聚合反应工程基础第二章3

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1、第二章化学反应工程基础作业:在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：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0.75二、理想置换反应器（平推流反应器）1.理想置换反应器的特性⑴由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的；⑵在垂直于流动方向上的

2、同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；⑶在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。实际生产中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。在等温理想置换反应器内，物料的组成沿反应器流动方向，从一个截面到另一个截面不断变化，现取长度为dl、体积为dV的一微元体系，对关键组份A作物料衡算，如图所示，这时dV=Stdl，式中St为截面积。Ldl2.平推流应器设计方程进入量-排出量-反应量=累积量FA-(FA+dFA)-rA·dV=0由于FA=FA0(1-xA)

3、微分dFA=-FA0dxA所以FA0dxA=rAdV为平推流反应器物料平衡方程的微分式。对整个反应器而言，应将上式积分。⑴对于恒容过程：⑵变容反应过程理想置换反应器是一种连续流动反应器，可以用于液相反应，也可以用于气相反应。用于气相反应时，有些反应，反应前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反应会引起系统物流体积发生变化。物流体积的改变必然带来反应物浓度的变化，从而引起反应速率的变化。对于A组分：例:均相气相反应A→3R，其动力学方程为rA=kcA，该过程在185℃，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1，进料

4、量FA0=30kmol/h，原料含50％惰性气，为使反应器出口转化率达80％，该反应器体积应为多大?解：该反应为气相反应A→3R平推流反应器设计方程例:在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯。年设计生产能力为14万吨乙烯。反应是不可逆的一级反应，要求达到乙烷转化率为80％，反应器在1100K等温，恒压600kPa下操作，已知反应活化能为347.3kJ·mol-1，1000K时，k=0.0725s-1。设计工业规模的管式反应器。解：设A为乙烷，B为乙烯，C为氢气反应器流出的乙烯的摩尔流率是：进料乙烷的摩尔流率是：计算1100K时

5、反应速率常数：膨胀率：进口体积流量：三、全混流反应器全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。1.全混流反应器特性⑴物料在反应器内充分返混；⑵反应器内各处物料参数均一；⑶反应器的出口组成与器内物料组成相同；⑷连续、稳定流动，是一定态过程。2.全混流反应器基本设计方程全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积V为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。整理得到：恒容条件下又可以简化为：等温变容情况下变容一级不可逆反应:变容二

6、级不可逆反应:若采用CSTR反应器，求己二酸转化率90％时，所需反应器的体积。例1某厂以己二酸与己二醇等摩尔缩聚反应生产醇酸树脂。反应温度70℃，催化剂为H2SO4。已知：cA0=4kmol·m-3由设计方程代入数据，xAf=0.9时用间歇反应器所需容积为：4.56m3四、理想流动反应器的组合1.平推流反应器的并联操作VR=VRl+VR2因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和：V0=V01+V02由平推流反应器的设计方程尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。如果各支路之间

7、的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物流的混合，就是返混。因此应当遵循的条件：2.全混流反应器的并联操作多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并联操作同样道理，必须满足的条件相同。3.平推流反应器的串联操作12in……与单一平推流反应器相同请考虑要使并列的两路得到相同的转化率，则两路的流量比是多少？对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。对恒容、定常态流动系统，V0不变，，故有：4.全混流反应器的串联操作对于N釜串联操作的系统，总空间时间：τ小于单个全混釜达到相同转化率xAN操作时

8、的空间时间。对于一级反应：依此类推：如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：对二级反应，以上面方法，可以推出：根据动力学方程做rA~CA关系曲线rACACA1CA2CA3CA0以两只不等容的理想混合反应器串联操作为例：对于