反应工程第三章-上

∫ ( ) ∫ ( ) ( ) t
= c xAf A0 0
dx A − rA
=
cA0
x Af 0
dx A kcA20 1 −
xA
2
=
1 kcA0
x Af 1 − xAf
xA=0.5，
( ) t
=
1 1.97 × 10−3 × 4 ×
0.5 1 − 0.5
1 × 60
=
2.10
h
xA=0.6 ， t=3.18h xA=0.8 ， t=8.5h xA=0.9 ， t=19.0h
` 确定适合的工艺条件
◦ 进口物料配比、流量、温度、压力、最终转化率等 ◦ 确保反应器具有良好的运转特性、操作稳定性
` 计算所需反应器体积
◦ 由规定的生产能力及操作条件来确定反应器结构和尺寸 ◦ 确定优化的反应器结构和尺寸
5
` 一反 动力学方程式—化学反应器设计基础
` 三传-传质、传热、传描动述量反应器性能的最基本方程
dxA (−rA )V
∫ t
=
cA0
xAf xA0
dxA (−rA )
∫c Af
t=−
dcA
cA 0 ( − rA )
14
例： 在一间歇式反应器中进行的液相反应，对于 反应物A的浓度和反应速率之间的关系已得出如 下数据：
CA, mol/L
1 2 4 6 7 9 12
-rA, mol/L.hr 0.06 0.1 0.25 1.0 2.0 1.0 0.5
今打算和上述实验结果相同的条件下进行实验， CA0=10mol/L。欲使CAf=2 mol/L, 应反应多长 时间？
∫ 解
则 ln(−rA ) = ln k + n ln cA
c Af
t=−
dcA
cA 0 ( − rA )
CA, mol/L
1
2
4
-rA, mol/L.hr 0.06 0.1 0.25
◦ 装填系数：每次装填反应物量占整个反应器体积的 容积比
反应器的体积、反应区域与装填系数之间的关系？
8
` 如何理解理想的概念？
¾由于剧烈的搅拌，反应器内物料浓度达到了分子尺 度上的均匀。且反应器内浓度处处相等。
¾反应器有足够的传热条件，反应器内处处温度相等。
9
反应结果将唯一地由化学动力学所确定
` 搅拌器剧烈的搅拌作用
1
第二章 化学反应动力学
¾ 化学反应速率的工程表示
¾ 均相反应化学反应动力学表达式
ri = f (C，T )
ri = fT (T ) fC (C j )
( − rA )
=
kC
α A
C
β B
L
−E
k = k0e RT
c
α
A
c
β
B
2
¾ 非均相化学反应动力学表达式 气固催化反应本征动力学
本征动力学讨论的范围：化学吸附、化学反应、化学脱附
lnCA
0
0.69 1.39
Ln(-rA)
-2.81 -2.30 -1.39
6 1.0 1.79 0
7 2.0 1.95 0.69
9 1.0 2.20 0
12 0.5 2.49 -0.69
CA, mol/L
1
2
4
-rA, mol/L.hr 0.06 0.1 0.25
lnCA
0
0.69 1.39
ln(-rA)
∫ t
=
cA0
xAf xA0
dxA (−rA )
∫c Af
t=−
dcA
cA 0 ( − rA )
◦ 采用已知的反应动力学方程式进行积分求解
` 图解法
A
=
∫b a
f
(
x)dx
y y = f (x)
◦做
或
曲线
o a x x + Δx b x
◦
或
曲线下的面积即为 或
13
图解法：
∫ t
=
nA0
xAf xA0
反应物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反应在 100℃下进行。A转化率达50％需要时间为24.6min， 辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸丁酯 （忽略分离损失），计算反应器体积。混合物密度 为750kg·m-3，反应器装填系数为0.75。
23
24
25
dcA
cA 0 ( − rA )
用图解法！
CA, mol/L
1
2
4
6
7
9
12
-rA, mol/L.hr
0.06 0.1 0.25 1.0 2.0 1.0
0.5
1/(-rA)
16.7 10
4
1
0.5
1
2
1/(-r ) A
18 15
∫c Af
t=−
dcA
cA 0 ( − rA )
12
9
t=每个小梯形面积的
A)Ark−=P
◦ 两种反应物，初始浓度相等且等分子反应
∫ c kt AB+→P(Ar−AB)kc=A x = xAf t = c dx ⇒ 1 − 1 = kt ⇒ 1+ c kt A0
(−r ) c c c = 1+cc kt 0
A A
A
A0
A0 A
A0
A0 A
A0
初始条件
t = 0, cA = cA0
` 等式左边：乘积kt项 ` 等式右边：由cA0、cA、xA组成
` 特定反应：时间t一定， xA和cA唯一地确定
率所需要的反应时间，只取决于反应的本征
动力学
∫ t
=
nA0
xAf xA0
dxA (−rA )V
` 反应器的实际体积取决于反应物料的处理量、
反应时间、辅助时间与装填系数
V = f (v0,tT ,δ )
30
A→P
(−rA) = kcAn
` 一级反应—常见的一种反应
(−rA) = kcAn = kcA
-2.81 -2.30 -1.39
6 1.0 1.79 0
7 2.0 1.95 0.69
9 1.0 2.20 0
12 0.5 2.49 -0.69
1
ln(-r ) A
0
该速率方程并非简
-1
单的幂函数型，如
-2
何解决？
-3 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
lnC A
∫c Af
t=−
⇒ t = cA0
0
dxA = 1 ln 1 (−rA ) k 1− xAf
−kt = ln cAf
⇒
cA0
cAf = cA0e−kt
(−rA) = kcA
cAf = cA0e−kt
xAf = 1 − e−kt
(−rA
)
=
kc A0
(1−
xA
)
32
` 二级反应 A → P
◦ 一种反应物
(−rA) = kcA2
1
假定反应机理步骤
2
判定反应控制步骤
3
写出反应控制步骤的速率
4
列出非控制步骤的平衡式
5
推导反应过程的动力学式
3
第三章 理想间歇反应器与 典型化学反应的基本特征
4
` 选择合适的反应器型式
◦ 反应的动力学特性（反应过程的浓度效应、温度效应） ◦ 反应器的流动特征和传递特性（返混程度，传热特性、传递特性）
6
加和=22.08hr
3
0 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
C A
` 反应器体积--- 反应物料在反应器中所占体积
◦ 取决于单位生产时间所处理的物料量，每批生产所需的操作 时间以及装填系数
V = f (v0,tT ,δ )
V = v0tT / δ
tT = t + t0 = 反应时间+ 辅助时间（装料/升温/降温/卸料/清洗）
28
反应器有效容积V’R：
VR′ = V0tT = 0.171 × 9.5 = 1.63
m3
实际反应器体积VR：
VR
= VR′ δ
1.63 = 0.75
= 2.17
m3
当xA=0.9时：
tT=19+1=20h V’R=0.171×20=3.42m3
VR=3.42／0.75=4.56m3
29
` 理想间歇反应器中，反应物料达到一定转化
cA = cA0 − kt
初始条件
t = 0, cA = cA0
35
(−rA) = k
(−rA) = k
xA
=
kt cA0
cA = cA0 − kt
36
kt = f (cA0 , cA )
kt = f (cA0, xA )
建议自己推导！！
37
kt
=
n
1 −
1
(c1A−n
−
c1−n A0
)
(1 − xA )1−n = 1 + (n − 1)c1A−0nkt
20
对于给定的生产任务—设计计算出间歇反应器的体积。
给定的生产任务： ¾ 单位时间处理的原料量FA[kmol.h-1]； ¾ 原料组成CA0[kmol.m-3]； ¾ 达到的产品要求xAf； ¾ 辅助生产时间t’；
¾ 动力学方程等。
∫ ①由式
t
=
xAf
cA0
xA0
dxA 计算反应时间t； (−rA )