全混流反應(yīng)器ppt課件

1、3.4 全混流反響器全混流反響器 3、設(shè)計方程式的運用 4、分批式間歇釜式反響器和全混流CSTR反響器的比較3.5 多釜串聯(lián)組合的全混流反響器多釜串聯(lián)組合的全混流反響器2、多釜串聯(lián)CSTR反響器的設(shè)計方法 解析法 圖解法 1、全混流模型：CSTRContinuously Stirred Tank ReactorCSTR 又稱理想混合流反響器或延續(xù)攪拌釜式反響器，進出物料的操作是延續(xù)的，可以單釜或多釜串聯(lián)操作。特點：新穎物料瞬間混合均勻，存在不同停留時間的物料之間的混合，即返混。物料返混是延續(xù)操作反響器存在的景象，且逆向混合程度最大，逆向混合直接導致稀釋效應(yīng)最大。反響器內(nèi)一切空間位置的物系性質(zhì)是

2、均勻的，并且等于反響器出口處的物料性質(zhì)，即反響器內(nèi)物料的濃度與溫度均一，且與出口物料溫度、濃度一樣。反響器內(nèi)物系的一切參數(shù)，如T、C、P等均不隨時間變化，從而不存在時間獨立變量，獨立變量是空間。CA xA (或xA2)VRCA0 xA0=0(或xA1)v0FA0CAxA(或xA2)vFACSTR試問化學反響速率是固定不變的嗎？為什么？ 2、 全混流反響器的設(shè)計方程式全混流反響器的設(shè)計方程式兩點闡明：CSTR體系性質(zhì)均一，不隨時間而變，可就整個反響器進展物料衡算，而且單位時間可以任取。延續(xù)操作的物料累積量為零。根本衡算式：進入量-排出量-反響量=累積量對反響的A作物料衡算：進入量=FA0=v0C

3、A0排出量=FA=FA0(1-xA)= v0CA0(1- xA)反響量=-rAVRCA xA (或xA2)VRCA0 xA0=0(或xA1)v0FA0CAxA(或xA2)vFAFA0-FA0(1-xA) -rAVR=0或：v0CA0- v0CA0(1- xA) -rAVR=0AAAAAARAAAARARrCCrxCvVrxCCvVFV0000000CSTRCSTR設(shè)計方程式設(shè)計方程式xA0=0 xA0=0的情況的情況 xA00 xA00呢？呢？可以導出以下式子xA00, 可以為原料中的可以為原料中的A已轉(zhuǎn)化了已轉(zhuǎn)化了xA1推導出的設(shè)計方程具有通用性推導過程： 物料衡算式FA0(1-xA1) -

4、FA0(1-xA2) -rAVR=0即：FA0(xA2-xA1) =-rAVRAAAAAAARAAAAARARrCCrxxCvVrxxCCvVFV02200120000或留意：FA0表示無產(chǎn)物基的A的摩爾流率，否那么無任何物理意義！為空時，是反響器的有效容積與進料流體的容積流速比值 反響工程中常用于表示時間概念的還有：反響時間t：反響物從進入反響器后從實踐發(fā)生反響起到反響達某一程度如某轉(zhuǎn)化率時所需的時間停留時間：它是指反響物從進入反響器的時辰算起到它們分開反響器的時辰為止在反響器內(nèi)共停留的時間，對于分批式操作的釜式反響器與理想平推流反響器，反響時間等于停留時間，而對于存在返混的反響器，那么出口

5、物料是由具有不同停留時間的混合物，即具有停留時間分布的問題，工程上常用平均停留時間來表示。平均停留時間：以 來表示，其定義為反響器的有效容積與器內(nèi)物料體積流速之比，即 。要留意區(qū)分上述三個工程上常用于表示時間的概念。 tvVt 全混流反響器設(shè)計方程關(guān)聯(lián)的參數(shù)有：xA、(-rA)、VR、FA0 圖解全混流反響器相關(guān)計算： 留意：上圖中矩形可求出出口轉(zhuǎn)化率xA或出口濃度為CA所需空時，一定要明確上圖黑點所代表的意義。 3、設(shè)計方程式的運用、設(shè)計方程式的運用零級反響 AP (-rA)=k )0:(:)(000000的等分子反應(yīng)以上是注或或AAAAAAAAAAAARkCCCkxkCCkxCrxCvV)

6、1 ()1 ()()(:0000000AAAAAAAAAAAAAAAAAAxkxCCCkCCCCCCCx或?qū)⑸鲜酱朐O(shè)計方程得若AAAAAxxCC110或一級反響 AP (-rA)=kCA 對于恣意A值 kCCkCCkkxkCCCxkxvVCCkCCCCxkxxrxCvVAAAAAAAAAARAAAAAAAAAAAAAAAR1111:)1 (0,)()()1 ()1 ()(000000000或這時可以認為是恒容過程對于液相反應(yīng) 二級反響 AP (-rA)= 2AkC對于恣意A值： 202000200202200)1 (0)()()1 ()1 (AAAAAARAAAAAAAAAAAAAAAARk

7、CCCxkCxvVCCkCxCCxkCxxkCxCvV對于 n級反響 AAAnAAAAxCkCCCC000A=0時nAAAnAnAoARkCCCxkCxvV010)1 (例 題nAAkCr 例題7：工廠采用CSTR以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在70下進展縮聚反響消費醇酸樹脂，實驗測得該反響的速率方程式為：-rA=kCACB式中：-rA-以已二酸組分計的反響速率，kmol.L-1.min-1 k-反響速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.L-1 CA0、CB0均為0.004kmol.L-1假設(shè)每天處置已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化

8、率為80%，試計算確定反響器的體積大小。 解：根據(jù)CSTR反響器的設(shè)計方程可知， 322020234. 772348 . 01004. 06097. 18 . 0171)1 ()1 (mLxkCvxVxkCxvVAAARAAAR而間歇反響器所需的體積僅為：2.16m3 請思索：為何間歇釜式反響器所需反響體積要小得多？4、分批式間歇釜式反響器和全混流、分批式間歇釜式反響器和全混流CSTR反響器的反響器的比較：比較：對于反響級數(shù)n0的反響:分批式：一次性投料，反響體系A(chǔ)的濃度由CA0逐漸降至CA(排料時A的濃度，反響速率隨 t 減小;全混流CSTR：A的濃度由CA0瞬間降至反響器出口濃度CA，故全

9、混流反響器不斷在相當于出口濃度的低反響速率下進展，相當于圖中B點速率下進展。 分批式反響器所需反響時間： 0AACCAArdCt全混流反響器所需空時： = 面積CA0DBCA= ACAAAAAArCCBCCC00全混流反響器的容積效率： 0 . 10的面積矩形曲線下陰影部分面積AADBCCABt對于0級反響，=1，其物理意義是什么？請思索！ 闡明容積效率可以用時間比空時的緣由對于n0的不可逆反響，CSTR的容積效率均小于1，這是由于“返混呵斥的稀釋效應(yīng)使全混流的反響器的容積效率小于1，也就是說全混流反響器的有效容積將是分批式反響器的1/倍，但要留意分批式操作的非消費性時間t0在計算時并沒有思索

10、，假設(shè)思索之，那么=t+t0/，有能夠=t /小于1的情況，而=t+t0/大于1，這是完全能夠的。見陳甘棠教材P54例3-3-1。 1、多釜串聯(lián)、多釜串聯(lián)CSTR反響器的特點反響器的特點假設(shè)由幾個串聯(lián)的全混流反響器來進展原來由一個全混流反響器進展的反響，那么除了最后一個反響器外，一切其它反響器都在比原來高的反響物濃度下進展反響，這勢必減少了混協(xié)作用所產(chǎn)生的釋稀效應(yīng)使過程的推進力得以提高。表如今： 假設(shè)兩者的起始和最終濃度及溫度條件一樣，那么意味著消費強度可以得到提高因平均反響速度提高了； 假設(shè)多釜與單釜具有一樣的消費才干和轉(zhuǎn)化率，多釜串聯(lián)的反響器總?cè)莘e必定小于單釜。串聯(lián)級數(shù)越多，所需體積愈小，

11、過程愈接近活塞流PFR和分批式反響器。 多釜串聯(lián)反響器的設(shè)計方法多釜串聯(lián)反響器的設(shè)計方法 解析法： 12iN設(shè)每個反響器的空時為i，那么總空時為： Nii對恣意i釜A組分的物料衡算恒容系統(tǒng)：AiiAiAiirCCvV,1,0將詳細的速率方程代入上式，從第一釜開場逐釜計算下去。 化學反響速率的內(nèi)在含義包括哪些？各釜的容積與溫度可以不同，如對于n級不可逆反響： niAnAiiAiAniAiiAiAiixCkxxCkCCvV,101,1,01假設(shè)n=1，那么： iiiAiAkCC111,將串聯(lián)的N釜設(shè)計方程左右分別相乘得： NNiiANAkkkkCC1111122110,jijiTTVV該式前面已推

12、導過！該式前面已推導過！constkkjijiNiNANiANAkxkCC111:11,0,或總?cè)莘e為：V=NVi=Niv0例例 題題例題8 在兩釜串聯(lián)的全混流反響器中，用已二酸和已二醇消費醇酸樹脂，在第一釜中已二酸的轉(zhuǎn)化率為60%，第二釜中它的轉(zhuǎn)化率到達80%，反響條件和產(chǎn)量如下：速率方程式：-rA=kCACB式中： -rA-以已二酸組分計的反響速率，kmol.L-1.min-1 k-反響速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，0.004kmol.L-1 假設(shè)每天處置已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，試計算確定反響器的總體積大小。解：反響速率

13、方程可轉(zhuǎn)化為：(-rA)=第一釜有效容積的計算 由操作方程知： 2AkCLVhLCFvvxkCxvVxkCxxkCxCrCCvVRAAAAARAAAAAAAAAAR1360606 . 01004. 097. 16 . 0171/171004. 0146242400)1 ()1 ()1 ()(2100021010121012101000LxkCxxvVAAAAR1810608 . 01004. 097. 1)6 . 08 . 0(171)1 (:22201201由操作方程得第二釜的有效容積也是總有效容積：VR=VR1+VR2=3170L。很明顯，到達一樣轉(zhuǎn)化率時，兩釜串聯(lián)的有效容積要比很明顯，到

14、達一樣轉(zhuǎn)化率時，兩釜串聯(lián)的有效容積要比單釜單釜7230L7230L的要小得多，為什么？請思索！的要小得多，為什么？請思索！ 例題9：見陳甘棠教材P62例3-4-1全混釜與間歇釜的比較 圖解法圖解法 先來看看解析法求解一個反響級數(shù)n1的情況從第一釜開場不斷計算到第N釜，每次必需解下面的n次方程，非常不便！niAnAiiAiAniAiiAiAiixCkxxCkCCvV,101,1,01假設(shè)從第N釜出口所要求的最終濃度CAN來計算CAN-1的濃度卻是更為簡單一些將解N次方程轉(zhuǎn)化為求1次方程，然后逐釜反算回去，即可求出各釜的出口濃度，這種計算方法可以運用圖解法。 計算步驟： 假設(shè)為等溫恒容反響，且反響

15、器的各釜容積相等，那么設(shè)計方程可改寫為： 1,0,0)(iAAiAAiAxCxCr上式闡明： 假設(shè)第i釜的進口轉(zhuǎn)化率xA,i-1一定時， 其出口轉(zhuǎn)化率xAi與(-rA)i呈直線關(guān)系，其斜率為 ，截距為 。出口轉(zhuǎn)化率不僅要滿足物料衡算式設(shè)計方程，而且還要滿足動力學方程式，假設(shè)將上兩關(guān)系繪于 xA (-rA) 坐標系中，那么兩條線的交點所對應(yīng)的 xA 值即為該釜的出口轉(zhuǎn)化率。 0AC1,0iAAxC此即物料衡算式設(shè)計方法詳細步驟如下：根據(jù)動力學方程式或?qū)嶒灁?shù)據(jù)作出xA(-rA)曲線MN； 按式 作第一釜的物料衡算線，交點P1即為第一釜出口轉(zhuǎn)化率xA1。 1,0,0)(iAAiAAiAxCxCr因各

16、釜體積相等，所以空時也相等，那么各釜的物料衡算線的斜率一致。所以第二釜的物料衡算式可以從點xA1作平行于第一釜物料衡線交于MN線于P2，其橫坐標即為第二釜的出口轉(zhuǎn)化率xA2。 依此類推，不斷到第N釜出口轉(zhuǎn)化率xA,N等于或大于所要求的轉(zhuǎn)化率xAf為止。那么所得斜線數(shù)目即為反響器釜數(shù)。 xA-rAONMP1P2P3P4xA1xA2xA3xA4xA-(-rA)動力學線動力學線第二釜物料衡算線第二釜物料衡算線斜率：斜率：CA0/xAf假設(shè)給定釜數(shù)，可以用此法作圖，最后直接讀出串聯(lián)反響器中A的最終出口轉(zhuǎn)化率xAN。 假設(shè)知釜數(shù)N和最終的出口轉(zhuǎn)化率xAN, 可以用試差法確定反響器的總有效容積或體積流量v

17、。即假定不斷線的斜率，從開場作圖，如最后一釜的出口轉(zhuǎn)化率與要求的不符，那么另假設(shè)一斜率，直到符合為止，然后求出直線的斜率，進而求出，及VR或v。 假設(shè)串聯(lián)的各釜體積不等，那么斜率亦不同，但也可采用此法進展計算最終出口轉(zhuǎn)化率。 注： 優(yōu)點：xA(-rA)可以由動力學方程式直接繪出MN，也可由實驗數(shù)據(jù)描出MN，對于非一級反響，均可不用較繁鎖的解析法，而采用圖解法。 缺陷：只需當反響的速率方程能用單一組分的濃度來表示時才干畫出xA(-rA)曲線，因此才干用圖解法。對于平行、連串等復雜反響，此法不適用。 圖解法的變種：圖解法的變種： 假設(shè)把第i釜的物料衡算式可寫成： 1,1,11iAiAiiAiAii

18、ACCCCr根據(jù)反響動力學方程式繪出動力學線CA(-rA)； 從CA0開場，按以下圖所示方向逐個求得CA0、 CA1 CAN，直到CAN滿足要求。注假設(shè)體積不相等，那么引斜線的斜率是不一樣的。為什么？ -rAOP1P2P3P4CA0CA-(-rA)動力學線第1釜物料衡算線斜率：-1/ CACA1CA2CA3CA4原理方法是一樣的，還是不適宜于復合反響場所。 CAf例題10 由例2所給的數(shù)據(jù)，用圖解法確定四釜串聯(lián)反響器中用已二酸和已二醇消費醇酸樹脂所需反響器的有效體積。 速率方程式：-rA=kCACB式中： -rA-以已二酸組分計的反響速率，kmol.L-1.min-1 k-反響速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，0.004kmol.L-1 假設(shè)每天處置已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，試計算確定反響器的總體積大小。解： 先畫出動力學曲線 由動力學方程可知：hLkmolxxxkCkCCkCrAAAAABAA./11089. 11004. 06097. 1123222202列表： XA00.10.20.30.40.50.60.70.80.9(-rA)10-31.891.531.210.93