化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)剖析

1、第二章化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)：(1)如何根據(jù)反應(yīng)的特點(diǎn)與反應(yīng)器的性能特征來(lái)正確選擇反應(yīng)器的形式與操作方式(2)造成非理想流動(dòng)的原因及其測(cè)定描述，非理想流動(dòng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類第二節(jié)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第三節(jié)理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)第四節(jié)理想混合反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性第五節(jié)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布第六節(jié)流動(dòng)模型第七節(jié)停留時(shí)間分布與化學(xué)反應(yīng)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2、反應(yīng)器的分類3、連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)的兩種理想形態(tài)1、化學(xué)反應(yīng)的分類(1) 按化學(xué)反應(yīng)的特性分類(2) 按反應(yīng)物料的相態(tài)分類(3) 按反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行的條件分類(1)按化學(xué)反應(yīng)的特性分類反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)單

2、反應(yīng)、復(fù)雜反應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、零級(jí)、分?jǐn)?shù)級(jí)反應(yīng)反應(yīng)的可逆性可逆反應(yīng)、/、可逆反應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)反應(yīng)分子數(shù)單分子、雙分子、三分子反應(yīng)(2)按反應(yīng)物料的相態(tài)分類均相反應(yīng)催化反應(yīng)氣相反應(yīng)、液相反應(yīng)非催化反應(yīng)非均相反應(yīng)催化反應(yīng)液-液相、氣-液相、液-固相、氣、固相非催化反應(yīng)氣-固相、固相、氣-液-固相(3)按反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行的條件分類操作方式間歇反應(yīng)、半連續(xù)反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)溫度條件等溫反應(yīng)、絕熱反應(yīng)、非絕熱變溫反應(yīng)2、反應(yīng)器的分類(1) 按物料相態(tài)分類的反應(yīng)器種類(2) 按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類(3) 按操作方式分類(1)按物料相態(tài)分類的反應(yīng)器種類反應(yīng)器種類反應(yīng)特性反應(yīng)類型舉例適用設(shè)備

3、的結(jié)構(gòu)形式均相氣相液相無(wú)相界面，反應(yīng)速率只與溫度或濃度后關(guān)燃燒、裂解等中和、酯化、水解等管式釜式非均相氣-液相液-液相氣-固相液-固相固-固相氣-液-固相啟相界面，實(shí)際反應(yīng)速率與相界回人小及相間擴(kuò)散速率有關(guān)氧化、氯化、加氫等磺化、硝化、烷基化等燃燒、還原、固相催化等還原、離子交換等水泥制造等加氫裂解、加氫脫氫等釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床、移動(dòng)床釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床(2)按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類結(jié)構(gòu)型式適用的相態(tài)應(yīng)用舉例反應(yīng)釜(包括多釜串聯(lián))液相、氣-液相、液-液相、液-固相苯的硝化、氯乙烯聚合、高壓聚乙烯、J吸丁橡膠聚合等管式氣相、液相清油裂解、甲基,快醇合成、高壓聚乙烯等鼓

4、泡塔氣-液相、氣-液-固(催化劑)相變換氣的碳化、苯的烷基化、二甲苯氧化、乙烯基乙快合成固定床氣-固(催化或非催化)相二氧化硫氧化、氨合成、乙快法制氯乙烯、乙苯脫氫、半水流化床氣-固(催化或非催化)相，特別是催化劑很快失活的反應(yīng)硫鐵礦焙燒、蔡氧化制苯酊、石油催化裂化、乙烯氧氯化制丙烯氨氧化制丙烯月青等回轉(zhuǎn)筒式氣-固相、固-固相水泥制造等噴霧式氣相、高速反應(yīng)的液相氯化氫合成、天然氣裂解制乙快反應(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)器厭氧流化床反應(yīng)器(3)按操作方式分類間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器特點(diǎn)：1、反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出。2、非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)

5、濃度、溫度隨反應(yīng)時(shí)間連續(xù)變化。3、同一瞬時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)溫度相同、濃度相同。deW0dt連續(xù)反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器特點(diǎn)：1、反應(yīng)物料連續(xù)加入，反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)引出。2、穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)任一點(diǎn)的組成不隨時(shí)間改變cC=0Cf半連續(xù)反應(yīng)器特點(diǎn)：1、某些反應(yīng)物料一次加入，其余物料連續(xù)加入，或者將某種產(chǎn)物連續(xù)取出。2、非穩(wěn)態(tài)操作。deW0dt3、連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)的兩種理想形態(tài)平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器特點(diǎn)：1、在穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，在反應(yīng)器的每個(gè)截面上，物料濃度不隨時(shí)間變化。2、所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同。2、反應(yīng)器內(nèi)物料濃度沿著流動(dòng)方向改變，故反應(yīng)速率隨空間位置改變，即反應(yīng)速率的變化只限于反應(yīng)器的軸

6、向。理想混合流反應(yīng)器特點(diǎn)：1 .物料連續(xù)以恒定的流速流入、流出反應(yīng)器，穩(wěn)態(tài)操作。2 .反應(yīng)器內(nèi)各空間位置溫度、濃度均一。3 .反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度與出口處濃度、溫度相同。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(duì)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(méi)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(duì)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（消失）的某組分的摩爾數(shù)。即1dniri=+Vdt十:表示i組分的生成速率-：表示i組分的消失速率

7、對(duì)反應(yīng)：aA+BblL+mM各組分的反應(yīng)速率:rA=1V1VdnAdtdnLdt1dnBB=1BBVdtrM=_1dnMVdt它們之間：mm幕函數(shù)形式：dOA-VOa1a2dt=kCACBk:反應(yīng)速率常數(shù)a,a2：實(shí)驗(yàn)測(cè)定常數(shù)總級(jí)數(shù)n=a+a對(duì)基元反應(yīng)：a1=a22=b復(fù)雜反應(yīng)：n需實(shí)驗(yàn)測(cè)定k遵循Arrehnies方程：k=A0e-E/RTInk=lnA0-E/RTdlnk/dT=E/RT2反應(yīng)對(duì)T敏感(2)(低溫)所以，T對(duì)K的響在低溫下更敏感對(duì)反應(yīng)A，Pkiki=koe"Ei'Tk2=koe-E2/RT若E1>E2if有利于A4P若E<EzTf有利于P-A(3

8、)、k的單位隨n而變化。級(jí)nml/Ls1級(jí)s"2級(jí)l/mol.s2、等溫、包容、單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式單一反應(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)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，只研究、等溫、包容、單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1a,7恒容ar恒'血1anA_夕J_kC°C/vdt=dT=AB不可逆反應(yīng)一級(jí)不可逆反應(yīng)二級(jí)不可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)一級(jí)可逆反應(yīng)二級(jí)可逆反應(yīng)2.1一級(jí)不可逆方程對(duì)于等溫系統(tǒng)，k為常數(shù)，初始條件：t=0Ca=Ca0一級(jí)不可逆反應(yīng)Ct關(guān)系2.2二級(jí)不可逆方程可按一級(jí)不可逆反應(yīng)的情況作類似的處理，有如下反應(yīng):因?yàn)锳,B等摩爾消耗，所以Caoxa=CboXb令M=Cbo/C

9、ao6率kSA1dn>恒容dCA-(1)M=1即Ca0=Cb0Ca=Cb1*A=kt=dC4dtcccJaaoAO1-Xa(2)M1即CaowBoCw©TA=kC：o(l-XA)(M-XA)不可逆二級(jí)反應(yīng)的Ct關(guān)系左：Caobo；右：Cao=Cbo反前反應(yīng)這導(dǎo)：原史速度的班氐f或1單反應(yīng)«靠工容不可鑿反威的動(dòng)力掌方身式及苒叫分式中藩；A-*產(chǎn)甑1皴JAj*產(chǎn)物士森！工A嚴(yán)的r+E>產(chǎn)坳（E*產(chǎn)氣）R4-R產(chǎn)物fjg）"沁S次：iA*5一產(chǎn)物禺+B+D-產(chǎn)物一心.，UT=4%一肛，打-AC，1d.C'jdC.C.-4GaQC*4。,dC“d”Jb

10、C£./i=C.G=Gy*玩-丐Mh記/f曲郊WM>Jtr=一1-J產(chǎn)，+_Jf一,二心網(wǎng)式白巾Ja-cR。無(wú)-GJ唉：中（EF乩，J嚏：2.3一級(jí)可逆方程I二RAmdCA右=klCA-k2CR若t=0,Cr0=0,則Ca+Cr=Ca0dCA=(K+k2)CA-k2CA0(kj+k9)t=InlAO(k+kz)CA-k2CA0當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)：dCA/dtCAe=k2CA0/(kl+k2).r(kj+k2)t=InCA0-CAe%=1<&=號(hào)-CA可逆一級(jí)反應(yīng)c-t圖(%=%>i*A-j加一q92-7等鼻、色可逆反四的動(dòng)力平方程式葩其積分式反應(yīng)反應(yīng)速度式屬業(yè)

11、速度的枳分式*1XS-A=WMacA/dT-tACA*CthQ+JIQ仁人一朋白M_仲市立沖R。梟=生At.25±拉.一dt7,<tr-.yq*C*-j工亡x-CQ*L超口力臟=/,”*in：儲(chǔ).一心“a_LghW，MF.記k/繳：A4*一dhC、/4r*AC"?4，JAr二_嶺二J.E&CeCnGJ七1hG*4£-(6.-亡,)MGC*/C臬口二>+勺孫五.力町上&C./dt-J»C.匚型一ft1GdA十辟號(hào)產(chǎn)+S可逆反成產(chǎn)物初始就展為白）詞上.*1一JCw'dm=©4一#'CtCs司上.ff*&a

12、mp;D*-(。府亡*濾Ltr*=tSStA-h=2R=#O*。河2、復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)是幾個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的，常見(jiàn)的復(fù)合反應(yīng)有平行反應(yīng)，連鎖反應(yīng)，平行-連鎖反應(yīng)平行反應(yīng)連串反應(yīng)3.1平行反應(yīng)drIT=kA+k*A=(k1+l)CArR=dCR/dt=kjCArs=dCs/dt=k2CA積分：t=0Crq=Cs(f0cln-=(k1+k2)tfCA=CA0e-(kl+k2)t徨Cr二春©/1代加+卜2日得：Krk2Cs=/fAoU-e8+k2)t10一級(jí)平行反應(yīng)C-t圖3.2連串反應(yīng)%k7A-i&=-dCpjdtkjR=dCR/dt=kCA-k2cRrs=dCs/dt=k2CR積

13、分：t=0Ca=Ca0Cr0=Cscf0積分公式(CA=CAOe-kltCrkrkce-e-k)CS=CAO1+晨（七匕悶工擔(dān)3）公式形式尸(x)y=0G)dx積分結(jié)果ii1叫陽(yáng))令dCR/dt=0(產(chǎn)(工)小dx-hcLaxl©比11axCao(各組分濃度變化:k1k2k2*tCk1>>k3、等溫變?nèi)葸^(guò)程對(duì)于定容或變?nèi)蒹w系，組分I的變化速率為:1;=+-Vdt蚱V)dt=±dtLdV7NT對(duì)包容:dV/dt=Ori=dCi/dt,dV/dt都變化對(duì)變?nèi)荩簉i的變化不僅有dC/dt變化，而且體系V變化，G12我們通常用膨脹率e來(lái)表征變?nèi)莸某潭?.1 膨脹率定義：

14、當(dāng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率x線性變化時(shí)，反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積的變化率P_V、a=1'Vxa=0AVvxA=O例：有一等溫氣相反應(yīng)，計(jì)算eA2molPAA2P反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，只有Alm°lA結(jié)束時(shí)，只有Pn0cVs=(2-1)/1=1若開(kāi)始時(shí)，除A以外，還有50%的惰性氣體，£=?反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，A1mol惰性氣體1mol,A共2mol;結(jié)束后，P2mol惰性氣體1mol,共3mol=(3-2)72=0.5注意：計(jì)算e時(shí)，不僅要考慮反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系,A還要考慮系統(tǒng)中是否存在惰性氣體eA的運(yùn)用前提：系統(tǒng)V隨x呈線性變化4.2 動(dòng)力學(xué)方程及積分表達(dá)式V-V0(l+£AXA)

15、nA以0(1')1-xaCa=-='=CaoVV0(l+£axa)1+eAxA1dnA1dnA0(l-xA)r=_avdtVdt_口AOdXAV0(l+£axa)dtC4H102c2H4+H2x=02mol0130x=0.51mol2mol1molC4H102c2H4+H2x=0x=0.52"0"1mol002mol1mol1+£aXadtXadxAt=Cao/0(1+i)以例：在700c及3kg/cm2恒壓下發(fā)生下列反應(yīng)反應(yīng)開(kāi)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

16、，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C4H1Q2C2H4+H2x=02mol00右萬(wàn)x=0.5解：反應(yīng)開(kāi)始時(shí)：Imolx=0.52molImolyC4H10=1pA=yApyC4H10=14pA=(1/4)pyC2H4=14pA=(24)pyH2=#4pA=("4)p(1)Pa-Pao(I-xa)1十EaXa3(1%)一1+2xadPAdt-3Pao(1+2xa)2dxA二2.4dtPAOdxa'-=-0.8(1+2%產(chǎn)出142Pa°xaPc2H4二一凡dt二L6kg/cm2,sdPc2H4_2Paodt=(1+2xa)2d-H2dllA(2)

17、1("dxAdti。33Pao0,8X(l+2X0.5)2=2.13mol/sdPAdyaPa=YaP丁二總下一二2.4dye2H4dt=0.8dH2dt二0.85、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）a.先假定一個(gè)反應(yīng)機(jī)理，并從它求出動(dòng)力學(xué)方程式，具型式為:15小多口小)atb.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CA(xA)、t作圖，得一光滑曲線，在相應(yīng)濃度位置求取曲線的斜率，此斜率就代表該組成下的反應(yīng)速率，如下圖a.c.將上一步當(dāng)!所得的dCA/dt各又tf(CA祚圖，若得一通過(guò)原點(diǎn)的直線，表明假定機(jī)理與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相復(fù)合。否則需重新假定一動(dòng)力學(xué)方程加以檢驗(yàn)，此步驟如下圖

18、b所示圖微分法檢測(cè)動(dòng)力學(xué)方程圖解程序(a)斜率為dCA/dt的曲線；(b)斜率為k的曲線如：A+BP動(dòng)力學(xué)方程乙口2”口勺使CA0=CB0,則為為lg<4口隨左口篦Igg取對(duì)數(shù)8力以lgrAlgCA乍圖得一直線，斜率為n,截距為lgkfnL場(chǎng)口一一一二5場(chǎng)1gn-二一一一16改變CA0CB0測(cè)初始反應(yīng)速率，作圖可得微分法（最小二乘法）A+B>P=lgk+igCA+眩gy=anU=Jljw2=口So+02*2）實(shí)測(cè)c=最'口00口01口巧口%口4口口yn0尢«1X口4口”2口/n巧力2口4口*2?口口yxz00Jh1積分法（試差法）a.寫出反應(yīng)速率方程的積分式:b.

19、求積分式的解c.做f（C）T圖，直線斜率則為k值例：17a。口巧口/口工：口的口逑*2口口y*i口0假定速率方程為:將上式積分：尸口口工1口左。Adtkt=lnA0=ln1一CA1一Xa實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CA(xA)、t作圖，得一條直線。如果將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)繪上去能與直線滿意擬合，則推測(cè)的動(dòng)力學(xué)方程可取，否則應(yīng)采用另一動(dòng)力學(xué)方程并加以檢驗(yàn)。積分法檢驗(yàn)速率方程圖解程序第三節(jié)理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中主要解決的問(wèn)題：(a)提高反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)所需要的容積，保證設(shè)備有一定的生產(chǎn)能力。(b)具有足夠的傳熱面積，保證反應(yīng)過(guò)程中熱量的傳遞，使反應(yīng)指控在最適合的溫度下進(jìn)行。(c)保證參加反應(yīng)的物料均勻混合。物料衡算物料衡算的

20、理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律，即反應(yīng)前后的物料質(zhì)量應(yīng)該相等。反應(yīng)物A口口反應(yīng)物A口口反應(yīng)物A由于口反應(yīng)物A日的流入速度的流出速度日反應(yīng)的消失速度日的積累速度H上式是普遍的物料衡算式，無(wú)論對(duì)流動(dòng)系統(tǒng)或間歇系統(tǒng)均可適用。熱量衡算熱量衡算的依據(jù)是能量守恒定律，對(duì)于流動(dòng)系統(tǒng)和間歇系統(tǒng)可列出均可適用的普遍的熱量衡18口隨物料流口隨物料流口反應(yīng)系統(tǒng)與外口口口反應(yīng)過(guò)程口累積的口H入的熱量HH出的熱量日日界交換的熱量R曰的熱效eR日熱量Hi、間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間的確定：進(jìn)入量=流出量+反應(yīng)掉的量+（累積量）反應(yīng)掉的量=一（累積量）t=CA0包容時(shí):間歇反應(yīng)器的容積計(jì)算：ta停駐時(shí)間，tR反應(yīng)時(shí)間，每小時(shí)處理物料體積為

21、v0“口Codx.間歇釜設(shè)計(jì)方程圖示a間歇釜設(shè)計(jì)方程圖示b有效體積：VR=（ta+tR）v0設(shè)計(jì)實(shí)際體積：V=VR/巾不起泡沸騰，巾=0.750.85起泡沸騰，巾=0.40.6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19fit+d我Ca反應(yīng)物A的流入速度=流出速度+消失速度Fa=(Fa+dFA)+rAdVdFA=dFA0(l-xA)=-FAOdxAFA0dXA=rAdV平推流反應(yīng)器的圖解計(jì)算示意圖平推流反應(yīng)器的圖解計(jì)算示意圖(a)適用一般場(chǎng)合；(b)僅適用恒容過(guò)程3、理想混合反應(yīng)器20,單位時(shí)間、d的流入量1廠單位時(shí)間、d的流出量,（單位時(shí)間）+14的反應(yīng)量）包容時(shí)A的流入速度為A

22、的流出速度為A由于反應(yīng)的消失速度為理想混合反應(yīng)器圖解計(jì)算示意圖WI積=V/Fa0=/Ca0面積=v/v=r物料衡算式4.1代數(shù)法4、多級(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器A>R以一級(jí)等溫反應(yīng)為21V0C4/-l=+5J二U-£-=ft(1JJcJCm”1+此所以當(dāng)各釜的容積Vi相等時(shí)，則A.1:1(1+/cr)-"1Clm-11+卜7ntQz_1g»t-21+上工”1CA2=1Qi1+kt?"1Cao1+"i4.2圖解法根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程做rACa22設(shè)計(jì)多級(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器時(shí)，合理分配各級(jí)反應(yīng)器的出口轉(zhuǎn)化率，可使反應(yīng)器所需總體積最小。以兩只不等容的理想混

23、合反應(yīng)器串聯(lián)操作為例：二對(duì)于第一級(jí)反應(yīng)器對(duì)于第二級(jí)反應(yīng)器T=G+反應(yīng)所需的總平均停留時(shí)間為一不同大小二個(gè)理想混合反應(yīng)器的組合情況兩種組合方式均可達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率xA2o如果能確定最佳xA1,可使反應(yīng)總體積最小。根據(jù)最大矩形法”可以確定xA10兩個(gè)大小不等的理想混合反應(yīng)器等溫串聯(lián)操作時(shí)，對(duì)一級(jí)反應(yīng)采用等體積最好；反應(yīng)級(jí)數(shù)n>1時(shí)，小反應(yīng)器官在前；反應(yīng)級(jí)數(shù)n<1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。最大矩形法矩形KLMN面積S=x1(y-y1)其中y是定值23令dS/dx1=0可

24、推得dy1/dx1=(y-y1)/x1dyldxl為M的斜率(y-y1)/x1是長(zhǎng)方形對(duì)角線LN的斜率結(jié)論：故要是長(zhǎng)方形面積最大，必需使M點(diǎn)斜率等于長(zhǎng)方形對(duì)角線的斜率。4、反應(yīng)器的型式和操作方法的評(píng)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產(chǎn)物要多5.1 單一反應(yīng)平推流反應(yīng)器、理想混合反應(yīng)器及多級(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程式為：圖中觀察可得Tir>VTm>T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，即容積效率不僅與反應(yīng)器類型有關(guān)，還與反應(yīng)級(jí)數(shù)有關(guān)對(duì)于零級(jí)反應(yīng)對(duì)于一級(jí)反應(yīng)7=1航l-lj&

25、quot;=1-X.r11對(duì)于二級(jí)反應(yīng)245.2 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)5.24 平行反應(yīng)二、SC副反應(yīng)）主、副反應(yīng)的速率方程dRdt反應(yīng)級(jí)數(shù)的大小對(duì)濃度的要求n1>n2CA大n1<n2CA小n1=n2無(wú)關(guān)I/R（土反應(yīng)）A+B卜S（副反應(yīng)）主、副反應(yīng)的速率方程25c（%-）c（自-自）S間歇操作連續(xù)流動(dòng)操作5.25 連串反應(yīng)kkA-SrAdC從/出=1<1CarR=dCR/dt=k1CA-k2CRrs=dCs/dt=k2CR若R為目的產(chǎn)物，應(yīng)提高CA,使大，可選用平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器；若S是目的產(chǎn)物，則應(yīng)降低CA,使小，可選

26、用理想混合反應(yīng)器。5.26 連串邛行反應(yīng)26A+B>R（主反應(yīng)）A+B>S（副反應(yīng)）二種加料方式：a、A慢慢加入B中（慢慢加入是指加入速率比反應(yīng)速率慢）b、B慢慢加入A中c、將A、B迅速混合連串抨行反應(yīng)產(chǎn)物分布隨時(shí)間變化結(jié)論：a、對(duì)于單一反應(yīng)，除零級(jí)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(duì)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(jí)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(lái)控制產(chǎn)物的分布。c、溫度對(duì)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

27、反應(yīng)；對(duì)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(guò)程的放熱或除熱速率發(fā)生變化時(shí)，過(guò)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(guò)程能回復(fù)到原來(lái)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(wú)自衡能力。1、熱穩(wěn)定性原理反應(yīng)放熱速率反應(yīng)除熱速率+丁一兒）=（v0C+工板一卜。0跖+KATW）Qr與反應(yīng)溫度呈非線性關(guān)系Qc與反應(yīng)溫度呈線性關(guān)系反應(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:蝮,2dTdT2、影響熱穩(wěn)定性的因素271、改變v0和A2、改變T。、Tw3、T與Tw間

28、的最大溫差doEE和(*)>dTdT&=憶dT-三EzRIEKAT-Tj=e政C(-AH)兩式相除,AT=T-TV<第五節(jié)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布1、基本概念閉式系統(tǒng)進(jìn)口,，出口系統(tǒng)年齡分布：對(duì)存留在系統(tǒng)的粒子而言，從進(jìn)入系統(tǒng)算起在系統(tǒng)中停留的時(shí)間壽命分布：流體粒子從進(jìn)入系統(tǒng)起到離開(kāi)系統(tǒng)止，在系統(tǒng)內(nèi)停留的時(shí)間返混：是指不同停留時(shí)間微元間的混合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(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(t)dt.E(t)因次：時(shí)間-1歸一化條件b、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)

29、間小于t(或介于0t間)的微元所占的分率等于F(t)dF(D=E(t)dtF=1E(f91-尸什)=£1(",基本性質(zhì):(1)0F(t)<1(2)F(0)=0;F(oo)=1(3)無(wú)因次282、停留時(shí)間分布的測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法概述：階躍示蹤法：操作容易；示蹤劑用量大，直接測(cè)出的是停留時(shí)間分布函數(shù)脈沖示蹤法：簡(jiǎn)單、示蹤劑用量少，可直接測(cè)出停留時(shí)間分布密度函數(shù)要求輸入理想脈沖3、停留時(shí)間分布的數(shù)字特征a、數(shù)學(xué)期望任力77=1龍力在幾何圖形上是E(t)曲線下的這塊面積的重心在橫軸上的影。等時(shí)間間隔，則r_w)一在b、方差用來(lái)描述停留時(shí)間分別的離散程度=("七勿=迂初一”

30、e=一為自變量以對(duì)比時(shí)間29無(wú)因次方差:a2=0為平推流<t2=1為理想混合流0<4<為非理想流動(dòng)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(jí)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、平推流模型0t01t>r0t<r=a;二0b、理想混合流模型（階躍示蹤）對(duì)示蹤劑在dt時(shí)間內(nèi)作物料衡算:流入量抽出量=+累積量30小二CvQdt+VdC積分得、.、.r.萬(wàn)差無(wú)因次方差7cr-=篤二1理想混合流反應(yīng)器的E(t)和F(t)圖非理想流動(dòng)現(xiàn)象存在滯流區(qū)存在溝流31存在短路MdddddrH000000u。cLi00ooooI。o00。o。00000。ooooo二ooooo0o0ooooo000000oooO00U。0。00C?，-1-一3、非理想流動(dòng)模型a、多級(jí)理想混合模型假設(shè)：每級(jí)為理想混合級(jí)際無(wú)返混每一級(jí)體積相等采用階躍示蹤法32第一級(jí)反應(yīng)器對(duì)第二級(jí)反應(yīng)器示蹤劑作物料衡算%G才=vCh+VdC2整理得手+專34G代得黑積分得月=同=1-.1+(同理可得r(r)=fM=l-e-系統(tǒng)的的平均停留時(shí)間t=N其中八二LT.故F=廣卜/、£(入的).dF(tnn(tYv-1£(?)=-(dt(Ar-1)!rrJE(0)=-/GN®V7(jV-1)!多