化學(xué)反應(yīng)工程[1]課件

1、化學(xué)反應(yīng)工程11第三章第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器理想流動(dòng)反應(yīng)器理想理想(Ideal)并不存在的，從流動(dòng)角度并不存在的，從流動(dòng)角度 看理想化的反應(yīng)器?？蠢硐牖姆磻?yīng)器。 主要討論三種理想反應(yīng)器：主要討論三種理想反應(yīng)器： 間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器(BR)(Batch Reactor) 全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器(CSTR)(Continuously Stirred Tank Reactor) 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器(PFR)(Plug (or Piston) Flow Reactor)化學(xué)反應(yīng)工程12一、反應(yīng)器的物料衡算方程一、反應(yīng)器的物料衡算方程第一節(jié)第一節(jié) 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.物料衡算-描

2、述濃度的變化規(guī)律 累積速率關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化速率關(guān)鍵組分輸出速率關(guān)鍵組分輸入速率關(guān)鍵組分broutinFFFF化學(xué)反應(yīng)工程132.2.能量衡算能量衡算-描述溫度的變化規(guī)律描述溫度的變化規(guī)律3.3.動(dòng)量衡算動(dòng)量衡算-描述壓力的變化情況描述壓力的變化情況4.4.動(dòng)力學(xué)方程動(dòng)力學(xué)方程-描述反應(yīng)速率隨溫度、描述反應(yīng)速率隨溫度、濃度的變化情況濃度的變化情況化學(xué)反應(yīng)工程14 1.反應(yīng)持續(xù)時(shí)間反應(yīng)持續(xù)時(shí)間tr在間歇反應(yīng)器中反在間歇反應(yīng)器中反應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間（不包括輔應(yīng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間（不包括輔助時(shí)間）。助時(shí)間）。 2.停留時(shí)間停留時(shí)間t連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中流體連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中流體微元從入口到出口所經(jīng)歷的

3、時(shí)間。微元從入口到出口所經(jīng)歷的時(shí)間。 3.平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間tc各物料微元從反應(yīng)各物料微元從反應(yīng)器入口至出口所經(jīng)歷的平均時(shí)間。器入口至出口所經(jīng)歷的平均時(shí)間。二、幾個(gè)時(shí)間概念二、幾個(gè)時(shí)間概念VVRc量反應(yīng)器中物料的體積流反應(yīng)器的有效體積化學(xué)反應(yīng)工程154.空間時(shí)間空間時(shí)間反應(yīng)器有效體積反應(yīng)器有效體積VR和反應(yīng)和反應(yīng)流體入口條件下體積流率流體入口條件下體積流率V0之比。之比。5.空間速度（空速）空間速度（空速）Sv時(shí)間時(shí)間1單位時(shí)單位時(shí)間內(nèi)投入到反應(yīng)器中的物料的體積流量與反間內(nèi)投入到反應(yīng)器中的物料的體積流量與反應(yīng)器有效容積之比。應(yīng)器有效容積之比。0RVVRONvROvVVSVVS標(biāo)準(zhǔn)空速化學(xué)

4、反應(yīng)工程166空時(shí)與反應(yīng)時(shí)間和平均停留時(shí)間的區(qū)別空時(shí)與反應(yīng)時(shí)間和平均停留時(shí)間的區(qū)別（1）空時(shí)與反應(yīng)時(shí)間：）空時(shí)與反應(yīng)時(shí)間：空時(shí)用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，反映生產(chǎn)強(qiáng)空時(shí)用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，反映生產(chǎn)強(qiáng)度的大??；度的大??；反應(yīng)時(shí)間用于間歇反應(yīng)器，反映化學(xué)反反應(yīng)時(shí)間用于間歇反應(yīng)器，反映化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行快慢的量度，并不反映反應(yīng)器的生應(yīng)進(jìn)行快慢的量度，并不反映反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度。產(chǎn)強(qiáng)度。化學(xué)反應(yīng)工程17（2）空時(shí)與平均停留時(shí)間：）空時(shí)與平均停留時(shí)間：空時(shí)空時(shí)是人為規(guī)定的參量，可以看作是過(guò)程的是人為規(guī)定的參量，可以看作是過(guò)程的 自變量，可以用空時(shí)來(lái)表示連續(xù)流動(dòng)反自變量，可以用空時(shí)來(lái)表示連續(xù)流動(dòng)反 應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程式；

5、應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程式；平均停留時(shí)間平均停留時(shí)間不是人為規(guī)定的參量，不能認(rèn)為不是人為規(guī)定的參量，不能認(rèn)為 是過(guò)程的自變量，而只有當(dāng)知道是過(guò)程的自變量，而只有當(dāng)知道 了反應(yīng)器中所發(fā)生的變化后才能了反應(yīng)器中所發(fā)生的變化后才能 確定的一個(gè)參量。確定的一個(gè)參量。即：當(dāng)?shù)葴睾闳輹r(shí)即：當(dāng)?shù)葴睾闳輹r(shí) 當(dāng)?shù)葴刈內(nèi)輹r(shí)當(dāng)?shù)葴刈內(nèi)輹r(shí) c0vv 0vv c化學(xué)反應(yīng)工程18三、流動(dòng)狀況對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響三、流動(dòng)狀況對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響 1.理想流動(dòng)和非理想流動(dòng)理想流動(dòng)和非理想流動(dòng) （1）平推流流動(dòng)）平推流流動(dòng) 軸向上完全不混合，各微元在反應(yīng)器中軸向上完全不混合，各微元在反應(yīng)器中齊頭并進(jìn)，停留時(shí)間相同（同進(jìn)同出）；齊頭并進(jìn)，停留

6、時(shí)間相同（同進(jìn)同出）； 徑向上劇烈混合，且同一截面上各微元徑向上劇烈混合，且同一截面上各微元速度、濃度、溫度均相同。速度、濃度、溫度均相同。化學(xué)反應(yīng)工程19 徑向流分布徑向流分布平推流與層流的區(qū)別平推流與層流的區(qū)別平推流：同一截面上各微元具有相同的速率，平推流：同一截面上各微元具有相同的速率，徑向劇烈混合；徑向劇烈混合；層流：層流：同一截面上各微元具有不同的速率，同一截面上各微元具有不同的速率，徑向沒有混合。徑向沒有混合?；瘜W(xué)反應(yīng)工程110（2 2）全混流流動(dòng)）全混流流動(dòng)物料加入反應(yīng)器瞬間完全混合（最大混合）；物料加入反應(yīng)器瞬間完全混合（最大混合）；反應(yīng)器中物料的溫度、濃度均勻，且等于出反應(yīng)器

7、中物料的溫度、濃度均勻，且等于出口物料的溫度、濃度；口物料的溫度、濃度；停留時(shí)間不同，形成確定的停留時(shí)間分布。停留時(shí)間不同，形成確定的停留時(shí)間分布。 由上面討論可以看出，平推流和全混流流動(dòng)由上面討論可以看出，平推流和全混流流動(dòng)是物料在反應(yīng)器中的兩種極端流動(dòng)狀況。是物料在反應(yīng)器中的兩種極端流動(dòng)狀況。（3 3）理想流動(dòng)）理想流動(dòng)平推流流動(dòng)平推流流動(dòng)全混流流動(dòng)全混流流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)工程111（4 4）非理想流動(dòng)）非理想流動(dòng)流體流動(dòng)介于平推流流動(dòng)和全混流流動(dòng)流體流動(dòng)介于平推流流動(dòng)和全混流流動(dòng)之間，即偏離理想流動(dòng)。之間，即偏離理想流動(dòng)。起因：起因：A.A.徑向流速不勻；徑向流速不勻；B.B.流體的軸向擴(kuò)散效

8、應(yīng)；流體的軸向擴(kuò)散效應(yīng)；C.C.反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；D.D.攪拌不充分。攪拌不充分?；瘜W(xué)反應(yīng)工程1122.返混返混 （1）混合：）混合： 簡(jiǎn)單混合相同停留時(shí)間的粒子的混合。簡(jiǎn)單混合相同停留時(shí)間的粒子的混合。 返混返混 (Back mixing) 不同停留時(shí)間的粒不同停留時(shí)間的粒子的混合。子的混合。 任何實(shí)際的流動(dòng)都存在返混。任何實(shí)際的流動(dòng)都存在返混。 管內(nèi)流體的流動(dòng)返混較小。管內(nèi)流體的流動(dòng)返混較小。 容器內(nèi)流體的流動(dòng)返混較大。容器內(nèi)流體的流動(dòng)返混較大?；瘜W(xué)反應(yīng)工程113按物料在反應(yīng)器內(nèi)按物料在反應(yīng)器內(nèi)返混返混情況作為反應(yīng)器分類情況作為反應(yīng)器分類的依據(jù)將能更好的反映出其本質(zhì)上的的依據(jù)將能

9、更好的反映出其本質(zhì)上的差異差異。按返混情況不同反應(yīng)器被分為以下四種類型：按返混情況不同反應(yīng)器被分為以下四種類型：間歇反應(yīng)器：間歇反應(yīng)器：間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒撮g歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器（簡(jiǎn)稱間歇反應(yīng)器）。在反應(yīng)器中物料應(yīng)器（簡(jiǎn)稱間歇反應(yīng)器）。在反應(yīng)器中物料被充分混合，但由于所有物料均為同一時(shí)間被充分混合，但由于所有物料均為同一時(shí)間進(jìn)入的，物料之間的混合過(guò)程屬于簡(jiǎn)單混合，進(jìn)入的，物料之間的混合過(guò)程屬于簡(jiǎn)單混合，不存在返混。不存在返混。（2）按返混分類反應(yīng)器）按返混分類反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程114平推流反應(yīng)器：推流反應(yīng)器：（又稱理想置換反應(yīng)器或（又稱理想置換反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器）。在連續(xù)流動(dòng)的反應(yīng)

10、器內(nèi)活塞流反應(yīng)器）。在連續(xù)流動(dòng)的反應(yīng)器內(nèi)物料允許作徑向混合（屬于簡(jiǎn)單混合）但物料允許作徑向混合（屬于簡(jiǎn)單混合）但不存在軸向混合（即無(wú)返混）。典型例子不存在軸向混合（即無(wú)返混）。典型例子是物料在管內(nèi)流速較快的管式反應(yīng)器。是物料在管內(nèi)流速較快的管式反應(yīng)器。全混流反應(yīng)器：全混流反應(yīng)器：連續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨圻B續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌头磻?yīng)器（簡(jiǎn)稱）。在這類反應(yīng)器中物型反應(yīng)器（簡(jiǎn)稱）。在這類反應(yīng)器中物料返混達(dá)最大值。料返混達(dá)最大值。非理想流反應(yīng)器：非理想流反應(yīng)器：物料在這類反應(yīng)器中存物料在這類反應(yīng)器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反應(yīng)器及全混流反應(yīng)器之間。反應(yīng)器

11、及全混流反應(yīng)器之間?；瘜W(xué)反應(yīng)工程115第二節(jié) 等溫條件下理想反應(yīng)器 目的： 對(duì)已知的反應(yīng)器，根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和物料衡算方程預(yù)測(cè)反應(yīng)結(jié)果。 對(duì)要求的反應(yīng)結(jié)果，根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和物料衡算方程決定反應(yīng)器體積?；瘜W(xué)反應(yīng)工程116一、 間歇反應(yīng)器Batch Reactor 間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器。 用于液相反應(yīng)。 在反應(yīng)過(guò)程中沒有進(jìn)出料。 反應(yīng)器內(nèi)物料充分混合，器內(nèi)各點(diǎn)溫度濃度相同。 間歇操作，需要輔助生產(chǎn)時(shí)間?；瘜W(xué)反應(yīng)工程1171.設(shè)計(jì)方程設(shè)計(jì)方程 物料衡算：Ax0RAA0At0rA0ARAA0AAA0AAARAVrdxndttdtdxnVrdxndnx1nndtdnVr00AAAA分離變量

12、積分：物質(zhì)量的累在反應(yīng)器內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)積物質(zhì)量反應(yīng)掉的單位時(shí)間物質(zhì)量流出的單位時(shí)間物質(zhì)量流入的單位時(shí)間化學(xué)反應(yīng)工程118 恒容條件下（多數(shù)情況），上式可以簡(jiǎn)化成： 二者相同。這說(shuō)明，在充分混合的間歇反應(yīng)器中，反應(yīng)是依照它的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行的。流動(dòng)過(guò)程對(duì)反應(yīng)沒有影響。42221PrdctorrdxctA0AAccAArx0AA0Ar，式對(duì)照教材.A0AccnAAkcdct化學(xué)反應(yīng)工程119反應(yīng)時(shí)間圖示化學(xué)反應(yīng)工程120非生產(chǎn)時(shí)間 非生產(chǎn)時(shí)間t包括升降溫，裝卸料，清洗等時(shí)間。 總時(shí)間tt=tr+t 反應(yīng)器處理量 反應(yīng)器總體積85060VVhrmtVVRR3tR0.:/裝料系數(shù)，取化學(xué)反應(yīng)工程121二、

13、 平推流反應(yīng)器 又稱理想置換反應(yīng)器，活塞流反應(yīng)器（ PFR， Plug Flow Reactor or Piston Flow Reactor ） 特點(diǎn)： 流體以平推流方式連續(xù)流動(dòng)；反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)僅隨軸向位置而變，在同一截面上狀態(tài)相同；在定常態(tài)下操作，參數(shù)不隨時(shí)間而變。 管式反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)接近平推流?；瘜W(xué)反應(yīng)工程122設(shè)計(jì)方程 取長(zhǎng)度為dl，體積為dVR的微元體系，以反應(yīng)組份A作物料衡算。 注意：微元體系固定在反應(yīng)器上，不隨物料流動(dòng)。dVRCA0,FA0,XA0FA,XAFA+dFA,XA+dXA化學(xué)反應(yīng)工程123 進(jìn)入dVR量=排出量反應(yīng)量積累量 FA =（FAdFA）(-rA)dVR0

14、由于FA=FA0(1xA)，dFA=FA0dxA 得物料衡算微分式：FA0dXA=(-rA)dVR 對(duì)整個(gè)反應(yīng)器積分：出AARx0AA0A0Rx0AAV00ARrdxCVVrdxFdV化學(xué)反應(yīng)工程124 對(duì)恒容過(guò)程，規(guī)律。明三者遵循同一動(dòng)力學(xué)三者相同。說(shuō)）：對(duì)照間歇反應(yīng)器和式（因此，AAAAccAArccAARAAAAAArdctrdcVVdxcdcxcc02142 . 2,1000化學(xué)反應(yīng)工程125 理解： 如果把每個(gè)流體微元看作從入口到出口流動(dòng)的小的間歇反應(yīng)器，由于沒有返混，每個(gè)微元的停留時(shí)間都相等，且等于間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間。 因此，平推流反應(yīng)器可以作為間歇反應(yīng)器的替代，而且節(jié)省非生產(chǎn)時(shí)

15、間。但是，停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)器還是采用間歇式的好。化學(xué)反應(yīng)工程126 平推流反應(yīng)器圖示：化學(xué)反應(yīng)工程127平推流反應(yīng)器的平均停留時(shí)間 根據(jù)平推流反應(yīng)器的定義，流過(guò)反應(yīng)器的所有微元體的停留時(shí)間都等于平均停留時(shí)間，也就是微元體的真實(shí)停留時(shí)間。 物料衡算式：FA0dxA=(-rA)dVR 又有變?nèi)葸^(guò)程V=V0(1AxA)RVRVdVt0AfAfxAAAAAxAAAAAxrdxctVxrdxFt0000011化學(xué)反應(yīng)工程128 平均停留時(shí)間和空間時(shí)間的區(qū)別： 當(dāng)恒容時(shí)A=0，二者相同。 在變?nèi)葸^(guò)程中，反應(yīng)速率不僅是轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，而且也是反應(yīng)體積的函數(shù)。確切地說(shuō)，是反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率造成了影響，轉(zhuǎn)化率

16、和反應(yīng)體積的變化共同影響了反應(yīng)物濃度。出AxAAAAAxrdxCt001出AxAAArdxC00RVRVdVt00RVV化學(xué)反應(yīng)工程129三、 全混流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR Continuously stirred tank reactor) 特性：物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混，達(dá)到極大程度，以至于反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；反應(yīng)器的出口組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的組成相同；連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，在定常態(tài)下操作?；瘜W(xué)反應(yīng)工程130全混流反應(yīng)器圖CA0，XA0=0V0, FA0CA, V, FA, XA, -rA化學(xué)反應(yīng)工程131 基本設(shè)計(jì)方程： 說(shuō)明，全混流反應(yīng)器在出口條件下操作，當(dāng)出口濃

17、度較低時(shí)，整個(gè)反應(yīng)器處于低反應(yīng)速率狀態(tài)。Af1AAf0ARRAfAf0A1A0ArxxFV0Vrx1Fx1F整理得：積累量反應(yīng)量排出量進(jìn)入量化學(xué)反應(yīng)工程132 全混流反應(yīng)器圖示：化學(xué)反應(yīng)工程133 三種理想反應(yīng)器對(duì)照：操作方式 返混各點(diǎn)溫度濃度停留時(shí)間BR間歇無(wú)均一一致PFR連續(xù)無(wú)分布一致CSTR 連續(xù)最大均一分布化學(xué)反應(yīng)工程134 圖33C，圖36A，圖38對(duì)照 間歇反應(yīng)器 平推流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程135例33，4，7(3) 計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別為80，90時(shí)所需平推流反應(yīng)器的大小。(4)計(jì)算轉(zhuǎn)化率分別為80，90時(shí)所需全混流反應(yīng)器的大小?；瘜W(xué)反應(yīng)工程136化學(xué)反應(yīng)工程137化學(xué)反應(yīng)

18、工程138化學(xué)反應(yīng)工程139 對(duì)全混流：化學(xué)反應(yīng)工程140同樣處理量三種反應(yīng)器對(duì)比化學(xué)反應(yīng)工程141第三節(jié) 理想反應(yīng)器熱量衡算 思路： 與物料衡算相同，含有物流攜帶的熱量進(jìn)，出，反應(yīng)和積累各項(xiàng)，同時(shí)增加反應(yīng)器與環(huán)境的熱交換項(xiàng)。 由于各種反應(yīng)器的操作方式不同，熱量衡算方程也不同。化學(xué)反應(yīng)工程142一、 間歇反應(yīng)器熱量衡算 rARTEWRARTEArAWRRrRAWHcekTTVKACpdtdTcekrHrTTVKACpdtdTdtdTCpVHVrTTKA001100代入以一級(jí)反應(yīng)為例：整理得：積累量熱效應(yīng)反應(yīng)境的熱交換反應(yīng)器與環(huán)熱量物流攜出熱量物流攜入化學(xué)反應(yīng)工程143 討論： 高度非線性。 如

19、要等溫，就要求dT/dt=0。 cA亦不是常數(shù)由物料衡算式3.2-1RTEAAAAAAAAAARAekdtdcrdxcdcxccdtdxnVr0000,1上式變成：而姑且認(rèn)為是恒容化學(xué)反應(yīng)工程144 二式聯(lián)立： 這僅僅是一級(jí)不可逆反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中的溫度變化規(guī)律。涉及到非等溫的反應(yīng)器其復(fù)雜程度可見一斑。rARTEWRHcekTTVKACpdtdT01000, 0:AAARTEAccTTtBCcekdtdc化學(xué)反應(yīng)工程145二、 平推流反應(yīng)器熱量衡算TTdKAHcekGc1dldTcekrTTdKAHrGc1dldT0dlAHrdlTTdKdTGc0dVHrdlTTdKdTTGcTGcWTTrA

20、RTE0pARTE0AWTTrApTrAWTpRrAWTpp代入以一級(jí)反應(yīng)為例：整理得：積累量熱效應(yīng)微元內(nèi)反應(yīng)境的熱交換微元與環(huán)熱量物流攜出入熱量物流攜微元進(jìn)行熱量衡算：以物料衡算所取的相同化學(xué)反應(yīng)工程146 再由物料衡算式： FA0dxA=(-rA)dVRGAcekdldcGArdldcdlArdcGdlArdcVdlArdccFdxcdcxccdlArdxFTARTEATAATAATAATAAAAAAAAAATAAA0000000,1一級(jí)反應(yīng)：得由化學(xué)反應(yīng)工程147二式聯(lián)立：注意，這里是dl而間歇反應(yīng)器是dt。如果進(jìn)一步考慮時(shí)間因素，即非定常態(tài)，就會(huì)出現(xiàn)TTdKAHcekGcdldTWTT

21、rARTEp01000, 0:AATARTEAccTTlBCGAcekdldc的變化關(guān)系。且還有溫度分布隨時(shí)間布而解出的就不只是溫度分,tclctTlTAA化學(xué)反應(yīng)工程148三、 全混流反應(yīng)器熱量衡算 0VHrTTKATTGc0VHrTTKATGcTGcRrA2W21pRrA2W2p1p整理得：積累量應(yīng)的熱效應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)反境的熱交換反應(yīng)器與環(huán)出熱量物流攜入熱量物流攜器進(jìn)行熱量衡算：在定常態(tài)下以整個(gè)反應(yīng)定常態(tài)下，既不隨時(shí)間又不隨位置變化。此方程將用于討論全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性。如果考慮非定常態(tài)，積累項(xiàng)將不為0。化學(xué)反應(yīng)工程149第四節(jié) 理想反應(yīng)器的組合 只有連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器存在組合問題。 將反應(yīng)器串

22、聯(lián)或并聯(lián)，提高處理量或轉(zhuǎn)化率。 四種情況： 平推流反應(yīng)器的并聯(lián)、串聯(lián) 全混流反應(yīng)器的并聯(lián)、串聯(lián)化學(xué)反應(yīng)工程150 一、平推流反應(yīng)器并聯(lián)： 在提高生產(chǎn)能力的同時(shí)保持盡量平推流狀態(tài)，加強(qiáng)傳熱，保持反應(yīng)器徑向的溫度均勻。 示意： 顯然，各個(gè)反應(yīng)器出口的轉(zhuǎn)化率應(yīng)當(dāng)相同，這意味著各個(gè)反應(yīng)器中流體的停留時(shí)間應(yīng)當(dāng)相同。即1=2=。化學(xué)反應(yīng)工程151 與平推流反應(yīng)器同理，全混流反應(yīng)器的并聯(lián)也應(yīng)當(dāng)有各個(gè)反應(yīng)器內(nèi)流體停留時(shí)間相同的條件?；瘜W(xué)反應(yīng)工程152 二、平推流反應(yīng)器串聯(lián)： 提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。 示意： 由于平推流反應(yīng)器不存在返混，串聯(lián)相當(dāng)于反應(yīng)器的延長(zhǎng)，相當(dāng)于反應(yīng)體積的簡(jiǎn)單增加。1210021xxxAAARRR

23、RrdxrdxcVVVV化學(xué)反應(yīng)工程1結(jié)論結(jié)論： 對(duì)于平推流反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，不管串聯(lián)對(duì)于平推流反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，不管串聯(lián)或并聯(lián)，就轉(zhuǎn)化率而言，無(wú)任何差異，或并聯(lián)，就轉(zhuǎn)化率而言，無(wú)任何差異，都與同體積的單個(gè)平推流反應(yīng)器相同，都與同體積的單個(gè)平推流反應(yīng)器相同，但從工程角度考慮（工程上允許氣速范但從工程角度考慮（工程上允許氣速范圍以及阻力損失），多采用并聯(lián)圍以及阻力損失），多采用并聯(lián)。化學(xué)反應(yīng)工程154三、全混流反應(yīng)器的串聯(lián) 示意： 假定：各釜之間沒有返混，定常態(tài)、恒容。cA0,xA0,FA0,V0cA1,xA1,cA2,xA2,cAn,xAn,cAi,xAi,化學(xué)反應(yīng)工程155 由單個(gè)全混流反應(yīng)器物料衡算方

24、程：為平推流反應(yīng)器。上式變?yōu)椋海蛔儯慈绻偡磻?yīng)體積不變，釜串聯(lián)，可得：Nx0A0A0i0RN1iii0RiAi1AiAi0Ai0R0A00AAf1AAfR0ArdxcdNVVNVVrxxcVVcVFrxxVF化學(xué)反應(yīng)工程156 顯然， 除最后一釜外，其余各釜的濃度都高于最終出口濃度，對(duì)大多數(shù)反應(yīng)，濃度升高反應(yīng)速率加快。而且，各釜之間不存在返混，因此，總反應(yīng)體積小于單個(gè)全混釜。xA1xAncA0/(-rA)iNii1化學(xué)反應(yīng)工程157 對(duì)于一級(jí)反應(yīng)：(-rA)=kcANiANNiAANjiNiiAANAAAAAAAAAAAkxkcckcckkckcckccckcckccc111111111

25、01021021222121011101同理可證，則：停留時(shí)間相同，如果各釜體積相同，即以此類推，化學(xué)反應(yīng)工程158 對(duì)于二級(jí)反應(yīng)：i1AiiAi1AiAi2Aii2AiAi1Aii2AAk2ck411c0ccckkccckcr化學(xué)反應(yīng)工程1四、 循環(huán)反應(yīng)器 在工業(yè)生產(chǎn)上，有時(shí)為了控制反應(yīng)物的合適濃度，以便于控制溫度、轉(zhuǎn)化率和收率，或?yàn)榱颂岣咴系睦寐剩３２捎貌糠治锪涎h(huán)的操作方法，如圖所示?；瘜W(xué)反應(yīng)工程1 循環(huán)反應(yīng)器的基本假設(shè)： 反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流流動(dòng)； 管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 整個(gè)體系處于定常態(tài)操作。 為方便起見，設(shè)循環(huán)物料體積流量與離開反應(yīng)系統(tǒng)物料的體積流量之比為循環(huán)比，即2A3A

26、23FFVV化學(xué)反應(yīng)工程1 對(duì)圖中M點(diǎn)作物料衡算： 對(duì)整個(gè)體系而言，有： 可以推導(dǎo)出：202A0A303A0A11A1AVVFFVVFFVFc2AA022A0A2A11xVVxFF2AA11xx化學(xué)反應(yīng)工程1 平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程: 式中，F(xiàn)A0是一個(gè)虛擬的值，它由兩部分組成，新鮮進(jìn)料FA0和循環(huán)回來(lái)的物流V3中當(dāng)轉(zhuǎn)化率為0時(shí)應(yīng)當(dāng)具有的A的摩爾流率。即：2A1AAA0ARdxxrxFV0220130110A)1 ()11 ()1 ()1 (AAAAAAAAAFXFFXFFXFF化學(xué)反應(yīng)工程1 由此得到循環(huán)反應(yīng)器體積： 當(dāng)循環(huán)比為0時(shí)，還原為普通平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程。 當(dāng)循環(huán)比時(shí)，變?yōu)槿炝鞣磻?yīng)

27、器設(shè)計(jì)方程。 當(dāng)00 （反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)的影響為正的效應(yīng)時(shí)，即1/(-rA)隨XA呈單調(diào)上升。） VP Vm 即PFR最優(yōu)。（3）n Vm 即CSTR最優(yōu)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程173二、 自催化反應(yīng)的反應(yīng)器評(píng)價(jià) 特點(diǎn)： 在一定區(qū)域內(nèi)，反應(yīng)速率隨著反應(yīng)進(jìn)行而加快：顯示出負(fù)反應(yīng)級(jí)數(shù)的特性?；瘜W(xué)反應(yīng)工程1 1.平推流與全混流反應(yīng)器平推流與全混流反應(yīng)器 低轉(zhuǎn)化率的自催化反應(yīng)，如圖 (c)所示，全混流反應(yīng)器優(yōu)于平推流反應(yīng)器；轉(zhuǎn)化率足夠高時(shí)，如圖 (a)所示，用平推流反應(yīng)器是較適宜的。但應(yīng)注意，自催化反應(yīng)要求進(jìn)料中必須保證有一些產(chǎn)物，否則平推流反應(yīng)器是不適宜的，此時(shí)應(yīng)采用循環(huán)反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)工程12.自催化反應(yīng)與

28、循環(huán)反應(yīng)器自催化反應(yīng)與循環(huán)反應(yīng)器 前面我們已推導(dǎo)出循環(huán)反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式為： 當(dāng)=0，為平推流反應(yīng)器。當(dāng)，為全混流反應(yīng)器。通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)比，可以改變反應(yīng)器流動(dòng)性能，對(duì)于一定的反應(yīng)，可以使得反應(yīng)器體積最小，這時(shí)的循環(huán)比稱為最佳循環(huán)比。2A2A1AA0ARd1xxrxFV化學(xué)反應(yīng)工程1 可由： 得到： 它表示最佳循環(huán)比應(yīng)使反應(yīng)器進(jìn)口物料的反應(yīng)速率的倒數(shù)等于反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)速率倒數(shù)的平均值。如圖所示。圖中KL代表反應(yīng)器進(jìn)口的值，PQ代表整個(gè)反應(yīng)器的平均值。0dd0ARFVixxxxxrxriiAAfAAAAfAAd1化學(xué)反應(yīng)工程1化學(xué)反應(yīng)工程13.反應(yīng)器組合反應(yīng)器組合 為了使得反應(yīng)器組的總體積最小，設(shè)計(jì)這

29、樣一組反應(yīng)器，在這組反應(yīng)器中，反應(yīng)大部分控制在最高速率點(diǎn)或接近最高速率點(diǎn)處進(jìn)行。為此，可使用一個(gè)全混釜式反應(yīng)器，它可以不必經(jīng)過(guò)較低反應(yīng)速率的中間組成，而直接控制在最高速率組成下操作。然后再由平推流反應(yīng)器完成最終反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程1化學(xué)反應(yīng)工程180三、 可逆反應(yīng)的反應(yīng)器評(píng)價(jià) 可逆反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性已經(jīng)在2.3中討論過(guò)了。結(jié)合反應(yīng)器的特性強(qiáng)調(diào)如下： 可逆吸熱反應(yīng)：反應(yīng)速率總是隨反應(yīng)的進(jìn)行而下降，為盡可能在較高濃度下反應(yīng)，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器。 可逆放熱反應(yīng)：存在最佳反應(yīng)溫度，希望反應(yīng)沿最佳溫度曲線進(jìn)行，在不同轉(zhuǎn)化率下有不同最佳溫度，因此多選用全混流反應(yīng)器組合。化學(xué)反應(yīng)工程1可逆反應(yīng)過(guò)程特點(diǎn) (1) 在

30、溫度恒定時(shí)，隨關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率xA的增加，正反應(yīng)速率k1f(xA)將隨之下降；逆反應(yīng)速率k2g(xA)將隨之上升；總反應(yīng)速率-rA=ak1f (xA)-ak2g(xA)將隨之下降。 (2)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響 在一定轉(zhuǎn)化率下，可逆吸熱反應(yīng)的速率總是隨著溫度的升高而增加。化學(xué)反應(yīng)工程1化學(xué)反應(yīng)工程1 可逆放熱反應(yīng)的速率隨溫度的變化規(guī)律如圖所示，當(dāng)溫度較低時(shí)，反應(yīng)凈速率隨溫度升高而加快，到達(dá)某一極大值后，隨著溫度的繼續(xù)升高，凈反應(yīng)速率反而下降?；瘜W(xué)反應(yīng)工程1化學(xué)反應(yīng)工程185四、 平行反應(yīng)的反應(yīng)器評(píng)價(jià) 流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀況不僅影響反應(yīng)器的大小，而且影響對(duì)目的產(chǎn)物的選擇性。選擇性是優(yōu)化考慮的主要因

31、素。 平行反應(yīng)：副產(chǎn)物目的產(chǎn)物SBAPBASk2B2APk1B1A21化學(xué)反應(yīng)工程1861.轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率的定義A0APP1AA0APAp0AA0AAnnnnnnAASSPAnnnAAx物質(zhì)反應(yīng)掉的量在系統(tǒng)中量消耗的在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物平均選擇性?；驘o(wú)論生成了物質(zhì)反應(yīng)掉的量在系統(tǒng)中物質(zhì)的量加入系統(tǒng)中的物質(zhì)反應(yīng)掉的量在系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化率, 化學(xué)反應(yīng)工程187 AfAnnApAfApApPAPAApAAApppAAPPAdnSSSrrrrrSAAPSSxynnAAy0p0pp1121101nnnn;dn-dn）（故：則若：對(duì)上述反應(yīng)物質(zhì)的消耗速率在系統(tǒng)中速率消耗的在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物瞬時(shí)選擇性自然

32、應(yīng)當(dāng)有如下關(guān)系：物質(zhì)的量加入系統(tǒng)中的量消耗的在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物收率化學(xué)反應(yīng)工程100000p11nnn) 1 (AAfAAfccApAfApnnApAfApAfApdcSccSdnSnnSS恒容時(shí)：即：性的關(guān)系瞬時(shí)選擇性與平均選擇平推流或間歇反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程189 （2）對(duì)全混流反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)的操作濃度就是出口濃度，因此： （3）對(duì)N個(gè)串聯(lián)的全混釜，ppSS AfAppfpAAnAAnAnpnAApAAppAnAnpnAApAApAnApccScPPccccSccSccSSccSccSccSccS01112121011212101101.的出口濃度時(shí)，的進(jìn)口濃度為的恒容過(guò)程，對(duì)化學(xué)反應(yīng)工

33、程1902.影響瞬時(shí)選擇性的因素 討論：將動(dòng)力學(xué)方程代入：121221bbBaaARTEE1020p1A2A2A1A1Apccekk11Srr11rrrS化學(xué)反應(yīng)工程191 （1）溫度： E1E2時(shí)，升高溫度，SP增大，對(duì)反應(yīng)有利； E1 a2；b1 b2），應(yīng)盡量在高濃度下操作，即選用平推流或間歇反應(yīng)器；若主反應(yīng)級(jí)數(shù)小于副反應(yīng)級(jí)數(shù)（a1 a2；b1 E2時(shí)，升高溫度，SP增大，對(duì)反應(yīng)有利； E1k2時(shí)，意味著前一個(gè)反應(yīng)容易 進(jìn)行，允許的轉(zhuǎn)化率較大； 當(dāng)k1Qg 自動(dòng)冷卻回到自動(dòng)冷卻回到 C點(diǎn)點(diǎn) 擾動(dòng)使擾動(dòng)使 TC ，偏離，偏離 C點(diǎn)點(diǎn) QgQr 自動(dòng)升溫回到自動(dòng)升溫回到 C點(diǎn)點(diǎn)C點(diǎn)點(diǎn)穩(wěn)定的定

34、態(tài)點(diǎn)（穩(wěn)定點(diǎn)）穩(wěn)定的定態(tài)點(diǎn)（穩(wěn)定點(diǎn)）B點(diǎn)：擾動(dòng)使點(diǎn)：擾動(dòng)使 TB，偏離，偏離 B點(diǎn)點(diǎn) QgQr 自動(dòng)升溫到自動(dòng)升溫到 C點(diǎn)點(diǎn) 擾動(dòng)使擾動(dòng)使 TB ，偏離，偏離 B點(diǎn)點(diǎn) QrQg 自動(dòng)冷卻到自動(dòng)冷卻到 A點(diǎn)點(diǎn)B點(diǎn)點(diǎn)不穩(wěn)定的定態(tài)點(diǎn)（不穩(wěn)定點(diǎn)）不穩(wěn)定的定態(tài)點(diǎn)（不穩(wěn)定點(diǎn)）dTdQdTdQgr熱穩(wěn)定條件：熱穩(wěn)定條件：化學(xué)反應(yīng)工程1Chemical Reaction Engineering操作參數(shù)對(duì)熱穩(wěn)定性的影響操作參數(shù)對(duì)熱穩(wěn)定性的影響操作參數(shù)：進(jìn)料流量操作參數(shù)：進(jìn)料流量v，傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)U、溫度、溫度Tc （To）)(crTTCpvUAQ移熱速率：移熱速率：化學(xué)反應(yīng)工程1Chemical Reaction Engineering2.3 最大允許溫差最大允許溫差dTdQdTdQrgcgQQ 定態(tài)條件定態(tài)條件熱穩(wěn)定條件熱穩(wěn)定條件dTdQQdTdQQrrgg/AfAcCCERTTT02AfAcCCERTTTT02maxmax)(最大容許溫差最大容許溫差熱穩(wěn)定性要求溫差要小，故傳熱面積要大。（熱穩(wěn)定性要求溫差要小，故傳熱面積要大。（不同點(diǎn)不同點(diǎn)）DtVA1放大