反應工程復習

1、 轉化率、收率和選擇性轉化率、收率和選擇性一、規(guī)范的化學計量方程一、規(guī)范的化學計量方程 B0SBA0BSBA例例:1 1 計量方程中反應物計量系數(shù)為負值，產(chǎn)物為正值計量方程中反應物計量系數(shù)為負值，產(chǎn)物為正值2 2 計量方程僅表示由于反應引起參與反應的物質(zhì)之間量的變計量方程僅表示由于反應引起參與反應的物質(zhì)之間量的變化關系，與反應實際歷程無關化關系，與反應實際歷程無關 3 3 計量方程的計量系數(shù)間不含有除計量方程的計量系數(shù)間不含有除1以外的公因子以外的公因子注意注意: :2222NO2ONO20NO2ONO22222NO2O(NO)(NO)NONO反應機理t=0 t=0 n ni0i0t=t t=

2、t n ni i轉化率（針對反應物）轉化率（針對反應物）該反應物的起始量某一反應物的轉化量x定義：定義：間歇反應：間歇反應：)1 (iioiioiioixnnnnnx連續(xù)反應：連續(xù)反應：)1 (iioiioiioixFFFFFxZ=0Fi0Z=ZFimol：nol/smn：循環(huán)反應循環(huán)反應有物料循環(huán)反應的過程有物料循環(huán)反應的過程單程轉化率單程轉化率-新鮮原料通過反應器一次所達到的轉化率新鮮原料通過反應器一次所達到的轉化率%100MFARPAMFAFFF單程轉化率單程轉化率全程轉化率全程轉化率-新鮮原料進入反應系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)達到的新鮮原料進入反應系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)達到的轉化率轉化率%100FAP

3、AFAFFF全程轉化率全程轉化率單程轉化率單程轉化率全程轉化率全程轉化率OHCHH2CO3PT,cat,2 全程全程 轉化率轉化率單程單程 轉化率轉化率1 1、不同的反應物，、不同的反應物，x 值不同（原料配比若符合化學計量關系，值不同（原料配比若符合化學計量關系，則則x的數(shù)值相同）的數(shù)值相同） 注意：注意：2 2、關鍵組分關鍵組分( (著眼組分）反應物中價值最高的組分，關鍵組著眼組分）反應物中價值最高的組分，關鍵組分轉化率的高低直接影響反應過程的經(jīng)濟效果，關鍵組分的分轉化率的高低直接影響反應過程的經(jīng)濟效果，關鍵組分的轉化率最大可達轉化率最大可達100%100%。3 3、反應物起始量的選擇、反

4、應物起始量的選擇連續(xù)反應器連續(xù)反應器-進口原料狀態(tài)進口原料狀態(tài)間歇反應器間歇反應器-反應開始狀態(tài)反應開始狀態(tài)多個反應器串聯(lián)多個反應器串聯(lián)-進入第一個反應器進入第一個反應器收率收率-針對產(chǎn)物針對產(chǎn)物收率與選擇性收率與選擇性對于單一反應對于單一反應 Y=X( (關鍵組分）關鍵組分） 對于復合反應對于復合反應 YX收率也有單程和全程之分（循環(huán)物料系統(tǒng)）收率也有單程和全程之分（循環(huán)物料系統(tǒng)） 注意：注意：RBARBA關鍵組分的起始量所消的關鍵組分量生成產(chǎn)物關鍵組分的起始量生成的量反應產(chǎn)物RRyRAR正值正值 R: 產(chǎn)物 A: 關鍵組分選擇性選擇性針對復合反應針對復合反應)()(SQARBA副主SRBA

5、已轉化的關鍵組分量鍵組分的量生成主產(chǎn)物所消耗的關S轉化率轉化率X只能說明總的結果，只能說明總的結果，Y說明說明 轉化了的反應物變轉化了的反應物變成成 產(chǎn)物的比例，選擇性產(chǎn)物的比例，選擇性S說明轉化了的反應物變成說明轉化了的反應物變成 目目的產(chǎn)物的比例的產(chǎn)物的比例SXY -X關鍵組分，Y、S是同一產(chǎn)物無論是收率、選擇性、轉化率還是反應進度無論是收率、選擇性、轉化率還是反應進度, , 數(shù)值結果數(shù)值結果不一樣，但說明同樣的問題不一樣，但說明同樣的問題 。 化學反應器的操作方式及結構類型化學反應器的操作方式及結構類型操作方式分類：操作方式分類：分批（或間歇）式操作：分批（或間歇）式操作：一次性投料卸料

6、，反應物系濃度或組成等隨時間變化。用于一次性投料卸料，反應物系濃度或組成等隨時間變化。用于實驗室、產(chǎn)量小、一個反應器生產(chǎn)多個產(chǎn)品，具有生產(chǎn)彈性實驗室、產(chǎn)量小、一個反應器生產(chǎn)多個產(chǎn)品，具有生產(chǎn)彈性大，操作靈活的特點。大，操作靈活的特點。連續(xù)式操作：連續(xù)式操作：原料不斷加入，反應器內(nèi)物系參數(shù)均不隨時間變化，隨物料原料不斷加入，反應器內(nèi)物系參數(shù)均不隨時間變化，隨物料所處位置變化。用于產(chǎn)品品種單一而產(chǎn)量大的情況。所處位置變化。用于產(chǎn)品品種單一而產(chǎn)量大的情況。半分批（或半連續(xù)）式操作：兼有以上兩種過程特點，較復雜半分批（或半連續(xù)）式操作：兼有以上兩種過程特點，較復雜反應器設計的基本方程反應器設計的基本方

7、程n反應器設計的基本方程q物料衡算方程式n以質(zhì)量守恒定律為基礎，計算反應器體積的基本方程q熱量衡算方程式n以能量守恒與轉化定律為基礎，通過熱量衡算可以計算反應器中溫度的變化q動量衡算方程式n以動量守恒為基礎，可以計算反應器中壓力的變化q動力學方程式n反應速率與物質(zhì)濃度、反應體系溫度、壓力的關系衡算方程形式：*輸入量輸出量+因反應而改變的量+累積量第二章第二章 反應動力學基礎反應動力學基礎第一節(jié)第一節(jié) 化學反應速率化學反應速率 定義：單位時間定義：單位時間, ,單位體積反應物系中某一組分單位體積反應物系中某一組分i i的物質(zhì)的量的的物質(zhì)的量的變化變化 RvBvAvRBAdtdnrAVA1dtdn

8、rBVB1dtdnrRVR1dtdnriVi1選擇哪個物質(zhì)？選擇哪個物質(zhì)？ 易通過實驗監(jiān)測其物質(zhì)的量的變化易通過實驗監(jiān)測其物質(zhì)的量的變化反應區(qū)反應時間反應量反應速率 一、單一反應的反應速率一、單一反應的反應速率1、均相反應的反應速率、均相反應的反應速率RBArrr)(RBA除非RRBBAAvrvrvrrvrvrvrRRBBAA平均反應速率平均反應速率，不受所選組分的限制，在復雜反應不受所選組分的限制，在復雜反應系統(tǒng)的動力學計算中最為方便系統(tǒng)的動力學計算中最為方便。dtdnriVvi1 平均反應速率平均反應速率注意：注意： （1 1） 反應速率其值恒為正反應速率其值恒為正（2 2） 單位單位:

9、: mol/m3s, mol/m3min ,mol/m3h（3）（4） 用濃度表示的反應速率反應物系體積恒定反應物系體積恒定dtdnrAVA1dtVcdAV)(1dtdcAdtVdcdtdVcdtVcdAAA)(0dtdVcA變?nèi)葸^程（氣相反應）不能用上述形式變?nèi)葸^程（氣相反應）不能用上述形式dtdcrii1（5） 用轉化率表示的反應速率dtdxnrAAVA01（6） 用反應進度表示的反應速率dtdrVA1（7）連續(xù)式操作反應器系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，反應器內(nèi)任一點參數(shù)不隨時間變化系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，反應器內(nèi)任一點參數(shù)不隨時間變化0dtdn即適合用隱含時間的反應速率適合用隱含時間的反應速率 單位時間單位時

10、間, ,單位體積，組分物質(zhì)的量的變化單位體積，組分物質(zhì)的量的變化物料衡算物料衡算 輸入量輸出量輸入量輸出量+因反應而改變的量因反應而改變的量+累積量累積量rAArAAAAdVdFrdVrdFFF0）（對于多相反應，常用相界面積對于多相反應，常用相界面積a代替反應體積代替反應體積V Vr r非均相催化反應，反應速率的定義是以固體催化劑非均相催化反應，反應速率的定義是以固體催化劑的質(zhì)量為基準，即的質(zhì)量為基準，即 2、非均相反應的反應速率、非均相反應的反應速率二、復合反應的反應速率二、復合反應的反應速率jr 對于多個反應的體系，設對于多個反應的體系，設n n個反應組分：個反應組分：A A1 1, ,

11、.A.An n 其中有其中有M M個獨立反應（個獨立反應（M M個關鍵組分）個關鍵組分） 為第為第j j個反應的平均反應速率個反應的平均反應速率 組分組分A Ai i的復合反應速率為的復合反應速率為 MjjiirrR1M1jjj i ijij符號：反應物，取負；產(chǎn)物，符號：反應物，取負；產(chǎn)物， 取正取正R Ri i與與r ri i的區(qū)別：的區(qū)別：R Ri i針對若干反應；針對若干反應；r ri i針對一個反應針對一個反應第三節(jié)第三節(jié) 溫度對反應速率的影響溫度對反應速率的影響一、反應速率常數(shù)一、反應速率常數(shù)k與溫度與溫度T 的關系的關系A：指前因子，決定于反應的本質(zhì)：指前因子，決定于反應的本質(zhì)E

12、：活化能，決定于反應的本質(zhì)，在一定溫度范圍內(nèi)：活化能，決定于反應的本質(zhì)，在一定溫度范圍內(nèi)反應機理不變其值不變。催化劑，降低反應機理不變其值不變。催化劑，降低 E 的值。的值。)exp(RTEAk由阿累尼烏斯經(jīng)驗公式由阿累尼烏斯經(jīng)驗公式二、二、T對對k的影響的影響Lnk = lnA E/RT lnk 對對 1/T 作圖，可得直線，直線的斜率作圖，可得直線，直線的斜率=E/RT )exp(RTEAk 圖圖2.1 2.1 速率常數(shù)隨溫度的變化速率常數(shù)隨溫度的變化 k k隨隨T T升高而增加升高而增加結論：結論：不可逆單一反應不受化學反應平衡限制，從不可逆單一反應不受化學反應平衡限制，從動力學角度考慮

13、應盡可能在動力學角度考慮應盡可能在高的溫度高的溫度下進行反應，下進行反應，但同時要考慮催化劑喪失活性、耐高溫材料的選用，但同時要考慮催化劑喪失活性、耐高溫材料的選用，熱能的供應等高溫帶來的問題。熱能的供應等高溫帶來的問題。飛溫飛溫溫度對不可逆反應速率的影響溫度對不可逆反應速率的影響)()exp(AxfRTEArT k& r 討論：討論：a a 可逆吸熱反應可逆吸熱反應EE 0)AXTr（即可逆吸熱反應的反應速率隨溫度的升高而增加即可逆吸熱反應的反應速率隨溫度的升高而增加圖圖2.2 2.2 可逆吸熱反應關系圖可逆吸熱反應關系圖1234rrrrT一定，一定，xA與與r的關系的關系xA一定，

14、一定，T與與r的關系的關系溫度對可逆反應速率的影響溫度對可逆反應速率的影響b b 可逆放熱反應可逆放熱反應EE 可逆放熱反應的反應速率隨溫度的變化不是單調(diào)變化可逆放熱反應的反應速率隨溫度的變化不是單調(diào)變化圖圖2.32.3可逆放熱反應速率與溫度的關系圖可逆放熱反應速率與溫度的關系圖溫度較低時，動力學影響顯著；溫度較低時，動力學影響顯著；溫度較高時，平衡影響顯著，存溫度較高時，平衡影響顯著，存在反應速率的極大點。在反應速率的極大點。22)()()(RTARTAXTrEkEkXgXfA2.34EEEERTeTeToptln1-2.37可逆放熱反應最佳反應溫度可逆放熱反應最佳反應溫度Topt的求取的求

15、取圖圖2.4 2.4 可逆放熱反應的轉化率與溫度的關系可逆放熱反應的轉化率與溫度的關系 r0r0：平衡曲線：平衡曲線r1, r2, r3, r4 , r5r1, r2, r3, r4 , r5 ：等速率曲線，：等速率曲線， r5r4r3r2r1r5r4r3r2r1r1r1最接近平衡線最接近平衡線r0r0最佳溫度曲線：等速率線上極值點最佳溫度曲線：等速率線上極值點反應在最佳溫度曲線上進行，整個過程反應在最佳溫度曲線上進行，整個過程的反應速率最快的反應速率最快T表表 2-12-1反應速率隨溫度變化的小結反應速率隨溫度變化的小結不可逆反應不可逆反應TT，r r 可逆吸熱可逆吸熱TT，r r 可逆放熱

16、可逆放熱TT，r r rr第五節(jié)第五節(jié) 復合反應復合反應復合反應：同一反應物系中同時進行著若干個化學反應復合反應：同一反應物系中同時進行著若干個化學反應 （主副（主副反應）反應）特點：某一組分既可能是某反應的反應物，也可能是另一反特點：某一組分既可能是某反應的反應物，也可能是另一反應的產(chǎn)物。應的產(chǎn)物。定義：單位時間、單位體積反應混合物中某一組分定義：單位時間、單位體積反應混合物中某一組分i i的物質(zhì)的物質(zhì)的量的變化。的量的變化。一、反應組分的轉化速率與生成速率一、反應組分的轉化速率與生成速率iMjjijiirtC1dd個反應第j: j個組分第i: i個反應組分參與第第j:iij個反應的平均反應

17、速率第j:jr可正可負及代表的反應速率都為正jijBArrrr，,.,i可能是負值或正值，負值表示組分i在反應過程中是減少的QAPAA)(主AQAPckrckr21例：例：求求PA解：解：APPckrr111AAAAAAckckrrrr212121) 1(APckrr11AQckrr22rvrvrvrRRBBAA注意：例例2.4 高溫下將乙烷進行熱裂解生產(chǎn)乙烯，其反應及速率方程：高溫下將乙烷進行熱裂解生產(chǎn)乙烯，其反應及速率方程：ERERMRpAHEAcckrCHHCHCHCcckrHCHCHCcckckrCHHCHCckrCHHCHCcckckrHHCHC5546362224464422233

18、3422632248362111242622導出乙烷和乙烯的生成或轉化速率。導出乙烷和乙烯的生成或轉化速率。ERERMRpAHEAcckrMPAEcckrSERcckckrMRPckrMQAcckckrHEA554433362211125415212-rrrrrrEA解：解：1 1、并列反應、并列反應反應系統(tǒng)中每個反應的組分各不相同反應系統(tǒng)中每個反應的組分各不相同 例如例如 AP BQAP BQ二、復合反應的基本類型二、復合反應的基本類型特點：特點：1 1 各個反應獨立進行各個反應獨立進行 2 2 ri與其它反應組分濃度無關與其它反應組分濃度無關 3 3 ri與其它反應速率有關（變?nèi)?、熱效應?/p>

19、與其它反應速率有關（變?nèi)?、熱效應? 2、平行反應、平行反應反應物完全或部分相同，產(chǎn)物完全不同或不全相同反應物完全或部分相同，產(chǎn)物完全不同或不全相同QAPAA)(主AAckrckr2211ASSAPPAAAAckdtdcckdtdcckckdtdc2121-1若2100212121021ln-kkcccckkdcdcckdtdcckdtdctkkccckckdtdcSSPPSPASAPAAAAA由以上兩式作圖，得到兩條直線由以上兩式作圖，得到兩條直線聯(lián)立可求得：聯(lián)立可求得：k1k1，k2k2。代回即可求得平行反應。代回即可求得平行反應的動力學方程。的動力學方程。3 3、連串反應、連串反應 一個

20、反應的產(chǎn)物同時又是另一個反應的反應物一個反應的產(chǎn)物同時又是另一個反應的反應物42222222ONNONOONO4l3l22l3l4llll2222CCCCHCCHCCHCHCCCC氯甲烷制法氯甲烷制法 甲烷在光或熱的引發(fā)下與氯反應：甲烷在光或熱的引發(fā)下與氯反應： 適當調(diào)節(jié)甲烷與氯的配比適當調(diào)節(jié)甲烷與氯的配比, ,可得到不同比例的四種氯化物可得到不同比例的四種氯化物 各反應均為各反應均為 一級反應一級反應SPAkk21PSSPAPPAAAckdtdcckckdtdcckdtdc2211-AAAckdtdc1-積分得：積分得：tktkAPeeckkkc120211PAPPckckdtdc21AAp

21、CCC0積分得：積分得：tktkAPAAeeckkkctkcc12021110exptktkAsekekkkcc211221011PAASCCCC0連串反應濃度隨時間變化圖連串反應濃度隨時間變化圖復合反應技術指標：加快主反應速率，降低副反應速率復合反應技術指標：加快主反應速率，降低副反應速率 獲得盡可能多的獲得盡可能多的主產(chǎn)物主產(chǎn)物已轉化的關鍵組分的量鍵組分的量生成目的產(chǎn)物消耗的關選擇性)(s衡量技術指標的方法衡量技術指標的方法三、復合反應的技術指標三、復合反應的技術指標（反應為不可逆反應）（反應為不可逆反應）已轉化的關鍵組分的量生成目的產(chǎn)物的量PASPA：生成生成1mol 1mol 主產(chǎn)物主

22、產(chǎn)物P P所消耗關鍵組分所消耗關鍵組分A A的的molmol數(shù)數(shù)已轉化的關鍵組分的量生成目的產(chǎn)物的量PASA AP PP PA A 瞬瞬時時選選擇擇性性( (s s) )關鍵組分的轉化速率關鍵組分的轉化速率目的產(chǎn)物的生成速率目的產(chǎn)物的生成速率PAPA j jr rAjAj k kr rpkpk PAPA 瞬時選擇性瞬時選擇性 動態(tài)動態(tài)AP()AQA主AAckrckr2211平行反應平行反應1PAAPck1AAAAckck21AAAAckck21APPAS)(瞬時選擇性AAAAPAckckck211AAckkk211),(cTfs constkkconstT21,時，的關系有關的變化趨勢與隨，A

23、csscAscA無關與Asc-1、 T 一定時，CA 對S 的影響惰性物質(zhì)惰性物質(zhì)溫度、催化劑溫度、催化劑 )exp(RTEAkAAcRTEEAAS)exp(112112代入代入式：式：時constcA結論：可以通過反應動力學的分析，掌握提高結論：可以通過反應動力學的分析，掌握提高S S 的的工藝條件。工藝條件。2、CA 一定時， T 對S 的影響21EE ST21EE ST11A2 Akkk c 第六節(jié)第六節(jié) 反應速率方程的變換反應速率方程的變換)()(21cfTfr 反應速率方程：反應速率方程：以關鍵組分的轉化率或目的產(chǎn)物的收率表示各組分濃度，以關鍵組分的轉化率或目的產(chǎn)物的收率表示各組分濃

24、度，進而表示反應速率，稱為進而表示反應速率，稱為反應速率方程的變換反應速率方程的變換一、單一反應一、單一反應氣相反應氣相反應PBAPBA等溫反應等溫反應 k k=const=constBAAckcr 00AAcc00BBcc00Pc-要求：將要求：將BAAckcr 變換成用變換成用x xA A 表示的動力學方程表示的動力學方程1 1、恒容反應（、恒容反應（dVdV=0)=0)VncAAconstV )(AAnfc )1 (000AAAAAAAxnnnnnx兩邊同除兩邊同除V V 得：得：)1 (0AAAxcc-BABBAAcccc00AAABBBxccc00-)1 (0AAAxVnVnBAAc

25、kcr 其它組分其它組分Ci AAAiixcc00)()1 (000AAABBAAxccxkc-dtdcrAAdtdxcdtxcdrAAAAA00)1 (-= = ：dtdxcAA0)()1 (000AAABBAAxccxkcBAAckcr 邊界條件積分求解邊界條件積分求解 tfxA2 2、變?nèi)莘磻⒆內(nèi)莘磻獨庀喾堑确肿臃磻话銥樽內(nèi)莘磻獨庀喾堑确肿臃磻话銥樽內(nèi)莘磻确肿臃磻河嬃糠匠讨杏嬃肯禂?shù)之和等于零等分子反應：計量方程中計量系數(shù)之和等于零非等分子反應：計量方程中計量系數(shù)之和不等于零非等分子反應：計量方程中計量系數(shù)之和不等于零表征參數(shù)表征參數(shù)AiA/物理意義物理意義: :反應掉反應掉1m

26、olA1molA，反應混合物總摩爾數(shù)的變化，反應混合物總摩爾數(shù)的變化, 0A等分子反應等分子反應, 0A非等分子反應非等分子反應非等分子氣相反應非等分子氣相反應PBAPBABAAckcr 00AAnn 00BBnn 00Pn-例例: :)(22222gOHOH2H24262HHCHC62HC222HCOOHCOCO等溫反應等溫反應 k k=const=const要求：將要求：將BAAckcr 變換成用變換成用x xA A 表示的動力學方程表示的動力學方程000BAtnnn)(00APABAAAAttxnnnAAAtxnn00)1 (00AAAtxynAAttt 0)1 (00AAAxnnAAA

27、BBBxnnn000AAApxn00BBPP+000tAAnny氣體視作理想氣體，在（氣體視作理想氣體，在（ ) )T,PT,P下，下，VnVn)1 (00000AAAttttxynnnnVVAAAxy011)1 (00AAAxyVV)1 ()1 (000AAAAAAAxyVxnVncAAAAAxyxc001)1 ()1 (0000AAAAAABBBBxyVxnnVncAAAAAABBxyxcc0001)1 (0AAAxccAAABBBxccc000VV 等容等容BAAAckcVdtdnr)1 ()()1 ()1 ()1 (0000000AAAAAABBAAAAAAAxyxccxckdtxyV

28、xdn1PBA若11A則)1 ()()1 (1000000AAAAAABBAAAAAAAxyxccxckdtdxxycAAAABAAxyxccxkdtdx0001)()1 (積分積分求解求解間的關系式與推廣APyixcii:AAAAAAiiixyxccc0001AAAAAAiiixyxyyy0001AAAAAAiiixyxppp0001類別類別 項目項目物理吸附物理吸附化學吸附化學吸附作用力作用力分子間引力（范德華力）分子間引力（范德華力）化學鍵力（共價鍵、離子化學鍵力（共價鍵、離子鍵）鍵）選擇性選擇性幾乎沒有幾乎沒有明顯明顯吸附情況吸附情況多層吸附多層吸附單層吸附單層吸附吸（脫）附速度吸（脫

29、）附速度快快慢慢熱效應熱效應8-25kJ/mol8-25kJ/mol，小，小40-200kJ/mol40-200kJ/mol，大，大溫度效應溫度效應溫度提高，吸附量減小，溫度提高，吸附量減小，較低溫度下進行較低溫度下進行溫度提高，吸附量減小，溫度提高，吸附量減小，較高溫度下進行較高溫度下進行多相催化反應以多相催化反應以化學吸附化學吸附為主為主物理吸附與化學吸附物理吸附與化學吸附第七節(jié)第七節(jié) 多相催化與吸附多相催化與吸附2 2、理想吸附模型、理想吸附模型吸附表面在能量上是均勻的，即吸附表面在能量上是均勻的，即各吸附位的吸附能各吸附位的吸附能力相同力相同被吸附分子間的作用力可略去不計，不影響被吸附

30、分子間的作用力可略去不計，不影響其它分子的吸附其它分子的吸附 單層吸附單層吸附 動態(tài)平衡，吸附速率與脫附速率達動態(tài)平衡動態(tài)平衡，吸附速率與脫附速率達動態(tài)平衡 惰性組分參與吸附，但不參與反應惰性組分參與吸附，但不參與反應1 1）模型假設：）模型假設：第三章第三章 釜式反應器釜式反應器第一節(jié)第一節(jié) 釜式反應器的物料衡算式釜式反應器的物料衡算式結構特點：高度與直徑結構特點：高度與直徑相當，釜內(nèi)設有相當，釜內(nèi)設有攪拌器攪拌器及擋板，釜內(nèi)或釜外設及擋板，釜內(nèi)或釜外設有換熱器。有換熱器。操作方式：間歇、連續(xù)、操作方式：間歇、連續(xù)、半連續(xù)半連續(xù)K個組分進行個組分進行M個反應，反應體積個反應，反應體積Vr ,

31、進出口處物料體積流量分別為進出口處物料體積流量分別為Q0和和Q，組分組分i在進、出口濃度分在進、出口濃度分別為別為ci0 ,ciVrQ0ci0Qci反應器中物料濃度均一，對反應器作物料衡算反應器中物料濃度均一，對反應器作物料衡算: :輸入量輸入量 = = 輸出量輸出量+ + 反應變化的量反應變化的量+ +累計量累計量對組分對組分i i作物料衡算作物料衡算: :dtdnrVQccQiMjjijrii）（100-i=1,2,KdtdnVQccQiriii)(00i=1,2,K定態(tài)操作定態(tài)操作 ( (連續(xù)連續(xù)) )0dtdni）（MjjijriirVQccQ100-Ki,.,2 , 1間歇操作間歇操

32、作00 QQdtdnrViMjjijr1Ki,.,2 , 1）（riiiVQccQ-00Ki,.,2 , 1Ki,.,2 , 1dtdnViri連續(xù)釜式反應器間歇釜式反應器代代數(shù)數(shù)方方程程微微分分方方程程第二節(jié)等溫間歇釜式反應器的計算第二節(jié)等溫間歇釜式反應器的計算( (單一反應單一反應) )n特點特點n反應器內(nèi)濃度處處相等，可排除傳質(zhì)的影響反應器內(nèi)濃度處處相等，可排除傳質(zhì)的影響n反應器內(nèi)溫度處處相等，可排除傳熱的影響反應器內(nèi)溫度處處相等，可排除傳熱的影響n物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相同的反應物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相同的反應時間時間n優(yōu)點優(yōu)點n操作靈活，可適應不同

33、的操作條件與不同的產(chǎn)品，適用于操作靈活，可適應不同的操作條件與不同的產(chǎn)品，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產(chǎn)品小批量、多品種、反應時間較長的產(chǎn)品n缺點缺點n裝料、卸料等輔助操作要耗費一定的時間，產(chǎn)品質(zhì)量不易裝料、卸料等輔助操作要耗費一定的時間，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定，操作相對復雜穩(wěn)定，操作相對復雜計算內(nèi)容：反應時間、反應釜體積計算內(nèi)容：反應時間、反應釜體積討論范圍：等溫間歇式操作，單一反應討論范圍：等溫間歇式操作，單一反應一、一、 反應時間和體積的計算反應時間和體積的計算 1 1、 反應時間反應時間 t t 的計算的計算 dtdnVQccQiriii0000 QQdtdnViriKi,.,2 ,

34、 1Ki,.,2 , 1反應器中進行化學反應反應器中進行化學反應 對組分對組分A A作作物料衡算：物料衡算： RBAdtdnVAAr)1 (0AAAxnndtdxnVAAAr0AAAxxttxt00)(00ArAAxVdxntA為正），為（為反應物，)(-AAA邊界條件：邊界條件：注意注意: :-設計方程設計方程間歇釜式反應器為等容過程：間歇釜式反應器為等容過程： 00/ArAcVn)(00AAAxdxctA適用于任何間歇反應過程，多相或均相，等溫適用于任何間歇反應過程，多相或均相，等溫或變溫或變溫 2 2、反應體積、反應體積Vr)(00ttQVrfVVrQ0 單位時間的反應物料處理量單位時間

35、的反應物料處理量 m3/st 反應時間反應時間 st0 輔助時間輔助時間 sV 反應器實際體積反應器實際體積沸騰易發(fā)泡物料沸騰易發(fā)泡物料 f =0.4-0.6一般流體一般流體 f =0.7-0.85f 裝填系數(shù)，裝填系數(shù)，0.40.85第三節(jié)等溫間歇釜式反應器的計算第三節(jié)等溫間歇釜式反應器的計算 （復合反應）（復合反應）一、一、 平行反應平行反應 等溫間歇釜式反應器中：等溫間歇釜式反應器中： 主）(PA 副）(QA 計算內(nèi)容：反應計算內(nèi)容：反應時間、時間、反應釜體積反應釜體積討論范圍：等溫間歇式操作、討論范圍：等溫間歇式操作、 復合反應復合反應APckr1AQckr2P P：目的產(chǎn)物：目的產(chǎn)物

36、建立物料衡算建立物料衡算 ：求解求解cA ,cP ,cQ 與與t的關系的關系: : 求解思路：求解思路：dtdnrVQccQiMjjijrii100i=1,2,K各組分物料衡算各組分物料衡算 ：0(21dtdnckkVAAr）01dtdnckVPAr02dtdnckVQAr具體求解：具體求解：對于恒容過程對于恒容過程: : 0(21dtdcckkAA）01dtdcckPA02dtdcckQA初值條件：初值條件：t=0時，時，CA0=CA0，CP0=0，CQ0=0AAcckkt021ln1Axkkt11ln121或A A的轉化率為生產(chǎn)要求的轉化率為生產(chǎn)要求, ,積分積分 式式P P的收率為生產(chǎn)要

37、求的收率為生產(chǎn)要求, ,式代入式代入式：式：0)(exp2101dtdctkkckPA)(exp210tkkccAA01dtdcckPA)(exp210tkkccAA0(21dtdcckkAA）得：得：)(exp1212101tkkkkckcAP得：pAAQcccc0)(exp1212102tkkkkckcAQ反應物系的組成隨時間的變化關系如圖反應物系的組成隨時間的變化關系如圖3.33.3所示所示 積分得：積分得：圖圖3 3.3 .3 平行反應組成隨時間的變化關系平行反應組成隨時間的變化關系 二、二、 連串反應連串反應 QPAkk21PQckr2AAckr1各組分物料衡算各組分物料衡算 ：01

38、dtdnckVAAr0)(21dtdnckckVPPAr對于恒容過程對于恒容過程: : 01dtdcckAA0)(21dtdcckckPPAdtdnrVQccQiMjjijrii100i=1,2,KP P的收率為生產(chǎn)要求的收率為生產(chǎn)要求, , 式代入：式代入：)exp(1012tkckckdtdcAPP初值條件：初值條件：t=0時，時， CA=CAO，CP=0，CQ=0)exp(10tkccAAA A的轉化率為生產(chǎn)要求的轉化率為生產(chǎn)要求, ,積分積分 式式0)(21dtdcckckPPA)exp(10tkccAA01dtdcckAA得：得：1 2112021kkekekcctktkAQ反應物系

39、的組成隨時間的變化關系如圖反應物系的組成隨時間的變化關系如圖3.43.4得：PAAQcccc0)(21kk )(122101tktkAPeekkckc)(21kk 積分得：積分得：圖圖3-4 3-4 連串反應組成隨時間的變化關系連串反應組成隨時間的變化關系 CQCpCAc cP P存存在在最最大大值值 以以式對式對t t求導：求導：0dtdcP2121)/ln(kkkktopt式代入式代入式得式得R R的最大濃度的最大濃度)(21kk 目的產(chǎn)物為目的產(chǎn)物為Q時時, t 越長，越長，Q收率越大收率越大dteekkckddtdctktkAP/)(122101122)(210maxkkkAPkkcc

40、，)(21kk )(122101tktkAPeekkckc)(21kk 第四節(jié)連續(xù)釜式反應器的反應體積第四節(jié)連續(xù)釜式反應器的反應體積 反應物料連續(xù)加入與取出；反應器內(nèi)反應物料反應物料連續(xù)加入與取出；反應器內(nèi)反應物料的濃度、溫度、反應速率不隨時間、空間位置的濃度、溫度、反應速率不隨時間、空間位置而變；而變；出口處的出口處的C, T=反應器內(nèi)的反應器內(nèi)的C, T ；多用于；多用于液相反應，恒容操作液相反應，恒容操作 間歇釜式反應器：一次裝卸料間歇釜式反應器：一次裝卸料, ,非定態(tài)非定態(tài)操作操作連續(xù)釜式反應器：連續(xù)裝卸料連續(xù)釜式反應器：連續(xù)裝卸料, , 定態(tài)定態(tài)操作操作特點：特點：計算內(nèi)容：反應釜體

41、積計算內(nèi)容：反應釜體積討論范圍：等溫連續(xù)式操作討論范圍：等溫連續(xù)式操作一、一、 體積的計算體積的計算 Q0-進口體積流量進口體積流量,m3/sQ-出口體積流量出口體積流量,m3/sCA-出口濃度出口濃度,mol/m3CA0-進口濃度進口濃度,mol/m3連續(xù)釜式反應器的設計方程連續(xù)釜式反應器的設計方程: : MjjijiirrccQV100)(i=1,2,KdtdnrVQccQiMjjijrii100對組分對組分i i列物料衡算方程列物料衡算方程: : i=1,2,K0,0dtdnQQi二、兩個物理量二、兩個物理量空時、空速空時、空速 1. 1.空時空時衡量生產(chǎn)能力（針對連續(xù)反應器）衡量生產(chǎn)能

42、力（針對連續(xù)反應器）0QVr生產(chǎn)能力（生產(chǎn)能力（注意：注意：比較時比較時QO應在相同的應在相同的T， P下求得，即在同一基準下進行比較，通常下求得，即在同一基準下進行比較，通常采用采用 標準情況下的體積流量標準情況下的體積流量) ) MjjijiirrccQV100)(Mjjijiircc10)(即物料在反應器內(nèi)的平均停留時間等于空時即物料在反應器內(nèi)的平均停留時間等于空時 dV=0過程，過程，=t2.2.空速空速- -單位反應時間內(nèi)所處理的物料量，單位反應時間內(nèi)所處理的物料量，為空時的倒數(shù)為空時的倒數(shù)1sS S增加時，生產(chǎn)能力增加增加時，生產(chǎn)能力增加連續(xù)釜式反應器間歇釜式反應器代代數(shù)數(shù)方方程程

43、微微分分方方程程iiirccQV)(00MjjijiirrccQV100)(iiicc0Mjjijiircc10iiccdctii0)(00ttQVr第五節(jié)連續(xù)釜式反應器的第五節(jié)連續(xù)釜式反應器的串聯(lián)與并聯(lián)串聯(lián)與并聯(lián)問題的提出：問題的提出：反應器的組合操作反應器的組合操作一、概述一、概述正常動力學與反常動力學正常動力學與反常動力學以以）AAx(1曲線呈單調(diào)減，稱為反常動力學曲線呈單調(diào)減，稱為反常動力學曲線呈單調(diào)增，稱為正常動力學曲線呈單調(diào)增，稱為正常動力學)()()(21AAxfTf1/(-RA）XA0XA1XA2ABDEFHK1/(-RA）XA0XA1XA2GMNEFHP正常動力學正常動力學反

44、常動力學反常動力學連續(xù)釜式反應器的反應連續(xù)釜式反應器的反應體積幾何圖示體積幾何圖示n轉化速率轉化速率-RA隨轉化率增加單隨轉化率增加單調(diào)減少調(diào)減少正級數(shù)反應正級數(shù)反應單釜，面積單釜，面積OADK第一釜，面積第一釜，面積OFEH第二釜，面積第二釜，面積HBDK雙釜串聯(lián)，總面積雙釜串聯(lián)，總面積OFEH+HBDKOLNP串聯(lián)的串聯(lián)的CSTR需要的反應需要的反應器總體積大于單個器總體積大于單個CSTR反應器反應器21200AAAArxxCQV20200AAAArxxCQV10100AAAArxxCQVn轉化速率轉化速率-RA隨轉化率存在極值點隨轉化率存在極值點自催化反應自催化反應單釜，面積單釜，面積O

45、ACD第一釜，面積第一釜，面積OGFE第二釜，面積第二釜，面積EBCD雙釜串聯(lián)，總面積雙釜串聯(lián)，總面積OGFE+EBCD雙釜串聯(lián)雙釜串聯(lián)間歇式間歇式dx一一 總收率與總選擇性總收率與總選擇性ApAppAAppAdXdYdndnS)()(瞬時選擇性瞬時選擇性pApPAApPAdYndnndn00AAAdXndn0ApSdXdY AfXApfSdXY0AfopfXSYAfXAAfoSdXXS01總收率總收率總選擇性總選擇性第六節(jié)釜式反應器中復合反應的收率第六節(jié)釜式反應器中復合反應的收率與選擇性與選擇性二二 釜式反應器中復合反應的收率與選擇性釜式反應器中復合反應的收率與選擇性XASADBEF0HXA

46、fGAfXApfBATCHSdXY0AfpfCSTRSXY達到相同轉化率下的收率：達到相同轉化率下的收率：間歇釜間歇釜多釜串聯(lián)多釜串聯(lián)單一單一CSTR 當當S隨隨XA增加而單調(diào)下降時增加而單調(diào)下降時XASADBEF0HXAfGM當當S隨隨XA增加而單調(diào)上升時增加而單調(diào)上升時AfXApfBATCHSdXY0AfpfCSTRSXY達到相同轉化率下的收率：達到相同轉化率下的收率：間歇釜間歇釜多釜串聯(lián)多釜串聯(lián)CRCM最大最大2.9 在一恒容反應器中進行下列液相反應：在一恒容反應器中進行下列液相反應：式中式中rR,rD分別表示產(chǎn)物分別表示產(chǎn)物R及及D的生成速率。反應用的原料為的生成速率。反應用的原料為A

47、與與B的混合物，其中的混合物，其中A的濃度為的濃度為2kmol/m3，試計算，試計算A的轉化率達到的轉化率達到95%時所需的反應時間。時所需的反應時間。解：解： ABR31.6/RArC kmol mh2AD238.2/DArC kmol mh22 . 826 . 1AAjAjACCr22 . 826 . 1AAACCdtdC積分：積分：h4038. 0)1 ()125.1025.101(06 . 110txCCdCCCtAAAAAACCAA 2.11在在210等溫下進行亞硝酸乙脂的氣相分解反應：等溫下進行亞硝酸乙脂的氣相分解反應： 該反應為一級不可逆反應，反應速率常數(shù)與溫度的關系為該反應為一

48、級不可逆反應，反應速率常數(shù)與溫度的關系為 若反應是在恒容下進行，系統(tǒng)的起始總壓為若反應是在恒容下進行，系統(tǒng)的起始總壓為0.1013MPa，采用的是純亞硝酸乙脂，采用的是純亞硝酸乙脂，試計算亞硝酸乙脂分解率為試計算亞硝酸乙脂分解率為80%時，亞硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。時，亞硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。若采用恒壓反應，乙醇的生成速率又是多少？若采用恒壓反應，乙醇的生成速率又是多少？ 2523251122 C H NONOCH CHOC H OH14411.39 10 exp( 1.897 10 /)() kTs解：反應式表示為解：反應式表示為DCBA2121（1）恒容過程：）恒

49、容過程：)1 (0AAAAxkCkCr設為設為i.g.00RTPyCAA.)1 (0AAAxkCr亞硝酸乙酯的分解速率為：亞硝酸乙酯的分解速率為：.-AAr乙醇的生成速率為：乙醇的生成速率為：.21DAr2003140014260.10132.523 10/8.314 10483(1)1.39 10 exp( 18973/)(1)1.39 10 exp( 18973/483)2.523 10(100.8)6.112 10/ . AAAAAAAPyCmol lRTrkCXTCXmol l s66.112 10/ . AARrmol l s613.056 10/ .2 DARrmol l s（2）

50、恒壓過程）恒壓過程1./0iAAAy.1)1 (00AAAAAAxyxCC.AAkCr乙醇的生成速率為：乙醇的生成速率為：.21DAr亞硝酸乙酯的分解速率為：亞硝酸乙酯的分解速率為：.-AAr10.50.51/11 AtA22001426(1)2.523 10 (10.8)2.803 10/111 1 0.81.39 10 exp( 18973/483)2.803 103.395 10/ . AAAAAAAACXCmol lyXrkCmol l s611.698 10/ .2 DARrmol l s2.12 甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及750等溫下的轉化反應為：等溫下的轉化

51、反應為：原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為1：4，若這個反應對各反應物均為一級，已知，若這個反應對各反應物均為一級，已知k=2l/mol.s,試求：試求：（1） 反應在恒容下進行，系統(tǒng)的初始總壓為反應在恒容下進行，系統(tǒng)的初始總壓為0.1013MPa，當反應器出口的，當反應器出口的CH4轉化率為轉化率為80%時，時，CO2和和H2的生成速率是多少？的生成速率是多少？（2） 反應在恒壓下進行，其他條件如（反應在恒壓下進行，其他條件如（1），），CO2的生成速率又是多少？的生成速率又是多少？解：（解：（1）由題意可將反應速率表示為：）由題意可將反應速率表示為：恒容過程恒容過

52、程 422224 CHH OCOH24 CABABCDrkC C00030033300(1)20.10130.22.382 10/8.314 101023442.382 109.528 10/ AAABBAAAABACCXCCCXPCmol lRTCCmol l當當XA0=0.8時時 3403330043665(1)2.382 100.24.764 10/29.528 1022.382 100.85.717 10/24.764 105.717 105.447 10/ .445.447 102.179 10/ .AAABBAACCABDCCCXmol lCCCXmol lRrkC Cmol l

53、sRrmol l s（2）恒壓過程，是變?nèi)莘磻^程）恒壓過程，是變?nèi)莘磻^程 1412/21 AtA010.214 Ay轉化率為轉化率為80%時的濃度：時的濃度： 3400(1)2.382 10 (10.8)3.609 10/1120.20.8 AAAAAACXCmol lyX 33500029.528 1022.382 100.84.331 10/1120.20.8 BAABAAACCXCmol lyX 456623.609 104.331 103.126 10/ .3.126 10/ . AABCCrkC Cmol l sRrmol l s3.13.1在等溫間歇反應器中進行乙酸乙酯皂化反應

54、：在等溫間歇反應器中進行乙酸乙酯皂化反應：325325CH COOC HNaOHCH COONaC H OH該反應對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為該反應對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。反應開始時乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l0.02mol/l，反應速率常數(shù)等于，反應速率常數(shù)等于5.6l/mol.min5.6l/mol.min。要求最終轉化率達到。要求最終轉化率達到95%95%。試問：。試問：（1 1） 當反應器的反應體積為當反應器的反應體積為1m1m3 3時，需要多長的反應時間？時，需要多長的反應時間？（2 2） 若反應器的反應體積為若反應器的

55、反應體積為2m2m3 3，所需的反應時間又是多少？，所需的反應時間又是多少？解：解：(1)(1)00222000001()(1)110.95169.6min(2.83 )5.60.0210.95AfAfXXAAAAAAAAAAAdXdXXtCCRk CXkCXh (2) (2)反應時間與反應器大小無關，反應時間不變反應時間與反應器大小無關，反應時間不變3.83.8在一個在一個體積為體積為300L300L的反應器中的反應器中8686等溫下將濃度為等溫下將濃度為3.2kmol/m3.2kmol/m3 3的過氧化氫異丙苯溶液分解：的過氧化氫異丙苯溶液分解： 653 23365()C H C CHCO

56、HCH COCHC H OH生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應為一級反應，反應溫度下反應生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應為一級反應，反應溫度下反應速率常數(shù)等于速率常數(shù)等于0.08s0.08s-1-1, ,最終轉化率達最終轉化率達98.9%98.9%，試計算苯酚，試計算苯酚的產(chǎn)量。的產(chǎn)量。 （1 1）如果這個反應器是間歇操作反應器，并設輔助操）如果這個反應器是間歇操作反應器，并設輔助操作時間為作時間為15min;15min;（2 2） 如果是全混流反應器；如果是全混流反應器；（3 3） 試比較上二問的計算結果；試比較上二問的計算結果；（4 4） 若過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，若過氧化氫異丙苯濃度增加一倍

57、，其他條件不變，結果怎樣？結果怎樣？ 解：（解：（1 1）00000000011ln()(1)111ln56.370.94min0.810.989()(0.9415)300AfAfXXAAAAAAAAArdXdXtCCRk CXkXsVQ ttQl苯酚濃度苯酚濃度 03.2 0.9893.165/苯苯酚酚AACCXmol l苯酚產(chǎn)量苯酚產(chǎn)量 018.823.16559.56/min335.9/苯苯酚酚Q Cmolkg h=?min15L300)/(?0000ttVttVQQrr=苯酚產(chǎn)量苯酚產(chǎn)量 018.823.16559.56/min335.9/苯苯酚酚Q Cmolkg h=苯酚產(chǎn)量苯酚產(chǎn)量

58、 016.023.2 0.98950.69/min285.9/苯苯酚酚Q Cmolkg h（3 3）全混釜的產(chǎn)量小于間歇釜的產(chǎn)量，這是由于全混）全混釜的產(chǎn)量小于間歇釜的產(chǎn)量，這是由于全混釜中反應物濃度低，反應速度慢的原因。釜中反應物濃度低，反應速度慢的原因。（4 4）C CA0A0增加一倍，增加一倍，Q Q0 0不變，產(chǎn)量均增加一倍。不變，產(chǎn)量均增加一倍。 =（2 2）全混流反應器）全混流反應器 00000(1)(1)(1)3000.08(10.989)0.2669 /16.02 /min0.989AAfAfrAAfAfrAfAfQ CXQ XVkCXkXV kXQl slX00000(1)(1)(1)3000.08(10.989)0.2669 /16.02 /min0.989AAfAfrAAfAfrAfAfQ CXQ XVkCXkXV kXQl slX=3.15 3.15 原料以原料以0.5m0.5m3 3/min/min的流量的流量連續(xù)通入連續(xù)通入反應體積為反應體積為20m20m3 3的全混流反應器，進行液相反應：的全混流反應器，進行液相反應：1222AADRARrk CRDrk CC CA A,C,CR R為組分