反應(yīng)工程第二版-課件

化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程緒論化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)是一門研究涉及化學(xué)反應(yīng)的工程問題的學(xué)科。對于已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，如何將其在工業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)是化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的主要任務(wù)。緒論化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)是一門研究涉及化學(xué)反應(yīng)的工程問題的學(xué)科。精品資料精品資料你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學(xué)問無顏見爹娘……”“太陽當(dāng)空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”反應(yīng)工程第二版-ppt課件精品資料精品資料為了這一目標(biāo)，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)不僅研究化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)條件之間的關(guān)系，即化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，而且，著重研究傳遞過程對化學(xué)反應(yīng)速率的影響；研究不同類型反應(yīng)器的特點(diǎn)及其與化學(xué)反應(yīng)結(jié)果之間的關(guān)系。為了這一目標(biāo)，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)不僅研究化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)條件之工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)較之實(shí)驗(yàn)室規(guī)模要復(fù)雜得多，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上影響不大的質(zhì)量和熱量傳遞因素，在工業(yè)規(guī)模可能起著主導(dǎo)作用。在工業(yè)反應(yīng)器中既有化學(xué)反應(yīng)過程，又有物理過程。物理過程與化學(xué)過程相互影響，相互滲透，有可能導(dǎo)致工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模大相徑庭。工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)較之實(shí)驗(yàn)室規(guī)模要復(fù)雜得多，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上影工業(yè)反應(yīng)器中對反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響的主要物理過程是：(1)由物料的不均勻混合和停留時間不同引起的傳質(zhì)過程；(2)由化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)產(chǎn)生的傳熱過程；(3)多相催化反應(yīng)中在催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散與傳熱過程。這些物理過程與化學(xué)反應(yīng)過程同時發(fā)生。工業(yè)反應(yīng)器中對反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響的主要物理過程是：(1)由物料從本質(zhì)上說，物理過程不會改變化學(xué)反應(yīng)過程的動力學(xué)規(guī)律，即反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律不因?yàn)槲锢磉^程的存在而發(fā)生變化。但是流體流動、傳質(zhì)、傳熱過程會影響實(shí)際反應(yīng)場所的溫度和參與反應(yīng)的各組分濃度在空間上的分布，最終影響到反應(yīng)的結(jié)果。從本質(zhì)上說，物理過程不會改變化學(xué)反應(yīng)過程的動力學(xué)規(guī)律，即反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類方法很多，常按下列四種方法進(jìn)行分類。一、按反應(yīng)系統(tǒng)涉及的相態(tài)分類，分為1．均相反應(yīng)，包括氣相均相反應(yīng)和液相均相反應(yīng)。2．非均相反應(yīng)，包括氣—固相，氣—液相，氣—液—固相反應(yīng)等。化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類方法很多，常按下二、按操作方式分類，分為1．間歇操作，是指一批物料投入反應(yīng)器后，經(jīng)過一定時間的反應(yīng)再取出的操作方法。2．連續(xù)操作，指反應(yīng)物料連續(xù)地通過反應(yīng)器的操作方式。3．半連續(xù)操作，指反應(yīng)器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些則是連續(xù)流動通過反應(yīng)器。二、按操作方式分類，分為三、按反應(yīng)器型式來分類，分為1．管式反應(yīng)器，一般長徑比大于302．槽式反應(yīng)器，一般高徑比為1—33．塔式反應(yīng)器，一般高徑比在3—30之間三、按反應(yīng)器型式來分類，分為四、按傳熱條件分類，分為1．等溫反應(yīng)器，整個反應(yīng)器維持恒溫，這對傳熱要求很高。2．絕熱反應(yīng)器，反應(yīng)器與外界沒有熱量交換，全部反應(yīng)熱效應(yīng)使物料升溫或降溫。3．非等溫、非絕熱反應(yīng)器，與外界有熱量交換，但不等溫。四、按傳熱條件分類，分為重油的催化裂化流化床反應(yīng)器重油的催化裂化流化床反應(yīng)器攪拌釜式反應(yīng)器攪拌釜式反應(yīng)器鄰二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反應(yīng)器鄰二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反應(yīng)器乙苯加氫氣液塔式反應(yīng)器乙苯加氫氣液塔式反應(yīng)器輕油裂解制乙烯管式非催化反應(yīng)器輕油裂解制乙烯管式非催化反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法是數(shù)學(xué)模型法。數(shù)學(xué)模型法是對復(fù)雜的難以用數(shù)學(xué)全面描述的客觀實(shí)體，人為地做某些假定，設(shè)想出一個簡化模型，并通過對簡化模型的數(shù)學(xué)求解，達(dá)到利用簡單數(shù)學(xué)方程描述復(fù)雜物理過程的目的?；瘜W(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法是數(shù)學(xué)模數(shù)學(xué)模型法1．建立簡化物理模型對復(fù)雜客觀實(shí)體，在深入了解基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理簡化，設(shè)想一個物理過程(模型)代替實(shí)際過程。簡化必須合理，即簡化模型必須反映客觀實(shí)體，便于數(shù)學(xué)描述和適用。數(shù)學(xué)模型法1．建立簡化物理模型2．建立數(shù)學(xué)模型依照物理模型和相關(guān)的已知原理，寫出描述物理模型的數(shù)學(xué)方程及其初始和邊界條件。3．用模型方程的解討論客體的特性規(guī)律2．建立數(shù)學(xué)模型利用數(shù)學(xué)模型解決化學(xué)反應(yīng)工程問題基本步驟為：1．小試研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律；2．大型冷模實(shí)驗(yàn)研究傳遞過程規(guī)律；3．利用計算機(jī)或其它手段綜合反應(yīng)規(guī)律和傳遞規(guī)律，預(yù)測大型反應(yīng)器性能，尋找優(yōu)化條件；4．熱模實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的等效性。利用數(shù)學(xué)模型解決化學(xué)反應(yīng)工程問題基本步驟為：第一章均相單一反應(yīng)動力學(xué)和理想反應(yīng)器第一章均相單一反應(yīng)動力學(xué)和理想反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)式反應(yīng)物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的過程用定量關(guān)系式予以描述時,該定量關(guān)系式稱為化學(xué)反應(yīng)式:化學(xué)反應(yīng)式反應(yīng)物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的過程用定量關(guān)系式予以描述化學(xué)反應(yīng)計量式化學(xué)反應(yīng)計量式（化學(xué)反應(yīng)計量方程）是一個方程式，允許按方程式的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，如將各相移至等號的同一側(cè)?；瘜W(xué)反應(yīng)計量式化學(xué)反應(yīng)計量式（化學(xué)反應(yīng)計量方程）化學(xué)反應(yīng)計量式只表示參與化學(xué)反應(yīng)的各組分之間的計量關(guān)系，與反應(yīng)歷程及反應(yīng)可以進(jìn)行的程度無關(guān)?；瘜W(xué)反應(yīng)計量式不得含有除1以外的任何公因子。具體寫法依習(xí)慣而定，與均被認(rèn)可，但通常將關(guān)鍵組分（關(guān)注的、價值較高的組分）的計量系數(shù)寫為1?；瘜W(xué)反應(yīng)計量式只表示參與化學(xué)反應(yīng)的各組分之間的計量關(guān)系，與反反應(yīng)程度（反應(yīng)進(jìn)度）引入“反應(yīng)程度”來描述反應(yīng)進(jìn)行的深度。對于任一化學(xué)反應(yīng)定義反應(yīng)程度式中，nI為體系中參與反應(yīng)的任意組分I的摩爾數(shù)，αI為其計量系數(shù)，nI0為起始時刻組分I的摩爾數(shù)。反應(yīng)程度（反應(yīng)進(jìn)度）引入“反應(yīng)程度”來描述反應(yīng)進(jìn)行的深度。因此，該量ξ可以作為化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度的度量。ξ恒為正值，具有廣度性質(zhì)，因次為[mol]。反應(yīng)進(jìn)行到某時刻，體系中各組分的摩爾數(shù)與反應(yīng)程度的關(guān)系為：因此，該量ξ可以作為化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度的度量。轉(zhuǎn)化率目前普遍使用著眼組分A的轉(zhuǎn)化率來描述一個化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。定義轉(zhuǎn)化率目前普遍使用著眼組分A的轉(zhuǎn)化率來描述一個化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的組分A的選取原則A必須是反應(yīng)物，它在原料中的量按照化學(xué)計量方程計算應(yīng)當(dāng)可以完全反應(yīng)掉（與化學(xué)平衡無關(guān)），即轉(zhuǎn)化率的最大值應(yīng)當(dāng)可以達(dá)到100%，如果體系中有多于一個組份滿足上述要求，通常選取重點(diǎn)關(guān)注的、經(jīng)濟(jì)價值相對高的組分定義轉(zhuǎn)化率。組分A的選取原則A必須是反應(yīng)物，它在原料中的量按照化學(xué)計量方轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)程度的關(guān)系，結(jié)合得到：轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)程度的關(guān)系，結(jié)合亦可得到任意組分在任意時刻的摩爾數(shù)對A組分本身，將上式中的I用A代替，可得亦可得到任意組分在任意時刻的摩爾數(shù)化學(xué)反應(yīng)速率反應(yīng)速率定義為單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)程度隨時間的變化率化學(xué)反應(yīng)速率反應(yīng)速率定義為單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)程度隨時間的變化常用的還有以反應(yīng)體系中各個組份分別定義的反應(yīng)速率。nA：反應(yīng)體系內(nèi)，反應(yīng)物A的摩爾數(shù)；V：反應(yīng)體積t：時間常用的還有以反應(yīng)體系中各個組份分別定義的反應(yīng)速率。以反應(yīng)物B為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為：以反應(yīng)產(chǎn)物C為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為：以反應(yīng)物B為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為：必有當(dāng)I為反應(yīng)物時，I為產(chǎn)物時，必有化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率因素之間的關(guān)系式稱為反應(yīng)動力學(xué)方程。大量實(shí)驗(yàn)表明，均相反應(yīng)的速率是反應(yīng)物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。而反應(yīng)壓力通?？捎煞磻?yīng)物系的組成和溫度通過狀態(tài)方程來確定，不是獨(dú)立變量。所以主要考慮反應(yīng)物系組成和溫度對反應(yīng)速率的影響?；瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率因素之間的關(guān)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程有多種形式，對于均相反應(yīng)，方程多數(shù)可以寫為（或可以近似寫為，至少在一定濃度范圍之內(nèi)可以寫為）冪函數(shù)形式，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的某一方次呈正比?；瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程有多種形式，對于均相反應(yīng)，方程多數(shù)可以寫為對于體系中只進(jìn)行一個不可逆反應(yīng)的過程，式中：cA，cB：A，B組分的濃度mol.m-3kc為以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)，隨反應(yīng)級數(shù)的不同有不同的因次。kc是溫度的函數(shù)，在一般工業(yè)精度上，符合阿累尼烏斯關(guān)系。對于體系中只進(jìn)行一個不可逆反應(yīng)的過程，阿累尼烏斯關(guān)系kc0：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無關(guān)，具有和反應(yīng)速率常數(shù)相同的因次。E：活化能，[J·mol-1]，從化學(xué)反應(yīng)工程的角度看，活化能反映了反應(yīng)速率對溫度變化的敏感程度。阿累尼烏斯關(guān)系kc0：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無關(guān)，反應(yīng)級數(shù)m，n：A，B組分的反應(yīng)級數(shù)，m+n為此反應(yīng)的總級數(shù)。如果反應(yīng)級數(shù)與反應(yīng)組份的化學(xué)計量系數(shù)相同，即m=a并且n=b，此反應(yīng)可能是基元反應(yīng)。基元反應(yīng)的總級數(shù)一般為1或2，極個別有3，沒有大于3級的基元反應(yīng)。對于非基元反應(yīng)，m，n多數(shù)為實(shí)驗(yàn)測得的經(jīng)驗(yàn)值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是負(fù)數(shù)。反應(yīng)級數(shù)m，n：A，B組分的反應(yīng)級數(shù)，m+n為此反應(yīng)的總級數(shù)把化學(xué)反應(yīng)定義式和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程相結(jié)合，可以得到：直接積分，可獲得化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程的積分形式。把化學(xué)反應(yīng)定義式和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程相結(jié)合，可以得到：對一級不可逆反應(yīng)，恒容過程，有：由上式可以看出，對于一級不可逆反應(yīng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的時間與反應(yīng)物的初始濃度cA0無關(guān)。對一級不可逆反應(yīng)，恒容過程，有：半衰期定義反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時間為該反應(yīng)的半衰期。除一級反應(yīng)外，反應(yīng)的半衰期是初始濃度的函數(shù)。例如，二級反應(yīng)半衰期定義反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時間為該反應(yīng)的半衰期。建立動力學(xué)方程式的方法動力學(xué)方程表現(xiàn)的是化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物溫度、濃度之間的關(guān)系。而建立一個動力學(xué)方程，就是要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出上述關(guān)系。對于一些相對簡單的動力學(xué)關(guān)系，如簡單級數(shù)反應(yīng)，在等溫條件下，回歸可以由簡單計算手工進(jìn)行。建立動力學(xué)方程式的方法動力學(xué)方程表現(xiàn)的是化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物積分法(1)首先根據(jù)對該反應(yīng)的初步認(rèn)識，先假設(shè)一個不可逆反應(yīng)動力學(xué)方程，如(-rA)=kf'(cA)，經(jīng)過積分運(yùn)算后得到，f(cA)=kt的關(guān)系式。例如，一級反應(yīng)積分法(1)首先根據(jù)對該反應(yīng)的初步認(rèn)識，先假設(shè)一個不可逆反應(yīng)(2)將實(shí)驗(yàn)中得到的ti下的ci的數(shù)據(jù)代f(ci)函數(shù)中，得到各ti下的f(ci)數(shù)據(jù)。(3)以t為橫座標(biāo)，f(ci)為縱座標(biāo)，將ti-f(ci)數(shù)據(jù)標(biāo)繪出來，如果得到過原點(diǎn)的直線，則表明所假設(shè)的動力學(xué)方程是可取的(即假設(shè)的級數(shù)是正確的)，其直線的斜率即為反應(yīng)速率常數(shù)k。否則重新假設(shè)另一動力學(xué)方程，再重復(fù)上述步驟，直到得到直線為止。(2)將實(shí)驗(yàn)中得到的ti下的ci的數(shù)據(jù)代f(ci)函數(shù)中，得反應(yīng)工程第二版-ppt課件為了求取活化能E，可再選若干溫度，作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度下的等溫、恒容均相反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此求出相應(yīng)的k值。故以lnk對1/T作圖，將得到一條直線，其斜率即為-E/R，可求得E。可將n次實(shí)驗(yàn)所求得k和與之相對應(yīng)的1/T取平均值作為最后結(jié)果。為了求取活化能E，可再選若干溫度，作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度下反應(yīng)工程第二版-ppt課件例1-1等溫條件下進(jìn)行醋酸(A)和丁醇(B)的醋化反應(yīng)：CH3COOH+C4H9OH=CH3COOC4H9+H2O醋酸和丁醇的初始濃度分別為0.2332和1.16kmolm-3。測得不同時間下醋酸轉(zhuǎn)化量如表所示。試求反應(yīng)的速率方程。例1-1等溫條件下進(jìn)行醋酸(A)和丁醇(B)的醋化反應(yīng)：解：由于題目中給的數(shù)據(jù)均是醋酸轉(zhuǎn)化率較低時的數(shù)據(jù)，可以忽略逆反應(yīng)的影響，而丁醇又大大過量，反應(yīng)過程中丁醇濃度可視為不變。所以反應(yīng)速率方程為：解：由于題目中給的數(shù)據(jù)均是醋酸轉(zhuǎn)化率較低時的數(shù)據(jù)，可以忽略逆將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按0、1和2級處理并得到t-f(cA)的關(guān)系將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按0、1和2級處理并得到t-f(cA)的關(guān)系反應(yīng)工程第二版-ppt課件從圖可知，以對t作圖為一直線，則說明n=2是正確的，故該反應(yīng)對醋酸為二級反應(yīng)，從直線的斜率可以求得在此溫度下包含丁醇濃度的k’值。而丁醇的反應(yīng)級數(shù)m可以用保持醋酸濃度不變的方法求得，二者結(jié)合可以求得反應(yīng)在此溫度下的速率常數(shù)k。從圖可知，以微分法微分法是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反應(yīng)器中測得的數(shù)據(jù)cA-t直接進(jìn)行處理得到動力學(xué)關(guān)系的方法。在等溫下實(shí)驗(yàn)，得到反應(yīng)器中不同時間反應(yīng)物濃度的數(shù)據(jù)。將這組數(shù)據(jù)以時間t為橫坐標(biāo)，反應(yīng)物濃度cA為縱坐標(biāo)直接作圖。微分法微分法是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反應(yīng)器中測得的數(shù)據(jù)cA將圖上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑曲線（要求反映出動力學(xué)規(guī)律，而不必通過每一個點(diǎn)），用測量各點(diǎn)斜率的方法進(jìn)行數(shù)值或圖解微分，得到若干對不同t時刻的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。再將不可逆反應(yīng)速率方程如線性化，兩邊取對數(shù)得：將圖上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑曲線（要求反映出動力學(xué)規(guī)律，而不必通過以對作圖得到直線其斜率為反應(yīng)級數(shù)n，截距為lnk，以此求得n和k值。微分法的優(yōu)點(diǎn)在于可以得到非整數(shù)的反應(yīng)級數(shù)，缺點(diǎn)在于圖上微分時可能出現(xiàn)的人為誤差比較大。以對作圖得到化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)物料衡算方程物料衡算所針對的具體體系稱體積元。體積元有確定的邊界，由這些邊界圍住的體積稱為系統(tǒng)體積。在這個體積元中，物料溫度、濃度必須是均勻的。在滿足這個條件的前提下盡可能使這個體積元體積更大。在這個體積元中對關(guān)鍵組分A進(jìn)行物料衡算?；瘜W(xué)反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)物料衡算方程物料衡算所針對的具體體系稱用符號表示：更普遍地說，對于體積元內(nèi)的任何物料，進(jìn)入、排出、反應(yīng)、積累量的代數(shù)和為0。不同的反應(yīng)器和操作方式，某些項(xiàng)可能為0。用符號表示：幾個時間概念(1)反應(yīng)持續(xù)時間tr

簡稱為反應(yīng)時間，用于間歇反應(yīng)器。指反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到所要求的反應(yīng)程度或轉(zhuǎn)化率所需時間，其中不包括裝料、卸料、升溫、降溫等非反應(yīng)的輔助時間。(2)停留時間t和平均停留時間停留時間又稱接觸時間，用于連續(xù)流動反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時間。幾個時間概念(1)反應(yīng)持續(xù)時間tr簡稱為反應(yīng)時間，用于間(3)空間時間τ其定義為反應(yīng)器有效容積VR與流體特征體積流率V0之比值。即空間時間是一個人為規(guī)定的參量，它表示處理在進(jìn)口條件下一個反應(yīng)器體積的流體所需要的時間。空間時間不是停留時間(3)空間時間τ其定義為反應(yīng)器有效容積VR與流體特征體積(4)空間速度SV

有空速和標(biāo)準(zhǔn)空速之分?？账俚囊话愣x為在單位時間內(nèi)投入單位有效反應(yīng)器容積內(nèi)的物料體積。即：標(biāo)準(zhǔn)空速定義為：(4)空間速度SV理想反應(yīng)器在工業(yè)上化學(xué)反應(yīng)必然要在某種設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，這種設(shè)備就是反應(yīng)器。根據(jù)各種化學(xué)反應(yīng)的不同特性，反應(yīng)器的形式和操作方式有很大差異。從本質(zhì)上講，反應(yīng)器的形式并不會影響化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性。但是物料在不同類型的反應(yīng)器中流動情況是不同的。理想反應(yīng)器在工業(yè)上化學(xué)反應(yīng)必然要在某種設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，這種設(shè)備就簡單混合與返混若相互混合的物料是在相同的時間進(jìn)入反應(yīng)器的，具有相同的反應(yīng)程度，混合后的物料必然與混合前的物料完全相同。這種發(fā)生在停留時間相同的物料之間的均勻化過程，稱之為簡單混合。如果發(fā)生混合前的物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間不同，反應(yīng)程度就不同，組成也不會相同?；旌现蟮奈锪辖M成與混合前必然不同，反應(yīng)速率也會隨之發(fā)生變化，這種發(fā)生在停留時間不同的物料之間的均勻化過程，稱之為返混。簡單混合與返混若相互混合的物料是在相同的時間進(jìn)入反應(yīng)器的，具按物料在反應(yīng)器內(nèi)返混情況作為反應(yīng)器分類的依據(jù)將能更好的反映出其本質(zhì)上的差異。按返混情況不同反應(yīng)器被分為以下四種類型按物料在反應(yīng)器內(nèi)返混情況作為反應(yīng)器分類的依據(jù)將能更好的反映出間歇反應(yīng)器間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器（簡稱間歇反應(yīng)器）。在反應(yīng)器中物料被充分混合，但由于所有物料均為同一時間進(jìn)入的，物料之間的混合過程屬于簡單混合，不存在返混。間歇反應(yīng)器間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器（簡稱間歇反應(yīng)器）。在平推流反應(yīng)器理想置換反應(yīng)器（又稱平推流反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器）。在連續(xù)流動的反應(yīng)器內(nèi)物料允許作徑向混合（屬于簡單混合）但不存在軸向混合（即無返混）。典型例子是物料在管內(nèi)流速較快的管式反應(yīng)器。平推流反應(yīng)器理想置換反應(yīng)器（又稱平推流反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器）全混流反應(yīng)器連續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌头磻?yīng)器（簡稱全混流反應(yīng)器）。在這類反應(yīng)器中物料返混達(dá)最大值。全混流反應(yīng)器連續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌头磻?yīng)器（簡稱全混流反應(yīng)器）非理想流反應(yīng)器非理想流反應(yīng)器。物料在這類反應(yīng)器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反應(yīng)器及全混流反應(yīng)器之間。非理想流反應(yīng)器非理想流反應(yīng)器。物料在這類反應(yīng)器中存在一定的返間歇反應(yīng)器反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)過程中不再向反應(yīng)器內(nèi)投料，也不向外排出，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率后，再全部放出反應(yīng)物料。反應(yīng)器內(nèi)的物料在攪拌的作用下其參數(shù)（溫度及濃度）各處均一。間歇反應(yīng)器反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)過程中不再向反應(yīng)器間歇反應(yīng)器特點(diǎn)①由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中各位置的物料溫度、濃度都相同；②由于一次加料，一次出料，反應(yīng)過程中沒有加料、出料，所有物料在反應(yīng)器中停留時間相同，不存在不同停留時間物料的混合，即無返混現(xiàn)象；③出料組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；④為間歇操作，有輔助生產(chǎn)時間。一個生產(chǎn)周期應(yīng)包括反應(yīng)時間、加料時間、出料時間、清洗時間、加熱（或冷卻）時間等。間歇反應(yīng)器特點(diǎn)①由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中各位置間歇反應(yīng)器設(shè)計方程反應(yīng)器有效容積中物料溫度、濃度相同，故選擇整個有效容積V’R作為衡算體系。在單位時間內(nèi)，對組分A作物料衡算：間歇反應(yīng)器設(shè)計方程反應(yīng)器有效容積中物料溫度、濃度相同，故選擇整理得當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為0時，分離變量并積分得為間歇反應(yīng)器設(shè)計計算的通式。它表達(dá)了在一定操作條件下，為達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率xA所需的反應(yīng)時間tr。整理得在恒容條件下，上式可簡化為：間歇反應(yīng)器內(nèi)為達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間tr，只是動力學(xué)方程式的直接積分，與反應(yīng)器大小及物料投入量無關(guān)。在恒容條件下，設(shè)計計算過程對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即單位時間處理的原料量FA[kmol.h-1]以及原料組成CA0[kmol.m-3]、達(dá)到的產(chǎn)品要求xAf及輔助生產(chǎn)時間t’、動力學(xué)方程等，均作為給定的條件，設(shè)計計算出間歇反應(yīng)器的體積。設(shè)計計算過程對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即單位時間處理的原料量FA[①由式計算反應(yīng)時間tr；②計算一批料所需時間tt；tt=tr+t’t’為輔助生產(chǎn)時間③計算每批投放物料總量F’A；F’A=FAtt④計算反應(yīng)器有效容積V’R；①由式計⑤計算反應(yīng)器總體積VR。反應(yīng)器總體積應(yīng)包括有效容積、分離空間、輔助部件占有體積。通常有效容積占總體積分率為60％～85％，該分率稱為反應(yīng)器裝填系數(shù)φ，由生產(chǎn)實(shí)際決定。⑤計算反應(yīng)器總體積VR。反應(yīng)器總體積應(yīng)包括有效容積、分離空間例1-3某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70℃用間歇釜并以H2SO4作催化劑進(jìn)行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實(shí)驗(yàn)測得反應(yīng)動力學(xué)方程為：cA0=4kmol.m-3例1-3某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70℃若每天處理2400kg己二酸，每批操作輔助生產(chǎn)時間為1h，反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75，求：(1)轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5，0.6，0.8，0.9時，所需反應(yīng)時間為多少?(2)求轉(zhuǎn)化率為0.8，0.9時，所需反應(yīng)器體積為多少?若每天處理2400kg己二酸，每批操作輔助生產(chǎn)時間為1h，反解：(1)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間為：xA=0.5xA=0.6tr=3.18hxA=0.8tr=8.5hxA=0.9tr=19.0h解：(1)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間為：(2)反應(yīng)器體積的計算xA=0.8時：tt=tr+t’=8.5+1=9.5h每小時己二酸進(jìn)料量FA0，己二酸相對分子質(zhì)量為146，則有：處理體積為：實(shí)際反應(yīng)器體積VR：(2)反應(yīng)器體積的計算反應(yīng)器有效容積V’R：實(shí)際反應(yīng)器體積VR：當(dāng)xA=0.9時：tt=19+1=20hV’R=0.171×20=3.42m3VR=3.42／0.75=4.56m3反應(yīng)器有效容積V’R：理想置換反應(yīng)器理想置換反應(yīng)器是指通過反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同速度向前流動，像活塞一樣在反應(yīng)器中向前平推，故又稱為活塞流或平推流反應(yīng)器，英文名稱為Plug(Piston)FlowReactor，簡稱PFR。理想置換反應(yīng)器理想置換反應(yīng)器是指通過反應(yīng)器的物料沿同一方向以理想置換反應(yīng)器的特性①由于流體沿同一方向，以相同速度向前推進(jìn)，在反應(yīng)器內(nèi)沒有物料的返混，所有物料在反應(yīng)器中的停留時間都是相同的；②在垂直于流動方向上的同一截面，不同徑向位置的流體特性（組成、溫度等）是一致的；③在定常態(tài)下操作，反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)只隨軸向位置改變，不隨時間改變。實(shí)際生產(chǎn)中對于管徑較小、長度較長、流速較大的管式反應(yīng)器，列管固定床反應(yīng)器等，常可按平推流反應(yīng)器處理。理想置換反應(yīng)器的特性①由于流體沿同一方向，以相同速度向前推進(jìn)理想置換反應(yīng)器的設(shè)計方程在等溫理想置換反應(yīng)器內(nèi)，物料的組成沿反應(yīng)器流動方向，從一個截面到另一個截面不斷變化，現(xiàn)取長度為dz、體積為dVR的一微元體系，對關(guān)鍵組份A作物料衡算，如圖所示，這時dVR=Stdl，式中St為截面積。理想置換反應(yīng)器的設(shè)計方程在等溫理想置換反應(yīng)器內(nèi)，物料的組成沿進(jìn)入量-排出量-反應(yīng)量=累積量故FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0由于FA=FA0(1-xA)微分dFA=-FA0dxA所以FA0dxA=(-rA)dVR

為平推流反應(yīng)器物料平衡方程的微分式。對整個反應(yīng)器而言，應(yīng)將上式積分。進(jìn)入量-排出量-反應(yīng)量=累積量上式為平推流反應(yīng)器的積分設(shè)計方程。上式為平推流反應(yīng)器的積分設(shè)計方程。對于恒容過程：以上設(shè)計方程關(guān)聯(lián)了反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器體積和進(jìn)料量四個參數(shù)，可以根據(jù)給定條件從三個已知量求得另一個未知量。對于恒容過程：例1-4條件同例1-3，計算轉(zhuǎn)化率分別為80％、90％時所需平推流反應(yīng)器的大小。解：對PFR代入數(shù)據(jù)xA=0.8時：xA=0.9時：例1-4條件同例1-3，計算轉(zhuǎn)化率分別為80％、90％時所需變?nèi)莘磻?yīng)過程理想置換反應(yīng)器是一種連續(xù)流動反應(yīng)器，可以用于液相反應(yīng)，也可以用于氣相反應(yīng)。用于氣相反應(yīng)時，有些反應(yīng)，反應(yīng)前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)壓力不變的情況下，反應(yīng)會引起系統(tǒng)物流體積發(fā)生變化。物流體積的改變必然帶來反應(yīng)物濃度的變化，從而引起反應(yīng)速率的變化。變?nèi)莘磻?yīng)過程理想置換反應(yīng)器是一種連續(xù)流動反應(yīng)器，可以用于液相膨脹因子和膨脹率為了表征由于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來的影響，引入兩個參數(shù)，膨脹因子和膨脹率。膨脹因子和膨脹率為了表征由于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來的膨脹因子反應(yīng)式計量方程定義膨脹因子即關(guān)鍵組份A的膨脹因子等于反應(yīng)計量系數(shù)的代數(shù)和除以A組分計量系數(shù)的相反數(shù)。膨脹因子反應(yīng)式膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是一個定值，與其它因素一概無關(guān)。膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是一個定膨脹因子的物理意義關(guān)鍵組分A消耗1mol時，引起反應(yīng)物系摩爾數(shù)的變化量。對于恒壓的氣相反應(yīng)，摩爾數(shù)的變化導(dǎo)致反應(yīng)體積變化。δA>0是摩爾數(shù)增加的反應(yīng)，反應(yīng)體積增加。δA<0是摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，反應(yīng)體積減小。δA=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變。膨脹因子的物理意義關(guān)鍵組分A消耗1mol時，引起反應(yīng)物系摩爾膨脹率物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)，而且與其它因素，如惰性物的存在等有關(guān)，因此引入第二個參數(shù)膨脹率。定義膨脹率即A組分的膨脹率等于物系中A組分完全轉(zhuǎn)化所引起的體積變化除以物系的初始體積。膨脹率物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)，而且與其膨脹因子與膨脹率的關(guān)系可以推導(dǎo)出膨脹因子與膨脹率的關(guān)系可以推導(dǎo)出變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系恒壓變?nèi)蒹w系中各組分濃度、摩爾分率及分壓可以由以下推導(dǎo)得到。對于A組分變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系恒壓變?nèi)蒹w系中各組分濃度、摩爾分率例1-5均相氣相反應(yīng)A→3R，其動力學(xué)方程為-rA=kcA，該過程在185℃，400kPa下在一平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，其中k=10-2s-1，進(jìn)料量FA0=30kmol/h，原料含50％惰性氣，為使反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達(dá)80％，該反應(yīng)器體積應(yīng)為多大?例1-5均相氣相反應(yīng)A→3R，其動力學(xué)方程為-rA=kcA，解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)A→3R已知yA0=0.5，因此εA=yA0δA=1平推流反應(yīng)器設(shè)計方程解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)A→3R反應(yīng)工程第二版-ppt課件例1-6在一個平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進(jìn)料裂解制造乙烯。年設(shè)計生產(chǎn)能力為14萬噸乙烯。反應(yīng)是不可逆的一級反應(yīng)，要求達(dá)到乙烷轉(zhuǎn)化率為80％，反應(yīng)器在1100K等溫，恒壓600kPa下操作，已知反應(yīng)活化能為347.3kJ·mol-1，1000K時，k=0.0725s-1。設(shè)計工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器。例1-6在一個平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進(jìn)料裂解制造乙烯。年設(shè)解：設(shè)A為乙烷，B為乙烯，C為氫氣反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是：解：設(shè)A為乙烷，B為乙烯，C為氫氣進(jìn)料乙烷的摩爾流率是：計算1100K時反應(yīng)速率常數(shù)：進(jìn)料乙烷的摩爾流率是：膨脹因子：膨脹率：進(jìn)口體積流量：膨脹因子：平推流反應(yīng)器設(shè)計方程平推流反應(yīng)器設(shè)計方程流體在平推流反應(yīng)器中的真實(shí)停留時間由平推流反應(yīng)器的定義可知，流體在反應(yīng)器內(nèi)不存在任何返混，所有流體微元的真實(shí)停留時間都等于平均停留時間。流體在平推流反應(yīng)器中的真實(shí)停留時間由平推流反應(yīng)器的定義可知，恒壓變?nèi)莘磻?yīng)，由于反應(yīng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實(shí)停留時間與空間時間τ不同。如果反應(yīng)物系體積膨脹，流體流速將逐漸加快，停留時間將小于空間時間；相反，如果反應(yīng)物系體積縮小，停留時間將大于空間時間。恒壓變?nèi)莘磻?yīng)，由于反應(yīng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實(shí)停留時間恒容條件下，εA=0，上式還原為：恒容條件下，εA=0，上式還原為：全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器，簡稱CSTR。流入反應(yīng)器的物料，在瞬間與反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，即在反應(yīng)器中各處物料的溫度、濃度都是相同的。全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)全混流反應(yīng)器特性①物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；②反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；③反應(yīng)器的出口組成與器內(nèi)物料組成相同；④連續(xù)、穩(wěn)定流動，是一定態(tài)過程。全混流反應(yīng)器特性①物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；②反應(yīng)器內(nèi)各處物料全混流反應(yīng)器基本設(shè)計方程全混釜中各處物料均一，故選整個反應(yīng)器有效容積VR為物料衡算體系，對組分A作物料衡算。全混流反應(yīng)器基本設(shè)計方程全混釜中各處物料均一，故選整個反應(yīng)整理得到：恒容條件下又可以簡化為：整理得到：例1-7條件同例1-3的醇酸樹脂生產(chǎn)，若采用CSTR反應(yīng)器，求己二酸轉(zhuǎn)化率分別80％、90％時，所需反應(yīng)器的體積。解：由例1-3已知：例1-7條件同例1-3的醇酸樹脂生產(chǎn)，若采用CSTR反應(yīng)由設(shè)計方程代入數(shù)據(jù)，xAf=0.8時代入數(shù)據(jù)，xAf=0.9時由設(shè)計方程將例1-3，1-4，1-7的結(jié)果匯總從上表可看出，達(dá)到同樣結(jié)果間歇反應(yīng)器比平推流反應(yīng)器所需反應(yīng)體積略大些，這是由于間歇過程需輔助工作時間所造成的。而全混釜反應(yīng)器比平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器所需反應(yīng)體積大得多，這是由于全混釜的返混造成反應(yīng)速率下降所致。當(dāng)轉(zhuǎn)化率增加時，所需反應(yīng)體積迅速增加。將例1-3，1-4，1-7的結(jié)果匯總第二章復(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器選型第二章復(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器選型化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)關(guān)聯(lián)溫度及單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)物的摩爾數(shù)（濃度）與反應(yīng)速率的函數(shù)關(guān)系。而反應(yīng)速率講的是單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)物（或產(chǎn)物）摩爾數(shù)隨時間的變化率。二者都涉及到“單位反應(yīng)體積”。化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)重視反應(yīng)體積的概念，強(qiáng)調(diào)在反應(yīng)器中不同時間、不同位置上的局部濃度可能不相同。這就造成了同一個反應(yīng)發(fā)生在不同反應(yīng)器中會有不同的結(jié)果。化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)關(guān)聯(lián)溫度及單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)物的摩爾數(shù)（濃度）間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和操作方式上與間歇反應(yīng)器截然不同，一個沒有攪拌一個有攪拌；一個連續(xù)操作一個間歇操作；一個是管式一個是釜式，但有一點(diǎn)是共同的，就是二者都沒有返混，所有物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間都相同。既然停留時間都相同，沒有不同停留時間（即不同轉(zhuǎn)化率，不同濃度）物料的混合，兩種反應(yīng)器在相同的進(jìn)口（初始）條件和反應(yīng)時間下，就應(yīng)該得到相同的反應(yīng)結(jié)果。間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和操作方式上與間歇間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上大體相同，但從返混的角度上看卻是完全不同的。間歇反應(yīng)器完全沒有返混，而全混流反應(yīng)器的返混達(dá)到了極大的程度。因而，二者的設(shè)計方程不同，同一個反應(yīng)在這兩種反應(yīng)器中進(jìn)行，產(chǎn)生的結(jié)果也就不一樣。間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上大體單一不可逆反應(yīng)過程平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較單一不可逆反應(yīng)過程平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較對于平推流反應(yīng)器，在恒溫下進(jìn)行，其設(shè)計式為：對于全混流反應(yīng)器，在恒溫下進(jìn)行，其設(shè)計式為：

二式相除，當(dāng)初始條件和反應(yīng)溫度相同時：對于平推流反應(yīng)器，在恒溫下進(jìn)行，其設(shè)計式為：反應(yīng)工程第二版-ppt課件理想流動反應(yīng)器的組合(1)平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作VR=VRl+VR2

因?yàn)槭遣⒙?lián)操作，總物料體積流量等于各反應(yīng)器體積流量之和：V0=V01+V02由平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程理想流動反應(yīng)器的組合(1)平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作盡可能減少返混是保持高轉(zhuǎn)化率的前提條件，而只有當(dāng)并聯(lián)各支路之間的轉(zhuǎn)化率相同時沒有返混。如果各支路之間的轉(zhuǎn)化率不同，就會出現(xiàn)不同轉(zhuǎn)化率的物流相互混合，即不同停留時間的物流的混合，就是返混。因此，是應(yīng)當(dāng)遵循的條件盡可能減少返混是保持高轉(zhuǎn)化率的前提條件，而只有當(dāng)并聯(lián)各支路之(2)全混流反應(yīng)器的并聯(lián)操作多個全混流反應(yīng)器并聯(lián)操作時，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率使反應(yīng)器體積最小，與平推流并聯(lián)操作同樣道理，必須滿足的條件相同。(2)全混流反應(yīng)器的并聯(lián)操作多個全混流反應(yīng)器并聯(lián)操作時(3)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作考慮N個平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作，對串聯(lián)的N個反應(yīng)器而言(3)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作考慮N個平推流反應(yīng)器的串聯(lián)(2)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)操作N個全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作在工業(yè)生產(chǎn)上經(jīng)常遇到。其中各釜均能滿足全混流假設(shè)，且認(rèn)為釜與釜之間符合平推流假定，沒有返混，也不發(fā)生反應(yīng)。(2)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)操作N個全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作在工對任意第i釜中關(guān)鍵組分A作物料衡算。對恒容、定常態(tài)流動系統(tǒng)，V0不變，，故有：對于N釜串聯(lián)操作的系統(tǒng)，總空間時間：τ小于單個全混釜達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率xAN操作時的空間時間。對任意第i釜中關(guān)鍵組分A作物料衡算。由于釜與釜之間不存在返混，故總的返混程度小于單個全混釜的返混。由于釜與釜之間不存在返混，故總的返混程度小于單個全混釜的返混計算出口濃度或轉(zhuǎn)化率對于一級反應(yīng)：依此類推：計算出口濃度或轉(zhuǎn)化率如果各釜體積相同，即停留時間相同，則：對二級反應(yīng)，以上面方法，可以推出：如果各釜體積相同，即停留時間相同，則：例2-1條件同例1-3的醇酸樹脂生產(chǎn)，若采用四釜串聯(lián)的全混釜，求己二酸轉(zhuǎn)化率為80％時，各釜出口己二酸的濃度和所需反應(yīng)器的體積。解：已知例2-1條件同例1-3的醇酸樹脂生產(chǎn)，若采用四釜串聯(lián)的要求第四釜出口轉(zhuǎn)化率為80%，即以試差法確定每釜出口濃度設(shè)τi=3h代入由cA0求出cA1，然后依次求出cA2、cA3、cA4，看是否滿足cA4=0.8的要求。將以上數(shù)據(jù)代入，求得：cA4=0.824kmol·m-3要求第四釜出口轉(zhuǎn)化率為80%，即結(jié)果稍大，重新假設(shè)τi=3.14h，求得：cA1=2.202kmol·m-3cA2=1.437kmol·m-3cA3=1.037kmol·m-3cA4=0.798kmol·m-3基本滿足精度要求。結(jié)果稍大，重新假設(shè)τi=3.14h，求得：循環(huán)反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)上，有時為了控制反應(yīng)物的合適濃度，以便于控制溫度、轉(zhuǎn)化率和收率，或?yàn)榱颂岣咴系睦寐?，常常采用部分物料循環(huán)的操作方法，如圖所示。循環(huán)反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)上，有時為了控制反應(yīng)物的合適濃度，以便于循環(huán)反應(yīng)器的基本假設(shè)：①反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流流動；②管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；③整個體系處于定常態(tài)操作。反應(yīng)器體積可按下式計算：為方便起見，設(shè)循環(huán)物料體積流量與離開反應(yīng)系統(tǒng)物料的體積流量之比為循環(huán)比β，即循環(huán)反應(yīng)器的基本假設(shè)：①反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流流動；②管線內(nèi)不對圖中M點(diǎn)作物料衡算：對整個體系而言，有：可以推導(dǎo)出：對圖中M點(diǎn)作物料衡算：平推流反應(yīng)器設(shè)計方程中，轉(zhuǎn)化率的基準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)與反應(yīng)器入口處體積流量及這一體積流量下轉(zhuǎn)化率為0時的A組分的摩爾流率對應(yīng)：式中，F(xiàn)’A0是一個虛擬的值，它由兩部分組成，新鮮進(jìn)料FA0和循環(huán)回來的物流V3中當(dāng)轉(zhuǎn)化率為0時應(yīng)當(dāng)具有的A的摩爾流率。即：平推流反應(yīng)器設(shè)計方程中，轉(zhuǎn)化率的基準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)與反應(yīng)器入口處體積流由此得到循環(huán)反應(yīng)器體積：當(dāng)循環(huán)比β為0時，還原為普通平推流反應(yīng)器設(shè)計方程。當(dāng)循環(huán)比β→∞時，變?yōu)槿炝鞣磻?yīng)器設(shè)計方程。當(dāng)0<β<∞時，反應(yīng)器屬于非理想流動反應(yīng)器。由此得到循環(huán)反應(yīng)器體積：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(diǎn)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。這類反應(yīng)頻繁出現(xiàn)在生化反應(yīng)過程中。反應(yīng)1反應(yīng)2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。其主特性：通常k2值遠(yuǎn)大于k1。在反應(yīng)初期盡管反應(yīng)物的濃度較高，但產(chǎn)物濃度很低，所以總反應(yīng)速率不大。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)物濃度不斷增加，反應(yīng)物濃度雖然降低，但其值仍然較高。因此，反應(yīng)速率將是增加的。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到某一時刻時，反應(yīng)物濃度的降低對反應(yīng)速率的影響超過了產(chǎn)物濃度增加對反應(yīng)速率的影響，反應(yīng)速率開始下降。特性：反應(yīng)1的動力學(xué)方程為：反應(yīng)2的動力學(xué)方程為：A組分的消耗速率為：在整個反應(yīng)過程中，A組分被反應(yīng)掉了，但生成了等量的P組分，則A與P的總摩爾數(shù)是恒定的，即反應(yīng)1的動力學(xué)方程為：A組分的消耗速率為：分離變量積分得：A組分的消耗速率為：最大反應(yīng)速率對應(yīng)的反應(yīng)物濃度為：最大反應(yīng)速率對應(yīng)的反應(yīng)物濃度為：(1)平推流與全混流反應(yīng)器①低轉(zhuǎn)化率的自催化反應(yīng)，如圖(c)所示，全混流反應(yīng)器優(yōu)于平推流反應(yīng)器；②轉(zhuǎn)化率足夠高時，如圖(a)所示，用平推流反應(yīng)器是較適宜的。但應(yīng)注意，自催化反應(yīng)要求進(jìn)料中必須保證有一些產(chǎn)物，否則平推流反應(yīng)器是不適宜的，此時應(yīng)采用循環(huán)反應(yīng)器。(1)平推流與全混流反應(yīng)器①低轉(zhuǎn)化率的自催化反應(yīng)，如自催化反應(yīng)與循環(huán)反應(yīng)器前面我們已推導(dǎo)出循環(huán)反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式為：當(dāng)β=0，為平推流反應(yīng)器。當(dāng)β→∞，為全混流反應(yīng)器。通過調(diào)節(jié)循環(huán)比β，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。自催化反應(yīng)與循環(huán)反應(yīng)器前面我們已推導(dǎo)出循環(huán)反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式可由：得到：

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。如圖所示。圖中KL代表反應(yīng)器進(jìn)口的值，PQ代表整個反應(yīng)器的平均值。可由：反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)器組合為了使得反應(yīng)器組的總體積最小，設(shè)計這樣一組反應(yīng)器，在這組反應(yīng)器中，反應(yīng)大部分控制在最高速率點(diǎn)或接近最高速率點(diǎn)處進(jìn)行。為此，可使用一個全混釜式反應(yīng)器，它可以不必經(jīng)過較低反應(yīng)速率的中間組成，而直接控制在最高速率組成下操作。然后再由平推流反應(yīng)器完成最終反應(yīng)反應(yīng)器組合為了使得反應(yīng)器組的總體積最小，設(shè)計這樣一組反應(yīng)器，反應(yīng)工程第二版-ppt課件可逆反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型設(shè)可逆反應(yīng)：總反應(yīng)速率(-rA)為正逆反應(yīng)速率之差：可逆反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型設(shè)可逆反應(yīng)：當(dāng)正逆反應(yīng)速率相等時，總反應(yīng)速率為零，反應(yīng)達(dá)到平衡（-rA）=0。此時：式中：KC為此反應(yīng)在當(dāng)前反應(yīng)溫度下以濃度表示的平衡常數(shù)，因次為濃度單位的Δn次方；xAe為平衡轉(zhuǎn)化率。平衡常數(shù)K為熱力學(xué)參數(shù)，無因次，與反應(yīng)速率及其表達(dá)式無關(guān)，可以通過參與此反應(yīng)的各組分的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓求得。當(dāng)正逆反應(yīng)速率相等時，總反應(yīng)速率為零，反應(yīng)達(dá)到平衡（-rA）平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系：如果忽略反應(yīng)熱效應(yīng)隨溫度的變化，可以通過下式由已知的一個溫度下的平衡常數(shù)求得另一個溫度下的平衡常數(shù)：平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系：可以推導(dǎo)出平衡轉(zhuǎn)化率與平衡溫度之間的關(guān)系：可以推導(dǎo)出平衡轉(zhuǎn)化率與平衡溫度之間的關(guān)系：可逆反應(yīng)過程特點(diǎn)(1)在溫度恒定時，隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率xA的增加，正反應(yīng)速率k1f(xA)將隨之下降；逆反應(yīng)速率k2g(xA)將隨之上升；總反應(yīng)速率-rA=ak1f(xA)-ak2g(xA)將隨之下降。(2)溫度對反應(yīng)速率的影響在一定轉(zhuǎn)化率下，可逆吸熱反應(yīng)的速率總是隨著溫度的升高而增加?？赡娣磻?yīng)過程特點(diǎn)(1)在溫度恒定時，隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率xA的反應(yīng)工程第二版-ppt課件可逆放熱反應(yīng)的速率隨溫度的變化規(guī)律如圖所示，當(dāng)溫度較低時，反應(yīng)凈速率隨溫度升高而加快，到達(dá)某一極大值后，隨著溫度的繼續(xù)升高，凈反應(yīng)速率反而下降。可逆放熱反應(yīng)的速率隨溫度的變化規(guī)律如圖所示，當(dāng)溫度較低時，反反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件平行反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型反應(yīng)物能同時進(jìn)行兩個或兩個以上的反應(yīng)，稱為平行反應(yīng)。一般情況下，在平行反應(yīng)生成的多個產(chǎn)物中，只有一個是需要的目的產(chǎn)物，而其余為不希望產(chǎn)生的副產(chǎn)物。在工業(yè)生產(chǎn)上，總是希望在一定反應(yīng)器和工藝條件下，能夠獲得所期望的最大目的產(chǎn)物量，副產(chǎn)物量盡可能小。平行反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型反應(yīng)物能同時進(jìn)行兩個或兩個以上的反應(yīng)考慮下列等溫、恒容基元反應(yīng)：A→P(目的產(chǎn)物)A→S(副產(chǎn)物)反應(yīng)物A的消耗速率為：考慮下列等溫、恒容基元反應(yīng)：產(chǎn)物P、S的生成速率為：當(dāng)兩個反應(yīng)都是一級時，可以積分求得：產(chǎn)物P、S的生成速率為：反應(yīng)工程第二版-ppt課件平行反應(yīng)的選擇性平行反應(yīng)是一種典型的復(fù)合反應(yīng)，流動狀況不但影響其所需反應(yīng)器大小，而且還影響反應(yīng)產(chǎn)物的分布。優(yōu)化的主要技術(shù)指標(biāo)是目的產(chǎn)物的選擇性。平行反應(yīng)的選擇性平行反應(yīng)是一種典型的復(fù)合反應(yīng)，流動狀況不但影選擇性、收率定義（目的產(chǎn)物）

（付產(chǎn)物）生成目的產(chǎn)物的反應(yīng)速率：生成付產(chǎn)物的反應(yīng)速率：選擇性、收率定義轉(zhuǎn)化率式中nA0、nA為進(jìn)入系統(tǒng)和離開系統(tǒng)A物質(zhì)的摩爾數(shù)。平均選擇性式中(ΔnA)P、(ΔnP)為生成目的產(chǎn)物P消耗的A量和生成目的產(chǎn)物P的量。轉(zhuǎn)化率收率y三者關(guān)系：收率y瞬時選擇性SP對于上述平行反應(yīng)瞬時選擇性SP瞬時選擇性與平均選擇性的關(guān)系對平推流或間歇反應(yīng)器對全混流反應(yīng)器對N個串聯(lián)的全混流反應(yīng)器瞬時選擇性與平均選擇性的關(guān)系對平推流或間歇反應(yīng)器當(dāng)a1=p=1時的恒容過程，對任一型式反應(yīng)器，P的出口濃度為：當(dāng)a1=p=1時的恒容過程，對任一型式反應(yīng)器，P的出口濃度為影響瞬時選擇性的因素為了增加目的產(chǎn)物的收率，必須從反應(yīng)器選型及工藝條件優(yōu)化來提高瞬時選擇性。影響瞬時選擇性的因素為了增加目的產(chǎn)物的收率，必須從反應(yīng)器選型a．溫度對選擇性的影響(濃度不變時)①當(dāng)El>E2時，E1-E2>0，隨著溫度的上升，選擇性SP上升，可見高溫有利于提高瞬時選擇性；②當(dāng)E1<E2時，E1-E2<0，隨著溫度的上升，選擇性SP下降，可見降低溫度有利于提高瞬時選擇性?？傊邷囟葘罨艽蟮姆磻?yīng)有利，若主反應(yīng)活化能大，則應(yīng)升高溫度，若主反應(yīng)活化能低，則應(yīng)降低溫度。a．溫度對選擇性的影響(濃度不變時)①當(dāng)El>E2時，Eb．濃度對選擇性的影響(溫度不變時)當(dāng)主反應(yīng)級數(shù)大于副反應(yīng)級數(shù)，即a1>a2，bl>b2時，升高濃度，使選擇性增加，若要維持較高的cA、cB，則應(yīng)選擇平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器b．濃度對選擇性的影響(溫度不變時)當(dāng)主反應(yīng)級數(shù)大于副反反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件例2-2有一分解反應(yīng)其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0=5kmol·m-3，cP0=cS0=0，體積流速為5m3h-1，求轉(zhuǎn)化率為90％時：(1)全混流反應(yīng)器出口目的產(chǎn)物P的濃度及所需全混流反應(yīng)器的體積。(2)若采用平推流反應(yīng)器，其出口cP為多少?所需反應(yīng)器體積為多少?(3)若采用兩釜串聯(lián)，最佳出口cP為多少?相應(yīng)反應(yīng)器體積為多少?例2-2有一分解反應(yīng)(1)全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器平均選擇性等于瞬間選擇性(1)全混流反應(yīng)器(2)平推流反應(yīng)器(2)平推流反應(yīng)器反應(yīng)工程第二版-ppt課件(3)兩個全混釜串聯(lián)為使cP最大，求，得cA1=1.91kmol·m-3(3)兩個全混釜串聯(lián)反應(yīng)工程第二版-ppt課件連串反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型連串反應(yīng)是指反應(yīng)產(chǎn)物能進(jìn)一步反應(yīng)成其它副產(chǎn)物的過程。作為討論的例子，考慮下面最簡單型式的連串反應(yīng)(在等溫、恒容下的基元反應(yīng))：在該反應(yīng)過程中，目的產(chǎn)物為P，若目的產(chǎn)物為S則該反應(yīng)過程可視為非基元的簡單反應(yīng)。連串反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型連串反應(yīng)是指反應(yīng)產(chǎn)物能進(jìn)一步反應(yīng)成其三個組分的生成速率為：設(shè)開始時各組分的濃度為cA0，cP0=cS0=0，則由第一式積分得：三個組分的生成速率為：將此結(jié)果代入第二式得：為一階線性常微分方程，其解為：由于總摩爾數(shù)沒有變化，所以cA0=cA+cP+cS將此結(jié)果代入第二式得：若k2>>k1時，若k1>>k2時，組分A、P、S隨時間的變化關(guān)系以濃度-時間標(biāo)繪得圖若k2>>k1時，反應(yīng)工程第二版-ppt課件中間產(chǎn)物P濃度的最大值及其位置由前面式子可以求出：為了提高目的產(chǎn)物的收率，應(yīng)盡可能使k1/k2比值增加，使cA濃度增加，cP濃度降低。反應(yīng)速率常數(shù)k與濃度無關(guān)，只有改變溫度能夠影響k1/k2。中間產(chǎn)物P濃度的最大值及其位置對連串反應(yīng)瞬時選擇性定義為：如果是一級反應(yīng)且a=p=1對連串反應(yīng)當(dāng)生成中間產(chǎn)物的活化能E1大于進(jìn)一步生成副產(chǎn)物活化能E2(即E1>E2)時，升高溫度對生成中間目的產(chǎn)物是有利。當(dāng)生成中間產(chǎn)物的活化能E1小于生成副產(chǎn)物活化能E2(即E1<E2)時，降低溫度對生成中間目的產(chǎn)物是有利。與平行反應(yīng)一致。當(dāng)生成中間產(chǎn)物的活化能E1大于進(jìn)一步生成副產(chǎn)物活化能E2(即提高cA濃度，降低cP濃度，有利于提高瞬間選擇性，顯然平推流反應(yīng)器(或間歇反應(yīng)器)比全混流反應(yīng)器易滿足這一條件，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器。提高cA濃度，降低cP濃度，有利于提高瞬間選擇性，顯然平推流全混流反應(yīng)器的計算(計算最佳空間時間τop和相應(yīng)的cPmax值)。以最簡單一級反應(yīng)為例：在原料中，cA=cA0，cP0=cS0=0在恒容過程中，在CSTR中對A作物料衡算：全混流反應(yīng)器的計算(計算最佳空間時間τop和相應(yīng)的cPmax對P作物料衡算：當(dāng)時cP值最大，τ為最佳值τop。對P作物料衡算：τop為反應(yīng)速率常數(shù)的幾何平均值的倒數(shù)。τop為反應(yīng)速率常數(shù)的幾何平均值的倒數(shù)。平推流反應(yīng)器的計算。仍討論這一典型的一級恒容反應(yīng)過程。在平推流反應(yīng)器中，任取一微元體，對A組分進(jìn)行物料衡算：平推流反應(yīng)器的計算。仍討論這一典型的一級恒容反應(yīng)過程。在平推同樣對組分P進(jìn)行物料衡算：同樣對組分P進(jìn)行物料衡算：下面針對不同情況確定積分常數(shù)。情況1：當(dāng)kl=k2=k，而且cP0=0；當(dāng)時，相應(yīng)τ為最佳值。得到：下面針對不同情況確定積分常數(shù)。反應(yīng)工程第二版-ppt課件情況2：當(dāng)cP0=0，但k1≠k2時，同樣可解得：情況2：當(dāng)cP0=0，但k1≠k2時，同樣可解得：反應(yīng)工程第二版-ppt課件①在(k2/k1)相同時，即平推流的平均選擇性永遠(yuǎn)大于全混流。②當(dāng)反應(yīng)的平均停留時間小于最優(yōu)反應(yīng)時間時副反應(yīng)生成的S量?。环粗?，副反應(yīng)生成的S量增加，所以平均停留時間寧可取小于τop的值。③隨著轉(zhuǎn)化率增加，平均選擇性是下降的，當(dāng)k2/k1<<1時，轉(zhuǎn)化率增加，下降不顯著，可選擇在較高轉(zhuǎn)化率下操作。當(dāng)k2/k1>1時，轉(zhuǎn)化率增加，平均選擇性明顯下降。為了避免副產(chǎn)物S取代產(chǎn)物P，應(yīng)在低轉(zhuǎn)化率下操作。①在(k2/k1)相同時，即平推流的平均選擇性永遠(yuǎn)大于全混流第三章非理想流動反應(yīng)器第三章非理想流動反應(yīng)器返混物料在反應(yīng)器內(nèi)不僅有空間上的混合而且有時間上的混合，這種混合過程稱為返混。物料在反應(yīng)器內(nèi)必然涉及到混合，即原來在反應(yīng)器內(nèi)不同位置的物料而今處于同一位置。如果原來在反應(yīng)器不同位置的物料是在同一時間進(jìn)入反應(yīng)器的，發(fā)生混合作用時，這種混合稱為簡單混合。如果原來在不同位置的物料是在不同時間進(jìn)入反應(yīng)器的，由于反應(yīng)時間不同，因此物料的濃度是不同的，兩者混合后混合物的濃度與原物料的濃度不同，這種混合過程稱為返混。返混物料在反應(yīng)器內(nèi)不僅有空間上的混合而且有時間上的混合，這種反應(yīng)工程第二版-ppt課件(1)完全不返混型反應(yīng)器(2)充分返混型反應(yīng)器(3)部分返混型反應(yīng)器在這類反應(yīng)器中物料之間存在一定程度的返混，但并未達(dá)到充分返混的程度，現(xiàn)將這類反應(yīng)器稱為非理想流動反應(yīng)器。(1)完全不返混型反應(yīng)器流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布如果物料在反應(yīng)器內(nèi)流動時有返混發(fā)生，度量該返混程度最簡單而且最有效的方法是確定物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間規(guī)律，從而可定量地確定返混程度。由于物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間是一個隨機(jī)過程，對隨機(jī)過程通常用概率予以描述，即用二個函數(shù)及二個特征值予以描述。二個函數(shù)分別是概率函數(shù)和概率密度函數(shù)，二個特征值則是數(shù)學(xué)期望和方差。物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間分布規(guī)律也將用概率予以描述。流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布如果物料在反應(yīng)器內(nèi)流動時有返混發(fā)停留時間分布函數(shù)F(t)當(dāng)物料以穩(wěn)定的流量流入反應(yīng)器而不發(fā)生化學(xué)變化時，在流出物料中停留時問小于t物料占總流出物的分率：F(t)為時間t的停留時間分布概率；Nt為停留時間小于t的物料量；N∞為流出物料的總量，也是流出的停留時間在0與無限大之間的物料量。停留時間分布函數(shù)F(t)當(dāng)物料以穩(wěn)定的流量流入反應(yīng)器而不發(fā)生停留時間分布密度函數(shù)E(t)則存在及停留時間分布密度函數(shù)E(t)則存在反應(yīng)工程第二版-ppt課件平均停留時間平均停留時間，即數(shù)學(xué)期望。變量（時間t）對坐標(biāo)原點(diǎn)的一次矩。平均停留時間平均停留時間，即數(shù)學(xué)期望。變量（時間t散度散度，即方差。變量（時間t）對數(shù)學(xué)期望的二次矩。為了運(yùn)算方便，可改換成如下形式：散度散度，即方差。變量（時間t）對數(shù)學(xué)期望的二次停留時間分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測定目前采用的方法為示蹤法，即在反應(yīng)器物料進(jìn)口處給系統(tǒng)輸入一個訊號，然后在反應(yīng)器的物料出口處測定輸出訊號的變化。根據(jù)輸入訊號的方式及訊號變化的規(guī)律來確定物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布規(guī)律。由于輸入訊號是采用把示蹤劑加入到系統(tǒng)的方法產(chǎn)生的，故稱示蹤法。停留時間分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測定目前采用的方法為示蹤法，即在反應(yīng)器示蹤劑應(yīng)滿足以下要求：①示蹤劑與原物料是互溶的，但與原物料之間無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；②示蹤劑的加入必須對主流體的流動形態(tài)沒有影響；③示蹤劑必須是能用簡便而又精確的方法加以確定的物質(zhì)；④示蹤劑盡量選用無毒、不燃、無腐蝕同時又價格較低的物質(zhì)。示蹤劑應(yīng)滿足以下要求：①示蹤劑與原物料是互溶的，但與原物料之階躍輸入法本法的工作要點(diǎn)是輸入物料中示蹤劑濃度從一種穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的階躍變化。也就是說，原來進(jìn)料中不含或含低濃度的示蹤劑，從某一時間起，全部切換為示蹤物（或提高示蹤物濃度），使進(jìn)料中示蹤物的濃度有一個階躍式突變。階躍輸入法本法的工作要點(diǎn)是輸入物料中示蹤劑濃度從一種穩(wěn)態(tài)到另反應(yīng)工程第二版-ppt課件進(jìn)口物料以體積流量V送入反應(yīng)器，在時間為t時，出料的示蹤劑總量應(yīng)該是Vc，它將由兩部分示蹤劑組成的，一部分是階躍輸入后的物料（量為Vc+）中停留時間小于t的示蹤劑，其量應(yīng)是Vc+F(t)；另一部分是階躍輸入前的物料（量為Vc0-）中時間大于t的示蹤劑，其量為Vc0-(1-F(t))即：進(jìn)口物料以體積流量V送入反應(yīng)器，在時間為t時，出料的示蹤劑總可得如果階躍輸人前進(jìn)口物流中不含示蹤劑，即，上式可以寫成：有了實(shí)測的不同時間t下的c值，即可繪出F(t)-t曲線和E(t)-t曲線，并求出特征值和?？傻胏/c0tt=01響應(yīng)曲線階躍輸入后進(jìn)入的物料階躍輸入前進(jìn)入的物料c/c0tt=01響應(yīng)曲線階躍輸入后進(jìn)入的物料階躍輸入前進(jìn)入例3-1測定某一反應(yīng)器停留時間分布規(guī)律，采用階躍示蹤法，輸入的示蹤劑濃度c0=7.7kg·m-3，在出口處測定響應(yīng)曲線如表所示。求在此條件下F(t)，E(t)及與值。例3-1測定某一反應(yīng)器停留時間分布規(guī)律，采用階躍示蹤法，解：本實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)并非連續(xù)曲線而是離散型的。則F(t)，E(t)，，的計算式如下：解：本實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)并非連續(xù)曲線而是離散型的。則F(t)，E具體計算結(jié)果如表具體計算結(jié)果如表反應(yīng)工程第二版-ppt課件脈沖輸入法本法的工作要點(diǎn)是在一個盡可能短的時間內(nèi)把示蹤物注入到進(jìn)口流中，或者將示蹤物在瞬間代替原來不含示蹤物的進(jìn)料，然后立刻又恢復(fù)原來的進(jìn)料。同時開始測定出口流的響應(yīng)曲線，即出口流中示蹤劑濃度隨時間的變化關(guān)系。因?yàn)槭聚檮┦峭粫r間進(jìn)入反應(yīng)器的，因此停留時間小于t的示蹤劑量應(yīng)該是：脈沖輸入法本法的工作要點(diǎn)是在一個盡可能短的時間內(nèi)把示蹤物注入示蹤劑的總量顯然是：示蹤劑的總量顯然是：例3.2在穩(wěn)定操作的連續(xù)攪拌式形反應(yīng)器的進(jìn)料中脈沖注入染料液(m∞=50g)，測出出口液中示蹤劑濃度隨時間變化關(guān)系如表所示。請確定系統(tǒng)的F(t)，E(t)曲線及，值。例3.2在穩(wěn)定操作的連續(xù)攪拌式形反應(yīng)器的進(jìn)料中脈沖注入染料液解：本實(shí)驗(yàn)采用脈沖示蹤法，測定的時間間隔相同(Δt=120s)，計算式為：解：本實(shí)驗(yàn)采用脈沖示蹤法，測定的時間間隔相同(Δt=120s計算值如表所示。計算值如表所示。反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件用對比時間表示停留時間分布目的：將停留時間分布無因次化。對比時間：換算：將所有關(guān)系式中t用τθ替換。用對比時間表示停留時間分布目的：將停留時間分布無因次化。反應(yīng)工程第二版-ppt課件理想反應(yīng)器的停留時間分布1、平推流反應(yīng)器tt=0F(t)1激勵曲線tt=F(t)1響應(yīng)曲線理想反應(yīng)器的停留時間分布1、平推流反應(yīng)器tt=0F(t)1激脈沖示蹤tt=0E(t)激勵曲線tt=E(t)響應(yīng)曲線脈沖示蹤tt=0E(t)激勵曲線tt=E(t)響應(yīng)曲線示蹤只是顯示停留時間分布規(guī)律，規(guī)律不隨示蹤方法而變。示蹤只是顯示停留時間分布規(guī)律，規(guī)律不隨示蹤方法而變。2、全混流反應(yīng)器采用階躍示蹤法測定停留時間分布在t時刻對示蹤劑做物料衡算：2、全混流反應(yīng)器解上述方程解上述方程圖示tt=0F(t)1激勵曲線tt=0F(t)1響應(yīng)曲線tt=0E(t)響應(yīng)曲線圖示tt=0F(t)1激勵曲線tt=0F(t)1響應(yīng)曲線tt兩種理想反應(yīng)器停留時間分布對照兩種理想反應(yīng)器停留時間分布對照由此可見，當(dāng)完全沒有返混時，當(dāng)返混達(dá)到極大程度時，當(dāng)返混介于二者之間時，即非理想流動時，介于0和1之間。用來判斷反應(yīng)器內(nèi)的流型，并判斷其偏離理想流動的程度。截止到現(xiàn)在，本章沒有涉及任何化學(xué)反應(yīng)。由此可見，當(dāng)完全沒有返混時，非理想流動模型用來描述介于兩種理想狀況之間的流型，并通過對流型的描述，預(yù)計在非理想流動狀態(tài)下的反應(yīng)結(jié)果。將流型與化學(xué)反應(yīng)聯(lián)系起來，預(yù)計反應(yīng)體積、處理量、轉(zhuǎn)化率等之間的關(guān)系。介紹三種模型：凝集流模型、多級串聯(lián)槽模型和軸向擴(kuò)散模型。非理想流動模型用來描述介于兩種理想狀況之間的流型，并通過對流凝集流模型物理模型：流體以流體團(tuán)的方式流過反應(yīng)器，這些流體團(tuán)彼此之間不發(fā)生混合，每個流體團(tuán)相當(dāng)于一個小反應(yīng)器。由于返混的作用，流體團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間不同，達(dá)到的轉(zhuǎn)化率因而不同，在反應(yīng)器出口處的宏觀轉(zhuǎn)化率，就是各不同停留時間的流體團(tuán)達(dá)到的轉(zhuǎn)化率的平均值。凝集流模型物理模型：這樣就把流體的停留時間分布與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率聯(lián)系起來了，每個流體團(tuán)都作為一個間歇反應(yīng)器，它的反應(yīng)時間由停留時間分布決定。而流體團(tuán)在停留時間內(nèi)達(dá)到的轉(zhuǎn)化率由反應(yīng)動力學(xué)決定。最后，將二者結(jié)合起來，在出口處加權(quán)平均，得到最終轉(zhuǎn)化率。相當(dāng)與若干平推流反應(yīng)器或間歇反應(yīng)器的并聯(lián)，將非理想流動對反應(yīng)的影響明顯化了。這樣就把流體的停留時間分布與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率聯(lián)系起來了，每個流體團(tuán)寫成數(shù)學(xué)公式：寫成數(shù)學(xué)公式：例3-3某非理想流動反應(yīng)器，其停留時間分布規(guī)律同例3-2。在該反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級反應(yīng)，動力學(xué)方程為-rA=3.33×10-3cA，請確定該反應(yīng)器的出口轉(zhuǎn)化率（反應(yīng)物A的化學(xué)計量系數(shù)為1）。例3-3某非理想流動反應(yīng)器，其停留時間分布規(guī)律同例3-2。在解：采用凝集流模型進(jìn)行計算。對于一級反應(yīng)，在間歇反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時間關(guān)系如下：解：采用凝集流模型進(jìn)行計算。反應(yīng)工程第二版-ppt課件多級串聯(lián)槽模型物理模型：反應(yīng)器是由若干大小相等的全混流反應(yīng)器串聯(lián)而成。這些全混流反應(yīng)器之間沒有返混，沒有反應(yīng)。定常態(tài)操作。多級串聯(lián)槽模型物理模型：用階躍法測定第i個反應(yīng)器的停留時間分布V0,c0,V1,c1,V2,c2,Vn,cnVi,ci,用階躍法測定第i個反應(yīng)器的停留時間分布V0,c0,V1,c反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件N=1，全混流N，平推流N等于某一值，意味著該反應(yīng)器的返混程度相當(dāng)于N個理想混合反應(yīng)器的串聯(lián)。N只是一個虛擬值，因此，N可以是整數(shù)也可以是小數(shù)。停留時間分布密度函數(shù)的散度為槽數(shù)的倒數(shù)。N=1，全混流小數(shù)的階乘由Γ函數(shù)解決。小數(shù)的階乘由Γ函數(shù)解決。解題步驟：解題步驟：軸向擴(kuò)散模型物理模型：1主體流動為平推流，但疊加一渦流擴(kuò)散。2渦流擴(kuò)散遵循費(fèi)克擴(kuò)散定律且在整個反應(yīng)器內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)。費(fèi)克擴(kuò)散定律(Fick’slaw)：軸向擴(kuò)散模型物理模型：在有化學(xué)反應(yīng)時對反應(yīng)物做物料衡算：dl在有化學(xué)反應(yīng)時對反應(yīng)物做物料衡算：dl整理得：整理得：反應(yīng)工程第二版-ppt課件開開，開閉，閉開，閉閉。反應(yīng)器內(nèi)有返混，如邊界處有返混，則為開式邊界條件，若邊界處沒有返混，則為閉式邊界條件。開開，開閉，閉開，閉閉。反應(yīng)工程第二版-ppt課件開開式邊界條件下的解：開開式邊界條件下的解：反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件反應(yīng)工程第二版-ppt課件通過擴(kuò)散模型求轉(zhuǎn)化率定常態(tài)下，由基礎(chǔ)方程簡化得通過擴(kuò)散模型求轉(zhuǎn)化率定常態(tài)下，由基礎(chǔ)方程反應(yīng)工程第二版-ppt課件對一級不可逆反應(yīng)，有解析解對一級不可逆反應(yīng)，有解析解解題步驟：解題步驟：例3-6試用軸向擴(kuò)散模型中的開-開式邊值條件及閉-閉式邊值條件計算例3-3中反應(yīng)器出口物料的轉(zhuǎn)化率。解：本題中:例3-6試用軸向擴(kuò)散模型中的開-開式邊值條件及閉-閉式邊值條按開-開式邊值條件：計算β值按開-開式邊值條件：計算出口轉(zhuǎn)化率計算出口轉(zhuǎn)化率按閉-閉式邊值條件按閉-閉式邊值條件本例題若按平推流反應(yīng)器計算，其出口轉(zhuǎn)化率將是：按全混釜式反應(yīng)器計算其出口轉(zhuǎn)化率，將是：本例題若按平推流反應(yīng)器計算，其出口轉(zhuǎn)化率將是：反應(yīng)工程第二版-ppt課件第四章氣固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)第四章氣固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)對于氣固相催化反應(yīng)，由于反應(yīng)在異相進(jìn)行，存在本征動力學(xué)和宏觀動力學(xué)之分，其區(qū)別在于有無傳遞過程的影響。本章主要討論催化劑、催化反應(yīng)機(jī)理和本征的反應(yīng)速率。對于氣固相催化反應(yīng)，由于反應(yīng)在異相進(jìn)行，存在本征動力學(xué)和宏觀氣固相催化過程氣固相：反應(yīng)物和產(chǎn)物均為氣相，催化劑為固相。催化劑參與反應(yīng)，但在反應(yīng)過程中不消耗。催化劑的加入可以改變反應(yīng)速率。催化劑的加入，不能改變反應(yīng)的平衡。催化劑以同樣的比例同時改變正逆反應(yīng)的速率。氣固相催化過程氣固相：反應(yīng)物和產(chǎn)物均為氣相，催化劑為固相。催化劑可以在復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng)，有選擇地加速某些反應(yīng)。同樣的反應(yīng)物在不同催化劑的作用下可以生成不同的產(chǎn)品。如果希望催化劑充分發(fā)揮作用，應(yīng)當(dāng)盡可能增加反應(yīng)物與催化劑的接觸。催化劑可以在復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng)，有選擇地加速某些反應(yīng)。非均相催化反應(yīng)速率表達(dá)對于均相反應(yīng)，已經(jīng)定義：由于氣固相催化反應(yīng)發(fā)生在催化劑表面，而且催化劑的量對于反應(yīng)的速率起著關(guān)鍵的作用，因此，反應(yīng)速率不再由反應(yīng)體積來定義，而改由催化劑體積來定義。非均相催化反應(yīng)速率表達(dá)對于均相反應(yīng)，已經(jīng)定義：1、以催化劑體積定義反應(yīng)速率2、以催化劑質(zhì)量定義反應(yīng)速率3、以催化劑內(nèi)表面積定義反應(yīng)速率1、以催化劑體積定義反應(yīng)速率固體催化劑的特殊結(jié)構(gòu)，造成化學(xué)反應(yīng)主要在催化劑的內(nèi)表面進(jìn)行。催化劑的表面積絕大多數(shù)是內(nèi)表面積。固體催化劑的特殊結(jié)構(gòu)，造成化學(xué)反應(yīng)主要在催化劑的內(nèi)表面進(jìn)行。氣固相催化反應(yīng)的7個步驟、3個過程：1反應(yīng)物由氣流主體擴(kuò)散到催化劑外表面；2反應(yīng)物由催化劑外表面擴(kuò)散到內(nèi)表面；3反應(yīng)物在催化劑表面活性中心上吸附；4吸附在活性中心的反應(yīng)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；5產(chǎn)物在催化劑表面活性中心上脫附；6產(chǎn)物由催化劑內(nèi)表面擴(kuò)散到外表面；7產(chǎn)物由催化劑外表面擴(kuò)散到氣流主體。氣固相催化反應(yīng)的7個步驟、3個過程：1,7為外擴(kuò)散過程2,6為內(nèi)擴(kuò)散過程3,4,5為化學(xué)動力學(xué)過程針對不同具體情況，三個過程進(jìn)行的速率各不相同，其中進(jìn)行最慢的稱為控制步驟，控制步驟進(jìn)行的速率決定了整個宏觀反應(yīng)的速率。本章討論化學(xué)動力學(xué)過程。1,7為外擴(kuò)散過程固體催化劑固體催化劑由三部分組成，活性組分、助劑和載體。三者不能截然分開。通常對活性組分的要求：具有盡可能高的催化活性，選擇性和抗毒性。通常對載體的要求：高強(qiáng)度，高比表面。固體催化劑固體催化劑由三部分組成，活性組分、助劑和載體?；钚越M分以金屬為主，根據(jù)不同的用途，有金屬氧化物及硫化物等等。一個成功的催化劑往往是主催化劑和助催化劑及載體的完美結(jié)合?；钚越M分的選擇，根據(jù)目前的知識水平只能有一個大致的方向，尚不能預(yù)先選擇?；钚越M分載體以多孔物質(zhì)為主，如硅藻土、三氧化二鋁等。根據(jù)不同的需要，有不同的孔徑和比表面。強(qiáng)度高，是對所以載體的要求。助催化劑加入的量小，增加催化活性，增加選擇性，延長催化劑壽命載體催化劑的比表面積、孔體積和孔體積分布催化劑的比表面積、孔體積和孔體積分布反應(yīng)工程第二版-ppt課件孔徑分布（孔體積分布）催化劑是多孔物質(zhì)，其孔的大小當(dāng)然是不規(guī)則的。不同的催化劑孔大小的分布不同。只有孔徑大于反應(yīng)物分子的孔才有催化意義。測定方法：壓汞法和氮吸附法典型的孔徑分布曲線孔徑分布（孔體積分布）孔徑分布分率孔徑?孔徑分布分率孔徑?氣固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)本征：完全沒有擴(kuò)散影響的，單純的反應(yīng)物及產(chǎn)物在催化劑表面吸附脫附反應(yīng)過程。其動力學(xué)表達(dá)為本征動力學(xué)。物理吸附和化學(xué)吸附物理吸附－吸附劑與被吸附物靠范德華力結(jié)合化學(xué)吸附－吸附劑與被吸附物之間可視為發(fā)生化學(xué)反應(yīng)氣固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)本征：完全沒有擴(kuò)散影響的，單純的反應(yīng)反應(yīng)工程第二版-ppt課件化學(xué)吸附與脫附化學(xué)吸附速率的表達(dá)活性中心：固體催化劑表面能夠與氣相分子發(fā)生反應(yīng)的原子。以符號σ表示。吸附式可以表示為如下型式：A+σ→AσA－反應(yīng)物，σ－活性中心，Aσ－吸附了反應(yīng)物的活性中心化學(xué)吸附與脫附化學(xué)吸附速率的表達(dá)反應(yīng)工程第二版-ppt課件既然吸附過程可以視為化學(xué)反應(yīng)（基元反應(yīng)），吸附速率式就可以寫成：既然吸附過程可以視為化學(xué)反應(yīng)（基元反應(yīng)），吸附速率式就可以寫達(dá)到平衡時，吸附與脫附速率相等θ難于測量，不便應(yīng)用?？衫梦侥Ｐ颓蟮忙取＿_(dá)到平衡時，吸附與脫附速率相等Langmuir吸附模型基本假定：1催化劑表面活性中心的分布是均勻的；2吸、脫附活化能與表面覆蓋率無關(guān)；3每個活性