化學(xué)反應(yīng)工程第三章均相反應(yīng)過程

簡單反應(yīng)器2概述1第3章均相反應(yīng)過程非等溫過程4組合反應(yīng)器3全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性6反應(yīng)器類型和操作方法的評選5第3章均相反應(yīng)過程攪拌釜中的流動(dòng)與傳熱7需要解決的問題大致是：（１）如何通過實(shí)驗(yàn)建立反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程并加以應(yīng)用；（２）如何根據(jù)反應(yīng)的特點(diǎn)與反應(yīng)器的性能特征選擇反應(yīng)器型式及操作方式；（３）如何計(jì)算等溫與非等溫過程的反應(yīng)器大小及其生產(chǎn)能力。平均停留時(shí)間3.1概述空時(shí)的定義為：在規(guī)定條件下，進(jìn)入反應(yīng)器的物料通過反應(yīng)器體積所需的時(shí)間稱為空時(shí)，用符號τ表示，并可寫成：空速的定義為：在規(guī)定條件下，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入反應(yīng)器的物料體積相當(dāng)于幾個(gè)反應(yīng)器的容積，或單位時(shí)間內(nèi)通過單位反應(yīng)器容積的物料體積，稱為空速，用符號表示，可寫成：3.1概述3.2簡單反應(yīng)器12間歇反應(yīng)器平推流反應(yīng)器3全混流反應(yīng)器可以寫出微元時(shí)間內(nèi)的物料衡算式。整理并積分得：3.2.1間歇反應(yīng)器在恒容條件下，式（3-5）可簡化為：3.2.1間歇反應(yīng)器如圖3-4所示，這時(shí)可有：故3.2.2平推流反應(yīng)器對整個(gè)反應(yīng)器而言，應(yīng)將式（3-7）積分：若以下標(biāo)0代表進(jìn)料狀態(tài)，代表進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)物料Ａ的轉(zhuǎn)化率，代表離開反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率。這樣，可得更一般地表達(dá)平推流反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式：3.2.2平推流反應(yīng)器對恒容系統(tǒng)：3.2.2平推流反應(yīng)器3.2.2平推流反應(yīng)器3.2.2平推流反應(yīng)器例3-2均相氣體反應(yīng)在185℃和表壓下按照反應(yīng)式在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，已知其在此條件下的動(dòng)力學(xué)方程為當(dāng)進(jìn)料為50％惰性氣體時(shí)，求Ａ的轉(zhuǎn)化率為80％時(shí)所需的時(shí)間。3.2.2平推流反應(yīng)器解根據(jù)式（3-10）其中對于非恒容系統(tǒng)：根據(jù)的定義，可求得此式可用圖解積分或數(shù)值積分求解之。3.2.2平推流反應(yīng)器3.2.2平推流反應(yīng)器（１）圖解積分以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，描繪曲線下的面積，即為積分值。由下表及下圖可得：（２）數(shù)值積分法利用辛普森法則：故3.2.2平推流反應(yīng)器如圖3-6所示，可有：故因?yàn)槿旄磻?yīng)器多用于液相恒容系統(tǒng)，故式（3-11）可簡化為3.2.3全混流反應(yīng)器3.2.3全混流反應(yīng)器3.2.3全混流反應(yīng)器3.3組合反應(yīng)器12平推流反應(yīng)器的串聯(lián)、并聯(lián)或并串聯(lián)具有相同或不同體積的N個(gè)全混釜的串聯(lián)3.3組合反應(yīng)器34不同型式反應(yīng)器的串聯(lián)循環(huán)反應(yīng)器5半連續(xù)操作的反應(yīng)器對反應(yīng)組分Ａ作第一個(gè)反應(yīng)器的物料衡算，根據(jù)式（3-8）可有同理，對第i個(gè)反應(yīng)器，可求得若每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)溫度相同，相等，則有：3.3.1平推流反應(yīng)器的串聯(lián)、并聯(lián)或并串聯(lián)因系統(tǒng)為定態(tài)流動(dòng)，且對恒容系統(tǒng)，不變，，故有：3.3.2具有相同或不同體積的N個(gè)全混釜的串聯(lián)如各釜容積與溫度均相等，則有3.3.2具有相同或不同體積的N個(gè)全混釜的串聯(lián)3.3.3不同型式反應(yīng)器的串聯(lián)可對四個(gè)反應(yīng)器分別寫出如下關(guān)系式。3.3.4循環(huán)反應(yīng)器令對反應(yīng)器作物料衡算，可有：進(jìn)反應(yīng)器的濃度對平推流反應(yīng)器積分，即可得到出口物料的濃度。3.3.4循環(huán)反應(yīng)器3.3.4循環(huán)反應(yīng)器（詳見教材P46）3.3.4循環(huán)反應(yīng)器例如對一級反應(yīng)：如各管等溫、等容積、等循環(huán)比，則：為了更形象地表示循環(huán)反應(yīng)器的性能，定義：對定常態(tài)下的恒容過程，β和α、β′的關(guān)系是：式（3-18）可寫成：3.3.4循環(huán)反應(yīng)器對于一級反應(yīng)，積分得：對于非恒容系統(tǒng)：此時(shí)的可根據(jù)變?nèi)葸^程的式（2-77）得：3.3.4循環(huán)反應(yīng)器因?yàn)橄到y(tǒng)壓力視為恒定，故在M點(diǎn)匯合的流體可以直接加和，因之有：3.3.4循環(huán)反應(yīng)器以式（3-30）代入式（3-29）得：代入式（3-27）得：

考慮反應(yīng)：如物料的密度在反應(yīng)過程中恒定不變，則在任意時(shí)間內(nèi)物料的體積為：在微元時(shí)間內(nèi)對組分Ａ作物料衡算：故有

3.3.5半連續(xù)操作的反應(yīng)器3.3.5半連續(xù)操作的反應(yīng)器代入式（3-34）得：寫成差分的形式為：對反應(yīng)物Ｂ作物料衡算得：

聯(lián)合式（3-33）、式（3-37）及式（3-38）、式（3-39）就可用數(shù)值法逐段求出相應(yīng)各時(shí)間t時(shí)的了。3.4非等溫過程12溫度的影響非等溫操作3一般圖解設(shè)計(jì)程序

3.4.1溫度的影響（１）反應(yīng)熱和溫度如已知的反應(yīng)熱為在溫度時(shí)的數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)的反應(yīng)溫度為，此時(shí)，可以根據(jù)能量守恒定律而求得，表示為：通常熱容與溫度的關(guān)系為：

把此關(guān)系代入式（3-41）得：如果溫度范圍不很大，在此范圍內(nèi)組分的熱容可取平均值代表，則：3.4.1溫度的影響（２）化學(xué)平衡根據(jù)熱力學(xué)關(guān)系，溫度對反應(yīng)平衡常數(shù)的影響為若反應(yīng)熱隨溫度而變化時(shí)，應(yīng)在積分中加以考慮，則為：3.4.1溫度的影響（３）反應(yīng)溫度和最優(yōu)溫度3.4.1溫度的影響3.4.1溫度的影響（１）間歇釜式反應(yīng)器的計(jì)算對定容操作的間歇釜式反應(yīng)器，其能量衡算可依一般的方法寫出：上式各項(xiàng)除以，并取極限，得：若系絕熱操作，則對的一級不可逆反應(yīng)，物料衡算結(jié)果為：3.4.2非等溫操作（２）平推流反應(yīng)器的計(jì)算熱量衡算為：由于平推流反應(yīng)器的物料衡算式為3.4.2非等溫操作3.4.2非等溫操作把式（3-56）代入式（3-55）整理可得：①若反應(yīng)器系絕熱操作，上述熱量衡算式可簡化為：對整個(gè)絕熱反應(yīng)過程，積分上式得：如對反應(yīng)，有式（3-58'）的積分結(jié)果為：對恒容過程，。當(dāng)反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化時(shí)，，則有：②對于非絕熱操作ａ．熱交換速率恒定的情況ｂ．傳熱系數(shù)U恒定的情況3.4.2非等溫操作（３）全混流釜式反應(yīng)器的計(jì)算3.4.2非等溫操作如圖3-17所示，其熱量衡算式為：其物料衡算式為：或3.4.3一般圖解設(shè)計(jì)程序（１）絕熱操作結(jié)合式（3-56）得：

在一些特定情況下，即當(dāng)時(shí)，反應(yīng)熱與溫度無關(guān)，此時(shí)，式（3-67）和式（3-68）簡化為：3.4.3一般圖解設(shè)計(jì)程序3.4.3一般圖解設(shè)計(jì)程序（詳見教材P59）（２）非絕熱操作若以Q表示加于各種型式的反應(yīng)器中每摩爾反應(yīng)物A的總熱量（包括熱損失在內(nèi)），則根據(jù)能量平衡可以寫出：對于3.4.3一般圖解設(shè)計(jì)程序3.5反應(yīng)器類型和操作方法的評選12單一反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)（１）簡單反應(yīng)器的大小比較①間歇釜式反應(yīng)器②平推流管式反應(yīng)器③全混流釜式反應(yīng)器對平推流，由方程（3-10）給出：3.5.1單一反應(yīng)對全混流，由方程（3-11）給出：以式（3-72）除以式（3-73），得：

對恒容系統(tǒng)，上式簡化為：3.5.1單一反應(yīng)若初始進(jìn)料與初始濃度相同，還可簡化為：式（3-75），式（3-76）可以圖解形式表示在圖3-22上，它直接表示了為達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所需的平推流和全混流的體積比。3.5.1單一反應(yīng)3.5.1單一反應(yīng)3.5.1單一反應(yīng)（２）不同型式反應(yīng)器的組合①不同大小的全混流串聯(lián)操作時(shí)，若轉(zhuǎn)化率已經(jīng)給定，要如何確定其最優(yōu)組合。3.5.1單一反應(yīng)3.5.1單一反應(yīng)當(dāng)，即時(shí)，顯然長方形面積為最大。所以②不同型式簡單反應(yīng)器組合的最優(yōu)排列3.5.1單一反應(yīng)（１）平行反應(yīng)對全混流釜式反應(yīng)器，由于釜內(nèi)濃度是均勻的且等于出口濃度，故瞬時(shí)收率等于總收率，或?yàn)椋喝旄目偸章逝c平推流反應(yīng)器總收率之間的關(guān)系為：3.5.2復(fù)合反應(yīng)對任一型式反應(yīng)器，產(chǎn)物Ｐ的出口濃度直接從下式得：這樣，利用式（3-81），可以用圖3-29所示的圖解方法求得不同型式反應(yīng)器的。3.5.2復(fù)合反應(yīng)如圖3-30所示的三種不同的曲線，為獲得最大的，應(yīng)分別采用平推流反應(yīng)器、全混流釜式反應(yīng)器以及全混釜和平推流的串聯(lián)三種反應(yīng)器型式。3.5.2復(fù)合反應(yīng)①對反應(yīng)②若反應(yīng)為3.5.2復(fù)合反應(yīng)3.5.2復(fù)合反應(yīng)（２）連串反應(yīng)3.5.2復(fù)合反應(yīng)取，可求得產(chǎn)物Ｐ濃度的最大值及相應(yīng)位置?；喌茫合鄳?yīng)最大產(chǎn)物Ｐ的濃度為：對各種比值的典型的濃度-時(shí)間曲線示于圖3-32（a）。圖3-32（b）為與時(shí)間無關(guān)的標(biāo)繪，關(guān)聯(lián)了反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度。3.5.2復(fù)合反應(yīng)3.5.2復(fù)合反應(yīng)3.6全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性12全混流釜式反應(yīng)器的定態(tài)基本方程式全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性3定態(tài)熱穩(wěn)定性的判據(jù)對簡單的一級反應(yīng)，其物料和熱量衡算的動(dòng)態(tài)方程式為：在定態(tài)條件下：3.6.1全混流釜式反應(yīng)器的定態(tài)基本方程式這樣，可從動(dòng)態(tài)微分方程式過渡到定態(tài)的代數(shù)方程，表達(dá)為：從式（3-91）可以看出，等號左邊實(shí)際上代表散失或移去熱量的速率，而等號右邊代表反應(yīng)放出熱量的速率，兩者都是T的函數(shù)，即：3.6.1全混流釜式反應(yīng)器的定態(tài)基本方程式若以1mol的Ａ計(jì)算的反應(yīng)熱為，則在單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)的放熱速率值亦一定。即：如對一級反應(yīng)，已知和平均停留時(shí)間τ的關(guān)系為：代入式（3-94）得：3.6.2全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性3.6.2全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性和反應(yīng)的放熱速率曲線相反，單位時(shí)間自系統(tǒng)散失的熱量或熱交換的速率與溫度呈線性關(guān)系，在絕熱情況下，它僅為進(jìn)料的熱焓變化，表示為非絕熱操作則需考慮熱交換量：（１）真穩(wěn)定和假穩(wěn)定操作點(diǎn)（２）改變進(jìn)口溫度的影響3.6.2全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性（３）改變進(jìn)料流量的影響

為了研究進(jìn)料流量變化對反應(yīng)器內(nèi)操作狀態(tài)的影響，可對式(3-95)及式(3-97)作如下修改：3.6.2全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性3.6.2全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性（４）自熱反應(yīng)以單位摩爾進(jìn)料計(jì)算的放熱速率為：3.6.2全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性而以單位摩爾進(jìn)料計(jì)算的熱焓變化為3.6.2全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性定態(tài)穩(wěn)定操作點(diǎn)應(yīng)具有如下兩個(gè)條件：3.6.3定態(tài)熱穩(wěn)定性的判據(jù)按照熱定常條件，需使,故而按照熱穩(wěn)定條件，需使式（3-105）除以式（3-106）便得：3.7攪拌釜中的流動(dòng)與傳熱12攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性攪拌釜內(nèi)的混合過程3攪拌功率的計(jì)算4攪拌釜的傳熱釜內(nèi)的攪拌混合作用，不一定是對均相物料的，它大致具有以下幾種效果。①拌合用于互溶液體間的混合，以消除反應(yīng)器內(nèi)的溫度和濃度梯度；②懸浮使固體分散在流體中，如攪動(dòng)漿態(tài)物料，攪拌鹽塊以促進(jìn)鹽類的溶解等；③分散將一種氣體或液體分散在另一種流體中，如廢水處理時(shí)的吹氣，在萃取或乳化過程中液滴的形成等；④傳熱加劇混合物料或冷、熱表面間的熱交換等。3.7攪拌釜中的流動(dòng)與傳熱3.7.1攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性3.7.1攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性3.7.1攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性（教材詳見P79、P80）3.7.1攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性（１）流體力學(xué)槳葉的數(shù)和數(shù)分別為：攪拌槳葉采用循環(huán)因數(shù)3.7.2攪拌釜內(nèi)的混合過程（２）釜式反應(yīng)器內(nèi)的混合概念

在湍流條件下，間歇攪拌釜內(nèi)的混合時(shí)間，可用下式估算可將全混釜的平均停留時(shí)間τ和混合時(shí)間相聯(lián)系。所以3.7.2攪拌釜內(nèi)的混合過程計(jì)