常州大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程考試

專業(yè)專業(yè).專注專業(yè)專業(yè).專注化學(xué)反應(yīng)工程1、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(wèn)題的學(xué)科。2、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(dòng)力學(xué)，而且，著重研究傳遞過(guò)程對(duì)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。3、化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類：按反應(yīng)系統(tǒng)涉及的相態(tài)分類,分為均相反應(yīng)|,包括氣相均相反應(yīng)和液相均相反應(yīng)。|非均相|反應(yīng),包括氣一固相,氣一液相,氣一液一固相反應(yīng)等。按操作方式分類,分為間歇操作|,是指一批物料投入反應(yīng)器后,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的反應(yīng)再取出的操作方法。|連續(xù)操作，|指反應(yīng)物料連續(xù)地通過(guò)反應(yīng)器的操作方式。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(dòng)通過(guò)反應(yīng)器。按反應(yīng)器型式來(lái)分類,分為|管式反應(yīng)器,一般長(zhǎng)徑比大于30槽式反應(yīng)器,一般高徑比為1—3塔式反應(yīng)器|,一般高徑比在3—30之間按傳熱條件分類,分為|等溫反應(yīng)器|,整個(gè)反應(yīng)器維持恒溫,這對(duì)傳熱要求很高。；|絕熱反|應(yīng)器,反應(yīng)器與外界沒(méi)有熱量交換,全部反應(yīng)熱效應(yīng)使物料升溫或降溫。；|非等溫、非絕熱反應(yīng)器,與外界有熱量交換，但不等溫。4、化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法是數(shù)學(xué)模型法。5、化學(xué)反應(yīng)式：aA+bB+>rR+sS+…6、轉(zhuǎn)化了的A組分量n-nX=—aoA-AA組分的起始量nAo7、轉(zhuǎn)化率：一個(gè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。

8、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(shí)間的變化率1dg[1dn[r=mol-m-3s-1-r=-amol-m-3s-1VdtaVdt?nA：反應(yīng)體系內(nèi)，反應(yīng)物A的摩爾數(shù)；A?V：反應(yīng)體積例題:對(duì)于反應(yīng)例題:對(duì)于反應(yīng)A+2B—3C+4D1dnmol-m-3s-11dn—r——Br———CbVdtCVdt?t：時(shí)間mol.m-3s-1-rA(-r)=1(r)=1(r)-rAB3C4D9、反應(yīng)動(dòng)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10、動(dòng)力學(xué)方程：aA+bBTrR+sS一r=ksenmol-m-3s-1AcABc，c：A，B組分的濃度mol.m-3AB11、阿累尼烏斯關(guān)系11、阿累尼烏斯關(guān)系：c-E=ke一rtc012、k：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無(wú)關(guān)，具有和反應(yīng)速率常數(shù)相同的因次。c0E:活化能，卩?mol-i],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(duì)溫度變化的敏

感程度。13、反應(yīng)級(jí)數(shù):m,n：A,B組分的反應(yīng)級(jí)數(shù),m+n為此反應(yīng)的總級(jí)數(shù)。14、1dn14、A=kCmCnVdtAB15、對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，恒容過(guò)程，有：dc—rdc—r=—a=kc

AdtAkt=ln—A0ln16、半衰期：定義反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。除一級(jí)反應(yīng)外，反應(yīng)的半衰期是初始濃度的函數(shù)。17、定義反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。除一級(jí)反應(yīng)外，反應(yīng)的半衰期是初始濃度的函數(shù)。18、二級(jí)反應(yīng)：dcd18、二級(jí)反應(yīng)：dcdt=kc2A0A0A019、動(dòng)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(gè)動(dòng)力學(xué)方程，就是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出上述關(guān)系。20、積分法：例如20、積分法：例如：一級(jí)反應(yīng)：lnrc)—ALc丿A0=kt例題1：等溫條件下進(jìn)行醋酸(A)和丁醇(B)的醋化反應(yīng)：CHCOOH+CHOH=CHCOOCH+HO3493492醋酸和丁醇的初始濃度分別為0.2332和1.16kmolm-3。測(cè)得不同時(shí)間下醋酸轉(zhuǎn)化量如表所示。t/hr012345678醋酸轉(zhuǎn)化量X102/kmol.m-301.6362.7323.6624.5255.4056.0866.8337.398試求反應(yīng)的速率方程。AdtBAA；題dc沒(méi)有交代這個(gè)反應(yīng)是幾級(jí)反應(yīng),所以設(shè)這個(gè)反應(yīng)是幾級(jí)反應(yīng)=—A=kCmCn=AdtBAA將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按0、1和2級(jí)處理并得到t-f(cA)的關(guān)系t/hrcaca0-ca|rc]rii)ln—A~—1C(CC00.233200010.21680.016360.072980.324420.20590.027320.12450.568630.19660.036620.17070.798340.18790.045250.21601.0337550.17920.054050.26301.292260.17230.060860.30301.515770.16490.068330.34701.776180.15920.073980.38201.9932A0AA021、化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：物料衡算方程22、單位時(shí)間進(jìn)入］「單位時(shí)間排出體積元的物料-體積元的物料A22、單位時(shí)間進(jìn)入］「單位時(shí)間排出體積元的物料-體積元的物料A量Fmol-s-iinA量Fmol-s-iout單位時(shí)間內(nèi)體積元中反應(yīng)消失的物料A量Fmol-s-ir單位時(shí)間內(nèi)體積=兀中物料A的積累量Fmol-s-ib23、F-F-F二Finoutrb24、停留時(shí)間t和平均停留時(shí)間停留時(shí)間又稱接觸時(shí)間，用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間。25、空間時(shí)間T其定義為反應(yīng)器有效容積VR與流體特征體積流率V之比值。即VT=V026、空間時(shí)間是一個(gè)人為規(guī)定的參量，它表示處理在進(jìn)口條件下一個(gè)反應(yīng)器體積的流體所需要的時(shí)間。27、空間速度27、空間速度SVSVS=—0-積。VVRh-1S=^noh-iVVR28、返混：如果發(fā)生混合前的物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同，反應(yīng)程度就不同，組成也不會(huì)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(huì)隨之發(fā)生變化，這種發(fā)生在停留時(shí)間不同的物料之間的均勻化過(guò)程。

29、按返混情況不同反應(yīng)器被分為以下四種類型：、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(shí)間進(jìn)入的,物料之間的混合過(guò)程屬于簡(jiǎn)單混合，不存在返混。、平推流反應(yīng)器：在連續(xù)流動(dòng)的反應(yīng)器內(nèi)物料允許作徑向混合（屬于簡(jiǎn)單混合）但不存在軸向混合（即無(wú)返混）。、全混流反應(yīng)器：連續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌头磻?yīng)器（簡(jiǎn)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。、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。30、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(guò)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。31、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(guò)程中沒(méi)有加料、出料,所有物料在反應(yīng)器中停留時(shí)間相同,不存在不同停留時(shí)間物料的混合,即無(wú)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(shí)間。一個(gè)生產(chǎn)周期應(yīng)包括反應(yīng)時(shí)間、加料時(shí)間、出料時(shí)間、清洗時(shí)間、加熱（或冷卻）時(shí)間等。32、間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程：(-rb'=namol-s-1t=Jfrdt=nr0t=Jfrdt=nr0LdxAoJoACTlFAR恒容條件下：t二cJxrA00dxAcA0dcA33、間歇反應(yīng)器內(nèi)為達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間t，只是動(dòng)力學(xué)方程式的直接積分，與r反應(yīng)器大小及物料投入量無(wú)關(guān)。34、例題：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工用間歇釜并以H2SO4作催化劑進(jìn)行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實(shí)驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：一r=kc2kmol-m-3min-1AAk=1.97x10-3m3kmol-imin-1c=4kmol.m-3若每天處理2400kg己二酸,每批操作輔助生產(chǎn)時(shí)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(shí)，所需反應(yīng)時(shí)間為多少?(2)求轉(zhuǎn)化率為0.8，0.9時(shí)，所需反應(yīng)器體積為多少??解：(1)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間為：二cA0fxd二cA0fxdx[xJxAfA=CJxAf0-rA00Adx

kc2(1—x)2A0AkcA0AfxA=0.5=2.101xxA=0.5=2.101.97x10-3x4x(1—0.5廣60?x=0.6t=3.18h?xAr?x=0.8t=8.5h?xAr

?xA=0.9tr=19.0h?(2)反應(yīng)器體積的計(jì)算?xA=0.8時(shí)：\二￡+t'=8.5+1=9.5h?每小時(shí)己二酸進(jìn)料量FA0,己二酸相對(duì)分子質(zhì)量為146,則有：F==0.684kmol-h-1ao24x146?處理體積為：FV=十

FV=十

0cA00.6844二0.171m3-h-i?實(shí)際反應(yīng)器體積VR：?反應(yīng)器有效容積V'R：V'二Vt二0.171x9.5二1.63m3R0t?實(shí)際反應(yīng)器體積VR：V=—r==2.17m3R申0.75當(dāng)xA=0.9時(shí)：t=19+1=20hV'=0?171x20=3.42m3RV=3.42／0.75=4.56m3

35、平推流反應(yīng)器：通過(guò)反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同速度向前流動(dòng)，像活塞一樣在反應(yīng)器中向前平推，36、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(méi)有物料的返混,所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都是相同的；②在垂直于流動(dòng)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(shí)間改變。實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于管徑較小、長(zhǎng)度較長(zhǎng)、流速較大的管式反應(yīng)器，列管固定床反應(yīng)器等，?？砂雌酵屏鞣磻?yīng)器處理。37、理想置換反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程：進(jìn)入量-排出量-反應(yīng)量=累積量?故FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0?由于?微分?所以F=F(1-x)AA0AdF=-FdxdAA0AFdx=(-r)dVA0AARd?由于?微分?所以F=F(1-x)AA0AdF=-FdxdAA0AFdx=(-r)dVA0AARdVRFA0fxdxXAA—rAV—R-FA0fxAdx——AcA00—rAA0f0xAdx——A—rAV—RV0fcA2A1dc——A—rA例1-4條件同例1-3，計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別為80％、90％時(shí)所需平推流反應(yīng)器的大小?對(duì)PFR:t=紅二ck氣VA0x—r0A1A

0CiXA2A00dx0CiXA2A00kc2（L-x）2A0AkcA0xA

2-x?kcA0xA

2-x0.L7L0.8Lxx=1.451.97x10-3x4（1-0.8丿60m338、變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程膨脹因子和膨脹率：為了表征由于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來(lái)的影響，引入兩個(gè)參數(shù)，膨脹因子和膨脹率m339、膨脹因子aA+bB>rR+sS士oYa?膨脹因子：8=tuA-aA即關(guān)鍵組份A的膨脹因子等于反應(yīng)計(jì)量系數(shù)的代數(shù)和除以A組分計(jì)量系數(shù)的相反數(shù)一2一1+32A+B3C8==0A2例題：40、膨脹因子的物理意義：關(guān)鍵組分A消耗1mol時(shí)，引起反應(yīng)物系摩爾數(shù)的變化量。對(duì)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°6A>0是摩爾數(shù)增加的反應(yīng),反應(yīng)體積增加°6A<0是摩爾數(shù)減少的反應(yīng),反應(yīng)體積減小°6A=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng),反應(yīng)體積不變。41、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(gè)參數(shù)膨脹率。x=x=1Ax=0AxA=042、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。43、43、膨脹因子與膨脹率的關(guān)系：￡A=yA05A44、變?nèi)葸^(guò)程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系：1-x44、變?nèi)葸^(guò)程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系：C=CA-AA01+￡XAA例題：均相氣相反應(yīng)A-3R,其動(dòng)力學(xué)方程為-rA=kcA，該過(guò)程在185°C,400kpa下在一平推流反應(yīng)器中進(jìn)行,其中k=10-2S-i,進(jìn)料量FA0=3Okmol/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??解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)A-3R5==2A1

?已知yA0=0.5，因此￡A=yA05A=1?平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程xdx?平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程t=cJAAA00-rAT=CJXT=CJXA竺A=c卜竺A00-rA00kcAAdxA[1-x■AA0(1+8X)AAt=100(-X-2ln(1-X?8=241.8s“FRT(30/0.5)x8.314x(273.15+185)V=—0——0p=CJ。8—A00kckc=100[0.8土Adx01-xAA400=571.2m3h-i=0.1587m3s-1V=tV=241.8x0.1587=38.4m3R0例題2、在一個(gè)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(jì)生產(chǎn)能力為14萬(wàn)噸乙烯。反應(yīng)是不可逆的一級(jí)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?mo-i，10OOK時(shí),k=0.0725si。設(shè)計(jì)工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器。

解：設(shè)A為乙烷,B為乙烯,C為氫氣CH>CH+H26242A>B+C反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是：=0.175kmol-s-1,_14x107kg-a-=0.175kmol-s-1B330d-a-ix24h-d-1x3600s-h-1x28kg-kmol-1進(jìn)料乙烷的摩爾流率是：A00.1750.8=0.219kmol-s-1?計(jì)算1100K時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)：Ek=kert0Ekke-1100rex1100-10001100K=—0=eR1100x1000k,-亠1000Kke1000R03473x1031100—1000k=0.0725e=3.23s-11100K?膨脹因子：?膨脹率￡=y5=1x1=1?膨脹率AA0A?進(jìn)口體積流量FRT0.219x103x8.314x1100?進(jìn)口體積流量V=-^oo==3.34m3s-10p600x1030V=Vc[-R0xdxAAA00kcA=Vcf0-80A00dx(1-X=V卜800dxAkcA011+￡XA=^4J%1+XadX

3.2301一xaAV=1.Rx-2ln1-xAA杜=2.50m3o45、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(shí)間都等于平均停留時(shí)間。46、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(shí)間與空間時(shí)間T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(shí)間將小于空間時(shí)間；相反,如果反應(yīng)物系體積縮小，停留時(shí)間將大于空間時(shí)間。t=JVRdV.oVVdVxFdxxdxt=RR=JAA0A=CAA—oVo(—r加11+8x))aoo(—r)1+8x)AoAAAAA?恒容條件下,EA=0，上式還原為：xdxp=cJAAaoo—rA47、全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動(dòng)充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器，簡(jiǎn)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。4&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(dòng),是一定態(tài)過(guò)程。49、全混流反應(yīng)器基本設(shè)計(jì)方程：p=VR=cf%oAf50、恒容條件下又可以簡(jiǎn)化為：c50、恒容條件下又可以簡(jiǎn)化為：c—cp例題：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(shí)，所需反應(yīng)器的體積。A0AF=0.684kmol?h-1=0.0114kmol?min-1A0AA0V二0.171m3h-i0-xA0-xA0AV二0,0114X0;87.2303R1.97x10-3x42x\1-0.8力?代入數(shù)據(jù),xAf=0?8時(shí)V二°.。114X°(9廠32.603R1.97x10-3x42x\1-0.9》?代入數(shù)據(jù)，xAf=0.9時(shí)51、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(guò)程需輔助工作時(shí)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(shí)，所需反應(yīng)體積迅速增加。Page114復(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器選型52、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(gè)沒(méi)有攪拌一個(gè)有攪拌；一個(gè)連續(xù)操作一個(gè)間歇操作；一個(gè)是管式一個(gè)是釜式，但有一點(diǎn)是共同的，就是二者都沒(méi)有返混，所有物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間都相同。既然停留時(shí)間都相同，沒(méi)有不同停留時(shí)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(shí)間下，就應(yīng)該得到相同的反應(yīng)結(jié)果。53、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(méi)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(jì)方程不同，同一個(gè)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。54、單一不可逆反應(yīng)過(guò)程平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較：

55、理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合：56、(1)平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作?V?V=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：?V?V0=V01+V02由平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程dx——AA00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(shí)沒(méi)有返混。如果各支路之間的轉(zhuǎn)化率不同，就會(huì)出現(xiàn)不同轉(zhuǎn)化率的物流相互混合，即不同停留時(shí)間的物流的混合，就是返混。因此，T=TV:V=V:V12R1R2010257、全混流反應(yīng)器的并聯(lián)操作多個(gè)全混流反應(yīng)器并聯(lián)操作時(shí)，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。5&平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作：考慮N個(gè)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)操作,

對(duì)串聯(lián)的N個(gè)反應(yīng)器而言：VVVVLdxxdx—A—R^—AA—AnAFFxI-r)oI-r)A0A0Ai-1AA59、全混流反應(yīng)器的串聯(lián)操作N個(gè)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(méi)有返混，也不發(fā)生反應(yīng)。?對(duì)任意第i釜中關(guān)鍵組分A作物料衡算。?對(duì)恒容、定常態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，V0不變,故有：A0A^1AiA0A^1AiC一cXtTAi?對(duì)于N釜串聯(lián)操作的系統(tǒng),總空間時(shí)間：T+T+T12N專業(yè)專業(yè).專注專業(yè)專業(yè).專注T小于單個(gè)全混釜達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率XA|N操作時(shí)的空間時(shí)間。?計(jì)算出口濃度或轉(zhuǎn)化率?對(duì)于一級(jí)反應(yīng)：c-cTc-cT=A1kcA1c-cT=A2kcA2cC=A0—ai1+kT1cc=A1—A21+kT2c—G+kT畀+kT)12cANi=1?如果各釜體積相同，即停留時(shí)間相同，則：cANccANc=ir+AnNx=1-iAN(1+kT)Ni?對(duì)二級(jí)反應(yīng)，以上面方法，可以推出：-1+1+4kTcc=iAi-1?A‘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(shí)，各釜出口己二酸的濃度和所需反應(yīng)器的體積。一r=1.97xlO-3ccAABV=0.171m3h-10c=c=4kn專業(yè)j專注A0B0x=0.8Af?要求第四釜出口轉(zhuǎn)化率為80%，即c=cG-x)=4x(1-0.8)=0.8kmol-m-3A4A0Af?以試差法確定每釜出口濃度?設(shè)T=3h代入—1+飛.1+4Krcc=i_ai—1a2Jai?由CAo求出CA1，然后依次求出CA2、CA3、CA4，看是否滿足CA4=°8的要求。將以上數(shù)據(jù)代入，求得：Ca4=°$24kmol?m-3?結(jié)果稍大,重新假設(shè)Ti=3-l4h，求得：c=2.202kmol?m-3TOC\o"1-5"\h\zA1c=1.437kmol?m-3A2c=1.037kmol?m-3A3c=0.798kmol?m-3A4?基本滿足精度要求。=Vxt=0.171x3.14=0.537m3Ri0i=4x0.537=2.15m3R?循環(huán)反應(yīng)器:在工業(yè)生產(chǎn)上，有時(shí)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寐剩３２捎貌糠治锪涎h(huán)的操作方法，如圖所示。?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(dòng)；②管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：③整個(gè)體系處于定常態(tài)操作。?反應(yīng)器體積可按下式計(jì)算：v=fJxA2tdxrRA1x-r丿A1A?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)比卩，即VF卩=—二一A3VF2A2Px=xA11+PA2平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)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(shí)的,Aj組分的摩爾流率對(duì)應(yīng):RA0x-rxA1A

?式中，F(xiàn)'A0是一個(gè)虛擬的值，它由兩部分組成，新鮮進(jìn)料FA0和循環(huán)回來(lái)的物流V3中當(dāng)轉(zhuǎn)化率為0時(shí)應(yīng)當(dāng)具有的A的摩爾流率。即：f'二vc=(y+v\A01A003A0?由此得到循環(huán)反應(yīng)器體積：=G+0)FjXA2—AA04x—r1+PA2a當(dāng)循環(huán)比B為0時(shí)，還原為普通平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程。當(dāng)循環(huán)比B-g時(shí),變?yōu)槿炝鞣磻?yīng)器設(shè)計(jì)方程。當(dāng)0<B<g時(shí),反應(yīng)器屬于非理想流動(dòng)反應(yīng)器。當(dāng)B=o,為平推流反應(yīng)器。當(dāng)B-~,為全混流反應(yīng)器。通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)比B,可以改變反應(yīng)器流動(dòng)性能，對(duì)于一定的反應(yīng)，可以使得反應(yīng)器體積最小，這時(shí)的循環(huán)比稱為最佳循環(huán)比。jxAfAidxjxAfAiOA)A—x—xAfAiAi?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。如圖所示的平均值。圖中KL代表反應(yīng)器進(jìn)口的值，PQ代表整個(gè)反應(yīng)器?a5u速率倒數(shù)的平均值。如圖所示的平均值。圖中KL代表反應(yīng)器進(jìn)口的值，PQ代表整個(gè)反應(yīng)器?a5u(a)循環(huán)比太髙0(一6)16￡?^oif(b)循環(huán)比適當(dāng)Nko耳i(c)擔(dān)環(huán)比太低自催化反應(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(duì)該反應(yīng)過(guò)程起催化作用，加速該反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行。?反應(yīng)1反應(yīng)2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(shí)刻時(shí)，反應(yīng)物濃度的降低對(duì)反應(yīng)速率的影響超過(guò)了產(chǎn)物濃度增加對(duì)反應(yīng)速率的影響，反應(yīng)速率開始下降—r=kC?反應(yīng)1的動(dòng)力學(xué)方程為：k1CA反應(yīng)2的動(dòng)力學(xué)方程為反應(yīng)2的動(dòng)力學(xué)方程為：—rA2=kcc2AP2專業(yè)2專業(yè).專注2專業(yè)2專業(yè).專注A組分的消耗速率為：r)+(-rr)+(-r)=kcA1A21A+kcc2AP?在整個(gè)反應(yīng)過(guò)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c+c=c+c=cA0P0AP0c=c+c一cTOC\o"1-5"\h\zPA0P0A?A組分的消耗速率為：-r=kc+kc(cA1Ad-r=kc+kc(cA1Adc——a=kc1+tdt1A2AA0P0A-k()'-._+c一c丿kA0P0Ak1丿?分離變量積分得：()ck+kck\c+c才=InAo+In+2A0P0ck+kcA12P0?最大反應(yīng)速率對(duì)應(yīng)的反應(yīng)物濃度為：cAopk+cAopk+k(c+c)12_A0P02k2222反應(yīng)器組合為了使得反應(yīng)器組的總體積最小，設(shè)計(jì)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(gè)全混釜式反應(yīng)器，它可以不必經(jīng)過(guò)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)c全餛擁0Q⑹反應(yīng)器的繪優(yōu)組合斥應(yīng)物徧環(huán)分離器平c全餛擁0Q⑹反應(yīng)器的繪優(yōu)組合斥應(yīng)物徧環(huán)分離器平均速率h、X可逆反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型k〉aA+bBrR+sS.專業(yè).—專業(yè)專業(yè).專注專業(yè)專業(yè).專注設(shè)可逆反應(yīng)：?總反應(yīng)速率(-rA)為正逆反應(yīng)速率之差:—r=—r—rAA1A2—rA—rA=akcacb—akcrc—rA—rA1AB2RS=kfvx丿一kgvx丿1A2A?當(dāng)正逆反應(yīng)速率相等時(shí),總反應(yīng)速率為零,反應(yīng)達(dá)到平衡(-rA)=°。kg(x)kf6)2Ae?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An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(wú)因次，與反應(yīng)速率及其表達(dá)式無(wú)關(guān)，可以通過(guò)參與此反應(yīng)的各組分的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓求得。?平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系：dGnK)_AH=r-dTRT2

rR1RlnAH丄rR1RlnAH丄］〒i丿+In20Ae20可逆反應(yīng)過(guò)程特點(diǎn)⑴在溫度恒定時(shí),隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率xA的增加,正反應(yīng)速率kf(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=akif(xA)-ak2g(xA)將隨之下降。(2)溫度對(duì)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?？赡娣艧岱磻?yīng)的速率隨溫度的變化規(guī)律如圖所示，當(dāng)溫度較低時(shí)，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。平行反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型反應(yīng)物能同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)或兩個(gè)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(gè)產(chǎn)物中，只有一個(gè)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?？紤]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：dndn卜dt=kCn1+kCn21A2A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(dòng)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。aA+bB>pP11aAaA+bB——_>sS22目的產(chǎn)物）?（付產(chǎn)物）生成目的產(chǎn)物的反應(yīng)速率：一r=kcaeqA11AB一r生成付產(chǎn)物的反應(yīng)速率：A2=一r生成付產(chǎn)物的反應(yīng)速率：A2=kCa2Cb22AB在系統(tǒng)中A物質(zhì)反應(yīng)掉的量n-nX==A0AA加入系統(tǒng)中A物質(zhì)的量nA0?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SP在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物消耗的A的量-(A”)S==APP在系統(tǒng)中反應(yīng)掉的A的量n-nA0A紅(An)

pPn-nA0A?式中(△nA)P、Qnp)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。?收率y在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物消耗的A的量-(An)=AP

加入系統(tǒng)中A物質(zhì)的量nA0ai(An)

pPnA0關(guān)系：?瞬時(shí)選擇性SPQ在反應(yīng)過(guò)程中某一瞬時(shí)生成目的產(chǎn)物消耗的A速率S=—P在反應(yīng)過(guò)程中同一瞬時(shí)A的消耗速率?對(duì)于上述平行反應(yīng)S(-r)Sp-(-r)+A(-r)A1A2瞬時(shí)選擇性與平均選擇性的關(guān)系?對(duì)平推流或間歇反應(yīng)器專業(yè)專業(yè).專注A0彳nA0一n丿AnASdnPA?對(duì)全混流反應(yīng)器S二SPP?對(duì)N個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器TOC\o"1-5"\h\zS(c-c)+S(c-c)+S(c-c)S二一A0AP2AA2PN_AN一AN—Pc-cA0AN影響瞬時(shí)選擇性的因素(-r)1r)+1r)ke1-e2A1A21+-^0eRTca1-a2cb2-b1kAB10?a.溫度對(duì)選擇性的影響（濃度不變時(shí)）①當(dāng)E>E2時(shí),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(shí)選擇性；②當(dāng)E]<e2時(shí),6遲<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(shí)選擇性。?總之，升高溫度對(duì)活化能大的反應(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。?b．濃度對(duì)選擇性的影響（溫度不變時(shí)）當(dāng)主反應(yīng)級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù)，即a1>a2，b>b2時(shí),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)器聞歇操作時(shí)不同競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)卞的攝作方式動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)ai>“2,b、>b2ai<a2,加<〃2ai>a2,控制濃度要求應(yīng)使Ch,cb都離應(yīng)使％,CB都低應(yīng)使S高，Cb低AB兇M加料方法麟間加入所有的A和B緩慢加入A和B先把全部A加入，然后緩慢加B!31>32|機(jī)>如連時(shí)不同竟?fàn)幏磻?yīng)勒力學(xué)TKW作方式及黃誰(shuí)廢分布動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)垃］I€ti!31>32|機(jī)>如連時(shí)不同竟?fàn)幏磻?yīng)勒力學(xué)TKW作方式及黃誰(shuí)廢分布動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)垃］I€ti匸.bi-*%AJ.a|&i丈你±控制恢度契求應(yīng)使CA番、「B抵樣柞質(zhì)意圖喘度分帝圖3例2-2有一分解反應(yīng)ATP目的產(chǎn)物r=kcp1AATS付產(chǎn)物r=kc2專業(yè).專注?其中k=lh-i,k=l.5m3kmol-ih-i,c=5kmol?m-3,c=c=0,體積流速為l2A0P0S05m3h-1，求轉(zhuǎn)化率為90％時(shí)：?（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