化學工程基礎

第六節(jié)均相化學反應

8.均相串聯(lián)反應

鹵化、水解、加成

苯＋CH2=CH2

乙苯＋CH2=CH2

鄰二乙苯APSk1k2k1k2溫度效應：如果E1

E2，升高溫度對反應有利，

(同平行反應)濃度效應：結論：n1

n2，

提高初濃度對反應有利，

轉化率影響（以反應－分離系統(tǒng)的優(yōu)化經(jīng)濟目標來確定）

x，不能盲目追求高轉化率xA，應低單程轉化率xA

回收循環(huán)（以優(yōu)化經(jīng)濟目標確定xA）理想管式連續(xù)釜式9.理想管式與連續(xù)釜式反應器空時比較

（冪級數(shù)型）理想管式連續(xù)釜式

小好

SV大好

級數(shù)n越高，越大xA越高，越大曲邊三角形矩形cA越低注意:高x、高級數(shù)連續(xù)釜式反應器生產(chǎn)能力連續(xù)釜式理想管式例：2級反應，

x＝0.99

Vc＝100VP10.自催化反應比較（使總體積最少）出口濃度低時，采用全混釜＋平推流出口濃度高時，采用全混釜＋分離器

11.連續(xù)釜式反應器的濃度特征簡單反應：不利可逆反應：不利平行反應：n1n2

不利

很多情況下不利

n1n2

有利串聯(lián)反應：不利反應物產(chǎn)物cAfcp0cA0cPf12.

管式循環(huán)反應器的環(huán)流循環(huán)比A點作物料衡算

cA1=cA0cA1=cAf進料體積流量循環(huán)體積流量理想管式反應器連續(xù)釜式反應器這里是有組織的cAf循環(huán)器出口反應物濃度循環(huán)器進口反應物濃度進料反應物濃度cA1物料衡算循環(huán)比R：理想管式反應器循環(huán)比R：連續(xù)釜式反應器間歇釜式反應器：混合連續(xù)釜式反應器：強烈環(huán)流——返混（不同齡混和）——全混釜——改變濃度分布，造成生產(chǎn)能力下降13.返混特點不同時刻進入物料間的混合連續(xù)后才有改變濃度分布，利弊取決于動力學——濃度效應

（如果釜式反應器連續(xù)操作由于返混而不利，可采用多釜操作）是連續(xù)反應器的一個重要工程因素14.限制返混的措施

返混利弊視反應特征而定

“放大效應”管式反應器：填充填料，促使速度分布均勻。

L/dp100,速度分布影響很小氣液鼓泡塔：放填料分散氣泡、增強傳質、限制返混設置橫向擋板（多級鼓泡反應器）安裝垂直同心套管流化床：多層管長填料直徑。。。。。。。。。。。。。。多級鼓泡反應器示意圖------------------

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。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。氣體進液體出

液體進氣體出檔板-----------------

氣體進液體出

液體進氣體出氣液鼓泡塔安裝垂直同心套管。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。同心的垂直套管連續(xù)釜式反應器：多釜串聯(lián)多釜串聯(lián)可以減少空時，

也即可以降低反應器體積VR--------------------------------------------------------------------------------

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--------cAf

cA2cA1cA0反應器體積物料初始體積流量減少15.多釜串聯(lián)反應結果得出計算：如一級，各釜體積、溫度相同，則第N釜圖解cA1cA2各釜串聯(lián)操作方程(-rA)第一釜體積例：AP,850C,k=3.45h-1,V=10m3,x=0.95,

qV0=1.82m3h-1,若改兩釜串聯(lián)，總反應體積多少？

（兩釜體積相等）解：設總體積V=2V1=2V2

連續(xù)釜式第二釜體積上兩式消去cA1（方程兩邊分別相乘）三釜十釜一釜結論：a.隨釜數(shù)增加，效益緩慢

b.隨釜數(shù)增加，反應器制造、維護、操作和控制復雜，通常以3至4釜為宜第七節(jié)非均相反應過程中的質量傳遞一.非均相反應過程的研究方法氣固相催化合成氨、SO2氧化流固非催化反應FeS2焙燒氣液鼓泡反應器互不相溶液液反應（連續(xù)釜式反應器）傳質尺度：微團

催化劑顆粒、液滴、氣泡設備流動、溫度不均勻性

濃差不考慮熱效應

主體顆粒表面內表面[吸附反應脫附]

顆粒表面主體外擴1內擴2內擴6外擴7345反應物產(chǎn)物氣相反應在AR催化劑表面進行:考察方法氣體——無法跟蹤物料停留時間反應時間

考察微元cb

cescis

催化劑顆粒外表面濃度ces流體主體濃度cb催化劑顆粒內表面濃度cis（cis也不是單一數(shù)值，隨內部深度不同而變化）非均相過程擬均相化a.效率因子法便于剖析b.表觀動力學法便于應用

cbcescis反應速率效率因子反應選擇率效率因子cbces顆粒床層二.非均相反應過程中的外部質量傳遞假設（－r）=kcisn冪級數(shù)

cis＝ces

忽略內部傳遞反應速率與傳質速率傳質速率N＝kga（cb－ces）a：比表面積顆粒外表面積定態(tài)下：R＝N＝（－r）表觀速率擴散對化學反應影響，由引起傳質對影響由決定，k，影響

（由最慢、最弱因素決定）傳質結果，使反應速率一級結果：極限反應速率與極限傳質速率

極限反應速率

極限傳質速率化學反應控制傳質控制

>>

k<<k本征動力學原來反應級數(shù)速率常數(shù)活化能擴散動力學表觀反應級數(shù)＝1表觀活化能催化劑顆粒外表面濃度和外部效率因子一級極限反應速率極限傳質速率Damkohler準數(shù)（達姆克勒準數(shù)）顆粒外部傳質影響大小判據(jù)準數(shù)概念、意義：

（摩擦系數(shù)）=f(Re、／d)..非一級除以根據(jù)定義（1）代入（1）整級數(shù)反應時的顆粒外表面濃度反應級數(shù)1級2級0.5級反應級數(shù)1級2級0.5級整級數(shù)反應時顆粒外部效率因子外部效率因子Da，極限反應速率

極限傳質速率，傳質控制，ces0，＝0Da，極限反應速率極限傳質速率，反應控制，1，＝1Da＝非一級，濃度的影響與級數(shù)有關

大于一級，進料端影響出料端小于一級，進料端影響出料端均相串聯(lián)反應對選擇率的溫度效應和濃度效應。轉化率對均相串聯(lián)反應選擇率有何影響？請解釋。理想管式和連續(xù)釜式反應器空時比較有何特點？對于自催化反應，如要求出口濃度很低，如何采用反應器組合，請用圖示意。返混特點。對管式固定床、氣液鼓泡塔和流化床如何限制返混？多釜串聯(lián)反應結果的得出。思考題：習題：（共3題）自催化反應A+R2R,其速率方程式為(-rA)=kcAcR,在700C等溫進行時，k=1.512m3

kmol-1

h-1。已知：cA0=0.99kmol

m-3,cR0=0.01kmolm-3,qV0=1m3

h-1,若要求轉化率達99％，試求此反應分別在活塞流反應器和全混流反應器中進行時所需反應器的有效體積。（答：6.1m3

；66.13m3

）將上題改在由全混流反應器和活塞流反應器組成的串聯(lián)反應器中進行（CSTR在前），已知k=1.512m3

kmol-1h-1，cA0=1kmolm-3，cR0=0.01kmol

m-3，qV0=1m3h-1，求轉化率達98％時所需組合反應器的總有效體積。（答：3.9m3）有一反應

A＋BC＋D，在兩個相同的串聯(lián)全混釜中進行，（-rA)=kcAcB,已知k＝1.00［dm3

·mol－1

·min－1]，cA0＝cB0＝1.00［mol·dm－3］，

物料經(jīng)二釜總的空間時間為10min，

求：（1）該反應經(jīng)過二釜后的轉化率；（2）若再串聯(lián)一個同樣的反應釜，則轉化率可提高多少？

（答：81.4％；6.9％）