chap復合反應與反應器選型

1復合反應中組分生成速率的求?。航M分I的生成速率等于其在各個反應中的生成速率的代數(shù)和復合反應及其速率表達正/逆反應均顯著進行產物能自動加快反應的進行(催化劑?),多出現(xiàn)在生化反應中反應物同時進行2個反應。取代、加成和分解反應產物進一步反應。水解、鹵化、氧化等2不失一般性，對N個AI物種參與的M個反應的復雜反應系統(tǒng)（J－反應），化學反應方程式為：

移項得化學計量關系（文獻常見形式）JI－計量系數(shù)，反應物為“－”，生成物為“+”（得到為正，失去為負）3復合反應

先將復合反應分解為簡單反應再加合，一般用組分生成速率表示遵從關系復合反應過程的動力學方程4組分I的生成速率：

工業(yè)實際：物理與化學過程的綜合效應物理過程的影響：不改變化學反應過程的動力學規(guī)律

流動狀況分布（停留時間分布）組分濃度分布溫度分布壓力分布等反應過程與反應器之間的相互匹配BR&PFR設計方程無本質差異（參變量t&位置）討論類別：PFR&CSTR52.1單一不可逆反應過程與反應器2.1.1PFR和CSTR的比較（n級反應AP）67如何根據(jù)生產任務的要求和化學反應的動力學特性選取或組合適宜類別的化學反應器？8（1）當(VR)m=(VR)P時，由于PFR推動力大于CSTR，所以存在(xAf)m<(xAf)

P分析與討論（2）隨xA增加，返混程度增加

xA0，(VR)m

/(VR)P

1；

xA1，(VR)m

/(VR)P

+（3）xA一定，隨n增加，(VR)m

/(VR)P增加，但對于零級反應(n=0),(VR)m/(VR)P=1（4）相對于恒容過程（A=0）當A>1時，隨A增加，(VR)m

/(VR)P

增加，且大于A=0時的對應值；當A<0時，隨A增加，(VR)m

/(VR)P

增加,但小于A=0時的對應值9結論

確定反應器型式不僅要考慮轉化率的高低，還要考慮到反應級數(shù)的大??！對于反應級數(shù)比較大的反應過程，若要求的轉化率比較高，就應當選取PFR反應器，對于只能采用釜式反應器（CSTR）的情況，則應采用多釜串聯(lián)操作方式（近PFR方式操作），工業(yè)上比較經濟的串聯(lián)釜數(shù)為3~4個102.1.2理想流動反應器組合2.1.2.1理想流動反應器的串聯(lián)操作1PFR串聯(lián)操作提高反應轉化率示意圖1FA0,cA0,V0,xA023NxA1xA2xAN11由于平推流反應器不存在返混，串聯(lián)相當于反應器的延長，相當于反應體積的簡單增加2CSTR串聯(lián)操作特性示意圖假定：各釜之間沒有返混，定常態(tài)、恒容cA0,xA0,FA0,V0cA1,xA1,cA2,xA2,cAN,xAN,cAi,xAi,12由單個全混流反應器物料衡算方程13顯然除最后一釜外，其余各釜的濃度都高于最終出口濃度，對大多數(shù)反應，濃度升高反應速率加快。而且，各釜之間不存在返混，因此，總反應體積小于單個全混釜xA1xANcA0/(-rA)τi14對于一級反應：(-rA)=kcA15對于二級反應162.1.2.2理想流動反應器的并聯(lián)操作1PFR并聯(lián)操作提高生產/處理能力如何使xAf達到最大或使反應器總體積最?。縀g.：兩個PFR并聯(lián)反應器總體積：VR=VRl+VR2

物料流量：V0=V01+V02

PFR設計方程：結論：1＝2流量分配：VRl:VR2

=V01:V02

2CSTR并聯(lián)操作結論及流量分配同上172.1.3不同反應器的組合給定三種反應器：A-PFR;B-小CSTR；C-大CSTR182.1.4循環(huán)反應器可使PFR具有部分CSTR的特點基本假定：反應器內為活塞流；管線內不發(fā)生化學反應；

整個體系定常態(tài)操作。定義循環(huán)比為β，β=V3/V0192021

討論222.2自催化反應特性與反應器選型過程實質：反應產物對反應起到催化作用，產物可以加快反應進行典型反應

k2遠大于k1。多出現(xiàn)在生化反應中

反應起始時，只有A，沒有P，第二個反應無法進行，一旦體系中有了P，反應速率大大加快，直到A的減少使反應速率下降23特點：在一定區(qū)域內，反應速率隨著反應進行而加快，顯示出負反應級數(shù)的特性。24A的總消耗速率如何以積分形式表達？（等mol、恒容）25反應物濃度多大時可以獲得最快的反應速率？26自催化反應濃度與速率關系27（1）PFR與CSTR選擇低轉化率時

CSTR優(yōu)于PFR高轉化率時

PFR

優(yōu)于CSTR，但必須有產物P的存在，否則用PFR是不適宜的，可采用循環(huán)反應器圖(a)

xA足夠高，PFR更為適宜圖(c)

xA比較低，

CSTR優(yōu)于PFR28（2）循環(huán)反應器

循環(huán)反應器可以表現(xiàn)出介于平推流反應器和全混流反應器之間的性能，對于自催化反應，循環(huán)反應器或許更加適合。由循環(huán)反應器計算公式：29最佳循環(huán)比的求算30意義：最佳循環(huán)比應使反應器進口物料的反應速率的倒數(shù)等于反應器內反應速率倒數(shù)的平均值3132（3）反應器組合目的：使反應過程大部分控制在最高速率點或接近最高速率點進行33組合：僅從反應器體積最小考慮，最優(yōu)組合為CSTR+分離—即，最高速率下操作的CSTR流出物經分離后，未反應物返回反應器。但這種組合的前提是：分離裝置的投資和運行費用都比反應器低得多，否則無意義342.3可逆反應特性與反應器選型可逆吸熱反應：反應速率總是隨反應的進行而下降，為盡可能在較高濃度下反應，應選用平推流反應器（PFR、適宜高溫）可逆放熱反應：存在最佳反應溫度，希望反應沿最佳溫度曲線進行，在不同轉化率下有不同最佳溫度，因此多選用全混流反應器組合或多段換熱式操作方式（CSTR、PFR多段、最佳溫度）對于可逆反應，反應器選型決定于其過程的動力學特性和所要求的轉化率35概念：在工業(yè)生產條件下，正、逆反應均同時顯著進行的反應例子：氨的合成、甲醇的合成、芳烴烷基化等化學反應方程式：可逆反應動力學方程36平衡溫度計算：當正逆反應速率相等時，總速率為零，系統(tǒng)達到化學平衡，對應的溫度叫化學平衡溫度，其與關鍵組分轉化率的關系為37可逆化學反應的動力學特點※關鍵組分轉化率對反應速率的影響

等溫下，xAk1f(xA)和k2g(xA)r

數(shù)學描述為38※溫度對反應速率的影響3940可逆吸熱反應的特點數(shù)學描述：（1）TKp

xAe（2）T一定，xAr

（3）xA一定，Tr

41可逆放熱反應溫度效應的特點

xA一定，r先隨T而，然后隨T而，存在一個使反應速率最大的極值點—最佳反應溫度42最佳反應溫度定義：在一定條件下（反應物系組成、轉化率、催化劑類別及濃度等），可逆放熱反應速率最大時對應的溫度稱為最佳反應溫度或最適宜反應溫度434445※可逆反應特性與反應器選型※可逆吸熱反應：反應速率總是隨反應的進行而下降，為盡可能在較高濃度下反應，應選用平推流反應器（PFR、適宜高溫）可逆放熱反應：存在最佳反應溫度，希望反應沿最佳溫度曲線進行，在不同轉化率下有不同最佳溫度，因此多選用全混流反應器組合或多段換熱式操作方式（CSTR、PFR多段、最佳溫度）對于可逆反應，反應器選型決定于其過程的動力學特性和所要求的轉化率4647工業(yè)操作：按最佳反應溫度線操作時r最大－最佳反應操作48492.4平行反應特性與反應器選型定義：反應物同時進行兩個或兩個以上的反應例子：取代、加成和分解反應優(yōu)化的最主要指標是目的產物的選擇性502.4.1平行反應的動力學特性討論等溫、恒容基元反應

AP（目的產物）

AS（副產物）根據(jù)加合性原則，各組分生成速率為51522.4.2選擇性和收率的概念平行反應5354對CSTR，反應器內的操作濃度就是出口濃度，因此：對N個串聯(lián)的全混釜552.4.3影響瞬時選擇性的因素討論★溫度影響(c恒定)★濃度影響(T恒定)56自看例題page60572.5連串反應特性與反應器選型定義：指反應產物能進一步生成其它副產物的過程例子：水解、鹵化、氧化反應等2.5.1動力學特性（一級反應）各組分生成速率為58初態(tài)：cA0，cP0=cS0=0，由式積分得5960討論61（3）

動力學規(guī)律（a）隨反應時間的延長，A濃度呈指數(shù)規(guī)律下降，S濃度連續(xù)上升，中間物P濃度先升后降，存在極大值；（b）中間產物P的濃度極大值受k1和k2的支配（c）措施：為多獲得P，應增加k1/k2的值，降低S的濃度62中間物P最大濃度的求取632.5.2目的產物選擇性影響因素分析影響選擇性的因素（T，c，n）：中間物P為目的產物，從選擇性角度討論一級不可逆反應64652.5.3反應器計算一級不可逆反應初始原料濃度：CA=CA0；cP0=cS0=0、恒容過程什么條件下可以獲得最高/較高的cp濃度？怎么得到的？★1CSTR666768★2PFR一級不可逆反應、恒容、CA=CA0、cP0=cS0=06970★3在平推流和全混流反應器中進行連串反應的比較●平推流反應器的選擇性永遠大于全混流反應器●隨轉化率增加，平均選擇性下降●當k1>>k2時，意味著前一個反應容易進行，允許的轉化率較大；當k1<<k2時，意味著后一個反應容易進行，只好在低轉化率下操作●總在低轉化率下操作生產效率低，最好在反應的過程中將產物不斷分離出去71思考題自催化反應兩條曲線的含義？如何解析圖意？72思考題1：自催化反應●

k2遠大于k1。多出現(xiàn)在生化反應中?！穹磻鹗紩r，只有A，沒有P，第二個反應無法進行?！褚坏w系中有了P，反應速率大大加快，直到A的減少使反應速率下降。73思考題2：n級反應VCSTR/VPFR=?●各曲線的含義？●規(guī)律描述（結論）★1除n=0和xA0外，其它均為：

VCSTR/VPFR>1

if

VCSTR=VPFR

，(xAf)m<(xAf)P

if

xA1，

(VR)m

/(VR)P

+★2

xA一定，n(VR)m

/(VR)P

，★3相對于恒容過程（A=0）if

A>1，A(VR)m

/(VR)P

，且大于A