第七篇-化學反應(yīng)工程

1、2021/3/231第七章 化學反應(yīng)工程學 概述概述反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時間分布反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時間分布均相反應(yīng)器的計算均相反應(yīng)器的計算均相反應(yīng)過程優(yōu)化和反應(yīng)器選擇均相反應(yīng)過程優(yōu)化和反應(yīng)器選擇氣固相催化反應(yīng)器氣固相催化反應(yīng)器2021/3/2321 概述1 1 化學反應(yīng)工程學化學反應(yīng)工程學研究生產(chǎn)規(guī)模下的化學反應(yīng)過程的一門新學科。2 2 研究對象研究對象工業(yè)反應(yīng)器2021/3/2333 3 基本內(nèi)容基本內(nèi)容p化學反應(yīng)宏觀動力學,化學反應(yīng)速度與各參數(shù)之間的定量關(guān)系;p連續(xù)流動反應(yīng)器內(nèi)物料的返混作用與停留時間分布;p化學反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性;p反應(yīng)過程的最優(yōu)化;p研究大規(guī)模化學反應(yīng)的生產(chǎn)過程、設(shè)備特性的

2、基本規(guī)律和各種參數(shù)間的相互關(guān)系。2021/3/2344 4 任務(wù)任務(wù)p化學反應(yīng)器的正確選型與合理設(shè)計;p實驗室數(shù)據(jù)的有效放大;p反應(yīng)過程的設(shè)計和控制最優(yōu)化;p改進和強化現(xiàn)有的技術(shù)與設(shè)備,降低能耗,提高經(jīng)濟效益。5 5 方法方法數(shù)學模型法2021/3/2356 6 化學反應(yīng)器的分類化學反應(yīng)器的分類氣液 釜式、塔式液液 釜式、塔式液固 釜式、塔式氣固 固定床 流化床固固 回轉(zhuǎn)筒式氣液固固定床 流化床均相氣相 管式液相 釜式非均相按按物物料料的的相相態(tài)態(tài)分分 釜式管式塔式固定床流化床回轉(zhuǎn)筒式噴嘴式等按反應(yīng)按反應(yīng)器的結(jié)器的結(jié)構(gòu)分構(gòu)分按操作按操作方法分方法分間歇連續(xù)半連續(xù)氣液 釜式、塔式液液 釜式、塔式

3、液固 釜式、塔式氣固 固定床 流化床固固 回轉(zhuǎn)筒式氣液固固定床 流化床均相氣相 管式液相 釜式非均相按按物物料料的的相相態(tài)態(tài)分分 2021/3/2367 7 基本反應(yīng)器基本反應(yīng)器p間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器特點:分批操作;所有物料的反應(yīng)時間相同;反應(yīng)物的濃度是時間的函數(shù)。p連續(xù)操作管式反應(yīng)器特點:連續(xù)進料;T、P、q一定時,反應(yīng)器內(nèi)任一截面的物料濃度不隨時間變化;濃度沿管長變化;物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間大致相等。2021/3/237p連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器特點:連續(xù)進料;T、P、q一定時,反應(yīng)器內(nèi)的物料濃度不隨時間變化;物料在釜內(nèi)的停留時間不同。2021/3/238p多釜串聯(lián)反應(yīng)器特點:連續(xù)進料;

4、T、P、q一定時,各反應(yīng)器內(nèi)的物料濃度不隨時間變化;各釜間的物料濃度不同。2021/3/2398 反應(yīng)器內(nèi)物料的流動模型p全混流模型理想混合流動模型進入反應(yīng)器的物料與反應(yīng)器內(nèi)原有的物料瞬間混合均勻（不同停留時間的物料微團之間的混合叫返混）完全返混;出口濃度等于釜內(nèi)濃度;物料質(zhì)點（微團）在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間為0。（連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器）2021/3/2310p活塞流模型理想排擠流動模型（平推流）反應(yīng)器內(nèi)任一截面上無速度梯度;物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間完全相同。（連續(xù)操作管式反應(yīng)器）2021/3/2311p非理想流動模型介于上兩種理想模型之間a.軸向擴散模型活塞流+軸向擴散將對活塞流的偏離情況通過

5、軸向擴散（軸向返混）速率來描述。費克定律:b.多級全混流模型（多釜串聯(lián)流動模型）把實際流動情況偏離平推流或全混流的程度用串聯(lián)的釜數(shù)N來表示。N1時為全混流,N時為活塞流。 dldCDul2021/3/23122 2 均相反應(yīng)器及計算均相反應(yīng)器及計算1 均相反應(yīng)動力學RAknAAkcr)(2121)(nRnAAckckrSARAkk212121)(nAnAAckckrSRAkk2111)(nAAckr2121nRnARckckr22nRSckr ARK1K22021/3/2313特點1由于劇烈攪拌,反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達到分子尺度上的均勻,且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等,因而排除了物質(zhì)傳遞對反應(yīng)的影響;2具

6、有足夠強的傳熱條件,溫度始終相等,無需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問題;3物料同時加入并同時停止反應(yīng),所有物料具有相同的反應(yīng)時間。2 2 間歇攪拌反應(yīng)器間歇攪拌反應(yīng)器 (Batch Stirred Tank Reactor - BSTR)(Batch Stirred Tank Reactor - BSTR)2021/3/2314優(yōu)點 操作靈活,適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)-精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點 裝料、卸料等輔助操作時間長,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定2021/3/2315單位時間物料衡算單位時間物料衡算:物料進入量=物料引出量+物料的累積量+反應(yīng)消耗的物料量反應(yīng)消耗的物料量=-物料的累積量等容過程等

7、容過程,液相反應(yīng)液相反應(yīng)dtdnVrARA/)(dtdcrAA/)()/(AArdcdt基本方程基本方程: )()(000AAxAAAccrdxcrdctAAA2021/3/2316簡單一級反應(yīng)簡單一級反應(yīng): )1 ()(0AAAAxkckcrAAAAAxAAAxAcckxkxxdkxkcdxctAA00000ln111ln11)1 (1)1 (ktAAecc0ktAex1簡單二級反應(yīng)簡單二級反應(yīng):A+BR,（cA0=cB0） 2202)1 ()(AAAAxkckcr)11(1)1 ()1 (0022000AAAAAAAAxAcckxkcxxkcdxctA反應(yīng)器容積反應(yīng)器容積:)(0ttqVV

8、Rt-輔助時間;-裝料系數(shù) RTVV 2021/3/2317反應(yīng)速率(-rA)=k(-rA)=kCA(-rA)=kCA2AAcckt0ln1AfxAAArdxct00)(Axkt11ln1)11(10AAccktAAAxxkct110一般式)(10AAccktAAxckt01AAccAArdct0)(2021/3/2318例7-1 在間歇攪拌釜式反應(yīng)器中進行分解反應(yīng):AB+C,已知328K時k=0.00231 s-1,反應(yīng)物A的初始濃度為1.24kmol/m3,要求A的轉(zhuǎn)化率達到90%,每批操作的輔助時間為30min,A的日處理量為14m3,裝料系數(shù)為0.75,試求反應(yīng)器的體積。)1 ()(0

9、AAAAxkckcr解:一級反應(yīng),）（s8 .9969 . 011ln00231. 0111ln1Axkt2021/3/2319反應(yīng)器體積:330453. 0)603036008 .996(2414)(mhmttqVVR3604. 075. 0453. 0mVVRT2021/3/2320例7-2 在間歇攪拌釜式反應(yīng)器中進行某液相反應(yīng):A+BR+S,（-rA)=kCACB已知373K時k=0.24m3kmol-1 min-1,反應(yīng)物A的處理量為80kmol h-1 ,CA0= CB0=2.5 kmol m-3,要求A的轉(zhuǎn)化率達到80%,每批操作的輔助時間為30min,裝料系數(shù)為0.75,試求反應(yīng)

10、器的體積。解:二級反應(yīng),2202)1 ()(AAAAxkckcrmin67. 68 . 01 (5 . 224. 08 . 01 ()11(100）AAAAAxkcxcckt2021/3/2321反應(yīng)器體積:33106 .19)60306067. 6(5 . 280)(mmkmolhkmolttqVVR31 .2675. 06 .19mVVRT2021/3/2322p特點: 連續(xù)進料; T、P、q一定時,反應(yīng)器內(nèi)任一截面的物料濃度不隨時間變化; 濃度沿管長變化; 物料質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相等。3 3 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器-活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器(Piston Flow Reactor

11、 -PFR)(Piston Flow Reactor -PFR)2021/3/2323對單位時間對單位時間dVdV微元體積的物料衡算微元體積的物料衡算:物料進入量=物料引出量+反應(yīng)消耗的物料量qV0CA0(1-xA)= qV0CA01-(xA+dxA)+(-rA)dVR基本方程基本方程: 00/)(VRAAAqdVdxCr)(/00AAAVRrdxCqdV)(000AAxAVRrdxCqVA2021/3/2324等溫一級反應(yīng)等溫一級反應(yīng): )1 ()(0AAAAxkckcrAAAAAxAAAxAVRcckxkxxdkxkcdxcqVAA000000ln111ln11)1 (1)1 (kAAec

12、c0kAex1等溫二級反應(yīng)等溫二級反應(yīng):A+BR,（cA0=cB0） 2202)1 ()(AAAAxkckcr)11(1)1 ()1 (00220000AAAAAAAAxAVRcckxkcxxkcdxcqVA001AAAckcc001AAAckckx0VRqV 2021/3/2325反應(yīng)速率(-rA)=k(-rA)=kCA(-rA)=kCA2AAcck0ln1AfxAAArdxc00)(Axk11ln1)11(10AAcckAAAxxkc110一般式)(10AAcckAAxck01AAccAArdc0)(2021/3/2326例7-3 在管反應(yīng)器中進行分解反應(yīng):AB+C,已知328K時k=0.

13、00231 s-1,反應(yīng)物A的初始濃度為1.24kmol/m3,要求A的轉(zhuǎn)化率達到90%,A的日處理量為14m3,試求反應(yīng)器的體積。)1 ()(0AAAAxkckcr解:一級反應(yīng),）（s8 .9969 . 011ln00231. 0111ln1Axk反應(yīng)器體積:330162. 036008 .9962414mhmqVVR2021/3/2327例7-4 在管反應(yīng)器中進行某液相反應(yīng):A+BR+S,（-rA)=kCACB已知373K時k=0.24m3kmol-1 min-1,反應(yīng)物A的處理量為80kmol h-1 ,CA0= CB0=2.5 kmol m-3,要求A的轉(zhuǎn)化率達到80%,試求反應(yīng)器的體

14、積。解:二級反應(yīng),反應(yīng)器體積:33106 . 36067. 65 . 280mmkmolhkmolqVVR2202)1 ()(AAAAxkckcrmin67. 68 . 01 (5 . 224. 08 . 01 ()11(100）AAAAAxkcxcck2021/3/2328p特點: 連續(xù)進料; T、P、q一定時,反應(yīng)器內(nèi)的物料濃度不隨時間變化; 反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)處處相等,且等于出口物料的參數(shù); 物料在釜內(nèi)的停留時間不同。4 連續(xù)操作釜式反應(yīng)器-全混流反應(yīng)器 (Continuous Stirred Tank Reactor - CSTR)2021/3/2329單位時間物料衡算:物料進入量=物

15、料引出量+反應(yīng)消耗的物料量qV0CA0= qV0CA+(-rA)VR基本方程: )()(000AAAAAAVRrxCrCCqV)(00AAAVRrCCqV2021/3/2330簡單一級反應(yīng): )1 ()(0AAAAxkckcr)1 ()1 (000AAAAAAVRxkxxkcxcqVkccAA10kkxA1簡單二級反應(yīng):A+BR,（cA0=cB0） 2202)1 ()(AAAAxkckcr202200200)1 ()1 (AAAAAAAAAAVRxkcxxkcxckcccqV001AAAckcc001AAAckckx0VRqV 2021/3/2331反應(yīng)速率(-rA)=k(-rA)=kcA(-

16、rA)=kcA2AAAkccc0)(0AAArxcAAxxk11一般式)(10AAcckAAxck01)(0AAArcc20AAAkccc20)1 (AAAxkcx2021/3/2332例7-5 在連續(xù)操作釜式反應(yīng)器中進行分解反應(yīng):AB+C,已知328K時k=0.00231 s-1,反應(yīng)物A的初始濃度為1.24kmol/m3,要求A的轉(zhuǎn)化率達到90%,A的日處理量為14m3,試求反應(yīng)器的體積。)1 ()(0AAAAxkckcr解:一級反應(yīng),）（s1 .3896)9 . 01 (00231. 09 . 0)1 (AAxkx反應(yīng)器體積:330631. 036001 .38962414mhmqVVR

17、2021/3/2333例7-6 在連續(xù)操作釜式反應(yīng)器中進行某液相反應(yīng):A+BR+S,（-rA)=kCACB已知373K時k=0.24m3kmol-1 min-1,反應(yīng)物A的處理量為80kmol h-1 ,CA0= CB0=2.5 kmol m-3,要求A的轉(zhuǎn)化率達到80%,試求反應(yīng)器的體積。解:二級反應(yīng),反應(yīng)器體積:33108 .17603 .335 . 280mmkmolhkmolqVVR2202)1 ()(AAAAxkckcrmin3 .338 . 015 . 224. 08 . 0)1 (2200）（AAAVRxkcxqV2021/3/2334特點: 連續(xù)進料; T、P、q一定時,各反應(yīng)

18、器內(nèi)的物料濃度不隨時間變化; 各反應(yīng)器內(nèi)物料的參數(shù)處處相等,且等于出口物料的參數(shù); 各釜間的物料濃度不同,前一級反應(yīng)器出口的物料濃度為后一級反應(yīng)器的入口濃度。5 多釜串聯(lián)反應(yīng)器(multiple mixed flow reactors - MMFR)2021/3/2335對第i釜進行物料衡算（單位時間）:物料進入量=物料引出量+反應(yīng)消耗的物料量qV,0CA,i-1= qV,0CA,i+(-rA,i)VR,iqV,0CA,0(1-xA,i-1)= qV,0CA,0(1-xA,i)+(-rA,i) VR,iVR,i/qV,0 = CA,0(xA,i- xA,i-1)/(-rA)2021/3/233

19、6)()()(1,0,1,0,iAiAiAAiAiAiAViRixxrCrCCqV基本方程: )()(,1,0,0,110,1,iAiAiAAVniniiVniiRtRrxxCqqVV2021/3/2337代數(shù)法求VR,i、N、xA,N、cA,N:（各釜有效容積相等的等容反應(yīng)）簡單一級反應(yīng): )1 ()(0,AAAAxkckcriAiAiAikccc,1,ni321kccAA10,1 ,20,1 ,2,)1 (1kckccAAAiAiAiAkckcc)1 (10,1,第一釜為:第二釜為:第i釜為:iiAiAkcc1,1,2021/3/2338轉(zhuǎn)化率: NANAANAANAkcccccx)1 (

20、1110,0,0,NANANAkckcc)1 (10,1,第N釜為:NANAkcc)1 (10,kxNA/ 111N/1,）（)1ln()1ln()1lg()1lg(,kxkxNNANA2021/3/2339圖解法: 用已知動力學數(shù)據(jù)作(-rA）對xA的曲線MN;在xA軸上標出要求達到的最終轉(zhuǎn)化率;由xA,00自原點出發(fā)作斜率為cA,0/的直線與曲線MN相交于R1,由R1引垂線于xA軸相交于O1,對應(yīng)于O1的轉(zhuǎn)化率xA1,。1,0,0,)(iAiAiAiAiAxCxCr2021/3/2340例7-7 在二釜串聯(lián)反應(yīng)器中進行分解反應(yīng):AB+C,已知328K時k=0.00231 s-1,反應(yīng)物A的

21、初始濃度為1.24kmol/m3,要求A的轉(zhuǎn)化率達到90%,A的日處理量為14m3,試求反應(yīng)器的體積。)1 ()(0AAAAxkckcr解:一級反應(yīng),反應(yīng)器體積:)(303. 0360093624142233021mhmqVVVVRRRNNAkx)1 (11,NNAkx)1 (11,)(93600231. 0/ 19 . 011/ 1112/1N/1,skxNA）（）（2021/3/2341對三釜串聯(lián)反應(yīng)器:)(8 .49900231. 0/ 19 . 011/ 1113/1N/1,skxNA）（）（)(243. 036008 .499241433330321mhmqVVVVVRRRR反應(yīng)器體

22、積:2021/3/23423 3 均相反應(yīng)過程優(yōu)化和反應(yīng)器選擇均相反應(yīng)過程優(yōu)化和反應(yīng)器選擇1 1 以生產(chǎn)強度為優(yōu)化目標以生產(chǎn)強度為優(yōu)化目標生產(chǎn)強度:單位容積反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。例:分解反應(yīng) AB+C,在328K時k=0.00231 s-1,反應(yīng)物A的初始濃度為1.24kmol/m3,求A的轉(zhuǎn)化率達到90%,A的日處理量為14m3,反應(yīng)器的容積。反應(yīng)器類型空間時間(s)反應(yīng)器有效容積(m3)反應(yīng)器相對容積活塞流反應(yīng)器996.80.1621三釜串聯(lián)499.83=1499.40.2431.50二釜串聯(lián)9362=18720.3031.87連續(xù)理想混合3896.10.6313.90間歇攪拌釜996.8（輔

23、助時間30min）0.4532021/3/2343反應(yīng)器類型反應(yīng)器有效容積(m3)反應(yīng)器相對容積xA=0.8xA=0.9xA=0.8xA=0.9活塞流反應(yīng)器3.6811連續(xù)理想混合17.871.14.948.9二級反應(yīng):2021/3/2344討論相同情況下有效容積的關(guān)系為（間歇釜的輔助時間與反應(yīng)時間相比很小時:活塞流間歇釜多釜串聯(lián)1）:（-rA）=kcAn, p轉(zhuǎn)化率影響:正級數(shù),1,轉(zhuǎn)化率增加,減小。p反應(yīng)級數(shù)影響:反應(yīng)級數(shù)增加,減小。1ACAPVVAfAfAfxxxVV11ln1ACAP) 1()1 (11)1 ()1 (1) 1(1)1 (11100ACAPnxxxxxnkcxxkcVV

24、nAfAfAfnAfnAfnAAfnAfnA2021/3/23472 以產(chǎn)率和選擇性為優(yōu)化目標（復(fù)雜反應(yīng)）轉(zhuǎn)化率: 該反應(yīng)物的起始量某一反應(yīng)物的消耗量x反應(yīng)速率關(guān)鍵組分的速率組分的生成目的產(chǎn)物消耗關(guān)鍵關(guān)鍵組分的初始量組分的量生成目的產(chǎn)物消耗關(guān)鍵瞬時收率:收率:2021/3/2348主、副反應(yīng)速率之和的反應(yīng)速率生成目的產(chǎn)物已轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分量組分的量生成目的產(chǎn)物消耗關(guān)鍵瞬時選擇性:選擇性:當原料不循環(huán)返回反應(yīng)器時: 收率選擇性轉(zhuǎn)化率2021/3/2349平行反應(yīng)過程平行反應(yīng)過程 2221112,1,)()(bBaASAkbBaARAkcckrSBAcckrRBA（副產(chǎn)物）（主產(chǎn)物）)()(2121

25、,21212211)()(bbBaaAbBaAbBaASARAcckkcckcckrr a1a2,b1a2,b1b2 時,提高反應(yīng)物濃度cA,有利于提高反應(yīng)選擇性,活塞流或間歇釜; a1a2,b1b2時,提高cA濃度,降低cB濃度;a1b2 時,提高cB濃度,降低cA濃度。2021/3/2350E1E2:升高溫度有利于提高反應(yīng)選擇性;E1k2,則提高單程轉(zhuǎn)化率;若k1副反應(yīng)級數(shù)時,選活塞流;反之選全混流。串聯(lián)反應(yīng),以中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)物,選活塞流,反之選全混流。 2021/3/23544 4 反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時間分布反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時間分布1 分布密度函數(shù)與分布函數(shù)設(shè)進入反應(yīng)系統(tǒng)的物料量為N

26、,停留時間在t-t+dt的物料量為dN,dN占進料總量的分率為:dttEdtttNdN)(進入系統(tǒng)的物料量料量的物停留時間為)()1)(tEdtNdN-停留時間分布密度函數(shù),表示單位時間間隔內(nèi)物料的分率,該分率隨時間變化。1)(0dttE歸一化:2021/3/2355停留時間分布函數(shù) F(t) -停留時間為0t的物料在進料總量中占的分率: tdttEF(t)0)(dttdFE(t)()()(tdFdttENdN2021/3/23562 停留時間分布函數(shù)的測定脈沖輸入法脈沖輸入法:示蹤劑從系統(tǒng)入口處瞬間注入。同時在系統(tǒng)出口處跟蹤檢測示蹤劑量隨時間的變化。qV為物料體積流量,示蹤劑的總量為M0,則

27、有:00)( dttcqMv0)(MdttcqNdNE(t)dtvttctcdttctcMtcqE(t)v)()()()()(00qV0M00C0(t)t0C0(t)tt=02021/3/2357階梯輸入法階梯輸入法:將定常態(tài)流動的物料從某一時刻起切換為流量與原定常態(tài)流動物料相同的含有示蹤劑的流體。同時在系統(tǒng)出口處跟蹤檢測示蹤劑量隨時間的變化。 時間內(nèi)輸入物料的體積量示蹤劑的停留時間為tttC0)(時間內(nèi)輸入物料的體積的分率停留時間為劑量時間內(nèi)進入系統(tǒng)的示蹤ttt0)()()(0000000tFCdttECtqdttEtCqtvtv0/ )(CtCF(t) 2021/3/23583 停留時間分

28、布函數(shù)的數(shù)字特征平均停留時間數(shù)學期望平均停留時間數(shù)學期望)()()()(10000ttdFdtttEdttEdtttEt)()()()(tFtFtttEtttEt已知反應(yīng)器有效體積和物料流量時:VRVqdVtR00VRqVt定常態(tài)恒容過程: 1)(0dttE對離散數(shù)據(jù):2021/3/2359202220200202022020022)(2)()()(2)()()2()()()()()(tdttEtttdttEtdttEtdtttEtdttEtdttEtt ttdttEttdttEdttEttt方差方差:(物料質(zhì)點停留時間與平均停留時間的偏離程度物料質(zhì)點停留時間與平均停留時間的偏離程度) 222

29、22)()()()()(tttEttttEttEtt對離散數(shù)據(jù):2021/3/23601)()()(20202dEdEtttt222)/(tt對比時間:tt/)()(tFF)()(tEtE2021/3/23614 幾種流動模型的停留時間分布函數(shù)活塞流模型活塞流模型停留時間分布密度函數(shù):t0)()(tttEtt1lim)()(0tttEttt0)()(tttEtt方差:0022t2021/3/2362全混流模型全混流模型脈沖輸入法:（對t-t+dt時間間隔內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)示蹤劑的量進行衡算）t時的示蹤劑量t+dt時的示蹤劑量+dt時間流出的示蹤劑量 VRC(t)=VR(C(t)+dC(t)+qVC(t

30、)dt 0= VRdC(t)+qVC(t)dt等容反應(yīng): dtdtVqtCtdCRV1)()(0dttCtdCttCC0)(1)()(0tCtC0)(ln/0)(teCtC2021/3/2363停留時間分布函數(shù): /0/011)(ttttedtedttEF(t)停留時間分布密度函數(shù)的方差:220/22022)()(1)()(ttdtettdttEttt1)()()(22222tttt停留時間分布密度函數(shù):/0/000/000001)(ttRvtRvtvveeVqeVMMqeCMqMtcqE(t)2021/3/2364多級全混流模型多級全混流模型物料為定常態(tài)流動,各級有效容積相等,空間時間相等第

31、一級: /01)(teCtC第二級,在t-t+dt時間間隔:進入的示蹤劑量離開的示蹤劑量第二級內(nèi)示蹤劑改變量qV0C1(t)dt- qV0C2(t)dt =VRdC2(t)/01221)(1)(1)(teCtCtCdttdC令:C2（t）y,t/=x,求解微分方程,得: /02)(tetCtC第N級示蹤劑出口濃度: /10)()!1()(tNNetNCtC2021/3/2365停留時間分布密度函數(shù):/100)()!1(11)(tNNvetNMtcqE(t)NNNeNN)E(1)!1(NNNdNeNNNN1111)!1(01201122時，；當時，當NN2021/3/2366擴散模型擴散模型dl

32、lcclcDlldllccDl取長度為dl的微元,兩端面上示蹤劑濃度分別為C和物料流速為u,軸向擴散速率借用分子擴散的費克定律來表示。微元端面1逆向擴散的速率為:微元端面2逆向擴散的速率為:2021/3/2367lculcDtcl22uLtLZttCCC/1,/,/0*令：zczcuLDcl*2*2*化簡,得:(L為反應(yīng)器長度)Dl/uL為返混數(shù),其倒數(shù)uL/Dl為貝克來(Pclet)數(shù),用符號Pe表示,量綱為1。上式改寫成量綱為1的形式:微元內(nèi)濃度均一,則微元的物料衡算關(guān)系為:進入的示蹤劑量流出的示蹤劑量+微元內(nèi)示蹤劑改變量 dldtcdlcDdllccudldllccDucll222444

33、2021/3/2368當Dl0,或Pe時,上兩式可化簡為活塞流的模型方程:lcutczcc*軸向擴散模型實際上是在活塞流模型上迭加軸向返混。當邊界和初始條件為:c=0,l0,t=0;c=c0,l0;C=c0,l=-,t0YdYYerf(Y)02)exp(221 20Dlerfcc2021/3/2369Pe/22時）（2 . 02)1 (2222PeePePeuLDNl212lDuLN2方差:對同一連續(xù)操作的反應(yīng)系統(tǒng),物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動狀況可用多級全混流模型表示,也可用軸向擴散模型表示:（返混稍大的閉式系統(tǒng)）22121DuLerf)F()/)(212121LuDerf)F()/(4)1 (ex

34、p)/(212LuDLuD)E(2021/3/23705 5 氣固相催化反應(yīng)器氣固相催化反應(yīng)器1 氣固相催化反應(yīng)過程機理反應(yīng)物從氣流主體向催化劑外表面擴散外擴散反應(yīng)物從催化劑外表面向催化劑內(nèi)表面擴散內(nèi)擴散反應(yīng)物在催化劑表面被吸附吸附過程反應(yīng)物在催化劑表面進行反應(yīng)表面反應(yīng)過程生成物由催化劑內(nèi)表面脫附脫附過程反應(yīng)物從催化劑內(nèi)表面向催化劑外表面擴散內(nèi)擴散反應(yīng)物從催化劑外表面向氣流主體擴散外擴散2021/3/2371ks和k顆粒表面溫度和氣流主體溫度下的速率常數(shù),等溫時,ks=k;cAs在催化劑顆粒表面上的濃度;Vp固體顆粒體積。外擴散過程 反應(yīng)速率:nAsnAsspAAkcckdtVdnr)(202

35、1/3/2372kg以Vp為基準的氣相傳質(zhì)系數(shù),ms-1;kg=kg/RT;Se顆粒比表面積,m2m-3;-催化劑顆粒的形狀系數(shù),圓球為1,圓柱體為0.91,不規(guī)則顆粒為0.90;cA,g , cA,S氣流主體、催化劑顆粒表面濃度,molm-3;pA,g , pA,S氣流主體、催化劑顆粒表面分壓,Pa。反應(yīng)物A由氣相主體向顆粒表面擴散的傳質(zhì)速率為:)()(,sAgAegsAgAegAppSkccSkN2021/3/2373內(nèi)擴散過程 容積擴散容積擴散:以分子間的碰撞為阻力。微孔直徑遠大于氣體分子運動的平均自由路徑。容積擴散系數(shù)與絕對溫度的1.75次方呈正比,與壓力呈反比。壓力大于1107Pa或

36、常壓下微孔半徑大于10-7m的擴散為容積擴散。諾森擴散諾森擴散:以分子與孔壁之間的碰撞為阻力。微孔直徑小于氣體分子運動的平均自由路徑。諾森擴散系數(shù)與微孔半徑及絕對溫度的0.5次方呈正比,與壓力無關(guān)。多數(shù)工業(yè)催化劑的微孔半徑在10-7m以下,為諾森擴散。2021/3/2374內(nèi)表面利用率:)()(,021sAisisAsScfSkdScfkNNN1:等溫條件下催化劑顆粒內(nèi)單位時間的實際反應(yīng)量;N2:按顆粒外表面上反應(yīng)組分濃度及催化劑顆粒內(nèi)表面計算的理論反應(yīng)量。工業(yè)催化劑顆粒的一般在0.2-0.8之間。值接近或等于1時,反應(yīng)為動力學控制,遠小于1,為內(nèi)擴散控制。2021/3/2375氣固相催化反應(yīng)

37、宏觀動力學模型)()()(,sAissAgAegnAAcfSkccSkkcr)()(*,AsAAcckr)()(*,AsAissAgAegccSkccSk)(111)(*AAisegAccSkSkr穩(wěn)態(tài)下,各過程的速率相等,宏觀反應(yīng)速率等于任一過程的速率。對一級不可逆反應(yīng):;解出cA,s,得:2021/3/2376isSk1isegSkSk11isegSkSk11:表示外擴散阻力;:表示內(nèi)擴散阻力。:外擴散控制;egSk1:1,內(nèi)擴散控制; =1,動力學控制。2021/3/23772 固定床催化反應(yīng)器絕熱式反應(yīng)器: 2021/3/2378對外換熱列管換熱器非絕熱自熱式列管反應(yīng)器2021/3/2

38、3793 固體流態(tài)化和流化床反應(yīng)器AB段:床層固定,流速增,壓強降增;BC段:床層松動,壓強降增加緩慢;CE段:孔隙率增加較快,壓強降減小;EF段:流態(tài)化,壓強降不變;FH段:流速大于顆粒沉降速度,顆粒被帶出,壓強降下降;ED段:形成流態(tài)化后降低流速,流速與壓強降的關(guān)系,D點為臨界流化速度。 2021/3/2380散式流態(tài)化:液固系統(tǒng),顆粒在床層處于均勻分布狀態(tài)。聚式流態(tài)化:氣固系統(tǒng),又稱“鼓泡流化床”或“沸騰床”。2021/3/2381流化床反應(yīng)器2021/3/23824 反應(yīng)器操作溫度最佳化最佳溫度和平衡溫度 對不可逆簡單反應(yīng),以提高反應(yīng)速率為優(yōu)化目標,而反應(yīng)速率隨溫度的升高而增大,故在設(shè)備、催化劑、反應(yīng)物和產(chǎn)物的性質(zhì)、生產(chǎn)成本允許的情況下,提高反應(yīng)溫度。不存在最佳溫度。 可逆簡單反應(yīng)必須考慮溫度對反應(yīng)速率和化學平衡的影響。以一級反應(yīng)為例討論:ARk2k1AARTEAAR