CRE-沈阳理工-第三四章-自催化反应.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,总结：,等温均相单一反应,理想反应器设计步骤,aA+bBcC+dD,A,为关键组分,(1),列设计方程,(mol,平衡）,(2),建立速率方程，,r,A,=kf(C,i,),(3),浓度表达式,C,j,=g(X,A,),或,C,j,=g(F,i,),等,(4),将,(1)(2)(3),三步结合，并将已知参数赋值，求得反应器的体积或反应的时间空时，转化率等,1,2025/7/23 周三,反应器,气、液相（通式）,液相或恒容,间歇,dN,A,/dt=-r,A,V,N,A0,dX,A,/dt=r,A,V,dC,A/dt=-r,A,C,A0,dX,A,/dt=r,A,CSTR,V=(F,A0,-F,A,)/r,A,或,V=F,A0,X,A,/r,A,=C,A0,X,A,/r,A,V=v,0,(C,A0,-C,A,)/r,A,或,=(C,A0,-C,A,)/r,A,PFR,dF,A,/dV=-r,A,F,A0,dX,A,/dV=r,A,积分形式,v,0,dC,A,/dV=-r,A,或,dC,A,/d,=-r,A,（,1,）,设计方程（,mol,平衡方程）,-,单一反应,2,2025/7/23 周三,(2),建立速率方程，,r,A,=kf(C,i,),一级反应动力学,r,A,=kC,A,二级反应动力学,rA,=kC,A,2,r,A,=kC,A,C,B,等,3,2025/7/23 周三,(3),浓度表达式,Case 1,液相或气相恒容反应系统中,v,=,v,0,所以，,C,A,=C,A0,(1-X,A,),C,B,=C,A0,(,B,-b/aX,A,）,C,C,=C,A0,(,C,+c/aX,A,）,C,D,=C,A0,(,D,+d/aX,A,）,故已知速率定律可化为,r,j,=g(X,A,),4,2025/7/23 周三,(3),浓度表达式,Case 2,气相变容系统中,变容体系的浓度,-,转化率一般表达式,C,A,=C,A0,(1-X,A,)/,（,1+,X,A,）,（,P/P,0,),（T,0,/T),C,B,=C,A0,B,-,（,b/a)X,A,/,（,1+,X,A,）,（,P/P,0,),（,T,0,/T),C,C,=C,A0,C,+,（,c/a)X,A,/,（,1+,X,A,）,（,P/P,0,),（,T,0,/T),C,D,=C,A0,D,+,（,d/a)X,A,/,（,1+,X,A,）,（,P/P,0,),（,T,0,/T),故已知速率定律可化为,r,j,=g(X,A,),注意：对流动系统,v=v,0,(1+,X,A,)(P,0,/P)(T/T,0,),F,j,=F,A0,(,j,+,j,X,A,）,对非流动系统,V=V,0,(1+,X,A,)(P,0,/P)(T/T,0,),N,j,=N,A0,(,j,+,j,X,A,）,5,2025/7/23 周三,(3),浓度表达式,Case 3,气相变容系统中,变容体系的浓度,-mol,流率或,mol,数的一般表达式,流动系统中物质,j,的浓度以,mol,流率、温度,T,与压力,P,表达为：,C,j,=F,j,/v=(F,T0,/v,0,)(F,j,/F,T,)(P/P,0,)(T,0,/T),=C,T0,(F,j,/F,T,)(P/P,0,)(T,0,/T),总,mol,流率为系统中各物质的,mol,流率之和，,F,T,=F,A,+F,B,+F,C,+F,D,+F,I,=,F,j,非流动系统中物质,j,的浓度以,mol,数、温度,T,与压力,P,表达为：,C,j,=N,j,/V=(N,T0,/V,0,)(N,j,/N,T,)(P/P,0,)(T,0,/T),=C,T0,(N,j,/N,T,)(P/P,0,)(T,0,/T),总,mol,数为系统中各物质的,mol,数之和，,N,T,=N,A,+N,B,+N,C,+N,D,+N,I,=,F,j,6,2025/7/23 周三,Ch3-4,部分,反应器选型：,CSTR or PFR or.Rs?,自催化反应,多重反应（复合反应）,平行反应,连串反应,反应器的热稳定性,CSTR,热稳定性,PFR,热稳定性,反应器模拟,膜反应器（根据情况）,7,2025/7/23 周三,自催化反应,考虑下面反应,A,B,，,r=kC,A,C,B,也可写成,A+B2B,，,r=k C,A,C,B,这类反应被称为,自催化反应,。其特性为：,（,1,）,C,B,=0,时，表达式,r=kC,A,C,B,给出的速率为,0,。事实上，反应初期反应速率非常小。,（,2,）随着反应的进行，产物浓度不断增加，反应物浓度虽然降低，但其值仍然较高。因此，反应速率将是增加的。当反应进行到某一时刻时，反应物浓度的降低对反应速率的影响超过了产物浓度增加对反应速率的影响，反应速率开始下降。,8,2025/7/23 周三,自催化反应的动力学方程,例题：液相自催化反应,A+P,P+P,的速率表达式,r,A,=kC,A,C,P,mol/(L,h),在等温间歇反应器中测定反应速率，,C,A0,=0.95m0l/L,C,P0,=0.05mol/L,经过,1h,后测得反应的速率达最大值，求该温度下反应速率常数。,解：等分子反应，体系总,mol,数或总,mol,浓度不变,即,C,T0,=C,A0,+C,P0,=C,A,+C,P,=1mol/L,所以,C,P,=1-C,A,9,2025/7/23 周三,反应速率方程可写成,r,A,=kC,A,（,C,T0,-C,A,）,反应速率出现最大时,dr,A,/dC,A,=0,即,C,T0,-2C,A,=0,相应,A,的浓度为,C,A,=,（,1/2,）C,T0,=0.5mol/L,等温液相间歇反应器设计方程,r,A,=-dC,A,/dt=kC,A,（,C,T0,-C,A,）,10,2025/7/23 周三,分离变量，积分得,11,2025/7/23 周三,实际上我们导出了自催化反应在间歇反应器中的设计方程,12,2025/7/23 周三,自催化反应过程的优化,自催化反应,A+R,2R,r,A,=kC,A,C,R,k=1.512m,3,/(kmol,min),现采用原料中,C,A0,=0.99kmol/m,3,C,R0,=0.01kmol/m,3,要求最终,C,A,=0.01kmol/m,3,当原料的进料量为,10m,3,/h,时，求：,（1,）反应速率达到最大时，,A,的浓度。,（,2,）采用,CSTR,时，反应器的体积,V,R,。,（,3,）,PFR,中，反应器的体积,V,R,。,（,4,）为使反应器体积最小，将采用一个,CSTR,和,PFR,配合使用，组合方式如何，其最小体积是多少？,13,2025/7/23 周三,解,C,T0,=C,T,=C,A0,+C,R0,=C,A,+C,R,r,A,=kC,A,（,C,T0,-C,A,）,(1),反应速率出现最大时,dr,A,/dC,A,=0,即,C,T0,-2C,A,=0,相应,A,的浓度为,C,A,m,=,（,1/2,）,C,T0,C,A,m,=1/2x,（,0.99+0.01)=0.5(kmol/m,3,),14,2025/7/23 周三,(2)CSTR,，在出口,C,Af,=0.01kmol/m,3,15,2025/7/23 周三,(3)PFR,，在出口,C,Af,=0.01kmol/m,3,16,2025/7/23 周三,C,A0,C,Am,C,Af,1/r,A,面积,=CSTR,的空时,面积,=,PFR,的空时,17,2025/7/23 周三,(4),组合形式及最小体积。,由,1/r,A,-C,A,图，可知，从,C,A0,到,C,Am,应该使用,CSTR,，然后串联一个,PFR,。,CSTR,：,PFR,：由图形对称性可知，体积是单个,PFR,的一半,V,pfr,=1.33/2=0.651(m,3,),总体积,=0.216+0.651=0.867m,3,。,18,2025/7/23 周三,例题,:,采用转化率,X,A,表达浓度来计算自催化反应的反应器体积,自催化反应,A+P,P+P,是一个等密度反应过程，反应速率为：,r,A,=kC,A,C,P,k=10,-3,m,3,/(kmol,s),进料流量为,v,0,=0.002m,3,/s,C,A0,=2kmol/m,3,C,P0,=0,，转化率,X,A,=0.98,，,试计算下列反应器的体积,（,1,）,CSTR,（,2,）,PFR,（,3,）,CSTR,与,PFR,的最佳组合。,19,2025/7/23 周三,解：,C,A,=C,A0,（,1-X,A,）,C,P,=C,A0,(,P,+,p,X,A,),p,=C,P0,/C,A0,=0,p,=1,r,A,=kC,A,C,P,=kC,A0,2,(1-X,A,)X,A,(1)CSTR,20,2025/7/23 周三,(2)PFR,因为进口处,C,P0,=0,，,X,A,=0,即,r,A,=0,无法引起反应，故反应器体积无穷大。,(3)CSTR+PFR,最优组合，,CSTR,在前，,PFR,在后。先利用,CSTR,在最大速率下反应，然后用,PFR,反应至,98%,的转化率。,利用,dr,A,/dX,A,=0,很容易求得最大速率下的转化率为,XA,m,=0.5,21,2025/7/23 周三,CSTR,体积,22,2025/7/23 周三,PFR,体积,总体积,=2+3.89=5.89m,3,说明：对于自催化反应，要达到较高的转化率,单一反应器体积大于,CSTR,与,PFR,适当组合。,23,2025/7/23 周三,X,Af,X,Am,X,A0,1/r,A,PFR,的空时,=,面积,xC,A0,CSTR,的空时,=,面积,xC,A0,图解法,(1),绘,X,A,-1/r,A,图（,2,）确定,X,Am,(3),计算面积,(4),计算空时（,5,）计算反应器体积,24,2025/7/23 周三,面积,x C,A0,=,空时,面积,x v,0,C,A0,=,面积,x F,A0,=,体积,25,2025/7/23 周三,作业：,1,、对于自催化反应,A,B,，速率方程,r=kC,A,C,B,初始浓度为,C,A0,，,C,B0,=0.,(a),理想的反应器组合是什么样的？反应器之间的最佳产物浓度是多少？,(b),如果,C,A0,=1mol/L,且,k=0.25L/(mol,min),转化率为,90%,时，最佳组合反应器的空时是多少？,26,2025/7/23 周三,解答：,(a),理想的反应器组合为,CSTR+PFR:,CSTR,在前，,PFR,在后。先利用,CSTR,在最大速率下反应，然后用,PFR,反应至设定的转化率。,C,A,=C,A0,（,1-X,A,）,C,P,=C,A0,(,P,+,p,X,A,),p,=C,P0,/C,A0,=0,p,=1,r,A,=kC,A,C,P,=kC,A0,2,(1-X,A,)X,A,dr,A,/dX,A,=kC,A0,2,(1-2X,A,)=0,时速率最大，,解得此时转化率,X,Am,=1/2,C,pm,=C,A0,X,Am,=1/2C,A0,27,2025/7/23 周三,(b),如果,C,A0,=1mol/L,且,k=0.25L/(mol,min),转化率为,90%,时，空时是多少？,最大速率时，转化率为,X,Am,=0.5,CSTR,的空时,28,2025/7/23 周三,PFR,的空时,组合反应器空时,=8+8.79=16.79min,29,2025/7/23 周三,