工業(yè)反應(yīng)過程及反應(yīng)器ppt課件

1、1.工業(yè)化學(xué)反響過程及工業(yè)化學(xué)反響過程及理想反響器理想反響器 化學(xué)反響式化學(xué)反響式 反響物經(jīng)化學(xué)反響生成產(chǎn)物的過程用定反響物經(jīng)化學(xué)反響生成產(chǎn)物的過程用定量關(guān)系式予以描畫時(shí)量關(guān)系式予以描畫時(shí),該定量關(guān)系式稱為該定量關(guān)系式稱為化學(xué)反響式化學(xué)反響式:SRBAsrba化學(xué)反響計(jì)量式化學(xué)反響計(jì)量式 化學(xué)反響計(jì)量式化學(xué)反響計(jì)量方程化學(xué)反響計(jì)量式化學(xué)反響計(jì)量方程 是一個(gè)方程式，允許按方程式的運(yùn)算規(guī)是一個(gè)方程式，允許按方程式的運(yùn)算規(guī)那么進(jìn)展運(yùn)算，如將各相移至等號的同那么進(jìn)展運(yùn)算，如將各相移至等號的同一側(cè)。一側(cè)。SRBAsrba0SRBAsrba化學(xué)反響計(jì)量式只表示參與化學(xué)反響的化學(xué)反響計(jì)量式只表示參與化學(xué)反響

2、的各組分之間的計(jì)量關(guān)系，與反響歷程及各組分之間的計(jì)量關(guān)系，與反響歷程及反響可以進(jìn)展的程度無關(guān)。反響可以進(jìn)展的程度無關(guān)。化學(xué)反響計(jì)量式不得含有除化學(xué)反響計(jì)量式不得含有除1以外的任以外的任何公因子。詳細(xì)寫法依習(xí)慣而定，何公因子。詳細(xì)寫法依習(xí)慣而定， 與與均被認(rèn)可，但通常將關(guān)鍵組分關(guān)注的、均被認(rèn)可，但通常將關(guān)鍵組分關(guān)注的、價(jià)值較高的組分的計(jì)量系數(shù)寫為價(jià)值較高的組分的計(jì)量系數(shù)寫為1。3222SOO2SO322SOO21SO反響程度反響進(jìn)度反響程度反響進(jìn)度 引入引入“反響程度來描畫反響進(jìn)展的深度。反響程度來描畫反響進(jìn)展的深度。 對于任一化學(xué)反響對于任一化學(xué)反響 定義反響程度定義反響程度 式中，式中，nI

3、為體系中參與反響的恣意組分為體系中參與反響的恣意組分I的摩爾數(shù)，的摩爾數(shù)，I為其計(jì)量系數(shù)，為其計(jì)量系數(shù)，nI0為起始為起始時(shí)辰組分時(shí)辰組分I的摩爾數(shù)。的摩爾數(shù)。0SRBAsrbaI0IInn 因此，該量因此，該量可以作為化學(xué)反響進(jìn)展程度可以作為化學(xué)反響進(jìn)展程度的度量。的度量。 恒為正值，具有廣度性質(zhì)，因次為恒為正值，具有廣度性質(zhì)，因次為mol。 反響進(jìn)展到某時(shí)辰，體系中各組分的摩反響進(jìn)展到某時(shí)辰，體系中各組分的摩爾數(shù)與反響程度的關(guān)系為：爾數(shù)與反響程度的關(guān)系為：II0I nn轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率 目前普遍運(yùn)用著眼組分目前普遍運(yùn)用著眼組分A的轉(zhuǎn)化率來描畫的轉(zhuǎn)化率來描畫一個(gè)化學(xué)反響進(jìn)展的程度。一個(gè)化學(xué)反響進(jìn)

4、展的程度。 定義定義A0A0AAAnnnAx組分的起始量組分量轉(zhuǎn)化了的組分組分A的選取原那么的選取原那么 A必需是反響物，它在原料中的量按照化必需是反響物，它在原料中的量按照化學(xué)計(jì)量方程計(jì)算該當(dāng)可以完全反響掉學(xué)計(jì)量方程計(jì)算該當(dāng)可以完全反響掉與化學(xué)平衡無關(guān)，即轉(zhuǎn)化率的最大與化學(xué)平衡無關(guān)，即轉(zhuǎn)化率的最大值該當(dāng)可以到達(dá)值該當(dāng)可以到達(dá)100%，假設(shè)體系中有多，假設(shè)體系中有多于一個(gè)組份滿足上述要求，通常選取重于一個(gè)組份滿足上述要求，通常選取重點(diǎn)關(guān)注的、經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對高的組分定義點(diǎn)關(guān)注的、經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對高的組分定義轉(zhuǎn)化率。轉(zhuǎn)化率。 轉(zhuǎn)化率與反響程度的關(guān)系，結(jié)合轉(zhuǎn)化率與反響程度的關(guān)系，結(jié)合 得到：得到：A0AA

5、nxI0II nn0AAA0Annnx 亦可得到恣意組分在恣意時(shí)辰的摩爾數(shù)亦可得到恣意組分在恣意時(shí)辰的摩爾數(shù) 對對A組分本身，將上式中的組分本身，將上式中的I用用A替代，替代，可得可得AA0AI0IIxnnnAA0A1xnn化學(xué)反響速率化學(xué)反響速率 反響速率定義為單位反響體積內(nèi)反響程反響速率定義為單位反響體積內(nèi)反響程度隨時(shí)間的變化率度隨時(shí)間的變化率13smmoldd1tVr 常用的還有以反響體系中各個(gè)組份分別常用的還有以反響體系中各個(gè)組份分別定義的反響速率。定義的反響速率。 nA：反響體系內(nèi)，反響物：反響體系內(nèi)，反響物A的摩爾數(shù)；的摩爾數(shù)； V：反響體積：反響體積 t：時(shí)間：時(shí)間13AAsmm

6、oldd1tnVr4D3C2BA對于反應(yīng) 以反響物以反響物B為基準(zhǔn)定義的反響速率為：為基準(zhǔn)定義的反響速率為： 以反響產(chǎn)物以反響產(chǎn)物C為基準(zhǔn)定義的反響速率為：為基準(zhǔn)定義的反響速率為：13BBsmmoldd1tnVr13CCsmol.mdd1tnVr 必有必有 當(dāng)當(dāng)I為反響物時(shí)，為反響物時(shí)， I為產(chǎn)物時(shí)，為產(chǎn)物時(shí)， DCBA413121rrrrIIrrIIrr 化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方程化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方程 定量描畫反響速率與影響反響速率要素之間的關(guān)系式稱為反響動(dòng)力學(xué)方程。大量實(shí)驗(yàn)闡明，均相反響的速率是反響物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。而反響壓力通?？捎煞错懳锵档慕M成和溫度經(jīng)過形狀方程來確定，不是獨(dú)立變量。所

7、以主要思索反響物系組成和溫度對反響速率的影響。 化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方程有多種方式，對于化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方程有多種方式，對于均相反響，方程多數(shù)可以寫為或可以均相反響，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)可近似寫為，至少在一定濃度范圍之內(nèi)可以寫為冪函數(shù)方式，反響速率與反響以寫為冪函數(shù)方式，反響速率與反響物濃度的某一方次呈正比。物濃度的某一方次呈正比。 對于體系中只進(jìn)展一個(gè)不可逆反響的過程，對于體系中只進(jìn)展一個(gè)不可逆反響的過程， 式中：式中： cA、cB：A、B組分的濃度組分的濃度 mol.m-3 kc為以濃度表示的反響速率常數(shù)，隨反響級為以濃度表示的反響速率常數(shù)，隨反響級數(shù)的不同有不同

8、的因次。數(shù)的不同有不同的因次。kc是溫度的函數(shù)，是溫度的函數(shù)，在普通工業(yè)精度上，符合阿累尼烏斯關(guān)系。在普通工業(yè)精度上，符合阿累尼烏斯關(guān)系。SRBAsrba13BAcAsmmolnmcckr阿累尼烏斯關(guān)系式阿累尼烏斯關(guān)系式 kc0 ：指前因子，又稱頻率因子，與溫度：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無關(guān)，具有和反響速率常數(shù)一樣的因次。無關(guān)，具有和反響速率常數(shù)一樣的因次。 E：活化能，：活化能，Jmol-1，從化學(xué)反響工程，從化學(xué)反響工程的角度看，活化能反映了反響速率對溫的角度看，活化能反映了反響速率對溫度變化的敏感程度。度變化的敏感程度。RTEkkec0c反響級數(shù)反響級數(shù) m，n：A，B組分的反響級

9、數(shù)，組分的反響級數(shù)，m+n為此為此反響的總級數(shù)。反響的總級數(shù)。假設(shè)反響級數(shù)與反響組份的化學(xué)計(jì)量系假設(shè)反響級數(shù)與反響組份的化學(xué)計(jì)量系數(shù)一樣，即數(shù)一樣，即m=a并且并且n=b，此反響能夠是，此反響能夠是基元反響?；错懙目偧墧?shù)普通為基元反響?；错懙目偧墧?shù)普通為1或或2，極個(gè)別有，極個(gè)別有3，沒有大于，沒有大于3級的基元反響。級的基元反響。對于非基元反響，對于非基元反響，m，n多數(shù)為實(shí)驗(yàn)測得多數(shù)為實(shí)驗(yàn)測得的閱歷值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是的閱歷值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是負(fù)數(shù)。負(fù)數(shù)。 把化學(xué)反響定義式和化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方把化學(xué)反響定義式和化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方程相結(jié)合，可以得到：程相結(jié)合，可以得到：

10、直接積分，可獲得化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方程直接積分，可獲得化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)方程的積分方式。的積分方式。nmckctnVrBAAAdd1 對一級不可逆反響，恒容過程，有：對一級不可逆反響，恒容過程，有： 由上式可以看出，對于一級不可逆反響，由上式可以看出，對于一級不可逆反響，到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需求的時(shí)間與反響物到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需求的時(shí)間與反響物的初始濃度的初始濃度cA0無關(guān)。無關(guān)。AAAddkctcrAA0A11lnlnxcckt半衰期半衰期 定義反響轉(zhuǎn)化率到達(dá)定義反響轉(zhuǎn)化率到達(dá)50%所需求的時(shí)間所需求的時(shí)間為該反響的半衰期。除一級反響外，反為該反響的半衰期。除一級反響外，反響的半衰期是初始濃度的函數(shù)。響的

11、半衰期是初始濃度的函數(shù)。 例如，二級反響恒容過程例如，二級反響恒容過程2AAddkctcAA0A0AA1111xxccckt0A211kct 建立動(dòng)力學(xué)方程式的方法建立動(dòng)力學(xué)方程式的方法 動(dòng)力學(xué)方程表現(xiàn)的是化學(xué)反響速率與反動(dòng)力學(xué)方程表現(xiàn)的是化學(xué)反響速率與反響物溫度、濃度之間的關(guān)系。而建立一響物溫度、濃度之間的關(guān)系。而建立一個(gè)動(dòng)力學(xué)方程，就是要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回個(gè)動(dòng)力學(xué)方程，就是要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出上述關(guān)系。歸出上述關(guān)系。 對于一些相對簡單的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，如簡對于一些相對簡單的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，如簡單級數(shù)反響，在等溫條件下，回歸可以單級數(shù)反響，在等溫條件下，回歸可以由簡單計(jì)算手工進(jìn)展。由簡單計(jì)算手工進(jìn)展。積

12、分法積分法(1)首先根據(jù)對該反響的初步認(rèn)識，先假設(shè)一個(gè)首先根據(jù)對該反響的初步認(rèn)識，先假設(shè)一個(gè)不可逆反響動(dòng)力學(xué)方程，如不可逆反響動(dòng)力學(xué)方程，如(-rA)=kf (cA)，經(jīng)過積分運(yùn)算后得到，經(jīng)過積分運(yùn)算后得到，f(cA)=kt的關(guān)系式。的關(guān)系式。例如，一級反響例如，一級反響lnktCCAA0ln (2)將實(shí)驗(yàn)中得到的將實(shí)驗(yàn)中得到的ti下的下的ci的數(shù)據(jù)代入的數(shù)據(jù)代入f(ci)函數(shù)中，得到各函數(shù)中，得到各ti下的下的f(ci)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 (3)以以t為橫座標(biāo)，為橫座標(biāo)，f(ci)為縱座標(biāo)，將為縱座標(biāo)，將ti-f(ci)數(shù)據(jù)標(biāo)繪出來，假設(shè)得到過原點(diǎn)的直線，數(shù)據(jù)標(biāo)繪出來，假設(shè)得到過原點(diǎn)的直線，那么闡

13、明所假設(shè)的動(dòng)力學(xué)方程是可取的那么闡明所假設(shè)的動(dòng)力學(xué)方程是可取的(即假設(shè)的級數(shù)是正確的即假設(shè)的級數(shù)是正確的)，其直線的斜率，其直線的斜率即為反響速率常數(shù)即為反響速率常數(shù)k。否那么重新假設(shè)另。否那么重新假設(shè)另一動(dòng)力學(xué)方程，再反復(fù)上述步驟，直到一動(dòng)力學(xué)方程，再反復(fù)上述步驟，直到得到直線為止。得到直線為止。 為了求取活化能為了求取活化能E，可再選假設(shè)干溫度，可再選假設(shè)干溫度，作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度下的等溫、作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度下的等溫、恒容均相反響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此求出恒容均相反響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此求出相應(yīng)的相應(yīng)的k值。值。 故以故以lnk對對1/T作圖，將得到一條直線，作圖，將得到一條直線，其

14、斜率即為其斜率即為-E/R，可求得，可求得E?？蓪??？蓪次實(shí)次實(shí)驗(yàn)所求得驗(yàn)所求得k和與之相對應(yīng)的和與之相對應(yīng)的1/T取平均值取平均值作為最后結(jié)果。作為最后結(jié)果。TREkkekkRTE1lnln00微微 分分 法法 微分法是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反微分法是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反響器中測得的數(shù)據(jù)響器中測得的數(shù)據(jù)cA-t直接進(jìn)展處置得直接進(jìn)展處置得到動(dòng)力學(xué)關(guān)系的方法。到動(dòng)力學(xué)關(guān)系的方法。 在等溫下實(shí)驗(yàn)，得到反響器中不同時(shí)間在等溫下實(shí)驗(yàn)，得到反響器中不同時(shí)間反響物濃度的數(shù)據(jù)。將這組數(shù)據(jù)以時(shí)間反響物濃度的數(shù)據(jù)。將這組數(shù)據(jù)以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，反響物濃度為橫坐標(biāo)，反響物濃度cA為縱坐標(biāo)直接為縱坐標(biāo)直接

15、作圖。作圖。 將圖上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑曲線要求反映出動(dòng)力學(xué)規(guī)律，而不用經(jīng)過每一個(gè)點(diǎn)，用丈量各點(diǎn)斜率的方法進(jìn)展數(shù)值或圖解微分，得到假設(shè)干對不同t時(shí)辰的反響速率 數(shù)據(jù)。再將不可逆反響速率方程如 線性化，兩邊取對數(shù)得：tcddAnkctcAAddAAlnlnddlncnktc 以 對 作圖得到直線 其斜率為反響級數(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)的反響級數(shù)，缺陷在于圖上微分時(shí)能夠出現(xiàn)的人為誤差比較大。tcddlnAAlnc化學(xué)反響器設(shè)計(jì)根底 物料衡算方程 物料衡算所針對的詳細(xì)體系稱體積元。體積元有確定的邊境，由這些邊境圍住的體積稱為系統(tǒng)體積。在這個(gè)體積元中，物料溫度

16、、濃度必需是均勻的。在滿足這個(gè)條件的前提下盡能夠使這個(gè)體積元體積更大。在這個(gè)體積元中對關(guān)鍵組分A進(jìn)展物料衡算。 用符號表示： 更普遍地說，對于體積元內(nèi)的任何物料，進(jìn)入、排出、反響、積累量的代數(shù)和為0。 不同的反響器和操作方式，某些項(xiàng)能夠?yàn)?。1b1r1out1insmolAsmolAsmolAsmolAFFFF量的積累元中物料單位時(shí)間內(nèi)體積量物料元中反應(yīng)消失的單位時(shí)間內(nèi)體積量體積元的物料單位時(shí)間排出量體積元的物料單位時(shí)間進(jìn)入broutinFFFF幾個(gè)時(shí)間概念 (1)反響繼續(xù)時(shí)間tr 簡稱為反響時(shí)間，用于間歇反響器。指反響物料進(jìn)展反響到達(dá)所要求的反響程度或轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間，其中不包括裝料、卸料、升

17、溫、降溫等非反響的輔助時(shí)間。 (2)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，用于延續(xù)流動(dòng)反響器，指流體微元從反響器入口到出口閱歷的時(shí)間。t (3)空間時(shí)間 其定義為反響器有效容積VR與流體特征體積流率V0(指在反響器入口溫度及入口壓力下的體積流率)之比值。即 空間時(shí)間是一個(gè)人為規(guī)定的參量，它表示在進(jìn)口條件下處置一個(gè)反響器體積的流體所需求的時(shí)間。如=1h表示每1h可處置與反響器有效容積相等的物料量。 空間時(shí)間不是停留時(shí)間0RVV (4)空間速度空間速度SV 有空速和規(guī)范空速之分。空速的普通定有空速和規(guī)范空速之分。空速的普通定義為在單位時(shí)間內(nèi)投入單位有效反響器義為在單位時(shí)間內(nèi)投入單位有效反

18、響器容積內(nèi)的物料體積。即：容積內(nèi)的物料體積。即： 規(guī)范空速定義為：規(guī)范空速定義為：1R0VhVVS1RNOVhVVS式中式中VNO為進(jìn)口流體在規(guī)范形狀液體為為進(jìn)口流體在規(guī)范形狀液體為298.15K，氣體為，氣體為273.15K，0.1013MPa)下下的體積流率。的體積流率。理想反響器理想反響器 在工業(yè)上化學(xué)反響必然要在某種設(shè)備內(nèi)在工業(yè)上化學(xué)反響必然要在某種設(shè)備內(nèi)進(jìn)展，這種設(shè)備就是反響器。根據(jù)各種進(jìn)展，這種設(shè)備就是反響器。根據(jù)各種化學(xué)反響的不同特性，反響器的方式和化學(xué)反響的不同特性，反響器的方式和操作方式有很大差別。操作方式有很大差別。 從本質(zhì)上講，反響器的方式并不會影響從本質(zhì)上講，反響器的方

19、式并不會影響化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)特性。但是物料在不同化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)特性。但是物料在不同類型的反響器中流動(dòng)情況是不同的。類型的反響器中流動(dòng)情況是不同的。簡單混合與返混簡單混合與返混假設(shè)相互混合的物料是在一樣的時(shí)間進(jìn)入反響假設(shè)相互混合的物料是在一樣的時(shí)間進(jìn)入反響器的，具有一樣的反響程度，混合后的物料必器的，具有一樣的反響程度，混合后的物料必然與混合前的物料完全一樣。這種發(fā)生在停留然與混合前的物料完全一樣。這種發(fā)生在停留時(shí)間一樣的物料之間的均勻化過程，稱之為簡時(shí)間一樣的物料之間的均勻化過程，稱之為簡單混合。單混合。假設(shè)發(fā)生混合前的物料在反響器內(nèi)停留時(shí)間不假設(shè)發(fā)生混合前的物料在反響器內(nèi)停留時(shí)間不同，反響程度

20、就不同，組成也不會一樣?；旌贤?，反響程度就不同，組成也不會一樣。混合之后的物料組成與混合前必然不同，反響速率之后的物料組成與混合前必然不同，反響速率也會隨之發(fā)生變化，這種發(fā)生在停留時(shí)間不同也會隨之發(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程，稱之為返混。的物料之間的均勻化過程，稱之為返混。 按物料在反響器內(nèi)返混情況作為反響器按物料在反響器內(nèi)返混情況作為反響器分類的根據(jù)將能更好的反映出其本質(zhì)上分類的根據(jù)將能更好的反映出其本質(zhì)上的差別。的差別。 按返混情況不同反響器被分為以下四種按返混情況不同反響器被分為以下四種類型類型間歇反響器間歇反響器 間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒错懫骱喎Q間歇操作的充分

21、攪拌槽式反響器簡稱間歇反響器。在反響器中物料被充分間歇反響器。在反響器中物料被充分混合，但由于一切物料均為同一時(shí)間進(jìn)混合，但由于一切物料均為同一時(shí)間進(jìn)入的，物料之間的混合過程屬于簡單混入的，物料之間的混合過程屬于簡單混合，不存在返混。合，不存在返混。平推流反響器平推流反響器 理想置換反響器又稱平推流反響器或活塞流理想置換反響器又稱平推流反響器或活塞流反響器。在延續(xù)流動(dòng)的反響器內(nèi)物料允許作反響器。在延續(xù)流動(dòng)的反響器內(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)流速較即無返混。典型例子是物料在管內(nèi)流速較快的管式反響器、列管固定床反

22、響器等，?？煽斓墓苁椒错懫鳌⒘泄芄潭ù卜错懫鞯?，?？砂雌酵屏鞣错懫魈幹?。按平推流反響器處置。全混流反響器全混流反響器 延續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌头错懫骱喎Q延續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌头错懫骱喎Q全混流反響器。在這類反響器中物料全混流反響器。在這類反響器中物料返混達(dá)最大值。返混達(dá)最大值。非理想流反響器非理想流反響器 非理想流反響器。物料在這類反響器中非理想流反響器。物料在這類反響器中存在一定的返混，即物料返混程度介于存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反響器及全混流反響器之間。平推流反響器及全混流反響器之間。間歇反響器間歇反響器 反響物料一次投入反響器反響物料一次投入反響器內(nèi)，在反響過程中不再向內(nèi)，在反

23、響過程中不再向反響器內(nèi)投料，也不向外反響器內(nèi)投料，也不向外排出，待反響到達(dá)要求的排出，待反響到達(dá)要求的轉(zhuǎn)化率后，再全部放出反轉(zhuǎn)化率后，再全部放出反響物料。反響器內(nèi)的物料響物料。反響器內(nèi)的物料在攪拌的作用下其參數(shù)在攪拌的作用下其參數(shù)溫度及濃度各處均一。溫度及濃度各處均一。間歇反響器特點(diǎn)間歇反響器特點(diǎn)由于猛烈攪拌、混合，反響器內(nèi)有效空間中各由于猛烈攪拌、混合，反響器內(nèi)有效空間中各位置的物料溫度、濃度都一樣；由于一次加料，位置的物料溫度、濃度都一樣；由于一次加料，一次出料，反響過程中沒有加料、出料，一切物一次出料，反響過程中沒有加料、出料，一切物料在反響器中停留時(shí)間一樣，不存在不同停留時(shí)料在反響器中

24、停留時(shí)間一樣，不存在不同停留時(shí)間物料的混合，即無返混景象；出料組成與反間物料的混合，即無返混景象；出料組成與反響器內(nèi)物料的最終組成一樣；為間歇操作，有響器內(nèi)物料的最終組成一樣；為間歇操作，有輔助消費(fèi)時(shí)間。一個(gè)消費(fèi)周期應(yīng)包括反響時(shí)間、輔助消費(fèi)時(shí)間。一個(gè)消費(fèi)周期應(yīng)包括反響時(shí)間、加料時(shí)間、出料時(shí)間、清洗時(shí)間、加熱或冷卻加料時(shí)間、出料時(shí)間、清洗時(shí)間、加熱或冷卻時(shí)間等。時(shí)間等。間歇反響器設(shè)計(jì)方程間歇反響器設(shè)計(jì)方程 反響器有效容積中物料溫度、濃度一樣，反響器有效容積中物料溫度、濃度一樣，應(yīng)選擇整個(gè)有效容積應(yīng)選擇整個(gè)有效容積VR作為衡算體系。作為衡算體系。在單位時(shí)間內(nèi)，對組分在單位時(shí)間內(nèi)，對組分A作物料衡算

25、：作物料衡算：的積累量物料中單位時(shí)間內(nèi)的量消失的物料內(nèi)反應(yīng)單位時(shí)間的量的物料單位時(shí)間排出的量的物料單位時(shí)間進(jìn)入AAAARRRRVVVV1ARAsmoldd00tnVr 整理得整理得 當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為0時(shí)，分別變量并積分得時(shí)，分別變量并積分得 為間歇反響器設(shè)計(jì)計(jì)算的通式。它表達(dá)為間歇反響器設(shè)計(jì)計(jì)算的通式。它表達(dá)了在一定操作條件下，為到達(dá)所要求的了在一定操作條件下，為到達(dá)所要求的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率xA所需的反響時(shí)間所需的反響時(shí)間tr。1A0ARAsmolddtxnVrAr0RAAA00rddxtVrxntt 在恒容條件下，在恒容條件下， 上式可簡化為：上式可簡化為： 間歇反響器內(nèi)為到達(dá)一定轉(zhuǎn)

26、化率所需反間歇反響器內(nèi)為到達(dá)一定轉(zhuǎn)化率所需反響時(shí)間響時(shí)間tr，只是動(dòng)力學(xué)方程式的直接積，只是動(dòng)力學(xué)方程式的直接積分，與反響器大小及物料投入量無關(guān)。分，與反響器大小及物料投入量無關(guān)。A0AA1xccAA0AAA0AAA0rddccxrcrxct設(shè)計(jì)計(jì)算過程設(shè)計(jì)計(jì)算過程 對于給定的消費(fèi)義務(wù)，即單位時(shí)間處置對于給定的消費(fèi)義務(wù)，即單位時(shí)間處置的原料量的原料量FAkmol.h-1以及原料組成以及原料組成CA0kmol.m-3、要求到達(dá)的轉(zhuǎn)化率、要求到達(dá)的轉(zhuǎn)化率xAf及輔助消費(fèi)時(shí)間及輔助消費(fèi)時(shí)間t、動(dòng)力學(xué)方程等，均作、動(dòng)力學(xué)方程等，均作為給定的條件，設(shè)計(jì)計(jì)算出間歇反響器為給定的條件，設(shè)計(jì)計(jì)算出間歇反響器的

27、體積。的體積。 由式由式 計(jì)算反響時(shí)間計(jì)算反響時(shí)間tr； 計(jì) 算 處 置 一 批 料 所 需 總 時(shí) 間 計(jì) 算 處 置 一 批 料 所 需 總 時(shí) 間 t t ； tt=tr+t t為輔助消費(fèi)時(shí)間為輔助消費(fèi)時(shí)間 計(jì) 算 每 批 投 放 物 料 總 量 計(jì) 算 每 批 投 放 物 料 總 量 F A ； FA=FAtt 計(jì)算反響器有效容積計(jì)算反響器有效容積VR；A0AAA0rdxrxctttVVCFVr0RA0AR或 計(jì)算反響器總體積計(jì)算反響器總體積VR。反響器總體積。反響器總體積應(yīng)包括有效容積、分別空間、輔助部件應(yīng)包括有效容積、分別空間、輔助部件占有體積。通常有效容積占總體積分率占有體積。通

28、常有效容積占總體積分率為為6085，該分率稱為反響器裝填，該分率稱為反響器裝填系數(shù)系數(shù)，由消費(fèi)實(shí)踐決議。，由消費(fèi)實(shí)踐決議。RRVV 例例1-3某廠消費(fèi)醇酸樹脂是使己二酸與己某廠消費(fèi)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在二醇以等摩爾比在70用間歇釜并以用間歇釜并以H2SO4作催化劑進(jìn)展縮聚反響而消費(fèi)的，作催化劑進(jìn)展縮聚反響而消費(fèi)的，實(shí)驗(yàn)測得反響動(dòng)力學(xué)方程為：實(shí)驗(yàn)測得反響動(dòng)力學(xué)方程為： cA0=4 kmol.m-3132AAminmkmolkcr1133minkmolm1097. 1k 假設(shè)每天處置假設(shè)每天處置2400kg己二酸，每批操作己二酸，每批操作輔助消費(fèi)時(shí)間為輔助消費(fèi)時(shí)間為1h，反響器裝填

29、系數(shù)為，反響器裝填系數(shù)為0.75，求：，求： (1)轉(zhuǎn)化率分別為轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5，0.6，0.8，0.9時(shí)，所需反響時(shí)間為多少時(shí)，所需反響時(shí)間為多少? (2)求轉(zhuǎn)化率為求轉(zhuǎn)化率為0.8，0.9時(shí)，所需反響器體時(shí)，所需反響器體積為多少積為多少? 解：解：(1)到達(dá)要求的轉(zhuǎn)化率所需反響時(shí)間到達(dá)要求的轉(zhuǎn)化率所需反響時(shí)間為：為： xA=0.5 xA=0.6 tr=3.18h xA=0.8 tr=8.5h xA=0.9 tr=19.0hAfAf0A02A2A0AA00AAA0r111ddAfAfxxkcxkcxcrxctxxh10. 26015 . 015 . 041097. 113rt (2)

30、反響器體積的計(jì)算反響器體積的計(jì)算 xA= 0.8時(shí)：時(shí)：tt=tr+t=8.5+1=9.5h 每小時(shí)己二酸進(jìn)料量每小時(shí)己二酸進(jìn)料量FA0，己二酸相對，己二酸相對分子質(zhì)量為分子質(zhì)量為146，那么有：，那么有： 處置體積為：處置體積為： 實(shí)踐反響器體積實(shí)踐反響器體積VR：10Ahkmol684. 0146242400F130A0A0hm171. 04684. 0cFV 反響器有效容積反響器有效容積VR： 實(shí)踐反響器體積實(shí)踐反響器體積VR： 當(dāng)當(dāng)xA=0.9時(shí)：時(shí)： tt=19+1=20h VR=0.17120=3.42m3 VR=3.420.75=4.56m33t0Rm63. 15 . 9171.

31、 0tVV3RRm17. 275. 063. 1VV理想置換反響器理想置換反響器 理想置換反響器是指經(jīng)過反響器的物料理想置換反響器是指經(jīng)過反響器的物料沿同一方向以一樣速度向前流動(dòng)，像活沿同一方向以一樣速度向前流動(dòng)，像活塞一樣在反響器中向前平推，故又稱為塞一樣在反響器中向前平推，故又稱為活塞流或平推流反響器，英文稱號為活塞流或平推流反響器，英文稱號為Plug (Piston) Flow Reactor，簡稱，簡稱PFR。理想置換反響器的特性理想置換反響器的特性 由于流體沿同一方向，以一樣速度向前推進(jìn)，由于流體沿同一方向，以一樣速度向前推進(jìn)，在反響器內(nèi)沒有物料的返混，一切物料在反響器在反響器內(nèi)沒有

32、物料的返混，一切物料在反響器中的停留時(shí)間都是一樣的；在垂直于流動(dòng)方向中的停留時(shí)間都是一樣的；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、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，反響器溫度等是一致的；在定常態(tài)下操作，反響器內(nèi)形狀只隨軸向位置改動(dòng)，不隨時(shí)間改動(dòng)。實(shí)踐內(nèi)形狀只隨軸向位置改動(dòng)，不隨時(shí)間改動(dòng)。實(shí)踐消費(fèi)中對于管徑較小、長度較長、流速較大的管消費(fèi)中對于管徑較小、長度較長、流速較大的管式反響器，列管固定床反響器等，?？砂雌酵屏魇椒错懫鳎泄芄潭ù卜错懫鞯?，常可按平推流反響器處置。反響器處置。理想置換反響器的設(shè)計(jì)方程理想置換反響器的設(shè)計(jì)方程 在等溫

33、理想置換反響器內(nèi)，物料的組成沿在等溫理想置換反響器內(nèi)，物料的組成沿物料流動(dòng)方向，從一個(gè)截面到另一個(gè)截面物料流動(dòng)方向，從一個(gè)截面到另一個(gè)截面不斷變化，現(xiàn)取長度為不斷變化，現(xiàn)取長度為dl、體積為、體積為dVR的的一微元體系，對關(guān)鍵組份一微元體系，對關(guān)鍵組份A作物料衡算，作物料衡算，如下圖，這時(shí)如下圖，這時(shí)dVR=Stdl，式中，式中St為截面積。為截面積。 進(jìn)入量-排出量-反響量=累積量 故 FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0 1 由于 FA=FA0(1-xA) 微分 dFA=-FA0dxA ，代入1式，得 FA0dxA=(-rA)dVR 為平推流反響器物料平衡方程的微分式。對整個(gè)反響器

34、而言，應(yīng)將上式積分。 上式為平推流反響器的積分設(shè)計(jì)方程。上式為平推流反響器的積分設(shè)計(jì)方程。AR0AA00ARddxVrxFVA0AA0A0ARdxrxcFVA0AA0A0RdxrxcVV 對于恒容過程：對于恒容過程： 以上設(shè)計(jì)方程關(guān)聯(lián)了反響速率、轉(zhuǎn)化率、以上設(shè)計(jì)方程關(guān)聯(lián)了反響速率、轉(zhuǎn)化率、反響器體積和進(jìn)料量四個(gè)參數(shù)，可以根反響器體積和進(jìn)料量四個(gè)參數(shù)，可以根據(jù)給定條件從三個(gè)知量求得另一個(gè)未知據(jù)給定條件從三個(gè)知量求得另一個(gè)未知量。量。A0AA1xcc2A1AAA0RdccrcVV 例例1-4條件同例條件同例1-3，計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別為，計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別為80、90時(shí)所需平推流反響器的大小。時(shí)所需平推流反

35、響器的大小。 解：對解：對PFR 代入數(shù)據(jù)代入數(shù)據(jù)xA=0.8時(shí)：時(shí)： xA=0.9時(shí)：時(shí)：2A1AAA0A0RdxxrxcVV222AAA0A02A20AA0A0R111dxxkcxkcxcVVx33Rm45. 16018 . 018 . 041097. 1171. 0V3Rm26. 3V變?nèi)莘错戇^程變?nèi)莘错戇^程 理想置換反響器是一種延續(xù)流動(dòng)反響器，可以用理想置換反響器是一種延續(xù)流動(dòng)反響器，可以用于液相反響，也可以用于氣相反響。用于氣相反于液相反響，也可以用于氣相反響。用于氣相反響時(shí)，有些反響前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)壓力不響時(shí)，有些反響前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)壓力不變的情況下，反響會引起系統(tǒng)物料

36、體積發(fā)生變化。變的情況下，反響會引起系統(tǒng)物料體積發(fā)生變化。物料體積的改動(dòng)必然帶來反響物濃度的變化，從物料體積的改動(dòng)必然帶來反響物濃度的變化，從而引起反響速率的變化。而引起反響速率的變化。膨脹因子和膨脹率膨脹因子和膨脹率 為了表征由于反響物系體積變化給反響為了表征由于反響物系體積變化給反響速率帶來的影響，引入兩個(gè)參數(shù)，膨脹速率帶來的影響，引入兩個(gè)參數(shù)，膨脹因子和膨脹率。因子和膨脹率。膨脹因子膨脹因子 反響式反響式 計(jì)量方程計(jì)量方程 定義膨脹因子定義膨脹因子 即關(guān)鍵組份即關(guān)鍵組份A的膨脹因子等于反響計(jì)量系的膨脹因子等于反響計(jì)量系數(shù)的代數(shù)和除以數(shù)的代數(shù)和除以A組分計(jì)量系數(shù)的相反數(shù)。組分計(jì)量系數(shù)的相反

37、數(shù)。SRBAsrba0SRBAISRBAIAIA 膨脹因子是由反響式?jīng)Q議的，一旦反響式確定，膨脹因子就是一個(gè)定值，與其它要素一概無關(guān)。02312C3BA2A膨脹因子的物理意義膨脹因子的物理意義 關(guān)鍵組分關(guān)鍵組分A耗費(fèi)耗費(fèi)1mol時(shí)，引起反響物系時(shí)，引起反響物系摩爾數(shù)的變化量。對于恒壓的氣相反響，摩爾數(shù)的變化量。對于恒壓的氣相反響，摩爾數(shù)的變化導(dǎo)致反響體積變化。摩爾數(shù)的變化導(dǎo)致反響體積變化。A0是摩爾數(shù)添加的反響，反響體積添加。是摩爾數(shù)添加的反響，反響體積添加。AE2時(shí)，時(shí)，E1-E20，隨著溫度的上升，隨著溫度的上升， 選擇性選擇性SP上升，可見高溫有利于提高瞬時(shí)上升，可見高溫有利于提高瞬時(shí)選

38、擇性；當(dāng)選擇性；當(dāng)E1E2時(shí)，時(shí)，E1-E2a2，blb2時(shí)，升高濃度，使選擇性添加，假時(shí)，升高濃度，使選擇性添加，假設(shè)要維持較高的設(shè)要維持較高的cA、cB，那么應(yīng)選擇平推，那么應(yīng)選擇平推流反響器、間歇反響器或多釜串聯(lián)反響器流反響器、間歇反響器或多釜串聯(lián)反響器 例例2-2 有一分解反響有一分解反響 其中其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0 =5 kmolm-3，cP0=cS0=0，體積流速為，體積流速為5m3h-1，求轉(zhuǎn)化率為求轉(zhuǎn)化率為90時(shí)：時(shí)： (1)全混流反響器出口目的產(chǎn)物全混流反響器出口目的產(chǎn)物P的濃度及所需的濃度及所需全混流反響器的體積。全混流反響器的體積。

39、 (2)假設(shè)采用平推流反響器，其出口假設(shè)采用平推流反響器，其出口cP為多少為多少?所需反響器體積為多少所需反響器體積為多少? (3)假設(shè)采用兩釜串聯(lián)，第一釜最正確出口假設(shè)采用兩釜串聯(lián)，第一釜最正確出口cP為多少為多少?相應(yīng)反響器體積為多少相應(yīng)反響器體積為多少?2A2SA1pSAPAckrckr付產(chǎn)物目的產(chǎn)物 (1)全混流反響器 全混流反響器平均選擇性等于瞬間選擇性32AA0A0R3A0APP22A2A1A1AP1PPm7 .255 . 05 . 15 . 015 . 45mkmol57. 25 . 05571. 0%1 .579 . 0155 . 19 . 01519 . 0151rccVVc

40、cScckckckrrpaSS (2)平推流反響器A0APPccSc0AAAPA0APd1CCcSccS0AAAPPdcccSc30AAA0A0RAAAAA0RA0APP3A0AAAAA12A2A2A1A1Pm61. 35 . 115 . 11lnln5 . 11dd%3 .235 . 0505. 1mkmol05. 15 . 05 . 1155 . 11ln5 . 115 . 115 . 11ln5 . 11d5 . 111d11d0AA0AAA0A0AA0AAccccVVcccrcVVcccScccccckkcckckckccccccccccc (3)兩個(gè)全混釜串聯(lián) 為使cP最大，求 ，

41、得cA1=1.91kmolm-32A2A1A1A1A0A2A1A22A22A12A11A0A21A21A11A12A2P1AP1P5 . 115 . 11ccccccccckckckccckckckcScSc0dd1APcc32222A22A12A1A021A21A11002R1RRP3m5 .105 . 05 . 15 . 015 . 091. 1591. 15 . 191. 1191. 155%7 .355 . 0561. 1mkmol61. 15 . 05 . 115 . 091. 191. 15 . 1191. 15ckckccVckckccVVVVScAAP連串反響特性與反響器選型連

42、串反響特性與反響器選型 連串反響是指反響產(chǎn)物能進(jìn)一步反響成連串反響是指反響產(chǎn)物能進(jìn)一步反響成其它副產(chǎn)物的過程。其它副產(chǎn)物的過程。 作為討論的例子，思索下面最簡單型式作為討論的例子，思索下面最簡單型式的連串反響的連串反響(在等溫、恒容下的基元反響在等溫、恒容下的基元反響)： 在該反響過程中，目的產(chǎn)物為在該反響過程中，目的產(chǎn)物為P，假設(shè)目，假設(shè)目的產(chǎn)物為的產(chǎn)物為S那么該反響過程可視為非基元那么該反響過程可視為非基元的簡單反響。的簡單反響。SPA21kk 三個(gè)組分的生成速率為：三個(gè)組分的生成速率為： 設(shè) 開 場 時(shí) 各 組 分 的 濃 度 為設(shè) 開 場 時(shí) 各 組 分 的 濃 度 為 c A 0 ，

43、cP0=cS0=0，那么由第一式積分得：，那么由第一式積分得：A1AAddcktcrP2A1PPddckcktcrP2SSddcktcrtkecc10AA 將此結(jié)果代入第二式得：將此結(jié)果代入第二式得： 為一階線性常微分方程，其解為：為一階線性常微分方程，其解為： 由于總摩爾數(shù)沒有變化，所以由于總摩爾數(shù)沒有變化，所以 cA0=cA+cP+cS0dd10A1P2Ptkeckcktctktkeekkkcc122110APtktkekekkkcc2112210AS11t=0時(shí)，時(shí)，Cp=0) 假設(shè)假設(shè)k2k1時(shí)，時(shí)， 假設(shè)假設(shè)k1k2時(shí)，時(shí)， 組分組分A、P、S隨時(shí)間的變化關(guān)系以濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系以

44、濃度-時(shí)間標(biāo)繪得圖時(shí)間標(biāo)繪得圖tkecc110AStkecc210AS 中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物P濃度的最大值及其位置濃度的最大值及其位置 由前面式子可以求出：由前面式子可以求出： 為了提高目的產(chǎn)物的收率，應(yīng)盡能夠使為了提高目的產(chǎn)物的收率，應(yīng)盡能夠使k1/k2比值添比值添加，使加，使cA濃度添加，濃度添加，cP濃度降低。濃度降低。 反響速率常數(shù)反響速率常數(shù)k與濃度無關(guān)，只需改動(dòng)溫度可以影與濃度無關(guān)，只需改動(dòng)溫度可以影響響k1/k2。1212optlnkkkkt12221A0maxPkkkkkcc 對連串反響對連串反響 瞬時(shí)選擇性定義為：瞬時(shí)選擇性定義為： 假設(shè)是一級反響且假設(shè)是一級反響且a=p=1SPA21spakkApPrrpaSAP1020A1P2A1APP211ccek