反應(yīng)工程第三章第四、五、六、七節(jié)課件

第三章釜式及均相管式反應(yīng)器本章內(nèi)容第一節(jié)間歇釜式反應(yīng)器第二節(jié)連續(xù)流動(dòng)均相管式反應(yīng)器第三節(jié)連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器第四節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合和比較第五節(jié)多重反應(yīng)的選擇性第六節(jié)半間歇釜式反應(yīng)器第七節(jié)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的多相反應(yīng)第四節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合和比較討論等溫下兩個(gè)體積相同的理想反應(yīng)器組合，進(jìn)行一級(jí)不可逆等容單一反應(yīng)的幾種情況。一、理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合a.兩個(gè)全混釜并聯(lián)b.兩個(gè)全混釜串聯(lián)c.平推流＋全混流(串聯(lián))d.全混流＋平推流(串聯(lián))e.平推流反應(yīng)器并聯(lián)f.平推流反應(yīng)器串聯(lián)g.平推流＋全混流(并聯(lián))當(dāng)反應(yīng)溫度、流量、初始濃度0及各反應(yīng)器體積相同時(shí)，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)?？疾旄鞣N組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。a.兩個(gè)全混釜并聯(lián)反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度為混合后的出口濃度。當(dāng)反應(yīng)溫度、流量、初始濃度0及各反應(yīng)器體積相同時(shí)，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)?？疾旄鞣N組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。b.兩個(gè)全混釜串聯(lián)當(dāng)反應(yīng)溫度、流量、初始濃度0及各反應(yīng)器體積相同時(shí)，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)?？疾旄鞣N組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。c.平推流＋全混流(串聯(lián))當(dāng)反應(yīng)溫度、流量、初始濃度0及各反應(yīng)器體積相同時(shí)，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)。考察各種組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。

d.全混流＋平推流(串聯(lián))當(dāng)反應(yīng)溫度、流量、初始濃度0及各反應(yīng)器體積相同時(shí)，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)。考察各種組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。

e.平推流反應(yīng)器并聯(lián)當(dāng)反應(yīng)溫度、流量、初始濃度0及各反應(yīng)器體積相同時(shí)，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)?？疾旄鞣N組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。

f.平推流反應(yīng)器串聯(lián)當(dāng)反應(yīng)溫度、流量、初始濃度0及各反應(yīng)器體積相同時(shí)，進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)。考察各種組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。

g.平推流＋全混流(并聯(lián))a.兩個(gè)全混釜并聯(lián)b.兩個(gè)全混釜串聯(lián)c.平推流＋全混流(串聯(lián))d.全混流＋平推流(串聯(lián))e.平推流反應(yīng)器并聯(lián)f.平推流反應(yīng)器串聯(lián)g.平推流＋全混流(并聯(lián))以上幾種組合方式中，(c)與(d)等效，(e)與(f)等效。各種組合反應(yīng)器的最終濃度的大小依次為:各種組合反應(yīng)器的最終轉(zhuǎn)化率的大小依次為:解：2，間歇反應(yīng)器中(1)在單個(gè)中即【例題】的操作特點(diǎn)。某二級(jí)液相反應(yīng)，已知00，在間歇反應(yīng)器中達(dá)到0.99，需反應(yīng)時(shí)間10。問(wèn)：(1)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，應(yīng)為多少？(2)在兩個(gè)串聯(lián)全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，又為多少？解：(2)兩個(gè)串聯(lián)第一級(jí)【例題】的操作特點(diǎn)。某二級(jí)液相反應(yīng)，已知00，在間歇反應(yīng)器中達(dá)到0.99，需反應(yīng)時(shí)間10。問(wèn)：(1)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，應(yīng)為多少？(2)在兩個(gè)串聯(lián)全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，又為多少？第二級(jí)將1代入第一級(jí)的等式，得解：2，在中在中若在前，在后【例題】與的串聯(lián)。反應(yīng)物A按二級(jí)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分解，依次經(jīng)過(guò)體積相等的和，出口物料中反應(yīng)物A的濃度為原料液中A濃度的0.01，若將二反應(yīng)器改換次序，問(wèn)出口流體中反應(yīng)物A的濃度將是原料液濃度的多少？忽略物料的溫度和濃度的變化。若在前，在后當(dāng)在前，在后時(shí)要求已知2=0.010，以為整體，解方程得，所以在前，在后時(shí)：二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的體積比較基本條件：等溫、等容過(guò)程，且V0、0、相同。表示間歇反應(yīng)器體積；表示平推流反應(yīng)器體積；表示全混流反應(yīng)器體積；表示多級(jí)全混流反應(yīng)器體積。

間歇反應(yīng)器

平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器間歇反應(yīng)器1對(duì)作圖，即曲線。OABDC11矩形的面積曲線下邊的面積＝所以?xún)烧叩牟罹酁閳D形的面積，因此轉(zhuǎn)化率越大，兩者的差距越大，可采用低轉(zhuǎn)化率操作減少返混的影響，但原料不能充分利用?？刹捎醚h(huán)操作將未反應(yīng)的物料從反應(yīng)產(chǎn)物中分離出來(lái)，返回到反應(yīng)系統(tǒng)中。xAxAfOABDC1/xA1/xAf即V0、0、相同時(shí)，全混流反應(yīng)器所需的體積大于平推流反應(yīng)器的體積。這是由于前者存在返混造成的。對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)越高以及反應(yīng)過(guò)程中增加越多的反應(yīng)，返混的影響越嚴(yán)重，兩者的體積差別越大。例如對(duì)于一級(jí)不可逆單一等容反應(yīng)，全混釜串聯(lián)的總體積與單個(gè)平推流體積之比為。多級(jí)全混釜串聯(lián)操作可以減少返混，提高反應(yīng)推動(dòng)力，使全混流反應(yīng)器所需的體積與平推流反應(yīng)器所需的體積的差別減小。以為縱坐標(biāo)，(1)為橫坐標(biāo)，將上式作圖如下。例如對(duì)于一級(jí)不可逆單一等容反應(yīng)，全混釜串聯(lián)的總體積與單個(gè)平推流體積之比為111.0以為縱坐標(biāo)，(1)為橫坐標(biāo)，m為參變量，將上式作圖如下。0.11246k=5020105210.01結(jié)論如下：(1)當(dāng)m一定時(shí)，越大，則越大，遠(yuǎn)離平推流。111.00.11246k=5020105210.01(2)當(dāng)一定時(shí)，m越大，則越小，接近平推流。(3)當(dāng)k一定時(shí)，m越大，則1越小。一、平行反應(yīng)AL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))或L(主反應(yīng))M(副反應(yīng))令為主反應(yīng)速率，為副反應(yīng)速率，兩者之比為對(duì)比速率瞬時(shí)選擇率為關(guān)鍵組分A在總反應(yīng)速率中生成主產(chǎn)物的反應(yīng)速率，即總選擇率定義為第五節(jié)多重反應(yīng)的選擇率如果知道瞬時(shí)選擇率與濃度的變化關(guān)系，就可以確定它的總選擇率。總選擇率是反應(yīng)過(guò)程中或反應(yīng)器中瞬時(shí)選擇率的積分值，對(duì)于平推流反應(yīng)器總選擇率定義為對(duì)于全混流反應(yīng)器AL(主反應(yīng)，n1級(jí)，活化能為E1)M(副反應(yīng)，n2級(jí)，活化能為E2)由選擇率定義，可得溫度對(duì)選擇率的影響由k21所確定，由阿羅尼烏斯方程可知(1)選擇率的溫度效應(yīng)E1>E2，溫度增高有利于選擇率的增大。E12，選擇率與溫度無(wú)關(guān)。E1<E2，溫度降低有利于選擇率的增大。提高溫度對(duì)活化能高的反應(yīng)有利，降低溫度對(duì)活化能低的反應(yīng)有利。(2)選擇率的濃度效應(yīng)n1>n2，濃度升高，選擇率的增大。n12，選擇率與濃度無(wú)關(guān)。n1<n2，濃度升高，選擇率的減小。所以，對(duì)平行反應(yīng)，當(dāng)主反應(yīng)級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)級(jí)數(shù)，即需要高時(shí)，可以采用平推流反應(yīng)器或間歇反應(yīng)器；或使用濃度高的原料，或采用較低的單程轉(zhuǎn)化率等。對(duì)平行反應(yīng)，當(dāng)主反應(yīng)級(jí)數(shù)小于副反應(yīng)級(jí)數(shù)，即需要低時(shí)，可以采用全混流反應(yīng)器；或使用濃度低的原料，或采用較高的轉(zhuǎn)化率等。L(主反應(yīng)，n1級(jí)，活化能為E1)M(副反應(yīng)，n2級(jí)，活化能為E2)若相應(yīng)的速率方程為則瞬時(shí)選擇率為(3)平行反應(yīng)加料方式的選擇只要知道主副反應(yīng)級(jí)數(shù)的相對(duì)大小，就可確定在反應(yīng)過(guò)程中該組分濃度高低的要求，并決定采用何種反應(yīng)器或加料方式。表3-6平行反應(yīng)的適宜操作方式動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)對(duì)濃度的要求適宜的操作方式n1>n2m1>m2、都高A、B同時(shí)加入的間歇反應(yīng)器；A、B同時(shí)加入的平推流反應(yīng)器；多段全混釜，A、B同時(shí)加入第一級(jí)n1<n2m1<m2、都低A、B同時(shí)緩慢滴加的間歇反應(yīng)器；A、B同時(shí)加入單個(gè)全混流反應(yīng)器；一次加入A，多股陸續(xù)加入B的平推流反應(yīng)器n1>n2m1<m2高、低一次加入A，緩慢滴加B的間歇反應(yīng)器；平推流反應(yīng)器，入口一次加入A，沿著管長(zhǎng)分段加入B；多級(jí)全混釜，由第一級(jí)一次加入A，B分段加入；單個(gè)全混釜，A、B同時(shí)加入，而后A從出口物料中分離返回反應(yīng)器ART求R產(chǎn)量最大時(shí)的溫度?！纠}】平行反應(yīng)主產(chǎn)物產(chǎn)量最大的溫度。在中進(jìn)行下述反應(yīng)SAPS0=2，P為目的產(chǎn)物，求：(1)在中能得到的最大反應(yīng)收率；(2)假設(shè)反應(yīng)物加以回收，采用何種反應(yīng)器型式合理?！纠}】平行反應(yīng)主產(chǎn)物的最大收率R二、連串反應(yīng)(1)間歇及平推流反應(yīng)器中連串反應(yīng)的選擇率代入式(3-62)可得各組分的反應(yīng)速率為A的初始濃度為cA0，而cL0=cM0=0，積分可得此式的解為(3-62)A的濃度單調(diào)下降，副產(chǎn)物M的濃度單調(diào)上升，主產(chǎn)物L(fēng)的濃度先升后降，有最大值，如下圖所示。ctk12k1>k2k1<k2ctct瞬時(shí)選擇率為溫度對(duì)選擇率的影響由k21所確定，由阿羅尼烏斯方程可知(2)連串反應(yīng)的溫度、濃度效應(yīng)E1>E2，溫度增高有利于選擇率的增大。E12，選擇率與溫度無(wú)關(guān)。E1<E2，溫度降低有利于選擇率的增大。提高溫度對(duì)活化能高的反應(yīng)有利，降低溫度對(duì)活化能低的反應(yīng)有利。濃度效應(yīng)n1>n2，增加初濃度有利于選擇率的增大。n1<n2，降低初濃度有利于選擇率的增大。轉(zhuǎn)化率的影響：隨著轉(zhuǎn)化率的增大，瞬時(shí)選擇率下降。所以，對(duì)連串反應(yīng)，不能過(guò)渡追求高的轉(zhuǎn)化率。可以通過(guò)適當(dāng)選擇反應(yīng)物的初濃度和轉(zhuǎn)化率來(lái)提高選擇率。(3)連串反應(yīng)的最佳反應(yīng)時(shí)間與最大收率平推流或間歇反應(yīng)器k21將此式對(duì)t求導(dǎo)，令其為0，得主產(chǎn)物濃度最大的反應(yīng)時(shí)間得主產(chǎn)物最大的出口濃度最大收率為最大收率與初濃度無(wú)關(guān)全混流反應(yīng)器，一級(jí)不可逆反應(yīng)，且進(jìn)料只含有組分A的等容液相反應(yīng)，根據(jù)物料衡算對(duì)產(chǎn)物L(fēng)做物料衡算可得(3)連串反應(yīng)的最佳反應(yīng)時(shí)間與最大收率最大收率為求導(dǎo)最大收率與初濃度無(wú)關(guān)k21平推流全混流k12=10以與作圖如下k12=1k12=0.11-(0)當(dāng)、k12相同，間歇操作或平推流操作時(shí)，主產(chǎn)物的選擇率比全混流操作高；平推流全混流若k12遠(yuǎn)小于1，要使主產(chǎn)物的選擇率高，必須在低的轉(zhuǎn)化率下操作；若k12遠(yuǎn)大于1，即使轉(zhuǎn)化率較高，也可以得到較高的選擇率。110一、半間歇釜式反應(yīng)器的特征a：反應(yīng)物B一次加入，A連續(xù)加入，反應(yīng)結(jié)束后一次出料。AABRabBRRABcb：反應(yīng)物A、B同時(shí)連續(xù)加入，反應(yīng)結(jié)束后一次出料。c：反應(yīng)物A、B一次按比例加入，R連續(xù)出料。第六節(jié)半間歇釜式反應(yīng)器a：反應(yīng)物B一次加入，A連續(xù)加入，反應(yīng)結(jié)束后一次出料。ABRa要求嚴(yán)格控制A的濃度，防止因?yàn)锳過(guò)量而使副反應(yīng)增加的情況；低溫下進(jìn)行的放熱反應(yīng)；A濃度低，B濃度高對(duì)反應(yīng)有利的情況。b：反應(yīng)物A、B連續(xù)加入，反應(yīng)結(jié)束后一次出料?？蓢?yán)格控制A、B的加料比例，保持A和B在較低的濃度下進(jìn)行；A、B濃度低對(duì)反應(yīng)有利的情況。AbBR能滿(mǎn)足A、B的比例要求；保持反應(yīng)過(guò)程中A和B的高濃度；對(duì)可逆反應(yīng)尤其合適。RABcc：反應(yīng)物A、B一次按比例加入，R連續(xù)出料。二、半間歇釜式反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型反應(yīng)物B加入的體積為0，然后連續(xù)加入濃度為0的物料A，體積流量恒定為0。過(guò)程中不導(dǎo)出物料，如果B大量過(guò)剩，可以按一級(jí)反應(yīng)處理ABR代入物料衡算式，可得初始條件為0時(shí)，0，解得上式即為反應(yīng)物A的濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。ABR由上述兩個(gè)式子可以計(jì)算不同反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)物A和產(chǎn)物R的濃度。產(chǎn)物R的濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系為反應(yīng)物A的濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系為01234560.70.50.30.20.1相對(duì)濃度時(shí)間反應(yīng)物A、產(chǎn)物R的濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系為如0.21，00=0.5h，計(jì)算結(jié)果如下圖所示0.60.400【例3-7】解：反應(yīng)物B一次加入，A連續(xù)加入，反應(yīng)結(jié)束后一次出料。ABRa0=1/3m3，0=1m3。任意反應(yīng)時(shí)間t下的反應(yīng)體積為【例3-7】解：反應(yīng)物B一次加入，A連續(xù)加入，反應(yīng)結(jié)束后一次出料。0=1/3m3，0=1m3。任意反應(yīng)時(shí)間t下的反應(yīng)體積為0=43。將、0及0代入上式得求解上式，當(dāng)A加料完畢時(shí)，0.28863?！纠?-7】解：產(chǎn)物R的濃度，對(duì)R做物料衡算可得當(dāng)A加料完畢時(shí)，1.463。一、釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的液-液相反應(yīng)考慮以下工程問(wèn)題第七節(jié)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的多相反應(yīng)液-液兩相的分散與混合分散相：被分散的一相，液滴越小，兩相接觸面積越大。液滴不斷地凝并和分裂，影響兩相的接觸面積；分散與混合過(guò)程攪拌漿的形式和轉(zhuǎn)速有關(guān)。連續(xù)相：除分散相外的另外一相連續(xù)相和分散相中的有關(guān)反應(yīng)組分在另一液相中的溶解度。連續(xù)相和分散相之間的傳質(zhì)過(guò)程。有關(guān)反應(yīng)組分在另一液相中的傳質(zhì)和反應(yīng)耦合過(guò)程。二、釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的液-固非均相反應(yīng)所涉及的工程問(wèn)題有固相顆粒是否懸浮在反應(yīng)器中液-固兩相之間的傳質(zhì)速率，釜式反應(yīng)器處于間歇、連續(xù)或半連續(xù)的操作方式。三、釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的氣-液相絡(luò)合催化反應(yīng)有些分子或離子與金屬絡(luò)合使某一特征反應(yīng)更容易進(jìn)行，稱(chēng)為絡(luò)合催化反應(yīng)。絡(luò)合催化劑以分子狀態(tài)存在，有效濃度高，具有高活性、高選擇性和反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是催化劑不易分離導(dǎo)致回收困難。第三章小結(jié)一、基本概念返混；平推流模型；全混流模型；間歇反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器的特點(diǎn)。二、核心內(nèi)容1．間歇反應(yīng)器計(jì)算；2．平推流反應(yīng)器計(jì)算；3．全混流反應(yīng)器計(jì)算；反應(yīng)時(shí)間t－的關(guān)系在反應(yīng)器中，物料濃度和溫度是均勻的，只隨反應(yīng)時(shí)間變化，可以通過(guò)物料衡算求出反應(yīng)時(shí)間t和的關(guān)系式。衡算對(duì)象：關(guān)鍵組分A衡算基準(zhǔn)：整個(gè)反應(yīng)器（）在時(shí)間內(nèi)對(duì)A作物料衡算：[A流入量]=[A流出量]+[A反應(yīng)量]+[A累積量]第一節(jié)間歇釜式反應(yīng)器性能的數(shù)學(xué)描述積分等容過(guò)程上式適用于等容、等溫和變溫的各種反應(yīng)系統(tǒng)。已知反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和組分A的濃度變化，就能按此式計(jì)算反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式012n級(jí)n≠1表3－1間歇反應(yīng)器中等溫等容液相單一不可逆反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果p79穩(wěn)定狀態(tài)，在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)A作物料衡算：等溫平推流反應(yīng)器