第二章化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ) 大綱

1、第二章化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器分類1、化學(xué)反應(yīng)的分類(1按化學(xué)反應(yīng)的特性分類2、反應(yīng)器的分類反應(yīng)釜夾套式蒸汽加熱反應(yīng)釜內(nèi)外盤管式加熱不銹鋼反應(yīng)釜管式反應(yīng)器鼓泡塔反應(yīng)器固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器厭氧流化床反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器平推流反應(yīng)器理想混合流反應(yīng)器第二節(jié)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)是指在均一的液相或氣相中進(jìn)行的反應(yīng)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容:研究化學(xué)反應(yīng)本身的速度規(guī)律,即物料的濃度,溫度,催化劑等因素對化學(xué)反應(yīng)速度的影響。即Rp(C,T,Cats均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)沒有考慮到物理因素的影響,僅研究化學(xué)反應(yīng)內(nèi)在規(guī)律1、反應(yīng)速率定義:對均相反應(yīng)而言,反應(yīng)速率可定義為單位時(shí)間,單位反應(yīng)體積中所生成

2、(消失的某組分的摩爾數(shù)。即對反應(yīng): aA + Bb lL + mM各組分的反應(yīng)速率:k = A0e-E/RTlnk =lnA0 E/RTdlnk/dT = E/RT2單一反應(yīng)是指用一個(gè)化學(xué)反應(yīng)式和一個(gè)動(dòng)力學(xué)方程式便能代表的反應(yīng)。2.1一級不可逆方程2.2 二級不可逆方程2.3 一級可逆方程3、復(fù)合反應(yīng)3.1 平行反應(yīng)3.2 連串反應(yīng)積分公式4、等溫變?nèi)葸^程對于定容或變?nèi)蒹w系,組分I的變化速率為:對恒容:對變?nèi)?r i的變化不僅有dC i/dt變化,而且體系V變化,C i/V,dV/dt都變化。我們通常用膨脹率來表征變?nèi)莸某潭?.1 膨脹率定義:當(dāng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率 x 線性變化時(shí),反應(yīng)物 A 全

3、部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積的變化率。反應(yīng)開始時(shí),只有A結(jié)束時(shí),只有PnV A=(2-1/1=1若開始時(shí),除A以外,還有50%的惰性氣體,A=?反應(yīng)開始時(shí),A 1mol 惰性氣體 1mol,共2mol;結(jié)束后,P 2mol 惰性氣體 1mol,共3molA=(3-2/2=0.5注意:計(jì)算A時(shí),不僅要考慮反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系,還要考慮系統(tǒng)中是否存在惰性氣體4.2 動(dòng)力學(xué)方程及積分表達(dá)式例:在700及3kg/cm2恒壓下發(fā)生下列反應(yīng)反應(yīng)開始時(shí),系統(tǒng)中含C4H10為116kg,當(dāng)反應(yīng)完成50%時(shí),丁烷分壓以2.4kg/cm2.s速率發(fā)生變化,求下列項(xiàng)次的變化速率:乙烯分壓H2的摩爾數(shù)丁烷的摩爾分率解:A=(3-1/1

4、=2反應(yīng)開始時(shí):y C4H10=1 p A=y A px=0.5 y C4H10=1/4 p A=(1/4py C2H4=1/4 p A=(2/4py H2=1/4 p A=(1/4p5、均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的建立5.1 微分法5.2 積分法(試差法微分法(圖解法微分法(最小二乘法積分法(試差法例:第三節(jié)理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)物料衡算熱量衡算1、間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間的確定:間歇反應(yīng)器的容積計(jì)算:ta 停駐時(shí)間,t R反應(yīng)時(shí)間,每小時(shí)處理物料體積為v0有效體積:設(shè)計(jì)實(shí)際體積:間歇釜設(shè)計(jì)方程圖示間歇釜設(shè)計(jì)方程圖示2 、平推流反應(yīng)器恒容時(shí):平推流反應(yīng)器的圖解計(jì)算示意圖3、理想混合反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器圖解計(jì)算示意圖

5、4、多級串聯(lián)理想混合反應(yīng)器4.1 代數(shù)法4.2 圖解法以兩只不等容的理想混合反應(yīng)器串聯(lián)操作為例:對于第一級反應(yīng)器對于第二級反應(yīng)器反應(yīng)所需的總平均停留時(shí)間為不同大小二個(gè)理想混合反應(yīng)器的組合情況根據(jù)“最大矩形法”可以確定xA1。兩個(gè)大小不等的理想混合反應(yīng)器等溫串聯(lián)操作時(shí),對一級反應(yīng)采用等體積最好;反應(yīng)級數(shù)n1時(shí),小反應(yīng)器宜在前;反應(yīng)級數(shù)n1時(shí),大反應(yīng)器應(yīng)在前。若幾只理想混合反應(yīng)器串聯(lián)操作,可參照上述方法確定最佳中間轉(zhuǎn)化率。生產(chǎn)中考慮到制造和維修方便,常采用等體積理想混合反應(yīng)器串聯(lián)操作。5、反應(yīng)器的型式和操作方法的評比與選擇選擇標(biāo)準(zhǔn):a、到達(dá)給定生產(chǎn)能力所需反應(yīng)器的體積要小b、用等量的原料得到的目的

6、產(chǎn)物要多5.1 單一反應(yīng)容積效率:指同一反應(yīng),在相同的溫度、產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率條件下,平推流反應(yīng)器與理想反應(yīng)器所需的總體積比,即5.2 復(fù)合反應(yīng)5.21 平行反應(yīng)5.22 連串反應(yīng)5.23 連串-平行反應(yīng)5.21 平行反應(yīng)主、副反應(yīng)的速率方程間歇操作連續(xù)流動(dòng)操作5.22 連串反應(yīng)5.23 連串平行反應(yīng)結(jié)論a、對于單一反應(yīng),除零級反應(yīng),為達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率下的生產(chǎn)能力,平推反應(yīng)器所需的反應(yīng)器體積比理想混合反應(yīng)器小。b、復(fù)雜反應(yīng)中,對于平行反應(yīng),主要控制反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度,高濃度有利于反應(yīng)級數(shù)高的反應(yīng);連串反應(yīng),應(yīng)控制反應(yīng)器內(nèi)物料的平均停留時(shí)間;連串-平行反應(yīng)可采用不同的加料方式來控制產(chǎn)物的分布。c、溫度對

7、復(fù)雜反應(yīng)的產(chǎn)物分布也有重大影響。平行反應(yīng),升溫有利于活化能高的反應(yīng);對于連串反應(yīng),若生產(chǎn)目的產(chǎn)物反應(yīng)的活化能高于其他副反應(yīng),宜采用高溫,反之亦然。第四節(jié)理想混合反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性:是指當(dāng)反應(yīng)過程的放熱或除熱速率發(fā)生變化時(shí),過程的溫度等因素將產(chǎn)生一系列的波動(dòng),當(dāng)外擾消除后,過程能回復(fù)到原來的操作狀態(tài),則反應(yīng)器具有熱穩(wěn)定性,或具有自衡能力,否則為熱不穩(wěn)定,或無自衡能力。1、熱穩(wěn)定性原理反應(yīng)器具有穩(wěn)定性必需滿足兩個(gè)條件:穩(wěn)態(tài)條件:穩(wěn)定條件:2、影響熱穩(wěn)定性的因素1、改變v0和A3、T與Tw間的最大溫差第五節(jié)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布1、停留時(shí)間分布的表示方法a、停留時(shí)間分布密度函數(shù)E

8、(t系統(tǒng)出口流體中,已在系統(tǒng)中停留時(shí)間為t到t+dt間的微元所占的分率為E(tdt.E(t因次:時(shí)間-1b、停留時(shí)間分布函數(shù)F(t系統(tǒng)出口流體中,已在系統(tǒng)中停留時(shí)間小于t(或介于0t間的微元所占的分率等于F(t2、停留時(shí)間分布的測定實(shí)驗(yàn)方法概述:p階躍示蹤法 p脈沖示蹤法 3、停留時(shí)間分布的數(shù)字特征 a、數(shù)學(xué)期望 b、方差 用來描述停留時(shí)間分別的離散程度 若以對比時(shí)間 為自變量 無因次方差： 第六節(jié) 流動(dòng)模型 1、理想流動(dòng)模型 a、平推流模型 b、理想混合流模型 2、非理想流動(dòng)模型 a、多級理想混合模型 b、帶死角和短路的理想混合模型 c、停留時(shí)間分布曲線的應(yīng)用 1、理想流動(dòng)模型 a、平推流模

9、型 b、理想混合流模型（階躍示蹤） 對示蹤劑在 dt 時(shí)間內(nèi)作物料衡算： 流入量=流出量=+累積量 理想混合流反應(yīng)器的 E(t和 F(t圖 非理想流動(dòng)現(xiàn)象 2、非理想流動(dòng)模型 a、多級理想混合模型 假設(shè)： 每級為理想混合 級際無返混 每一級體積相等 采用階躍示蹤法 b、帶死角和短路的理想混合模型 c、停留時(shí)間分布曲線的應(yīng)用 平推流及偏離平推流 E(t曲線 第七節(jié) 停留時(shí)間分布與化學(xué)反應(yīng) 1、反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài) 2、微觀混合反應(yīng)器的計(jì)算 a、多級理想混合模型 b、擴(kuò)散模型 3、宏觀混合反應(yīng)器的計(jì)算 1、反應(yīng)器內(nèi)流體的混合狀態(tài) p宏觀混合：微觀尺度上的均勻化稱為宏觀混合。 p微觀混合：以分子尺度混合的狀態(tài)稱為微觀混合。 2、微觀混合反應(yīng)器的計(jì)算 a、多級理想混合模型 例 2-