化率X进入体系的每摩尔进入体系的每摩尔A中中已反应掉已反应掉组分组分A的摩尔数的摩尔数简记:简记:XXA1/24/20237浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2 设计方程设计方程Design Equations2.2.1 间歇系统间歇系统2.2.2 流动系统流动系统1/24/20238浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.1 间歇系统间歇系统Batch Reactor Design Equation间歇系统中:间歇系统中:X=f(t)经过反应时间经过反应时间t后后:
4、1/24/20239浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.1 间歇系统间歇系统反应器中反应器中A的摩尔数的摩尔数NAA组分的摩尔衡算组分的摩尔衡算1/24/202310浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.1 间歇系统间歇系统变体积间歇反应器变体积间歇反应器应用初始条件:应用初始条件:t=0,X=0积分积分1/24/202311浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.1 间歇系统间歇系统恒体积间歇反应器恒体积间歇反应器1/24/202312浙江工业大学化材学院 刘华彦问题:问题:1/24/202313浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统Design Equations for Fl
5、ow ReactorsA组分的摩尔流率组分的摩尔流率:FA0反应掉的反应掉的A组分的摩尔流率为组分的摩尔流率为FA0X 1/24/202314浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统离开系统的离开系统的A组分的摩尔流率组分的摩尔流率FA 1/24/202315浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统FA0(mol/s)CA0(mol/L)v0(L/s)关系:关系:对液相体系,对液相体系,CA0:摩尔浓度:摩尔浓度对理想气体对理想气体1/24/202316浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-1 用理想气体定律计算用理想气体定律计算 CA0由由 50A和和50惰性气
6、体惰性气体组成的混合物在组成的混合物在10atm(1013kPa)和和300(422.2K)时以时以 6 L/s 的流率进入反应器。计算的流率进入反应器。计算A的入口浓度的入口浓度CA0和入口摩尔流率和入口摩尔流率FA0。理想气体常数为理想气体常数为 R0.082 L atm/(molK)1/24/202317浙江工业大学化材学院 刘华彦解:对理想气体解:对理想气体A的摩尔浓度的摩尔浓度入口的摩尔流率入口的摩尔流率FA01/24/202318浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统CSTR或返混反应器或返混反应器 组分组分A 的摩尔衡算的摩尔衡算1/24/202319浙江工业大
7、学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统CSTR或返混反应器或返混反应器达到转化率达到转化率 X所必需的所必需的 CSTR 体积体积反应速率按出口条件进反应速率按出口条件进行估算行估算1/24/202320浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统管式流动反应器(管式流动反应器(PFR)反应组分反应组分A的摩尔衡算方程的摩尔衡算方程设计方程设计方程1/24/202321浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统管式流动反应器管式流动反应器(PFR)达到指定转化率达到指定转化率X时所需时所需的活塞流反应器体积的活塞流反应器体积1/24/202322浙江工业大学化
8、材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统填充床反应器(填充床反应器(PBR)类似于类似于PFRI.C.:m0 时,时,X01/24/202323浙江工业大学化材学院 刘华彦用转化率表示的反应器设计方程的用转化率表示的反应器设计方程的微分和积分形式微分和积分形式反应器反应器微分形式微分形式代数形式代数形式积分形式积分形式间歇反应器间歇反应器CSTRPFRPBR1/24/202324浙江工业大学化材学院 刘华彦2.3 连续流动反应器设计方程的应用连续流动反应器设计方程的应用Applications of the Design Equations for Continuous-Flow React
9、ors 设计方程求解的关键:设计方程求解的关键:-rA X 的关系!的关系!反应动力学反应动力学1/24/202325浙江工业大学化材学院 刘华彦2.3 连续流动反应器设计方程的应用连续流动反应器设计方程的应用举例举例等温气相分解反应等温气相分解反应 AB+C表表2-1:-rAX 数据。数据。温度为温度为 300 (422.2K),总压为,总压为10atm(1013kPa),初始的进料为,初始的进料为 A 和惰性气体各占和惰性气体各占 50的混合的混合物物 1/24/202326浙江工业大学化材学院 刘华彦表表2-1 原始数据原始数据 X-rA/mol/(L s)X-rA/mol/(L s)0
10、.00.00530.50.00330.10.00520.60.00250.20.00500.70.00180.30.00450.80.001250.40.00400.850.001001/24/202327浙江工业大学化材学院 刘华彦表表2-2 经过处理的数据经过处理的数据X0.00.10.20.30.4-rA/mol/(ls)0.00530.0052 0.0050 0.00450.00401/(-rA)/ls/mol189192200222250X0.50.60.70.80.85-rA/mol/(ls)0.00330.0025 0.0018 0.00125 0.00101/(-rA)/ls/
11、mol30340055680010001/24/202328浙江工业大学化材学院 刘华彦图图2-1 经过处理的数据图经过处理的数据图1/24/202329浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-2 确定确定CSTR反应器的尺寸反应器的尺寸 用表用表2-2或图或图2-1中的数据,计算中的数据,计算CSTR中转中转化率达到化率达到80时所需的体积。时所需的体积。图图E2-2.1中的阴影面积乘以中的阴影面积乘以FA0后将给出达后将给出达到到 80转化率转化率(即即X0.8)时需要的时需要的CSTR反应器体积。反应器体积。1/24/202330浙江工业大学化材学院 刘华彦图图 E2-2.1 1/24/20
12、2331浙江工业大学化材学院 刘华彦解:入口条件为解:入口条件为v0 6L/s,p010atm,yA00.5,T0422.2K组分组分A的入口摩尔流率的入口摩尔流率a)CSTR设计方程设计方程-rA为出口转化率为出口转化率X下的反应速率下的反应速率1/24/202332浙江工业大学化材学院 刘华彦根据表根据表2-2或图或图2-1,当,当X=0.8 时,有时,有1/24/202333浙江工业大学化材学院 刘华彦b)CSTR反应器的体积反应器的体积转化率转化率80时,时,CSTR体积为体积为555L1/24/202334浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-3 确定确定PFR反应器的尺寸反应器的尺寸
13、 由表由表2-1和表和表2-2中数据描述的反应在中数据描述的反应在PFR反反应器中进行。入口摩尔流率应器中进行。入口摩尔流率5mol/s。计算达。计算达到到80转化率时转化率时PFR反应器体积反应器体积用附录用附录A.4给出的积分公式计算给出的积分公式计算 VPFR将图将图2-1阴影的面积乘以阴影的面积乘以FA0后即为后即为 VPFR 定性做出转化率定性做出转化率X和反应速率和反应速率rA沿反应器长沿反应器长度(体积)变化的草图度(体积)变化的草图。1/24/202335浙江工业大学化材学院 刘华彦1/24/202336浙江工业大学化材学院 刘华彦1/24/202337浙江工业大学化材学院 刘
14、华彦解解:a)PFR反应器反应器当当X=0.80时,步长时,步长X0.2 的五点二次公式积分的五点二次公式积分1/24/202338浙江工业大学化材学院 刘华彦b)上述积分为上述积分为(1/-rA)X曲线下的面积曲线下的面积 X=80时,阴影面积约时,阴影面积约为为 260(Ls/mol)FA0=0.867mol/s,X=80时时,V PFR=225L 1/24/202339浙江工业大学化材学院 刘华彦(c)作作-rA和和X沿反应器长度变化的简图。沿反应器长度变化的简图。当当X=0.2 时,用步长为时,用步长为X=0.1的的 Simpson法计法计算相应的反应器体积算相应的反应器体积 1/24
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