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(jì)方程式的運(yùn)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(jì)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(jìn)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(diǎn)：新穎物料瞬間混合均勻，存在不同停留時(shí)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(dǎo)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(shí)間變化，從而不存在時(shí)間獨(dú)立變量，獨(dú)立變量是空間。CA xA (或xA2)VRCA0 xA0=0(或xA1)v0FA0CAxA(或xA2)vFACSTR試問化學(xué)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(jì)方程式全混流反響器的設(shè)計(jì)方程式兩點(diǎn)闡明：CSTR體系性質(zhì)均一，不隨時(shí)間而變，可就整個(gè)反響器進(jìn)展物料衡算，而且單位時(shí)間可以任取。延續(xù)操作的物料累積量為零。根本衡算式：進(jìn)入量-排出量-反響量=累積量對(duì)反響的A作物料衡算：進(jìn)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(jì)方程式設(shè)計(jì)方程式xA0=0 xA0=0的情況的情況 xA00 xA00呢？呢？可以導(dǎo)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(dǎo)出的設(shè)計(jì)方程具有通用性推導(dǎo)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(wú)產(chǎn)物基的A的摩爾流率，否那么無(wú)任何物理意義！為空時(shí)，是反響器的有效容積與進(jìn)料流體的容積流速比值 反響工程中常用于表示時(shí)間概念的還有：反響時(shí)間t：反響物從進(jìn)入反響器后從實(shí)踐發(fā)生反響起到反響達(dá)某一程度如某轉(zhuǎn)化率時(shí)所需的時(shí)間停留時(shí)間：它是指反響物從進(jìn)入反響器的時(shí)辰算起到它們分開反響器的時(shí)辰為止在反響器內(nèi)共停留的時(shí)間，對(duì)于分批式操作的釜式反響器與理想平推流反響器，反響時(shí)間等于停留時(shí)間，而對(duì)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(shí)間的混合物，即具有停留時(shí)間分布的問題，工程上常用平均停留時(shí)間來(lái)表示。平均停留時(shí)間：以 來(lái)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(gè)工程上常用于表示時(shí)間的概念。 tvVt 全混流反響器設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，一定要明確上圖黑點(diǎn)所代表的意義。 3、設(shè)計(jì)方程式的運(yùn)用、設(shè)計(jì)方程式的運(yùn)用零級(jí)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(jì)方程得若AAAAAxxCC110或一級(jí)反響 AP (-rA)=kCA 對(duì)于恣意A值 kCCkCCkkxkCCCxkxvVCCkCCCCxkxxrxCvVAAAAAAAAAARAAAAAAAAAAAAAAAR1111:)1 (0,)()()1 ()1 ()(000000000或這時(shí)可以認(rèn)為是恒容過程對(duì)于液相反應(yīng) 二級(jí)反響 AP (-rA)= 2AkC對(duì)于恣意A值： 202000200202200)1 (0)()()1 ()1 (AAAAAARAAAAAAAAAAAAAAAARk

7、CCCxkCxvVCCkCxCCxkCxxkCxCvV對(duì)于 n級(jí)反響 AAAnAAAAxCkCCCC000A=0時(shí)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(jìn)展縮聚反響消費(fèi)醇酸樹脂，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反響的速率方程式為：-rA=kCACB式中：-rA-以已二酸組分計(jì)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(jì)算確定反響器的體積大小。 解：根據(jù)CSTR反響器的設(shè)計(jì)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(qǐng)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(duì)于反響級(jí)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(shí)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(dāng)于出口濃度的低反響速率下進(jìn)展，相當(dāng)于圖中B點(diǎn)速率下進(jìn)展。 分批式反響器所需反響時(shí)間： 0AACCAArdCt全混流反響器所需空時(shí)： = 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(duì)于0級(jí)反響，=1，其物理意義是什么？請(qǐng)思索！ 闡明容積效率可以用時(shí)間比空時(shí)的緣由對(duì)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(shuō)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(fèi)性時(shí)間t0在計(jì)算時(shí)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(diǎn)反響器的特點(diǎn)假設(shè)由幾個(gè)串聯(lián)的全混流反響器來(lái)進(jìn)展原來(lái)由一個(gè)全混流反響器進(jìn)展的反響，那么除了最后一個(gè)反響器外，一切其它反響器都在比原來(lái)高的反響物濃度下進(jìn)展反響，這勢(shì)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(jìn)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(fèi)強(qiáng)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(fèi)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(jí)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(jì)方法多釜串聯(lián)反響器的設(shè)計(jì)方法 解析法： 12iN設(shè)每個(gè)反響器的空時(shí)為i，那么總空時(shí)為： Nii對(duì)恣意i釜A組分的物料衡算恒容系統(tǒng)：AiiAiAiirCCvV,1,0將詳細(xì)的速率方程代入上式，從第一釜開場(chǎng)逐釜計(jì)算下去。 化學(xué)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(duì)于n級(jí)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(jì)方程左右分別相乘得： NNiiANAkkkkCC1111122110,jijiTTVV該式前面已推

12、導(dǎo)過！該式前面已推導(dǎo)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(fèi)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(dá)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(jì)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(jì)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(jì)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(dá)一樣轉(zhuǎn)化率時(shí)，兩釜串聯(lián)的有效容積要比很明顯，到

14、達(dá)一樣轉(zhuǎn)化率時(shí)，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(qǐng)思索！的要小得多，為什么？請(qǐng)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(lái)看看解析法求解一個(gè)反響級(jí)數(shù)n1的情況從第一釜開場(chǎng)不斷計(jì)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(lái)計(jì)算CAN-1的濃度卻是更為簡(jiǎn)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(jì)算方法可以運(yùn)用圖解法。 計(jì)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(jì)方程可改寫為： 1,0,0)(iAAiAAiAxCxCr上式闡明： 假設(shè)第i釜的進(jìn)口轉(zhuǎn)化率xA,i-1一定時(shí)， 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(jì)方程，而且還要滿足動(dòng)力學(xué)方程式，假設(shè)將上兩關(guān)系繪于 xA (-rA) 坐標(biāo)系中，那么兩條線的交點(diǎn)所對(duì)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(jì)方法詳細(xì)步驟如下：根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程式或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)作出xA(-rA)曲線MN； 按式 作第一釜的物料衡算線，交點(diǎn)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(shí)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(diǎn)xA1作平行于第一釜物料衡線交于MN線于P2，其橫坐標(biāo)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(dòng)力學(xué)線動(dòng)力學(xué)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(chǎng)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(jìn)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(jìn)展計(jì)算最終出口轉(zhuǎn)化率。 注： 優(yōu)點(diǎn)：xA(-rA)可以由動(dòng)力學(xué)方程式直接繪出MN，也可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描出MN，對(duì)于非一級(jí)反響，均可不用較繁鎖的解析法，而采用圖解法。 缺陷：只需當(dāng)反響的速率方程能用單一組分的濃度來(lái)表示時(shí)才干畫出xA(-rA)曲線，因此才干用圖解法。對(duì)于平行、連串等復(fù)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(dòng)力學(xué)方程式繪出動(dòng)力學(xué)線CA(-rA)； 從CA0開場(chǎng)，按以下圖所示方向逐個(gè)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(dòng)力學(xué)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(fù)合反響場(chǎng)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(fèi)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(jì)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(jì)算確定反響器的總體積大小。解： 先畫出動(dòng)力學(xué)曲線 由動(dòng)力學(xué)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