化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)案6化工13胡江良

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化學(xué)反響工程課程授課設(shè)計(jì)rIrIj課型理論課√討論課□課次6課時(shí)2（請打?qū)嶒?yàn)課□習(xí)題課□

√）其他□

授課題目（授課章、節(jié)或主題）：

第2章復(fù)合反響與反響器選型

自催化反響特點(diǎn)與反響器選型

可逆反響特點(diǎn)與反響器選型

授課目的、要求（分掌握、熟悉、認(rèn)識三個(gè)層次）：：

1.熟悉自催化反響和可逆反響的特點(diǎn)；

2.認(rèn)識自催化和可逆反響反響器的選擇；

3.認(rèn)識自催化和可逆反響反響器種類；

授課重點(diǎn)及難點(diǎn)：

重點(diǎn)：自催化反響和可逆反響的特點(diǎn)。

難點(diǎn)：自催化反響和可逆反響反響器的選擇。

授課基本內(nèi)容方法及手段

第2章復(fù)合反響與反響器選型解說

自催化反響特點(diǎn)與反響器選型

自催化反響是復(fù)合反響中的一類。其主要特點(diǎn)是反響產(chǎn)物能對該反響

過程起催化作用，加速該反響過程的進(jìn)行。

特點(diǎn)：反響產(chǎn)物中含有對此反響有催化作用的組分。

因此，常在反響開始時(shí)加入少量有催化作用的產(chǎn)物。

A組分的耗資速率為：rA(rAj)(rA1)(rA2)k1cAk2cAcP在整個(gè)反響過程中，A組分被反響掉了，可是生成了等量的P組分，則A與P的總摩爾數(shù)是恒定的，即：cA0cP0cAcPc0cPcA0cP0cArA(rAj)(rA1)(rA2)k1cAk2cAcPk1cAk2cA(cA0cP0cA)dcAk1cA[1(k2/k1)(cA0cP0cA)]dt

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最大反響速率對應(yīng)的反響物濃度（極值原理）：

(rA)0cAk1k2(cA0cP0)cAop2k2

在反響初期，只管反響物的濃度較高，可是由于產(chǎn)物的濃度很低，所有總反響速率不大；

隨著反響的進(jìn)行，產(chǎn)物濃度增加，反響物濃度誠然降低，可是其值依舊較大，因此，反響速率將是增加的。

當(dāng)反響進(jìn)行到某一時(shí)辰時(shí)，反響物濃度的降低對反響速率的影響高出了產(chǎn)物濃度增加對反響速率的影響，反響速率開始下降。

1、PFR/CSTR

但應(yīng)注意，自催化反響要求進(jìn)料中必定保證一些產(chǎn)物，否則PFR是

不合適的，此時(shí)應(yīng)采用循環(huán)反響器。

2、循環(huán)反響器

VR(1xA2dxA)V0cA0xA2(rA)1

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經(jīng)過調(diào)治循環(huán)比，能夠改變反響器流動性能，關(guān)于必然的反響，能夠使得反響器體積最小，這時(shí)的循環(huán)比稱為最正確循環(huán)比。

它表示最正確循環(huán)比應(yīng)使反響器進(jìn)口物料的反響速率的倒數(shù)等于反響器內(nèi)反響速率倒數(shù)的平均值。

3、反響器組合

為了使反響器組的整體積最小，在這組反響器中，反響大多數(shù)控制在最高速率點(diǎn)或湊近最高速率點(diǎn)進(jìn)行。

能夠使用一個(gè)CSTR，它能夠不用經(jīng)過較低反響速率的中間組成，直

接控制在最高速率組成下操作。為了實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)變率，再使用一個(gè)PFR。

僅考慮反響器體積最小的話，最優(yōu)組合是CSTR串通分別裝置，即在最高速率下操作的CSTR的流出物流，經(jīng)過一個(gè)分別器后，將產(chǎn)物分別，反響物又返回反響器連續(xù)反響。

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可逆反響特點(diǎn)與反響器選型

工業(yè)條件下，正、逆反響均以明顯速率進(jìn)行的反響，比方合成氨反

應(yīng)：N23H22NH3設(shè)可逆反響：aAbBrRsS1）分解：反響1（正反響）：aAbBrRsSr1rA1rB1rR1rS1k1cAnAcBnBk1f(xA)A1B1R1S1反響2（逆反響）：rRsSaAbBr2rA2rB2rR2rS2k2cRnRcSnSk2g(xA)A2B2R2S2

2）求和：

總反響速率應(yīng)為正逆反響速率之差：

總反響速率應(yīng)為正逆反響速率之差：

rr1r2k1f(xA)k2g(xA)

其中任意組分的生成速率為：rIrIj

組分的生成速率：

rArAjrA1rA2A1k1f(xA)A2k2g(xA)ak1f(xA)ak2g(xA)平衡時(shí)：E1E2r0,k1f(xA)k2g(xA)k10eRTef(xA)k20eRTeg(xA)平衡溫度與轉(zhuǎn)變率關(guān)系：E1E2Telnf(xA)]R[lnk10k20g(xA)

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可逆反響過程的特點(diǎn)：

1、重點(diǎn)組分轉(zhuǎn)變率對反響速率的影響：

當(dāng)溫度恒準(zhǔn)時(shí)：xA

k1f(xA)隨重點(diǎn)組分轉(zhuǎn)變率的增加，

正反響速率k2g(xA)將隨之下降；

而逆反響速率將隨之上升；

總反響速率rr1r2k1f(xA)k2g(xA)將隨之下降，用數(shù)學(xué)表達(dá)為：rk1f(xA)k2g(xA)(r)T0xA

2、溫度對反響速率的影響

1）不可以逆反響kk0exp（－EC）RgT

關(guān)于單調(diào)反響過程：

當(dāng)溫度高升時(shí)，k會增大

A、溫度盡可能高，以提高反響速率；

B、有限制條件：材質(zhì)要求，熱能供給，催化劑活性溫度和耐熱溫

度，副反響。

2）可逆反響：

依照Arrhenius方程，有：

dk1k1E1dk2k2E2rr1r2k1f(xA)k2g(xA)dTRT2,dTRT2(r)xAf(xA)dk1g(xA)dk2(r)xE1k1f(xA)E2k2g(xA)TdTdTTART2RT2A、可逆吸熱反響：r0k1f(xA)k2g(xA)E12k1f(xA)E22k2g(xA)(r)xRTRTE1E20TA專業(yè)技術(shù)資料分享WORD文檔下載可編寫

關(guān)于可逆吸熱反響而言，隨溫度的高升，總的反響速率提高。

因此，關(guān)于可逆吸熱反響，也應(yīng)盡可能在較高溫度下進(jìn)行，這樣既

有利于提高平衡轉(zhuǎn)變率，又可提高反響速率。但同時(shí)，也應(yīng)試慮一

些因素的限制。

比方：天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)變反響，

CH4H2OCOH2是可逆吸熱反響，提高溫度有利于提高反響速率并提高甲烷的平衡

轉(zhuǎn)變率，但考慮到設(shè)施材質(zhì)等條件限制，一般轉(zhuǎn)變爐內(nèi)溫度小于

800-850℃。

等速曲線：

曲線上所有點(diǎn)的反響速率相

r0等；平衡曲線：的曲線；

平衡轉(zhuǎn)變率.位于平衡曲線下方的其他曲線為非零的等速曲線，其反響速率

r4r3r2r1大小依次是

則：若反響溫度必然，則反響速率隨轉(zhuǎn)變率增加而下降；若轉(zhuǎn)變率必然，

則反響速率隨溫度高升而增加。

B、可逆放熱反響：

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當(dāng)溫度較低時(shí)，反響凈速率隨溫度高升而加速，抵達(dá)某一極值后，隨著

溫度的連續(xù)高升，凈反響速率反而下降。這是由于當(dāng)溫度較低的時(shí)候，

r過程遠(yuǎn)離平衡，動力學(xué)影響是主要矛盾，其斜率(T)xA0；但r0數(shù)下降，對反響速率的影響明顯起來，隨著溫在高溫的時(shí)候，平衡常(T)xAr度的連續(xù)高升，平衡影響成為主要矛盾，其斜率()xA0。曲線的T極大點(diǎn)，斜率為0，即：。

反響器選型

1、重點(diǎn)組分轉(zhuǎn)變率對反響速率的影響：

當(dāng)溫度恒準(zhǔn)時(shí)：

隨重點(diǎn)組分轉(zhuǎn)變率xA的增加，

正反響速率k1f(xA)將隨之下降；

而逆反響速率將隨之上升；k2g(xA)總反響速率將隨之下降，用數(shù)學(xué)表達(dá)為：r)Trk1f(xA)k2g(xA)(0xA隨著反響的進(jìn)行，反響速率是下降的，應(yīng)盡量使反響器中反響物

濃度較高，同時(shí)，為了使反響器體積最小，應(yīng)采用PFR。

2、溫度對反響速率的影響

1）可逆吸熱反響：

關(guān)于可逆吸熱反響而言，隨溫度的高升，總的反響速率提高。

因此，關(guān)于可逆吸熱反響，應(yīng)盡可能在較高溫度下進(jìn)行，這樣既有利于提

高平衡轉(zhuǎn)變率，又可提高反響速率。但同時(shí)，也應(yīng)試慮一些因素的限制。

2）可逆放熱反響：

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若是反響過程沿著或湊近最正確溫度曲線進(jìn)行時(shí)，所需要的反響器體積

最小，但這在工業(yè)上推行是有難度的，平常選擇CSTR串通組，使每一釜的

溫度和濃度都在最正確溫度曲線上。

作業(yè)、討論題、思慮題：

名詞解說：

參照資料（含參照書