理想間歇反應(yīng)器與典型化學(xué)反應(yīng)的基本特征.ppt

1,第三章 理想間歇反應(yīng)器與典型化學(xué)反應(yīng)的基本特征,2,3.1.1反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和方法,選擇合適的反應(yīng)器型式(依據(jù)) 反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性（反應(yīng)過程的濃度效應(yīng)、溫度效應(yīng)及熱效應(yīng)） 反應(yīng)器的流動(dòng)特征和傳遞特性（熱量傳遞對(duì)反應(yīng)過程的影響、質(zhì)量傳遞對(duì)反應(yīng)過程的影響）,3.1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程,兩者結(jié)合,3,確定適合的工藝條件 確保反應(yīng)器具有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)特性、操作穩(wěn)定性 通過試驗(yàn)，通過大型的工藝模擬軟件（PROII、ASPEN Plus等等） 計(jì)算所需反應(yīng)器體積 確定反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸 由規(guī)定的生產(chǎn)能力及操作條件來確定,4,3.1.2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程,動(dòng)力學(xué)方程式化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 物料衡算方程式（摩爾衡算）計(jì)算反應(yīng)器體積 某組分） G入 G出 G反應(yīng)消耗 =G積累 熱量衡算方程式計(jì)算反應(yīng)器溫度變化 Q入 Q出 Q反應(yīng)放熱 Q 傳出=Q積累 動(dòng)量衡算方程式計(jì)算反應(yīng)器壓力變化,3.2 理想間歇反應(yīng)器,結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn) 操作靈活 缺點(diǎn) 輔助時(shí)間長 產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,3.2.1 理想間歇反應(yīng)器的特征,6,Batch Reactor,Batch Reactor Stirring Apparatus,7,理想間歇反應(yīng)器的特征 反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻 反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等 反應(yīng)器內(nèi)物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng),反應(yīng)結(jié)果將唯一地由化學(xué)動(dòng)力學(xué)所確定,攪拌器設(shè)計(jì)、安裝 攪拌器的型式、尺寸和安裝位置都要根據(jù)物料性質(zhì)和工藝要求來選擇 目的都是為了在消耗一定的攪拌功率條件下達(dá)到反應(yīng)器內(nèi)物料的充分混合,8,3.2.2 間歇反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)描述,物料衡算（對(duì)象：整個(gè)反應(yīng)器） （某組分）G入G出 G反應(yīng)消耗 =G積累,9,理想間歇釜反應(yīng)器計(jì)算基本方程 等容過程（液相系統(tǒng)）,在間歇反應(yīng)器中，反應(yīng)物料達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間，只取決于過程的速率，而與反應(yīng)器的大小無關(guān)。反應(yīng)器的大小只決定于物料的處理量。因此，在放大過程中只要保證化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素相同即可。,10,基本方程的圖解積分,11,VR反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積 0 單位生產(chǎn)時(shí)間所處理的物料量 tT 每批物料的操作時(shí)間,BR體積VR/0.75,BR體積計(jì)算,輔助時(shí)間（裝料、升溫、降溫、卸料、清洗）,反應(yīng)時(shí)間,裝料系數(shù),12,3.2.3 理想間歇反應(yīng)器中的簡(jiǎn)單反應(yīng),1.一級(jí)反應(yīng) AP 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 等溫條件下反應(yīng)時(shí)間,13,一級(jí)反應(yīng)的r、C、x間的關(guān)系,14,動(dòng)力學(xué)方程式 單組分：AP： (-rA)=kCA2 雙組分：ABP：(-rA)=kCACB 單組分反應(yīng)在BR中的反應(yīng)結(jié)果：,2.二級(jí)反應(yīng),15,殘余濃度表示 轉(zhuǎn)化率表示,16,二級(jí)反應(yīng)的速率、濃度、轉(zhuǎn)化率相互關(guān)系,(-rA)=kCA2,(-rA)=kCA02 (1-xA)2,xA,xA,CA,CA,(-rA),(-rA),CA0kt,17,動(dòng)力學(xué)方程式 反應(yīng)結(jié)果,(-rA),(-rA),CA,CA,xA,xA,kt,3.零級(jí)反應(yīng),18,4.反應(yīng)特性分析,19,分析討論,（1） 當(dāng)時(shí)間t一定， xA和CA唯一地確定 在體積和時(shí)間一定時(shí)，T，k， xA,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率由時(shí)間決定,等式左邊,乘積kt項(xiàng),等式右邊,由CA0、CA、xA組成,20,（2）CA0對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響與反應(yīng)級(jí)數(shù)有關(guān) 達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間t： n1：tCA0 無關(guān) n2：tCA0 反比 n0：tCA0 正比,定性判別大致的反應(yīng)級(jí)數(shù),21,（3） CA0與x關(guān)系 n=1：CA0，X不變 n=2：CA0，x n=0：CA0 ，X CA0， CA,22,（4）比較反應(yīng)級(jí)數(shù)n與CA和t的關(guān)系,t,CA,n=0,n=1,n=2,二級(jí)反應(yīng)大部分反應(yīng)時(shí)間是消耗在反應(yīng)的末期,23,動(dòng)力學(xué)方程：（rA）=kCACB 當(dāng)CA0CB0時(shí) 方程式為： （rA）=kCA2 當(dāng)CA0 CB0時(shí)， CB視作常數(shù) 方程式為： （ rA）= kCACB0= kCA 當(dāng)CA0 /CB01時(shí) 方程式為： （rA）=kCACB,5.雙組分反應(yīng),ABP,24,B過量 過量濃度比： CB與CA的關(guān)系： 動(dòng)力學(xué)方程式：,25,在BR中 以CB0 ktxA作圖，看過量比對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響,26,由圖可見： x低時(shí)，M影響不明顯； x高時(shí)，M影響增大； M，達(dá)到相同x，t。 初期過量10 x0.99時(shí)CB高出CA11倍,27,【例題】,醋酸與丁醇反應(yīng)生成醋酸丁酯，反應(yīng)式為： CH3COOH(A)C4H9OH(B) CH3COOC4H9 (P)H2O(S) 當(dāng)反應(yīng)溫度為100并以硫酸作為催化劑時(shí)， 動(dòng)力學(xué)方程式為： （rA）=kCA2 k=17.410-3l/(molmin)， 已知在一個(gè)理想間歇反應(yīng)器中進(jìn)行。,28,若進(jìn)料中醋酸的初濃度為0.9mol/l和1.8mol/l 試計(jì)算： （1）反應(yīng)的初始速率； （2）醋酸轉(zhuǎn)化率xA=0.5所需的反應(yīng)時(shí)間； （3）若反應(yīng)釜料液為100l，則各得多少公斤醋酸丁酯？,29,（1）按二級(jí)速率方程式，初始速率為：,解：,30,（2）反應(yīng)時(shí)間計(jì)算式 溶液(1) 溶液(2),初濃度提高一倍，達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率要求，反應(yīng)時(shí)間縮短一半。,31,（3）當(dāng)醋酸轉(zhuǎn)化率為0.5時(shí)停止反應(yīng)，醋酸丁酯的濃度分別為： 醋酸丁酯的公斤數(shù)分別為：,32,計(jì)算結(jié)果表明： 若初濃度提高一倍，達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率要求，不僅反應(yīng)時(shí)間縮短一半，而且產(chǎn)品產(chǎn)量增加一倍。,33,6.自催化反應(yīng),APPP （rA）=kCACP 反應(yīng)初期： CA，CP，r； 隨反應(yīng)的進(jìn)行： CA 不多，CP，r； 反應(yīng)后期： CP，CA，r；,有一個(gè)最大反應(yīng)速率,34,最佳濃度對(duì)應(yīng)最大反應(yīng)速率 令,動(dòng)力學(xué)方程,35,自催化反應(yīng)在BR中計(jì)算方程,36,7.理想間歇反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間,簡(jiǎn)單反應(yīng)：AP 優(yōu)化目標(biāo)：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位反應(yīng)器體積的產(chǎn)量最大 t，x，產(chǎn)量；x高時(shí)，r，單位時(shí)間產(chǎn)量 t，r，輔助時(shí)間比例，單位時(shí)間產(chǎn)量 單位時(shí)間產(chǎn)物生成量： 求導(dǎo),37,只要知道CP與t之間關(guān)系，即可用解析法或圖解法球的最優(yōu)時(shí)間。,令,38,動(dòng)力學(xué)方程,切線的斜率,切點(diǎn)M橫坐標(biāo)最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間；縱坐標(biāo)產(chǎn)物濃度,39,3.3 理想間歇反應(yīng)器中的可逆反應(yīng),以正、逆反應(yīng)均為一級(jí)反應(yīng)為例： 反應(yīng)速率： 當(dāng)CP00時(shí)，,A,P,40,1. 可逆反應(yīng)的特點(diǎn),平衡時(shí)：正反應(yīng)速率負(fù)反應(yīng)速率,反應(yīng)平衡常數(shù),41,.,平衡時(shí) r1= r2 k1CAeCBe = k2CCe K=k1/ k2=Cce/CAeCBe 平衡轉(zhuǎn)化率是相應(yīng)反應(yīng)條件下，反應(yīng)可能達(dá)到的極限。轉(zhuǎn)化率與溫度間的關(guān)系與反應(yīng)的熱效應(yīng)有關(guān)。 可逆反應(yīng)的特點(diǎn): 存在平衡態(tài)平衡時(shí)體系中物料 的濃度不變，反應(yīng)凈速度為零。,42,K與T的關(guān)系符合范德霍夫方程： 可逆吸熱反應(yīng)，Hr0，T，K 可逆放熱反應(yīng)，Hr0，T，K,T對(duì)K的影響與 反應(yīng)熱效應(yīng)有 關(guān)。,43,平衡轉(zhuǎn)化率與平衡常數(shù)的關(guān)系 平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系,K， ,可逆反應(yīng)的特點(diǎn)： 反應(yīng)結(jié)果受熱力學(xué)平衡條件的限制,44,2. 可逆反應(yīng)速率,反應(yīng)速率方程式 平衡時(shí) 結(jié)合平衡條件反應(yīng)速率表達(dá)式,45,可逆反應(yīng)速率的特征 可逆反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)與簡(jiǎn)單反應(yīng)相同。 可逆反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)受速率常數(shù)和平衡常數(shù)雙重影響。 對(duì)于不同溫度效應(yīng)的反應(yīng)有不同的特征。,46,可逆吸熱反應(yīng)： T， K( )；k，(rA) 溫度提高，反應(yīng)速率增加。 可逆放熱反應(yīng)： T，K ( )；k，(rA)有極值 存在最優(yōu)反應(yīng)溫度。,47,溫度對(duì)不同類型反應(yīng)速度的影響,1）不可逆反應(yīng) 不存在化學(xué)平衡問題 無論是吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)，反應(yīng)速度均隨反應(yīng)溫度升高而增大。實(shí)際操作中應(yīng)盡可能在溫度限制范圍內(nèi)于高溫下進(jìn)行反應(yīng)，以提高反應(yīng)速度。,反應(yīng)器材質(zhì)、催化劑使用范圍、 熱能限制、副反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)等限制,48,.,2）可逆吸熱反應(yīng) 化學(xué)平衡常數(shù) K 隨溫度升高而增大。 實(shí)際操作中應(yīng)盡可能在溫度限制范圍內(nèi)于高溫下進(jìn)行反應(yīng)，以提高正反應(yīng)速度。,49,3）可逆放熱反應(yīng),反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)速度增大，但化學(xué)平衡常數(shù)減?。ń禍赜欣谡磻?yīng)）。 存在最優(yōu)反應(yīng)溫度使平衡轉(zhuǎn)化率盡可能高，且反應(yīng)速度較快。 通過 求出最優(yōu)溫度。,50,.,例，對(duì)反應(yīng)A P（設(shè)為一級(jí)反應(yīng)）可求出： 平衡溫度 最優(yōu)溫度,51,例：P81 圖3-13，二氧化硫氧化 反應(yīng)速度與轉(zhuǎn)化率及溫度的關(guān)系,1）轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，低溫時(shí)反應(yīng)速度隨溫度升高而迅速增大；,轉(zhuǎn)化率越高，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)溫度越低相應(yīng)的反應(yīng)速度越低。變溫操作,2）隨溫度升高，可逆放熱反應(yīng)平衡常數(shù)降低，因此高溫時(shí)，反應(yīng)速度隨溫度升高的增加量漸漸減少，最終減為零、負(fù)值.,* 存在最大反應(yīng)速度最優(yōu)反應(yīng)溫度。,52,最優(yōu)反應(yīng)溫度 對(duì)于一定的反應(yīng)混合物組成，具有的最大反應(yīng)速率的溫度。 最優(yōu)溫度線 不同反應(yīng)物組成時(shí)相應(yīng)的最優(yōu)溫度。,53,可逆反應(yīng)在BR中,54,2.2.4 理想間歇反應(yīng)器中的平行反應(yīng),1. 平行反應(yīng)反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度分布,A,P(主反應(yīng)，k1）,S（副反應(yīng), k2）,55,反應(yīng)物反應(yīng)速率： 在BR中：,當(dāng)n1=n2=n時(shí)：,56,產(chǎn)物P、S生成速率,（n1=n2=n）,主副反應(yīng)產(chǎn)物濃度比由k1/k2唯一決定，只有改變T才能改變產(chǎn)物分布。,57,2.平行反應(yīng)的選擇率和收率 瞬時(shí)選擇率： 反應(yīng)物總速率中向目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的分率 為某一濃度、溫度條件下的選擇率,58,平均選擇率 對(duì)反應(yīng)結(jié)果作出評(píng)價(jià) 瞬時(shí)選擇率的平均值,59,平均選擇性與瞬時(shí)選擇性的關(guān)系,PFR,60,收率 單程收率 總收率,61,實(shí)際工業(yè)反應(yīng)器有兩種方案 反應(yīng)物不分離、不循環(huán)返回的流程 單程收率 反應(yīng)物經(jīng)分離循環(huán)返回反應(yīng)系統(tǒng)的流程 B點(diǎn)：?jiǎn)纬淌章?C點(diǎn)：轉(zhuǎn)化率xA1 總收率,62,3.平行反應(yīng)選擇率的溫度效應(yīng),選擇率隨溫度的變化取決于主、副反應(yīng)活化能的相對(duì)大小。,63,E1E2，T，； E1E2，T，； E1E2，與T無關(guān)。,64,4. 選擇率的濃度效應(yīng) n1n2，C，； n1n2，C，； n1n2，與C無關(guān)。,65,理想間歇反應(yīng)器中的串連反應(yīng),串連反應(yīng)：APS (一級(jí)反應(yīng)）,66,在BR中,67,1.串連反應(yīng)特點(diǎn)： 反應(yīng)物A隨反應(yīng)的進(jìn)行而單調(diào)下降； 副產(chǎn)物S隨反應(yīng)的進(jìn)行而單調(diào)上升； 中