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完整版机械毕业设计外文翻译
内蒙古科技大学
本科生毕业设计外文翻译
学生姓名：
武新伟
专业：
过程装备与控制工程
班级：
装备09-1班
指导教师：
李胜（王昌）高工
不同的行为批次和半连续反应器的两个化学反应的比较研究
M.D.Graua,1,J.M.Nouguésb,2,L.Puigjanerb,*,2
a矿业及天然资源工程系，曼雷沙大学，加泰罗尼亚理工大学,AV.西班牙曼雷沙61-73基地，08240.
b巴塞罗那工业工程学院，加泰罗尼亚理工大学化学工程系，AV.西班牙巴塞罗那，对角线647，08028.
2001年10月收到，2002年2月19日发表
摘要：
基于不同的行为的两个反应，批处理和半间歇反应器性能之间的比较研究已经进行了在玻璃夹套设置与测量5升的反应器中，数据采集和控制系统。
所选择的反应是酸-碱反应（乙酸乙酯皂化反应），和一个具有高的反应热（硫代硫酸钠，过氧化反应）的氧化-还原反应。
甲第一差值的方法中，用于建立的动力学方程。
对于使用的酸-碱反应的等温方法，根据该溶液的电导率，用于氧化反应的温度的测量的基础上使用的绝热方法。
此工作的重点在于得到的物种的浓度，在反应器中，通过实验测量与不同的传感器（pH，温度，等）所需要的值，以得到的浓度分布。
对于酸-碱反应，它可以转换成浓度值的反应溶液的pH值测量。
在氧化反应的情况下，通过测量唯一的反应器的温度为绝热的批处理模式下的操作，和在半间歇法的操作模式通过仿真得到的浓度分布。
以前被验证实验获得的温度分布的数学模型。
关键词:
批处理和半间歇反应器；模型；反应动力学
命名法
a：
化学计量系数反应物A
Ai：
内传热面积（米2）
A0：
以外的传热面积（米2）
B：
反应物B的化学计量系数
cA：
反应物的浓度（NaOH或H2O2）（千摩尔米-3）
cA0：
初始反应物的浓度甲（千摩尔米-3）
cA1：
初始反应物的浓度在坦克（千摩尔米-3）
cB：
反应物B的浓度（千摩尔米-3）
cB0：
反应物B的初始浓度（千摩尔米-3）
cB1：
罐中反应物B的初始浓度（千摩尔米-3）
cP：
浓度的产品（千摩尔米-3）
CJ：
护套的流体的热容量（千焦耳千克-1K-1）
CP：
的反应物的热容量（千焦耳千克-1K-1）
CM：
的壁的热容量（千焦耳千克-1K-1）
Ea：
活化能（千焦耳千摩尔-1）
FW：
护套的流体流（米3s-1）
F0：
添加流量（米3s-1）
[10]，但反应物和产物的浓度的演变没有调查，这是非常重要的是要优化运行性能，因为它已经指出，Hugo[11]等人。
在这项工作中，为酸-碱反应，在反应器中存在的物种原位浓度通过测量溶液的pH值来确定。
对于氧化还原反应，反应的电压分布实验得到，但其转换成浓度分布被认为是非常困难的。
在这种情况下，浓度分布是通过模拟获得的。
的动态的数学模型，预测的热行为的间歇式反应器，并在反应过程中反应物和产物的浓度的演变。
对于该反应中，它有可能以获得实验的浓度分布，仅在绝热操作的箱子。
在这种模式的操作中，它是通过只测量反应温度可能遵循的浓度演化。
为酸-碱反应的（低反应热），其中反应器的温度将保持控制，两种操作模式（分批或半间歇）是可能的。
在硫代硫酸盐反应（非常的放热反应）的情况下，温度控制是唯一可行的半间歇反应器中。
在这种情况下，当一组点被选择的反应物料的温度，也可以通过操纵一种反应物的进料速率，入口夹套温度保持在一个前缀的值来控制反应。
因此，这种操作模式可以被使用，以控制反应，并且，它是特别有用的高度放热的过程，其中，安全是一个主要问题。
从这个意义上说，的的作品Steensma和Westertep[12]和Stoessel[2]是非常相关的。
Hugo和Steinbach[13]补料批式反应器和连续搅拌釜式反应器安全之间的比较研究。
纸张主要作用域从pH值和温度数据的浓度分布的模拟，然后预测实验的控制行为。
因此，一个关键的贡献，目前的工作重点是在两个均相反应的行为的比较研究，批次和半连续反应器中进行。
这些反应可再现的实验得到的，使用的传感器的pH，温度或潜在的，大量的数据，以便获得适当的信息，用来比较的批次和半间歇反应器中的操作模式的行为。
一般，该比较是仅使用温度测量。
这项工作给特殊的重要性，得到的浓度分布（通过pH值或温度的实验性的措施），显示出更好的两种操作模式之间的不同行为。
在这种方式中，该研究导致一种推论批处理的方式来控制和半间歇反应器。
此外，使用简单的反应已被特别选择，因为，即使在发展的动能表达式，使用的方法是不同的，使得可以比较的等温反应器中和一个绝热反应器的行为。
利益的工作还包括在比较两个非常不同的反应速度和热行为反应。
2、数学模型
在一般的方式，考虑这两个反应可以表示为：
aA+bB→cC+dD
其中的一个a，b，c，和d是不同的对于每个反应：
CH3COOCH2CH3+NaOH→CH3COONa+CH3CH2OH
Na2S2O3+2H2O2→Na2S3O6+Na2SO4+2H2O
将反应率被假定为成比例的反应物A和B的浓度的第一顺序，和溶液的密度是恒定的：
r=kcAcB…………………………………………………………………………
（1）
其中，k是一个函数，所述的温度的Arrhenius表达式：
k=k0e−EaR（T+273）…………………………………………………………
（2）
两种方法可以通过以下方式获得的动力学参数k0和Ea。
2.1.等温法
得到的溶液在不同温度下的电导率的档案。
因此，一组在不同温度下的k值可以以下方式获得的，然后通过绘制lnk对1T式中的对数表达Eq
（2），k0和Ea值可以很容易地获得：
……………………………………………………（3）2.2.（直接法）
考虑到能量平衡方程完全是被称为反应物料，获得以下表达式：
………………………………………………………………（4）
（4）给出了在每一时刻的速率常数：
…………………………………………………………………（5）导数dTdt可以计算从所记录的温度-时间曲线。
然后时，lnk被计算，使用从Ea得到的值（5）。
下面的过程是类似的等温方法。
批处理和半间歇反应器的动态行为可以被描述由一组微分方程套壁和夹克内的循环流体的能量平衡的反应混合物中，产生的质量和能量平衡。
批式反应器的整体质量平衡：
…………………………………………………………………………（6）……………………………………………………………………………（7）半间歇反应器的整体质量平衡：
……………………………………………………………………（8）…………………………………………………………………………（9）间歇式反应器的组件的质量平衡：
……………………………………………………………（10）……………………………………………………………（11）半间歇反应器中的组件的质量平衡：
……………………………………………………（12）
……………………………………………………………（13）
对于pH值的酸-碱反应，转化浓度分布不同操作模式的研究需要不同的表达式。
如果A代表NaOH和乙乙酸乙酯，唯一的贡献对pH值的NaOH的存在是由于，因为乙酸钠的贡献可以忽略不计。
在这些条件下：
POH=−logcA………………………………………………………………（14）不然
cA=10（pH−14）…………………………………………………………………（15）否则为间歇式反应器中，浓度可以表示为：
cA=cA0（1−x）…………………………………………………………………（16）从式（15）和（16）：
……………………………………………………………（17）半间歇反应器中时，被认为是，试剂A的添加效果，必须考虑该混合物的初始浓度在加入时间：
……………………………………………………………………（18）和
……………………………………………………………（19）当馈送的NaOH停止反应器中在批处理模式下操作，并建模方程是前面所指出的那些。
用于氧化反应和绝热的间歇式反应器中，从（4）和（10）得到：
…………………………………………………………………（20）通过集成这个方程，得到下面的表达式：
………………………………………………………………（21）
的差异之间的初始温度和最终温度，当转换是x=1时，，被定义为ΔTad：
………………………………………………………………（22）公式（21）可以改写为：
……………………………………………………………………（23）使用表达式（23），可以得到具有不同的反应物和产物的浓度。
批式反应器的能量平衡：
…………………………………………………（24）
半间歇反应器的能量平衡：
………………………………………（25）
批次和半间歇反应器外壁的能量平衡：
…………………………………………………………………（26）
通过
QM=[14]所示。
3、工厂介绍
在中试规模的反应器中（图1）中，pH值，电导率，电压和温度的已获得的实验措施。
它由一个5升玻璃夹套反应器中，设置有一个数据采集系统基于GPIB总线和PC软件。
图1试验工厂。
在夹套中循环的流体的流率可以前缀或通过差开闭阀控制，提供一种替代的加热-冷却流体（热水或冷水），表1中表示的不同模式的状态的阀门操作。
表1中阀门
阀门
行动
Ia
IIb
IIIc
V1
反应A入口
X
X（*）
V2
反应B入口
X
V3
护套流体入口
X
X
V4
护套流体出口
X
X
V5
产品出口
X
a反应器进行充电。
b仅在半间歇模式的的反应发展（*）。
c清空的反应器（当实验结束时）。
所有实际可用的模拟输入和输出，以及所有的虚拟通道自动监视和存储过程值。
它也能够得到上线，被配置在显示画面上的曲线。
4、实验的发展
在不同的条件下进行了初步实验，得到的动能表达式为每个反应和批处理模式下的操作。
然后，将两个反应表示进行了在两种操作模式：
批处理和半间歇法。
对于所有的实验中，将夹套填充有循环水的流动的1.37×10-52ms。
在反应器中的所选择的设定点温度为308K，而反应物的体积一个用混合1.3升反应物B2.7升，反应的质量得到4升。
反应物A是NaOH在皂化反应和H2O2的氧化反应中。
实验1和2对应于在批处理的皂化反应和半间歇操作模式分别和实验3和4对应于分别批处理和半间歇操作模式中的氧化反应，表2中表示的操作条件。
皂化实验中所用的反应物的体积为在类似条件下进行氧化反应的实验。
在这些条件下，在反应器中的初始浓度而稀释。
用于该反应的硫代硫酸盐和过氧化氢，几个实验（Szeifert[15]等人）使用更集中的解决方案，其比率为cBOcAO=23。
实验5和6分别为这些条件的例子（表3）。
的反应物的初始浓度分别为在表中所标明的一半，因为音量的两个解决方案的时间是相同的。
这些实验被用来验证的数学模型，在FORTRAN77语言编写的软件模块来实施。
实验7和8与试验5中的相类似的条件进行，但引入的设定点温度在313K。
表2操作条件，实验1-4
皂化反应
氧化反应
实验1
实验2
实验3
实验4
T（K）
294.9
299.0
299.9
297.9
TJO（K）
334.0
334.0
299.0
299.0
cA（M）
1
1
1.2
1.2
cB（M）
2
2
0.8
0.8
FO（m2s-1）
-
7.4×10-7
-
8.9×10-7
表3操作条件，实验5-8
T（K）
Tset（K）
TJO（K）
cA（M）
cB（M）
Fo（米2秒-1）
实验5
293.2
-
293.5
1.2
0.8
3.1×10-6
实验6
293
-
293.9
1.2
0.8
4.7×10-6
实验7
293.5
313
294.1
1.2
0.8
3.1×10-6
实验8
293.2
313
294.2
1.2
0.8
3.1×10-6
5、结果与讨论
阿仑尼乌斯方程得到的对皂化和氧化反应结果表明，与其他研究者发现的一个很好的相同性（Ortiz[16]等人Cohen和Spencer[7]）。
这两个反应显示出非常不同的反应速度，以及热行为。
事实上，在氧化反应的速度比的皂化反应，因为
下和（EaR）acid–base=4829.6K，在8.13×1011m3kmol-1s-1，和9156K为氧化反应前。
用来比较的间歇和半间歇操作模式的行为，的温度曲线示于图2为两种反应。
对于皂化反应，初始斜率和过冲，在批处理模式下，半连续模式相比更为明显。
对于氧化反应，这种差异是更重要的。
在批处理模式下，这是不可能以控制温度的演化。
出于这个原因，该反应将不能在此操作模式下研究了这项工作。
说，在皂化反应的护套流体最初热水（表2），这一点很重要的，因为反应热是非常低的，如果外套流体本来冷水，将有没有可以看到温度上升。
图
（2）温度分布的实验1-4。
为了后续的反应物的浓度的演化，为saponifaction反应，测定其pH。
使用（14），（15），（16），（17），（18）和（19），它是可以转换成浓度公司的pH曲线。
批次和半间歇反应器的反应混合物中示出图的相应浓度的演变。
图3和图。
4，分别为。
A的进给停止后1800秒时的化学计量的输入值被达到。
这是可以看到的NaOH增值（CA）在反应混合物中的积累。
一旦达到最大数后，反应演化的间歇式反应器中的类似。
相同的初始条件下，进行了模拟，基于质量平衡方程（（6），（7），（8），（9），（10），（11），（12）和（13）），因为它表示在以前的工作中（Grau和Puigjaner的[17]）。
图3实验的间歇式反应器（皂化反应，实验1）的浓度分布。
图4，实验的浓度分布的半间歇反应器（皂化反应，实验2）。
使用实验数据用于氧化反应的浓度分布，得到仅用于绝热的运作模式。
使用公式。
（23）得到的转化率在每一时刻。
上表示它的反应组分的浓度分布图.5。
用实验的温度分布与浓度值的数学模型进行了验证。
的浓度分布的半间歇法的操作模式，通过模拟获得的。
以前的数学模型进行了验证实验的温度分布图。
图.6展示出了良好的工作更浓缩的反应物和保持比CBOCAO=23的试验6的实验和模拟的温度之间的协议。
已经通过仿真验证的数学模型，它是可能的，得到的浓度分布。
这是非常有趣的过氧化物被添加（图7）来观察的积累。
480秒后的H2O2被消耗和的Na2S2O3和产品的浓度分别为0.1和0.15M。
图5，实验和模拟的浓度分布氧化反应（绝热模）
图6,实验和模拟温度曲线实验6
图7,模拟用于氧化反应（半间歇反应器）中的浓度分布。
图8,温度分布与设定点的温度进行氧化反应。
实验5和6进行没有护套流体的变化，并且在不控制反应器的温度的情况下。
当设定点温度是固定的（在313K）是不可能的，以控制反应温度，在这些操作条件下（实验7和8）中，仅通过夹套流体（图8）通过加热去除，因为护套是不能够以除去反应热。
对于相同的操作条件（半间歇反应器）中进行了详尽的研究，硫代硫酸盐和过氧化氢之间的反应中的前一工作（Grau等人[18]）。
使用的一种优化方法，来获取最优的温度分布，利用作为变量的过氧化物的添加流量。
6、结论
半间歇反应器操作的酸-碱低放热反应，随后由pH值的测量和非常放热的氧化反应相比，间歇式反应器的操作已被。
获得的结果表明，用于皂化反应，它是可能操作的反应器中，这两种操作模式（批处理和半间歇）。
在氧化反应的情况下，这是不可能的，以控制反应温度在批处理模式下，仅非常稀释的浓度时，也能够在半间歇模式下操作，通过控制反应温度与护套流体。
在这种情况下，当反应物较为集中，过氧化物的加入流量为高，这是要使用另一个参数，以控制反应温度：
过氧化物的添加流量，因为在热传输是不足以以除去产生的热量的的反应。
在所有情况下，实验结果表明，通过仿真得到的结果吻合良好。
浓度分布，得到两个反应，使用不同的技术。
对于皂化反应的浓度随时间演变的不同组成部分已经通过以下方式获得的溶液的pH值的实验措施的装置。
在氧化反应的情况下，只有为绝热的操作模式已经能够得到使用实验的温度曲线的浓度分布。
与模拟结果已获得一个很好的协议，使得有可能开发的数学模型进行验证。
的浓度分布的知识是非常有趣的理解的反应行为。
介绍的方法提供了一个有用的方法批次和半连续反应器的操作和控制，在工业实践中很容易实现。
致谢
财政支持收到CICYT的令人欣慰的承认，（项目QUI991091）。
参考文献
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Comparativestudyoftwochemicalreactionswithdifferent
behaviourinbatchandsemibatchreactors
M.D.Graua,1,J.M.Nouguésb,2,L.Puigjanerb,∗,2
aMiningEngineeringandNaturalResourcesDepartment,EscolaUniversitàtiaPolitècnicadeManresa,UniversitatPolitècnicadeCatalunya,
Av.LesBasesdeManresa61-73,08240Manresa,Spain
bChemicalEngineeringDepartment,EscolaTècnicaSuperiord’EnginyersIndustrialsdeBarcelona,UniversitatPolitècnicadeCatalunya,
Av.Diagonal647,08028Barcelona,Spain
Received4October2001;accepted19February2002
Abstract
Basedontworeactionswithdifferentbehaviour,acomparativestudybetweenbatchandsemibatchreactorsperformancecarriedoutinaglass-jacketedreactorof5lprovidedwiththemeasuring,dataacquiringandcontrollingsystem.Thereactionschosenwereanacid–basereaction（ethylacetatesaponification）,andanoxidation–reductionreactionwitha）.Afirstdifferencewasinthemethodusedtoestablishthekineticequation.Fortheacid–basereactionwasusedanisothermalmethodbasedontheconductivityprofilesofthesolution.Fortheoxidationreactionwasusedanadiabaticmethodbasedonthemeasurementoftemperatures.
Thisworkfocusesintheinteresttoobtaintheconcentrationsofthespeciesinthereactor,bymeasuringexperimentallywithdifferentsensors（pH,temp
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