化學(xué)反應(yīng)工程第二版ppt課件

1、北京化工大學(xué)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)在實驗室中實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，如何將其在工業(yè)規(guī)模實現(xiàn)是化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的主要任務(wù)。 為了這一目標，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)器的特點及其與化學(xué)反應(yīng)結(jié)果之間的關(guān)系。 工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)較之實驗室規(guī)模要復(fù)雜得多，在實驗室規(guī)模上影響不大的質(zhì)量和熱量傳遞因素，在工業(yè)規(guī)?？赡芷鹬鲗?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)果與實驗室規(guī)模大相徑庭

2、。 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。 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)律不因為物理過程的存在而發(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?；瘜W(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)

3、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。 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。 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30 2 槽式反應(yīng)器，一般高徑比為13 3 塔式反應(yīng)器，一般高徑比在330之間 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

4、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。重油的催化裂化流化床反應(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，達到利用簡單數(shù)學(xué)方程描述復(fù)雜物理過程的目的。數(shù)學(xué)模型法 1建立簡化物理模型 對復(fù)雜客觀實體，在深入了解基礎(chǔ)上，進行合理簡化，設(shè)想一個物理過程(模型)代替實際過程。簡化必須合理，即簡化模型必須反映客觀實體，便于數(shù)學(xué)

5、描述和適用。 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大型冷模實驗研究傳遞過程規(guī)律； 3利用計算機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熱模實驗檢驗數(shù)學(xué)模型的等效性。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:SRBAsrba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，允許按方程式的運算規(guī)則進行

6、運算，如將各相移至等號的同一側(cè)。SRBAsrba0SRBAsrba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。3222SOO2SO322SOO21SO反應(yīng)程度反應(yīng)進度） 引入“反應(yīng)程度來描述反應(yīng)進行的深度。 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)，I為其計量系數(shù)，nI0為起始時刻組分I的摩爾數(shù)。0SRBAsrbaI0IInn 因此，該量可以作為化學(xué)反應(yīng)進行程度的度量。 恒為正

7、值，具有廣度性質(zhì)，因次為mol。 反應(yīng)進行到某時刻，體系中各組分的摩爾數(shù)與反應(yīng)程度的關(guān)系為：II0I nn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)進行的程度。 定義A0A0AAAnnnAx組分的起始量組分量轉(zhuǎn)化了的組分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)當可以達到100%，如果體系中有多于一個組份滿足上述要求，通常選取重點關(guān)注的、經(jīng)濟價值相對高的組分定義轉(zhuǎn)化率。 轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)程度的關(guān)系，結(jié)合 得到：A0AAnxI0II nn0AAA0Annnx 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

8、上式中的I用A代替，可得AA0AI0IIxnnnAA0A1xnn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13smmoldd1tVr 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13AAsmmoldd1tnVr4D3C2BA對于反應(yīng) 以反應(yīng)物B為基準定義的反應(yīng)速率為： 以反應(yīng)產(chǎn)物C為基準定義的反應(yīng)速率為：13BBsmmoldd1tnVr13CCsmol.mdd1tnVr 必有 當I為反應(yīng)物時， I為產(chǎn)物時， DCBA413121rrrrIIrrIIrr 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

9、素之間的關(guān)系式稱為反應(yīng)動力學(xué)方程。大量實驗表明，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)壓力通常可由反應(yīng)物系的組成和溫度通過狀態(tài)方程來確定，不是獨立變量。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。 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。 對于體系中只進行一個不可逆反應(yīng)的過程， 式中： cA，cB：A，B組分的濃度 mol.m-3 kc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。SRBAsr

10、ba13BAcAsmmolnmcckr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，Jmol-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。RTEkkec0c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)?；磻?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)為實驗測得的經(jīng)驗值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是負數(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，

11、可獲得化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程的積分形式。nmckctnVrBAAAdd1 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)。AAAddkctcrAA0A11lnlnxcckt半衰期 定義反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達到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)2AAddkctcAA0A0AA1111xxccckt0A211kct 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，就是要通過實驗數(shù)據(jù)回歸出上述關(guān)系。 對于一些相對簡單的

12、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行。積分法 (1)首先根據(jù)對該反應(yīng)的初步認識，先假設(shè)一個不可逆反應(yīng)動力學(xué)方程，如(-rA)=kf (cA)，經(jīng)過積分運算后得到，f(cA)=kt的關(guān)系式。 例如，一級反應(yīng)ktcc0AAln (2)將實驗中得到的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，f(ci)為縱座標，將ti-f(ci)數(shù)據(jù)標繪出來，如果得到過原點的直線，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。 為了求

13、取活化能E，可再選若干溫度，作同樣的實驗，得到各溫度下的等溫、恒容均相反應(yīng)的實驗數(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?？蓪次實驗所求得k和與之相對應(yīng)的1/T取平均值作為最后結(jié)果。TREkkekkRTE1lnln00 例1-1 等溫條件下進行醋酸 (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。t/hr012345678醋酸轉(zhuǎn)化量102/kmol.m-301.6362.7

14、323.6624.5255.4056.0866.8337.398 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：nnmckckctcrAABAAdd 將實驗數(shù)據(jù)分別按0、1和2級處理并得到t-f(cA)的關(guān)系t/hrcAcA0-cA0AAlncc0AA11cc00.233200010.21680.016360.072980.324420.20590.027320.12450.568630.19660.036620.17070.798340.18790.045250.21601.0337550.1792

15、0.054050.26301.292260.17230.060860.30301.515770.16490.068330.34701.776180.15920.073980.38201.9932 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。0AA11cc微分法 微分法是根據(jù)不同實驗條件下在間歇反應(yīng)器中測得的數(shù)據(jù)cA-t直接進行處理得到動力學(xué)關(guān)系的方法。 在等溫下實驗，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)

16、以時間t為橫坐標，反應(yīng)物濃度cA為縱坐標直接作圖。 將圖上的實驗點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），用測量各點斜率的方法進行數(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：tcddAnkctcAAddAAlnlnddlncnktc 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)點在于可以得到非整數(shù)的反應(yīng)級數(shù)，缺點在于圖上微分時可能出現(xiàn)的人為誤差比較大。tcddlnAAlnc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

17、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進行物料衡算。 用符號表示： 更普遍地說，對于體積元內(nèi)的任何物料，進入、排出、反響、積累量的代數(shù)和為0。 不同的反應(yīng)器和操作方式，某些項可能為0。1b1r1out1insmolAsmolAsmolAsmolAFFFF量的積累元中物料單位時間內(nèi)體積量物料元中反應(yīng)消失的單位時間內(nèi)體積量體積元的物料單位時間排出量體積元的物料單位時間進入broutinFFFF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)物料進行反應(yīng)達到所要求的反應(yīng)程度或轉(zhuǎn)

18、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。t (3)空間時間 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0RVV (4)空間速度SV 有空速和標準空速之分?？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： 標準空速定義為：1R0VhVVS1RNOVhVVS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)進行，這種設(shè)

19、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。簡單混合與返混若相互混合的物料是在相同的時間進入反應(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。 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)

20、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間歇反應(yīng)器 間歇操作的充分攪拌槽式反應(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入的，物料之間的混合過程屬于簡單混合，不存在返混。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。全混流反應(yīng)器 連續(xù)操作的充分攪拌槽型反應(yīng)器簡稱全混流反應(yīng)器）。在這類反應(yīng)器中物料返混達最大值。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

21、反應(yīng)器及全混流反應(yīng)器之間。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)器特點由于劇烈攪拌、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；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；出料組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；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)器設(shè)計方程 反應(yīng)器有效容積中物料

22、溫度、濃度相同，故選擇整個有效容積VR作為衡算體系。在單位時間內(nèi)，對組分A作物料衡算：的積累量物料中單位時間內(nèi)的量消失的物料內(nèi)反應(yīng)單位時間的量的物料單位時間排出的量的物料單位時間進入AAAARRRRVVVV1ARAsmoldd00tnVr 整理得 當進口轉(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。它表達了在一定操作條件下，為達到所要求的轉(zhuǎn)化率xA所需的反應(yīng)時間tr。1A0ARAsmolddtxnVrAr0RAAA00rddxtVrxntt 在恒容條件下， 上式可簡化為： 間歇反應(yīng)器內(nèi)為達到一定轉(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)。A0

23、AA1xccAA0AAA0AAA0rddccxrcrxct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FAkmol.h-1以及原料組成CA0kmol.m-3、達到的產(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。 由式 計算反應(yīng)時間tr； 計算一批料所需時間tt； tt=tr+t t為輔助生產(chǎn)時間 計算每批投放物料總量FA； FA=FAtt 計算反應(yīng)器有效容積VR；A0AAA0rdxrxctttVVCFVr0RA0AR或 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6085，該分

24、率稱為反應(yīng)器裝填系數(shù)，由生產(chǎn)實際決定。RRVV 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作催化劑進行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實驗測得反應(yīng)動力學(xué)方程為： cA0=4 kmol.m-3132AAminmkmolkcr1133minkmolm1097. 1k 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? 解：(1)達到要求的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間為： xA=0.5 xA=0.6 tr=3.1

25、8h xA=0.8 tr=8.5h xA=0.9 tr=19.0hAfAf0A02A2A0AA00AAA0r111ddAfAfxxkcxkcxcrxctxxh10. 26015 . 015 . 041097. 113rt (2)反應(yīng)器體積的計算 xA= 0.8時：tt=tr+t=8.5+1=9.5h 每小時己二酸進料量FA0，己二酸相對分子質(zhì)量為146，則有： 處理體積為： 實際反應(yīng)器體積VR：10Ahkmol684. 0146242400F130A0A0hm171. 04684. 0cFV 反應(yīng)器有效容積VR： 實際反應(yīng)器體積VR： 當xA=0.9時： tt=19+1=20h VR=0.17

26、120=3.42m3 VR=3.420.75=4.56m33t0Rm63. 15 . 9171. 0tVV3RRm17. 275. 063. 1VV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) Flow Reactor，簡稱PFR。理想置換反應(yīng)器的特性 由于流體沿同一方向，以相同速度向前推進，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；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；在定常態(tài)下操作，反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)只隨軸

27、向位置改變，不隨時間改變。實際生產(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，如下圖，這時dVR=Stdl，式中St為截面積。 進入量-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

28、。 上式為平推流反應(yīng)器的積分設(shè)計方程。AR0AA00ARddxVrxFVA0AA0A0ARdxrxcFVA0AA0A0RdxrxcVV 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。A0AA1xcc2A1AAA0RdccrcVV 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：2A1AAA0A0RdxxrxcVV222AAA0A02A20AA0A0R111dxxkcxkcxcVVx33Rm45. 16018 . 018 . 041

29、097. 1171. 0V3Rm26. 3V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。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 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)。SRBAsrba0SRBAISRBAIAIA 膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的，一旦反應(yīng)式確定

30、，膨脹因子就是一個定值，與其它因素一概無關(guān)。02312C3BA2A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。A0是摩爾數(shù)增加的反應(yīng)，反應(yīng)體積增加。A0是摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，反應(yīng)體積減小。A=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變。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。001AAAAxxxVVV膨脹因子與膨脹率的關(guān)系 可以推導(dǎo)出AA0Ay變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與

31、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AAA0AAII0AA0A0AAI0III11xxccxVxnnVncAAA0AA11xxcc 例1-5均相氣相反應(yīng)A3R，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)器中進行，其中k=10-2s-1，進料量FA0=30kmol/h，原料含50惰性氣，為使反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達80，該反應(yīng)器體積應(yīng)為多大? 解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)A3R 已知yA0=0.5，因此A=yA0A=1 平推流反應(yīng)器設(shè)計方程2113AA0AA0Adxrxc30R1313008 . 00AA8 . 00AAA8 .

32、00AAA0AA0A8 . 00AA0A0AA0Am4 .381587. 08 .241sm1587. 0hm2 .57140018515.273314. 85 . 0/30s8 .2411ln2100d1110011dddAVVpRTFVxxxxxxxkcxckcxcrxcx 例1-6在一個平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進料裂解制造乙烯。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347.3 kJmol-1 ，1000K時，k=0.0725 s-1 。設(shè)計工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器。 解：設(shè)A為乙烷，B為

33、乙烯，C為氫氣 反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是：CBAHHCHC242621111117Bskmol175. 0kmolkg28hs3600dh24ad330akg1014F 進料乙烷的摩爾流率是： 計算1100K時反應(yīng)速率常數(shù)：1ABA0skmol219. 08 . 0175. 0 xFF11000110010001100314. 8103 .347K110010001100100011001000011000K1000K11000s23. 3e0725. 0eeee3kkkkkkkRERERERTE 膨脹因子： 膨脹率： 進口體積流量：11111A111AA0Ay1333000A0sm34.

34、 3106001100314. 810219. 0pRTFV 平推流反應(yīng)器設(shè)計方程38 . 00AAR8 . 00AAA8 . 00AAA08 . 00AAAA0A000AA0A0R0AA0A0Rm50. 21ln203. 1d1123. 334. 311d11dddAAxxVxxxxxkxVxxkcxcVkcxcVVrxcVVAxx流體在平推流反應(yīng)器中的真實停留時間 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停留時間都等于平均停留時間。 恒壓變?nèi)莘磻?yīng)，由于反應(yīng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實停留時間與空間時間不同。如果反應(yīng)物系體積膨脹，流體流速將逐漸加快，停留時

35、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。 恒容條件下，A=0，上式還原為：AAR0AAAAA00AA0AA00R1d1ddxxAVxrxcxVrxFVVtA0AA0AdxrxcR0RdVVVt全混流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動充分攪拌槽式反應(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)器特性 物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；反應(yīng)器的出口組成與器內(nèi)物料組成相同；延續(xù)、穩(wěn)定流動，是一定態(tài)過程。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

36、VR為物料衡算體系，對組分A作物料衡算。的積累量物料中單位時間內(nèi)的量消失的物料內(nèi)反應(yīng)單位時間的量的物料單位時間排出的量的物料單位時間進入AAAARRRRVVVV0RfAAfA1VrFF 整理得到： 恒容條件下又可以簡化為：RfAA1AfA0VrxxFfA1AAfA0RrxxFVfA1AAf0A0RrxxcVVfAAfA1rcc 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：2A2A0A1xkcr110Aminkmol0114. 0hkmol684. 0F130hm171. 0V 由設(shè)計方程 代入數(shù)據(jù)，xAf

37、=0.8時 代入數(shù)據(jù)，xAf=0.9時2A20A1AAf0AR1xkcxxFV3223Rm23. 78 . 0141097. 18 . 00114. 0V3223Rm6 .329 . 0141097. 19 . 00114. 0V 將例1-3，1-4，1-7的結(jié)果匯總 從上表可看出，達到同樣結(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。當轉(zhuǎn)化率增加時，所需反應(yīng)體積迅速增加。反應(yīng)器有效容積平推流反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器全混流反應(yīng)器xA=0.81.45 m32

38、.17 m37.23m3xA=0.93.26 m34.56 m332.6 m3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”?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)重視反應(yīng)體積的概念，強調(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。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，但有一點是共同的，就是二者都

39、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)器的返混達到了極大的程度。因此，二者的設(shè)計方程不同，同一個反應(yīng)在這兩種反應(yīng)器中進行，產(chǎn)生的結(jié)果也就不一樣。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，在恒溫下進行，其設(shè)計式為： 對于全混流反應(yīng)器，在恒溫下進行，其設(shè)計式為： 二式相除，當初始條件和反應(yīng)

40、溫度相同時：A0nAAA1nA0Pd111AxxxkcxnAAA1nA0Am11xxkcxA0nAAAnAAAApRmRpmd1111AxxxxxxVVx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 因為是并聯(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A0AA0A0RdxrxcVV盡可能減少返混是保持高轉(zhuǎn)化率的前提條件，而只有當并聯(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)當遵循的條件2102012R1R:VVVV

41、 (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。 (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niixxxirxrxFVFVAA1A0AAAAA0R0ARdd (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)。 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： 小于單個全混釜達到相同轉(zhuǎn)

42、化率xAN操作時的空間時間。iiVV0RiiiiiiirccrxxcAA1AA1AA0AN21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：210A21A2A2A2A1A210A1A1A1A0A11111kkckcckccckcckcccN10AAN1iikcc 如果各釜體積相同，即停留時間相同，那么： 對二級反應(yīng)，以上面方法，可以推出：N0AAN1ikccNAN111ikxiiiikckc24111AA 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

43、積。 解： 知8 . 0mkmol4hm171. 01097. 1Af3B0A0130BA3AxccVccr 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)i=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=0.824 kmolm-33Af0A4Amkmol8 . 08 . 0141xcciiiikckc24111AA 結(jié)果稍大，重新假設(shè)i=3.14h，求得： cA1=2.202kmolm-3 cA2=1.437kmolm-3 cA3=1.037kmolm-3 cA4=0.798kmolm-3

44、 基本滿足精度要求。3R30Rm15. 2537. 04m537. 014. 3171. 0VVVii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，或為了提高原料的利用率，常常采用部分物料循環(huán)的操作方法，如下圖。 循環(huán)反應(yīng)器的基本假設(shè)：反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流流動；管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；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，即2AA1AA1ARdxxrxFV2A3A23FFVV 對圖中M點作物料衡算： 對整個體系而言，有： 可以推導(dǎo)出：202A0A303A0A11A1AVV

45、FFVVFFVFc2AA022A0A2A11xVVxFF2AA11xx 平推流反應(yīng)器設(shè)計方程中，轉(zhuǎn)化率的基準應(yīng)當與反應(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，新鮮進料FA0和循環(huán)回來的物流V3中當轉(zhuǎn)化率為0時應(yīng)當具有的A的摩爾流率。即：2A1AAA0ARdxxrxFV0A300A10AcVVcVF 由此得到循環(huán)反應(yīng)器體積： 當循環(huán)比為0時，還原為普通平推流反應(yīng)器設(shè)計方程。 當循環(huán)比時，變?yōu)槿炝鞣磻?yīng)器設(shè)計方程。 當0E2時，E1-E20，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；當E1E2時，E1-

46、E2a2，blb2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 例2-2 有一分解反應(yīng) 其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0 =5 kmolm-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?2A2SA1pSAPAckrckr付產(chǎn)物目的產(chǎn)物 (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

47、32AA0A0R3A0APP22A2A1A1AP1PPm7 .255 . 05 . 15 . 015 . 45mkmol57. 25 . 05571. 0%1 .579 . 0155 . 19 . 01519 . 0151rccVVccScckckckrrpaSS (2)平推流反應(yīng)器A0APPccSc0AAAPA0APd1CCcSccS0AAAPPdcccSc30AAA0A0RAAAAA0RA0APP3A0AAAAA12A2A2A1A1Pm61. 35 . 115 . 11lnln5 . 11dd%3 .235 . 0505. 1mkmol05. 15 . 05 . 1155 . 11ln5

48、. 115 . 115 . 11ln5 . 11d5 . 111d11d0AA0AAA0A0AA0AAccccVVcccrcVVcccScccccckkcckckckccccccccccc (3)兩個全混釜串聯(lián) 為使cP最大，求 ， 得cA1=1.91kmolm-32A2A1A1A1A0A2A1A22A22A12A11A0A21A21A11A12A2P1AP1P5 . 115 . 11ccccccccckckckccckckckcScSc0dd1APcc32222A22A12A1A021A21A11002R1RRP3m5 .105 . 05 . 15 . 015 . 091. 1591. 15

49、 . 191. 1191. 155%7 .355 . 0561. 1mkmol61. 15 . 05 . 115 . 091. 191. 15 . 1191. 15ckckccVckckccVVVVScAAP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)。SPA21kk 三個組分的生成速率為： 設(shè) 開 始 時 各 組 分 的 濃 度 為 c A 0 ，cP0=cS0=0，則由第一式積分得：A1AAddcktc

50、rP2A1PPddckcktcrP2SSddcktcrtkecc10AA 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+cS0dd10A1P2Ptkeckcktctktkeekkkcc122110APtktkekekkkcc2112210AS11 若k2k1時， 若k1k2時， 組分A、P、S隨時間的變化關(guān)系以濃度-時間標繪得圖tkecc110AStkecc210AS 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

51、率常數(shù)k與濃度無關(guān)，只有改變溫度能夠影響k1/k2。1212optlnkkkkt21221A0maxPkkkkkcc 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=1SPA21spakkApPrrpaSAP1020A1P2A1APP211ccekkckckckrrSRTEE 當生成中間產(chǎn)物的活化能E1大于進一步生成副產(chǎn)物活化能E2(即E1E2)時，升高溫度對生成中間目的產(chǎn)物是有利。當生成中間產(chǎn)物的活化能E1小于生成副產(chǎn)物活化能E2(即E1E2)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。 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

52、混流反應(yīng)器易滿足這一條件，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器。 全混流反應(yīng)器的計算(計算最佳空間時間op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：RAA00A0VrcVcV1A0RAAA01kcVVrcc0RA1AVVckr10AA1kcc 對P作物料衡算： 當時 cP值最大，為最佳值op。P0RP0P0cVVrcVP2A1PPckckrc210A12A1P111kkckkckc0ddPc op為反應(yīng)速率常數(shù)的幾何平均值的倒數(shù)。011211dd221212121A01Pkkkkkkkkckc21OP1kk2120Am

53、axP1kkcc21A0AOP1kkcc 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組分進行物料衡算： RAAA0A0ddVrccVcVddA1Ackc0RVV10AAkecc 同樣對組分P進行物料衡算：RPPP0P0ddVrccVcVP2A1PckckrddP2A1Pckckc10A1P2PddkeckckcCd1220A1Pkkkeckec 下面針對不同情況確定積分常數(shù)。 情況1：當kl=k2=k，而且cP0=0； 當 時，相應(yīng)為最佳值。得到：keckc0AP0ddPck1OPkVV10ROPA00APmax368. 0cecc0A0AAOP

54、368. 0cecck0AAmaxP0AS264. 0ccccc 情況2：當cP0=0，但k1k2時，同樣可解得：122110APkkeekkkcc1212OPlnkkkk12212212121A021210A121maxPkkkkkkkkkkkckkkkckkkc121210AAOPkkkkkcc12120ROPlnkkkkVV 在(k2/k1)相同時，即平推流的平均選擇性永遠大于全混流。當反應(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量小；反之，副反應(yīng)生成的S量增加，所以平均停留時間寧可取小于op的值。隨著轉(zhuǎn)化率增加，平均選擇性是下降的，當k2/k11時，轉(zhuǎn)化率增加，平均選擇性明顯下降

55、。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。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。 (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

56、并未達到充分返混的程度，現(xiàn)將這類反應(yīng)器稱為非理想流動反應(yīng)器。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過程，對隨機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。停留時間分布函數(shù)F(t) 當物料以穩(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

57、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。 NNtFt停留時間分布密度函數(shù)E(t) 則存在 及 ttFtEdd tttEtF0d 1d0ttEF平均停留時間 平均停留時間，即數(shù)學(xué)期望 。變量時間t對坐標原點的一次矩。tt tFttttEtdd100散度 散度，即方差 。變量時間t對數(shù)學(xué)期望的二次矩。 為了運算方便，可改換成如下形式：2t2t tFttttEttdd102022t 2022tdtttEt停留時間分布規(guī)律的實驗測定 目前采用的方法為示蹤法，即在反應(yīng)器物料進口處給系統(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

58、。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。 示蹤劑應(yīng)滿足以下要求：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；示蹤劑的加入必須對主流體的流動形態(tài)沒有影響；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)；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)。階躍輸入法 本法的工作要點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），使進料中示蹤物的濃度有一個階躍式突變。 進口物料以體積流量V

59、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： tFVtFVV10c0cc 可得 如果階躍輸人前進口物流中不含示蹤劑，即 ，上式可以寫成： 有了實測的不同時間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 。 000cccctF00c 0cctFt2tc/c0tt=01響應(yīng)曲線階躍輸入后進入的物料階躍輸入前進入的物料 例3-1 測定某一反應(yīng)器停留時間分布規(guī)律

60、，采用階躍示蹤法，輸入的示蹤劑濃度c0=7.7kgm-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。時間s0152535455565758595出口示蹤劑濃度(kg.m-3)00.51.02.04.05.56.57.07.77.7t2t 解：本實驗測定的數(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：t 0cctF tccttFttFtE0dd 000dccttttEtttEt 202202022tddtccttttEtttEtt2t 具體計算結(jié)果如表時間 t/s 出口濃度 c/kgm-3 F(t) E(t) 0cct 02cct 0 0