任務(wù)一間歇操作釜式反應(yīng)器設(shè)計說明

1、江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院教案首頁本學(xué)期授課次序授課班級15化工01班課題名稱任務(wù)一間歇操作釜式反應(yīng)器設(shè)計教學(xué)目的要求1、掌握理想流動模型及返混對反應(yīng)的影響2、掌握化學(xué)反應(yīng)速率及反應(yīng)動力學(xué)方程3、掌握均相反應(yīng)速率表示方式4、掌握均相反應(yīng)動力學(xué)教學(xué)重點及難點均相反應(yīng)速率的表示方式、均相反應(yīng)動力學(xué)教 學(xué) 程 序 設(shè) 計次序內(nèi)容計劃時間（min）123456點名、回顧上節(jié)課內(nèi)容反應(yīng)器流動模型化學(xué)反應(yīng)速率及反應(yīng)動力學(xué)方程均相反應(yīng)速率均相反應(yīng)動力學(xué)小結(jié)5252015205作業(yè)：小結(jié)：任務(wù)一間歇操作釜式反應(yīng)器設(shè)計工作任務(wù)：根據(jù)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)條件和工藝要求進行間歇操作釜式反應(yīng)器的工藝設(shè)計 預(yù)備知識：一、反應(yīng)器流動

2、模型（一）理想流動模型1、理想置換流動模型也稱為平推流模型或活塞流模型。指在任一截面的物料如同活塞一樣在反應(yīng)器中移動， 垂直于流動方向的任一橫截面上所有的物料質(zhì)點的年齡相同，是一種返混量為零的極限流動 模型。其特點是在定態(tài)情況下，沿著物料流動方向物料的參數(shù)會發(fā)生變化，而垂直于流動方 向上的任一截面的所有參數(shù)都相同，如濃度、壓力、流速等。2、理想混合流動模型稱為全混流模型。由于強烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)點返混無窮大，所有空間位置物料的 各種參數(shù)完全一致3、返混及其對反應(yīng)的影響指不同時刻進入反應(yīng)器的物料之間的混合，是逆向的混合，或者說是不同年齡質(zhì)點之間 的混合。間歇操作反應(yīng)器不存在返混。其帶來的最大

3、影響是反應(yīng)器進口處反應(yīng)物高濃度去的 消失或減低。a返混改變了反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布，是反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度下降，反應(yīng)產(chǎn)物的濃度上 升b返混的結(jié)果將產(chǎn)生停留時間分布，并改變反應(yīng)器內(nèi)濃度分布。c不但對反應(yīng)過程產(chǎn)生不同程度的影響，更重要的是對反應(yīng)器的工程放大所產(chǎn)生的問題d降低返混程度的主要措施是分割，通常有橫向分割和縱向分割兩種（二）非理想流動實際反應(yīng)器中流動狀況偏離理想流動狀況的原因課歸納為下列幾個方面a滯留去的存在 也稱死區(qū)、死角，是指反應(yīng)器中流體流動極慢導(dǎo)致幾乎不流動的區(qū)域。b存在溝流與短路c循環(huán)流d流體流速分布不均勻e擴散二、均相反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)反應(yīng)器中，化學(xué)反應(yīng)過程與質(zhì)量、熱量和動量傳遞過程

4、同時進行，這種化學(xué)反應(yīng)與 物理變化過程的綜合稱為宏觀反應(yīng)過程。研究宏觀反應(yīng)過程的動力學(xué)稱為宏觀反應(yīng)動力學(xué)。 排除了一切物理傳遞過程的影響得到的反應(yīng)動力學(xué)稱為化學(xué)動力學(xué)或本征動力學(xué)。(一) 化學(xué)反應(yīng)速率及反應(yīng)動力學(xué)方程1、化學(xué)反應(yīng)速率其定義為：在反應(yīng)系統(tǒng)中，某一物質(zhì)在單位時間、單位反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)量反應(yīng)速度=反應(yīng)量/(反應(yīng)區(qū)域)(反應(yīng)時間)其實針對某一種反應(yīng)物而言，以符號+ri表示?？梢允欠磻?yīng)物，也可以是產(chǎn)物。2、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程定量描寫反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率之間的關(guān)系式陳偉化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程，有反應(yīng)溫 度、組成、壓力、溶劑性質(zhì)等。但大多數(shù)為濃度和溫度，所以其動力學(xué)方程一般可寫為+r_ i=f

5、 (c，T)恒溫條件下，可寫為 +r i=kf(CX,Cb)非恒溫，(二) 均相反應(yīng)速率及反應(yīng)動力學(xué)1、均相反應(yīng)速率均相反應(yīng)是指在均一的液相或氣相中進行的化學(xué)反應(yīng)。均相反應(yīng)速率的定義指在均相反 應(yīng)系統(tǒng)中某一物質(zhì)在單位時間、 單位反應(yīng)混合物總體積的反應(yīng)量，反應(yīng)速率單位以Kmol/(m3?h)(1) 用組分傳化率表示-rA=n AodxWd t(2) 用濃度表示(3) 對于多組分單一反應(yīng)體系，各個組分的反應(yīng)速率受化學(xué)計量關(guān)系的約束，存在一定比列關(guān)系。對于單一不可逆反應(yīng)aA bB rR sS各組分的變化量符合下列關(guān)系aobo nB nR nR。 ns nsoabrs2、均相反應(yīng)動力學(xué)(1) 均相反應(yīng)

6、應(yīng)滿足的兩個必要條件a 反應(yīng)系統(tǒng)可以成為均相b預(yù)混和速率反應(yīng)速率預(yù)混和指物料在反應(yīng)前能否達到分子尺度的均勻混和。實現(xiàn)裝置：機械攪拌和高速流體造成的射流混和(2) 均相反應(yīng)的特點：反應(yīng)過程不存在相界面，過程總速度由化學(xué)反應(yīng)本身決定。(3) 速率方程在均相反應(yīng)系統(tǒng)中只進行如下不可逆化學(xué)反應(yīng)：aA bB rR sS其動力學(xué)方程一般都可表示成：r kiCA CB1 dnAVdRaCa 1Cb 1于氣相反應(yīng)，由于分壓與濃度成正比，也常常使用分壓來表示:1 dnAVdTkpp Pb2其中kP(RT)1 2kA(RT?一般說來，可以用任一與濃度相當?shù)膮?shù)來表達反應(yīng)的速率，但動力學(xué)方程式中各參 數(shù)的因次單位必

7、須一致。(4) 反應(yīng)分子數(shù)與反應(yīng)級數(shù)A、基本概念I(lǐng) 單一反應(yīng)與復(fù)雜反應(yīng)單一反應(yīng)：指只用一個化學(xué)反應(yīng)式和一個動力學(xué)方程式便能代表的反應(yīng) 復(fù)雜反應(yīng)：有幾個反應(yīng)同時進行，要用幾個動力學(xué)方程式才能加以描述。 常見的復(fù)雜反應(yīng)有：連串反應(yīng)、平行反應(yīng)、平行 -連串反應(yīng)等II 基元反應(yīng)與非基元反應(yīng)基元反應(yīng)：如果反應(yīng)物分子在碰撞中一步直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物分子，則稱該反應(yīng)為基元反應(yīng) 非基元反應(yīng)：若反應(yīng)物分子要經(jīng)過若干步，即經(jīng)由幾個基元反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)物分子 的反應(yīng)，則稱為非基元反應(yīng)III 單分子、雙分子、三分子反應(yīng)單分子、雙分子、三分子反應(yīng)，是針對基元反應(yīng)而 言的。參加反應(yīng)的分子數(shù)是一個，稱 之為單分子反應(yīng)；反應(yīng)是由

8、兩個分子碰撞接觸的，稱為雙分子反應(yīng)。IV 反應(yīng)級數(shù)是指動力學(xué)方程式中濃度項的指數(shù)。它是由實驗確定的常數(shù)?？梢允欠謹?shù)，也可以是負 數(shù)B、理解反應(yīng)級數(shù)時應(yīng)特別注意：I 反應(yīng)級數(shù)不同于反應(yīng)的分子數(shù)，前者是在動力學(xué)意義上講的，后者是在計量化學(xué)意義 上講的。對基元反應(yīng)，反應(yīng)級數(shù)1, 2即等于化學(xué)反應(yīng)式的計量系數(shù)值，而對非基元反應(yīng)，應(yīng) 通過實驗來確定。II反應(yīng)級數(shù)高低并不單獨決定反應(yīng)速率的快慢，反應(yīng)級數(shù)只反映反應(yīng)速率對濃度的敏 感程度。級數(shù)愈高，濃度對反應(yīng)速率的影響愈大。（5）反應(yīng)速率常數(shù)k和活化能EA、反應(yīng)速率常數(shù)kk就是當反應(yīng)物濃度為1時的反應(yīng)速率，又稱反應(yīng)的比速率。k值大小直接決定了反應(yīng)速率的高低和

9、反應(yīng)進行的難易程度。不同的反應(yīng)有不同的反應(yīng) 速率常數(shù)，對于同一個反應(yīng)，速率常數(shù)隨溫度、溶劑、催化劑的變化而變化。k隨溫度的變化規(guī)律符合阿累尼烏斯關(guān)系式：B、活化能E反應(yīng)活化能是為使反應(yīng)物分子“激發(fā)”所需給予的能量?；罨艿拇笮∈潜碚骰瘜W(xué)反應(yīng)進行難易程度的標志。活化能高，反應(yīng)難于進行；活化能低，則容易進行。但是活化能 E不是決定反應(yīng)難易程度的唯一因素，它與頻率因子A0共同決定反應(yīng)速率。C、在理解活化能E時，應(yīng)當注意：I活化能E不同于反應(yīng)的熱效應(yīng)，它不表示反應(yīng)過程中吸收或放出的熱量，而只表示使 反應(yīng)分子達到活化態(tài)所需的能量，故與反應(yīng)熱效應(yīng)并無直接的關(guān)系。II活化能E不能獨立預(yù)示反應(yīng)速率的大小，它只

10、表明反應(yīng)速率對溫度的敏感程度。E愈 大，溫度對反應(yīng)速率的影響愈大。除了個別的反應(yīng)外，一般反應(yīng)速率均隨溫度的上升而加快。 E愈大，反應(yīng)速率隨溫度的上升而增加得愈快。III對于同一反應(yīng)，即當活化能E 一定時，反應(yīng)速率對溫度的敏感程度隨著溫度的升高 而降低。江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院教案首頁本學(xué)期授課次序授課班級15化工01班課題名稱任務(wù)二間歇操作釜式反應(yīng)器設(shè)計教學(xué)目的要求1、掌握均相單一反應(yīng)動力學(xué)方程的計算2、掌握復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)方程的計算3、掌握反應(yīng)器計算的基本方程4、掌握間歇操作釜式反應(yīng)器體積和數(shù)量計算教學(xué)重點及難點均相單一反應(yīng)恒溫恒容計算、間歇操作釜式反應(yīng)器體積和數(shù)量計算教 學(xué) 程 序 設(shè) 計次序內(nèi)

11、容計劃時間（min）1234567點名、回顧上節(jié)課內(nèi)容均相單一反應(yīng)恒溫恒容過程計算例題講解復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)方程計算反應(yīng)器計算的基本內(nèi)容間歇操作釜式反應(yīng)器體積和數(shù)量計算小結(jié)525204535505作業(yè)：小結(jié)：任務(wù)一間歇操作釜式反應(yīng)器設(shè)計 工作任務(wù)：根據(jù)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)條件和工藝要求進行間歇操作釜式反應(yīng)器的工藝設(shè)計 預(yù)備知識：3、均相單一反應(yīng)的動力學(xué)方程對于單一反應(yīng)過程：aA bB L rR sS L動力學(xué)方程表示為：ri kCA1 CB2 L（1）恒溫恒容一級不可逆反應(yīng) I恒容過程：液相反應(yīng)和反應(yīng)前后無物質(zhì)的量變化的氣相反應(yīng)。一級不可逆反應(yīng)工業(yè)上許多有機化合物的熱分解和分子重排反應(yīng)等都是常見的一級不

12、可逆反應(yīng)；或有二 個反應(yīng)物參與的反應(yīng)，若其中某一反應(yīng)物極大過量，則該反應(yīng)物濃度在反應(yīng)過程中無多大變 化，可視為定值而并入反應(yīng)速率常數(shù)中。此時如果反應(yīng)速率對另一反應(yīng)物的濃度關(guān)系為一級, 則該反應(yīng)仍可按一級反應(yīng)處理。一級反應(yīng)的動力學(xué)方程式為：初始條件0 Ca Ca0時，上式分離變量積分，1Ink1 Xa在恒溫條件下，k為常數(shù)，積分得到：Ca CAoe若著眼于反應(yīng)物料的利用率，或者著眼于減輕后分離的任務(wù)，應(yīng)用轉(zhuǎn)化率積分表達式較 為方便；若要求達到規(guī)定的殘余濃度，即為了適應(yīng)后處理工序的要求，例如有害雜質(zhì)的除去 即屬此類，應(yīng)用濃度積分表達式較為方便。恒溫恒容二級不可逆反應(yīng)它有二種情況：一種是對某一反應(yīng)物

13、為二級且無其它反應(yīng)物，或者是其它反應(yīng)物大量存 在，因而在反應(yīng)過程中可視為常值；另一種是對某一反應(yīng)物為一級，對另一反應(yīng)物也是一級, 而且二反應(yīng)物初始濃度相等且為等分子反應(yīng)時，亦就演變成第一種情況。此時其動力學(xué)方程式為： 經(jīng)變量分離并考慮初始條件 （：） dCA kcA CaXad若用轉(zhuǎn)化率表示：.1 x只要知道其反應(yīng)動力學(xué)方程，代入式0CaCao1CA0kCAokCao1Ca，恒溫時K為常數(shù)，則積分結(jié)果為: 丄kCaoca dcACa0 （a），積分即可求得結(jié)果。從速率方程積分表可得到一些定性的結(jié)論：(1)速率方程積分表達式中，左邊是反應(yīng)速率常數(shù)k與反應(yīng)時間t的乘積，表示當反應(yīng)初始條件和反應(yīng)結(jié)果

14、不變時，反應(yīng)速率常數(shù) k以任何倍數(shù)增加，將導(dǎo)致反應(yīng)時間以同樣倍數(shù) 下降。(2) 級反應(yīng)所需時間t僅與轉(zhuǎn)化率XA有關(guān)，而與初始濃度無關(guān)。因此，可用改變初始濃度的辦法來鑒別所考察的反應(yīng)是否屬于一級反應(yīng)。以亠 In(Ca°/ca)In1/(1Xa)或?qū)作圖，若是直線，則為一級反應(yīng)，其斜率為 k。(3)二級反應(yīng)達到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間T與初始濃度有關(guān)。初始濃度提，達到同樣轉(zhuǎn)化率XA所需反應(yīng)時間減小。、n 1對n級反應(yīng)：Ca0 kXadxA0 (1 Xa)"當n>1時，達到同樣轉(zhuǎn)化率，初始濃度提高，反應(yīng)時間減少；當nv1時，初始濃度提高時要達到同樣轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)時間增加。對

15、n v1的反應(yīng)，反應(yīng) 時間達到某個值時，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可達 100%而n1的反應(yīng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達 100%，所需反應(yīng)時間為無限長。這表明反應(yīng)級數(shù)nl的反應(yīng)，大部分反應(yīng)時間是用于反應(yīng)的末期。高轉(zhuǎn)化率或低殘余 濃度的要求會使反應(yīng)所需時間大幅度地增加。例1-1 解題思路根據(jù)題意是恒溫恒容一級不可逆均相反應(yīng)，又要求求反應(yīng)一定時間后物料的殘余濃度，k故選擇公式 Ca CA°e解題較簡便。對于多組分單一反應(yīng)，反應(yīng)物的反應(yīng)量與產(chǎn)物的生成量之間有化學(xué)計量關(guān)系的約束，可 以根據(jù)它們的化學(xué)計量關(guān)系推導(dǎo)出它們反應(yīng)過程中的濃度關(guān)系。運用恒溫恒容一級不可逆反 應(yīng)的轉(zhuǎn)化率積分形式解題。例1-2解題思路：根據(jù)題意為恒溫

16、恒容二級不可逆均相反應(yīng)，運用相應(yīng)的濃度積分形式解題。4、復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)方程(1)復(fù)雜反應(yīng)的類型I可逆反應(yīng)在反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的同時，產(chǎn)物之間也在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)回復(fù)成原料。如：A B RSRS A BII平行反應(yīng)在系統(tǒng)中反應(yīng)物除發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一種產(chǎn)物外，該反應(yīng)物還能進行另一個化學(xué)反應(yīng)生成另一種產(chǎn)物。如：乙烷裂解生成乙烯同時乙烷也能裂解成碳和氫III連串反應(yīng)反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的同時，該產(chǎn)物又能進一步反應(yīng)而成另一種產(chǎn)物。A R SIV 復(fù)合復(fù)雜反應(yīng)在反應(yīng)系統(tǒng)中，同時進行有可逆反應(yīng)、平行反應(yīng)和連串反應(yīng)，該系統(tǒng)進行的反應(yīng)稱為復(fù)合復(fù)雜反應(yīng)。如：A+ B C+DA+CED - R+S復(fù)雜反應(yīng)

17、的動力學(xué)方程通常采用下述方法進行計算：a將復(fù)雜反應(yīng)分解為若干個單一反應(yīng)，并按單一反應(yīng)過程求得各自的動力學(xué)方程；b在復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)中，某一組分對化學(xué)反應(yīng)的貢獻通常用該組分的生成速率來表示。某組分可能同時參與若干個單一反應(yīng)時，該組分的生成速率應(yīng)該是它在各個單一反 應(yīng)中的生成速率之和，即：MIIjI j例 1-3j 1解題思路：1、能正確將復(fù)合復(fù)雜反應(yīng)分解為簡單反應(yīng)2、某組分若同時參與若干個單一反應(yīng)時，該組分的生成速率應(yīng)該是它在各個單一反應(yīng)中的 生成速率之和。加和計算時注意不要搞錯符號，漏掉化學(xué)計量系數(shù)。三、反應(yīng)器計算的基本內(nèi)容和基本方程（一）反應(yīng)器計算基本內(nèi)容主要包括三項內(nèi)容：1 、選擇合適的反應(yīng)器

18、類型根據(jù)反應(yīng)系統(tǒng)動力學(xué)特性，結(jié)合反應(yīng)器的流動特征和傳遞特性，選擇合適的反應(yīng)器，以 滿足反應(yīng)過程的需要，是反應(yīng)結(jié)果最優(yōu)。2 、確定最優(yōu)的操作條件如反應(yīng)器的進口物料配比、流量、溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率，直接影響反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié) 果，也影響反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。3 、計算所需的反應(yīng)器體積反應(yīng)器體積的確定是反應(yīng)器工藝設(shè)計計算的最核心內(nèi)容。（二）反應(yīng)器計算的基本方程1、描述濃度變化的物料衡算式依據(jù)：質(zhì)量守衡定律?；鶞剩喝囟?、濃度等參數(shù)保持不變的單元體積和單元時間作為空間基準和時間基準。衡算式：對任一組分 A在單元時間At、單元體積厶V:A的積累量=A的進入量-A的離開量-A的反應(yīng)量目的：給出反應(yīng)物濃度或轉(zhuǎn)化率

19、隨反應(yīng)器內(nèi)位置或時間變化的函數(shù)關(guān)系。2 、熱量衡算式依據(jù)：能量守衡定律?；鶞剩喝囟?、濃度等參數(shù)保持不變的單元體積和單元時間作為空間基準和時間基準。衡算式：在單元時間At、單元體積厶 V內(nèi)（以放熱反應(yīng)為例）：積累的熱量=原料帶入的熱量+反應(yīng)產(chǎn)生的熱量-出料帶走的熱量-傳給環(huán)境或 熱載體的熱量目的：給出溫度隨反應(yīng)器內(nèi)位置或時間變化的函數(shù)關(guān)系。3、動量衡算式以動量守恒與轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ)，計算反應(yīng)器的壓力變化。4 、動力學(xué)方程對于均相反應(yīng)，需要有本征動力學(xué)方程；對于非均相反應(yīng)，應(yīng)該包括有相際傳質(zhì)過程在 內(nèi)的宏觀動力學(xué)方程。四、間歇操作釜式反應(yīng)器體積和數(shù)量計算每天處理物料總體積nVD（或反應(yīng)物料每小時體

20、積流量 V0）或 VO=FAO/CAO=WO/ p操作周期一一指生產(chǎn)第一線一批料的全部操作時御0附反應(yīng)時間（生產(chǎn)時間）T和非生產(chǎn)時間T組成。nVVr 總Vo(')反應(yīng)時間理論上可以用動力學(xué)方程式計算，也可根據(jù)實際情況定。設(shè)備裝料系數(shù)設(shè)備中物料所占體積與設(shè)備實際容積之比，其具體數(shù)值根據(jù)實際情況 而變化，參見表2-5 oVrV Vo/n1、給定V,求n按設(shè)計任務(wù)每天需要操作的總次數(shù)為：每個設(shè)備每天能操作的批數(shù)為:則需用設(shè)備個數(shù)為：n '需取整數(shù)n , n > n '。因此實際設(shè)備總能力比設(shè)計要求提高了，其提高的程度 稱為設(shè)備能力的后備系數(shù)，以S表示，貝反應(yīng)器有效體積按

21、下式計算：2、給定n,求V已知每小時處理物料體積V0與操作周期，貝嚅要設(shè)備的總?cè)莘e為:求得設(shè)備總?cè)莘e后，可查得系列設(shè)備標準選用決定設(shè)備的容積V和個數(shù)n講解例題2-4VdGd24Vo 24Vo2424Vr江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院教案首頁本學(xué)期授課次序授課班級15化工01班課題名稱任務(wù)二間歇操作釜式反應(yīng)器設(shè)計教學(xué)目的要求1、掌握間歇操作釜式反應(yīng)器的動力學(xué)計算法2、掌握了解恒容非恒溫間歇反應(yīng)3、掌握間歇操作釜式反應(yīng)器直徑和咼度的計算4、掌握設(shè)備之間的平衡計算教學(xué)重點及難點間歇操作釜式反應(yīng)器的動力學(xué)計算法、設(shè)備之間的平衡計算教 學(xué) 程 序 設(shè) 計次序內(nèi)容計劃時間（min）1234567點名、回顧上節(jié)課內(nèi)容間歇操作釜式反應(yīng)器的動力