化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展

1、 20世紀(jì)世紀(jì)30年代德國(guó)科學(xué)家丹克萊爾在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分貧年代德國(guó)科學(xué)家丹克萊爾在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分貧乏的情況下乏的情況下,較系統(tǒng)地論述了擴(kuò)散、流體流動(dòng)和傳熱對(duì)反應(yīng)器較系統(tǒng)地論述了擴(kuò)散、流體流動(dòng)和傳熱對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)率的影響，為化學(xué)反應(yīng)工程奠定了基礎(chǔ)，產(chǎn)率的影響，為化學(xué)反應(yīng)工程奠定了基礎(chǔ)， 40年代末期，霍根和華生的著作年代末期，霍根和華生的著作化學(xué)過程原理化學(xué)過程原理及前蘇及前蘇聯(lián)學(xué)者弗蘭克聯(lián)學(xué)者弗蘭克卡明涅斯基的著作卡明涅斯基的著作化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的擴(kuò)散與化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱傳熱相繼問世，總結(jié)了化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象的相互關(guān)系，相繼問世，總結(jié)了化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象的相互關(guān)系，探討了反應(yīng)器設(shè)計(jì)的問題，對(duì)

2、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展起到了探討了反應(yīng)器設(shè)計(jì)的問題，對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。巨大的推動(dòng)作用。 1957年荷蘭阿姆斯特丹舉行的歐洲第一屆化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)年荷蘭阿姆斯特丹舉行的歐洲第一屆化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議上，正式確定了議上，正式確定了“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”這一學(xué)科的名稱。這一學(xué)科的名稱。 60年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)日趨大型化以及原料深加工年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)日趨大型化以及原料深加工向化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域提出了一系列的課題，加速了這一學(xué)科的向化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域提出了一系列的課題，加速了這一學(xué)科的發(fā)展。特別是后來計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，解決了不少?gòu)?fù)雜的反應(yīng)器設(shè)發(fā)展。特別是后來計(jì)算機(jī)的

3、應(yīng)用，解決了不少?gòu)?fù)雜的反應(yīng)器設(shè)計(jì)與控制問題。計(jì)與控制問題。 80年代后，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用（如微電子器件、年代后，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用（如微電子器件、光導(dǎo)纖維、新材料及生物技術(shù)的應(yīng)用等），擴(kuò)大了化學(xué)工程的光導(dǎo)纖維、新材料及生物技術(shù)的應(yīng)用等），擴(kuò)大了化學(xué)工程的研究領(lǐng)域，形成了一些新的學(xué)科分支，如生化反應(yīng)工程、聚合研究領(lǐng)域，形成了一些新的學(xué)科分支，如生化反應(yīng)工程、聚合物反應(yīng)工程、電化學(xué)反應(yīng)工程等，將化學(xué)反應(yīng)工程的研究推到物反應(yīng)工程、電化學(xué)反應(yīng)工程等，將化學(xué)反應(yīng)工程的研究推到了一個(gè)嶄新的階段。了一個(gè)嶄新的階段。（1）通過深入地研究，掌握傳遞過程的動(dòng)力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力）通過深入地研究，掌握傳遞過

4、程的動(dòng)力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)共同作用的基本規(guī)律，從而改進(jìn)和深化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)學(xué)共同作用的基本規(guī)律，從而改進(jìn)和深化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，降低能耗，提高效率。和設(shè)備，降低能耗，提高效率。（2）開發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備。）開發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備。（3）指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程開發(fā)中的放大問題。）指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程開發(fā)中的放大問題。（4）實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化。）實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化。數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型在化學(xué)工程中，在化學(xué)工程中，數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型主要包括以下主要包括以下內(nèi)容內(nèi)容：（1）、動(dòng)力學(xué)方程式）、動(dòng)力學(xué)方程式 對(duì)于均相反應(yīng)，可采用本征速率方程式；對(duì)于非均相反應(yīng)，對(duì)于均相反應(yīng)，可采用本征速率方程式；對(duì)于非均相反應(yīng)，一般采用

5、宏觀速率方程式。一般采用宏觀速率方程式。 （2）、物料衡算式）、物料衡算式 流入量流入量 = 流出量流出量 + 反應(yīng)消耗量反應(yīng)消耗量 + 累積量累積量（3）、熱量衡算式）、熱量衡算式 物料帶入熱物料帶入熱=物料帶出熱物料帶出熱 + 反應(yīng)熱反應(yīng)熱 + 與外界換熱與外界換熱 + 累積熱累積熱 （4）、動(dòng)量衡算式）、動(dòng)量衡算式 輸入動(dòng)量輸入動(dòng)量 = 輸出動(dòng)量輸出動(dòng)量 + 動(dòng)量損失動(dòng)量損失（5）、參數(shù)計(jì)算式）、參數(shù)計(jì)算式主要是指物性參數(shù)、傳遞參數(shù)及熱力學(xué)等計(jì)算公式。主要是指物性參數(shù)、傳遞參數(shù)及熱力學(xué)等計(jì)算公式。傳遞工程傳遞工程化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)器的設(shè)計(jì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)熱力

6、學(xué)化學(xué)熱力學(xué)反應(yīng)器中流體反應(yīng)器中流體流動(dòng)與傳熱流動(dòng)與傳熱反應(yīng)工藝流反應(yīng)工藝流程與設(shè)備程與設(shè)備化學(xué)工藝化學(xué)工藝工程控制工程控制化學(xué)化學(xué)催化催化劑與劑與反應(yīng)反應(yīng)條件條件最最佳佳化化反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)系統(tǒng)中測(cè)量與控制測(cè)量與控制分類特征分類特征反應(yīng)過程反應(yīng)過程反應(yīng)特征反應(yīng)特征簡(jiǎn)單反應(yīng)、復(fù)雜反應(yīng)（平行的、連串的等）簡(jiǎn)單反應(yīng)、復(fù)雜反應(yīng)（平行的、連串的等）熱力學(xué)特征熱力學(xué)特征可逆的，不可逆的可逆的，不可逆的相態(tài)相態(tài)均相（氣、液），非均相（氣均相（氣、液），非均相（氣-液，氣固、液固、氣液，氣固、液固、氣-液液-固）固）時(shí)間特征時(shí)間特征定態(tài)，非定態(tài)定態(tài)，非定態(tài)控制步驟控制步驟化學(xué)反應(yīng)控制，外部擴(kuò)散控制，內(nèi)部擴(kuò)散控

7、制，吸附或脫附化學(xué)反應(yīng)控制，外部擴(kuò)散控制，內(nèi)部擴(kuò)散控制，吸附或脫附控制控制判斷反應(yīng)結(jié)果的好壞主要兩個(gè)因素：反應(yīng)速率、反應(yīng)的選擇性判斷反應(yīng)結(jié)果的好壞主要兩個(gè)因素：反應(yīng)速率、反應(yīng)的選擇性1、反應(yīng)速率、反應(yīng)速率 反應(yīng)速率反應(yīng)速率是指單位時(shí)間、單位體積反應(yīng)物系中反應(yīng)物或生是指單位時(shí)間、單位體積反應(yīng)物系中反應(yīng)物或生成物的變化量成物的變化量。dtdnVrii1 如果在反應(yīng)過程中體積是恒定的，也就是恒容過程。如果在反應(yīng)過程中體積是恒定的，也就是恒容過程。則上式可寫成：則上式可寫成：dtdcdtVnddtdnVriiii)(1正號(hào)正號(hào)-表示產(chǎn)物的生成速率表示產(chǎn)物的生成速率 負(fù)號(hào)負(fù)號(hào)-表示反應(yīng)物的消失速率表示反

8、應(yīng)物的消失速率dtdcdtdnVrdtdcdtdnVrdtdcdtdnVrdtdcdtdnVrfFeEbBaAFFFEEEBBBAAA1111化學(xué)反應(yīng)各組分的反應(yīng)速率為：各組分的反應(yīng)速率為：frerbrarfEBA各組分反應(yīng)速率之間的關(guān)系：各組分反應(yīng)速率之間的關(guān)系： 根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：均相反應(yīng)的速度取決于物料的濃度和溫度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：均相反應(yīng)的速度取決于物料的濃度和溫度，這種關(guān)系可以用冪函數(shù)的形式表示，就是這種關(guān)系可以用冪函數(shù)的形式表示，就是動(dòng)力學(xué)方程式：動(dòng)力學(xué)方程式：BAAAcckdtdnVr1k-反應(yīng)速率表常數(shù)，可以根據(jù)阿倫尼烏斯（反應(yīng)速率表常數(shù)，可以根據(jù)阿倫尼烏斯（Arrheniu

9、s）方程求得）方程求得：RTEeAk2、轉(zhuǎn)化率、轉(zhuǎn)化率 的起始量反應(yīng)物的消耗量反應(yīng)物）轉(zhuǎn)化率（AAxA對(duì)于間歇系統(tǒng)對(duì)于間歇系統(tǒng)0,0,AAAAnnnx對(duì)于連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率則以下式表示：對(duì)于連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率則以下式表示：0,0,AAAAFFFx對(duì)于等溫、恒容反應(yīng)，可以用濃度表示：對(duì)于等溫、恒容反應(yīng)，可以用濃度表示：0,0,AAAAcccx3、反應(yīng)的選擇性、反應(yīng)的選擇性a ApP （目的產(chǎn)物）（目的產(chǎn)物）qQ （副產(chǎn)物）（副產(chǎn)物）反應(yīng)的選擇性反應(yīng)的選擇性是指生成的目的產(chǎn)物量與已轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物量之比。是指生成的目的產(chǎn)物量與已轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物量之比。AApnnnpas0,收率：收率：生成目的產(chǎn)物的量

10、比加入反應(yīng)物的量生成目的產(chǎn)物的量比加入反應(yīng)物的量0,Apnnpay收率、轉(zhuǎn)化率與選擇性之間的關(guān)系為：收率、轉(zhuǎn)化率與選擇性之間的關(guān)系為：sxyA有時(shí)也用質(zhì)量收率表示：有時(shí)也用質(zhì)量收率表示：輸入某反應(yīng)物的質(zhì)量所得目的產(chǎn)物的質(zhì)量wy 反應(yīng)器的種類反應(yīng)器的種類反應(yīng)類型反應(yīng)類型設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式形式反應(yīng)特性反應(yīng)特性均相均相氣相氣相 液相液相燃燒、裂解燃燒、裂解中和、硫化、水解中和、硫化、水解管式管式釜式釜式無相界面，反應(yīng)速無相界面，反應(yīng)速率只與溫度或濃度率只與溫度或濃度有關(guān)有關(guān)非非均均相相氣氣-液相液相液液-液相液相氣氣-固相固相液液-固相固相固固-固相固相氣氣-液液-固相固相氧化、氯化、加氫氧化

11、、氯化、加氫磺化、硝化、烷基化磺化、硝化、烷基化燃燒、還原、固相催化燃燒、還原、固相催化還原、離子交換還原、離子交換水泥制造水泥制造加氫裂解、加氫硫化加氫裂解、加氫硫化釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式固定床、流固定床、流化床化床釜式、塔式釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流固定床、流化床化床在相界面，實(shí)際反在相界面，實(shí)際反應(yīng)速率與相界面大應(yīng)速率與相界面大小及相間擴(kuò)散速率小及相間擴(kuò)散速率有關(guān)有關(guān)2、按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類、按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類 結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)型式適用的相態(tài)適用的相態(tài)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例反應(yīng)釜反應(yīng)釜液相，氣液相，氣-液相液相液液-液相，液固相液相，液固相藥物的合成、染料、中間體

12、合藥物的合成、染料、中間體合成、樹脂合成成、樹脂合成管式管式氣相，液相氣相，液相輕質(zhì)油裂解，高壓聚乙烯輕質(zhì)油裂解，高壓聚乙烯鼓泡塔鼓泡塔氣氣-液相，氣液相，氣-液液-固相固相變換氣的碳化，苯的烷基化，變換氣的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧化二甲苯的氧化固定床固定床氣氣-固相固相SO2氧化，乙苯脫氫氧化，乙苯脫氫半水煤氣的產(chǎn)生半水煤氣的產(chǎn)生流化床流化床氣氣-固相固相硫鐵礦焙燒，萘氧化制苯酐硫鐵礦焙燒，萘氧化制苯酐回轉(zhuǎn)筒式回轉(zhuǎn)筒式氣氣-固相，固固相，固-固相固相水泥生產(chǎn)水泥生產(chǎn)噴嘴式噴嘴式氣相，高速反應(yīng)的液相氣相，高速反應(yīng)的液相氯化氫的合成，天然氣裂解制氯化氫的合成，天然氣裂解制乙炔乙炔3、按操作方

13、式分類、按操作方式分類 1）、間歇操作）、間歇操作 2）、連續(xù)操作）、連續(xù)操作 3）、半連續(xù)半間歇操作）、半連續(xù)半間歇操作五、理想均相反應(yīng)器五、理想均相反應(yīng)器1、理想間歇反應(yīng)器、理想間歇反應(yīng)器 反應(yīng)器理想化的條件：反應(yīng)物粘度小、攪拌均勻、壓強(qiáng)、反應(yīng)器理想化的條件：反應(yīng)物粘度小、攪拌均勻、壓強(qiáng)、溫度均一（任一時(shí)刻物料的組成，溫度均一），這就是理溫度均一（任一時(shí)刻物料的組成，溫度均一），這就是理想間歇反應(yīng)器（想間歇反應(yīng)器（batch reactor簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱BR）特點(diǎn)：特點(diǎn)：操作具有較大的靈活性，操作彈性大，相同設(shè)備可操作具有較大的靈活性，操作彈性大，相同設(shè)備可 以生產(chǎn)多個(gè)品種。以生產(chǎn)多個(gè)品種。缺點(diǎn)

14、：缺點(diǎn)：勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝料、卸料、清洗等輔助操作常消耗勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝料、卸料、清洗等輔助操作常消耗 一定時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。一定時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。2、活塞流反應(yīng)器、活塞流反應(yīng)器 在等溫操作的管式反應(yīng)器中，物料沿著管長(zhǎng)，齊頭并在等溫操作的管式反應(yīng)器中，物料沿著管長(zhǎng)，齊頭并進(jìn)，象活塞一樣向前推進(jìn)，物料在每個(gè)截面上的濃度不變，進(jìn)，象活塞一樣向前推進(jìn)，物料在每個(gè)截面上的濃度不變，反應(yīng)時(shí)間是管長(zhǎng)的函數(shù)，象這種操作稱為理想置換，這種反應(yīng)時(shí)間是管長(zhǎng)的函數(shù)，象這種操作稱為理想置換，這種理想化返混量為零的管式反應(yīng)器稱為活塞流反應(yīng)器理想化返混量為零的管式反應(yīng)器稱為活塞流反應(yīng)器（plug flow reac

15、tor簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱PFR）。）。由于強(qiáng)烈的攪拌，物料進(jìn)入反應(yīng)器的瞬間即與反應(yīng)器中由于強(qiáng)烈的攪拌，物料進(jìn)入反應(yīng)器的瞬間即與反應(yīng)器中的物料混合均勻，反應(yīng)器內(nèi)物料組成、溫度均勻一致，并且等的物料混合均勻，反應(yīng)器內(nèi)物料組成、溫度均勻一致，并且等于出口處物料的組成和溫度。工業(yè)上將攪拌良好且物料粘度不于出口處物料的組成和溫度。工業(yè)上將攪拌良好且物料粘度不大的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（大的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（continuous Stirred tank reactor 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱CSTR）近似地看成全混流反應(yīng)器（是一種返混量為無限近似地看成全混流反應(yīng)器（是一種返混量為無限大的理想化的流動(dòng)反應(yīng)器）大的理想化的流動(dòng)反應(yīng)器

16、） 多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)起來，工業(yè)上的多釜串聯(lián)反應(yīng)器多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)起來，工業(yè)上的多釜串聯(lián)反應(yīng)器（continuous stirred tank reactor series簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱CSTRS）與之）與之近似，其近似，其特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）反應(yīng)是在多個(gè)反應(yīng)釜中進(jìn)行的，中間無物料加入和產(chǎn)物）反應(yīng)是在多個(gè)反應(yīng)釜中進(jìn)行的，中間無物料加入和產(chǎn)物引出，上個(gè)反應(yīng)釜的出口濃度與下個(gè)反應(yīng)釜入口濃度相同。引出，上個(gè)反應(yīng)釜的出口濃度與下個(gè)反應(yīng)釜入口濃度相同。（2）各反應(yīng)釜中組成、溫度均勻一致，級(jí)與級(jí)之間是突然變）各反應(yīng)釜中組成、溫度均勻一致，級(jí)與級(jí)之間是突然變化的?；摹＃?）從一級(jí)至最后一級(jí)，反應(yīng)物濃度是逐漸

17、降低的，串聯(lián)反）從一級(jí)至最后一級(jí)，反應(yīng)物濃度是逐漸降低的，串聯(lián)反應(yīng)器數(shù)目越多，其性能越接近活塞流反應(yīng)器。應(yīng)器數(shù)目越多，其性能越接近活塞流反應(yīng)器。 理想置換 理想混合非理想流動(dòng)模型擴(kuò)散模型多級(jí)理想混合模型理想流動(dòng)模型 理想置換又稱為活塞流，理想排擠或列流。理想置換又稱為活塞流，理想排擠或列流。、在垂直流動(dòng)方向的截面上，所有的物性都是均勻、在垂直流動(dòng)方向的截面上，所有的物性都是均勻 一致，一致，即截面上各點(diǎn)的溫度、濃度、壓力、速度分別相同。即截面上各點(diǎn)的溫度、濃度、壓力、速度分別相同。、反應(yīng)器內(nèi)所有物料粒子的停留時(shí)間相同，物料在、反應(yīng)器內(nèi)所有物料粒子的停留時(shí)間相同，物料在 反應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間是

18、管長(zhǎng)的函數(shù)。器內(nèi)的停留時(shí)間是管長(zhǎng)的函數(shù)。 、反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度均均一致，并且等于出口處的、反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度均均一致，并且等于出口處的物料濃度和溫度。物料濃度和溫度。 、物料粒子的停留時(shí)間參差不齊，有一個(gè)典型分布。、物料粒子的停留時(shí)間參差不齊，有一個(gè)典型分布。 也叫也叫“返混返混”,在反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時(shí)間的粒子間的混合。在反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時(shí)間的粒子間的混合。1）、由于攪拌造成渦流擴(kuò)散，使物料粒子出現(xiàn)倒流。）、由于攪拌造成渦流擴(kuò)散，使物料粒子出現(xiàn)倒流。2）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式反應(yīng)器內(nèi)流體作層流，流速呈拋物線分布

19、，同一截面上不同反應(yīng)器內(nèi)流體作層流，流速呈拋物線分布，同一截面上不同半徑處的物料粒子的停留時(shí)間不一樣，它們之間的混合也就半徑處的物料粒子的停留時(shí)間不一樣，它們之間的混合也就是不同停留時(shí)間的物料間的混合，也就是逆向混合。是不同停留時(shí)間的物料間的混合，也就是逆向混合。3）、反應(yīng)器內(nèi)形成的死角也會(huì)導(dǎo)致逆向混合。）、反應(yīng)器內(nèi)形成的死角也會(huì)導(dǎo)致逆向混合。 凡是流動(dòng)狀況偏離活塞流和全混流這兩種理想情況的流動(dòng)凡是流動(dòng)狀況偏離活塞流和全混流這兩種理想情況的流動(dòng)統(tǒng)稱為非理想流動(dòng)。統(tǒng)稱為非理想流動(dòng)。 造成非理想流動(dòng)的原因有：造成非理想流動(dòng)的原因有：、設(shè)備內(nèi)各處速度的不均勻所致、設(shè)備內(nèi)各處速度的不均勻所致、由于反應(yīng)

20、器中物料粒子、由于反應(yīng)器中物料粒子的運(yùn)動(dòng)（如攪拌、分子擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)（如攪拌、分子擴(kuò)散等）導(dǎo)致與主體流動(dòng)方向相等）導(dǎo)致與主體流動(dòng)方向相反的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致偏離全混流反的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致偏離全混流的特性。的特性。層流層流湍流湍流平推流平推流非理想流動(dòng)模型分為：非理想流動(dòng)模型分為： 、軸向擴(kuò)散模型、軸向擴(kuò)散模型、多釜串聯(lián)流動(dòng)模型、多釜串聯(lián)流動(dòng)模型dxdcDNx軸向擴(kuò)散c c1c c2c cic cnC CAA,0dxcc+dc為了研究方便，可以作如下假定：為了研究方便，可以作如下假定：、反應(yīng)器內(nèi)為定態(tài)操作，流動(dòng)狀況穩(wěn)定，不變化、反應(yīng)器內(nèi)為定態(tài)操作，流動(dòng)狀況穩(wěn)定，不變化、流體為不可壓縮流體，系統(tǒng)若進(jìn)行反應(yīng)則反應(yīng)混合

21、、流體為不可壓縮流體，系統(tǒng)若進(jìn)行反應(yīng)則反應(yīng)混合物體積不變。物體積不變。分布函數(shù)分布函數(shù)停留時(shí)間分布密度函數(shù)停留時(shí)間分布密度函數(shù)E（t） 停留時(shí)間分布函數(shù)停留時(shí)間分布函數(shù)F（t） 假設(shè)進(jìn)入反應(yīng)器有假設(shè)進(jìn)入反應(yīng)器有N份物料，停留時(shí)間為份物料，停留時(shí)間為tt+dt的的只有只有dN份物料，則停留時(shí)間為份物料，則停留時(shí)間為tt+dt的物料占進(jìn)料物料的物料占進(jìn)料物料的分率為：的分率為：dttENdN)(t（）（）t t+dtE(t)dt能決定停留時(shí)間分布情況的函數(shù)能決定停留時(shí)間分布情況的函數(shù)E（t）叫做叫做停留時(shí)間分布密度函數(shù)停留時(shí)間分布密度函數(shù)。E（t）的）的大小并不表示分率的大小，而是大小并不表示分率

22、的大小，而是E（t）曲線以下在曲線以下在tt+dt間的面積即間的面積即E（t）dt才是分率才是分率dN/N的大小，所以把的大小，所以把E（t）稱）稱作作“分布密度函數(shù)分布密度函數(shù)”。 1)(00dttENdN 假若在時(shí)間假若在時(shí)間0t之間進(jìn)入反應(yīng)器的物料粒子中，具有停之間進(jìn)入反應(yīng)器的物料粒子中，具有停留時(shí)間從留時(shí)間從0t間的物料粒子的量占進(jìn)料總量的分?jǐn)?shù)，稱為間的物料粒子的量占進(jìn)料總量的分?jǐn)?shù)，稱為停留時(shí)間分布函數(shù)，用停留時(shí)間分布函數(shù)，用F（t）表示）表示:tdttEtF0)()(t t+dtdF(t)dtt1.0F(t)分布函數(shù)（）和（）分布函數(shù)（）和（）的關(guān)系為：的關(guān)系為：)()(tEdttd

23、F上式表明上式表明F（t）曲線上停留時(shí)間為）曲線上停留時(shí)間為t時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的斜率為時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的斜率為E（t）測(cè)定示蹤物濃度測(cè)定示蹤物濃度 c(t) 隨隨時(shí)間時(shí)間 t 的變化的變化 經(jīng)過經(jīng)過tt+dt時(shí)間間隔從出口所流出的示蹤物占示蹤物時(shí)間間隔從出口所流出的示蹤物占示蹤物總量（總量（M0）的分率為：）的分率為：0)(MdttcqdtttNdNV）（示蹤物總量時(shí)間流出的示蹤物量在示蹤物 在注入示蹤物的同時(shí)，進(jìn)入流動(dòng)體系的物料若是在注入示蹤物的同時(shí)，進(jìn)入流動(dòng)體系的物料若是N，則在，則在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間為反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間為tt+dt的物料在的物料在N中所占的分率為：中所占的分率為：dttENdN）（物料)(

24、由于示蹤物和物料在同一個(gè)流動(dòng)體系里，所以由于示蹤物和物料在同一個(gè)流動(dòng)體系里，所以物料示蹤物)()(NdNNdN)()()()(00tcMqtEdttEMdttcqVVC(t)t測(cè)定示蹤物濃度測(cè)定示蹤物濃度 c(t) 隨隨時(shí)間時(shí)間 t 的變化的變化從某一時(shí)刻起連續(xù)從某一時(shí)刻起連續(xù)加入示蹤物加入示蹤物 在階躍示蹤法中，在階躍示蹤法中，t秒時(shí)由出口測(cè)出的是停留時(shí)間為秒時(shí)由出口測(cè)出的是停留時(shí)間為0t秒的秒的示蹤物，即凡是停留時(shí)間小于或等于示蹤物，即凡是停留時(shí)間小于或等于t的示蹤物在的示蹤物在t秒都會(huì)從出口秒都會(huì)從出口流出來，所以階躍法在流出來，所以階躍法在t秒時(shí)所測(cè)定的示蹤物濃度（秒時(shí)所測(cè)定的示蹤物濃

25、度（t）應(yīng)為：）應(yīng)為：dttEctqdttEtcqttttttctVtV000000)(）（）（秒內(nèi)加入物料體積秒的分率停留時(shí)間為物秒內(nèi)進(jìn)入反應(yīng)器的示蹤秒內(nèi)加入物料體積秒的示蹤物停留時(shí)間為)()()(00tFdttEctctC0t1)(0dttE 停留時(shí)間是一個(gè)隨機(jī)變量，表示其分布特征的數(shù)學(xué)期望就是停留時(shí)間是一個(gè)隨機(jī)變量，表示其分布特征的數(shù)學(xué)期望就是平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間，即：，即：dttEtdttEdttEtt000)()()( 如果用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，每隔一段時(shí)間取一次樣，所得如果用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，每隔一段時(shí)間取一次樣，所得E（t）函）函數(shù)一般為離散型，也就是各個(gè)等間隔時(shí)間下的數(shù)一般為離散型，也就是各

26、個(gè)等間隔時(shí)間下的E（t），則），則平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間為：為：)()()()(tEtEtttEttEtt 衡算物料停留時(shí)間分布的離散程度（簡(jiǎn)稱散度），即表征物料衡算物料停留時(shí)間分布的離散程度（簡(jiǎn)稱散度），即表征物料粒子各停留時(shí)間與平均停留時(shí)間的偏離程度，就以粒子各停留時(shí)間與平均停留時(shí)間的偏離程度，就以方差方差表示。表示。2020022)()()()(tdttEtdttEdttEttt利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算方差，上式改為：利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算方差，上式改為：222)()(ttEtEtt空間時(shí)間為空間時(shí)間為量綱為量綱為1的對(duì)比時(shí)間為的對(duì)比時(shí)間為:對(duì)應(yīng)的分布密度函數(shù)為對(duì)應(yīng)的分布密度函數(shù)為:tqVVttt)

27、()(tEtE2222tt理想置換型理想置換型理想混合型理想混合型非理想流動(dòng)型非理想流動(dòng)型0212102對(duì)應(yīng)的分布函數(shù)為對(duì)應(yīng)的分布函數(shù)為:)()(tFF以量綱為以量綱為1的對(duì)比時(shí)間的對(duì)比時(shí)間作自變量的作自變量的方差方差為為:1、理想置換反應(yīng)器、理想置換反應(yīng)器0,:VqV停留時(shí)間為tE(t)tF(t)1.0t E(t) = 0t = E(t) = t F(t) = 0t F(t) = 1t2 = 02 = 0方差方差:2、理想混合反應(yīng)器、理想混合反應(yīng)器M0qVqVqV0 tt t + dtc0c(t)c(t)+dc(t)C0 = M0 /Vt時(shí)釜內(nèi)原有的示蹤物的量時(shí)釜內(nèi)原有的示蹤物的量=(t+d

28、t)時(shí)釜內(nèi)存留的示蹤物的量時(shí)釜內(nèi)存留的示蹤物的量 + dt時(shí)間間隔流出的示蹤物的量時(shí)間間隔流出的示蹤物的量Vc(t) = Vc(t) + dc(t) + qVc(t)dtttectc0）（ttettE1）（ttetF1）（tE(t)tF(t)1.00.632tqVV 在理想混合反應(yīng)器中，物料粒子的停留時(shí)間很分散，停在理想混合反應(yīng)器中，物料粒子的停留時(shí)間很分散，停留時(shí)間非常長(zhǎng)的粒子不多。當(dāng)反應(yīng)器中物料粒子在留時(shí)間非常長(zhǎng)的粒子不多。當(dāng)反應(yīng)器中物料粒子在t=時(shí)，時(shí)，F(xiàn)（t）=1-e-1=0.632。說明有。說明有63.2%的物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)停的物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間小于平均停留時(shí)間留時(shí)間小于平

29、均停留時(shí)間。這些粒子可能沒有來得及反應(yīng)。這些粒子可能沒有來得及反應(yīng)就離開了反應(yīng)器。所以在其他條件相同時(shí)，相同容積的理想就離開了反應(yīng)器。所以在其他條件相同時(shí)，相同容積的理想混合反應(yīng)所能達(dá)到的最終轉(zhuǎn)化率，必然要比理想置換反應(yīng)器混合反應(yīng)所能達(dá)到的最終轉(zhuǎn)化率，必然要比理想置換反應(yīng)器的小。的小。22tt1222tt方差方差:1、多級(jí)理想混合模型、多級(jí)理想混合模型第一釜第一釜:ittectc01）（第二釜第二釜:在在tt+dt時(shí)間間隔作物料衡算時(shí)間間隔作物料衡算: 進(jìn)入釜的示蹤物量進(jìn)入釜的示蹤物量 離開釜的示蹤物量離開釜的示蹤物量 = 釜內(nèi)示蹤物改變量釜內(nèi)示蹤物改變量qVc1(t)dt qVc2(t)dt

30、=Vc2(t) + dc2(t) Vc2(t)設(shè)反應(yīng)器中平均停留時(shí)間相等，即：設(shè)反應(yīng)器中平均停留時(shí)間相等，即：ittt21dttcVqdttcVqtdcVV）（）（）（212ittiiiecttcttctdttdc0122111）（）（）（解此一階微分方程得：解此一階微分方程得：ittiettctc02）（ittiettctc20321）（）（第三釜第三釜:ittiettctc3043121）（）（第四釜第四釜:第第N釜釜:ittNiNettcNtc1011）（）！（）（物料在物料在N釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時(shí)間密度分布函數(shù)為釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時(shí)間密度分布函數(shù)為 ：iiiittNiittNiVttN

31、iVttNiVNVetttNettNVqettNVMMqettNcMqtcMqtE111001000111111111）（）！（）（）?。ǎǎ。ǎǎ。ǎǎ偲骄Ａ魰r(shí)間為：總平均停留時(shí)間為：itNt 量綱為量綱為1的對(duì)比時(shí)間為的對(duì)比時(shí)間為:tt代入上式得：代入上式得：NNeNNNE11）（）！（）（積分得停留時(shí)間分布函數(shù)：積分得停留時(shí)間分布函數(shù)：NpptNtNptNtectctF11011）?。ǎǎǎㄓ昧烤V為用量綱為1的對(duì)比時(shí)間的對(duì)比時(shí)間表示為表示為:NppNpNeF1111）！（）（）（從上圖可以看出：串聯(lián)級(jí)數(shù)從上圖可以看出：串聯(lián)級(jí)數(shù)N增加，峰形愈窄，分布愈趨于集中。當(dāng)增加

32、，峰形愈窄，分布愈趨于集中。當(dāng)N=時(shí)，時(shí)，F(xiàn)（）=1，此時(shí)為活塞流。，此時(shí)為活塞流。 在多級(jí)理想混合反應(yīng)器中，在前一段停留時(shí)間很短的物料粒子可能在后在多級(jí)理想混合反應(yīng)器中，在前一段停留時(shí)間很短的物料粒子可能在后面各級(jí)中的停留時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)，這樣會(huì)使系統(tǒng)中所有物料粒子分布較均面各級(jí)中的停留時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)，這樣會(huì)使系統(tǒng)中所有物料粒子分布較均衡，改變了停留時(shí)間不均的現(xiàn)象，使停留時(shí)間分布趨于集中。串聯(lián)的級(jí)數(shù)衡，改變了停留時(shí)間不均的現(xiàn)象，使停留時(shí)間分布趨于集中。串聯(lián)的級(jí)數(shù)N是表征系統(tǒng)返混程度的一個(gè)定量指標(biāo)，說明實(shí)際反應(yīng)器的返混程度相當(dāng)是表征系統(tǒng)返混程度的一個(gè)定量指標(biāo)，說明實(shí)際反應(yīng)器的返混程度相當(dāng)于于N級(jí)

33、等容串聯(lián)的理想混合反應(yīng)器中的返混程度，級(jí)等容串聯(lián)的理想混合反應(yīng)器中的返混程度，N是個(gè)虛擬級(jí)數(shù)，稱為是個(gè)虛擬級(jí)數(shù)，稱為。NdeNNNdEdEdENN11111012020022）！（）（）（）（）（）（用量綱為用量綱為1的比時(shí)間的比時(shí)間表示方差為：表示方差為：Ntt1222 研究停留時(shí)間分布，就考慮如何避免非理想流動(dòng)。在反研究停留時(shí)間分布，就考慮如何避免非理想流動(dòng)。在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，使之接近理想反應(yīng)器流動(dòng)狀況。應(yīng)器的結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，使之接近理想反應(yīng)器流動(dòng)狀況。1)、根據(jù)測(cè)定的停留時(shí)間分布曲線形狀可以定性地判斷一、根據(jù)測(cè)定的停留時(shí)間分布曲線形狀可以定性地判斷一 個(gè)反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)狀況，從

34、而制定改進(jìn)方案。個(gè)反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)狀況，從而制定改進(jìn)方案。2)、可以通過計(jì)算數(shù)學(xué)期望和方差，求取模型參數(shù)、可以通過計(jì)算數(shù)學(xué)期望和方差，求取模型參數(shù)N。3)、對(duì)某些反應(yīng)，則可以直接運(yùn)用、對(duì)某些反應(yīng)，則可以直接運(yùn)用E（t）函數(shù)進(jìn)行定量）函數(shù)進(jìn)行定量 計(jì)算。計(jì)算。1、判斷物料在反應(yīng)器里的流動(dòng)狀況、判斷物料在反應(yīng)器里的流動(dòng)狀況tE(t)tE(t)tE(t)正常早出峰晚出峰 其曲線位置與其曲線位置與峰形都和預(yù)期峰形都和預(yù)期的相符。的相符。出峰太早出峰太早,說明反應(yīng)說明反應(yīng)器內(nèi)有溝流和短路器內(nèi)有溝流和短路現(xiàn)象現(xiàn)象,導(dǎo)致停留時(shí)間導(dǎo)致停留時(shí)間小于預(yù)期值小于預(yù)期值.峰形落后于預(yù)期值峰形落后于預(yù)期值,說明可能是

35、計(jì)量誤差說明可能是計(jì)量誤差, 或是示蹤物在器內(nèi)發(fā)或是示蹤物在器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)或是被吸附在生反應(yīng)或是被吸附在器壁上而減少所致器壁上而減少所致.tE(t)tE(t)內(nèi)部再循環(huán) 曲線出現(xiàn)幾個(gè)遞降峰形曲線出現(xiàn)幾個(gè)遞降峰形,說明說明反應(yīng)器內(nèi)的物料有循環(huán)流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)的物料有循環(huán)流動(dòng).平行通道不均勻 曲線形狀說明反應(yīng)器內(nèi)存在兩曲線形狀說明反應(yīng)器內(nèi)存在兩股平行的流體股平行的流體.2、計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率 化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)微分方程對(duì)時(shí)間積分的結(jié)果，假若物化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)微分方程對(duì)時(shí)間積分的結(jié)果，假若物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間并不均勻一致，停留時(shí)間為料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)

36、間并不均勻一致，停留時(shí)間為t的那部分物料的化的那部分物料的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率是學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率是x x（t），在此反應(yīng)器里的轉(zhuǎn)化率就是），在此反應(yīng)器里的轉(zhuǎn)化率就是x x（t）的平均值。）的平均值。NNtxNNtxxA)()(若停留時(shí)間間隔取得足夠小，則若停留時(shí)間間隔取得足夠小，則00)()()(dttEtxNdNtxxA 對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，其轉(zhuǎn)化率與起始濃度無關(guān)，一個(gè)分子參與反應(yīng)的幾率僅對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，其轉(zhuǎn)化率與起始濃度無關(guān)，一個(gè)分子參與反應(yīng)的幾率僅僅是它在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的函數(shù)，與該分子同其也分子相遇的概率無關(guān)。僅是它在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的函數(shù)，與該分子同其也分子相遇的概率無關(guān)。一級(jí)反應(yīng)可以有上式計(jì)算平均轉(zhuǎn)

37、化率。一級(jí)反應(yīng)可以有上式計(jì)算平均轉(zhuǎn)化率。、非一級(jí)反應(yīng)、非一級(jí)反應(yīng) 對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，情況比較復(fù)雜，單個(gè)分子在反應(yīng)器中參與反應(yīng)的概對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，情況比較復(fù)雜，單個(gè)分子在反應(yīng)器中參與反應(yīng)的概率不僅與停留時(shí)間有關(guān)，而且還與該分子和其他分子相遇的概率有關(guān)，所率不僅與停留時(shí)間有關(guān)，而且還與該分子和其他分子相遇的概率有關(guān)，所以不能直接用上式進(jìn)行計(jì)算。以不能直接用上式進(jìn)行計(jì)算。、一級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng)1、物料衡算、物料衡算對(duì)于反應(yīng)物對(duì)于反應(yīng)物A：流入量：流入量 - 流出量流出量 - 反應(yīng)消失量反應(yīng)消失量 - 累積量累積量 = 0 對(duì)于間歇反應(yīng)器：對(duì)于間歇反應(yīng)器：、項(xiàng)為零。項(xiàng)為零。對(duì)于定態(tài)操作的連續(xù)反應(yīng)器：不存在

38、累積，對(duì)于定態(tài)操作的連續(xù)反應(yīng)器：不存在累積，項(xiàng)為零。項(xiàng)為零。對(duì)于半連續(xù)操作和非定態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器對(duì)于半連續(xù)操作和非定態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器:四項(xiàng)均需考慮四項(xiàng)均需考慮.2、熱量衡算、熱量衡算隨物料帶隨物料帶入的熱量入的熱量 隨物料帶隨物料帶出的熱量出的熱量 反應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)與外界交與外界交換的熱量換的熱量 反應(yīng)過程反應(yīng)過程的熱效應(yīng)的熱效應(yīng) 累積的累積的熱量熱量 -+-= 0對(duì)于間歇操作系統(tǒng)：對(duì)于間歇操作系統(tǒng)：、項(xiàng)為零。項(xiàng)為零。對(duì)于定態(tài)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器：對(duì)于定態(tài)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器：項(xiàng)為零。項(xiàng)為零。對(duì)半連續(xù)操作和非定態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器：五項(xiàng)均不為零。對(duì)半連續(xù)操作和非定態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器：五項(xiàng)

39、均不為零。對(duì)整個(gè)反應(yīng)器在微元時(shí)間對(duì)整個(gè)反應(yīng)器在微元時(shí)間dt間進(jìn)行衡算間進(jìn)行衡算 :- (因反應(yīng)組分因反應(yīng)組分A消失的量消失的量) = (反應(yīng)物反應(yīng)物A的累積量的累積量)dtdnVrAA nA=nA0(1-xA)dtdxnVrdtdxndtxdndtdnAAAAAAAA0,0,0,)1 (AxAAAAAAAAAAArdxctrdxcdtdtdxcdtdxVnr000,0,0,，積分得：1、反應(yīng)時(shí)間的確定、反應(yīng)時(shí)間的確定反應(yīng)時(shí)間用濃度表示反應(yīng)時(shí)間用濃度表示,則則:0,0,0,AAAAAAAcdcdxcccxAAccAArdct0,1)、零級(jí)反應(yīng)、零級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=

40、kkcckdctAAccAAA0,0,kxckdxcrdxctAAxAAxAAAAA0,0000，0,0,AAAAcktxktcc2)、一級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kcAAAccAAccAAcckkcdcrdctAAAA0,ln10,0,AxAAAAxAAAxkxkcdxcrdxctAA11ln1)1 (00,000，ktAktAAexecc10,3)、二級(jí)反應(yīng)、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2)11(10,20,0,AAccAAccAAcckkcdcrdctAAAAAAAxAAAAxAAAxxkcxkcdxcrdxctAA11)1

41、 (0 ,0220 ,000，110,0,0,0,ktcktcxktcccAAAAAA4）、圖解積分計(jì)算方法）、圖解積分計(jì)算方法動(dòng)力學(xué)方程較復(fù)雜時(shí)，可以采用圖解積分方法計(jì)算動(dòng)力學(xué)方程較復(fù)雜時(shí)，可以采用圖解積分方法計(jì)算xA1/rAxA0cA1/rAcA，00 cAAAccAArdct0,AxAAArdxct00,0，面積Actt面積計(jì)算出陰影部分的面積就可以求出反應(yīng)時(shí)間計(jì)算出陰影部分的面積就可以求出反應(yīng)時(shí)間t間歇反應(yīng)器的整個(gè)操作過程如下：間歇反應(yīng)器的整個(gè)操作過程如下： 加料加料升溫升溫反應(yīng)反應(yīng)降溫降溫出料出料清洗清洗 反應(yīng)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率反應(yīng)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率x xA所需的時(shí)間為所需的時(shí)間為t，反

42、應(yīng)前后的輔助時(shí)間（加料、升溫、降溫、出料、清洗）為反應(yīng)前后的輔助時(shí)間（加料、升溫、降溫、出料、清洗）為t 則反應(yīng)器的體積為：則反應(yīng)器的體積為： ）（）（日處理量ttttV024考慮到裝料系數(shù)考慮到裝料系數(shù)，反應(yīng)器的實(shí)際體積為：，反應(yīng)器的實(shí)際體積為：VVR一般取一般取=0.4-0.85=0.4-0.85攪拌下，漩渦不大，取攪拌下，漩渦不大，取0.70.7反應(yīng)有泡沫或沸騰反應(yīng)有泡沫或沸騰 取取0.4-0.650.4-0.65反應(yīng)平靜反應(yīng)平靜 取取0.75-0.850.75-0.850-表示每小時(shí)處理物料的體積表示每小時(shí)處理物料的體積.溫度為溫度為343K時(shí)，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為時(shí)，等摩

43、爾比的己二酸與己二醇以硫酸為催化劑，在間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器中進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)催化劑，在間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器中進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂。以己二酸為著眼組分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為：醇酸樹脂。以己二酸為著眼組分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為： cA，0=410-3kmoll-1，k=1.97lkmol-1min-1 若每天處理若每天處理2400kg己二酸，每批操作的輔助時(shí)間為己二酸，每批操作的輔助時(shí)間為t=1h，裝料系數(shù)，裝料系數(shù)=0.75，要求轉(zhuǎn)化率為，要求轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算該，試計(jì)算該反應(yīng)器的體積。反應(yīng)器的體積。2AAkcr AAxFAAAAdxxdFFdLdLL LVAAAqxcF0 ,0 ,0

44、,0 ,VAAAqxcFdVdV對(duì)于定態(tài)操作的活塞流反應(yīng)器，取某一微元體積對(duì)于定態(tài)操作的活塞流反應(yīng)器，取某一微元體積dV，對(duì)對(duì)組分組分A進(jìn)行進(jìn)行物料衡算物料衡算：流入量流入量 = 流出量流出量 + 反應(yīng)消失量反應(yīng)消失量 + 累積量累積量FA FA+ dFA rAdV 0FA = FA+ dFA + rAdVdFA=dFA,0(1-xA) = - FA,0dxA = - rAdVAAxAAAxAAVArdxFVrdxFdV00,000,; 為了對(duì)連續(xù)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力進(jìn)行比較為了對(duì)連續(xù)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力進(jìn)行比較,往往引進(jìn)往往引進(jìn)空間空間時(shí)間時(shí)間(簡(jiǎn)稱空時(shí)簡(jiǎn)稱空時(shí))這一概念這一概念,其定義為其定義為:

45、在規(guī)定條件下進(jìn)入反在規(guī)定條件下進(jìn)入反應(yīng)器的物料通過反應(yīng)器所需要的時(shí)間應(yīng)器的物料通過反應(yīng)器所需要的時(shí)間稱為空時(shí)稱為空時(shí),即即:0，進(jìn)料體積流量反應(yīng)體積VqV 在其它條件不變的情況下在其它條件不變的情況下,空時(shí)越小空時(shí)越小,表示反應(yīng)器的處表示反應(yīng)器的處理物料量越大理物料量越大,說明生產(chǎn)能力大說明生產(chǎn)能力大.0,0,0,0,0,0,AVAAAVcqFcFqAxAAAVArdxcqVFV00,0,0,AxAAAVrdxcqV000,，空間時(shí)間用濃度表示空間時(shí)間用濃度表示,則則:0,0,0,AAAAAAAcdcdxcccxAAccAAVrdcqV0,0,1)、零級(jí)反應(yīng)、零級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速

46、率方程式為：rA=kkcckdcAAccAAA0,0,kxckdxcrdxcAAxAAxAAAAA0,0000，0,0,AAAAckxkcc2)、一級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kcAAAccAAccAAcckkcdcrdcAAAA0,ln10,0,AxAAAAxAAAxkxkcdxcrdxcAA11ln1)1 (00,000，kAkAAexecc10,3)、二級(jí)反應(yīng)、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2)11(10,20,0,AAccAAccAAcckkcdcrdcAAAAAAAxAAAAxAAAxxkcxkcdxcrdxcAA11)1

47、(0 ,0220 ,000，110,0,0,0,kckcxkcccAAAAAA4）、圖解積分計(jì)算方法）、圖解積分計(jì)算方法動(dòng)力學(xué)方程較復(fù)雜時(shí)，可以采用圖解積分方法計(jì)算動(dòng)力學(xué)方程較復(fù)雜時(shí)，可以采用圖解積分方法計(jì)算xA1/rAxA0cA1/rAcA，00 cAAAccAArdc0,AxAAArdxc00,0，面積Ac面積計(jì)算出陰影部分的面積就可以求出反應(yīng)時(shí)間計(jì)算出陰影部分的面積就可以求出反應(yīng)時(shí)間溫度為溫度為343K時(shí)，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為時(shí)，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為催化劑，在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂。催化劑，在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂。以己二酸為著眼組

48、分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為：以己二酸為著眼組分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為： cA，0=410-3kmoll-1，k=1.97lkmol-1min-1 若每天處理若每天處理2400kg己二酸，要求轉(zhuǎn)化率為己二酸，要求轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算，試計(jì)算該反應(yīng)器的體積。該反應(yīng)器的體積。2AAkcr 1）、兩反應(yīng)器中進(jìn)行同一化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)）、兩反應(yīng)器中進(jìn)行同一化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間完全相同。所需反應(yīng)時(shí)間完全相同。2）、當(dāng)反應(yīng)）、當(dāng)反應(yīng)3）、雖然兩反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程式相同，但物料在其中的流）、雖然兩反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程式相同，但物料在其中的流動(dòng)型態(tài)完全不同。在間歇攪拌釜式反應(yīng)器中，物料均勻混合動(dòng)

49、型態(tài)完全不同。在間歇攪拌釜式反應(yīng)器中，物料均勻混合屬非定態(tài)過程；而活塞流反應(yīng)器中，物料無返混屬定態(tài)過程。屬非定態(tài)過程；而活塞流反應(yīng)器中，物料無返混屬定態(tài)過程。活塞流反應(yīng)器是連續(xù)操作，而間歇攪拌釜式反應(yīng)器是間歇操活塞流反應(yīng)器是連續(xù)操作，而間歇攪拌釜式反應(yīng)器是間歇操作，需要一定的輔助時(shí)間，顯然活塞流反應(yīng)器的生產(chǎn)能力比作，需要一定的輔助時(shí)間，顯然活塞流反應(yīng)器的生產(chǎn)能力比間歇攪拌釜式反應(yīng)器要大，生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度要小。間歇攪拌釜式反應(yīng)器要大，生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度要小。體積變化參數(shù)分為：膨脹因子和膨脹率體積變化參數(shù)分為：膨脹因子和膨脹率1）、膨脹因子）、膨脹因子 有一氣相反應(yīng)，起始有一氣相反應(yīng)，起始A、B的量分別為的

50、量分別為nA，0和和nB，0在反應(yīng)時(shí)間為在反應(yīng)時(shí)間為時(shí)，反應(yīng)物時(shí)，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為xAaA + bB r R + sSnA，0nB，000AAAAAABAAxnasxnarxnabnxn0,0,0,0,0,)1 (當(dāng)當(dāng) = 0 時(shí)，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為：時(shí)，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為： n0= nA，0+ nB，0當(dāng)當(dāng) =時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) =時(shí)，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為：時(shí)，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為：AAAAAAAABAAxnaabsrnxnasxnarxnabnxnn0,00,0,0,0,0,)()1 (當(dāng)當(dāng) = 0 時(shí)時(shí)氣相反應(yīng)的膨脹因子（或體積的變化系數(shù)）為：氣相反應(yīng)的膨脹因子（或

51、體積的變化系數(shù)）為：aabsrAA的計(jì)量數(shù)反應(yīng)物反應(yīng)物計(jì)量數(shù)之和產(chǎn)物的計(jì)量數(shù)之和當(dāng)當(dāng) = 0 時(shí)反應(yīng)物時(shí)反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：00,0,nnyAA當(dāng)當(dāng) = 時(shí)反應(yīng)物時(shí)反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：AAAAAAAAAAAAxyxyxnnxnnny0,0,0,00,1)1 ()1 (對(duì)于恒溫恒壓過程，還可以有：對(duì)于恒溫恒壓過程，還可以有：AAAAAAxyxpp0,0,1)1 (AAAAAAxyxcc0,0,1)1 (pA，0為反應(yīng)物的起始分壓為反應(yīng)物的起始分壓cA，0為反應(yīng)物的起始濃度為反應(yīng)物的起始濃度 膨脹率是表征變?nèi)葸^程的另一個(gè)參數(shù)，它僅適用

52、于物系膨脹率是表征變?nèi)葸^程的另一個(gè)參數(shù)，它僅適用于物系體積隨轉(zhuǎn)化率變化呈線性關(guān)系的情況，即：體積隨轉(zhuǎn)化率變化呈線性關(guān)系的情況，即：)1 (0AAxVV A是以組分是以組分A為基準(zhǔn)的為基準(zhǔn)的膨脹率膨脹率，其物理意義是當(dāng)反應(yīng)物，其物理意義是當(dāng)反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化后，系統(tǒng)體積的變化分?jǐn)?shù)，即：全部轉(zhuǎn)化后，系統(tǒng)體積的變化分?jǐn)?shù)，即：001AAAxxxAVVV當(dāng)轉(zhuǎn)化率為當(dāng)轉(zhuǎn)化率為x xA時(shí)，反應(yīng)物時(shí)，反應(yīng)物A的濃度為：的濃度為：)11()1 ()1 (0,00,AAAAAAAAAAxxcxVxnVnc（1）、一級(jí)反應(yīng)）、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kcAAAxAAAAAAxAAAxxkc

53、dxcrdxc00,0,00,)11()1ln()1 (1AAAAxxk（2）、二級(jí)反應(yīng)）、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2AAxAAAAAAxAAAxxkcdxcrdxc0220,0,00,)11(1)1 ()1ln()1 (21220,AAAAAAAAAxxxxkc 對(duì)于恒容體系而言，空時(shí)就是物料在反應(yīng)器中的平均停對(duì)于恒容體系而言，空時(shí)就是物料在反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間；對(duì)于變?nèi)蒹w系而言，因?yàn)榭諘r(shí)是反應(yīng)器體積與進(jìn)留時(shí)間；對(duì)于變?nèi)蒹w系而言，因?yàn)榭諘r(shí)是反應(yīng)器體積與進(jìn)料情況下的物料體積流量之比，并沒有反映出反應(yīng)過程的料情況下的物料體積流量之比，并沒有反映出反應(yīng)過程的容積

54、變化，所以，空時(shí)并不等于平均停留時(shí)間。容積變化，所以，空時(shí)并不等于平均停留時(shí)間。 空間速度（簡(jiǎn)稱空速）空間速度（簡(jiǎn)稱空速）是空時(shí)的倒數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)是空時(shí)的倒數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)通過單位反應(yīng)器容積的物料體積，即：通過單位反應(yīng)器容積的物料體積，即：VcFVqSVAAV0 ,0 ,0 ,1空速越大，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力越大。空速越大，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力越大。 對(duì)于不是活塞流的連續(xù)操作反應(yīng)器，不管同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器對(duì)于不是活塞流的連續(xù)操作反應(yīng)器，不管同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的物料粒子停留時(shí)間是否相同，均根據(jù)反應(yīng)器容積與反應(yīng)器的物料粒子停留時(shí)間是否相同，均根據(jù)反應(yīng)器容積與反應(yīng)器中的物料體積流量之比來計(jì)算停留時(shí)間，即：中的

55、物料體積流量之比來計(jì)算停留時(shí)間，即：VqVt 在定態(tài)操作條件下，進(jìn)行物料衡算：在定態(tài)操作條件下，進(jìn)行物料衡算： 流入量流入量 = 流出量流出量 + 反應(yīng)消失量反應(yīng)消失量 + 累積量累積量qvcA,0 qvcA rAV 0AAAAAAVAAVAVrxcrccqVVrcqcq0,0,0,1)、零級(jí)反應(yīng)、零級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kkxcrxcAAAAA0,0,AAVAxcqF0,0,0,0,AAVAxcqF空間時(shí)間空間時(shí)間:2)、一級(jí)反應(yīng)、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)、二級(jí)反應(yīng)、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2

56、20,220,0,20,)1 (1)1 (AAAAAAAAAAxxkcxckxcckxc1111)1 (0,0,0,0,kkxkccxxkxckxcckxcAAAAAAAAAAAA0,5 . 00,5 . 00,2)41 (11;2)41 (1AAAAAckckxkckcAAAxcr0,AAAxcr0,AAArxc0,對(duì)于二級(jí)反應(yīng)對(duì)于二級(jí)反應(yīng)20,0,220,2)()1 (AAAAAAAxcckxkckcrrA20,0,)(AAAAxcckrAAxc0,AAxc0,解決兩類問題：解決兩類問題：（1）、已知）、已知，根據(jù)直線與曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)，根據(jù)直線與曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo) ，求，求AAxc0,Ax（2）、已知已知 ，根據(jù)橫坐標(biāo)，根據(jù)橫坐標(biāo) , 得到斜率為得到斜率為 1/直線，直線， 求求AxAAxc0,根據(jù)分布函數(shù)的性質(zhì)可知：根據(jù)分布函數(shù)的性質(zhì)可知：0)()(dttEtxxA對(duì)于一級(jí)反應(yīng)對(duì)于