華東理工大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程階段輔導(dǎo)

華東理工大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程階段輔導(dǎo)第1頁/共74頁工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化研究對象—工業(yè)反應(yīng)過程、工業(yè)反應(yīng)器研究目的—優(yōu)化優(yōu)化—在一定范圍內(nèi)（約束條件）選擇一組合適的變量，使系統(tǒng)對評價標(biāo)準(zhǔn)（優(yōu)化指標(biāo)）達到最優(yōu)。緒論第2頁/共74頁技術(shù)指標(biāo)選擇性—原料消耗，成本能耗—操作費用反應(yīng)速率—反應(yīng)器大小,設(shè)備投資設(shè)計型優(yōu)化類型操作型第3頁/共74頁轉(zhuǎn)化率xA轉(zhuǎn)化率x恒容時某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的百分率——總轉(zhuǎn)化率x第4頁/共74頁

選擇性

Selectivity選擇性β（S）aAsS（副產(chǎn)物）pP（主產(chǎn)物）一般地瞬時選擇性第5頁/共74頁

收率

Yield收率單耗＝１/收率molＰ／molＡkgＰ/kgＡ第6頁/共74頁第7頁/共74頁決策變量操作方式—連續(xù)性、加料方式工藝條件—T、C、t、Sv、ug等結(jié)構(gòu)變量—結(jié)構(gòu)、型式、尺寸第8頁/共74頁化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容：反應(yīng)→動力學(xué)反應(yīng)+流體流動→返混反應(yīng)+傳質(zhì)→效率因子反應(yīng)+傳熱→熱穩(wěn)定性、靈敏度第9頁/共74頁化學(xué)反應(yīng)工程在過程開發(fā)中的作用反應(yīng)器的工程放大過程開發(fā)要解決三個問題反應(yīng)器選型優(yōu)惠工藝條件過程開發(fā)方法逐級經(jīng)驗放大方法數(shù)學(xué)模型方法第10頁/共74頁化學(xué)反應(yīng)速率的工程表示反應(yīng)量：molkmol反應(yīng)場所（反應(yīng)區(qū)）：VR，VCAT.，kgCAT

，m2表面等

（-rA)：kmol/（m3.h），kmol/（kg.h），等等 “-”消失速率-rA “+”生成速率rp化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)第11頁/共74頁對于多組分反應(yīng)第12頁/共74頁一般C、T影響是相互獨立的（經(jīng)驗）

—反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)

—反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)反應(yīng)動力學(xué)表達式反應(yīng)速率與溫度、濃度的關(guān)系—動力學(xué)方程例如反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)（溫度項）包含反應(yīng)級數(shù)的濃度項第13頁/共74頁k的因次與n有關(guān)：n=1,k=[時間]-1溫度項式中 k——反應(yīng)速率常數(shù)

k0——頻率因子

T——溫度K E——反應(yīng)活化能J/mol，cal/mol R——氣體普適常數(shù)—阿累尼烏斯(Arrhenius)公式影響化學(xué)反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)第14頁/共74頁⑴E的本質(zhì)—反應(yīng)速率對溫度變化的敏感程度理論思維：E的工程意義—反應(yīng)速率對溫度變化的敏感程度T不變…E越大，ΔT小E不變…T越大，ΔT大速率常數(shù)提高一倍所需提高的溫度直觀理解：第15頁/共74頁⑵與反應(yīng)熱ΔH的關(guān)系⑶活化能的數(shù)量級

40~200kJ/mol如果E<40kJ/mol，或<10kcal/mol，可能有傳質(zhì)影響擴散系數(shù)擴散活化能ED=（1~3）kcal/mol第16頁/共74頁活化能的計算A.理論上已知兩點溫度下反應(yīng)速率，可估算EB.圖解法——根據(jù)斜率求Elnk1/TC.線性回歸——最小二乘法求E第17頁/共74頁第18頁/共74頁影響化學(xué)反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)表達形式：⑴冪函數(shù)型 ⑵雙曲線型 ⑶經(jīng)驗型常用氣固相催化反應(yīng)冪函數(shù)型優(yōu)點：適應(yīng)性強，數(shù)據(jù)整理、運算方便 是最常用的濃度效應(yīng)的函數(shù)形式第19頁/共74頁對反應(yīng)⑴反應(yīng)級數(shù)（動力學(xué)）不同于反應(yīng)分子數(shù)（化學(xué)計量學(xué)）基元反應(yīng)兩者等同反應(yīng)級數(shù)由實驗測定，通常0、1、2級，或非整數(shù)級總級數(shù)通常反應(yīng)速率對濃度變化的敏感程度⑵反應(yīng)級數(shù)工程意義放大n倍級數(shù)越大，敏感第20頁/共74頁理想化學(xué)反應(yīng)器定義：—排除工程因素影響的反應(yīng)器

—反應(yīng)結(jié)果由動力學(xué)決定分類：*間歇攪拌釜式反應(yīng)器（BR） *管式流動反應(yīng)器（PFR）理想間歇反應(yīng)器與典型化學(xué)反應(yīng)的基本特征第21頁/共74頁反應(yīng)類型簡單反應(yīng)A→P可逆反應(yīng)串聯(lián)反應(yīng)：A→P→SPS平行反應(yīng)A第22頁/共74頁理想間歇反應(yīng)器計算解法：⑴解析解，定量計算 ⑵圖解法，定性判斷恒容時；第23頁/共74頁n級不可逆反應(yīng)第24頁/共74頁

圖解法恒容時；第25頁/共74頁第26頁/共74頁第27頁/共74頁自催化反應(yīng)

自催化反應(yīng)指的是反應(yīng)產(chǎn)物本身具有催化作用，能加速反應(yīng)的進行。工業(yè)生產(chǎn)上的發(fā)酵過程是一類典型的自催化反應(yīng)過程。

特征：⑴反應(yīng)存在啟動過程—產(chǎn)物的催化作用 ⑵存在最大速率小∵初期CA大，CP小大∵中期CA≈CP小∵后期CA小，CP大第28頁/共74頁計算：解析解圖解法第29頁/共74頁第30頁/共74頁自測題第31頁/共74頁特征：平衡一級可逆反應(yīng)分析一級假定理想間歇反應(yīng)器中的可逆反應(yīng)第32頁/共74頁平衡狀態(tài)當(dāng)ΔHr〉0，可逆吸熱，當(dāng)ΔHr〈0，可逆放熱，TΔHr〉0ΔHr〈0第33頁/共74頁工業(yè)過程受平衡的限制（熱力學(xué)）改變平衡狀態(tài)的措施： ①改變K—吸熱，受材質(zhì)限制；

—放熱，受動力學(xué)限制。 ②改變體系濃度——反應(yīng)、分離組合APAP第34頁/共74頁可逆反應(yīng)速率表達式積分式：t（k1+k2）第35頁/共74頁濃度效應(yīng)與溫度效應(yīng)濃度效應(yīng)：T不變，K不變，溫度效應(yīng)：T↑可逆吸熱，可逆放熱，動力學(xué)因素?zé)崃W(xué)因素需要對吸熱、放熱兩種情況分別討論第36頁/共74頁SO2氧化反應(yīng)

—典型的可逆放熱反應(yīng)T低時，動力學(xué)因素占主導(dǎo)地位T高時，熱力學(xué)因素占主導(dǎo)地位必然存在最優(yōu)溫度第37頁/共74頁第38頁/共74頁第39頁/共74頁第40頁/共74頁第41頁/共74頁第42頁/共74頁理想間歇反應(yīng)器中的平行反應(yīng)k1

k2APS類型：k1

k2A+BPS第43頁/共74頁平行反應(yīng)CA、CP、CS設(shè)t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等當(dāng)n1=n2時，當(dāng)n1=n2=1時，有：第44頁/共74頁瞬時選擇性或：—存在溫度效應(yīng)與濃度效應(yīng)...平均選擇性第45頁/共74頁

與的關(guān)系圖解法：CafCA0CA平均選擇性—對反應(yīng)前后的計算=第46頁/共74頁平行反應(yīng)選擇性的溫度效應(yīng)不變理論分析E的本質(zhì)—反應(yīng)速率對溫度變化的敏感程度結(jié)論：溫度升高有利于活化能高的反應(yīng)。第47頁/共74頁平行反應(yīng)選擇性的濃度效應(yīng)理論分析n的本質(zhì)—表達了反應(yīng)速率對濃度變化的敏感程度。等溫下與無關(guān)結(jié)論：濃度升高有利于級數(shù)高的反應(yīng)。第48頁/共74頁第49頁/共74頁第50頁/共74頁第51頁/共74頁第52頁/共74頁理想間歇反應(yīng)器中的串連反應(yīng)設(shè)各步反應(yīng)均為一級對A：設(shè)t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等第53頁/共74頁

（與平行反應(yīng)相同）

存在最優(yōu)，對應(yīng)最大（與平行反應(yīng)不同）特征：第54頁/共74頁串連反應(yīng)的選擇性和收率濃度效應(yīng)：任何使串連反應(yīng)的反應(yīng)物濃度下降、產(chǎn)物 濃度上升的因素，對串連反應(yīng)總是不利的β的特征：⑴反應(yīng)初期，β最大=1 ⑵t↑→CA↓CP↑→β↓βt1第55頁/共74頁溫度效應(yīng)結(jié)論：溫度升高有利于活化能高的反應(yīng)。T第56頁/共74頁最優(yōu)轉(zhuǎn)化率最優(yōu)收率（均為k1，k2的函數(shù)）最優(yōu)反應(yīng)時間令第57頁/共74頁最優(yōu)反應(yīng)時間解：最大收率最優(yōu)轉(zhuǎn)化率第58頁/共74頁平推流活塞流反應(yīng)器理想管式反應(yīng)器第59頁/共74頁平推流反應(yīng)器（PFR）流入量＝流出量＋反應(yīng)量＋累積量對微元作物料衡算：空時（與間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間關(guān)系式相同）（如果不計輔助時間，則反應(yīng)器體積完全一樣）v0—進料的體積流量第60頁/共74頁PFR基本方程：適用等溫、變溫、等容、變?nèi)莸确e分式恒容第61頁/共74頁自催化反應(yīng)、可逆反應(yīng)、平行反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)等溫下簡單不可逆反應(yīng)的計算關(guān)系第62頁/共74頁積分式：可逆反應(yīng)自催化反應(yīng)積分式：第63頁/共74頁串聯(lián)反應(yīng)積分式：平行反應(yīng)k1

k2APS積分式：按反應(yīng)動力學(xué)積分第64頁/共74頁空速與空時v0—在規(guī)定條件下，單位時間內(nèi)進入反應(yīng)器的物料體積單位——m3/hr,l/min…規(guī)定條件——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，進口狀態(tài)第65頁/共74頁膨脹因子—每消耗1molA時，系統(tǒng)總mol數(shù)的變化對A：對P：>0增大

<0減小=0不變

膨脹因子氣相反應(yīng)第66頁/共74頁

膨脹率—假定物料體積與轉(zhuǎn)化率的變化為線性關(guān)系含義：例：A→3Pa.純原料，則

b.原料中含50%A和50