化學(xué)反應(yīng)工程教案6(化工13)-胡江良

PAGEPAGE9rrrI Ij課次

課型課時 2 （請打√）

理論課√ 討論課實驗課□習(xí)題課□其他□授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題：第2章復(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器選型自催化反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型可逆反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型（分掌握、熟悉、了解三個層次：熟悉自催化反應(yīng)和可逆反應(yīng)的特點；了解自催化和可逆反應(yīng)反應(yīng)器的選擇；了解自催化和可逆反應(yīng)反應(yīng)器類型；教學(xué)重點及難點：重點：自催化反應(yīng)和可逆反應(yīng)的特點。難點：自催化反應(yīng)和可逆反應(yīng)反應(yīng)器的選擇。教學(xué)基本內(nèi)容第2章復(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器選型自催化反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型自催化反應(yīng)是復(fù)合反應(yīng)中的一類。其主要特點是反應(yīng)產(chǎn)物能對該反應(yīng)過程起催化作用，加速該反應(yīng)過程的進(jìn)行。特點：反應(yīng)產(chǎn)物中含有對此反應(yīng)有催化作用的組分。因此，常在反應(yīng)開始時加入少量有催化作用的產(chǎn)物。

方法及手段講解A組分的消耗速率為：

)kc

kccA Aj 1A 2APPAPc cA0 P0

c cA

c c

c c cA0 P0 Ar(r)(r

)(r )k

kcc

kckcc c)A Aj dc

1A 2A

1A 2A P0 AAkc

[1(k /k)(c c c)]dt 1A

2 1 A0 P0 A最大反應(yīng)速率對應(yīng)的反應(yīng)物濃度（極值原理）：(r)AA 0Akk(c c )c 1 2 A0 P0Aop 2k2所有總反應(yīng)速率不大；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)物濃度增加，反應(yīng)物濃度雖然降低，但是其值仍然較大，因此，反應(yīng)速率將是增加的。過了產(chǎn)物濃度增加對反應(yīng)速率的影響，反應(yīng)速率開始下降。1、PFR/CSTR但應(yīng)注意，自催化反應(yīng)要求進(jìn)料中必須保證一些產(chǎn)物，否則PFR是不適宜的，此時應(yīng)采用循環(huán)反應(yīng)器。2、循環(huán)反應(yīng)器V (1

xA2 dxAR 0

1xA

(r)A通過調(diào)節(jié)循環(huán)比，可以改變反應(yīng)器流動性能，對于一定的反應(yīng)，可以使得反應(yīng)器體積最小，這時的循環(huán)比稱為最佳循環(huán)比。它表示最佳循環(huán)比應(yīng)使反應(yīng)器進(jìn)口物料的反應(yīng)速率的倒數(shù)等于反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率倒數(shù)的平均值。3、反應(yīng)器組合為了使反應(yīng)器組的總體積最小，在這組反應(yīng)器中，反應(yīng)大部分控制在最高速率點或接近最高速率點進(jìn)行?？梢允褂靡粋€CSTR，它可以不必經(jīng)過較低反應(yīng)速率的中間組成，直接控制在最高速率組成下操作。為了實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率，再使用一個PFR。僅考慮反應(yīng)器體積最小的話，最優(yōu)組合是CSTR串聯(lián)分離裝置，即在最高速率下操作的CSTR的流出物流，經(jīng)過一個分離器后，將產(chǎn)物分離，反應(yīng)物又返回反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)。可逆反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型工業(yè)條件下，正、逆反應(yīng)均以顯著速率進(jìn)行的反應(yīng)，例如合成氨應(yīng)： N23H22NH3bBrRsS1）分解：1（正反應(yīng)）：aAbBrRsSrrrrr B1rrrr

R1

kcncn kf(x)1 B1

R1

A BA B 1 A2（逆反應(yīng)

rRsSaAbBr r r rr A2 B2 R2 S2 kcncn

kg(x)2 A22）求和：

B2 R2 S

R SR S 2 A總反應(yīng)速率應(yīng)為正逆反應(yīng)速率之差：總反應(yīng)速率應(yīng)為正逆反應(yīng)速率之差：rrr1 2

kf(x

)k2

g(x)AA

r rI Ijrr

rr

kf(x)

k)f

)akg(x)A Aj

1

2

1 A 2 A平衡時：E 1 E2Er0,k1

f(xA

)k2

g(xA

)k 10

RTf(xeAe

)k 20

RTg(x)eAe平衡溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系：kET 1kEe

E2f(x)210k20

A]g(x)A可逆反應(yīng)過程的特點：1、關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率對反應(yīng)速率的影響：當(dāng)溫度恒定時： xAkf(x)隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率 的增A，

kg(xA

將隨之下降；而逆反應(yīng)速率 將隨之上升；rrrkf(x)kg(x)

1 2 1 A 2

將隨之下降，用數(shù)學(xué)表達(dá)為：

rk1

f(xA

)k2

g(x)A() 0A2、溫度對反應(yīng)速率的影響E1）

kk0

ex（－C）RTg對于單一反應(yīng)過程：當(dāng)溫度升高時，kA、溫度盡可能高，以提高反應(yīng)速率；B、有限制條件：材質(zhì)要求，熱能供應(yīng)，催化劑活性溫度和耐熱溫度，副反應(yīng)。2）可逆反應(yīng)：Arrheniusdk kE1 1 1

,dk2

k2E2

rr

kf(x

)

g(x)dT RT2

dT RT

1 2 1 A 2 Ar dk

E ETxA1A2( ) f(x) 1g(xTxA1A2AdT T AdT

() 1kf(x)

k)AAA、可逆吸熱反應(yīng)：E Er0 k1

f(xA

)k2

g(xA

1RT2

kf(x)A

2RT

kg(x)AE1E2

(r) 0T xA對于可逆吸熱反應(yīng)而言，隨溫度的升高，總的反應(yīng)速率提高。些因素的限制。例 如 ： 天 然 氣 的 蒸 汽 轉(zhuǎn) 化 反CHHOCOH應(yīng) 4 2 2

，是可逆吸熱反應(yīng)，提高溫度有利于提高反應(yīng)速率并提高甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率，但考慮到設(shè)備材質(zhì)等條件限制，一般轉(zhuǎn)化爐內(nèi)溫度小于800-850℃。等速曲線：曲線上所有點的反應(yīng)速率相r0等；平衡曲線： 的曲線；平衡轉(zhuǎn)化率.位于平衡曲線下方的其他曲線為非零的等速曲線，其反應(yīng)速率r4r3r2大小依次是則：若反應(yīng)溫度一定，則反應(yīng)速率隨轉(zhuǎn)化率增加而下降；若轉(zhuǎn)化率一定，則反應(yīng)速率隨溫度升高而增加。B、可逆放熱反應(yīng)：當(dāng)溫度較低時，反應(yīng)凈速率隨溫度升高而加快，到達(dá)某一極值后，隨著溫度的繼續(xù)升高，凈反應(yīng)速率反而下降。這是因為當(dāng)溫度較低的時候，過程遠(yuǎn)離平衡，動力學(xué)影響是主要矛盾，其斜率

(rT

) 0 ；但xA(r) 0在高溫的時候，平衡常數(shù)下降，對反應(yīng)速率的影響明顯起來，隨著溫xT Ax(r)T xA

0 極大點，斜率為0，即： 反應(yīng)器選型1、關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率對反應(yīng)速率的影響：當(dāng)溫度恒定時：隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率

xA的增加，正反應(yīng)速率

kf(x1 A

將隨之下降；而逆反應(yīng)速率 將隨之上升；kg(x)2 A總反應(yīng)速率 將隨之下降，用數(shù)學(xué)表達(dá)為：(rxA

rk1) 0T

f(xA

)k2

g(x)A隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)速率是下降的，應(yīng)盡量使反應(yīng)器中反應(yīng)物濃度較高，同時，為了使反應(yīng)器體積最小，應(yīng)選用PFR。2、溫度對反應(yīng)速率的影響1）可逆吸熱反應(yīng)：對于可逆吸熱反應(yīng)而言，隨溫度的升高，總的反應(yīng)速率提高。因此，對于可逆吸熱反應(yīng)，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)化率，又可提高反應(yīng)速率。但同時，也應(yīng)考慮一些因素的限制。2）可逆放熱反應(yīng)：如果反應(yīng)過程沿著或接近最佳溫度曲線進(jìn)行時，所需要的反應(yīng)器體積最小，但這在工業(yè)上實施是有難度的，通常選擇CSTR串聯(lián)組，使每一