理想間歇反應器與典型化學反應的基本特征.ppt

1,第三章 理想間歇反應器與典型化學反應的基本特征,2,3.1.1反應器設計的基本內(nèi)容和方法,選擇合適的反應器型式(依據(jù)) 反應的動力學特性（反應過程的濃度效應、溫度效應及熱效應） 反應器的流動特征和傳遞特性（熱量傳遞對反應過程的影響、質(zhì)量傳遞對反應過程的影響）,3.1 反應器設計基本方程,兩者結合,3,確定適合的工藝條件 確保反應器具有良好的運轉(zhuǎn)特性、操作穩(wěn)定性 通過試驗，通過大型的工藝模擬軟件（PROII、ASPEN Plus等等） 計算所需反應器體積 確定反應器結構和尺寸 由規(guī)定的生產(chǎn)能力及操作條件來確定,4,3.1.2 反應器設計基本方程,動力學方程式化學反應器設計基礎 物料衡算方程式（摩爾衡算）計算反應器體積 某組分） G入 G出 G反應消耗 =G積累 熱量衡算方程式計算反應器溫度變化 Q入 Q出 Q反應放熱 Q 傳出=Q積累 動量衡算方程式計算反應器壓力變化,3.2 理想間歇反應器,結構及優(yōu)點 操作靈活 缺點 輔助時間長 產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,3.2.1 理想間歇反應器的特征,6,Batch Reactor,Batch Reactor Stirring Apparatus,7,理想間歇反應器的特征 反應器內(nèi)物料濃度達到分子尺度上的均勻 反應器內(nèi)各處溫度始終相等 反應器內(nèi)物料同時加入并同時停止反應,反應結果將唯一地由化學動力學所確定,攪拌器設計、安裝 攪拌器的型式、尺寸和安裝位置都要根據(jù)物料性質(zhì)和工藝要求來選擇 目的都是為了在消耗一定的攪拌功率條件下達到反應器內(nèi)物料的充分混合,8,3.2.2 間歇反應過程的數(shù)學描述,物料衡算（對象：整個反應器） （某組分）G入G出 G反應消耗 =G積累,9,理想間歇釜反應器計算基本方程 等容過程（液相系統(tǒng)）,在間歇反應器中，反應物料達到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應時間，只取決于過程的速率，而與反應器的大小無關。反應器的大小只決定于物料的處理量。因此，在放大過程中只要保證化學反應速率的影響因素相同即可。,10,基本方程的圖解積分,11,VR反應物料在反應器中所占的體積 0 單位生產(chǎn)時間所處理的物料量 tT 每批物料的操作時間,BR體積VR/0.75,BR體積計算,輔助時間（裝料、升溫、降溫、卸料、清洗）,反應時間,裝料系數(shù),12,3.2.3 理想間歇反應器中的簡單反應,1.一級反應 AP 反應動力學方程 等溫條件下反應時間,13,一級反應的r、C、x間的關系,14,動力學方程式 單組分：AP： (-rA)=kCA2 雙組分：ABP：(-rA)=kCACB 單組分反應在BR中的反應結果：,2.二級反應,15,殘余濃度表示 轉(zhuǎn)化率表示,16,二級反應的速率、濃度、轉(zhuǎn)化率相互關系,(-rA)=kCA2,(-rA)=kCA02 (1-xA)2,xA,xA,CA,CA,(-rA),(-rA),CA0kt,17,動力學方程式 反應結果,(-rA),(-rA),CA,CA,xA,xA,kt,3.零級反應,18,4.反應特性分析,19,分析討論,（1） 當時間t一定， xA和CA唯一地確定 在體積和時間一定時，T，k， xA,反應轉(zhuǎn)化率由時間決定,等式左邊,乘積kt項,等式右邊,由CA0、CA、xA組成,20,（2）CA0對反應結果的影響與反應級數(shù)有關 達到相同的轉(zhuǎn)化率所需的反應時間t： n1：tCA0 無關 n2：tCA0 反比 n0：tCA0 正比,定性判別大致的反應級數(shù),21,（3） CA0與x關系 n=1：CA0，X不變 n=2：CA0，x n=0：CA0 ，X CA0， CA,22,（4）比較反應級數(shù)n與CA和t的關系,t,CA,n=0,n=1,n=2,二級反應大部分反應時間是消耗在反應的末期,23,動力學方程：（rA）=kCACB 當CA0CB0時 方程式為： （rA）=kCA2 當CA0 CB0時， CB視作常數(shù) 方程式為： （ rA）= kCACB0= kCA 當CA0 /CB01時 方程式為： （rA）=kCACB,5.雙組分反應,ABP,24,B過量 過量濃度比： CB與CA的關系： 動力學方程式：,25,在BR中 以CB0 ktxA作圖，看過量比對反應結果的影響,26,由圖可見： x低時，M影響不明顯； x高時，M影響增大； M，達到相同x，t。 初期過量10 x0.99時CB高出CA11倍,27,【例題】,醋酸與丁醇反應生成醋酸丁酯，反應式為： CH3COOH(A)C4H9OH(B) CH3COOC4H9 (P)H2O(S) 當反應溫度為100并以硫酸作為催化劑時， 動力學方程式為： （rA）=kCA2 k=17.410-3l/(molmin)， 已知在一個理想間歇反應器中進行。,28,若進料中醋酸的初濃度為0.9mol/l和1.8mol/l 試計算： （1）反應的初始速率； （2）醋酸轉(zhuǎn)化率xA=0.5所需的反應時間； （3）若反應釜料液為100l，則各得多少公斤醋酸丁酯？,29,（1）按二級速率方程式，初始速率為：,解：,30,（2）反應時間計算式 溶液(1) 溶液(2),初濃度提高一倍，達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率要求，反應時間縮短一半。,31,（3）當醋酸轉(zhuǎn)化率為0.5時停止反應，醋酸丁酯的濃度分別為： 醋酸丁酯的公斤數(shù)分別為：,32,計算結果表明： 若初濃度提高一倍，達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率要求，不僅反應時間縮短一半，而且產(chǎn)品產(chǎn)量增加一倍。,33,6.自催化反應,APPP （rA）=kCACP 反應初期： CA，CP，r； 隨反應的進行： CA 不多，CP，r； 反應后期： CP，CA，r；,有一個最大反應速率,34,最佳濃度對應最大反應速率 令,動力學方程,35,自催化反應在BR中計算方程,36,7.理想間歇反應器的最優(yōu)反應時間,簡單反應：AP 優(yōu)化目標：單位時間單位反應器體積的產(chǎn)量最大 t，x，產(chǎn)量；x高時，r，單位時間產(chǎn)量 t，r，輔助時間比例，單位時間產(chǎn)量 單位時間產(chǎn)物生成量： 求導,37,只要知道CP與t之間關系，即可用解析法或圖解法球的最優(yōu)時間。,令,38,動力學方程,切線的斜率,切點M橫坐標最優(yōu)反應時間；縱坐標產(chǎn)物濃度,39,3.3 理想間歇反應器中的可逆反應,以正、逆反應均為一級反應為例： 反應速率： 當CP00時，,A,P,40,1. 可逆反應的特點,平衡時：正反應速率負反應速率,反應平衡常數(shù),41,.,平衡時 r1= r2 k1CAeCBe = k2CCe K=k1/ k2=Cce/CAeCBe 平衡轉(zhuǎn)化率是相應反應條件下，反應可能達到的極限。轉(zhuǎn)化率與溫度間的關系與反應的熱效應有關。 可逆反應的特點: 存在平衡態(tài)平衡時體系中物料 的濃度不變，反應凈速度為零。,42,K與T的關系符合范德霍夫方程： 可逆吸熱反應，Hr0，T，K 可逆放熱反應，Hr0，T，K,T對K的影響與 反應熱效應有 關。,43,平衡轉(zhuǎn)化率與平衡常數(shù)的關系 平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關系,K， ,可逆反應的特點： 反應結果受熱力學平衡條件的限制,44,2. 可逆反應速率,反應速率方程式 平衡時 結合平衡條件反應速率表達式,45,可逆反應速率的特征 可逆反應速率的濃度效應與簡單反應相同。 可逆反應速率的溫度效應受速率常數(shù)和平衡常數(shù)雙重影響。 對于不同溫度效應的反應有不同的特征。,46,可逆吸熱反應： T， K( )；k，(rA) 溫度提高，反應速率增加。 可逆放熱反應： T，K ( )；k，(rA)有極值 存在最優(yōu)反應溫度。,47,溫度對不同類型反應速度的影響,1）不可逆反應 不存在化學平衡問題 無論是吸熱反應、放熱反應，反應速度均隨反應溫度升高而增大。實際操作中應盡可能在溫度限制范圍內(nèi)于高溫下進行反應，以提高反應速度。,反應器材質(zhì)、催化劑使用范圍、 熱能限制、副反應的競爭等限制,48,.,2）可逆吸熱反應 化學平衡常數(shù) K 隨溫度升高而增大。 實際操作中應盡可能在溫度限制范圍內(nèi)于高溫下進行反應，以提高正反應速度。,49,3）可逆放熱反應,反應溫度升高，反應速度增大，但化學平衡常數(shù)減?。ń禍赜欣谡磻?。 存在最優(yōu)反應溫度使平衡轉(zhuǎn)化率盡可能高，且反應速度較快。 通過 求出最優(yōu)溫度。,50,.,例，對反應A P（設為一級反應）可求出： 平衡溫度 最優(yōu)溫度,51,例：P81 圖3-13，二氧化硫氧化 反應速度與轉(zhuǎn)化率及溫度的關系,1）轉(zhuǎn)化率一定時，低溫時反應速度隨溫度升高而迅速增大；,轉(zhuǎn)化率越高，對應的最優(yōu)溫度越低相應的反應速度越低。變溫操作,2）隨溫度升高，可逆放熱反應平衡常數(shù)降低，因此高溫時，反應速度隨溫度升高的增加量漸漸減少，最終減為零、負值.,* 存在最大反應速度最優(yōu)反應溫度。,52,最優(yōu)反應溫度 對于一定的反應混合物組成，具有的最大反應速率的溫度。 最優(yōu)溫度線 不同反應物組成時相應的最優(yōu)溫度。,53,可逆反應在BR中,54,2.2.4 理想間歇反應器中的平行反應,1. 平行反應反應物和產(chǎn)物濃度分布,A,P(主反應，k1）,S（副反應, k2）,55,反應物反應速率： 在BR中：,當n1=n2=n時：,56,產(chǎn)物P、S生成速率,（n1=n2=n）,主副反應產(chǎn)物濃度比由k1/k2唯一決定，只有改變T才能改變產(chǎn)物分布。,57,2.平行反應的選擇率和收率 瞬時選擇率： 反應物總速率中向目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的分率 為某一濃度、溫度條件下的選擇率,58,平均選擇率 對反應結果作出評價 瞬時選擇率的平均值,59,平均選擇性與瞬時選擇性的關系,PFR,60,收率 單程收率 總收率,61,實際工業(yè)反應器有兩種方案 反應物不分離、不循環(huán)返回的流程 單程收率 反應物經(jīng)分離循環(huán)返回反應系統(tǒng)的流程 B點：單程收率 C點：轉(zhuǎn)化率xA1 總收率,62,3.平行反應選擇率的溫度效應,選擇率隨溫度的變化取決于主、副反應活化能的相對大小。,63,E1E2，T，； E1E2，T，； E1E2，與T無關。,64,4. 選擇率的濃度效應 n1n2，C，； n1n2，C，； n1n2，與C無關。,65,理想間歇反應器中的串連反應,串連反應：APS (一級反應）,66,在BR中,67,1.串連反應特點： 反應物A隨反應的進行而單調(diào)下降； 副產(chǎn)物S隨反應的進行而單調(diào)上升； 中