化學反應工程 第三章 理想間歇反應器(課堂PPT)

1、2021/4/17,上海工程技術大學 化學化工學院 化學工程與工藝系,第三章 理想間歇反應器,化學反應工程Chemical Reaction Engineering,2021/4/17,3.1 理想反應器類型 3.2 反應器設計基本方程 3.3 理想間歇反應器 3.4 動力學方程的實驗測定,2021/4/17,3.1 理想反應器類型,2021/4/17,3.2 反應器設計基本方程,3.2.1 基本內容,選擇合適的反應器型式 反應動力學特性+反應器的流動特征+傳遞特性 確定最佳的工藝條件 最大反應效果+反應器的操作穩(wěn)定性 進口物料的配比、流量、反應溫度、壓力和最終轉化率 計算所需反應器體積 規(guī)定

2、任務+反應器結構和尺寸的優(yōu)化,2021/4/17,3.2.2 基本方程,2021/4/17,物料衡算方程,某組分流入量=某組分流出量+某組分反應消耗量+某組分累積量,2021/4/17,熱量衡算方程,帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應熱+熱量的累積+傳給環(huán)境的熱量,2021/4/17,動量衡算方程,氣相流動反應器的壓降大時，需要考慮壓降對反應的影響，需進行動量衡算。但有時為了簡化計算，常采用估算法。,2021/4/17,3.3 理想間歇反應器,3.3.1 特征和數學描述,特點: 1 由于劇烈攪拌，反應器內物料濃度達到分子尺度上的均勻，且反應器內濃度處處相等，因而排除了物質傳遞對反應的影響； 2 具有

3、足夠強的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內的熱量傳遞問題； 3 物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相同的反應時間。 優(yōu)點： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產 精細化工產品的生產 缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產品質量不穩(wěn)定,2021/4/17,對整個反應器進行物料衡算：,流入量 = 流出量 + 反應量 + 累積量,0,0,2021/4/17,實際操作時間（tT)=反應時間(t) + 輔助時間 (tC),反應體積V是指反應物料在反應器中所占的體積,t的計算（直接計算和圖解法）,2021/4/17,3.3.2 簡單反應,簡單一級反應 簡單二級反應 簡單零級反應 簡

4、單n級反應,2021/4/17,2021/4/17,2021/4/17,反應后期的速度很??；反應機理的變化,2021/4/17,末期動力學,反應后期轉化程度（從弱到強）二級一級零級 采用非關鍵組分過量，可提高轉化程度。,設過量化：,2021/4/17,自催化反應,特點：反應產物本身具有催化作用，如發(fā)酵過程。,反應初期：CA大，CP很小 反應進行：CA ,CP ,(-rA) 反應后期：CA 小，CP 較高 ，(-rA) 存在(-rA) max,2021/4/17,2021/4/17,3.3.3 均相可逆反應,（酯化反應）,可逆反應的平衡特性（設均為一級）,（1）若k2k1 ，則須保持足夠低的Cp

5、 ，才能向右進行； （2）反應達到平衡時，,平衡常數：K = k1/k2 平衡濃度：,3.3.3 均相可逆反應,可逆反應的平衡特性（設均為一級）,2021/4/17,（3）Vant Hoff 方程,對吸熱反應： ，T ，K 溫度升高對反應平衡有利，向正方向移動。 對放熱反應： ，T ，K 溫度升高對反應平衡不利，向逆方向移動。,2021/4/17,可逆反應的速率特征,設：,對吸熱反應：T ，K ，（k1+k2) 溫度升高對反應平衡有利，向正方向移動。 對放熱反應：T ，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe) T ，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe),引出最優(yōu)溫度,2

6、021/4/17,最優(yōu)反應溫度和最優(yōu)溫度序列,2021/4/17,2021/4/17,管式反應器或管式固定床反應器最優(yōu)溫度的實施： （1）根據理論分析，對放熱反應，反應開始時溫度要高； （2）因此需要預熱，達到Topt時，再沿最優(yōu)溫度線變化； （3）實施較為困難； （4）采用方法： 多段絕熱，段間冷卻；原料冷激，多段絕熱。,2021/4/17,理想間歇操作時，若自始至終按最優(yōu)化溫度線操作，即過程溫度隨反應轉化率（或反應時間）增加沿最優(yōu)溫度數值降低，造成隨轉化率（或反應時間）而漸降的溫度序列，則反應過程將始終以最大速率進行。,2021/4/17,3.3.4 均相平行反應,反應物及產物濃度分布,2

7、021/4/17,等溫理想間歇反應器，初始條件：,即：反應級數相同時，P和S濃度比僅由k1/k2確定，因此改變溫度才能使?jié)舛缺劝l(fā)生變化。,2021/4/17,即由溫度及A濃度有關。,2021/4/17,選擇率、收率,優(yōu)化目標：反應速率和選擇率。,2021/4/17,2021/4/17,溫度效應：,2021/4/17,濃度效應：,CA增加，有利于級數高的反應 CA降低，有利于級數低的反應,2021/4/17,提高 的方法：（圖解） （1）n1n2 若CAf不變，提高CA0，可增加 若CA0不變，提高CAf，可增加 （1）n1n2 相反，降低CA0或CAf，可提高,2021/4/17,操作條件和操

8、作方式的選擇,2021/4/17,2021/4/17,2021/4/17,3.3.5 均相串連反應,動力學特征,設一級反應：,2021/4/17,2021/4/17,串連反應的選擇率,溫度效應：,2021/4/17,濃度效應：,串連反應的選擇率總是隨著反應的進行不段地降低。 不能盲目要求高xA，否則,提高 的方法： 降低單程轉化率 反應與分離結合，邊反應、邊分離。,2021/4/17,串連反應的最大收率：,2021/4/17,操作條件和操作方式的選擇原則,最優(yōu)反應時間 降低轉化率，追求選擇率，邊反應邊分離,2021/4/17,3.4 動力學方程的實驗測定,目的：反應活化能，反應級數。,2021

9、/4/17,3.4.1 積分法分析實測數據,不同條件下測得的組分濃度（或轉化率）及產品組成與停留時間關系的數據，是經歷一定反應歷程累積的結果。,（1）測定CA-t數據，利用積分式的反應速率方程,例如：二級不可逆反應（CA0不等于CB0）,t,y,斜率（CA0-CB0)k,截距,2021/4/17,2021/4/17,（2） Half-time t1/2 method 半衰期法,t1/2：xA=0.5時所需的時間。,For a single nth-order reaction Integrating for n1 gives,2021/4/17,若n=1，,2021/4/17,運用積分法須滿足兩個條件： （1）無返混或返混極??； （2）反應動力學比較簡單。,2021/4/17,3.4.2 微分法分析實測數據,微分法求動力學方程是直接利用某一類動力學方程的微分式，以反應速度對濃度的函數作圖，然后與實測的數據相擬合的一種方法。一般也是設法把圖形線性化，把實驗數據代人。若得出一直線，便認為所假設的動力學方程是正確的。否則，重新選定另一個動力學方程進行猜算，直到得出一條直線為止。,2021/4/17,3.4.3 反應速率常數的實驗測定,可用CA-t數據（不同溫度下），求k。,（1）不可逆一