化學(xué)反應(yīng)工程教案4化工13胡江良

1、化學(xué)反應(yīng)工程 課程教案課次4課時2課 型（請打）理論課 討論課 實驗課 習(xí)題課 其他授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）：第1章 均相單一反應(yīng)動力學(xué)和理想反應(yīng)器1.4 等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計分析1.5 非等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計分析教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：1.掌握等溫條件下理想反應(yīng)器（間歇、平推流、全混流）設(shè)計方程2.掌握理想反應(yīng)器（間歇、平推流、全混流）定義及特性3.理解膨脹因子、膨脹率的概念4.掌握理想反應(yīng)器的熱量衡算方程及其應(yīng)用教學(xué)重點及難點：重點：理想反應(yīng)器（間歇、平推流、全混流）設(shè)計方程及熱量衡算方程。難點：熱量衡算方程及其應(yīng)用。教 學(xué) 基 本 內(nèi) 容方法及手段1

2、.4 等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計分析反應(yīng)器設(shè)計計算所涉及的基礎(chǔ)方程是反應(yīng)動力學(xué)方程、物料衡算方程、熱量衡算方程的結(jié)合。對于等溫、恒壓過程，一般只需動力學(xué)方程式結(jié)合物料衡算就足夠了。這里，結(jié)合物料衡算與熱量衡算討論三種比較簡單的理想反應(yīng)器（間歇、平推流、全混流）的計算。1.4.1間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器（Batch Reactor BR）間接操作的充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器又稱為間歇反應(yīng)器，通常都設(shè)有夾套或盤管以便加熱或冷卻釜內(nèi)的反應(yīng)物料，控制反應(yīng)溫度。充分混合是指反應(yīng)器內(nèi)的物料在機械攪拌的作用下參數(shù)（溫度及濃度）各處均一。間歇操作的缺點：存在非反應(yīng)時間，產(chǎn)物損失較大，操作費用高，通常用于產(chǎn)值高、批量小

3、的產(chǎn)物如藥品和精細(xì)化工產(chǎn)品等的生產(chǎn)。（1） 間歇反應(yīng)器的特性：由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中各位置的物料溫度、濃度都相同；所有物料在反應(yīng)器中停留時間相同，不存在不同停留時間物料的混合，即無返混現(xiàn)象；出料組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；為間歇操作，有輔助生產(chǎn)時間。一個生產(chǎn)周期應(yīng)包括反應(yīng)時間、加料時間、出料時間、清洗時間、加熱（或冷卻）時間等。（2） 間歇反應(yīng)器設(shè)計方程反應(yīng)器有效容積中物料溫度、濃度相同，故選擇整個有效容積作為衡算體系。在單位時間內(nèi)，對組分A作物料衡算：或者：A流入量 = A流出量 + A反應(yīng)量 + A累積量該式為間歇反應(yīng)器設(shè)計計算的通式，可用于均相、多相，等溫或非等溫過

4、程。 由上式，只要已知反應(yīng)動力學(xué)方程就能計算反應(yīng)時間。一般采用數(shù)值積分或圖解法。 已知動力學(xué)數(shù)據(jù)1/rAxA 曲線，然后求取xA0xAf之間曲線下的面積即為t/CA0。 同樣也可作出 1/rAcA 曲線，然后求取cA0cAf之間曲線下的面積即為反應(yīng)時間t.BR中，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間，只是動力學(xué)方程式的直接積分，與反應(yīng)器大小及物料投入量無關(guān)，故動力學(xué)方程常在間歇反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行測定。 平推流反應(yīng)器（理想置換反應(yīng)器Piston/Plug Flow Reactor，PFR）ü 1、平推流反應(yīng)器的定義和特性 1）定義：通過反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同速度向前流動，象活塞一樣在反應(yīng)器中向前

5、推進(jìn)，故又稱為活塞流或平推流反應(yīng)器。Piston/Plug Flow Reactor 2）特性： A、物料參數(shù)（溫度、濃度、壓力等）沿流動方向連續(xù)變化，不隨時間變化； B、任一截面上的物料參數(shù)相同，反應(yīng)速率只隨軸向變化； C、反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間相同，即反應(yīng)時間相同，返混02、平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程 反應(yīng)器體積VR 衡算對象：關(guān)鍵組分A 衡算基準(zhǔn)：微元體積dVR 在單位時間內(nèi)對A作物料衡算： A流入量A流出量A反應(yīng)量A累積量 或：進(jìn)入量-排出量-反應(yīng)量=累積量 若以下標(biāo)0代表進(jìn)入系統(tǒng)的物料轉(zhuǎn)化率為0的狀態(tài)，xA1代表進(jìn)入該反應(yīng)器時物料A的轉(zhuǎn)化率，xA2代表離開該反應(yīng)器時物料A的轉(zhuǎn)化率，這

6、樣，上式就可一般表達(dá)為： 對于恒容過程 :3、等溫變?nèi)葸^程1)、膨脹因子定義：每轉(zhuǎn)化1mol的A時反應(yīng)混合物增加或減少的量為化學(xué)膨脹因子。 摩爾數(shù)增加等分子數(shù)反應(yīng)， 摩爾數(shù)減少2)、膨脹率 (epsilon)定義：反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積的變化分率，即：注意：不僅涉及到計量關(guān)系，還涉及到A組分的起始摩爾分?jǐn)?shù)。、全混流反應(yīng)器（全混釜，連續(xù)流動充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器，CSTR）1、定義及特性 全混流反應(yīng)器是指反應(yīng)器內(nèi)物料流動狀況符合全混流模型的反應(yīng)器。在實際反應(yīng)器中，連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器由于強烈攪拌，流入反應(yīng)器的物料，在瞬間與反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，即使得反應(yīng)器內(nèi)各處物料的溫度、濃度都相同，反應(yīng)器內(nèi)流

7、動狀況接近全混流。 2、特性A、反應(yīng)器內(nèi)物料參數(shù)（濃度、溫度等）處處相等，且等于物料出口處的物料參數(shù)。B、物料參數(shù)不隨時間而變化；C、反應(yīng)速率均勻，且等于出口處的速率，不隨時間變化。D、返混優(yōu)點： 連續(xù)操作，不存在間歇操作所需要的輔助時間，可用于產(chǎn)量大的產(chǎn)品； 定態(tài)操作，容易實現(xiàn)自動化控制，操作簡單，節(jié)省人力； 原料加入后，立即與釜內(nèi)物料均勻混合，不存在熱量積累而引起的局部過熱，可適用于對溫度敏感的化學(xué)反應(yīng)，不會引起副反應(yīng)； 釜內(nèi)物料容量大，進(jìn)料條件發(fā)生波動時，釜內(nèi)反應(yīng)條件不會有明顯變化，穩(wěn)定性好。2、基本設(shè)計方程 1）反應(yīng)器體積VR衡算對象：關(guān)鍵組分A衡算基準(zhǔn)：整個反應(yīng)器（VR），（由于各處

8、物料均一）穩(wěn)定狀態(tài)： A流入量A流出量A反應(yīng)量0當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為0時，有：若以下標(biāo)0代表進(jìn)入系統(tǒng)的物料轉(zhuǎn)化率為0的狀態(tài)，則： 第五節(jié)、非等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計分析在等溫條件下，動力學(xué)方程的反應(yīng)速率常數(shù)是定值，根據(jù)動力學(xué)方程并結(jié)合物料衡算，即可確定反應(yīng)器的大?。坏绻磻?yīng)過程中涉及到熱量交換，放熱量/吸熱量將是變化的，需要隨時調(diào)節(jié)反應(yīng)器與外界的熱交換量，這就必須靠熱量衡算來解決。對于非等溫反應(yīng)器，熱量衡算是設(shè)計計算中不可缺少的。而對于不同類型的反應(yīng)器，其熱量衡算是不相同的。一、間歇反應(yīng)器的熱量衡算二、PFR中的熱量衡算物料衡算：熱量衡算：動力學(xué)方程：等溫過程： 絕熱過程： 令： 稱為絕熱溫升，即：在絕熱條件下組分A完全反應(yīng)時物料的溫升。 lambda三、全混流反應(yīng)器的熱量衡算 衡算基準(zhǔn)：反應(yīng)器的有效容積VR結(jié)合物料衡算及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程便可求解非等溫條件下CSTR的設(shè)計計算問題。講解作業(yè)、討論題、思考題：1、名詞解釋：膨脹因子、膨脹率以及其與組分濃度、摩爾分?jǐn)?shù)和分壓之間的關(guān)系、理想反應(yīng)器的設(shè)計方程2、練習(xí)題