化學(xué)反應(yīng)工程 第三章 理想間歇反應(yīng)器(課堂PPT)

1、2021/4/17,上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 化學(xué)工程與工藝系,第三章 理想間歇反應(yīng)器,化學(xué)反應(yīng)工程Chemical Reaction Engineering,2021/4/17,3.1 理想反應(yīng)器類型 3.2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程 3.3 理想間歇反應(yīng)器 3.4 動力學(xué)方程的實(shí)驗(yàn)測定,2021/4/17,3.1 理想反應(yīng)器類型,2021/4/17,3.2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程,3.2.1 基本內(nèi)容,選擇合適的反應(yīng)器型式 反應(yīng)動力學(xué)特性+反應(yīng)器的流動特征+傳遞特性 確定最佳的工藝條件 最大反應(yīng)效果+反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性 進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率 計(jì)算所需反應(yīng)器體積 規(guī)定

2、任務(wù)+反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化,2021/4/17,3.2.2 基本方程,2021/4/17,物料衡算方程,某組分流入量=某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量,2021/4/17,熱量衡算方程,帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應(yīng)熱+熱量的累積+傳給環(huán)境的熱量,2021/4/17,動量衡算方程,氣相流動反應(yīng)器的壓降大時(shí)，需要考慮壓降對反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動量衡算。但有時(shí)為了簡化計(jì)算，常采用估算法。,2021/4/17,3.3 理想間歇反應(yīng)器,3.3.1 特征和數(shù)學(xué)描述,特點(diǎn): 1 由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響； 2 具有

3、足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題； 3 物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間。 優(yōu)點(diǎn)： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長的產(chǎn)品生產(chǎn) 精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn) 缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,2021/4/17,對整個反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：,流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量,0,0,2021/4/17,實(shí)際操作時(shí)間（tT)=反應(yīng)時(shí)間(t) + 輔助時(shí)間 (tC),反應(yīng)體積V是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積,t的計(jì)算（直接計(jì)算和圖解法）,2021/4/17,3.3.2 簡單反應(yīng),簡單一級反應(yīng) 簡單二級反應(yīng) 簡單零級反應(yīng) 簡

4、單n級反應(yīng),2021/4/17,2021/4/17,2021/4/17,反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機(jī)理的變化,2021/4/17,末期動力學(xué),反應(yīng)后期轉(zhuǎn)化程度（從弱到強(qiáng)）二級一級零級 采用非關(guān)鍵組分過量，可提高轉(zhuǎn)化程度。,設(shè)過量化：,2021/4/17,自催化反應(yīng),特點(diǎn)：反應(yīng)產(chǎn)物本身具有催化作用，如發(fā)酵過程。,反應(yīng)初期：CA大，CP很小 反應(yīng)進(jìn)行：CA ,CP ,(-rA) 反應(yīng)后期：CA 小，CP 較高 ，(-rA) 存在(-rA) max,2021/4/17,2021/4/17,3.3.3 均相可逆反應(yīng),（酯化反應(yīng)）,可逆反應(yīng)的平衡特性（設(shè)均為一級）,（1）若k2k1 ，則須保持足夠低的Cp

5、 ，才能向右進(jìn)行； （2）反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，,平衡常數(shù)：K = k1/k2 平衡濃度：,3.3.3 均相可逆反應(yīng),可逆反應(yīng)的平衡特性（設(shè)均為一級）,2021/4/17,（3）Vant Hoff 方程,對吸熱反應(yīng)： ，T ，K 溫度升高對反應(yīng)平衡有利，向正方向移動。 對放熱反應(yīng)： ，T ，K 溫度升高對反應(yīng)平衡不利，向逆方向移動。,2021/4/17,可逆反應(yīng)的速率特征,設(shè)：,對吸熱反應(yīng)：T ，K ，（k1+k2) 溫度升高對反應(yīng)平衡有利，向正方向移動。 對放熱反應(yīng)：T ，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe) T ，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe),引出最優(yōu)溫度,2

6、021/4/17,最優(yōu)反應(yīng)溫度和最優(yōu)溫度序列,2021/4/17,2021/4/17,管式反應(yīng)器或管式固定床反應(yīng)器最優(yōu)溫度的實(shí)施： （1）根據(jù)理論分析，對放熱反應(yīng)，反應(yīng)開始時(shí)溫度要高； （2）因此需要預(yù)熱，達(dá)到Topt時(shí)，再沿最優(yōu)溫度線變化； （3）實(shí)施較為困難； （4）采用方法： 多段絕熱，段間冷卻；原料冷激，多段絕熱。,2021/4/17,理想間歇操作時(shí)，若自始至終按最優(yōu)化溫度線操作，即過程溫度隨反應(yīng)轉(zhuǎn)化率（或反應(yīng)時(shí)間）增加沿最優(yōu)溫度數(shù)值降低，造成隨轉(zhuǎn)化率（或反應(yīng)時(shí)間）而漸降的溫度序列，則反應(yīng)過程將始終以最大速率進(jìn)行。,2021/4/17,3.3.4 均相平行反應(yīng),反應(yīng)物及產(chǎn)物濃度分布,2

7、021/4/17,等溫理想間歇反應(yīng)器，初始條件：,即：反應(yīng)級數(shù)相同時(shí)，P和S濃度比僅由k1/k2確定，因此改變溫度才能使?jié)舛缺劝l(fā)生變化。,2021/4/17,即由溫度及A濃度有關(guān)。,2021/4/17,選擇率、收率,優(yōu)化目標(biāo)：反應(yīng)速率和選擇率。,2021/4/17,2021/4/17,溫度效應(yīng)：,2021/4/17,濃度效應(yīng)：,CA增加，有利于級數(shù)高的反應(yīng) CA降低，有利于級數(shù)低的反應(yīng),2021/4/17,提高 的方法：（圖解） （1）n1n2 若CAf不變，提高CA0，可增加 若CA0不變，提高CAf，可增加 （1）n1n2 相反，降低CA0或CAf，可提高,2021/4/17,操作條件和操

8、作方式的選擇,2021/4/17,2021/4/17,2021/4/17,3.3.5 均相串連反應(yīng),動力學(xué)特征,設(shè)一級反應(yīng)：,2021/4/17,2021/4/17,串連反應(yīng)的選擇率,溫度效應(yīng)：,2021/4/17,濃度效應(yīng)：,串連反應(yīng)的選擇率總是隨著反應(yīng)的進(jìn)行不段地降低。 不能盲目要求高xA，否則,提高 的方法： 降低單程轉(zhuǎn)化率 反應(yīng)與分離結(jié)合，邊反應(yīng)、邊分離。,2021/4/17,串連反應(yīng)的最大收率：,2021/4/17,操作條件和操作方式的選擇原則,最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間 降低轉(zhuǎn)化率，追求選擇率，邊反應(yīng)邊分離,2021/4/17,3.4 動力學(xué)方程的實(shí)驗(yàn)測定,目的：反應(yīng)活化能，反應(yīng)級數(shù)。,2021

9、/4/17,3.4.1 積分法分析實(shí)測數(shù)據(jù),不同條件下測得的組分濃度（或轉(zhuǎn)化率）及產(chǎn)品組成與停留時(shí)間關(guān)系的數(shù)據(jù)，是經(jīng)歷一定反應(yīng)歷程累積的結(jié)果。,（1）測定CA-t數(shù)據(jù)，利用積分式的反應(yīng)速率方程,例如：二級不可逆反應(yīng)（CA0不等于CB0）,t,y,斜率（CA0-CB0)k,截距,2021/4/17,2021/4/17,（2） Half-time t1/2 method 半衰期法,t1/2：xA=0.5時(shí)所需的時(shí)間。,For a single nth-order reaction Integrating for n1 gives,2021/4/17,若n=1，,2021/4/17,運(yùn)用積分法須滿足兩個條件： （1）無返混或返混極小； （2）反應(yīng)動力學(xué)比較簡單。,2021/4/17,3.4.2 微分法分析實(shí)測數(shù)據(jù),微分法求動力學(xué)方程是直接利用某一類動力學(xué)方程的微分式，以反應(yīng)速度對濃度的函數(shù)作圖，然后與實(shí)測的數(shù)據(jù)相擬合的一種方法。一般也是設(shè)法把圖形線性化，把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代人。若得出一直線，便認(rèn)為所假設(shè)的動力學(xué)方程是正確的。否則，重新選定另一個動力學(xué)方程進(jìn)行猜算，直到得出一條直線為止。,2021/4/17,3.4.3 反應(yīng)速率常數(shù)的實(shí)驗(yàn)測定,可用CA-t數(shù)據(jù)（不同溫度下），求k。,（1）不可逆一