第二章_化學反應(yīng)工程基礎(chǔ)

1、l化學反應(yīng)特性化學反應(yīng)特性 反應(yīng)機理：簡單、復(fù)雜反應(yīng)機理：簡單、復(fù)雜 反應(yīng)的可逆性：可逆、不可逆反應(yīng)的可逆性：可逆、不可逆 反應(yīng)級數(shù)：一級、二級、三級、零級、分數(shù)級反應(yīng)級數(shù)：一級、二級、三級、零級、分數(shù)級 反應(yīng)熱效應(yīng)：放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)：放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)第二章第二章 化學反應(yīng)工程基礎(chǔ)化學反應(yīng)工程基礎(chǔ)第一節(jié) 化學反應(yīng)和反應(yīng)器分類l 反應(yīng)物料的相態(tài)分類反應(yīng)物料的相態(tài)分類 1.均相反應(yīng)：l 氣相反應(yīng)，液相反應(yīng)eg.PEPSPAN自由基加成反應(yīng) 2.非均相反應(yīng)：l液-液相、液-固相l(xiāng)氣-液相、氣-固相l(xiāng)固-固相、氣-液-固相 l過程進行的條件分類過程進行的條件分類 v操作方式：間歇反應(yīng)，半

2、連續(xù)反應(yīng)，連續(xù)反應(yīng)v溫度條件：等溫反應(yīng)，絕熱反應(yīng)，非絕熱反應(yīng)反應(yīng)器的分類反應(yīng)器的分類 反應(yīng)物料的相態(tài)分類 均相反應(yīng)器： 無相界面，反應(yīng)速率只與溫度或濃度有關(guān) 非均相反應(yīng)器： 有相界面，反應(yīng)速率除與溫度或濃度有關(guān)外，還受相界面大小及相間擴散速率的影響反應(yīng)器種類舉例特性適用的反應(yīng)器形式均相氣相燃燒、裂解、烴高溫氯化等無相界面，反應(yīng)速率只與濃度、溫度有關(guān)管式液相中和、酯化、水解等釜式、管式非 均 相氣-液相氧化、氯化、加氫、化學吸收等有相界面，實際反應(yīng)速度與相界面大小及相間擴散速度有關(guān)釜式、塔式液-液相磺化、硝化、烷基化等釜式、塔式氣-固相燃燒、還原、各種固相催化等固定床、移動床、流化床液-固相還原

3、、離子交換等釜式、塔式固-固相電石、水泥制造等回轉(zhuǎn)窯式氣-液-固相加氫裂解、加氫脫硫等釜式、固定床、流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類 釜式反應(yīng)器 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，傳質(zhì)、傳熱效率高，適應(yīng)性強，操作彈性大，連續(xù)操作時溫度、濃度易控制，產(chǎn)品質(zhì)量均一，適于多品種、小批量生產(chǎn)。 缺點：要求達到高轉(zhuǎn)化率時，反應(yīng)器容積大 Eg 順丁橡膠，丁苯橡膠，聚氯乙烯 管式反應(yīng)器 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，耐高壓，傳熱面 大，熱交換效率高，容易實現(xiàn)自動控制 缺點：對慢速反應(yīng)管子要求長且壓降大 eg. 高壓聚乙烯的生產(chǎn)，石腦油的裂解，輕油裂 解生產(chǎn)乙烯 塔式反應(yīng)器(板式、規(guī)整填料、噴霧)長徑比較大

4、的垂直圓筒結(jié)構(gòu)擋板型:適于快速和中速反應(yīng)過程，結(jié)構(gòu)復(fù)雜固體填充式: 結(jié)構(gòu)簡單，耐腐蝕，適于快速和瞬間反應(yīng)過程 eg. 苯乙烯的本體聚合，已內(nèi)酰胺的縮聚 流化床反應(yīng)器 垂直圓筒形或圓錐形容器，內(nèi)裝有催化劑或參與反應(yīng)的細小固體顆粒，反應(yīng)流體從反應(yīng)器的底部進，頂部出產(chǎn)物。 優(yōu)點：傳熱好，溫度均勻，易控制 缺點：催化劑的磨損大，床內(nèi)返混大，高轉(zhuǎn)化率難 eg. 丙烯氨氧化制丙烯腈，萘氧化制苯酐，聚烯烴的生產(chǎn) 固定床反應(yīng)器（固定床鼓泡床反應(yīng)器） 優(yōu)點：化學反應(yīng)速度較快理想置換流動理想置換流動， 催化劑用量和反應(yīng)器的體積較小； 缺點：傳熱性能較差 eg. 乙烯氧化制環(huán)氧乙烷，乙烯水合制乙醇型式適用的相態(tài)優(yōu)缺

5、點生產(chǎn)舉例管式單管排管列管氣相、液相返混小，所需反應(yīng)器容積小，比傳熱面大；軸向溫差大，慢反應(yīng)時，要求管長壓降大石腦油裂解，甲基丁炔醇的合成，管式法高壓聚乙烯等釜式攪拌釜（單釜或多釜串聯(lián)）液相，液-液相，液-固相（可連續(xù)可間歇）適應(yīng)性大，操作彈性大，產(chǎn)品質(zhì)量較均一；連續(xù)操作，容積要求大苯的硝化，氯乙烯的聚合，高壓聚乙烯，順丁橡膠聚合以及制藥、油漆、染料的生產(chǎn)鼓泡式攪拌釜氣-液相，氣-液-固（cat）相返混程度大，傳質(zhì)速度快，需耗動力苯甲酸氧化，苯的氯化，液態(tài)烴的氧化等塔式空塔或攪拌塔液相，液-液相結(jié)構(gòu)簡單，返混程度與高/徑的比值及攪拌有關(guān)；軸向溫差大苯乙烯本體聚合，醋酸乙烯溶液聚合，已內(nèi)酰胺縮合

6、等鼓泡塔氣-液相，氣-液-固（cat）相氣體返混小，液體返混大，氣體壓降大，流速有限制苯的烷基化，乙醛氧化，二甲苯氧化等填料塔液相，氣-液相結(jié)構(gòu)簡單，返混小，壓降??；有溫差，填料裝卸麻煩化學吸收板式塔氣-液相逆流接觸，氣液返混均小，可板間換熱；流速有限制異丙苯氧化，苯連續(xù)磺化等噴霧塔氣液相快速反應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，相界面積大；氣速有限制氯乙醇制丙烯腈，高級醇的連續(xù)磺化等固體相靜止固定床（列管或塔）氣固相返混小，固體cat不易磨損，傳熱不佳乙苯脫氫，合成氨，SO2接觸氧化，乙烯直接氧化制環(huán)氧乙烷等蓄熱床氣相，以固相為載熱體結(jié)構(gòu)簡單，材料易得，切換頻繁，溫度波動大石油裂解，天然氣裂解等滴液床氣-液-固相c

7、at帶出小，易分離，氣液分布均勻；溫度調(diào)節(jié)困難焦油加氫精制，丁炔二醇加氫等操作方式分類操作方式分類 間歇操作反應(yīng)器在反應(yīng)之前將原料一次性加入反應(yīng)器中，直到反應(yīng)達到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率，即得反應(yīng)物，通常帶有攪拌器的釜式反應(yīng)器 優(yōu)點：操作彈性大，主要用于小批量生產(chǎn)間歇操作反應(yīng)器間歇操作反應(yīng)器 CA、xA、反應(yīng)速率（-rA）與時間的函數(shù)關(guān)系連續(xù)操作反應(yīng)器 反應(yīng)物連續(xù)加入反應(yīng)器產(chǎn)物連續(xù)引出反應(yīng)器，屬于穩(wěn)態(tài)過程，可以采用釜式、管式和塔式反應(yīng)器 優(yōu)點：適宜于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)能力較強，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定易于實現(xiàn)自動化操作 連續(xù)操作反應(yīng)器連續(xù)操作反應(yīng)器 CA、xA、反應(yīng)速率（-rA）與時間的函數(shù)關(guān)系 半連續(xù)操作反應(yīng)器

8、 預(yù)先將部分反應(yīng)物在反應(yīng)前一次加入反應(yīng)器，其余的反應(yīng)物在反應(yīng)過程中連續(xù)或斷連續(xù)加入，或者在反應(yīng)過程中將某種產(chǎn)物連續(xù)地從反應(yīng)器中取出，屬于非穩(wěn)態(tài)過程 優(yōu)點：反應(yīng)不太快，溫度易于控制，有利于提高可逆反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率 流體流動及混合型式分類流體流動及混合型式分類 造成三種反應(yīng)器中流體流動型態(tài)不同是由于物料在不同反應(yīng)器中的返混程度不一樣。 返混：是指反應(yīng)器內(nèi)不同年齡的流體微元之間的混合，返混代表時間上的逆向混合 平推流反應(yīng)器 物料在長徑比很大的管式反應(yīng)器中流動時，如果反應(yīng)器中每一微元體積里的流體以相同的速度向前移動，此時在流體的流動方向不存在返混，這就是平推流特點：特點：各物料微元通過反應(yīng)器的停留時間相同

9、各物料微元通過反應(yīng)器的停留時間相同物料在反應(yīng)器中沿流動方向逐段向前移動，無返物料在反應(yīng)器中沿流動方向逐段向前移動，無返混混物料組成和溫度等參數(shù)沿管程遞變，但是每一個物料組成和溫度等參數(shù)沿管程遞變，但是每一個截面上物料組成和溫度等參數(shù)在時間進程中不變截面上物料組成和溫度等參數(shù)在時間進程中不變連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作，結(jié)構(gòu)為管式結(jié)構(gòu)連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作，結(jié)構(gòu)為管式結(jié)構(gòu) l理想混合流反應(yīng)器理想混合流反應(yīng)器 反應(yīng)器的物料微元與器內(nèi)原有的物料微元瞬間能反應(yīng)器的物料微元與器內(nèi)原有的物料微元瞬間能充分混合（反應(yīng)器中的強烈攪拌），反應(yīng)器中各充分混合（反應(yīng)器中的強烈攪拌），反應(yīng)器中各點濃度相等不隨時間變化。點濃度相等不隨時間變化。

10、 特點：特點：各物料微元在反應(yīng)器的停留時間不相同各物料微元在反應(yīng)器的停留時間不相同物料充分混合，返混最嚴重物料充分混合，返混最嚴重反應(yīng)器中各點物料組成和溫度相同，不隨時間反應(yīng)器中各點物料組成和溫度相同，不隨時間變化變化連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 l非理想混合流反應(yīng)器非理想混合流反應(yīng)器 實際反應(yīng)器，主要是由于工業(yè)生產(chǎn)中在反應(yīng)器實際反應(yīng)器，主要是由于工業(yè)生產(chǎn)中在反應(yīng)器中的死角、溝流、旁路、短路及不均勻的速度分中的死角、溝流、旁路、短路及不均勻的速度分布使物料流動型態(tài)偏離理想流動布使物料流動型態(tài)偏離理想流動 均相反應(yīng)動力學均相反應(yīng)動力學 等溫恒容單一反應(yīng)等溫恒容單一反應(yīng) 復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)

11、平行反應(yīng)平行反應(yīng) 連串反應(yīng)連串反應(yīng) 等溫變?nèi)葸^程等溫變?nèi)葸^程 反應(yīng)器計算的基本原理反應(yīng)器計算的基本原理 反應(yīng)器應(yīng)當滿足的條件：1.反應(yīng)器的容積，滿足生產(chǎn)能力2.傳熱面積，為保證傳熱效率 3.物料均勻混合理想反應(yīng)器的設(shè)計理想反應(yīng)器的設(shè)計 物料衡算物料衡算 單位時間內(nèi) 組分A的流入量單位時間內(nèi)組分A的反應(yīng)量單位時間內(nèi)組分A的流出量單位時間內(nèi)組分A的累積量=+q簡寫為：簡寫為：A入入 = A出出 + A反反 + A積積 1.間歇操作：間歇操作：A入入 = A出出 = 0 A反反 = - A積積2.連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作：連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作：A積積 = 0 A入入 = A出出 + A反反 連續(xù)非穩(wěn)態(tài)操作：連續(xù)非穩(wěn)態(tài)操

12、作：A積積 0 A入入 = A出出 + A反反 + A積積3.3.半連續(xù)操作：半連續(xù)操作： A積積 0 A入入 = A出出 + A反反 + A積積 熱量衡算 反應(yīng)物代入微元體積熱量 反應(yīng)物從微元體積代出的熱量 微元體積內(nèi)積累的熱 量 微元體積內(nèi)由于化學反應(yīng)而消耗的熱量 =+由傳熱面?zhèn)魅胛⒃w積的熱量 +q簡寫為：簡寫為：q入入 + q傳傳 = q出出 + q反反 + q積積 1.間歇操作：間歇操作：q入入 = q出出 = 0 q傳傳 = q反反 + q積積 2.連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作：連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作：q積積 = 0 q入入 +q傳傳 = q反反 + q出出 連續(xù)非穩(wěn)態(tài)操作：連續(xù)非穩(wěn)態(tài)操作： q積積 0 q

13、入入 +q傳傳 = q出出 + q反反 + q積積3. 半連續(xù)操作：半連續(xù)操作： q入入 + q傳傳 = q出出 + q反反 + q積積 對間歇聚合反應(yīng)器來說，在整個過程中，對間歇聚合反應(yīng)器來說，在整個過程中，放熱是不均勻的，故在計算傳熱面積時應(yīng)當放熱是不均勻的，故在計算傳熱面積時應(yīng)當以最大熱負荷作為依據(jù)。以最大熱負荷作為依據(jù)。 1.通過實驗確定。把整反應(yīng)分成多個階段進行通過實驗確定。把整反應(yīng)分成多個階段進行熱量計算，作出整過程的放熱曲線，這樣即熱量計算，作出整過程的放熱曲線，這樣即可確定最大熱負荷可確定最大熱負荷 2.根據(jù)生產(chǎn)實際情況和經(jīng)驗，選定根據(jù)生產(chǎn)實際情況和經(jīng)驗，選定Qmax與平均與平

14、均熱負荷之比熱負荷之比 理想混合流反應(yīng)器： 反應(yīng)器內(nèi)各點物料的組成和溫度完全一致，故可以對整個反應(yīng)器列出物料恒算與熱量恒算式； 平推流反應(yīng)器： 物料的溫度和組成等參數(shù)隨反應(yīng)器的位置而變，故只能對微元反應(yīng)器體積列出物料恒算和熱量恒算式。 4 最優(yōu)操作時間1 物料衡算第三節(jié) 理想反應(yīng)器的設(shè)計2 熱量衡算3 反應(yīng)容積的計算反應(yīng)器應(yīng)當滿足的條件：1.反應(yīng)器的容積，滿足生產(chǎn)能力2.傳熱面積，為保證傳熱效率 3.物料均勻混合 一、一、反應(yīng)器計算的基本原理反應(yīng)器計算的基本原理 反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容1）根據(jù)化學反應(yīng)的動力學特性來選擇合適的反應(yīng)器形式；）根據(jù)化學反應(yīng)的動力學特性來選擇合適的反

15、應(yīng)器形式；2）結(jié)合動力學和反應(yīng)器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化）結(jié)合動力學和反應(yīng)器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化 的操作設(shè)計；的操作設(shè)計；3）根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應(yīng)裝置進行設(shè)計計算，確定反應(yīng)器）根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應(yīng)裝置進行設(shè)計計算，確定反應(yīng)器 的幾何尺寸并進行某些經(jīng)濟評價。的幾何尺寸并進行某些經(jīng)濟評價。（無返混）（無返混）（返混程度最大）（返混程度最大）理想反應(yīng)器理想反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器 （完全混合）（完全混合） 平推流平推流反應(yīng)器反應(yīng)器（無（無返混返混）間歇式完全混合間歇式完全混合連續(xù)式完全混合連續(xù)式完全混合 返返 混混：不同停留時間的粒子間的混合不同停留時間的粒子間的混合 平推

16、流平推流：反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進行移動，反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進行移動， 所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。3.返混 1）返混指流動反應(yīng)器內(nèi)不同年齡質(zhì)點間的混合。在間歇反應(yīng)器中，物料同時進入反應(yīng)器，質(zhì)點的年齡都相同，所以沒有返混。在流動反應(yīng)器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年齡的質(zhì)點混合在一起，所以有返混。 2）返混的原因（1）機械攪拌引起物料質(zhì)點的運動方向和主體流動方向相反，不同年齡的質(zhì)點混合在一起；（2）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)造成物料流速不均勻，例如 死角、分布器等。 造成返混的各種因素統(tǒng)稱為工程因素。 在流動反應(yīng)器中，不可避免的存在

17、工程因素，而且?guī)в须S機性。 在流動反應(yīng)器中都存在著返混，只是返混程度有所不同而已。物料衡算方程。針對任一反應(yīng)單元，在任一時間段內(nèi)：某組分累積量某組分累積量= =某組分流入量某組分流出量某組分反應(yīng)消耗量某組分流入量某組分流出量某組分反應(yīng)消耗量反應(yīng)消耗累積流入流入流出流出反應(yīng)單元反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇式間歇式整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長度微元長度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)帶入的熱焓帶入的熱焓= =帶出的熱焓帶出的熱焓+ +反應(yīng)熱反應(yīng)熱+ +熱量的累積熱量的累積+ +傳給環(huán)境的熱量傳給環(huán)境的熱量反應(yīng)熱累積帶入帶入

18、帶出帶出反應(yīng)單元反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶出量反應(yīng)熱累積量間歇式間歇式整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長度微元長度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個反應(yīng)器整個反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)傳給環(huán)境傳給環(huán)境能量衡算方程：針對任一反應(yīng)單元，在任一時間段內(nèi) 對間歇聚合反應(yīng)器來說，在整個過程中，對間歇聚合反應(yīng)器來說，在整個過程中，放熱是不均勻的，故在計算傳熱面積時應(yīng)放熱是不均勻的，故在計算傳熱面積時應(yīng)當以最大熱負荷作為依據(jù)。當以最大熱負荷作為依據(jù)。 1.1.通過實驗確定。把整反應(yīng)分成多個階段通過實驗確定。把整反應(yīng)分成多個階段進行熱量計算，作出整過程的放熱曲線，進行熱量計算，作出整過程的放熱曲

19、線，這樣即可確定最大熱負荷這樣即可確定最大熱負荷 2.2.根據(jù)生產(chǎn)實際情況和經(jīng)驗，選定根據(jù)生產(chǎn)實際情況和經(jīng)驗，選定Q Qmaxmax與平與平均熱負荷之比均熱負荷之比 二、二、 間歇式反應(yīng)器間歇式反應(yīng)器間歇反應(yīng)器的特征特點:1.1.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；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； 2.2.具有足夠強的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內(nèi)的熱量傳具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；遞問題； 3. 3.

20、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。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。優(yōu)點： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn) 精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定l步驟（恒溫、恒容）步驟（恒溫、恒容） 1. 由反應(yīng)器操作特點，寫出物料衡算式；由反應(yīng)器操作特點，寫出物料衡算式； 2.由物料衡算式和化學動力學方程式計算反應(yīng)所由物料衡算式和化學動力學方程式計算反應(yīng)所需時間需時間反反； 3.由輔助生產(chǎn)時間

21、由輔助生產(chǎn)時間輔輔和和反反，計算生產(chǎn)周期，計算生產(chǎn)周期 生生= 反反+ 輔輔4.由及每小時處理的物料量由及每小時處理的物料量0，求出反應(yīng)器的有效，求出反應(yīng)器的有效體積體積VR= 0 生生5.5.由反應(yīng)器裝料系數(shù)由反應(yīng)器裝料系數(shù)求出反應(yīng)器實際體積求出反應(yīng)器實際體積 V = VR / 對于間歇釜式反應(yīng)器：對于間歇釜式反應(yīng)器： 假設(shè)釜的有效反應(yīng)容積為假設(shè)釜的有效反應(yīng)容積為VR ，單位時間內(nèi)反應(yīng)掉的，單位時間內(nèi)反應(yīng)掉的A量量為：為： RAVr )(積累積累 dtdnA1 物料衡算物料衡算單位時間單位時間輸入的物輸入的物料料A量量 單位時間單位時間輸出的物輸出的物料料A量量 單位時間單位時間內(nèi)反應(yīng)掉內(nèi)反

22、應(yīng)掉的的A量量 A在反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)積累器內(nèi)積累速率速率_=dtcVdAR輸入輸入=輸出輸出=0dtcVdVrARRAAARncVdtcVdARdtdxVnrARAA0積分得：積分得：AxARAArVdxn00 間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程AAxn10dtdxnAA0AxAAArdxc00AAccAArdc0RAVr2 熱量衡算熱量衡算 單位時間單位時間內(nèi)輸入的內(nèi)輸入的熱量熱量單位時間單位時間內(nèi)輸出的內(nèi)輸出的熱量熱量單位時間單位時間的反應(yīng)熱的反應(yīng)熱單位時間單位時間內(nèi)累積的內(nèi)累積的熱量熱量_= 輸入熱量輸入熱量TTUAm輸出的熱量輸出的熱量=0單位時間的反應(yīng)熱單位時間的

23、反應(yīng)熱 rRAHVr對于間歇式反應(yīng)器：對于間歇式反應(yīng)器：對于恒容過程對于恒容過程 ：TTUAHVrdtdTVcmrRARv積累積累 dtTVcdRv dtTVcdVrHTTUARvRArmTTVcUAcHrdtdTmRvvrATTVcUAdtdxccHmRvAvAr0變溫操作熱衡算式，操作方程變溫操作熱衡算式，操作方程3 反應(yīng)容積的計算反應(yīng)容積的計算00ttVVR：反應(yīng)時間：反應(yīng)時間t：輔助時間：輔助時間0t0V：輔助時間單位時間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積：輔助時間單位時間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積 實際反應(yīng)器的體積實際反應(yīng)器的體積RVV 裝填系數(shù)，裝填系數(shù)，0.4-0.85 。一般由實驗確定，也可根

24、據(jù)反應(yīng)。一般由實驗確定，也可根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)不同而選擇。物料的性質(zhì)不同而選擇。 對于對于沸騰或起泡沫沸騰或起泡沫的液體物料，可取的液體物料，可取0.4-0.6 對于對于不起泡或不沸騰不起泡或不沸騰的液體，可取的液體，可取0.7-0.85:圖解積分示意圖圖解積分示意圖t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0AAAfCCAAxAAArdCrdxCt000間歇反應(yīng)器的數(shù)學描述間歇反應(yīng)器的數(shù)學描述一級不可逆反應(yīng)一級不可逆反應(yīng)實際操作時間=反應(yīng)時間(t) + 輔助時間 (t)反應(yīng)體積VR是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積 VR=V(t+t)據(jù)此關(guān)系式，可以進行反應(yīng)器體積的設(shè)計計算FP為

25、單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量Cf為反應(yīng)終了時的產(chǎn)物濃度AArkC0lnAACktC0AACACAdCtkC0ktAACC e1ktAxe ln(1)Aktx PfP0RC VFtt反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n1AArkCArk2AArkCAnArkC0AACktlnC0AAktCC0AAktCx0ktAACC e1ktAxe 11Aktlnx011AAktCC011AAAxktCx0AACCkt0AAktxC001AAACCC kt001AAAktxCC kt1101()1nnAAktCCn11011 (1)nnAAxktnC ）（ 理想間歇反應(yīng)器中整級數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表

26、達式理想間歇反應(yīng)器中整級數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達式k k增大增大( (溫度升高）溫度升高）t t減少減少反應(yīng)體積減小反應(yīng)體積減小討論：間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)討論：間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)2.反應(yīng)濃度的影響反應(yīng)濃度的影響1. k的影響的影響零級反應(yīng)：零級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0正比正比一級反應(yīng)：一級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0無關(guān)無關(guān)二級反應(yīng)：二級反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0反比反比3. 殘余濃度殘余濃度零級反應(yīng)：殘余濃度隨零級反應(yīng)：殘余濃度隨t t直線下降直線下降一級反應(yīng)：殘余濃度隨一級反應(yīng)：殘余濃度隨t t逐漸下降逐漸下降二級反應(yīng)：殘余濃度隨二級反應(yīng)：殘

27、余濃度隨t t慢慢下降慢慢下降反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機理的變化C0tdcdtCn=1n=2n=0tangent)curve( the of gradientdtdc-rReaction rate r:tangent 例1以以醋酸醋酸（A）和正丁醇（）和正丁醇（B）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯（）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯（C），），操作溫度為操作溫度為100，每批進料，每批進料1kmol的的A和和4.96kmol的的B。已知反應(yīng)速率。已知反應(yīng)速率試求醋酸轉(zhuǎn)化率試求醋酸轉(zhuǎn)化率xA分別為分別為0.5、0.9、0.99時所需反應(yīng)時間。醋酸的密度時所需反應(yīng)時間。醋酸的密度1.049；正丁醇

28、相對密度正丁醇相對密度0.8109解：解：CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OA的初始濃度計算：的初始濃度計算：可求出，投料總體積為可求出，投料總體積為0.559m3231.045/()AArC kmolm h醋 酸 A1kmol60kg0.062m3正丁醇 B4.96kmol368kg0.496m330002001.79/1()1AfAAxAfAAAAAfnckmolmVxdxtckckcx90.5354.8152.9ththth 例題例題2 某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸和己二醇以等摩爾比在某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸和己二醇以等摩爾比在70用間隙釜并以用間

29、隙釜并以H2SO4作催化劑進行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實驗作催化劑進行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實驗測得反應(yīng)的動力學方程式為：測得反應(yīng)的動力學方程式為： (-rA)=kCA2 kmol/(L min) k=1.97 L/(kmol min) CA0=0.004kmol/L 求己二酸轉(zhuǎn)化率分別為求己二酸轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5、0.6、0.8、0.9所需的反應(yīng)時間為所需的反應(yīng)時間為多少？多少？ 若每天處理若每天處理2400kg己二酸，轉(zhuǎn)化率為己二酸，轉(zhuǎn)化率為80%，每批操作的非生產(chǎn)時，每批操作的非生產(chǎn)時間為間為1hr，計算反應(yīng)器體積為多少？設(shè)反應(yīng)器的裝料系數(shù)為，計算反應(yīng)器體積為多少？設(shè)反應(yīng)器的裝料系數(shù)為0.7

30、5。 解：（1）達到所需要求的轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間為： AAAAAxAAxAAAxAAAxAAAAxAAAxxkCxkCxkCxxdkCxdxkCxkCdxCrdxCtAAAAA111111111111111)(000002002)0220000 hxxkCtxhxxkCtxhxxkCtxhxxkCtxAAAAAAAAAAAAAAAA0 .196019 . 01004. 09 . 097. 1111, 5 . 050. 86018 . 01004. 08 . 097. 1111, 8 . 018. 36016 . 01004. 06 . 097. 1111, 6 . 010. 26015 .

31、01004. 05 . 097. 1111, 5 . 00000可見隨著轉(zhuǎn)化率的增加，所需的反應(yīng)時間將急劇增加，可見隨著轉(zhuǎn)化率的增加，所需的反應(yīng)時間將急劇增加，因此，在確定最終轉(zhuǎn)化率時應(yīng)該考慮這一因素。因此，在確定最終轉(zhuǎn)化率時應(yīng)該考慮這一因素。 （2）反應(yīng)器體積的計算： 最終轉(zhuǎn)化率為0.80時，每批所需的反應(yīng)時間為8.50h， 每小時己二酸進料量 每批生產(chǎn)總時間=反應(yīng)時間+非生產(chǎn)時間=9.5h 反應(yīng)器體積VR=0t總=1719.5=1630 L=1.63m3 考慮裝料系數(shù)，故實際反應(yīng)器體積 hkmol /684. 0146242400hLCFAA171004. 0684. 0000317. 2

32、75. 063. 1mV實例例 3 用間歇反應(yīng)器進行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生用間歇反應(yīng)器進行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生 產(chǎn)乙酸乙酯產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應(yīng)式為：，其化學反應(yīng)式為：OHHCCOOHCH523原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35, 反應(yīng)液的反應(yīng)液的密度為密度為1020kg/m3, 并假定在反應(yīng)過程中不變，每批裝并假定在反應(yīng)過程中不變，每批裝料，卸料及清洗等輔助操作時間為料，卸料及清洗等輔助操作時間為1h，反應(yīng)在，反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下：下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下：KcccckrSRBAA1OHHCOO

33、CCH252312kk100時時： min/1076. 441mollk平衡常數(shù)平衡常數(shù)K=2.92，試計算乙酸轉(zhuǎn)化，試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應(yīng)時所需的反應(yīng)體積，根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)是體積，根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)是0.75，則反應(yīng)器的實際體積是多少？，則反應(yīng)器的實際體積是多少？分析：分析：RVV求求RV求求V00ttVVR0t已知已知求求0V和和t0Vt設(shè)計方程設(shè)計方程已知已知間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間ttt00t一定一定最優(yōu)t目標函數(shù)目標函數(shù)增大增大減小減小tArRr減小減小1.1.以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標

34、反應(yīng)反應(yīng) RA，反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物R R的濃度為的濃度為，單位時間單位時間Rc的產(chǎn)品產(chǎn)量為：的產(chǎn)品產(chǎn)量為：hmolttVcyRRR/0200ttcdtdcttVdtdyRRRR00ttcdtdcRR單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件 00RRcttdtdc求法求法圖解法圖解法數(shù)值法數(shù)值法a)a) 圖解法圖解法McRt0tAt0b)b) 數(shù)值法數(shù)值法 tFcRdtdcR tf 00tttftF用直接迭代法或牛頓用直接迭代法或牛頓- -拉夫森法求得滿足上述關(guān)系的拉夫森法求得滿足上述關(guān)系的t t值值 dttdF tf0ttcR0tt Rc tF2.2.以生產(chǎn)費用最

35、低為目標以生產(chǎn)費用最低為目標RRRFTMCVataatA000a：輔助操作費用輔助操作費用a：單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費用單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費用Fa：固定費用固定費用TA：單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費用：單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費用dtdATaatatcdtdcFRR00生產(chǎn)費用最小所必須滿足的條件生產(chǎn)費用最小所必須滿足的條件2001RRFRRRcdtdcataatacVM0三、平推流反應(yīng)器三、平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器的特征：平推流反應(yīng)器的特征： 在與流動方向是垂直的截面上沒有流速分在與流動方向是垂直的截面上沒有流速分布，即徑向混合均勻布，即徑向混合均勻在流體流動的方向不存在流體質(zhì)點間的混在流體流動的方向不存在流體質(zhì)

36、點間的混合，即軸向不返混合，即軸向不返混ludltt0對于恒容反應(yīng)：對于恒容反應(yīng)：0vu （液相）（液相）0vvttR平均停留時間反應(yīng)時間和空時是一致的平均停留時間反應(yīng)時間和空時是一致的Rvvdv0對于氣相反應(yīng)，恒溫，恒壓：對于氣相反應(yīng)，恒溫，恒壓：RvAAAFxFdvRTPtt000對于氣相變溫，變壓：對于氣相變溫，變壓：RvAAAFxFTPdvRtt0001此時，空時和停留時間是不相等的。此時，空時和停留時間是不相等的。1 1 物料衡算物料衡算輸入：輸入： lAlAvcF輸出：輸出： llAF積累積累=0=0A A的反應(yīng)量：的反應(yīng)量：vrA0llll0AF0vAFAAdFF 0vrFFAl

37、lAlAvrFFAlAllAdvrdFAAAAAxFF10dvrdxFAAA0分離變量積分分離變量積分 :RvAFdv0000ARcvv0ARFv0AcAxAArdx0即：AxAAArdxc00平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程對于恒容過程有：對于恒容過程有：01AAAccx0AAAcdcdx代入設(shè)計方程：代入設(shè)計方程：00AARcFvAxAArdx0AAccAAArdcc001或： tAxAAArdxc00AAccAArdc0 可見，恒容時平推流反應(yīng)器與分批式完全混合可見，恒容時平推流反應(yīng)器與分批式完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程一致反應(yīng)器的設(shè)計方程一致例：例： 在平推流反應(yīng)器中，于在平推

38、流反應(yīng)器中，于923K923K等溫下進行丁烯脫等溫下進行丁烯脫氫反應(yīng)以生產(chǎn)丁二烯：氫反應(yīng)以生產(chǎn)丁二烯：)()()(26484CHBHCAHC反應(yīng)速率方程為：反應(yīng)速率方程為：hmkmolkPrAA3/原料氣為丁烯與水蒸氣的混合氣，丁烯的摩爾分原料氣為丁烯與水蒸氣的混合氣，丁烯的摩爾分數(shù)為數(shù)為10%,10%,操作壓力為操作壓力為Pa510)/(10079. 134Pahmkmolk求丁烯的轉(zhuǎn)化率達求丁烯的轉(zhuǎn)化率達35%35%時，時間為多少？時，時間為多少？分析：分析：求求AxAAArdxC00AAkpr pA用用xA表示表示是否為恒容是否為恒容將速率方程代入設(shè)計方程，得：將速率方程代入設(shè)計方程，得

39、： AxAAArdxc00解：解：AxAAAkPdxc00由理想氣體方程：由理想氣體方程：RTcPAA而丁烯脫氫反應(yīng)為變?nèi)葸^程，由計量關(guān)系知：而丁烯脫氫反應(yīng)為變?nèi)葸^程，由計量關(guān)系知：AiAAAAAAAxyxcc0011111AAAxxc1 . 0110AAAdxxkRTx35. 0011 . 01s933. 1h41037. 535. 01 . 035. 01ln1 . 129310314. 810079. 1134AAxxkRT1 . 01ln1 . 11AAdxxkRT35. 001 . 011 . 11AAAdxxxkRT35. 0011 . 011四、四、 理想混合反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器

40、1 1 、物料衡算、物料衡算輸入輸入= =00Acv輸出輸出 = =Acv0積累積累 = 0= 0 A A的反應(yīng)量的反應(yīng)量 = =RAVr0)(000RAAAVrcvcvRAAAVrcvcv000AAARrccvV00AAARrxcvV00 全混流反應(yīng)器的設(shè)計方程全混流反應(yīng)器的設(shè)計方程進料的體積流量反應(yīng)器的有效容積AAArxcv000vvRAAArxc0定義空時定義空時代表代表反應(yīng)器處理物料的能力反應(yīng)器處理物料的能力變小，處理能力變大變小，處理能力變大對于對于均相反應(yīng)均相反應(yīng)：空時空時空速空速1（體積空速）（體積空速） 對于對于非均相反應(yīng)非均相反應(yīng)，常以催化劑質(zhì)量多少表示反應(yīng)器的體積，常以催化

41、劑質(zhì)量多少表示反應(yīng)器的體積空速空速:單位反應(yīng)體積，單位時間內(nèi)所處理的物料量單位反應(yīng)體積，單位時間內(nèi)所處理的物料量2 2 、反應(yīng)器中其他時間表示方法、反應(yīng)器中其他時間表示方法 反應(yīng)物料進入反應(yīng)器后，從實際發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)物料進入反應(yīng)器后，從實際發(fā)生反應(yīng)的 時刻起到反應(yīng)達某一程度的時間。時刻起到反應(yīng)達某一程度的時間。指反應(yīng)物粒子從進入到離開反應(yīng)器的時間指反應(yīng)物粒子從進入到離開反應(yīng)器的時間對于對于間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器和和平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器，反應(yīng)時間和停留時間相同反應(yīng)時間和停留時間相同對于對于全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器，由于可能有短路，死區(qū)和循環(huán)流，物料，由于可能有短路，死區(qū)和循環(huán)流，物料在器內(nèi)停留

42、時間不同，具有停留時間的分布，此時常用平均在器內(nèi)停留時間不同，具有停留時間的分布，此時常用平均停留時間來表征。停留時間來表征。1）反應(yīng)時間反應(yīng)時間：2）停留時間）停留時間：反應(yīng)器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速反應(yīng)器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速之比。之比。 vVtR3）平均停留時間與）平均停留時間與空時空時t和和含義不同含義不同:非恒容過程，非恒容過程，兩者不同。兩者不同。平均停留時間平均停留時間：0vv 恒容過程恒容過程兩者是一致的兩者是一致的3 3 設(shè)計方程的應(yīng)用設(shè)計方程的應(yīng)用0vVR已知已知-rA，可求得不同空時下的組成，可求得不同空時下的組成例例: 對于一級不可逆串聯(lián)反應(yīng)對于一級不可逆

43、串聯(lián)反應(yīng)： SPAkk21求求maxpcAAArcc0AAArxc0AAckr1pApckckr21psckr2對于組分對于組分A有：有：0vvR對于組分對于組分P 有：有：ppprcc0AAArcc0AAAckcc101011kccAApprcpApckckc21pApckckc21211011kkkccAp由于由于 :pAAscccc021221011kkkkccAspAckkck210110ddcp可得可得 maxpc時：時：211kk此時：此時：221120max1kkccAp4 間歇反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的比較間歇反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的比較Ar1cAAccAArdc0BAAc0Ac對于

44、間歇反應(yīng)器，不考慮輔助操作時間時，其有效容積：對于間歇反應(yīng)器，不考慮輔助操作時間時，其有效容積：tQVB0全混流反應(yīng)器，有效容積：全混流反應(yīng)器，有效容積：0vVR當當00vQ 時時:tVVRB 即間歇反應(yīng)器的容積與所需全混流反應(yīng)器的容積之比即間歇反應(yīng)器的容積與所需全混流反應(yīng)器的容積之比等于相應(yīng)的等于相應(yīng)的反應(yīng)時間和空時反應(yīng)時間和空時之比。之比。令令:RBVVt-全混流反應(yīng)器的容積系數(shù)全混流反應(yīng)器的容積系數(shù)AAAccAArccrdctAB0即即: 設(shè)反應(yīng)級數(shù)為設(shè)反應(yīng)級數(shù)為nAxnAAAnAxdxxx011對于各種對于各種n值求解，結(jié)果列于下表中值求解，結(jié)果列于下表中: n -1 0 1 0.5

45、1 2 3AAxx15 . 01AAAxxx1125 . 0AAAxxx11ln1Ax121Ax表達式應(yīng)用結(jié)果計算出應(yīng)用結(jié)果計算出n值下值下隨隨Ax的變化，如圖的變化，如圖:1n0n23000.81.0Ax5 . 0五、五、 多級串聯(lián)理想混合反應(yīng)器多級串聯(lián)理想混合反應(yīng)器用于乙烯生產(chǎn)的管式裂解爐德國德國Parr全自動組合式化學反應(yīng)器全自動組合式化學反應(yīng)器-5000系列系列 Stirred Tank CascadeCA0CAfCAxposition321450CA*CA1CA2CA3CA4CA1CAiCAi-1CA2CAm理想反應(yīng)器的組合10121012102

46、21022()()RAAARAAAVCCVkf CVCCVkf C00()AAfRAfCCVVkf C12列管式催化反應(yīng)器列管式催化反應(yīng)器 30C 100C25 mm 25 000 tubesReactor feedCoolantCA0CA1CAfCA0CA1CAf1102211kAAfACeCCkk221011kkAfAAeCC eCk零級反應(yīng)，無論體積是否相等，也等效。12012()AfAACCkCk11012()AfAACCkCkVR1VR1VR2VR2V0V0但是，一般情況下，兩者不等效。iiAiAkCC11,01,VVkiAiAReCC平推流全混流kCVVkCCARAaAf212/1

47、000,(a)2020001,)1 ()1 (1kCVVkCVVkCCARARAaAf(b)反應(yīng)器體積相同，一級不可逆反應(yīng)keCVVkCCkARAcAf11001,(c)keCeCCkAVVkAdAfR101,0(d)kAVVkAeAfeCeCCR202/0,0(e)kAVVkAfAfeCeCCR201,02121020,kCeCCAkAgAf(g)(f)六、反應(yīng)器型式與操作方法六、反應(yīng)器型式與操作方法 的評比和選擇的評比和選擇化學反應(yīng)工程研究的目的是實現(xiàn)工業(yè)化學反應(yīng)過程的優(yōu)化。優(yōu)化：就是在一定范圍內(nèi)，選擇一組優(yōu)惠的決策變量，使過程系統(tǒng)對于確定的目標達到最優(yōu)狀態(tài)。過程的經(jīng)濟性主要受兩個因素所影

48、響，1)反應(yīng)器的大小，2)產(chǎn)物分布（選擇性、收率等）。對于單一反應(yīng)來說，其產(chǎn)物是確定的，沒有產(chǎn)物分布問題，因此，在反應(yīng)器設(shè)計中比較重要的因素是反應(yīng)器的大??；而對于復(fù)合反應(yīng)，首先要考慮產(chǎn)物分布，即優(yōu)先考慮目的產(chǎn)物的選擇性。 設(shè)有單一反應(yīng)AP在等溫下進行，其反應(yīng)級數(shù)n0，如在間歇釜中進行，其平均處理物料量為FA0，不計其輔助時間。則有： BR： PFR: CSTR: N-CSTRAxAAABABrdxCtFV000AxAAAPAPrdxCFV000AAAcAVrxCFV000NiifAAiAiANANrxCCFV10001 單一反應(yīng)單一反應(yīng)反應(yīng)器形式的比較反應(yīng)器形式的比較 （1） ，對于一切n0的

49、不可逆等溫反應(yīng)。平推流，串聯(lián)全混流的容積小。呈單調(diào)上升和AAr1(2)1/（-rA）隨XA的增大而單調(diào)下降，對于一切n0的不可逆等溫反應(yīng)，全混流為佳。2022-3-16125（3）1/（-rA）對xA的曲線上線存在著極小值，自催化絕熱操作的放熱反應(yīng)，當xA小于最小的1/（-rA）值的xAM時，全混流最佳；若xA0大于xAM，則具有（1)的特性，平推流或串聯(lián)全混流；當xA0 xAM而xAxAM時，全混流串平推流最佳，循環(huán)操作的平推流次之；平推流反應(yīng)器；全混流最差。2.最優(yōu)操作溫度的選定不可逆反應(yīng)，盡可能提高溫度?？赡嫖鼰岱磻?yīng)，盡可能提高溫度。可逆放熱反應(yīng)，存在最優(yōu)的操作溫度。對于一級可逆反應(yīng)，原

50、料為純物質(zhì)A，恒容。)1(0KkCrAAAA其中exp0kTEkk)11(exp00TTkHKKr（1）等溫操作的最優(yōu)溫度)1 (000KCCCkrAARAAA代入平推流設(shè)計方程xrdvCVAAAA000)11 ()()(ln)11 (000000AARARAKCKCCKCCKkvV)1 (exp1)1 (0000KvKkvKCCKCARAA若固定V和v0，則xA為K和k的函數(shù)，對于給定=V/v0，可選定使xA，max時最大的操作溫度。（2）變溫操作的最優(yōu)溫度分布對于可逆放熱反應(yīng)，存在使反應(yīng)速率最大的反應(yīng)溫度，ToptRA )()1 (000AARAAACCkkCr對-rA對T求導)()1 (

51、ln)(002001012AARAAoptCCEkCEkREET)()1 (ln)(0000012AARAAeCCkCkREET1212ln)11(EEEERTTeopt 平行反應(yīng) - 一個反應(yīng)物一個反應(yīng)物1. 1. 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)nRTEAACekr/0AL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12提高溫度對活化能高的反應(yīng)有利提高溫度對活化能高的反應(yīng)有利降低溫度對活化能低的反應(yīng)有利降低溫度對活化能低的反應(yīng)有利若若E E1 1EE2 2, , 則在較高溫度下進行則在較高溫度下進行若若E E1 1Enn2 2, , 較高反應(yīng)物濃度較高反應(yīng)物濃度對主反應(yīng)有利對主反應(yīng)有利若若n n1 1nn2, m1m2CA,

52、CB 都高都高n1n2, m1m2CA高高, CB低低n1n2, m1n2, m1m2CA, CB 都高都高n1n2, m1n2, m1EE2 2, , 則在較高溫度下進行則在較高溫度下進行若若E E1 1Enn2 2, , 增加初濃度增加初濃度C CA0A0若若n n1 1nn2 2, , 降低初濃度降低初濃度C CA0A0若若n n1 1=n=n2 2, , 初濃度的變化對選擇性無影響初濃度的變化對選擇性無影響3. 轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率CL/CA隨隨xA的增大而增大的增大而增大L的瞬時選擇性下降的瞬時選擇性下降轉(zhuǎn)化率過高，選擇性降低轉(zhuǎn)化率過高，選擇性降低工業(yè)上分離再循環(huán)工業(yè)上分離再循環(huán)連串反應(yīng)的最

53、佳反應(yīng)時間與最大收率連串反應(yīng)的最佳反應(yīng)時間與最大收率)()(210121tktkALeeCkkkC間歇反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器1212)/ln(kkkktopt最佳反應(yīng)時間最佳反應(yīng)時間0dtdCL最大出口濃度最大出口濃度最大收率最大收率122)()(210maxkkkALfkkCC122)(21maxkkkkkY(*)一級不可逆連串反應(yīng)，不論采用哪一種反應(yīng)器，主產(chǎn)物最大收率與反應(yīng)一級不可逆連串反應(yīng)，不論采用哪一種反應(yīng)器，主產(chǎn)物最大收率與反應(yīng)物初濃度無關(guān)，只與物初濃度無關(guān)，只與k k2 2/k/k1 1的比值有關(guān)。的比值有關(guān)。)1)(1 (2110mmmALfkkkCC全混流反應(yīng)器211)(kkop

54、tm最佳反應(yīng)時間最佳反應(yīng)時間0dtdCL最大出口濃度最大出口濃度最大收率最大收率2210max)1 ()(kkCCALf(*)221max)1 (1kkY(*)(a) 平推流平推流 (b) 全混流全混流1. xA,k2/k1相同時，相同時，BSTR和和PFR比比CSTR好好2. k2/k11, 高轉(zhuǎn)化率下操作高轉(zhuǎn)化率下操作結(jié)論： 1. 對于單一反應(yīng)，反應(yīng)器選擇主要 考慮容積效率的大小。 2. 對于復(fù)雜反應(yīng)，主要考慮產(chǎn)物的分布，提高產(chǎn)物的收率。 3. 穩(wěn)定對復(fù)雜反應(yīng)的產(chǎn)物分布有重大影響。兩個概念兩個概念 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指對系統(tǒng)外加一個干擾，使過程失去平衡，當外擾消失后，若過程有能力回復(fù)到原來的狀

55、態(tài)，則過程具有穩(wěn)定性，否則是不穩(wěn)定。 反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性是指當反應(yīng)過程的放熱或除熱速率發(fā)生變化時，過程的溫度等因素特產(chǎn)生一系列的波動，當外擾消除后，過程能恢復(fù)到原來的操作狀態(tài)，則反應(yīng)器具有熱穩(wěn)定性，或具有自衡能力，否則為熱不穩(wěn)定的或無自衡能力。 第四節(jié)、全混流反應(yīng)器的熱衡算與熱穩(wěn)定性第四節(jié)、全混流反應(yīng)器的熱衡算與熱穩(wěn)定性 熱穩(wěn)定性條件與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)因素和操作因素有關(guān)，必須在反應(yīng)器設(shè)計時予以認真考慮，否則會使所設(shè)計的反應(yīng)器不能正常操作，導至溫度失控(飛溫)，造成沖料、爆炸等事故。如聚合過程中的暴聚，特別對于那些放熱量大，初始反應(yīng)物濃度高、反應(yīng)速度快的反應(yīng)過程，更應(yīng)充分注意熱穩(wěn)定性問

56、題。1）熱衡算）熱衡算輸入輸入 = TTUATcvmp00輸出輸出 = Tcvp0積累積累 = 0反應(yīng)熱反應(yīng)熱 = rRAHVr0000rRApmpHVrTcvTTUATcvrRAmpHVrTTUATTcv00絕熱時：絕熱時： rRApHVrTTcv00 全混流反應(yīng)器的操作方程全混流反應(yīng)器的操作方程prRAcvHVrTT00AAArxc0prRAAcvHVxcTT000prAAcHxc0與設(shè)計方程聯(lián)立可求出反應(yīng)溫度與設(shè)計方程聯(lián)立可求出反應(yīng)溫度與間歇釜式反應(yīng)器對比，反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)時間的關(guān)系與間歇釜式反應(yīng)器對比，反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)時間的關(guān)系)()(000AAvArxxccHTT反應(yīng)器的

57、熱量衡算式為：反應(yīng)器的熱量衡算式為： rRAmpHVrTTUATTcv00pmpprRAcvUATTcvUATcvHVr00001令：令： 0ARrrprVHQvc2）全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性分析）全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性分析反應(yīng)器內(nèi)的放熱速率反應(yīng)器內(nèi)的放熱速率令：令：PrcHpcvUA0則上式變?yōu)椋簞t上式變?yōu)椋簉AQr01cmQTTT當定態(tài)操作時：當定態(tài)操作時： crQQ0001mcppUATUAQTTvcvc散熱速率散熱速率以一級不可逆反應(yīng)為例，對于一級不可逆反應(yīng)，有：以一級不可逆反應(yīng)為例，對于一級不可逆反應(yīng)，有：AAAxcRTEkr1exp00由反應(yīng)器的設(shè)計方程得：由反應(yīng)器的設(shè)計方程得：kk

58、xA1kxA111RTEkRTEkcQrAexp1exp000rQ對對 T 作圖為作圖為S型曲線，如圖型曲線，如圖: rQT0()/rrApQH cc 下降v0增大分析分析、 v0 、CA0、與曲線形狀的關(guān)系、與曲線形狀的關(guān)系由由01cmQTTT知知， cQT曲線為一直線曲線為一直線 直線的斜率直線的斜率 ：1截距：截距： mTT0cQT分析料液的分析料液的起始溫度與曲線形狀的關(guān)系起始溫度與曲線形狀的關(guān)系： mTT0增大，直線右移，斜率不變。增大，直線右移，斜率不變。cQT0T提高提高冷卻介質(zhì)的溫度冷卻介質(zhì)的溫度： mTT0增大，直線右移，斜率不變。增大，直線右移，斜率不變。cQT分析分析進料

59、流率對散熱線的影響進料流率對散熱線的影響： cQT0v45絕熱，絕熱，0v0=0或或A=Tm若為絕熱反應(yīng)，則由熱量衡算式知：若為絕熱反應(yīng)，則由熱量衡算式知：PrAAcHxcTT000cQTT在常態(tài)下應(yīng)滿足：在常態(tài)下應(yīng)滿足： rcQQ 將將cQT和和TQr同時標繪在一張圖上：同時標繪在一張圖上：rQTcQrQET4TDTBT3TAT432多重定態(tài)：多重定態(tài)： 滿足熱平衡條件的狀態(tài)滿足熱平衡條件的狀態(tài)穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)： 當有微小擾動時，具有自衡能力的定態(tài)。當有微小擾動時，具有自衡能力的定態(tài)。多重定態(tài)現(xiàn)象的存在可能使操作條件連續(xù)變化的反應(yīng)器多重定態(tài)現(xiàn)象的存在可能使操作條件連續(xù)變化的反應(yīng)器的操作狀態(tài)發(fā)生突變

60、的操作狀態(tài)發(fā)生突變A B C D E126357489TGQrQ0T增大TaTbTcTdTe0TTA BCE126D357489 當體系處于穩(wěn)態(tài)時，放熱速率與除熱速率應(yīng)相等，故 1r與Qc只有一個交點，交點分別為d和e，從交點處的斜率可見：表明除熱速率大于放熱速率。此時若體系溫度稍有升高，反應(yīng)速率隨之加快，放熱量增加，但由于QcQr，系統(tǒng)將被冷卻下來，放體系會回復(fù)到原操作狀態(tài)。而當反應(yīng)溫度稍有下降時，反應(yīng)速率隨之減慢，放熱量減少，但此時Qc的兩低比Q r快，所以體系又會回復(fù)到原操作狀態(tài)。由此可見，d、e二點均具有勢穩(wěn)定性，為熱穩(wěn)定操作點?？墒莇點由于溫度低，反應(yīng)速率饅，轉(zhuǎn)化率低，而e點由于溫度