反應工程課件第三章

反應工程課件第三章第1頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

1）熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性的概念如果一個反應器是在某一平衡狀態(tài)下設計并進行操作的，就傳熱而言，反應器處于熱平衡狀態(tài)，即反應的放熱速率應該等于移熱速率。只要這個平衡不被破壞，反應器內各處溫度將不隨時間而變化，處于定態(tài)。但是，實際上各有關事數(shù)不可能嚴格保持在給定值，總會有各種偶然的原因而引起擾動。擾動表示為流量、進口溫度、冷卻介質溫度等有關參數(shù)的變動。如果某個短暫的擾動使反應器內的溫度產生微小的變化，產生兩種情況，一是反應溫度會自動返回原來的平衡狀態(tài)，此時稱該反應器是熱穩(wěn)定的，或是有自衡能力；另一種是該溫度將繼續(xù)上升直到另一個平衡狀態(tài)為止，則稱此反應器是不穩(wěn)定的，或無自衡能力。二者雖然都是熱平衡的，但是一個是穩(wěn)定的，另一個是不穩(wěn)定的?？梢?，平衡和穩(wěn)定是兩個不同的概念。平衡不等于穩(wěn)定。平衡有兩種：穩(wěn)定的平衡和不穩(wěn)定的平衡。

第2頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月一般來說，熱穩(wěn)定性條件要比熱平衡條件苛刻得多。熱平衡條件只要求放熱速率等于移熱速率，因此可以采用很大的傳熱溫差，以減少必需的傳熱面，從而簡化了反應器的結構；而熱穩(wěn)定性條件則給傳熱溫蓋以限制，要求傳熱溫差小于某個規(guī)定值，因而增加了所需的傳熱面積，使反應器結構復雜化。熱穩(wěn)定性問題，嚴格地說屬于動態(tài)問題。

即使反應器滿足熱穩(wěn)定性條件，仍然還有一個垂數(shù)靈敏性問題。參數(shù)靈敏性指的是各有關參數(shù)(流量、進口溫度、冷卻溫度等)作做小的調整時，反應器內的溫度(或反應結果)將會有多大變化。第3頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)所受到的短暫的擾動消失后，如果原定態(tài)點是穩(wěn)定的，將逐步恢復到原操作狀態(tài)。參數(shù)靈敏性問題，如果某操作參數(shù)的微小變化會引起操作狀態(tài)的很大變化，則為反應器操作狀態(tài)對該參數(shù)靈敏，反之為不靈敏。

如果反應器的參數(shù)靈敏性過高，那么對參數(shù)的調節(jié)就會有過高的精度要求，使反應器的操作變得十分困難。因此，在反應器的設計中，確定設備尺寸和工藝條件時必須設法避免過高的參數(shù)靈敏性。無論是熱穩(wěn)定性還是參數(shù)靈敏牲，兩者都給反應器的設計增加了限制因素。如果不予重視，往往會使設計的反應器無法操作。第4頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1）全混流反應器的多態(tài)自熱過程：化工生產中的放熱過程，通常利用反應熱加熱原料，以達到反應所要求的溫度，這種過程稱為自熱過程。熱穩(wěn)定性：是指定態(tài)的抗干擾能力，當外界條件有一個小的擾動時，能否仍然達到自熱要求。對反應器的要求：能自熱平衡，維持反應在恒溫下進行，當外部環(huán)境發(fā)生變化時，能保持熱穩(wěn)定性。Vm/s33hht干擾第5頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）全混流反應器的定態(tài)基本方程條件：一級不可逆反應；反應過程中體積不變A、放熱速率第6頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月B、移熱速率（2）全混流反應器的多態(tài)QR(QC)QCQRNPMTTMTPTNQR曲線與QC直線的交點處QR=QC放熱速率=移熱速率，達到了熱平衡，就是系統(tǒng)的操作點。并且這種交點隨操作參數(shù)不同有可能是多個，這種有多個交點的現(xiàn)象稱為反應器的多態(tài)。第7頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月M點：

當有擾動使T略大于TM時(dT＞0)，移熱速率大于放熱速率，體系溫度下降，自動恢復到M點。當有擾動使T略小于TM(dT＜0)時，移熱速率小于放熱速率，體系溫度上升，自動恢復到M點QQCQRNPMTTMTPTN多態(tài)操作點的特征第8頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月QQrQGNPMTTMTPTNP點：當有擾動使T略大于TP時(dT＞0),移熱速率小于放熱速率，體系繼續(xù)溫度上降，直至到N點。當有擾動使T略小于TP時(dT＜0),

移熱速率大于放熱速率，體系溫度繼續(xù)下降，直至到M點。第9頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月N點：

當有擾動使T略大于TN時(dT＞0)，移熱速率大于放熱速率，體系溫度下降，自動恢復到N點。當有擾動使T略小于TN(dT＜0)時，，移熱速率小于放熱速率，體系溫度上升，自動恢復到N點。QQCQRNPMTTMTPTN第10頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月M、N點是穩(wěn)定的定態(tài)點，P點為不穩(wěn)定的定態(tài)點全混流反應器有熱穩(wěn)定的操作點的條件：QQCQRNPMTTMTPTNQR=QC放熱速率=移熱速率放熱速率曲線的斜率﹤移熱速率直線的斜率M、N點都是穩(wěn)定的定態(tài)點實際操作中選哪一個？第11頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月5

隨著操作條件的改變，定態(tài)溫度也隨之而變。圖3.15為進料溫度T0與定態(tài)溫度T的關系示意圖。當進料溫度從T1慢慢地增加至T5時，定態(tài)溫度的變化如圖中曲線12489所示。注意的是曲線在點4處是不連續(xù)的，定態(tài)溫度突然增高，這一點稱為著火點；再繼續(xù)提高進料溫度，定態(tài)溫度的升高再不出現(xiàn)突跳現(xiàn)象；若將進料溫度逐漸降低，比如從9降至6，定態(tài)溫度則沿987621曲線下降。這條曲線也存在一個間斷點6，此處定態(tài)溫度出現(xiàn)突降，這點稱為熄火點。2）操作參數(shù)對熱穩(wěn)定性的影響第12頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

著火與熄火現(xiàn)象對于反應器操作控制甚為重要，特別是開停工的時候。例如，若操作溫度系在著火點附近，進料溫度稍有改變，便會產生超溫，從而破壞操作，可能出現(xiàn)燒壞催化劑或者可能產生爆炸等事故；在熄火點附近操作時，則易產生突然降溫以致反應終止。為了使反應器操作穩(wěn)定，應使用盡可能大的傳熱面積，和盡可能小的傳熱溫差等。至于釜式反應器，如果調節(jié)手段適當，不一定非要在穩(wěn)定的定態(tài)下操作。第13頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4

理想流動反應器的組合與比較3.4.1理想流動反應器組合

連接方式：串聯(lián)、并聯(lián)反應器類型：平推流、全混流串聯(lián)：前后順序共有七種組合討論：條件：（1）等溫（2）兩個等體積理想反應器組合（3）一級不可逆反應（4）V0,,，CA0相同問題：不同組合下，出口濃度如何？第14頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)為兩個全混流反應器并聯(lián)，每只全混流反應器出口濃度即為混合后的出口濃度

第15頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)為兩個全混流反應器串聯(lián)，第二反應器出口濃度為

(c)為平推流反應器與全混流反應器串聯(lián)，第二反應器出口濃度為

第16頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(d)為全混流反應器與平推流反應器串聯(lián)，第二反應器出口濃度為(e)為兩個平推流反應器并聯(lián)。每只平推流反應器的出口濃度即為混合后的出口濃度第17頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(f)為兩只平推流反應器串聯(lián)，第二平推流反應器出口濃度為

(g)為平推流與全混流反應器并聯(lián)

第18頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月結論(1)C與d等效，平推流與全混流反應器串聯(lián)時，與順序無關。（2）e與f等效，兩個平推流反應器串聯(lián)和并聯(lián)時結果相同，與連接方式無關。（3）CAf：a>b>c=d>e=f(4)xAf:f=e>d=c>b>a第19頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月例題3-4：等體積的平推流與全混流反應器串聯(lián)，在等溫條件下進行二級不可逆反應，反應速率

平推流與全混流反應器的接觸時間均為1min,計算其最終轉化率。第22頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：對二級不可逆反應，兩種組合最終轉化率不相同，在本題條件下，平推流在前優(yōu)于全混流在前。第23頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2理想流動反應器的體積比較

如果在這些理想反應器中進行相同的反應，采用相同的進料流量與進料濃度，反應溫度與最終反應率也相同。這幾種反應器所需的體積是否相同呢?第24頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)間歇反應器與平推流反應器體積比較如果間歇反應器與平推流反應器中進行相同的反應，采用相同的進料流量與進料濃度，反應溫度與最終反應率也相同。則兩者的體積是相同的(未考慮間歇反應器的輔助時間)，這是因為它們均不存在返混。第25頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)全混流反應器與平推流反應器體積比較如果全混流反應器與平推流反應器中進行相同的反應，采用相同的進料流量與進料濃度，反應溫度與最終反應率也相同。則由于全混流反應器中存在返混。所以反應體積要大一些。

設VRP與VRM分別表示平推流與全混流反應器的反應體積，兩者之比

當V0、CA0

、xAf

相同時，全混流反應器所需體積大于平推流反應器的體積，這是由于前者存在返混造成的。第26頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月討論（1）VRM

大于VRP（2）第27頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)平推流反應器與多級串聯(lián)全混流反應器體積比較多級全混流反應器串聯(lián)操作可以減小返混，提高推動力，縮小與平推流反應器的體積差別。A、對一級不可逆反應等體積的多級全混流反應器串聯(lián)，設VRP與VRM分別表示平推流與多級串聯(lián)全混流反應器的反應體積，兩者之比

為第28頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月B、對二級不可逆反應第30頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于多重反應，反應器中的流動情況不僅影響反應器的大小，還要影響反應的選擇率。對工業(yè)反應過程，選擇性的要求比反應器大小更重要。

3.5

多重反應的選擇率

3.5.1平行反應

反應物同時獨立地進行兩個或兩個以上的反應稱為平行反應?；どa中許多取代、加成及分解反應過程存在著平行反應。典型的平行反應可表示為AL(主反應)M(副反應)12A+BL(主反應)M(副反應)12OR第31頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月影響因素⑴選擇率的溫度效應

⑵選擇率的濃度效應

⑶平行反應加料方式的選擇

A+BL(主反應)M(副反應)12第32頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月1）對比速率AL(主反應)M(副反應)12第33頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2）平行反應的選擇率AL(主反應)M(副反應)12第34頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3）反應器的形式與選擇率的關系第35頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月4）平行反應選擇率的影響因素AL(主反應)M(副反應)12第36頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)溫度效應提高溫度對活化能高的反應有利降低溫度對活化能低的反應有利若E1>E2,則在較高溫度下進行若E1<E2,則在較低溫度下進行若E1=E2,溫度變化對選擇性無影響第37頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)濃度效應若a1>a2,較高反應物濃度對主反應有利若a1<a2,較低反應物濃度對主反應有利若a1=a2,反應物濃度對選擇性無影響平推流反應器，低的單程轉化率全混流反應器，加入稀釋劑；反應后物料循環(huán)提高濃度對級數(shù)高的反應有利降低濃度對級數(shù)低的反應有利第38頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月A+BL(主反應)M(副反應)125)平行反應提高選擇率的方法第39頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月間歇操作n1>n2,m1>m2CA,CB

都高n1>n2,m1<m2CA高,CB低n1<n2,m1<m2CA,CB

都低第40頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)流動操作n1>n2,m1>m2CA,CB

都高n1<n2,m1<m2CA,CB

都低n1>n2,m1<m2CA高,CB低第41頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題：對平行反應A+B→L（副反應），A+B→M（主反應），其中

rL=k10exp(-)CACB1.5rM=k20exp(-)CA0.5CB2當A的轉化率XA一定時，試分析如何提高主產物M的選擇率。第43頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2連串反應條件：（1）等溫（2）一級不可逆反應（3）反應過程無體積變化1）反應速率連串反應是指反應主產物能進一步反應成其他副產物的過程，許多鹵化、水解反應都屬連串反應。

第44頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月2）濃度與時間的關系第45頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月連串反應的瞬時選擇率s可表示為：

3)連串反應的選擇率

第48頁，課件共59頁，創(chuàng)作于2023年2月4)連串反應的溫度效應若E1>E2,則在較高溫度下進行若E1<E2,則在較低溫度下進行若E1