化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)反應(yīng)器基本原理

1、關(guān)于化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)反應(yīng)器基本原理第一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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(lái)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，解決了不少?gòu)?fù)雜的反應(yīng)器設(shè)計(jì)與控制問(wèn)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、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。二、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)研究的內(nèi)容和方法研究的內(nèi)容：（1）通過(guò)深入地研究，掌握傳遞過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)共同作用

2、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。（2）開發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備。（3）指導(dǎo)和解決反應(yīng)過(guò)程開發(fā)中的放大問(wèn)題。（4）實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)化。第二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月研究的方法：數(shù)學(xué)模型在化學(xué)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括以下內(nèi)容：（1）、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)，一般采用宏觀速率方程式。 （2）、物料衡算式 流入量 = 流出量 + 反應(yīng)消耗量 + 累積量（3）、熱量衡算式 物料帶入熱=物料帶出熱 + 反應(yīng)熱 + 與外界換熱 + 累積熱 （4）、動(dòng)量衡算式 輸入動(dòng)量 = 輸出動(dòng)量 + 動(dòng)量損失（5）、參數(shù)計(jì)算式主要

3、是指物性參數(shù)、傳遞參數(shù)及熱力學(xué)等計(jì)算公式。第三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系傳遞工程化學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)器的設(shè)計(jì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)反應(yīng)器中流體流動(dòng)與傳熱反應(yīng)工藝流程與設(shè)備化學(xué)工藝工程控制化學(xué)催化劑與反應(yīng)條件最佳化反應(yīng)系統(tǒng)中測(cè)量與控制第四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)器的分類（一）、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分類分類特征反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)特征簡(jiǎn)單反應(yīng)、復(fù)雜反應(yīng)（平行的、連串的等）熱力學(xué)特征可逆的，不可逆的相態(tài)均相（氣、液），非均相（氣-液，氣固、液固、氣-液-固）時(shí)間特征定態(tài)，非定態(tài)控制步驟化學(xué)反應(yīng)控制，外部擴(kuò)散控制，內(nèi)部擴(kuò)散控制

4、，吸附或脫附控制第五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月判斷反應(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。 如果在反應(yīng)過(guò)程中體積是恒定的，也就是恒容過(guò)程。則上式可寫成：正號(hào)-表示產(chǎn)物的生成速率 負(fù)號(hào)-表示反應(yīng)物的消失速率第六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月各組分的反應(yīng)速率為：各組分反應(yīng)速率之間的關(guān)系：第七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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，就是動(dòng)力學(xué)方程式：k-反應(yīng)速率表常數(shù)，可以根據(jù)阿倫尼烏斯（

5、Arrhenius）方程求得：2、轉(zhuǎn)化率 對(duì)于間歇系統(tǒng)第八張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)于連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率則以下式表示：對(duì)于等溫、恒容反應(yīng)，可以用濃度表示：3、反應(yīng)的選擇性a ApP （目的產(chǎn)物）qQ （副產(chǎn)物）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。第九張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月收率：生成目的產(chǎn)物的量比加入反應(yīng)物的量收率、轉(zhuǎn)化率與選擇性之間的關(guān)系為：有時(shí)也用質(zhì)量收率表示：第十張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（二）、反應(yīng)器的分類 1、按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：反應(yīng)器的種類反應(yīng)類型設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式反應(yīng)特性均相氣相 液相燃燒、裂解中和、硫

6、化、水解管式釜式無(wú)相界面，反應(yīng)速率只與溫度或濃度有關(guān)非均相氣-液相液-液相氣-固相液-固相固-固相氣-液-固相氧化、氯化、加氫磺化、硝化、烷基化燃燒、還原、固相催化還原、離子交換水泥制造加氫裂解、加氫硫化釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床在相界面，實(shí)際反應(yīng)速率與相界面大小及相間擴(kuò)散速率有關(guān)第十一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類 結(jié)構(gòu)型式適用的相態(tài)應(yīng)用舉例反應(yīng)釜液相，氣-液相液-液相，液固相藥物的合成、染料、中間體合成、樹脂合成管式氣相，液相輕質(zhì)油裂解，高壓聚乙烯鼓泡塔氣-液相，氣-液-固相變換氣的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧

7、化固定床氣-固相SO2氧化，乙苯脫氫半水煤氣的產(chǎn)生流化床氣-固相硫鐵礦焙燒，萘氧化制苯酐回轉(zhuǎn)筒式氣-固相，固-固相水泥生產(chǎn)噴嘴式氣相，高速反應(yīng)的液相氯化氫的合成，天然氣裂解制乙炔3、按操作方式分類 1）、間歇操作 2）、連續(xù)操作 3）、半連續(xù)半間歇操作第十二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、理想均相反應(yīng)器1、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)、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（batch reactor簡(jiǎn)稱BR）特點(diǎn)：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。缺點(diǎn)：勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝料、卸料、清洗等輔助操

8、作常消耗 一定時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。2、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 reactor簡(jiǎn)稱PFR）。第十三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、全混流反應(yīng)器特點(diǎn)：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（continuous Stirred tank r

9、eactor 簡(jiǎn)稱CSTR）近似地看成全混流反應(yīng)器（是一種返混量為無(wú)限大的理想化的流動(dòng)反應(yīng)器） 4、多級(jí)全混流反應(yīng)器 多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)起來(lái)，工業(yè)上的多釜串聯(lián)反應(yīng)器（continuous stirred tank reactor series簡(jiǎn)稱CSTRS）與之近似，其特點(diǎn)：（1）反應(yīng)是在多個(gè)反應(yīng)釜中進(jìn)行的，中間無(wú)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。（2）各反應(yīng)釜中組成、溫度均勻一致，級(jí)與級(jí)之間是突然變化的。（3）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。第十四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 物料

10、在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)模型常見(jiàn)的流動(dòng)模型分為: 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)模型一、理想流動(dòng)模型1、理想置換 理想置換又稱為活塞流，理想排擠或列流。特點(diǎn)：、在垂直流動(dòng)方向的截面上，所有的物性都是均勻 一致，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)的停留時(shí)間是管長(zhǎng)的函數(shù)。第十五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、理想混合特點(diǎn)： 、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。 、物料粒子的停留時(shí)間參差不齊，有一個(gè)典型分布。 “逆向混合” 也叫“返混”,在反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時(shí)間的粒

11、子間的混合。引起逆向混合的主要原因有：1）、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。第十六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、非理想流動(dòng)模型 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)。 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、由于反應(yīng)器中物料粒子的運(yùn)動(dòng)（如攪拌、分子擴(kuò)散等）導(dǎo)致與主體流動(dòng)方向相反的運(yùn)動(dòng)

12、，導(dǎo)致偏離全混流的特性。層流湍流平推流第十七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月非理想流動(dòng)模型分為： 、軸向擴(kuò)散模型、多釜串聯(lián)流動(dòng)模型c1c2cicnCA,0dxcc+dc第十八張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間分布一、停留時(shí)間分布函數(shù)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、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。分布函數(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)F（t） 第十九張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、停留時(shí)間分布密度函數(shù)E（t）假設(shè)進(jìn)入反應(yīng)器有N份物料，停留時(shí)間為t

13、t+dt的只有dN份物料，則停留時(shí)間為tt+dt的物料占進(jìn)料物料的分率為：t（）t t+dtE(t)dt能決定停留時(shí)間分布情況的函數(shù)E（t）叫做停留時(shí)間分布密度函數(shù)。E（t）的大小并不表示分率的大小，而是E（t）曲線以下在tt+dt間的面積即E（t）dt才是分率dN/N的大小，所以把E（t）稱作“分布密度函數(shù)”。歸一化的性質(zhì)： 第二十張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、停留時(shí)間分布函數(shù) F（t） 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)，稱為停留時(shí)間分布函數(shù)，用F（t）表示:t t+dtdF(t)dtt1.0F(t)分布函數(shù)（）和

14、（）的關(guān)系為：上式表明F（t）曲線上停留時(shí)間為t時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的斜率為E（t）第二十一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定1、脈沖示蹤法連續(xù)操作的流動(dòng)體系測(cè)定示蹤物濃度 c(t) 隨時(shí)間 t 的變化 經(jīng)過(guò)tt+dt時(shí)間間隔從出口所流出的示蹤物占示蹤物總量（M0）的分率為：第二十二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 在注入示蹤物的同時(shí)，進(jìn)入流動(dòng)體系的物料若是N，則在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間為tt+dt的物料在N中所占的分率為：由于示蹤物和物料在同一個(gè)流動(dòng)體系里，所以C(t)t第二十三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、階躍示蹤法連續(xù)操作的流動(dòng)體系測(cè)定示蹤

15、物濃度 c(t) 隨時(shí)間 t 的變化從某一時(shí)刻起連續(xù)加入示蹤物 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0t秒的示蹤物，即凡是停留時(shí)間小于或等于t的示蹤物在t秒都會(huì)從出口流出來(lái)，所以階躍法在t秒時(shí)所測(cè)定的示蹤物濃度（t）應(yīng)為：第二十四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月C0t三、停留時(shí)間分布的數(shù)字特征1、歸一化性質(zhì)2、數(shù)學(xué)期望 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，即：第二十五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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）函數(shù)一般為離散型，也就是各個(gè)等間隔時(shí)間下的E（t），則平均停留時(shí)間為：3、方差 衡

16、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，就以方差表示。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算方差，上式改為：第二十六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4、以量綱為1的對(duì)比時(shí)間作自變量的方差空間時(shí)間為量綱為1的對(duì)比時(shí)間為:對(duì)應(yīng)的分布密度函數(shù)為:理想置換型理想混合型非理想流動(dòng)型對(duì)應(yīng)的分布函數(shù)為:以量綱為1的對(duì)比時(shí)間作自變量的方差為:第二十七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、理想反應(yīng)器中的停留時(shí)間分布1、理想置換反應(yīng)器tE(t)tF(t)1.0t E(t) = 0t = E(t) = t F(t) = 0t F(t) = 1t2 = 02 = 0

17、方差:第二十八張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、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=(t+dt)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物料衡算:Vc(t) = Vc(t) + dc(t) + qVc(t)dt第二十九張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月tE(t)tF(t)1.00.632 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t=時(shí)，F(xiàn)（t）=1-e-1=0.632。說(shuō)明有63.2%的物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)

18、間小于平均停留時(shí)間。這些粒子可能沒(méi)有來(lái)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。方差:第三十張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、非理想反應(yīng)器中的停留時(shí)間分布1、多級(jí)理想混合模型第一釜:第二釜:在tt+dt時(shí)間間隔作物料衡算: 進(jìn)入釜的示蹤物量 離開釜的示蹤物量 = 釜內(nèi)示蹤物改變量qVc1(t)dt qVc2(t)dt=Vc2(t) + dc2(t) Vc2(t)設(shè)反應(yīng)器中平均停留時(shí)間相等，即：解此一階微分方程得：第三十一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三釜:第四釜:第N釜:物料在N釜串聯(lián)反應(yīng)

19、器的停留時(shí)間密度分布函數(shù)為 ：第三十二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月總平均停留時(shí)間為：量綱為1的對(duì)比時(shí)間為:代入上式得：積分得停留時(shí)間分布函數(shù)：用量綱為1的對(duì)比時(shí)間表示為:第三十三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月從上圖可以看出：串聯(lián)級(jí)數(shù)N增加，峰形愈窄，分布愈趨于集中。當(dāng)N=時(shí)，F(xiàn)（）=1，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)N是表征系統(tǒng)返混程度的一個(gè)定量指標(biāo)，說(shuō)明實(shí)際反應(yīng)器的返混程度相當(dāng)于N級(jí)等容串

20、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)，稱為模型參數(shù)。第三十四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月用量綱為1的比時(shí)間表示方差為：2、分散模型第三十五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月六、停留時(shí)間分布曲線的應(yīng)用 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。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 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(guò)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E（t）函數(shù)進(jìn)行定量 計(jì)算。第三十六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、判

21、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 其曲線位置與峰形都和預(yù)期的相符。出峰太早,說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)有溝流和短路現(xiàn)象,導(dǎo)致停留時(shí)間小于預(yù)期值.峰形落后于預(yù)期值,說(shuō)明可能是計(jì)量誤差, 或是示蹤物在器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)或是被吸附在器壁上而減少所致.第三十七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月tE(t)tE(t)內(nèi)部再循環(huán) 曲線出現(xiàn)幾個(gè)遞降峰形,說(shuō)明反應(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(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)存在兩股平行的流體.第三十八張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、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，假若物料在

22、反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間并不均勻一致，停留時(shí)間為t的那部分物料的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率是x（t），在此反應(yīng)器里的轉(zhuǎn)化率就是x（t）的平均值。若停留時(shí)間間隔取得足夠小，則 對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，其轉(zhuǎn)化率與起始濃度無(wú)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(wú)關(guān)。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) 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)，所以不能直接用上式進(jìn)行計(jì)算。分析：、一級(jí)反應(yīng)第三十九張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、基本原理1、物料衡算對(duì)于反應(yīng)物A：流入量 -

23、流出量 - 反應(yīng)消失量 - 累積量 = 0 對(duì)于間歇反應(yīng)器：、項(xiàng)為零。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。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.2、熱量衡算隨物料帶入的熱量 隨物料帶出的熱量 反應(yīng)系統(tǒng)與外界交換的熱量 反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng) 累積的熱量 -+-= 0對(duì)于間歇操作系統(tǒng)：、項(xiàng)為零。對(duì)于定態(tài)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器：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。第四節(jié) 理想均相反應(yīng)器的計(jì)算第四十張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、間歇反應(yīng)器（BR）對(duì)整個(gè)反應(yīng)器在微元時(shí)間dt間進(jìn)行衡算 :- (因反應(yīng)組分A消失的量) = (反應(yīng)物A的累積量)

24、 nA=nA0(1-xA)1、反應(yīng)時(shí)間的確定第四十一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月反應(yīng)時(shí)間用濃度表示,則:討論:1)、零級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=k第四十二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2)、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2第四十三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4）、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xA1/rAxA0cA1/rAcA，00cA計(jì)算出陰影部分的面積就可以求出反應(yīng)時(shí)間t第四十四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、反應(yīng)器體積計(jì)算間歇反應(yīng)器的整

25、個(gè)操作過(guò)程如下： 加料升溫反應(yīng)降溫出料清洗 反應(yīng)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率xA所需的時(shí)間為t，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： 考慮到裝料系數(shù)，反應(yīng)器的實(shí)際體積為：一般取=0.4-0.85攪拌下，漩渦不大，取0.7反應(yīng)有泡沫或沸騰 取0.4-0.65反應(yīng)平靜 取0.75-0.850-表示每小時(shí)處理物料的體積.第四十五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例：溫度為343K時(shí)，等摩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)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=1.97l

26、kmol-1min-1 若每天處理2400kg己二酸，每批操作的輔助時(shí)間為t=1h，裝料系數(shù)=0.75，要求轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算該反應(yīng)器的體積。第四十六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三、活塞流反應(yīng)器dLLdV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)組分A進(jìn)行物料衡算：流入量 = 流出量 + 反應(yīng)消失量 + 累積量FA FA+ dFA rAdV 0FA = FA+ dFA + rAdVdFA=dFA,0(1-xA) = - FA,0dxA = - rAdV第四十七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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)空間時(shí)間(簡(jiǎn)稱空時(shí)

27、)這一概念,其定義為:在規(guī)定條件下進(jìn)入反應(yīng)器的物料通過(guò)反應(yīng)器所需要的時(shí)間稱為空時(shí),即: 在其它條件不變的情況下,空時(shí)越小,表示反應(yīng)器的處理物料量越大,說(shuō)明生產(chǎn)能力大.第四十八張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、對(duì)于恒溫恒容反應(yīng)空間時(shí)間用濃度表示,則:討論:1)、零級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=k第四十九張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2)、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2第五十張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4）、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xA1/rAxA0cA1/r

28、AcA，00cA計(jì)算出陰影部分的面積就可以求出反應(yīng)時(shí)間第五十一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例：溫度為343K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。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2400kg己二酸，要求轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算該反應(yīng)器的體積。第五十二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月間歇攪拌釜式反應(yīng)器與活塞流反應(yīng)器的比較: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)所需反應(yīng)時(shí)間完全相同。2）、當(dāng)反應(yīng)體積相等時(shí)，其生產(chǎn)能力相同

29、。所以在設(shè)計(jì)、放大活塞流反應(yīng)器時(shí)，可以利用間歇攪拌釜式反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。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，物料均勻混合屬非定態(tài)過(guò)程；而活塞流反應(yīng)器中，物料無(wú)返混屬定態(tài)過(guò)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。第五十三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、恒溫變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程體積變化參數(shù)分為：膨脹因子和膨脹率1）、膨脹因子 有一氣相反應(yīng)，起始A、B的量分別為nA，0和nB，0在反應(yīng)時(shí)間為時(shí)，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率為xAa

30、A + bB r R + sSnA，0nB，000當(dāng) = 0 時(shí)，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為： n0= nA，0+ nB，0當(dāng) =時(shí)當(dāng) =時(shí)，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為：當(dāng) = 0 時(shí)第五十四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月氣相反應(yīng)的膨脹因子（或體積的變化系數(shù)）為：當(dāng) = 0 時(shí)反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：當(dāng) = 時(shí)反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：對(duì)于恒溫恒壓過(guò)程，還可以有：pA，0為反應(yīng)物的起始分壓cA，0為反應(yīng)物的起始濃度第五十五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2）、膨脹率A 膨脹率是表征變?nèi)葸^(guò)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： A是以

31、組分A為基準(zhǔn)的膨脹率，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：當(dāng)轉(zhuǎn)化率為xA時(shí)，反應(yīng)物A的濃度為：第五十六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（1）、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA討論:（2）、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2第五十七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3）、空間速度 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)料情況下的物料體積流量之比，并沒(méi)有反映出反應(yīng)過(guò)程的容積變化，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）是空時(shí)的倒數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位反應(yīng)器容積的

32、物料體積，即：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(lái)計(jì)算停留時(shí)間，即：第五十八張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月四、全混流反應(yīng)器1、解析法在定態(tài)操作條件下，進(jìn)行物料衡算： 流入量 = 流出量 + 反應(yīng)消失量 + 累積量qvcA,0 qvcA rAV 0討論:1)、零級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=k空間時(shí)間:第五十九張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2)、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2第六十張，PP

33、T共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、圖解法對(duì)于二級(jí)反應(yīng)rA解決兩類問(wèn)題：（1）、已知，根據(jù)直線與曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo) ，求（2）、已知 ，根據(jù)橫坐標(biāo) , 得到斜率為 1/直線， 求第六十一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、利用分布函數(shù)的性質(zhì)求平均轉(zhuǎn)化率根據(jù)分布函數(shù)的性質(zhì)可知：對(duì)于一級(jí)反應(yīng)對(duì)于理想混合反應(yīng)器密度分布函數(shù):而第六十二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月注意：此方法只適用于一級(jí)反應(yīng)，非一級(jí)反應(yīng)不能用此方法。第六十三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例：溫度為343K時(shí)，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為催化劑，在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂。以

34、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2400kg己二酸，裝料系數(shù)=0.75，要求轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算該反應(yīng)器的體積。第六十四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月五、多級(jí)全混流反應(yīng)器V1VNVi 多級(jí)全混流反應(yīng)器，就將多個(gè)理想混合反應(yīng)器串聯(lián)起來(lái)，是一種介于活塞流和理想混合流之間的流動(dòng)模型。取幾個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器中的第i級(jí)反應(yīng)器中的組分A作物料衡算得：流入量 = 流出量 + 反應(yīng)消失量第六十五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、解析法一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式：第一級(jí)反應(yīng)器：第二級(jí)反應(yīng)器：第N級(jí)反應(yīng)器

35、：第六十六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月如果各級(jí)反應(yīng)器體積和溫度均相等,那么第六十七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式：第一級(jí)反應(yīng)器出口濃度為:第二級(jí)反應(yīng)器出口濃度為:當(dāng)N3時(shí),計(jì)算起來(lái)非常繁雜,而采用圖解法則較方便.第六十八張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例：溫度為343K時(shí)，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為催化劑，在兩釜串聯(lián)反應(yīng)器中生產(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： cA，0=410-3kmoll-1，k=1.97lkmol-1min-1 若每天處理2400kg己二酸，如果第一釜中己二酸的轉(zhuǎn)化率為60%,第二釜中達(dá)

36、到最終轉(zhuǎn)化率為80%，裝料系數(shù)=0.75，試計(jì)算兩釜串聯(lián)反應(yīng)器的總體積。第六十九張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、圖解法如果各級(jí)反應(yīng)器體積和溫度均相等,那么rAABCD注意：圖解法只適用于反應(yīng)速率用單一組分表達(dá)的情況，對(duì)于平行反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)不適用。第七十張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、利用分布函數(shù)的性質(zhì)求平均轉(zhuǎn)化率對(duì)于一級(jí)反應(yīng)注意：此方法只適用于一級(jí)反應(yīng)，非一級(jí)反應(yīng)不能用此方法。第七十一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月停留時(shí)間分布與反應(yīng)器的流動(dòng)模型反 應(yīng) 工 程第五章第七十二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月本章內(nèi)容 停留時(shí)間分布 停留時(shí)間分

37、布的實(shí)驗(yàn) 停留時(shí)間分布的統(tǒng)計(jì)特征值 理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布 非理想流動(dòng)現(xiàn)象 非理想流動(dòng)模型和非理想反應(yīng)器的計(jì)算第七十三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1.基本概念 閉式系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)口出口 停留時(shí)間分布 年齡分布：對(duì)存留在系統(tǒng)的粒子而言，從進(jìn)入系統(tǒng)算起在系統(tǒng)中停留的時(shí)間。 壽命分布：流體粒子從進(jìn)入系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)止，在系統(tǒng)內(nèi)停留的時(shí)間。 停留時(shí)間分布理論的應(yīng)用 對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行工況分析 建立合適的流動(dòng)模型，進(jìn)行非理想反應(yīng)器的計(jì)算停留時(shí)間分布第七十四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月停留時(shí)間分布密度函數(shù)E (t)E(t) = 0 t 0E(t) 0 t0歸一化條件停留時(shí)間分布2

38、.停留時(shí)間分布的定量描述第七十五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月封閉系統(tǒng)，常數(shù)停留時(shí)間分布函數(shù)F (t)停留時(shí)間分布2.停留時(shí)間分布的定量描述第七十六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 脈沖法 階躍法 周期輸入法 升階法降階法停留時(shí)間分布的測(cè)定1. 實(shí)驗(yàn)方法概述脈沖法： 簡(jiǎn)單、示蹤劑用量少，可直接測(cè)出停留時(shí)間分布密度函數(shù)； 要求輸入理想脈沖。階躍法 操作容易； 示蹤劑用量大，直接測(cè)出的是停留時(shí)間分布函數(shù)。第七十七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 脈沖法輸入曲線響應(yīng)（輸出）曲線c0(t)停留時(shí)間分布的測(cè)定m 為示蹤劑的加入量第七十八張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)

39、作于2022年6月停留時(shí)間分布的測(cè)定3. 升階法主流體Q0Q系 統(tǒng)檢測(cè)器含示蹤劑的流體（C() ）c()c0(t)tt=00輸入曲線c()c(t)t0響應(yīng)曲線第七十九張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月停留時(shí)間分布的測(cè)定4. 降階法主流體QQ系 統(tǒng)檢測(cè)器含示蹤劑的流體（C(0) ）0c(0)c0(t)tt=0輸入曲線0c(0)c(t)t響應(yīng)曲線第八十張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月停留時(shí)間分布的統(tǒng)計(jì)特征值1. 平均停留時(shí)間2. 方差脈沖法降階法升階法第八十一張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 活塞流模型理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布t = 0tE(t)01.00第八十二張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 全混流模型理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布第八十三張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月存在滯流區(qū)非理想流動(dòng)現(xiàn)象第八十四張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月存在溝流理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布第八十五張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月存在短路理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布第八十六張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月層流反應(yīng)器理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布第八十七張，PPT共一百零二頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月非理想流動(dòng)模型和非理想反應(yīng)器的計(jì)算1. 概述 建模的要求：等效性（能夠正確反映模擬對(duì)象的物理實(shí)質(zhì)）；合理簡(jiǎn)化便于數(shù)學(xué)處