第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)

1、1. 間歇攪拌釜式反應(yīng)器2. 均相管式反應(yīng)器3. 理想流動(dòng)釜式反應(yīng)器 特征 數(shù)學(xué)模型 優(yōu)化結(jié)構(gòu)特征濃度特征時(shí)間特征)(icft 優(yōu)化組合轉(zhuǎn)化率高選擇性強(qiáng) 設(shè)計(jì)計(jì)算（1）理想流動(dòng)釜式反應(yīng) 器串聯(lián)及優(yōu)化（2）理想流動(dòng)釜式反應(yīng) 器熱穩(wěn)定性分析第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)減速箱液面液體進(jìn)料管夾套排料口疏水閥槳葉攪拌軸測(cè)溫管檔版固體進(jìn)料液體進(jìn)料3.1 間歇釜式反應(yīng)器第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)） 攪拌均勻，濃度均一（分子尺度）； 無(wú)需考慮傳遞問(wèn)題； 器內(nèi)物料同時(shí)開始和停止反應(yīng)； 具有相同的反應(yīng)時(shí)間（停留時(shí)間）。 BSTR的操作特點(diǎn)0-3. 間歇釜式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。 操

2、作條件可隨產(chǎn)品不同而改變； 批量可小可大； 反應(yīng)時(shí)間可長(zhǎng)可短；0-4. 間歇釜式反應(yīng)器的缺點(diǎn)耗費(fèi)卸料、裝料等 輔助時(shí)間。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)3.1.1 BSTR的一般設(shè)計(jì)方程),(tzyxfcA),(tzyxfT .數(shù)學(xué)模型顯然，要建立包含空間、時(shí)間變量的數(shù)學(xué)模型并非易事第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì) 先對(duì)實(shí)際反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)狀況進(jìn)行簡(jiǎn)化（1）建立極限流動(dòng)狀況下的數(shù)學(xué)模型；（2）用理想流動(dòng)模型建立實(shí)際反應(yīng)器流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型混合均勻完全沒(méi)有混合全混流活塞流因?qū)嶋H反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)狀況肯定介于兩理想流動(dòng)模型之間第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)the kinetic equationt

3、he kinetic equationthe mass balance equationthe mass balance equationthe energy balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equationthe momentum balance equation計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算溫度變化計(jì)算溫度變化計(jì)算壓力變化計(jì)算壓力變化第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)） 建立設(shè)計(jì)方程的依據(jù)計(jì)算反應(yīng)時(shí)間計(jì)算反應(yīng)時(shí)間 對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：dtdxndtdnVrAAARA0流入量流入量 =

4、= 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量00單位時(shí)間的反應(yīng)量單位時(shí)間的反應(yīng)量 = = 單位時(shí)間的積累量單位時(shí)間的積累量AfxAAArdxVnt000（一般式）（一般式）第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）)1 (0AAAxnn第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）AfAAfccAAxAAArdcrdxct0003.1.2. 3.1.2. 等溫等容過(guò)程等溫等容過(guò)程其中反應(yīng)時(shí)間t最終轉(zhuǎn)化率Afx初始濃度；0Ac最終濃度Afc動(dòng)力學(xué)方程Ar瞬時(shí)轉(zhuǎn)化率；Afx（1）設(shè)計(jì)方程（2）等溫等容過(guò)程設(shè)計(jì)方程的圖解積分AAxAAAxrrdxCtAf100AACCAAcrrdctAA

5、10AAAfccAAxAAArdcrdxct000第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）反應(yīng)速率AAcckt0lnAfxAAArdxct00Axkt11ln011AAccktAAAxxktc10AAccAArdct0（3）一、二級(jí)不可逆反應(yīng)的積分方程第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）AAkcr 2AAkcr （4）等溫等容液相單一可逆反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)及積分方程反 應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程積分方程 可逆反應(yīng)(產(chǎn)物初始濃度為零) LA MLALBAMLBAMLA2LBA2)(00BAcc)(00BAcc)(00BAccLcAcAckckdtdcMLcAcAcckckdtdcLcBAcAckcckdtd

6、cMLcBAcAcckcckdtdcMLcAcAcckckdtdc22LcBAcAckcckdtdc0ln)(AAfcccctkk02000)(lnAAeAAAeAAAAAccccccccccctkAAeAAeAeAccxxxxxcKtk)12(ln20AAeAAeAeAccxxxxxcKtk)12(ln0AAeAAeAeAccxxxxxcKtk)12(ln40ln(*)2(00AeAAeAeAcccccctk202000)()()(*AAeAAAeAAeAAeAcccccccccc（5）溫等容液相多重反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程及積分式（產(chǎn)物初始濃度為零）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程動(dòng)力學(xué)方程積分式 L A MA L

7、 M1k2k1k2kAAckkdtdc)(21ALckdtdc1AMckdtdc2)(exp210tkkccAA)(exp1210211tkkckkkcAL)(exp1210212tkkckkkcAMAAckdtdc1LALckckdtdc21LMckdtdc2)exp(10tkccAA)exp()exp(122101tktkkkckcAL)exp()exp(1 21112200kktkktkkcccccALAAM以醋酸（A）和正丁醇（B）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯，操作溫度為100，每批進(jìn)料1kmol的A和4.96kmol的B，已知反應(yīng)速率，試求醋酸轉(zhuǎn)化率分別為0.5、0.9、0.99

8、所需的反應(yīng)時(shí)間。已知醋酸與正丁醇的密度分別為960 kg/m3和740 kg/m3。)/(045. 132hmkmolCrAA分析與解答CH3COOH + C4H9OHCH3COOC4H9 + H2O(A)(B)(C)(D)對(duì)每1kmol A 而言，投料情況如下表：【例題】醋酸（A）正丁醇（B）1kmol4.96kmol60 kg368 kg0.062m30.496m3該反應(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中體積不變，且每次投料體積V=0.0625+0.496=0.559 m3 。300/79. 1559. 01mkmolVNcAA)1(10020AfAfAxAAAxxkckcdxctAf分別將 代入上式

9、計(jì)算可得99.09.05.0、xAfht535. 0)5 . 015 . 0(045. 179. 115 . 0ht81. 4)9 . 019 . 0(045. 179. 119 . 0ht9 .52)99. 0199. 0(045. 179. 1199. 0計(jì)算結(jié)果表明：轉(zhuǎn)化率越高，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，而大量時(shí)間花在高轉(zhuǎn)化率上。（6）間歇釜式反應(yīng)器的工程放大 計(jì)算反應(yīng)時(shí)間：AfAfxAAAxAAArdxCrdxVnt00000 確定輔助時(shí)間 并計(jì)算：0t 將物料質(zhì)量處理處理成單位時(shí)間的體積量mQ 0 計(jì)算反應(yīng)器的反應(yīng)體積：)(00ttQVR0tt 操作時(shí)間第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）

10、 根據(jù)物料特性確定裝料系數(shù) ，計(jì)算反應(yīng)器體積ffVVRt對(duì)于沸騰或鼓泡的物料：6 . 04 . 0f對(duì)于不沸騰或不鼓泡的物料：85. 07 . 0f 對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)如攪拌裝置進(jìn)行合理放大。 依據(jù)反應(yīng)物系的腐蝕性能、操作壓強(qiáng)的大小和環(huán)保 要求，選用不同材質(zhì)的反應(yīng)器。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【工程放大舉例】 用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯1200kg，其化學(xué)反應(yīng)式為 OHHCOOCCHOHHCCOOHCH2523523 A B R S 原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為：mA : mB : mS =1: 2 : 1.35 ，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)

11、過(guò)程中不變。每批 裝料、卸料及清洗等輔助操作時(shí)間為1h。反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為)(1KcccckrSRBAAmin),/(1076. 441molLk100時(shí)，平衡常熟K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35%時(shí)所需的體積。根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75，則反應(yīng)器的實(shí)際體積是多少？解：首先計(jì)算原料處理量Q0，根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時(shí)的乙酸用量式中88位乙酸乙酯的相對(duì)分子質(zhì)量。由于原料中乙酸、乙醇與水的質(zhì)量比為1：2：1.35，所以1+2+1.35=4.35kg原料液hkmolQA/23.1635. 0248812000含1kg乙酸，由此可求出單位時(shí)間內(nèi)的原

12、料液量為式中，60位乙酸的相對(duì)分子質(zhì)量，原料液的起始組成如下乙醇和水的相對(duì)分子質(zhì)量為分別為46和18，通過(guò)乙酸的起始濃度和原諒中各組成的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度hmQ/155. 4102035. 46023.1630LmolcA/908. 3155. 423.160LmolcB/2 .1046260908. 30LmolcS/59.171835. 160908. 30由BSTR數(shù)學(xué)模型求出反應(yīng)時(shí)間AfxAAArdxct00（3-4）由模型可知，須將題給的速率方程轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)由各組分的起始濃度和轉(zhuǎn)化率計(jì)算出各組分的瞬時(shí)濃度);1 (0AAAxccAABBxccc00;0AARxcc

13、 AASSxccc0020211)()(AAASRBAAccxbxakKcccckr式中，;00ABcca );1 (0000KccccbASABKc11將變換后的速率方程代入BSTR數(shù)學(xué)模型（3-4）得反應(yīng)時(shí)間axacbbaxacbbacbckcxbxadxcktAfAfAxAAAAAf2)4(2)4(ln411222010201由a、b及c的定義式知 ;61. 2908. 32 .1000ABcca;15. 5)92. 2908. 359.17908. 32 .101 ()1 (0000KccccbASAB6575. 092. 21111Kc434. 46575. 061. 24)15.

14、5(422 acb將有關(guān)數(shù)據(jù)代入反應(yīng)時(shí)間方程，得min8 .11861. 2235. 0)434. 415. 5(61. 2235. 0)434. 415. 5(ln434. 4908. 31076. 414t由式（3-7）所需反應(yīng)體積30038.12) 1608 .118(155. 4)(mttQVR由充填系數(shù)計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積351.1675. 038.12mfVVRt（7） 反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化 問(wèn)題分析0tt 操作時(shí)間單位操作時(shí)間產(chǎn)量隨操作時(shí)間的變化關(guān)系單位操作時(shí)間產(chǎn)物產(chǎn)量最優(yōu)操作時(shí)間0t不變；t延長(zhǎng)；Ac降低Ar減小；第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）ct 建立目標(biāo)函數(shù)單位產(chǎn)量總

15、操作時(shí)間最終總產(chǎn)量0ttCVPRRR存在極值的必要條件：0)()(200ttcVdtdcttVdtdPRRRRR即:0ttcdtdcRR（最優(yōu)條件式）對(duì)于反應(yīng)：RA第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）最優(yōu)條件式分析與圖解方法ADMDttcdtdcRR0根據(jù) 確定 A 點(diǎn)，由A點(diǎn)作直線與曲線相切，得切點(diǎn)M，由M點(diǎn)坐標(biāo)確定 。0t第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）OAD0tRctMADMD鄰邊對(duì)邊斜率C圖解法確定最優(yōu)操作時(shí)間t)(tfcR注意：目標(biāo)函數(shù)不同，結(jié)果也不同若以生產(chǎn)費(fèi)用最低為目標(biāo)，設(shè)單位時(shí)間內(nèi)操作費(fèi)用為 輔助操作費(fèi)用為 ，固定費(fèi)用為 ，則單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費(fèi)用為 ，即a0af

16、aTARRfTcVataatA000dtdATaatatcdtdcfRR/)(00第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）極值條件：OBEaataf/ )(00NFtRc圖解法確定最優(yōu)操作時(shí)間第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.1.3 BSTR的熱量衡算WWpVWaqArATVCTTAKVHr)()(（3-6）（1）熱量傳遞式（2）絕熱升溫式)()(00TTVCVdtHrpVtArA（3-7）（3）一級(jí)反應(yīng)絕熱溫升式)/(00RTEktpVAeCckdtdT（3-9） CSTR簡(jiǎn)介第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（1）CSTR的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同BSTR。（2）CSTR的操作特點(diǎn)

17、連續(xù)操作。連續(xù)操作系統(tǒng)圖0Ac00AF,0AfFAfxAfcRVAr* 混合均勻；* 內(nèi)外同一；* 物料粒子的停留時(shí)間分布參差不齊。* 不僅有混合，而且有返混，兩者達(dá)到最大程度；第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）* 混合與BSTR一樣，返混與BSTR不同；（3）物料流動(dòng)狀況* 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量0RfAAfAAVrxcc)()1 (0000fAAfAfAAARrxcrccVV)()(000第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.2.1 CSTR的一般設(shè)計(jì)方程（一般方程）連續(xù)操作系統(tǒng)圖00AF,0AfFAfxAf

18、cRVAr第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)） 一般設(shè)計(jì)方程的圖解積分Ar1Ax0AfxAfr10AcfAAfARrxcVV)(00AffAAxrc)(10矩形面積第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.2.2 簡(jiǎn)單反應(yīng)單個(gè)CSTR設(shè)計(jì)【例3-2】 過(guò)氧化異丙苯在全混流反應(yīng)器中分解苯酚和丙酮（AB+C），反應(yīng)溫度為50，初始過(guò)氧化異丙苯溶液濃度為3.2kmol/m3。該反應(yīng)為一級(jí)，反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)為810-3s-1，最終轉(zhuǎn)化率為98.9%。若加料速率為10kmol/h，則需多大體積的全混流反應(yīng)器？若在一個(gè)體積為1m3的等溫間歇釜中進(jìn)行，輔助操作時(shí)間為30min，求苯酚的產(chǎn)量

19、和處理10kmol/h過(guò)氧化異丙苯時(shí)的反應(yīng)體積？并與全混釜比較。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.2.3 復(fù)雜反應(yīng)單個(gè)CSTR設(shè)計(jì) 復(fù)雜反應(yīng)瞬時(shí)選擇率的定義AARrrs的總消耗速率關(guān)鍵組分的速率消耗關(guān)鍵組分生成目標(biāo)產(chǎn)物AAR 全混釜瞬時(shí)選擇率與總選擇率的關(guān)系Ss 瞬時(shí)選擇率=總選擇率，即第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)） CSTR中一級(jí)連串反應(yīng)的最優(yōu)操作時(shí)間SRAkk21關(guān)鍵組分A總消耗速率：AAckr1若在等溫、等容條件下進(jìn)行下列反應(yīng)中間產(chǎn)物R的生成速率：RARckckr21（1）建立相同時(shí)間下CSTR的一般設(shè)計(jì)方程速率濃度變化2110RfAfRfAfAfAckckcck

20、cc（3-16a）第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（2）由設(shè)計(jì)方程求解各組分出口濃度110kccAAf（3-16b）)1)(1 (1210121kkckkckcAAfRf（3-17）（3）由出口濃度計(jì)算中間產(chǎn)物R的收率)1)(1 (2110kkkccYARfR（3-18）第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（4）由收率、轉(zhuǎn)化率和選擇率三者的關(guān)系計(jì)算選擇率AfARfAfRxccxYS0（3-19）（5）由目標(biāo)產(chǎn)物的最大收率確定最佳反應(yīng)時(shí)間0ddYR0)1)(1 (211kkkYR即211kkopt（3-21）第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（6）由最佳反應(yīng)時(shí)間計(jì)算最大收

21、率212max)1 (1kkYR（3-22）（7）由最佳反應(yīng)時(shí)間計(jì)算CSTR反應(yīng)體積0RoptVoptRV0【例3-3】 在一個(gè)全混流反應(yīng)器中，進(jìn)行下述平行反應(yīng)，第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）RBADA )/(5 . 13hmkmolcrAR)/(0 . 33hmkmolcrADRrDr 和 分別為產(chǎn)物D和R的生成速率，反應(yīng)用的原料A 與B 的混合液，其中B的量足夠，A的初始濃度等于2kmol/m3，R為目的產(chǎn)物。（1）計(jì)算A轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時(shí)所需的空時(shí)；（2） A轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時(shí)，R的收率是多少？（3）若進(jìn)料體積流速為3m3/h，所需的體積至少多大？【解】（1）計(jì)算A轉(zhuǎn)化率達(dá)95%

22、時(shí)所需的空時(shí)；第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）寫出CSTR一般設(shè)計(jì)方程：RfRfAfAfArcrcc0其中AfAfAfRfDfAfcccrrr5 . 45 . 10 . 3將其代入前半式，得)1 (15 . 400AfAAAfxcccAfAAfxcc115 . 410顯然，當(dāng) 時(shí)，95. 0Afxh222. 4第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（2） A轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時(shí)，R的收率是多少？RfRfAfAfArcrcc0由一般方程 的后半個(gè)式子，得15 . 45 . 15 . 10AAfRfRfccrc將 代入，得h222. 43/633. 0mkmolcRf所以，R的收率為%6

23、7.31%1002633. 00ARfRccY第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（3）若進(jìn)料體積流速為3m3/h，所需的體積至少多大？0RV30666.12222. 43mVR注意：瞬時(shí)選擇性%;3 .335 . 45 . 15 . 45 . 1AfAfAfRfccrrs總選擇性：%;3 .3395. 02633. 00AfARfxccS對(duì)于CSTR而言，兩者結(jié)果相同，但定義和算法各異。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.2.3 簡(jiǎn)單反應(yīng)多釜串聯(lián)12i00Ac0AF1Ac1Ax1AF1AiF1Aic1AixAiFAicAix11,RV22,RVRiiV,可分別寫出各釜的設(shè)計(jì)方

24、程;1101AAArcc;2212AAArcc3323AAArcc第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）依次類推，對(duì)于第 i 個(gè)釜，則有AiAiAiircc1若進(jìn)行的是等溫、等容，一級(jí)不可逆反應(yīng)，則110321AAAkccc221321AAAkccc332321AAAkccckccAA1012012)1 (1kckccAAA303)1 (kccAA第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）依次類推，對(duì)于第 n 個(gè)釜，則有nAANkcc)1 (0nAANAkcxc)1 ()1 (00nANkx)1 (11)1 (0ANAANxcc即（最終出口濃度）（最終出口轉(zhuǎn)化率）若進(jìn)行的是等溫、等容，任意

25、反應(yīng)時(shí)，可用圖解積分法求解AiAiAiircc1第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）將一般方程 改寫成下列形式： AiiAiiAiccr111Ar0AcAci1斜率11Aiic截距1Ac2Ac3Ac第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【例3-4】 在全混流反應(yīng)器中乙酸酐發(fā)生如下水解反應(yīng)：【解】（1）一個(gè)釜，就可直接用CSTR方程求解。COOHCHOHCHCO32222)()(A)(B)(C其反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)溫度為25，速率常數(shù)為k=0.1556min-1，要求最終轉(zhuǎn)化率為60%，體積進(jìn)料量為5.8m3/h。試比較使用一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)釜串聯(lián)時(shí)的總體積。3932.0mVR第3章 理

26、想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（2）兩個(gè)釜等體積串聯(lián)RiRVV2)1 ()1 (2122111AAAAAxkxxxkx)6 .01 (6 .0)1 (111AAAxxx368.01Axmin742.3)6 .01 (5556.1368.0212724.0362.022mVVRiR30362.0742.3608 .5mVRi第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（3）三個(gè)等體積釜串聯(lián)RiRVV333)1 (11kxA3311)1 (Axkmin3 .2)16 .011(1556.01)111(1333Aixk2223.03 .2608 .50iRiV3667.02223.033mVVRiR

27、第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.2.5 復(fù)雜反應(yīng)多釜串聯(lián)問(wèn)題：保證總選擇性和總收率達(dá)到最大。CSTR特點(diǎn)： 總選擇性 = 瞬時(shí)選擇性 總收率 = 各釜收率之和iAiARiiAfiARirrsccS)()()()(ANNRiNiAiARRxSYccY)(10【例3-5】 在兩個(gè)串聯(lián)的相同體積的全混反應(yīng)器中進(jìn)行等溫液相反應(yīng)【解】（1）計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%時(shí)，所需總時(shí)間？第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）RBADA 2)/(6 . 13hmkmolcrAR)/(2 . 83hmkmolcrAD反應(yīng)原料液中A的濃度為2kmol/m3，R為目的產(chǎn)物。（1）計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到80

28、%時(shí)，所需總時(shí)間？（2） A的轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)，R的收率？（3）當(dāng)D為目的產(chǎn)物時(shí)其收率如何？AAADRAcccrrr182 .826 .12第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）又是兩釜串兩，所以該串聯(lián)釜的設(shè)計(jì)方程為22)1(11iAkx(min)12.4)(06867.018 .0111811)1 (112hxkAi由此求得：則兩釜串兩的總時(shí)間為(min)24.812.422i第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（2） A的轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)，R的收率？根據(jù)收率的定義式：02ARRccY其中;/230mkmolcA?2Rc2120110)(AAAAAAArxxcrxc)1 ()()1

29、 (201201010AAAAAAAAAxkcxxcxkcxc)1 ()()1 (21211AAAAAxxxxx)8 . 01 ()8 . 0()1 (111AAAxxx8 . 02Ax08 . 02121AAxx553. 01Ax第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）2R1R21RR1rccrcRi又31011RR1/09823. 006867. 0)553. 01 (26 . 1)1 (6 . 16 . 1mkmolxccrciAAiAi3120212RR2/1422. 01409823. 006867. 0)8 . 01 (26 . 1)1 (6 . 16 . 1mkmolcxccc

30、rcRiAAiARi%11.70711.021422.002ARRccY第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（3）當(dāng)D為目的產(chǎn)物時(shí)其收率如何？（注意教材中的問(wèn)題?。└鶕?jù)收率的定義式：2202DADDcccY7289.05 .0)1422.08 .02(5 .0)(2202RAADcxcc其中%89.7227289.02202ADDccY驗(yàn)證：0020ADARAAcYcYxc%80%89.72%11.72DRAYYx第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.2.6 CSTR的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)熱 = 器壁傳遞熱 + 釜內(nèi)物料溫升熱TCTTAKVHrpVWaqRArAf0)()(進(jìn)料總體積

31、流量；0差；釜內(nèi)物料與進(jìn)料溫度T冷卻介質(zhì)平均溫度；WaT冷卻面的傳熱系數(shù)；qK熱容；冷卻介質(zhì)的平均體積pVC第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）絕熱條件下： 且用;0)(WaqTTAKAfARAfxFVr0則TCxFHpVAfAAr00)(pVArApVAArAfCHcCFHxT)()(000令.溫升單位轉(zhuǎn)化率時(shí)的絕熱AfxT因此，CSTR的絕熱溫升式為pVArAAfCHcxT)(0第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【例3-6】 用順丁烯二酸酐與正己醇反應(yīng)生產(chǎn)順丁烯二己酸己酯：)()(2136136136234HCCHCOOOOCHHCOHHCHOC（1）絕熱條件下穩(wěn)定生產(chǎn)的進(jìn)料

32、溫度；（2）在換熱條件下生產(chǎn)，反應(yīng)溫度維持65，此時(shí)的反 應(yīng)放熱速率是多少？（3）平均換熱溫差取25，需多大的換熱面積。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【解】 （1）絕熱條件下穩(wěn)定生產(chǎn)的進(jìn)料溫度根據(jù)絕熱溫升定義式：pVArAAfCHcxT)(0AfpVArAAfxCHcxTT)(00AfpVArAAfxCHcTxTT)(00)(5 .3255 . 01980105 .3355. 436430KT進(jìn)料溫度為第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（2）在換熱條件下生產(chǎn)，反應(yīng)溫度維持65，此 時(shí)的反應(yīng)放熱速率是多少？根據(jù)熱量衡算式：TCTTAKVHrpVWaqRArAf0)()(RAr

33、AfVHrQ)( 反應(yīng)放熱速率為其中)21)(1 (000AfABAfABfAfAfxccxkcckcr)/(10995. 6)5 . 034. 55 . 055. 4()5 . 01 (34. 5)15.33812628exp(1037. 13412smkmol)(1 .6225.6105 .3310995.6)(34kWVHrQRArAf第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（3）平均換熱溫差取25，需多大的換熱面積根據(jù)間壁式穩(wěn)定換熱速率方程：)(21.62540010001 .622mTKQAmqmqRArAfTAKVHrQ)(注意：該解法忽略了物料帶出的熱量，同時(shí)也不是 在最佳反應(yīng)

34、溫度364K下的熱量衡算。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）補(bǔ)充：CSTR的熱穩(wěn)定性分析00AF,0AfFAfxAfcRVAr恒溫操作的必要條件：反應(yīng)放熱速率 = 器壁傳熱速率稱之為熱平衡態(tài)。受外界因素的干擾：反應(yīng)放熱速率 器壁傳熱速率原有的熱平衡態(tài)遭到破壞。（1）CSTR熱平衡態(tài)（2）CSTR的穩(wěn)定熱平衡態(tài)和非穩(wěn)定熱平衡態(tài)第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）能抵抗外界因素的干擾，自行恢復(fù)原來(lái)的熱平衡態(tài)稱為穩(wěn)定熱平衡態(tài)。受外界因素的干擾，不能自行恢復(fù)原來(lái)的熱平衡態(tài)稱為非穩(wěn)定熱平衡態(tài)。CSTR所具有的多種熱平衡態(tài)和穩(wěn)定熱平衡態(tài)統(tǒng)稱為全混釜的多態(tài)。 依據(jù)放熱速率方程：移熱速率方程：)

35、(TfQR)(TfQC熱平衡態(tài)條件：CRQQ 步驟分別建立QR和QC方程分別作QRT線和QC T線，確定平衡點(diǎn)分析所有平衡點(diǎn)的熱穩(wěn)定性（3 3）全混釜的多態(tài)分析）全混釜的多態(tài)分析第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）以一級(jí)不可逆放熱反應(yīng)為例第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）)(RAfRRHkCVQ)exp(0TREkkg)exp(1)exp()(000TREkTREkCVHQggARRR其中:反應(yīng)熱放熱速率與溫度的關(guān)系式反應(yīng)放熱速率：（kJ/ s）曲線)(TfQRRQTS型曲線3.2全混流反應(yīng)器第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）00TQC= 器壁傳熱速率 + 物料帶出熱量)

36、()(00TTcVTTKFQpCC假設(shè)流體入口溫度等于冷卻介質(zhì)溫度：CTT 0)(0CpCTTcVKFQ反應(yīng)器換熱速率第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）反應(yīng)器傳熱速率與溫度的關(guān)系式曲線)(TfQCTCQ直線第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）00TTCRQQ /QRQC曲線234567aTT 0cT最佳操作點(diǎn)（進(jìn)口溫度）bT1第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）著火（起燃）點(diǎn)熄火點(diǎn)圖解與操作點(diǎn)分析【例】 某一級(jí)不可逆液相放熱反應(yīng)在絕熱CSTR中進(jìn)行，反應(yīng)混合物的體積流量V0=610-2 L/s，其中反應(yīng)物A的濃度CA0=3mol/L，進(jìn)料及反應(yīng)器中反應(yīng)混合物密度=1g/cm

37、3，cp=4J/(g.)，在反應(yīng)過(guò)程中保持不變，反應(yīng)器容積VR=18L，反應(yīng)熱HR=-200kJ/mol，反應(yīng)速率：若進(jìn)料溫度T0=25，試求操作狀態(tài)點(diǎn)溫度。)./()314. 862760exp(1048. 46sLmolCTrAA第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【解】sVVR3001061820smolCVNAA/18. 031062000放熱速率300)314. 862760exp(1048. 41200000183)314. 862760exp(1048. 41)(660TTkHCkVQRARR第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）絕熱CSTR的傳熱速率)(4100010

38、6)(0200TTTTcVQpC當(dāng)T由298K增至458K時(shí)，QR、QC的數(shù)值見下表：T/K298318338358378398418438458QR/(J/s)481.622487672174682670431924342363520035620QC/(J/s)048009600144001920024000288003360038400第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）050001000015000200002500030000350004000045000123456789T/KQR/QC第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）圖形分析：兩線相交于三點(diǎn)低轉(zhuǎn)化率、熱穩(wěn)定操作點(diǎn)低溫

39、度點(diǎn),4 .300 KT 0161. 0 x中轉(zhuǎn)化率、非熱穩(wěn)定操作點(diǎn)中溫度點(diǎn),346KT 365. 0 x高轉(zhuǎn)化率、熱穩(wěn)定操作點(diǎn)高溫度點(diǎn),444KT 982. 0 x第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）各點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率是怎么計(jì)算的？;00AAARrxCVV)30010618(20sVVR;444KT )./(1852. 0)./()444314. 862760exp(1048. 46sLmolcsLmolcrAAA300)1 (1852. 000AAAAARxxrxCVV982. 0Ax(同理可求得其它各點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率):CSTR第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)

40、器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.3 平推流（活塞流）反應(yīng)器軸向無(wú)混合，無(wú)返混；徑向達(dá)全混 均相管式反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)特點(diǎn)：第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）0AcAfc0AxAfx與BSTR比較：相同點(diǎn)：無(wú)返混不同點(diǎn)：無(wú)混合，操作方式不同與CSTR比較：相同點(diǎn)：操作方式相同不同點(diǎn)：無(wú)混合，無(wú)返混流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量0RAAAAAAdVrdxxcxc)1 ()1 (0000第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.3.1 一般設(shè)計(jì)計(jì)算方程RAAAdVrdxc00AfxAAARrdxcV000 等容過(guò)程:AfxAAARrdxcV000Af

41、xAAArdxct00與BSTR一般方程 比較：（PFR一般方程）第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）將衡算方程簡(jiǎn)化：空間時(shí)間： 在方程左邊是空時(shí)與反應(yīng)時(shí)間的區(qū)別。 在方程右邊完全一致。?【例題】在一個(gè)平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進(jìn)料裂解制造乙烯，年生產(chǎn)能力為14萬(wàn)噸乙烯，反應(yīng)是不可逆的一級(jí)反應(yīng)，要求達(dá)到乙烷轉(zhuǎn)化率為80%，反應(yīng)器在1100K等溫，恒壓600KPa下操作，已知活化能為347.3KJ/mol，1000K，k=0.0725s-1，設(shè)計(jì)工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器。分析與解答 氣相反應(yīng)要考慮膨脹因子 AC2H6C2H4 + H2(A)(B)(C)11111A 要將年產(chǎn)量換算成單位時(shí)間處理量（

42、kmol/s）skmolskgFB/175. 02813600243011101470小時(shí)小時(shí)天天月月)(00AABxFFskmolxFFABA/219. 08 . 0175. 000 根據(jù)年產(chǎn)量換算其它組分的單位時(shí)間處理量（ kmol/s）skmolFFBC/175. 000 根據(jù)平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程AxAAARrdxFV00)()(000AAAcVF 計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)AAkcr)(已知在1000時(shí)，;072. 01skmolkJE/3 .347 等溫，等壓下變摩爾數(shù)反應(yīng)的瞬時(shí)體積與濃度)1 (00AAAAxyVV)1(0Ay純乙烷則在1100時(shí)，1321121223. 3)11001000

43、10001100(314. 8103 .347exp0725. 0)(exp)()(sTTTTRETkTk)11()1 ()1 (00000AAAAAAAAAAAAxyxcxyVxFVFc)11ln()1 ()1 (200000AAAAxAAAAARxxkcFxdxxkcFVA330000/6 .651100314. 8106001mmolRTpycAA 計(jì)算反應(yīng)器體積320063. 28 . 0)8 . 011ln(20656. 023. 3219. 0)11ln(mxxkCFVAAAAR 決定使用管內(nèi)徑50毫米，長(zhǎng)12米的管子并聯(lián)，則管數(shù)為：)(11212)05. 0(463. 22根n第

44、3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.3.2 簡(jiǎn)單反應(yīng)等溫恒容過(guò)程0AAfccAArdcAfxAAARrdxcV000PFR一般方程：)1 (0AAAxccAAAdxcdc0將其代入一般方程，得（3-38）對(duì)于氣相反應(yīng)，在恒容過(guò)程中：RTcpAA第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）RTdpdcAA，將其代入（3-38），得01AAfppAArdpRT（3-39）對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，AAkcr AfAfAccAAxkcckkcdcAAf11ln1ln100對(duì)于二級(jí)不可逆反應(yīng)，2AAkcr AfAfAAAfccAAxxkccckkcdcAAf11)11(10020第3章 理想流動(dòng)均相反

45、應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【例3-7】在等溫穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的平推流管式反應(yīng)器中進(jìn)行皂化反應(yīng)： 該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯和氫氧化鈉均為一級(jí)，反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯和氫氧化鈉的濃度均為0.2mol/L，反應(yīng)速率常數(shù)等于5.6L/(mol.min)，體積加料量為20m3/h，要求的最終轉(zhuǎn)化率為95%。（1）試求需要多大的反應(yīng)管？（2）在全混釜中如何？OHHCCOONCHOHNHCOOCCHaa523523【解】 （1）試求需要多大的反應(yīng)管？因?yàn)槭且合喾磻?yīng)，所以近似地看作恒容過(guò)程。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）由題給條件可知，反應(yīng)分別對(duì)乙酸乙酯和氫氧化鈉均為一級(jí)反應(yīng)，那么對(duì)于總反應(yīng)應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)，其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方程為

46、AfAfAxxck10將各已知值代入，得95. 0195. 02 . 06 . 5(min)96.16求得空間時(shí)間為：所需反應(yīng)器的反應(yīng)體積為)(65. 596.16602030mVPFR第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（2）在全混釜中如何？根據(jù)全混釜的設(shè)計(jì)方程220000)1 (AfAAfAAAfARxkcxcrxcV將各已知值代入，得(min)3 .339)95. 01 (2 . 06 . 595. 020RV)( 1 .1133 .339602030mVCSTR第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.3.3 簡(jiǎn)單反應(yīng)等溫變?nèi)葸^(guò)程對(duì)于變?nèi)葸^(guò)程;1iAA;0001AAxAyVV

47、VA)1 (0AAxVVAAAAAxxcc1)1 (0一般方程要用kmol流量來(lái)表達(dá)，即AfxAAARrdxcV000AfxAAARrdxcV000AfxAAARrdxFV00第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)的變?nèi)葸^(guò)程：AAkcr AAAAAAxxckkcr1)1 (0將其代入到一般方程AfAfAfxAAAAAxAAAAAxAAARxkcdxxxxckdxrdxFV000000)1 ()1 (1)1 (AfxAAAAAARxkcdxxcV0000)1 ()1 (AfxAAAARxdxxVk00)1 ()1 (AAAAxxk)1ln()1 (（3-42）第3章 理想流

48、動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）對(duì)于二級(jí)不可逆反應(yīng)的變?nèi)葸^(guò)程：2AAkcr 22202)1 ()1 (AAAAAAxxckkcr將其代入到一般方程AfAfAfxAAAAAxAAAAAxAAARxkcdxxxxckdxrdxFV022020222000)1 ()1 ()1 ()1 (經(jīng)整理，得)1ln()1 (21)1 (220AAAAfAAfAfAAxxxxck（3-43）第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【例3-8】磷化氫的均相分解2436)()(4HgPgPH)(A)(B)(C在平推流反應(yīng)器中1650K和0.46MPa下進(jìn)行一級(jí)分解操作，反應(yīng)物為純磷化氫，加料速度為4kmol/h，求轉(zhuǎn)

49、化率達(dá)80%時(shí)平推流管式反應(yīng)器的體積?！窘狻孔⒁膺@不僅是個(gè)氣相反應(yīng)，而且是個(gè)變摩爾數(shù)反應(yīng)該反應(yīng)的膨脹率為：75. 04416A請(qǐng)思考：為什么 ？75. 04416AA第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）利用一級(jí)變?nèi)莨紸AAAxxk)1ln()1 (（3-42）將各已知值代入，得8 . 075. 0)8 . 01ln()75. 01 (10)(222. 0h)/(034. 01650314. 81046. 03600mmolRTpcAA;000AAcF)/(65.117034. 040003000hmcFAA)(12.2665.117222. 030mVR第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（

50、14學(xué)時(shí)）【例3-9】在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行一個(gè)氣相反應(yīng)： 在215時(shí)反應(yīng)速率方程為 ，其反應(yīng)體系總壓為0.5MPa，原料中組分A的體積分率為50%。求80%轉(zhuǎn)化率下所需的空間時(shí)間。RA3)/(105 . 002sLmolcrAA【解】注意：這是個(gè)含有50%惰性氣的反應(yīng)體系反應(yīng)過(guò)程中的膨脹率為1224A（為什么？）)/(0625. 0)15.273215(314. 85 . 0105 . 03600mmolRTpcAA根據(jù)PFR的一般設(shè)計(jì)方程為第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）AfAfxAAAAAAxAAAxxkcdxcrdxc05 . 05 . 00000)11(8 . 005 . 0

51、5 . 00)11(AAAAdxxxkc即（1）解析積分，查數(shù)學(xué)手冊(cè)，得積分公式) 1(A328. 1| )1(sin)11(8 . 00218 . 005 . 0AAAAAxxdxxxI)(25.33328. 101. 00625. 0)11(5 . 08 . 005 . 05 . 00sdxxxkcAAAA第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（2） 用圖解積分求解xfffffdxxfIbaA)2121()(54321第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）在Excell上進(jìn)行圖解積分求解xx(1+x)/(1-x)0.501.000 0.000 0.21.225 0.223 0.41

52、.528 0.275 0.62.000 0.353 0.83.000 0.500 I0.2(0.5+1.225+1.528+2+1.5)1.351 )(78.33351. 101. 00625. 0)11(5 . 08 . 005 . 05 . 00sdxxxkcAAAA第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）（3）用辛普森法進(jìn)行數(shù)值積分求解辛普森法1/3法：3/8法：);4(3321fffhI2abh);33(834321ffffhI考慮積分：badxxfI)(現(xiàn)用1/3辛普森法求解;408 . 0h; 11f;227. 12f;528. 13f; 24f; 35f將辛普森法的基本公式表達(dá)

53、為5個(gè)函數(shù)點(diǎn)的計(jì)算式，即第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）)424(3)4(3)4(354321543321fffffhfffhfffhI33. 1)324528. 12227. 141 (48 . 031I小結(jié)：1/3辛普森法是以3個(gè)函數(shù)點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算面積，再求各面積之和，就是要求的近似積分值；h是計(jì)算各點(diǎn)函數(shù)值的步長(zhǎng)。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.3.4 復(fù)雜反應(yīng)等溫恒容過(guò)程關(guān)注點(diǎn)：選擇性和收率CSTR：;Ss PFR：,Ss 0)(10AAfccAAAfAdccsccS且對(duì)于一級(jí)連串反應(yīng)AfxSYAfxSYSRAkk21;1AAckr ;21RARckckrRSck

54、r2設(shè)初始濃度為：;0Ac000SRcc第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）將 A 的消耗速率代入 PFR 設(shè)計(jì)方程，得001AAfAAfccAAccAAckdcrdc)exp(10kccAA取任意微元體積對(duì)R作物料衡算RdV0AcAfc00RcRRdcc);(00RRRRRdccdVrcRRRAdcdVckck021)(RARckckr21其中RRRAdcdVckck021)(第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）RRAdcdckck)(21RARckckddc21將 代入，并積分整理，得)exp(10kccAA)exp()exp(211210kkkkkccAR（3-47）顯然，)

55、exp()exp(211210kkkkkccYAR（3-48）存在最大收率的條件是：, 0ddY21121)ln(kkoptkk即第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）對(duì)應(yīng)的最大收率為122)(21maxkkkRkkY（3-50）對(duì)應(yīng)的總選擇率為AfAAAfAxckkkkkcccS02112100R)exp()exp(c選擇率與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖3-12（P49）所示。此關(guān)系曲線是在不同速率常數(shù)比的情況下繪制的，并與CSTR作了比較。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【例3-10】在一個(gè)平推流反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)：QRAkk21兩反應(yīng)均為一級(jí)，在反應(yīng)溫度下， A 的進(jìn)料流量為3m

56、3/h，其中不含R和Q。試計(jì)算R 的最高收率和此時(shí)的總選擇性以及達(dá)到最大收率時(shí)的反應(yīng)體積。,min30. 011k,min10. 012k【解】 因?yàn)檫_(dá)到最大收率的最優(yōu)空間時(shí)間為(min)493. 5)1 . 03 . 0ln()ln(1 . 03 . 0112121kkoptkk第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）5775.0)1 .03 .0(3 .01 .01 .0maxRY,5775.0AfAfxxYS其中01AAAfccx)exp(10kccAA%47.71)493.53 .0exp(15775.0)exp(15775.01kxYSAf)(275.060493.5330mVop

57、tR第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）【例3-11】在一定的反溫度下A發(fā)生如下平行反應(yīng)：RAk1DAk22)/(0 . 23hmkmolcrAR)/(2 . 032hmkmolcrADR 為主產(chǎn)物，D為副產(chǎn)物，反應(yīng)原料為純A，其初始濃度為10kmol/m3，在反應(yīng)器出口A的轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)，試求在平推流管式反應(yīng)器中的空間時(shí)間、R的選擇性和收率?！窘狻?在平行反應(yīng)中A的總消耗速率為)/(4 . 00 . 2232hmkmolccrrrAADRA第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）R的瞬時(shí)選擇性AAAAARARccccrrs2 . 0114 . 0222/R的總選擇性AfAAfAcc

58、AAAfAccAAAfAcccccdcccdccsccSAAfAAf2 . 012 . 01ln)(2 . 012 . 011)(1000000其中，30/22 . 010)1 (mkmolxccAfAAf476. 022 . 01102 . 01ln)210(2 . 01S第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）381.08 .0476.0AfxSY)(424. 0| )5ln(21)4 . 02dc1022A00hccccrdcAAccAAccAAAAfAAf30/81. 3476. 0)210()(mkmolScccAfARf381.01081.30ARfccY第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)

59、器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.3.5 復(fù)雜反應(yīng)的變?nèi)葸^(guò)程關(guān)注點(diǎn): 隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體積流量不斷變化)1 (0iix其中 =1，2，3， 為獨(dú)立反應(yīng)個(gè)數(shù)。i為了避免體積變化所帶來(lái)的不便，通常用kmol流量來(lái)建立任意組分的PFR設(shè)計(jì)微分方程，即iRirdVdF在初始條件下：)/(00hkmolFFit（3-51）第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）對(duì)于恒壓過(guò)程的理想氣體tiiiiiiFFRTPFFRTPRTPyRTpc000tiiFFRTPc現(xiàn)以平行連串反應(yīng)為例說(shuō)明反應(yīng)器反應(yīng)體積的計(jì)算步驟：RBAk12DBRk2BARcckr21BRDcckr2第一步，確定關(guān)鍵組分。第二步，非關(guān)鍵組分用兩個(gè)關(guān)鍵組分

60、來(lái)表達(dá)。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）第三步，引入流量濃度比 計(jì)算各組分的瞬時(shí)濃度PRTFcFiii令;iiiFFRTPc則iiFc 第四步，列出關(guān)鍵組分設(shè)計(jì)方程組：（2個(gè)獨(dú)立反應(yīng)）（3-59）BARARAcckrrdVdF122BABADRBRBcckcckrrrdVdF221（負(fù)號(hào)為反應(yīng)物組分）第五步，由初始條件求解方程組即可。第3章 理想流動(dòng)均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)（14學(xué)時(shí)）3.3.6 變溫過(guò)程關(guān)鍵點(diǎn)：PFR管式反應(yīng)器各截面的溫度在不斷改變解決方法：對(duì)PFR進(jìn)行微元管段進(jìn)行熱量衡算AFAAdFFRdV0AFAfFdldT0fTdTT 冷卻介質(zhì)溫度為CT穩(wěn)定熱量衡算方程：SdlTTKd