定律,能量衡算依據是能量守恆和熱力學第一定律,動量衡算的依據則是動量守恆定律即牛頓第二運動定
律。
用衡算的方法來分析各種與動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞有關的過程時,首先要劃定衡算的範圍,
即衡算的系統,其次要確定衡算的對象與衡算的基準。
反應器計算的基本原理
反應器應當滿足的條件:
1.反應器的容積,滿足生產能力
2.傳熱面積,為保證傳熱效率
3.物料均勻混合
化學反應伴隨著動量、熱量及質量的傳遞,這些因素對反應速率有直接影響,故設計反應器是必須進行物料、熱量及動量衡算。
當流體通過對反應器前後壓力差不太大時,動量衡算可以不考慮;對於等溫過程,只需物料衡算就可確定反應器的容積,一般情況下,熱效應不可忽略,及非等溫過程,需對物料衡算和熱量衡算式聯立求解算出傳熱面積,進而求出反應器有效體積VR和實際體積V,定出反應器的型式。
物料衡算
通過計算確定原料、產品、副產品間的平衡關係,物料衡算式是反應器設計計算的基本方程式,其理論基礎:質量守恆定理。
對於微元體積ΔV,反應物料組分A的物料衡算式:
簡寫為:A入=A出+A反+A積
1.間歇操作:A入=A出=0→A反=-A積
2.連續穩態操作:A積=0→A反=A出+A反
連續非穩態操作:A積≠0→A反=A出+A反+A積
3.半連續操作:A積≠0→A反=A出+A反+A積
熱量衡算
溫度條件取決於產生或吸收的熱量及換熱條件,由熱量衡算可確定反應器的溫度條件及傳熱面積。其理論依據:能量守恆定律
對於流動體系與間歇體系的普遍熱量衡算式:
反應物代入微元體積熱量
+
由傳熱面傳入微元體積的熱量
=
反應物從微元體積代出的熱量
+
微元體積內由於化學反應而消耗的熱量
+
微元體積內積累的熱量
簡寫為:q入+q傳=q出+q反+q積q反吸熱反應為正,放熱為負
1.間歇操作:q入=q出=0→q傳=q反+q積
2.連續穩態操作:q積=0→q入+q傳=q反+q出
連續非穩態操作:q積≠0→q入+q傳=q出+q反+q積
3.半連續操作:q入+q傳=q出+q反+q積
通過熱量恆算可確定反應器所需的傳熱面積及傳熱劑的用量,但對間歇聚合反應器來說,在整個過程中,放熱是不均勻的,故在計算傳熱面積時應當以最大熱負荷作為依據。最大熱負荷可由以下兩種方法確定:
1.通過實驗確定。把整個反應過程分成多個階段進行熱量計算,然後作出整個過程的放熱曲線,這樣即可確定最大熱負荷Qmax。
2.根據生產實際情況和經驗,選定Qmax與平均熱負荷之比。
在進行物料恆算與熱量恆算時,對於理想混合流反應器,因為反應器內各點物料的組成和溫度完全一致,故可以對整個反應器列出物料恆算與熱量恆算式;對於平推流反應器,因為物料的溫度和組成等參數隨反應器的位置而變,故只能對微元反應器體積列出物料恆算和熱量恆算式。
根據物料恆算和熱量恆算可得到反應器設計的基本方程式,再結合動力學方程式就可計算反應器的體積。
化學動力學計算
①一級不可逆反應
②二級不可逆反應