化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)-反應(yīng)器基本原理課件

第七章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)----反應(yīng)器基本原理第一節(jié)概述一、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展20世紀30年代德國科學(xué)家丹克萊爾在當時實驗數(shù)據(jù)十分貧乏的情況下,較系統(tǒng)地論述了擴散、流體流動和傳熱對反應(yīng)器產(chǎn)率的影響，為化學(xué)反應(yīng)工程奠定了基礎(chǔ)，40年代末期，霍根和華生的著作《化學(xué)過程原理》及前蘇聯(lián)學(xué)者弗蘭克—卡明涅斯基的著作《化學(xué)動力學(xué)中的擴散與傳熱》相繼問世，總結(jié)了化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象的相互關(guān)系，探討了反應(yīng)器設(shè)計的問題，對化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。1957年荷蘭阿姆斯特丹舉行的歐洲第一屆化學(xué)反應(yīng)工程會議上，正式確定了“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”這一學(xué)科的名稱。第七章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)----反應(yīng)器基本原理第一節(jié)概述160年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)日趨大型化以及原料深加工向化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域提出了一系列的課題，加速了這一學(xué)科的發(fā)展。特別是后來計算機的應(yīng)用，解決了不少復(fù)雜的反應(yīng)器設(shè)計與控制問題。

80年代后，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用（如微電子器件、光導(dǎo)纖維、新材料及生物技術(shù)的應(yīng)用等），擴大了化學(xué)工程的研究領(lǐng)域，形成了一些新的學(xué)科分支，如生化反應(yīng)工程、聚合物反應(yīng)工程、電化學(xué)反應(yīng)工程等，將化學(xué)反應(yīng)工程的研究推到了一個嶄新的階段。二、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)研究的內(nèi)容和方法研究的內(nèi)容：（1）通過深入地研究，掌握傳遞過程的動力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)共同作用的基本規(guī)律，從而改進和深化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，降低能耗，提高效率。（2）開發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備。（3）指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程開發(fā)中的放大問題。（4）實現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化。60年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)日趨大型化以及原料深加工2研究的方法：數(shù)學(xué)模型在化學(xué)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括以下內(nèi)容：（1）、動力學(xué)方程式

對于均相反應(yīng)，可采用本征速率方程式；對于非均相反應(yīng)，一般采用宏觀速率方程式。（2）、物料衡算式流入量=流出量+反應(yīng)消耗量+累積量（3）、熱量衡算式

物料帶入熱=物料帶出熱+反應(yīng)熱+與外界換熱+累積熱（4）、動量衡算式輸入動量=輸出動量+動量損失（5）、參數(shù)計算式主要是指物性參數(shù)、傳遞參數(shù)及熱力學(xué)等計算公式。研究的方法：數(shù)學(xué)模型在化學(xué)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括以下內(nèi)容：3三、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系傳遞工程化學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)器的設(shè)計化學(xué)動力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)反應(yīng)器中流體流動與傳熱反應(yīng)工藝流程與設(shè)備化學(xué)工藝工程控制化學(xué)催化劑與反應(yīng)條件最佳化反應(yīng)系統(tǒng)中測量與控制三、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系傳遞工程化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)動4四、化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)器的分類（一）、化學(xué)反應(yīng)過程分類分類特征反應(yīng)過程反應(yīng)特征簡單反應(yīng)、復(fù)雜反應(yīng)（平行的、連串的等）熱力學(xué)特征可逆的，不可逆的相態(tài)均相（氣、液），非均相（氣-液，氣固、液固、氣-液-固）時間特征定態(tài)，非定態(tài)控制步驟化學(xué)反應(yīng)控制，外部擴散控制，內(nèi)部擴散控制，吸附或脫附控制四、化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)器的分類（一）、化學(xué)反應(yīng)過程分類分5判斷反應(yīng)結(jié)果的好壞主要兩個因素：反應(yīng)速率、反應(yīng)的選擇性1、反應(yīng)速率

反應(yīng)速率是指單位時間、單位體積反應(yīng)物系中反應(yīng)物或生成物的變化量。如果在反應(yīng)過程中體積是恒定的，也就是恒容過程。則上式可寫成：正號----表示產(chǎn)物的生成速率負號----表示反應(yīng)物的消失速率判斷反應(yīng)結(jié)果的好壞主要兩個因素：反應(yīng)速率、反應(yīng)的選擇性1、反6各組分的反應(yīng)速率為：各組分反應(yīng)速率之間的關(guān)系：各組分的反應(yīng)速率為：各組分反應(yīng)速率之間的關(guān)系：7根據(jù)實驗研究發(fā)現(xiàn)：均相反應(yīng)的速度取決于物料的濃度和溫度，這種關(guān)系可以用冪函數(shù)的形式表示，就是動力學(xué)方程式：k----反應(yīng)速率表常數(shù)，可以根據(jù)阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程求得：2、轉(zhuǎn)化率

對于間歇系統(tǒng)根據(jù)實驗研究發(fā)現(xiàn)：均相反應(yīng)的速度取決于物料的濃度和溫度，這8對于連續(xù)流動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率則以下式表示：對于等溫、恒容反應(yīng)，可以用濃度表示：3、反應(yīng)的選擇性aApP（目的產(chǎn)物）qQ（副產(chǎn)物）反應(yīng)的選擇性是指生成的目的產(chǎn)物量與已轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物量之比。對于連續(xù)流動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率則以下式表示：對于等溫、恒容反應(yīng)，可9收率：生成目的產(chǎn)物的量比加入反應(yīng)物的量收率、轉(zhuǎn)化率與選擇性之間的關(guān)系為：有時也用質(zhì)量收率表示：收率：生成目的產(chǎn)物的量比加入反應(yīng)物的量收率、轉(zhuǎn)化率與選擇性之10（二）、反應(yīng)器的分類

1、按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：反應(yīng)器的種類反應(yīng)類型設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式反應(yīng)特性均相氣相液相燃燒、裂解中和、硫化、水解管式釜式無相界面，反應(yīng)速率只與溫度或濃度有關(guān)非均相氣-液相液-液相氣-固相液-固相固-固相氣-液-固相氧化、氯化、加氫磺化、硝化、烷基化燃燒、還原、固相催化還原、離子交換水泥制造加氫裂解、加氫硫化釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床在相界面，實際反應(yīng)速率與相界面大小及相間擴散速率有關(guān)（二）、反應(yīng)器的分類1、按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：反應(yīng)器的種類112、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)釜液相，氣-液相液-液相，液固相藥物的合成、染料、中間體合成、樹脂合成管式氣相，液相輕質(zhì)油裂解，高壓聚乙烯鼓泡塔氣-液相，氣-液-固相變換氣的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧化固定床氣-固相SO2氧化，乙苯脫氫半水煤氣的產(chǎn)生流化床氣-固相硫鐵礦焙燒，萘氧化制苯酐回轉(zhuǎn)筒式氣-固相，固-固相水泥生產(chǎn)噴嘴式氣相，高速反應(yīng)的液相氯化氫的合成，天然氣裂解制乙炔3、按操作方式分類1）、間歇操作2）、連續(xù)操作3）、半連續(xù)半間歇操作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12五、理想均相反應(yīng)器1、理想間歇反應(yīng)器反應(yīng)器理想化的條件：反應(yīng)物粘度小、攪拌均勻、壓強、溫度均一（任一時刻物料的組成，溫度均一），這就是理想間歇反應(yīng)器（batchreactor簡稱BR）特點：操作具有較大的靈活性，操作彈性大，相同設(shè)備可以生產(chǎn)多個品種。缺點：勞動強度大，裝料、卸料、清洗等輔助操作常消耗一定時間，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。2、活塞流反應(yīng)器在等溫操作的管式反應(yīng)器中，物料沿著管長，齊頭并進，象活塞一樣向前推進，物料在每個截面上的濃度不變，反應(yīng)時間是管長的函數(shù)，象這種操作稱為理想置換，這種理想化返混量為零的管式反應(yīng)器稱為活塞流反應(yīng)器（plugflowreactor簡稱PFR）。五、理想均相反應(yīng)器1、理想間歇反應(yīng)器特點：操作具有較大的靈活133、全混流反應(yīng)器特點：由于強烈的攪拌，物料進入反應(yīng)器的瞬間即與反應(yīng)器中的物料混合均勻，反應(yīng)器內(nèi)物料組成、溫度均勻一致，并且等于出口處物料的組成和溫度。工業(yè)上將攪拌良好且物料粘度不大的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（continuousStirredtankreactor簡稱CSTR）近似地看成全混流反應(yīng)器（是一種返混量為無限大的理想化的流動反應(yīng)器）

4、多級全混流反應(yīng)器多個全混流反應(yīng)器串聯(lián)起來，工業(yè)上的多釜串聯(lián)反應(yīng)器（continuousstirredtankreactorseries簡稱CSTRS）與之近似，其特點：（1）反應(yīng)是在多個反應(yīng)釜中進行的，中間無物料加入和產(chǎn)物引出，上個反應(yīng)釜的出口濃度與下個反應(yīng)釜入口濃度相同。（2）各反應(yīng)釜中組成、溫度均勻一致，級與級之間是突然變化的。（3）從一級至最后一級，反應(yīng)物濃度是逐漸降低的，串聯(lián)反應(yīng)器數(shù)目越多，其性能越接近活塞流反應(yīng)器。3、全混流反應(yīng)器4、多級全混流反應(yīng)器14第二節(jié)物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型常見的流動模型分為:理想置換理想混合非理想流動模型擴散模型多級理想混合模型理想流動模型一、理想流動模型1、理想置換理想置換又稱為活塞流，理想排擠或列流。特點：①、在垂直流動方向的截面上，所有的物性都是均勻一致，即截面上各點的溫度、濃度、壓力、速度分別相同。②、反應(yīng)器內(nèi)所有物料粒子的停留時間相同，物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間是管長的函數(shù)。第二節(jié)物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型常見的流動模型分為:152、理想混合特點：①、反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度均均一致，并且等于出口處的物料濃度和溫度。②、物料粒子的停留時間參差不齊，有一個典型分布。

“逆向混合”也叫“返混”,在反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時間的粒子間的混合。引起逆向混合的主要原因有：1）、由于攪拌造成渦流擴散，使物料粒子出現(xiàn)倒流。2）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式反應(yīng)器內(nèi)流體作層流，流速呈拋物線分布，同一截面上不同半徑處的物料粒子的停留時間不一樣，它們之間的混合也就是不同停留時間的物料間的混合，也就是逆向混合。3）、反應(yīng)器內(nèi)形成的死角也會導(dǎo)致逆向混合。2、理想混合“逆向混合”引起逆向混合的主要原因有：1）、由于16二、非理想流動模型凡是流動狀況偏離活塞流和全混流這兩種理想情況的流動統(tǒng)稱為非理想流動。

造成非理想流動的原因有：①、設(shè)備內(nèi)各處速度的不均勻所致②、由于反應(yīng)器中物料粒子的運動（如攪拌、分子擴散等）導(dǎo)致與主體流動方向相反的運動，導(dǎo)致偏離全混流的特性。層流湍流平推流二、非理想流動模型凡是流動狀況偏離活塞流和全混流這兩種理17非理想流動模型分為：

①、軸向擴散模型②、多釜串聯(lián)流動模型c1c2cicnCA,0dxcc+dc非理想流動模型分為：①、軸向擴散模型②、多釜串聯(lián)流動模型c18第三節(jié)物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布一、停留時間分布函數(shù)為了研究方便，可以作如下假定：①、反應(yīng)器內(nèi)為定態(tài)操作，流動狀況穩(wěn)定，不變化②、流體為不可壓縮流體，系統(tǒng)若進行反應(yīng)則反應(yīng)混合物體積不變。分布函數(shù)停留時間分布密度函數(shù)E（t）

停留時間分布函數(shù)F（t）

第三節(jié)物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布一、停留時間分布函數(shù)為191、停留時間分布密度函數(shù)E（t）假設(shè)進入反應(yīng)器有N份物料，停留時間為t→t+dt的只有dN份物料，則停留時間為t→t+dt的物料占進料物料的分率為：tＥ（ｔ）tt+dtE(t)dt能決定停留時間分布情況的函數(shù)E（t）叫做停留時間分布密度函數(shù)。E（t）的大小并不表示分率的大小，而是E（t）曲線以下在t→t+dt間的面積即E（t）dt才是分率dN/N的大小，所以把E（t）稱作“分布密度函數(shù)”。歸一化的性質(zhì)：

1、停留時間分布密度函數(shù)E（t）假設(shè)進入反應(yīng)器有N份物料202、停留時間分布函數(shù)F（t）假若在時間0→t之間進入反應(yīng)器的物料粒子中，具有停留時間從0→t間的物料粒子的量占進料總量的分數(shù)，稱為停留時間分布函數(shù)，用F（t）表示:tt+dtdF(t)dtt1.0F(t)分布函數(shù)Ｅ（ｔ）和Ｆ（ｔ）的關(guān)系為：上式表明F（t）曲線上停留時間為t時對應(yīng)點的斜率為E（t）2、停留時間分布函數(shù)F（t）tt+dtdF(t)dt21二、停留時間分布的實驗測定1、脈沖示蹤法連續(xù)操作的流動體系Ｍ０ｑＶｑＶ測定示蹤物濃度c(t)隨時間t的變化經(jīng)過t→t+dt時間間隔從出口所流出的示蹤物占示蹤物總量（M0）的分率為：二、停留時間分布的實驗測定1、脈沖示蹤法連續(xù)操作的流動體系Ｍ22在注入示蹤物的同時，進入流動體系的物料若是N，則在反應(yīng)器內(nèi)停留時間為t→t+dt的物料在N中所占的分率為：由于示蹤物和物料在同一個流動體系里，所以C(t)t在注入示蹤物的同時，進入流動體系的物料若是N，則在反應(yīng)器232、階躍示蹤法連續(xù)操作的流動體系ｑＶｑＶ測定示蹤物濃度c(t)隨時間t的變化從某一時刻起連續(xù)加入示蹤物在階躍示蹤法中，t秒時由出口測出的是停留時間為0→t秒的示蹤物，即凡是停留時間小于或等于t的示蹤物在t秒都會從出口流出來，所以階躍法在t秒時所測定的示蹤物濃度（t）應(yīng)為：2、階躍示蹤法連續(xù)操作的流動體系ｑＶｑＶ測定示蹤物濃度c(24C0t三、停留時間分布的數(shù)字特征1、歸一化性質(zhì)2、數(shù)學(xué)期望停留時間是一個隨機變量，表示其分布特征的數(shù)學(xué)期望就是平均停留時間，即：C0t三、停留時間分布的數(shù)字特征1、歸一化性質(zhì)2、數(shù)學(xué)期望25如果用實驗測定，每隔一段時間取一次樣，所得E（t）函數(shù)一般為離散型，也就是各個等間隔時間下的E（t），則平均停留時間為：3、方差衡算物料停留時間分布的離散程度（簡稱散度），即表征物料粒子各停留時間與平均停留時間的偏離程度，就以方差表示。利用實驗數(shù)據(jù)計算方差，上式改為：如果用實驗測定，每隔一段時間取一次樣，所得E（t）函數(shù)一264、以量綱為1的對比時間θ作自變量的方差空間時間為量綱為1的對比時間為:對應(yīng)的分布密度函數(shù)為:理想置換型理想混合型非理想流動型對應(yīng)的分布函數(shù)為:以量綱為1的對比時間θ作自變量的方差為:4、以量綱為1的對比時間θ作自變量的方差理想置換型對應(yīng)的分布27四、理想反應(yīng)器中的停留時間分布1、理想置換反應(yīng)器tE(t)τtF(t)τ1.0t≠τE(t)=0t=τE(t)=∞t＜τF(t)=0t≥τF(t)=1σt2=0σ2=0方差:四、理想反應(yīng)器中的停留時間分布1、理想置換反應(yīng)器tE(t)τ282、理想混合反應(yīng)器M0qVqVqV0→tt→t+dtc0c(t)c(t)+dc(t)C0=M0/Vt時釜內(nèi)原有的示蹤物的量=(t+dt)時釜內(nèi)存留的示蹤物的量

+dt時間間隔流出的示蹤物的量物料衡算:Vc(t)=V[c(t)+dc(t)]+qVc(t)dt2、理想混合反應(yīng)器M0qVqVqV0→tt→t+29tE(t)τtF(t)τ1.00.632在理想混合反應(yīng)器中，物料粒子的停留時間很分散，停留時間非常長的粒子不多。當反應(yīng)器中物料粒子在t=τ時，F(xiàn)（t）=1-e-1=0.632。說明有63.2%的物料粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時間小于平均停留時間τ。這些粒子可能沒有來得及反應(yīng)就離開了反應(yīng)器。所以在其他條件相同時，相同容積的理想混合反應(yīng)所能達到的最終轉(zhuǎn)化率，必然要比理想置換反應(yīng)器的小。方差:tE(t)τtF(t)τ1.00.632在理想混30五、非理想反應(yīng)器中的停留時間分布1、多級理想混合模型第一釜:第二釜:在t→t+dt時間間隔作物料衡算:

進入釜的示蹤物量–離開釜的示蹤物量=釜內(nèi)示蹤物改變量qVc1(t)dt–qVc2(t)dt=V[c2(t)+dc2(t)]–Vc2(t)設(shè)反應(yīng)器中平均停留時間相等，即：解此一階微分方程得：五、非理想反應(yīng)器中的停留時間分布1、多級理想混合模型第一釜:31第三釜:第四釜:第N釜:物料在N釜串聯(lián)反應(yīng)器的停留時間密度分布函數(shù)為：第三釜:第四釜:第N釜:32總平均停留時間為：量綱為1的對比時間為:代入上式得：積分得停留時間分布函數(shù)：用量綱為1的對比時間θ表示為:總平均停留時間為：量綱為1的對比時間為:代入上式得：積分得停33從上圖可以看出：串聯(lián)級數(shù)N增加，峰形愈窄，分布愈趨于集中。當N=∞時，F(xiàn)（θ）=1，此時為活塞流。在多級理想混合反應(yīng)器中，在前一段停留時間很短的物料粒子可能在后面各級中的停留時間可能會延長，這樣會使系統(tǒng)中所有物料粒子分布較均衡，改變了停留時間不均的現(xiàn)象，使停留時間分布趨于集中。串聯(lián)的級數(shù)N是表征系統(tǒng)返混程度的一個定量指標，說明實際反應(yīng)器的返混程度相當于N級等容串聯(lián)的理想混合反應(yīng)器中的返混程度，N是個虛擬級數(shù)，稱為模型參數(shù)。從上圖可以看出：串聯(lián)級數(shù)N增加，峰形愈窄，分布愈趨于集中。當34用量綱為1的比時間θ表示方差為：2、分散模型用量綱為1的比時間θ表示方差為：2、分散模型35六、停留時間分布曲線的應(yīng)用研究停留時間分布，就考慮如何避免非理想流動。在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)上加以改進，使之接近理想反應(yīng)器流動狀況。1)、根據(jù)測定的停留時間分布曲線形狀可以定性地判斷一個反應(yīng)器內(nèi)物料的流動狀況，從而制定改進方案。2)、可以通過計算數(shù)學(xué)期望和方差，求取模型參數(shù)N。3)、對某些反應(yīng)，則可以直接運用E（t）函數(shù)進行定量計算。六、停留時間分布曲線的應(yīng)用研究停留時間分布，就考慮如何361、判斷物料在反應(yīng)器里的流動狀況tE(t)τtE(t)τtE(t)τ正常早出峰晚出峰其曲線位置與峰形都和預(yù)期的相符。出峰太早,說明反應(yīng)器內(nèi)有溝流和短路現(xiàn)象,導(dǎo)致停留時間小于預(yù)期值.峰形落后于預(yù)期值,說明可能是計量誤差,或是示蹤物在器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)或是被吸附在器壁上而減少所致.1、判斷物料在反應(yīng)器里的流動狀況tE(t)τtE(t)τtE37tE(t)τtE(t)τ內(nèi)部再循環(huán)曲線出現(xiàn)幾個遞降峰形,說明反應(yīng)器內(nèi)的物料有循環(huán)流動.平行通道不均勻曲線形狀說明反應(yīng)器內(nèi)存在兩股平行的流體.tE(t)τtE(t)τ內(nèi)部再循環(huán)曲線出現(xiàn)幾個遞降峰形382、計算化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，是化學(xué)動力學(xué)微分方程對時間積分的結(jié)果，假若物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間并不均勻一致，停留時間為t的那部分物料的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率是x（t），在此反應(yīng)器里的轉(zhuǎn)化率就是x（t）的平均值。若停留時間間隔取得足夠小，則對于一級反應(yīng)，其轉(zhuǎn)化率與起始濃度無關(guān)，一個分子參與反應(yīng)的幾率僅僅是它在反應(yīng)器內(nèi)停留時間的函數(shù)，與該分子同其也分子相遇的概率無關(guān)。一級反應(yīng)可以有上式計算平均轉(zhuǎn)化率。②、非一級反應(yīng)對于非一級反應(yīng)，情況比較復(fù)雜，單個分子在反應(yīng)器中參與反應(yīng)的概率不僅與停留時間有關(guān)，而且還與該分子和其他分子相遇的概率有關(guān)，所以不能直接用上式進行計算。分析：①、一級反應(yīng)2、計算化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，是化學(xué)動力學(xué)39一、基本原理1、物料衡算對于反應(yīng)物A：流入量-流出量-反應(yīng)消失量-累積量=0①②③④對于間歇反應(yīng)器：①、②項為零。對于定態(tài)操作的連續(xù)反應(yīng)器：不存在累積，④項為零。對于半連續(xù)操作和非定態(tài)操作的連續(xù)流動反應(yīng)器:四項均需考慮.2、熱量衡算隨物料帶入的熱量①隨物料帶出的熱量②

反應(yīng)系統(tǒng)與外界交換的熱量③反應(yīng)過程的熱效應(yīng)④

累積的熱量⑤

--+-=0對于間歇操作系統(tǒng)：①、②項為零。對于定態(tài)連續(xù)流動反應(yīng)器：⑤項為零。對半連續(xù)操作和非定態(tài)操作的連續(xù)流動反應(yīng)器：五項均不為零。第四節(jié)理想均相反應(yīng)器的計算1、物料衡算①②40二、間歇反應(yīng)器（BR）對整個反應(yīng)器在微元時間dt間進行衡算:-(因反應(yīng)組分A消失的量)=(反應(yīng)物A的累積量)∵nA=nA0(1-xA)∴1、反應(yīng)時間的確定二、間歇反應(yīng)器（BR）對整個反應(yīng)器在微元時間dt間進行衡算41反應(yīng)時間用濃度表示,則:討論:1)、零級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=k反應(yīng)時間用濃度表示,則:討論:1)、零級反應(yīng)反應(yīng)422)、一級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)、二級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA22)、一級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)434）、圖解積分計算方法動力學(xué)方程較復(fù)雜時，可以采用圖解積分方法計算xA1/rAxA0cA1/rAcA，00cA計算出陰影部分的面積就可以求出反應(yīng)時間t4）、圖解積分計算方法xA1/rAxA0cA1/rAcA，0442、反應(yīng)器體積計算間歇反應(yīng)器的整個操作過程如下：加料→升溫→反應(yīng)→降溫→出料→清洗反應(yīng)達到一定的轉(zhuǎn)化率xA所需的時間為t，反應(yīng)前后的輔助時間（加料、升溫、降溫、出料、清洗）為t′

則反應(yīng)器的體積為：

考慮到裝料系數(shù)φ，反應(yīng)器的實際體積為：一般取φ=0.4--0.85攪拌下，漩渦不大，取0.7反應(yīng)有泡沫或沸騰取0.4-0.65反應(yīng)平靜取0.75-0.85υ0-----表示每小時處理物料的體積.2、反應(yīng)器體積計算反應(yīng)達到一定的轉(zhuǎn)化率xA所需的時間為t，則45例：溫度為343K時，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為催化劑，在間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器中進行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂。以己二酸為著眼組分的反應(yīng)動力學(xué)方程式為：cA，0=4×10-3[kmol·l-1]，k=1.97[l·kmol-1·min-1]若每天處理2400kg己二酸，每批操作的輔助時間為t′=1h，裝料系數(shù)φ=0.75，要求轉(zhuǎn)化率為80%，試計算該反應(yīng)器的體積。例：溫度為343K時，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為催化劑46三、活塞流反應(yīng)器dLLdV對于定態(tài)操作的活塞流反應(yīng)器，取某一微元體積dV，對組分A進行物料衡算：流入量=流出量+反應(yīng)消失量+累積量FAFA+dFArAdV0FA=FA+dFA+rAdVdFA=d[FA,0(1-xA)]=-FA,0dxA=-rAdV三、活塞流反應(yīng)器dLLdV對于定態(tài)操作的活塞流反應(yīng)器，取某一47為了對連續(xù)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力進行比較,往往引進空間時間(簡稱空時)這一概念,其定義為:在規(guī)定條件下進入反應(yīng)器的物料通過反應(yīng)器所需要的時間稱為空時,即:在其它條件不變的情況下,空時越小,表示反應(yīng)器的處理物料量越大,說明生產(chǎn)能力大.為了對連續(xù)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力進行比較,往往引進空間時間(481、對于恒溫恒容反應(yīng)空間時間用濃度表示,則:討論:1)、零級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=k1、對于恒溫恒容反應(yīng)空間時間用濃度表示,則:討論:1)、零級492)、一級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)、二級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA22)、一級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)504）、圖解積分計算方法動力學(xué)方程較復(fù)雜時，可以采用圖解積分方法計算xA1/rAxA0cA1/rAcA，00cA計算出陰影部分的面積就可以求出反應(yīng)時間τ4）、圖解積分計算方法xA1/rAxA0cA1/rAcA，051例：溫度為343K時，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為催化劑，在活塞流反應(yīng)器中進行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂。以己二酸為著眼組分的反應(yīng)動力學(xué)方程式為：cA，0=4×10-3[kmol·l-1]，k=1.97[l·kmol-1·min-1]若每天處理2400kg己二酸，要求轉(zhuǎn)化率為80%，試計算該反應(yīng)器的體積。例：溫度為343K時，等摩爾比的己二酸與己二醇以硫酸為催化劑52間歇攪拌釜式反應(yīng)器與活塞流反應(yīng)器的比較:1）、兩反應(yīng)器中進行同一化學(xué)反應(yīng)，達到相同轉(zhuǎn)化率時所需反應(yīng)時間完全相同。2）、當反應(yīng)體積相等時，其生產(chǎn)能力相同。所以在設(shè)計、放大活塞流反應(yīng)器時，可以利用間歇攪拌釜式反應(yīng)器的動力學(xué)數(shù)據(jù)進行計算。3）、雖然兩反應(yīng)器的設(shè)計方程式相同，但物料在其中的流動型態(tài)完全不同。在間歇攪拌釜式反應(yīng)器中，物料均勻混合屬非定態(tài)過程；而活塞流反應(yīng)器中，物料無返混屬定態(tài)過程?；钊鞣磻?yīng)器是連續(xù)操作，而間歇攪拌釜式反應(yīng)器是間歇操作，需要一定的輔助時間，顯然活塞流反應(yīng)器的生產(chǎn)能力比間歇攪拌釜式反應(yīng)器要大，生產(chǎn)勞動強度要小。間歇攪拌釜式反應(yīng)器與活塞流反應(yīng)器的比較:1）、兩反應(yīng)器中進行532、恒溫變?nèi)莘磻?yīng)過程體積變化參數(shù)分為：膨脹因子和膨脹率1）、膨脹因子有一氣相反應(yīng)，起始A、B的量分別為nA，0和nB，0在反應(yīng)時間為τ時，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率為xAaA+bB→rR+sSnA，0nB，000當τ=0時，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為：

n0=nA，0+nB，0當τ=τ時當τ=τ時，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為：當τ=0時2、恒溫變?nèi)莘磻?yīng)過程體積變化參數(shù)分為：膨脹因子和膨脹率1）、54氣相反應(yīng)的膨脹因子（或體積的變化系數(shù)）為：當τ=0時反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分數(shù)為：當τ=τ時反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分數(shù)為：對于恒溫恒壓過程，還可以有：pA，0為反應(yīng)物的起始分壓cA，0為反應(yīng)物的起始濃度氣相反應(yīng)的膨脹因子（或體積的變化系數(shù)）為：當τ=0時反552）、膨脹率εA膨脹率是表征變?nèi)葸^程的另一個參數(shù)，它僅適用于物系體積隨轉(zhuǎn)化率變化呈線性關(guān)系的情況，即：εA是以組分A為基準的膨脹率，其物理意義是當反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化后，系統(tǒng)體積的變化分數(shù)，即：當轉(zhuǎn)化率為xA時，反應(yīng)物A的濃度為：2）、膨脹率εAεA是以組分A為基準的膨脹率，其物理意義56（1）、一級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA討論:（2）、二級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2（1）、一級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA討573）、空間速度對于恒容體系而言，空時就是物料在反應(yīng)器中的平均停留時間；對于變?nèi)蒹w系而言，因為空時是反應(yīng)器體積與進料情況下的物料體積流量之比，并沒有反映出反應(yīng)過程的容積變化，所以，空時并不等于平均停留時間?？臻g速度（簡稱空速）是空時的倒數(shù)，表示單位時間內(nèi)通過單位反應(yīng)器容積的物料體積，即：空速越大，反應(yīng)器的生產(chǎn)能力越大。對于不是活塞流的連續(xù)操作反應(yīng)器，不管同時進入反應(yīng)器的物料粒子停留時間是否相同，均根據(jù)反應(yīng)器容積與反應(yīng)器中的物料體積流量之比來計算停留時間，即：3）、空間速度對于恒容體系而言，空時就是物料在反應(yīng)58四、全混流反應(yīng)器1、解析法在定態(tài)操作條件下，進行物料衡算：流入量=流出量+反應(yīng)消失量+累積量qvcA,0qvcArAV0討論:1)、零級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=k空間時間:四、全混流反應(yīng)器1、解析法qvcA,0592)、一級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)、二級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA22)、一級反應(yīng)反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA3)602、圖解法對于二級反應(yīng)rA解決兩類問題：（1）、已知τ，根據(jù)直線與曲線交點的橫坐標，求（