化工第五章教案

1、化工第五章教案第1頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)*典型反應(yīng)器*第2頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二第一節(jié)概述一、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)：1.化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展概況： 遠(yuǎn)在古代，人們就開始利用化學(xué)反應(yīng)，如陶器的制作、酒與醋的釀造、金屬的冶煉以及煉丹、造紙等等，然而，這些生產(chǎn)過程直到上世紀(jì)五十年代還未形成一門獨(dú)立的學(xué)科，其原因是由于人類還沒有能夠從種類繁多、看起來似乎毫不相干而又變化多端的反應(yīng)過程中，認(rèn)清它們的共同規(guī)律。 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是二戰(zhàn)后石油化工的發(fā)展，對化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計產(chǎn)生了迫切要求，而化學(xué)動力學(xué)研究的進(jìn)展和化工單元操作方面的

2、理論和實踐經(jīng)驗的日趨成熟，才使這類問題的系統(tǒng)解決有了可能。第3頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展萌芽階段： 20 世紀(jì) 30 年代，丹克萊爾（ Damhhler ）在當(dāng)時實驗數(shù)據(jù)十分貧乏的情況下，較系統(tǒng)地論述了擴(kuò)散、流體流動和傳熱對反應(yīng)器產(chǎn)率的影響，為化學(xué)反應(yīng)工程奠定了基礎(chǔ)。 20 世紀(jì) 40 年代末 , - 霍根 (Hougen) 和華生 (Waston), 講述了動力學(xué)與催化過程。初步形成： 1957 年，歐洲幾個國家從事反應(yīng)工程這一領(lǐng)域研究工作的學(xué)者在荷蘭的阿姆斯特丹召開的一次學(xué)術(shù)會議上首次使用化學(xué)反應(yīng)工程一詞，這標(biāo)志著該學(xué)科的初步形成。第4頁，

3、共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展成熟階段： 60 年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)的日趨大型化和單機(jī)化，以及原料加工的不斷發(fā)展加速了反應(yīng)工程學(xué)科的發(fā)展使其進(jìn)入黃金時代并日趨成熟。 我國在70年代開展化學(xué)反應(yīng)工程的專題研究，開展化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)。 80 年代以后，隨著高技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，如微電子器件的加工、光導(dǎo)纖維生產(chǎn)、新材料以及生物技術(shù)等，向化學(xué)反應(yīng)工程工作者提出了新的研究課題，使化學(xué)反應(yīng)工程形成新的分支，如生化反應(yīng)工程、聚合反應(yīng)工程 , 電化學(xué)反應(yīng)工程 等，擴(kuò)大了化學(xué)反映工程的研究領(lǐng)域，從而使化學(xué)反應(yīng)工程的研究進(jìn)入了一個新的階段。第5頁，共80頁，2022

4、年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二2. 化學(xué)反應(yīng)工程( CRE)研究的對象和內(nèi)容： 化學(xué)動力學(xué) 研究反應(yīng)機(jī)理 研究反應(yīng)速率與外界因素關(guān)系 研究傳遞過程對反應(yīng)速率影響 反應(yīng)器設(shè)計與分析 不同反應(yīng)器能提供不同的三傳環(huán)境宏觀動力學(xué)本征動力學(xué)第6頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二CRE研究的是工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過程及其設(shè)備的共同規(guī)律。工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)，與實驗室研究中的化學(xué)反應(yīng)存在不可忽視的、有時甚至是非常大的差別。主要是因為在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，除化學(xué)反應(yīng)過程外，系統(tǒng)中的流體的流動狀況，傳熱、傳質(zhì)等物理因素起了顯著的作用。工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)，必須與傳遞規(guī)律結(jié)合起來研究，因而才顯得

5、復(fù)雜而困難。CRE的研究內(nèi)容：（1）研究化學(xué)反應(yīng)器的基本理論；（2）反應(yīng)器的設(shè)計、放大、控制；（3）反應(yīng)器設(shè)計、操作的優(yōu)化。3. CRE的研究方法：化工生產(chǎn)過程中的物理變化的規(guī)律，即單元操作，是用因次分析法或經(jīng)驗歸納法的手段去研究的。但對于化學(xué)反應(yīng)工程，這樣的方法是不行的 。因為在反應(yīng)器中，既有物理過程，又有化學(xué)過程， 相似的物理過程，不一定能導(dǎo)致相似的化學(xué)過程。因此，在化學(xué)反應(yīng)工程的研究中，必須采取另外的研究方法，也就是數(shù)學(xué)模擬法或稱為數(shù)學(xué)模型法。在化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)上結(jié)合傳質(zhì)、傳熱和流體力學(xué)的原理來研究反應(yīng)過程速率理論，即宏觀動力學(xué)。應(yīng)用宏觀動力學(xué)的理論來研究工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程即為化學(xué)

6、反應(yīng)工程。第7頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖明確任務(wù) 建立 數(shù)學(xué)模型 解算 數(shù)學(xué)模型 檢驗 數(shù)學(xué)模型實際應(yīng)用修改模型計算機(jī)計算機(jī)第8頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二二、化學(xué)反應(yīng)器的分類：1.按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類：這種分類的實質(zhì)是按傳遞特性分類，反映出不同的反應(yīng)器中最基本的傳遞過程的差別。按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征，常見的工業(yè)反應(yīng)器可分為釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式和移動床式。書141頁圖第9頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二2.按操作方法分類：可分為間歇、半間歇、連續(xù)式三種。生產(chǎn)特征：反應(yīng)程度和反應(yīng)物

7、的性質(zhì)均隨時間而變化。操作特點(diǎn)：原料一次加入，經(jīng)過一定時間后，反應(yīng)產(chǎn)物一次卸出。間歇反應(yīng)器半間歇反應(yīng)器生產(chǎn)特征：反應(yīng)程度和反應(yīng)物的性質(zhì)均隨時間而變化。操作特點(diǎn)：一種原料一次加入，另外的反應(yīng)物以一定的 速度連續(xù)地加入，反應(yīng)后將產(chǎn)物全部卸出。 連續(xù)操作反應(yīng)器操作特點(diǎn)：反應(yīng)物和產(chǎn)物都是連續(xù)穩(wěn)定地加入和引出。生產(chǎn)特征：反應(yīng)進(jìn)行的程度可能隨反應(yīng)器的位置而變化，但不隨著時間而變。書142圖第10頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 3.按反應(yīng)物系的相態(tài)分類這種分類的實質(zhì)是按動力學(xué)特性分類。不同聚集狀態(tài)的物質(zhì)，其反應(yīng)有不同的動力學(xué)規(guī)律。按物料的聚集狀態(tài)，可分為均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器兩大

8、類。 均相反應(yīng)器中又可以分為氣相反應(yīng)器、單一液相反應(yīng)器，非均相反應(yīng)器分為氣-液相、氣-固相、液-液相、液-固相、氣-液-固相反應(yīng)器等等。均相反應(yīng)器中，因為反應(yīng)過程不受擴(kuò)散狀況的影響，因此它的結(jié)構(gòu)就比較簡單，一般就采用管式、釜式反應(yīng)器。非均相反應(yīng)器中，兩相接觸狀況對反應(yīng)有極大的影響，因此，反應(yīng)器設(shè)計時就要考慮改善接觸狀態(tài)的因素。所以它的結(jié)構(gòu)就要復(fù)雜一些。第11頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二4.按溫度條件分類：可分為等溫、不等溫、絕熱反應(yīng)器等三種。在以上的諸多分類中，我們本章將要學(xué)習(xí)的是基本反應(yīng)器，它包括間歇操作反應(yīng)釜、管式反應(yīng)器、連續(xù)操作反應(yīng)釜。第12頁，共80頁，20

9、22年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二三、流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型：(1)理想置換流動(活塞流或理想排擠)：流體在管內(nèi)高速流動是指物料以穩(wěn)定的流量由反應(yīng)器的一端流入反應(yīng)器后，各物料微元沿流動方向齊頭并進(jìn)，完全沒有軸向混合與擴(kuò)散，即沒有返混，就好像活塞在氣缸里向前平推一樣。所以又稱為“活塞流”。 活塞流模型的特點(diǎn)是：（1）在與流動方向垂直的任意截面上各點(diǎn)，物料的流速、濃度、溫度及停留時間等完全一樣；（2）物料的濃度、溫度等各參數(shù)沿流動方向遞變；（3）在每一截面上物料各參數(shù)都不隨時間而變化。細(xì)長型的連續(xù)流動管式反應(yīng)器內(nèi)物料的流況就近似這種流動模型。在長徑比較大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反應(yīng)

10、器內(nèi)，當(dāng)氣相流速達(dá)到一定值后，其氣相流動情況一般亦可以認(rèn)為是活塞流。凡器內(nèi)物料呈理想置換流動的反應(yīng)器就稱為理想置換反應(yīng)器。其典型代表是連續(xù)操作活塞流管式反應(yīng)器，也稱為平推流反應(yīng)器，以PFR表示。1.兩種理想流動狀態(tài)：（連續(xù)操作方式）第13頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二(2)理想混合流動（完全混合流動）：高效攪拌釜內(nèi)流體流動是指物料以穩(wěn)定的流量進(jìn)入反應(yīng)器后，瞬間就在整個反應(yīng)器內(nèi)分散均勻并與器內(nèi)原存留的物料完全混合。 理想混合流動的特點(diǎn)是：（1）整個反應(yīng)器內(nèi)以及出口物料的組成和溫度等參數(shù)均勻一致，且不隨時間、空間而變化；（2）各物料微元在器內(nèi)的停留時間不盡相同，存在停留時

11、間分布。凡是器內(nèi)物料呈理想混合流動的反應(yīng)器，就稱為理想混合反應(yīng)器。通常用連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器代表理想混合反應(yīng)器，也稱為全混釜，以CSTR表示。第14頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二在實際反應(yīng)器中，帶強(qiáng)烈攪拌的連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)物料的流況就近似于這種流動模型。此外，沸騰床中的固相顆粒運(yùn)動，長徑比比較大的鼓泡塔中的液相流動，大循環(huán)量的連續(xù)反應(yīng)器的流體流動等等，也都趨近于這種流動模型。上述理想流動，是理想流動模型的兩種極端情況。實際反應(yīng)器中物料的流況總是或多或少地偏離理想狀態(tài)，而是介于理想混合和理想置換兩種流動模型之間，這種流動統(tǒng)稱為非理想流動。造成這種偏離的原因主要是反應(yīng)器型式

12、、操作條件和物料性質(zhì)。2.流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間：反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器時算起到離開反應(yīng)器時為止所經(jīng)歷的時間。（1）.理想置換流動的停留時間：由于沒有返混，所有的質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間都相等，設(shè)流體在通過反應(yīng)器時，體積不發(fā)生變化。返混是不同時刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料相互之間的混合。第15頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二-流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，VR-反應(yīng)器的體積，qv-流體的體積流量，F(xiàn)-流體的摩爾流量，C-流體的濃度，則（2）.理想混合流動的停留時間：理想混合流動中，物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布在0和無窮之間，一般就用平均停留時間來表示。四、反應(yīng)器的物料衡算：某組分的引

13、入速率=某組分引出速率+由反應(yīng)而引起的+某組分的積累速率 某組分消耗速率（1） （2） （3） （4） 對于不同操作的反應(yīng)器，可作如下簡化。間歇反應(yīng)器：（3）+（4）=0 連續(xù)穩(wěn)定反應(yīng)器：（1）=（2）+（3） 半連續(xù)反應(yīng)器：（1）=（2）+（3）+（4） =VR/qv qv = F/C=VR/qv第16頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二第二節(jié) 間歇操作反應(yīng)器一、間歇釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)：1、由于強(qiáng)烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料可達(dá)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)傳遞對化學(xué)反應(yīng)的影響。2、由于反應(yīng)器配有換熱器，可使反應(yīng)器內(nèi)物料溫度處處相 等，因而排除了熱量傳

14、遞對化學(xué)反應(yīng)的影響。反應(yīng)結(jié)果唯一由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)所確定。第17頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 間歇攪拌釜式反應(yīng)器間歇攪拌釜式反應(yīng)器(BSTR)第18頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 間歇操作 指物料一次投入反應(yīng)器，待反應(yīng)完成后，物料一次卸出的操作過程。 最常用釜式反應(yīng)器，主要結(jié)構(gòu)由筒體、攪拌裝置、夾套組成。器內(nèi)還可以根據(jù)需要設(shè)置盤管。間歇反應(yīng)器第19頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二間歇攪拌釜式反應(yīng)器的特征特點(diǎn): (1) 由于劇烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度不隨位置發(fā)生改變，僅隨時間發(fā)生改變。 (2) 物料同時加入并同時停止反

15、應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng) 時間。 (3) 存在加料、卸料、清洗等輔助時間。優(yōu)點(diǎn)： 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)(精細(xì)化工、制藥、染料、涂料)。缺點(diǎn)： 裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。第20頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二化學(xué)反應(yīng)速率對于均相反應(yīng)，常用單位時間、單位反應(yīng)體積內(nèi)某組分的物質(zhì)的量的變化來定義該組分的反應(yīng)速率。反應(yīng)過程體積恒定：第21頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二反應(yīng)轉(zhuǎn)化率x反應(yīng)組分A的轉(zhuǎn)化率對于反應(yīng)體積不變的反應(yīng)第22頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 均相反應(yīng)速率是反應(yīng)物

16、系的組成、溫度和壓力的函數(shù)。而反應(yīng)壓力通?？捎煞磻?yīng)物系的狀態(tài)方程和組成來確定，所以主要是考慮反應(yīng)物系的組成和溫度對反應(yīng)速率的影響。 均相反應(yīng) 均相反應(yīng)是指參與反應(yīng)的各物質(zhì)均處同一個相內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。烴類的高溫裂解為氣相均相反應(yīng)，而酸堿中和、酯化反應(yīng)為典型的液相反應(yīng)。要求： 必須是均相體系 (微觀條件) 強(qiáng)烈的混合手段 (宏觀條件) 反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于分子擴(kuò)散速度第23頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二二、反應(yīng)時間的計算：對整個反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：0流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 +積累量0單位時間內(nèi)反應(yīng)量 = 單位時間內(nèi)的積累量(等容過程 )反應(yīng)過程中第24頁，共80頁，20

17、22年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二等容過程，液相反應(yīng)或氣相等分子變化。第25頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二反應(yīng)速率rA=kCArA=kCA2rA=k 間歇反應(yīng)器中的簡單反應(yīng)的反應(yīng)時間（均相等溫等容）第26頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 實際操作時間=反應(yīng)時間() + 輔助時間 ()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=qv (+)1/rA xA/CA01/rA CA上式稱為反應(yīng)器的設(shè)計方程，代入動力學(xué)方程積分就可算出 t。若動力學(xué)方程復(fù)雜，可采用數(shù)值積分或圖解積分。t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0第2

18、7頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二二、反應(yīng)器實際體積的計算：設(shè)反應(yīng)器的裝料系數(shù)為=VR / VT , 每批物料的反應(yīng)時間為，輔助時間為，一個生產(chǎn)周期內(nèi)平均每單位時間處理的物料體積為 v，則 qv=VR+ qvVR=(+ )149頁例題三、間歇操作反應(yīng)釜的特點(diǎn)及應(yīng)用：1.釜內(nèi)物料的溫度、濃度均勻，可以采用多種方式調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，可達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率；2.適應(yīng)性強(qiáng)，可用于小批量多品種的生產(chǎn)；3.設(shè)備利用率低，難以實現(xiàn)自動化，不適宜大規(guī)模的生產(chǎn)。VT=VR/第28頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二第三節(jié) 管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器一般采用連續(xù)操作的方法進(jìn)行生產(chǎn)，管

19、內(nèi)液體的流動接近于理想置換流動，適用于氣相反應(yīng)和均一液相反應(yīng)。一、管式反應(yīng)器的特點(diǎn)理想管式管式反應(yīng)器，又稱理想置換反應(yīng)器、活塞流反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器。1、在正常情況下，它是連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作，故在反應(yīng)器軸向的各個截面上，物料濃度、反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率等不隨時間變化。2、反應(yīng)器軸向的不同截面上，物料濃度、反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率等不相等。3、由于徑向具有均勻的速度分布，故徑向不存在濃度差。本章主要討論均相、等溫、恒容的情況。第29頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二第30頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二反應(yīng)物A反應(yīng)物B生成物R特點(diǎn) (1) 連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)出料，反應(yīng)物沿管

20、長方向流動。 (2) 假設(shè)不同時刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間不發(fā)生逆向混合，其濃度、溫度隨流動方向（軸向）變化，徑向上物料的所有參數(shù)都相同。 活塞流反應(yīng)器 （3）所有物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間都相同。 第31頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二qnA,0 CA0CAfxAfxA0=0dVRxAxA+ dxA反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量0qnAqnA+dqnAqnA,f二、恒容過程管式反應(yīng)器體積的計算：第32頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二第33頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二1. k與xA的關(guān)系等溫時k為

21、常數(shù)2. 等容過程與間歇反應(yīng)器的公式相同 空間時間第34頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二和BSTR比較，由于不存在 輔助時間 (t)反應(yīng)體積 VR=qvt 據(jù)此關(guān)系式，可以進(jìn)行反應(yīng)器體積的設(shè)計計算一級反應(yīng)第35頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二反應(yīng)速率rA=kCArA=kCA2rA=k 管式反應(yīng)器中的簡單反應(yīng)的空間時間（均相等溫等容）第36頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二在規(guī)定條件下，進(jìn)入反應(yīng)器的物料通過反應(yīng)器體積所需要的時間。三、空間速率、空間時間：1.空間時間：恒容反應(yīng)時，反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留的時間。= VR /q v

22、 o 時間物理意義：物料連續(xù)流過反應(yīng)器所需要的時間。也就是在一定條件下，處理一個反應(yīng)器體積的物料需要的時間。它也是表示反應(yīng)器特性的一個量，它的值越小，反應(yīng)器生產(chǎn)能力越大。若空時為2h,指的是在規(guī)定條件下，每2h就有相當(dāng)于一個反應(yīng)器體積的物料通過反應(yīng)器。第37頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 2.空間速率：就是反應(yīng)物的體積流量與反應(yīng)器有效體積之比，用Sv來表示?？臻g速率是空間時間的倒數(shù)。Sv=qv0/VR 1/時間物理意義：單位體積的反應(yīng)器在單位時間內(nèi)的進(jìn)料體積。對恒容過程，當(dāng)體積流量與反應(yīng)器內(nèi)的狀態(tài)相同時，它表示單位時間內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)通過的流體體積是反應(yīng)器體積的多少倍。空間

23、速度可以表示反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，它的值越大，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力越大。若空速為4h-1,就意味著在規(guī)定條件下，每小時進(jìn)入反應(yīng)器的物料相當(dāng)于4個反應(yīng)器的體積。書152頁例題，153頁圖 第38頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二第四節(jié) 連續(xù)操作反應(yīng)釜一、連續(xù)操作反應(yīng)釜的特征：1.釜內(nèi)物料的狀況接近于理想混合流動，且釜內(nèi)各處的組成和溫度都相同,且等于離開反應(yīng)器物料的濃度、溫度等；2.液體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)在釜內(nèi)停留時間不盡相同；3.反應(yīng)物濃度、轉(zhuǎn)化率以及反應(yīng)速度(等溫時)不隨時間 、空間而變化。是穩(wěn)態(tài)過程。二、連續(xù)操作反應(yīng)釜的體積：物料衡算的范圍：整個反應(yīng)器物料衡算的組分：組分A物料衡算的基準(zhǔn)

24、：單位時間的進(jìn)料量第39頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二特點(diǎn)（1）連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)出料（2）反應(yīng)器的攪拌良好，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器出口的物料組成 和溫度，均不隨位置和時間而變。（3）物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)存在停留時間分布。全混流反應(yīng)器(CSTR)生成物R反應(yīng)物A反應(yīng)物B 全混流反應(yīng)器第40頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二全混流反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型取整個反應(yīng)器為衡算對象流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量0第41頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二圖解積分(右圖為PFR圖解積分)CACA0CAfCACA0C

25、Af第42頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二和BSTR比較，由于不存在 輔助時間 (t)反應(yīng)體積 VR=qvt 據(jù)此關(guān)系式，可以進(jìn)行反應(yīng)器體積的設(shè)計計算一級反應(yīng)第43頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較第44頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二年齡反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時間；是對仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。壽命反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時間；是對已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。返混(Back mixing)又稱逆向返混，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)之間的混合,經(jīng)歷了不同反應(yīng)時間的物料

26、間的混合，是時間概念上的混合。攪拌混合是指不同空間位置的物料之間的混合。三、返混對化學(xué)反應(yīng)的影響第45頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二停留時間和返混 1、停留時間是指從物料進(jìn)入反應(yīng)器起至離開反應(yīng)器為止所經(jīng)歷的時間。2、返混是指停留時間不同的流體粒子之間的混合。在反應(yīng)器中，由于返混會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)各處物料停留時間不 一，引起反應(yīng)程度差異，使各處物料濃度分布不均、反應(yīng)結(jié)果變化。理想流動狀況無返混的流動狀況屬于這種理想流動狀況的過程稱為平推流、活塞流、排擠流或理想置換，它是指進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物料以相同速度、一致方 向向前移動的流動狀況。 這種反應(yīng)器的特點(diǎn)是垂直流向的同一截面上的

27、物料參數(shù)（如溫度、濃度、停留時間等）均相同，而參數(shù)隨流向變化。第46頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 返混最大的流動狀況 屬于這種理想流動狀況的過程稱為全混流、完全混 合或理想混合。它是指剛進(jìn)入反應(yīng)器的新物料與留存于反應(yīng)器內(nèi)的物料能瞬間完全混合的流動狀態(tài)。 這種反應(yīng)器的特點(diǎn)是整個反應(yīng)器各處物料參數(shù)（溫度、濃度或平均停留時間等）均相同，且等于出口處物料參數(shù)。 第47頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二第48頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 相同的反應(yīng)，相同進(jìn)料流量和濃度相同溫度和最終反應(yīng)率一個全混流反應(yīng)器與一個平推流反應(yīng)器的比較

28、全混流反應(yīng)器=VR/qv0=CA0XA/rA平推流反應(yīng)器=VR/qv0=容積效率=VRP/VRS第49頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二間歇反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動反應(yīng)器完全沒有返混返混極大(a)(b)(c)第50頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二濃度分布 - 推動力反應(yīng)推動力隨反應(yīng)時間逐漸降低反應(yīng)推動力隨反應(yīng)器軸向長度逐漸降低反應(yīng)推動力不變，等于出口處反應(yīng)推動力 第51頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二四、多釜串聯(lián)反應(yīng)器：第52頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二原料A生成物R特點(diǎn)（1）反應(yīng)在

29、多個串聯(lián)的全混流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，各釜的 入口濃度就是前一釜的出口濃度。 （2）串聯(lián)的各反應(yīng)器內(nèi)，物料的組成和溫度均勻一致，但各級反應(yīng)器之間是突變的。 （3）隨著串聯(lián)反應(yīng)器數(shù)目的增多，其性能愈接近活塞 流反應(yīng)器。 多釜串聯(lián)反應(yīng)器(n-CSTR) 第53頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 具有相同體積的N個全混釜的串聯(lián) 結(jié)論：多級全混釜串聯(lián)后，返混程度變??；當(dāng)無窮多個全混流串聯(lián)后，返混達(dá)到0，相當(dāng)于平推流反應(yīng)器第54頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二穩(wěn)態(tài)，定容多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計算一級反應(yīng)，n級反應(yīng)器串聯(lián)由于故第55頁，共80頁，2022年，5月20日

30、，1點(diǎn)10分，星期二各級反應(yīng)器體積相同時：或反應(yīng)總體積 書159頁例題第56頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二（1）正濃度效應(yīng)（n 0）PFR （BR）CSTR多級CSTR比較陰影部分的面積可知，當(dāng) n 0時，CSTR 多級CSTR PFR。第57頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二第五節(jié) 均相反應(yīng)器的性能比較與選擇 作為反應(yīng)器所應(yīng)滿足的兩個要求：1.達(dá)到給定的生產(chǎn)能力所需的反應(yīng)器的容積要??；2.用同樣的原料所得的目的產(chǎn)物的收率要高?；瘜W(xué)反應(yīng)簡單反應(yīng)復(fù)雜反應(yīng)平行反應(yīng)連串反應(yīng)一、簡單反應(yīng)的反應(yīng)器體積：二、復(fù)雜反應(yīng)的反應(yīng)器體積：選擇率 = 轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的

31、反應(yīng)物量 / 反應(yīng)物被轉(zhuǎn)化掉的量收率 = 轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應(yīng)物量 / 加入反應(yīng)器的反應(yīng)物的總量第58頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二以關(guān)鍵組分A（著眼組分、限制組分）作為計算對象。轉(zhuǎn)化率選擇性收率第59頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二復(fù)雜反應(yīng) 復(fù)雜反應(yīng)是指同時存在兩個以上獨(dú)立進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)過程。 如果這些反應(yīng)都是從相同的反應(yīng)物按各自的計量關(guān)系同時地發(fā)生的過程稱為平行反應(yīng)。 如果這些反應(yīng)是依次發(fā)生的，這樣的復(fù)合反應(yīng)稱為連串反應(yīng)。 在這些反應(yīng)產(chǎn)物中，有的產(chǎn)物是需要的對象，稱為目的產(chǎn)物或主產(chǎn)物，而其余產(chǎn)物都稱為副產(chǎn)物。得到目的產(chǎn)物的反應(yīng)稱為主反應(yīng)，其

32、余反應(yīng)稱為副反應(yīng)。 第60頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 復(fù)雜反應(yīng)：指必須用兩個以上化學(xué)計量關(guān)系才能表示的反應(yīng)。 （平行反應(yīng)） （連串反應(yīng)） （平行-連串反應(yīng)）第61頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 則選擇性為： （1）當(dāng)a1a2，b1b2時，主反應(yīng)級數(shù)比副反應(yīng)大，在高濃度下進(jìn)行反應(yīng)有利于p的生成；采用管式反應(yīng)器或間歇反應(yīng)器有利。 （2）當(dāng)a1a2, b1b2時，副反應(yīng)級數(shù)比主反應(yīng)大，在低濃度下進(jìn)行反應(yīng)有利于P的生成；采用全混流反應(yīng)器。 1、 等溫恒容過程平行反應(yīng) 主 副第62頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二（3）當(dāng)a1

33、=a2,b1=b2時，與反應(yīng)物濃度無關(guān)。 E1E2時，高溫下進(jìn)行反應(yīng)有利于p的生成，反之在低溫下進(jìn)行；（4）當(dāng)a1b2時，CA越小，CB越大，則越大。采用反應(yīng)物B濃度高，反應(yīng)物A濃度低。間歇釜式反應(yīng)器。B一次加入，A逐漸加入。管式反應(yīng)器。B連續(xù)加入，A分段加入。或A和B全部由進(jìn)口加入，B過量。多釜串聯(lián)反應(yīng)器。B由第一釜加入，A逐釜連續(xù)加入。 采用促進(jìn)主反應(yīng)進(jìn)行的催化劑，可提高選擇性。第63頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 反應(yīng)物的濃度單調(diào)下降， 產(chǎn)物P和S濃度單調(diào)增加 若各處的CP/CS值都等于比值k1/k2,說明所考察的反應(yīng)為平行反應(yīng)，且兩平行反應(yīng)等級數(shù)。 生成產(chǎn)物P

34、和S的初始速率（dcp/dt）t=0都與CA0成正比關(guān)系 等溫恒容過程k1k2Cp0=Cs0=0第64頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 對反應(yīng)： 2、 等溫恒容過程串聯(lián)反應(yīng)對于兩步均為一級的反應(yīng)各組分的濃度分布情況？ 第65頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 串聯(lián)反應(yīng) 對反應(yīng)： 對rA分離變量積分得： 等溫恒容過程第66頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 以ln(CA0/CA)對t作圖應(yīng)得到一條直線，其斜率為k1。 對rP整理得到下式； 此方程為一階線性微分方程。其解的一般式為： 邊界條件為： 當(dāng)k1k2時，解得： 等溫恒容過

35、程第67頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 對A作物料衡算，則有： 于是有： 等溫恒容過程第68頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二 串聯(lián)反應(yīng)的特征： 反應(yīng)足夠久，混合物中存在中間產(chǎn)物，則為串聯(lián)反應(yīng)； 若反應(yīng)為不可逆反應(yīng)，根據(jù)測定的反應(yīng)物濃度隨時間 變化 的數(shù)據(jù)求第一步反應(yīng)的級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù) 當(dāng)k1k2時，可通過較長的反應(yīng)時間，達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率，以獲得較多的產(chǎn)物。 當(dāng) k1 k2 時，應(yīng)使反應(yīng)時間較短，這樣雖然轉(zhuǎn)化率低，但選擇性高。 等溫恒容過程第69頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二一級平行反應(yīng)與串聯(lián)反應(yīng)特性比較平行反應(yīng)：反應(yīng)

36、物單調(diào)減少，主、副產(chǎn)物均單調(diào)增加。串聯(lián)反應(yīng)：反應(yīng)物單調(diào)減少，主產(chǎn)物有一極大值，副產(chǎn)物單調(diào)增加。 該特性是判別反應(yīng)類型的重要依據(jù)。說明：其它級數(shù)串聯(lián)反應(yīng)的濃度分布與一級反應(yīng)的濃度分布基本相 似。 平行反應(yīng) 串聯(lián)反應(yīng)第70頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二三、反應(yīng)器型式的選擇（書163）生產(chǎn)能力：單位時間、單位反應(yīng)器體積能夠處理的反應(yīng)物料量。 單一反應(yīng)過程中，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力主要取決于反應(yīng)速率。反應(yīng)速率越快，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的反應(yīng)器體積越小，可節(jié)省設(shè)備投資。 等溫條件下，反應(yīng)速率僅與反應(yīng)物濃度和反應(yīng)級數(shù)有關(guān)。 反應(yīng)器體積、原料消耗、目的產(chǎn)物的產(chǎn)量。1、活化能大，等溫。全混

37、流反應(yīng)器。2、濃度高反應(yīng)激烈，甚至有爆炸的可能，采用全混流反應(yīng)器。3、反應(yīng)速率小，釜式反應(yīng)器。4、平行反應(yīng)，主反應(yīng)級數(shù)高用間歇釜式反應(yīng)器；若副反應(yīng)級數(shù)高用全混流反應(yīng)器。5、連串反應(yīng)，若中間產(chǎn)物為為目的產(chǎn)物，管式反應(yīng)器；若最終產(chǎn)物為為目的產(chǎn)物，全混流反應(yīng)器。6、反應(yīng)物為氣體，管式反應(yīng)器。7、高壓反應(yīng)，管式反應(yīng)器。 8、高溫，強(qiáng)吸熱反應(yīng)。管式反應(yīng)器。 9、小批量生產(chǎn)，采用間歇釜式反應(yīng)器或半連續(xù)操作反應(yīng)釜。第71頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二（1）正濃度效應(yīng)（n 0）PFR （BR）CSTR多級CSTR比較陰影部分的面積可知，當(dāng) n 0時，CSTR 多級CSTR PFR。第

38、72頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二PFR （BR）CSTR多級CSTR比較陰影部分的面積可知，當(dāng) n 0時，CSTR 多級CSTR PFR。（2）負(fù)濃度效應(yīng)（n 0的反應(yīng)，無返混的PFR最好；對n0的反應(yīng)，返混程度最大的CSTR最好。多級CSTR串聯(lián)可降低返混程度，N越大，越接近PFR，但流程越復(fù)雜，給操作帶來不便，使操作費(fèi)用增加。工業(yè)生產(chǎn)上串聯(lián)的CSTR最多不超過4個。第73頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期二有關(guān)催化劑和催化作用的知識：（1）催化劑改變反應(yīng)速率，在反應(yīng)前后本身不發(fā)生變化（定義）；（2）催化劑又稱為觸媒；（3）催化劑既不是反應(yīng)物也不是產(chǎn)物；（4）根據(jù)過渡狀態(tài)理論，催化劑是靠降低反應(yīng)的活化能來加快化學(xué)反應(yīng)速度的；（5）不能改變化學(xué)平衡和反應(yīng)熱；（6）催化