Chapter 5 均相反应过程.pdf

文档介绍：第五章均相反应过程
Plug flow reactor(PFR)
Stirred tank reactor(CSTR) , or constant flow
stirred tank reactor(CFSTR ), or mixed flow
reactor ( MFR)
Batch reactor(BR)

•多用幂函数模型描述均相反应动力学规律。例如:
•不可逆简单反应: A ⎯⎯→k R
n
(−rA ) = kCA
•可逆反应:A ↔ R
n1 n2
(−rA ) = k 1CA − k 2CR
⎯⎯→k1 R
•平行反应: A
⎯⎯→k 2 S
n1 n2
(−rA ) = k 1CA + k 2CR
均相反应动力学
•连串反应:
A ⎯⎯→k1 R ⎯⎯→k 2 S
n1
(−rA ) = k1C A
n1 n2
rR = k1C A − k2C R
n2
rS = k2C R
•式中,k—反应速率常数,n—反应级数。
• k 可用Arrhenius公式表示。
•

¾ 间歇操作反应器内,反应物料浓度随时间变化,所有反应物
料的反应时间相同。通常物料在反应器内均匀混合,不存在
浓度梯度和温度梯度。
¾ 设反应器有效容积为VR,反应物组分A的浓度为CA。
取t~t+dt时间间隔进行物料衡算,
反应物A原有量−器内A剩余量= 过程A消耗量
VRCA = VR (CA + dCA ) + (−rA )VRdt
dC
整理得:(−r ) = − A 所以
A dt
CA CA,0 xA
dCA dCA dx A
t = −∫= ∫= CA,0 ∫(5-1)
CA,0 (−rA ) CA (−rA ) 0 (−rA )
单一级反应
•对单一级反应: A → R
(−rA ) = kCA = kCA,0 (1 − x A )
xA
dx A 1 1
则 t = CA,0 ∫= ln
0 kCA,0 (1 − x A ) k 1 − x A
1 C
或 t = ln A,0
k CA
反应物A的残余浓度和转化率为:
−kt −kt
CA = CA,0e ; x A = 1 − e
简单二级反应
对简单二级反应:A + B → R(CA,0 = CB,0 )
2 2 2
(−rA ) = kCA = kCA,0 (1 − x A )
xA dx x
t = C A = A
A,0 ∫ 2 2
0 kCA,0 (1 − x A ) kCA,0 (1 − x A )
1 1 1
或 t = ( −)
k CA CA,0
反应物A的残余浓度与转化率为:
CA,0 ktCA,0
CA = , x A =
1 + ktCA,0 1 + ktCA,0
间歇操作反应器特征
C
CA,0 R (-rA)
VR
CA
CA
C
R,0 tt
•图5-1间歇操作反应器特征
间歇反应器特点
¾ 由间歇反应器设计方程知,反应物达到一定转化率所
需反应时间,只取决于过程的反应速率,也就是说取
决于过程的动力学因素,而与反应器大小无关。反应
器的大小由物料处理量决定。
¾ 由此可见,上述计算反应时间公式既适用于小型设
备,又适用于大型设备。所以,由实验室数据设计生
产规模的间歇反应器时,只要保证两者的反应条件相
同(容易吗?请说明),便可达到相同的反应效果。
¾ 依据反应时间可计算反应器有效容积VR:
日处理量
V = (t + t') (5-2)
R 24
间歇反应器特点
¾ t—反应时间;
t′—每批进料、出料、清洗等操作的辅助时间;
¾ 日处理量—为生产任务规定,以m3⋅天-1计。
¾ 反应器有效容积VR与反应器容积V的关系为
V
V = R
ϕ(5-3)
ϕ—反应器装料系数。

dVR
qV,0 qV,
cA,0 cA
xA xA+dxA
CA,0 (-rA)
CR
CA
l=0 l=L l=0 l=L
•图5-2活塞流反应器特征