《《化學(xué)反應(yīng)工程》復(fù)習(xí)材料.pdf》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《化學(xué)反應(yīng)工程》復(fù)習(xí)材料.pdf（56頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 化 學(xué)反應(yīng)工程 復(fù)習(xí)材料 1.1 化學(xué)反應(yīng)工程的研究對(duì)象和目的 工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化 ， 實(shí)際上有兩種類型 ： 設(shè)計(jì)優(yōu)化 和 操作優(yōu)化 。 從設(shè)計(jì)角度看講 ， 由給定的生產(chǎn)能力出發(fā) ， 確定反應(yīng)器的型式和適宜的尺寸 及其相應(yīng)的操作條件。然而在反應(yīng)器投產(chǎn)運(yùn)行以后 ， 還 必須根據(jù)各種因素和條件 的變化作出相應(yīng)的修正 ， 以使它仍能處于最優(yōu)的條件下操作 ， 即還需進(jìn)行操作的 優(yōu)化。顯然 ， 設(shè)計(jì)優(yōu)化是 工業(yè)反應(yīng)過程優(yōu)化的基礎(chǔ)。 工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化 約束條件 優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 優(yōu)化的技術(shù)指標(biāo) 決策變量 1.1.1 約束條件 處理能力 爆炸極限

2、 耐熱性能 1.1.2 優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 技術(shù)可行 合適 的催化劑、一定的速率和選擇率、產(chǎn)物的分離提純以獲取合格產(chǎn)品、適宜的 反應(yīng)條件、合適的廢料處理技術(shù)以保護(hù)環(huán)境 經(jīng)濟(jì)合理 工業(yè)反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是指生產(chǎn)某一產(chǎn)品所需的成本或指產(chǎn)品的利潤大小。 工業(yè)反應(yīng)過程的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)直接取決于生產(chǎn)費(fèi)用的大小 原料費(fèi)用 設(shè)備費(fèi)用 操作費(fèi)用 因此 ， 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)。 反應(yīng)速率 反應(yīng)速率是反應(yīng)系統(tǒng)中某一物質(zhì)在單位時(shí)間、單位反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)量 ， 反應(yīng)速 率 的大小實(shí)際上反映了反應(yīng)物料的轉(zhuǎn)化程度。轉(zhuǎn)化程度通常用反應(yīng)轉(zhuǎn)化率表示 ： 反應(yīng)選擇率 反應(yīng)選擇率的定義為已經(jīng)轉(zhuǎn)化掉

3、的反應(yīng)物量 (摩爾 )中 ， 轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的摩爾分 率。以 平行反應(yīng)為例 ： 反應(yīng)收率 工業(yè)生產(chǎn)上往往把選擇率和轉(zhuǎn)化率合并為一個(gè)反應(yīng)收率 ， 其定義為 ： 得到的產(chǎn) 物 的量與投入反應(yīng)系統(tǒng)的原料的量的比值?？刹捎媚柺章驶蛸|(zhì)量收率表示。 1.1.4 決策變量 結(jié)構(gòu)變量 ： 反應(yīng)器型式和結(jié)構(gòu)尺寸 操作方式 ： 間歇式、連續(xù)式和半連續(xù)式 工藝條件 ： 溫度、濃度、時(shí)間 1.2 化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容 化學(xué)反應(yīng)工程的核心是究宏觀動(dòng)力學(xué)因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程是否有影響 ； 用什 么標(biāo) 準(zhǔn)來判斷這種影響 ； 這些影響的程度 有多大 ； 這些影響是否有利 ； 如何消除

4、或 加 強(qiáng)這些影響等等 。 1.3 化學(xué)反應(yīng)工程研究方法 數(shù)學(xué)模型就是用數(shù)學(xué)言語來表達(dá)過程各種變量之間的關(guān)系。 數(shù)學(xué)模型方法的基本特征是過程的分解和簡(jiǎn)化。過程分解是將工業(yè)反應(yīng)器中兩個(gè) 不同特征的化學(xué)過程和物理過程分別研究其規(guī)律。數(shù)學(xué)模型方法中對(duì)對(duì)象的簡(jiǎn)化 ， 不是 數(shù)學(xué)方程中某些項(xiàng)的增減 ， 而是對(duì)研究對(duì)象本身的某種簡(jiǎn) 化。 在化學(xué)反應(yīng)工程數(shù)學(xué)模型方法研究中 ， 實(shí)驗(yàn)是模型硏 究的基礎(chǔ) ， 離開了實(shí)驗(yàn) ， 模 型就如無源之水 ， 無本之木。 同樣 ， 數(shù)學(xué)方法和計(jì)算技術(shù)是模型方法成功的關(guān)鍵。 1.4 化學(xué)反應(yīng)工程在工業(yè)反應(yīng)過程 開發(fā)中的作用 一個(gè)工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)就其核心問題而 言

5、， 需要解決三方面的問題 ： (1)反應(yīng)器的合理選型 ； (2)反應(yīng)器操作的優(yōu)化條件 ； (3)反應(yīng)器的工程放大。 化學(xué)反應(yīng)工程為開發(fā)工作創(chuàng)造了許多有利的依據(jù) ： (1)概括了各種宏觀動(dòng)力學(xué)因素 ； (2)提供了大量重要概念和科學(xué)結(jié)論 ； (3)提供了若重要類型反應(yīng)器的傳遞 特征。 復(fù)習(xí)思考題 1-1 化學(xué)反應(yīng)工程的研究對(duì)象和目的是什么 ? 1-2 試說明化學(xué)反應(yīng)工程的主要研究內(nèi)容和研究方法。 1-3 工業(yè)反應(yīng)工程優(yōu)化的決策變量是什么 ? 1-4 反應(yīng)過程的主要技術(shù)指標(biāo)是什么 ?與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有何關(guān)系 ?舉例說明。 第 二章 2.1 化學(xué)反應(yīng)速率的工程

6、表示 化學(xué)反應(yīng)速率的定義為 ： 反應(yīng)系統(tǒng)中 ， 某一物質(zhì)在單位時(shí)間、單位反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反 應(yīng)量。 工程上實(shí)際的均相反應(yīng)需滿足以下兩個(gè)條件 ： (1)反應(yīng)系統(tǒng)可以成為均相 ； (2)預(yù)混合過程的時(shí)間遠(yuǎn)小于反應(yīng)時(shí)間。 顯然 ， 滿足均相條件下所測(cè)得的反應(yīng)動(dòng)力學(xué) ， 是排除了物理過程影響的動(dòng)力 學(xué) ， 即本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。 2.2.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式 影響化學(xué)反應(yīng)速率最主要的因素是反應(yīng)物的濃度和溫度。 (1)活化能不同于反應(yīng)的熱效應(yīng) ， 它并不表示反應(yīng)過程中吸收或放出的熱量 ， 而 只表示使反應(yīng)分子達(dá)到 活化態(tài)所需的能量 ， 故與反應(yīng)熱并無直接的關(guān)系。 (2)從反應(yīng)工程

7、的角度討論 ， 活化能的本質(zhì)是表明了反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感 程度。一般而言 ， 活化能愈大 ， 表示溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響愈大 ， 即反應(yīng)速率 隨溫度上升而增加得愈快。 (3)對(duì)同一反應(yīng) ， 即當(dāng)活化能一定時(shí) ， 反應(yīng)速率對(duì)溫度的敏感程度隨溫度升高而 降低。這表明了在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定時(shí) ， 實(shí)驗(yàn)精度與溫度水平有關(guān)。尤其對(duì)于高 活化能低反應(yīng)溫度的系統(tǒng) ， 要正確測(cè)定活化能十分困難 ， 必須采取相應(yīng)的措 施 ， 以保證數(shù)據(jù)的可信度。 2.3.1 氣固相催化反應(yīng)與熱質(zhì)傳遞 氣固相催化反應(yīng)是指氣體在固體 催化劑上進(jìn)行的催化反應(yīng)。一般而言 ， 經(jīng)歷以 下三個(gè)步驟 ： (1)反應(yīng)物從氣流主體擴(kuò)

8、散到催化劑表面 ； (2)反應(yīng)物在催化劑表面上進(jìn)行表面反應(yīng)過程 ； (3)產(chǎn)物從催化劑表面擴(kuò)散返回氣流主體。 傳質(zhì) ： 外擴(kuò)散 ； 內(nèi)擴(kuò)散 傳熱 2.3.2 氣固相催化反應(yīng)的基本特征 氣固相催化反應(yīng)的基本特征是 ： 催化劑的存在改變了反應(yīng)途徑?；钚越j(luò)合物催 化劑只能改變達(dá)到平衡的時(shí)間 ， 不能改變反應(yīng)物系最終能達(dá)到的平衡狀態(tài)。 K = k1/k2 催化劑具有選擇性 ， 這是催化劑的突出優(yōu)點(diǎn)。 有定向作用 ， 抑制不需要的副反應(yīng) 負(fù)催化劑 結(jié)論 化學(xué)吸附 在催化反應(yīng)過程中起主要作用化學(xué)吸附可分為活化化學(xué)吸附 (之后 ； 慢 ， 與溫度有關(guān) ， 服從阿累尼烏斯方程

9、)和非活化化學(xué)吸附 (最初 ； 快 ， 活化能 接近于零 )吸附模型有理想吸附模型和真實(shí)吸附模型 . 理想吸附模型 理想吸附模型是由朗格繆爾 (Langmuir)首先提出的 ， 又稱朗格繆爾吸附模型。 該模型是一個(gè)理想化的吸附模型 ， 基于如下基本假設(shè) ： (1)催化劑表面各處的吸附能力是均勻的 ， 各吸附位具有相同的能量 ； (2)被吸附物僅形成單分子層吸附 ； (3)吸附的分子間不發(fā)生相互作用 ， 也不影響分子的吸附作用 ； (4)所有吸附的機(jī)理是相同 的。 真實(shí)吸附模型 不滿足理想吸附條件的吸附 ， 都稱為真實(shí)吸附。以焦姆金 ( )和弗隆德里 希 (Freundlish)

10、為代表提出不均勻表面吸附理論。真實(shí)吸附模型認(rèn)為固體表面是 不均勻的 ， 各吸附中心的能量不等 ， 有強(qiáng)有弱。吸附時(shí)吸附分子首先占據(jù)強(qiáng)的 吸附中心 ， 放出的吸附熱大。隨后逐漸減弱 ， 放出的吸附熱也愈來愈小。由于 催化劑表面不均勻性 ， 因此吸附活化能 E， 隨覆蓋率的增加而線性增加 ， 解吸 活化能 E 則隨覆蓋率的增加而線性降低。 2.3.4 氣固相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式 氣固相催化反應(yīng)過程往往由吸附、反應(yīng)和脫附過程串連組成。因此動(dòng) 力學(xué)方程 式推導(dǎo)方法 ， 可歸納為如下幾個(gè)步驟 ： (1)假定反應(yīng)機(jī)理 ， 即確定反應(yīng)所經(jīng)歷的步驟 ； (2)決定速率控制步驟 ， 該步驟的速率即為反

11、應(yīng)過程的速率 ； (3)由非速率控制步驟達(dá)到平衡 ， 列出吸附等溫式 ； 如為化學(xué)平衡 ， 則列出化學(xué) 平衡式 ； (4)將上列平衡關(guān)系得到的等式 ， 代入控制步驟速率式 ， 并用氣相組分的濃度或 分壓表示 ， 即得到動(dòng)力學(xué)表達(dá)式。 2 4 流固相非催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 流固相反應(yīng)模型 ： A.整體反應(yīng)模型 B 收縮未反應(yīng)芯模型 依據(jù)流固相收縮未反應(yīng)芯模型的步驟 (1)氣體反應(yīng)物 A 由氣流主體通過氣膜擴(kuò)散到固體顆粒外表 面 ； (2)反應(yīng)物 A 由顆粒外表面通過產(chǎn)物層擴(kuò)散到收縮未反應(yīng)芯的表面 ； (3)反應(yīng)物 A 與固體反應(yīng)物 B 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) ； (4)氣體產(chǎn)物 F

12、通過固體產(chǎn)物層內(nèi)孔擴(kuò)散到顆粒外表面 ； (5)氣體產(chǎn)物 F 由顆粒外表面通過氣膜擴(kuò)散到氣流主體。上述步驟與氣固相催化 反應(yīng)過程相似。當(dāng)沒有固體產(chǎn)物或惰性殘留物時(shí) ， 則沒有 (2)、 (4)兩步 ， 顆粒隨 反應(yīng)進(jìn)行不斷縮小 ； 當(dāng)沒有氣體產(chǎn)物時(shí) ， 則不存在 (4)、 (5)兩步。 2.5 本章小結(jié) (1)化學(xué)反應(yīng)過程分為容積反應(yīng)過程和表面反應(yīng)過程兩類。對(duì)于容積反應(yīng)過程 ， 單位時(shí)間的反應(yīng)轉(zhuǎn)化量與反應(yīng)相的體積成正 比 ； 對(duì)于表面反應(yīng)過程 ， 單位時(shí)間 的反應(yīng)轉(zhuǎn)化量與反應(yīng)相表面積成正比。 (2)排除一切物料傳遞過程影響的化學(xué)反應(yīng)本身固有的速率和規(guī)律稱為微觀反應(yīng) 速率 (或本征反

13、應(yīng)速率 )和微觀動(dòng)力學(xué) (或本征動(dòng)力學(xué) )。包含物料傳遞過程影響的 反應(yīng)速率和規(guī)律稱為宏觀反應(yīng)速率 (或表觀反應(yīng)速率 )和宏觀動(dòng)力學(xué) (或表觀動(dòng)力 學(xué) )。 (3)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的一般形式為： 第三章理想間歇反應(yīng)器與典型化學(xué)反應(yīng)的基本特征 (1)簡(jiǎn)單反應(yīng) (包括自催化反應(yīng) ) (2)可逆反應(yīng) (3)伴有平行副反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng) (或平行反應(yīng) ) (4)伴有串連副反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng) (或 串連反應(yīng) ) 實(shí)際反應(yīng)器 理想反應(yīng)器 攪拌充分的間歇釜式反應(yīng)器 連續(xù)流動(dòng)的理想管式反應(yīng)器 3.1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 A 選擇合適的反應(yīng)器型式 B 確定最佳的工

14、藝條件 C.計(jì)算所需反應(yīng)器體積 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程 A.物料衡算方程式 B 熱量衡算方程式 C 動(dòng)量衡算方程式 反應(yīng)特性分析 3.2 理想間歇反應(yīng)器中的簡(jiǎn)單反應(yīng) 3.2.1 理想間歇反應(yīng)器的特征 從理想間歇反應(yīng)器操作可以看到有以下特點(diǎn)： (1)由于劇烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃 度處處相等 ，因而排除了物質(zhì)傳遞對(duì)反應(yīng)的影響。 (2)由于反應(yīng)器內(nèi)具有足夠的傳熱條件，反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等，因而無需 考慮反應(yīng)器的熱量傳遞問題。 (3)反應(yīng)器內(nèi)物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間。 零級(jí)反應(yīng)

15、與濃度沒關(guān)系 （ 1）在殘余濃度式或轉(zhuǎn)化率式中，等式左邊是反應(yīng)速率常數(shù) k 和反應(yīng)時(shí)間 t 的 乘積 kt 項(xiàng)。等式右邊是由初濃度 CA0、殘余濃度 CA 和轉(zhuǎn)化率 XA 組成。對(duì)于相 同初始條件， kt 以互積因子出現(xiàn)。表明 kt 數(shù)值一定，反應(yīng)初始條件一定時(shí)，反 應(yīng)轉(zhuǎn)化率或殘余濃度也就惟一地確定。因此 ，為達(dá)到同樣的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率或殘余 濃度要求， k 值的提高，都將導(dǎo)致相應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的減少，并與反應(yīng)級(jí)數(shù)無 關(guān)。 (2)反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響表現(xiàn)為反應(yīng)級(jí)數(shù)， 不同級(jí)數(shù)的反應(yīng)具有各自的特殊性。 以轉(zhuǎn)化率為目標(biāo)，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時(shí)間 t： 一級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間 t 與初始

16、濃度 CA0 無關(guān) ； 二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間 t 與初始濃度 CA0 成反比 ； 零級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間 t 與初始濃度 CA0 成正比。 (3)從不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的殘余濃度和反應(yīng)時(shí)間的比較中可以發(fā)現(xiàn) ： 零級(jí)反應(yīng)的殘余 濃度與反應(yīng)時(shí)間呈直線下降一直到反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化為止。而一級(jí)反應(yīng)和二級(jí)反 應(yīng)的殘余濃度隨反應(yīng)時(shí)間增加而逐漸慢慢地下降。特別是二級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)后期 的變化速率非常小，這意味著反應(yīng)的大部分時(shí)間是消耗在反應(yīng)的末期。若提高 轉(zhuǎn)化率或降低殘余濃度，會(huì)使所需的反應(yīng)時(shí)間大幅度地增長。同時(shí)，為使反應(yīng) 時(shí)間的計(jì)算比較精確，重要的是保證反應(yīng)后期動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確、可靠，因此決不 能滿足于反應(yīng)初期低轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)動(dòng)

17、力學(xué)，還應(yīng)密切注意反應(yīng)后期的反應(yīng)機(jī)理 是否發(fā)生變化。 3.3 理想間歇反應(yīng)器中的均相可逆反應(yīng) 3.3.1 可逆反應(yīng)的特點(diǎn) 3.4 理想間歇反應(yīng)器中的均相平行反應(yīng) 3.5.2 串連反應(yīng)選擇率的溫度效應(yīng) 串連反應(yīng)選擇率的溫度效應(yīng)決定于比值 k2/k1 的大小 ， 因此它的結(jié)果與平行反應(yīng) 的完全相同。 3.4.3 串連反應(yīng)選擇率的濃度效應(yīng) 串連反應(yīng)選擇率的濃度效應(yīng)平行反應(yīng)不同。對(duì)串連反應(yīng)存在最優(yōu)轉(zhuǎn)化率。 (3)化學(xué)反應(yīng)特征將隨進(jìn)料濃度和進(jìn)料配比而變化。掌握典型化學(xué)反應(yīng)的基本特 征 ， 有助于就下列各項(xiàng)作出優(yōu)化的決策 ： 溫度方面 ： 溫

18、度水平和溫度序列 ； 濃度方面 ： 進(jìn)料濃度水平 ， 進(jìn)料配比 ， 加料方式 ， 最優(yōu)轉(zhuǎn)化率 (或最優(yōu)反應(yīng)時(shí) 間 )等。 第四章理想管式反應(yīng)器 4.1 理想管式反應(yīng)器的特點(diǎn) 4.2 理想管式反應(yīng)器的基本方程式 4.3 空時(shí)、空速和停留時(shí)間 4.1 理想管式反應(yīng)器 (PFR)的特點(diǎn) 理想管式反應(yīng)器具有以下特點(diǎn) : (1)在正常情況下，它是連續(xù)定態(tài)操作，在反應(yīng)器的各個(gè)徑向截面上，物料濃度不 隨時(shí)間而變化 ; (2)反應(yīng)器內(nèi)各處的濃度未必相等，反應(yīng)速率隨空間位置而變化 ; (3)由于徑向具有嚴(yán)格均勻的速度分布，也就是在徑向不存在濃度變化，所以反應(yīng) 速率隨空間位置的變

19、化將只限于軸向。 由此可見，理想管式反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果也惟一地由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)所確定 4.2 理想管式反應(yīng)器的基本方程式 : 實(shí)際管式反應(yīng)器 : 理想管式反應(yīng)器 : 速度不均勻分布 嚴(yán)格均勻的速度分布 徑向混合 無徑向混合 軸向混合 無軸向混合 上式積分只有在下列兩種情況下可以直接進(jìn)行求解。 (1)等溫理想管式反應(yīng)器，即沿反應(yīng)器長度溫度保持恒定。這時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)是為 常數(shù)，可移至積分符號(hào)外，可采用解析法、數(shù)值法或圖解法進(jìn)行求解。 (2)絕熱理想管式反應(yīng)器，反應(yīng)器能有效保證絕熱，以致在管徑的徑向

20、熱損失忽略 不計(jì)。這時(shí)反應(yīng)的熱效應(yīng)全部用作加熱或冷卻反應(yīng)物料，反應(yīng)物料沿反應(yīng)器長度 溫度變化可以用熱量衡算與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率關(guān)聯(lián)。這時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)是可轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化 率的函數(shù)。于是積分項(xiàng)可采用數(shù)值法或圖解法進(jìn)行積分。 4.3 空時(shí)、空速和停留時(shí)間 1.空時(shí) 2、空速 空時(shí) 的倒數(shù)。物理意義是單位時(shí)間可以處理多少個(gè)反應(yīng)器體積的物料。 3.停留時(shí)間 是指反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器的時(shí)刻算起到它們離開反應(yīng)器的時(shí)刻為止所用的時(shí) 間。 (主要用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器 )。 在間歇反應(yīng)器中，所有物料具有相同的停留時(shí)間，而且等于反應(yīng)時(shí)間。 4、平均停留時(shí)間 流體微元平均經(jīng)歷的時(shí)間稱為平均停留時(shí)間。對(duì)于理想管

21、式反應(yīng)器，物料流動(dòng)狀 態(tài)為平推流，所有物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間相同。當(dāng)流體流動(dòng)不是平推流 時(shí)，則物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間就不相同，而是形成某種分布，稱為停留時(shí) 間分布，因此常用“平均停留時(shí)間”來表達(dá)。 停留時(shí)間定義為 ： 4.4、本章小結(jié) (2)在理想管式反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)或反應(yīng)前后分子數(shù)不變的氣相反應(yīng)，其空 時(shí)和間歇反應(yīng)器中的反應(yīng)時(shí)間 t 相對(duì)應(yīng)。空時(shí)和反應(yīng)時(shí)間 t 與殘余濃度 cA 和轉(zhuǎn)化率 x 的關(guān)系完全相同。 第五章連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 在第 4 章中討論了理想管式反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程及各類化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng) 結(jié)果。與理想間歇反應(yīng)器相比，雖然兩者的反應(yīng)器型式不

22、同，操作方式也不同， 但對(duì)同一反應(yīng)，在相同的操作條件和反應(yīng)器的時(shí)間或空間條件下，可得到完全相 同的反應(yīng)結(jié)果。 (過程連續(xù)化過程強(qiáng)化 ) 本章將討論另一類基本 反應(yīng)器型式 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 (簡(jiǎn)稱 CSTR)。 這種反應(yīng)器雖然也是連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的一種，但由于其混合狀況與上述兩種反應(yīng) 器完全不同，從而引起反應(yīng)器性能的很大變化。本章主要闡述連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng) 器的特征和設(shè)計(jì)計(jì)算等問題。 5.1 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程 5.2 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器中的均相反應(yīng) 5.3 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器中的濃度分布與返混 5.4 返混的原因與限制返混的措施 5.1.1 全混流假定 在第 3

23、章所討論的間歇反應(yīng)器中，由于釜式容器里設(shè)置了一定槳葉的機(jī)械攪 拌裝置，并進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，使釜內(nèi)物料的溫度和濃度 達(dá)到均一，這個(gè)全釜均一的 濃度是隨著反應(yīng)的進(jìn)行而不斷變化的，其溫度也可改變。 本章要討論的是連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)和間歇釜式反應(yīng)器相同，但進(jìn) 出物料的操作是連續(xù)的，即一邊連續(xù)恒定地向反應(yīng)器內(nèi)加入反應(yīng)物，同時(shí)連續(xù)不 斷地把反應(yīng)產(chǎn)物引出反應(yīng)器，這樣的流動(dòng)狀況稱為全混流。當(dāng)然，這種全混流也 是一種理想化的假定，它與第 4 章闡述的平推流相對(duì)應(yīng)，是兩種理想的流動(dòng)模 型。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的連續(xù)釜式攪拌反應(yīng)器，只要達(dá)到足夠的攪拌強(qiáng)度， 其流型很接近于全混流。 5.1.2 連續(xù)流動(dòng)釜

24、式反應(yīng)器中的反應(yīng)速率 逆向混合或返混 是過程連續(xù)化的必然結(jié)果 全混流反應(yīng)器 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)，可歸結(jié)為 : (1)反應(yīng)器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫 度。 (2)物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間有長有短，存在不同停留時(shí)間物料的混合，即 返混程度最大。 (3)反應(yīng)器內(nèi)物料的所有參數(shù)，如濃度、溫度等都不隨時(shí)間變化，從而不存在時(shí) 間這個(gè)自變量。 5.1.3 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器中的基本方程 濃度和溫度處處相等 可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算和熱量衡算 5.2 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器中的均相反應(yīng) 表 5-1 理想管式和連續(xù)

25、釜式反應(yīng)器中反應(yīng)結(jié)果比較 5.2.2 圖解法 5.3 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器中的濃度分布與返混 5.3.2 管式循壞反應(yīng)器 5.3.3 連續(xù)釜式反應(yīng)器中的返混 進(jìn)口物料高濃度區(qū)消失的原因 進(jìn)料與循環(huán)返回物料的混合作用 循環(huán)反應(yīng)器與連續(xù)釜式反應(yīng)器的區(qū)別 有組織進(jìn)行與攪拌引起強(qiáng)烈環(huán)流運(yùn)動(dòng) 連續(xù)釜式反應(yīng)器與間歇反應(yīng)器的區(qū)別 返混與混合 結(jié)論 : (1)返混不是一般意義上的混合，它專指不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的物料之間的混 合。 (2)返混是連續(xù)化后才出現(xiàn)的一種混合現(xiàn)象。因此在間 歇攪拌釜反應(yīng)器中不存在 返混。理想管式反應(yīng)器是沒有返混的一種典型的連續(xù)反應(yīng)

26、器，而連續(xù)釜式反應(yīng) 器或稱全混釜?jiǎng)t是返混達(dá)到極限狀態(tài)的一種反應(yīng)器型式。 (3)返混改變了反應(yīng)器內(nèi)濃度分布，返混的結(jié)果使反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度下降， 反應(yīng)產(chǎn)物的濃度上升。這種濃度分布的改變對(duì)反應(yīng)的利弊則取決于反應(yīng)過程的 動(dòng)力學(xué)特征一濃度效應(yīng)。 (4)返混是連續(xù)反應(yīng)器中的一個(gè)重要工程因素任何過程在連續(xù)化時(shí)，必須充分考 慮這個(gè)因素的影響，否則不但不能強(qiáng)化生產(chǎn)，反而有可能導(dǎo)致生產(chǎn)能力的下降 或反應(yīng)選擇率的惡化。在 實(shí)際工作中，應(yīng)首先研究清楚反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征，然 后根據(jù)它的濃度效應(yīng)確定采用何種型式的連續(xù)反應(yīng)器。 5.4 返混的原因與限制返混的措施 5.4.1 返混的原因 5.4.2 限制返混的

27、措施 5.4.3 多釜串連反應(yīng)器 5.4.1 返混的原因 環(huán)流運(yùn)動(dòng) 不均勻的流速分布 5.4.2 限制返混的措施 橫向分割 多釜串連 縱向分割 橫向擋板、垂直管、填料 (1)本章討論了一個(gè)重要的宏觀動(dòng)力學(xué)因素 返混。 返混是不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器物料間的混合。 返混是連續(xù)化過程伴生的現(xiàn)象。它起因于空間的反向運(yùn)動(dòng)和不均勻的速度分 布。 (2)返混造成兩種孿生的結(jié)果 : 1)改變了反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布。對(duì)設(shè)計(jì)型問題 (規(guī)定出口濃度 )，它使反應(yīng)器內(nèi)各 處反應(yīng)物濃度普遍下降，產(chǎn)物濃度普遍上升。 2)造成物料的停留時(shí)間分布。 (3)返混的利弊取決于反應(yīng)的特

28、征 :反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)和選擇率的濃度效應(yīng)。 在反應(yīng)器選型時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)反應(yīng)特征確定應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)返混還是抑制返混。 (4)限制返混的措施主要是分割橫向分割和縱向分割。 第七章反應(yīng)器選型與操作方式 本章以均相反應(yīng)為例 ,闡述反應(yīng)過程的濃度效應(yīng) ,討論反應(yīng)器選型、操作濃度與 操 作方式 對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。 化學(xué)反 應(yīng)工程研究的目的一優(yōu)化 優(yōu)化目標(biāo) 經(jīng)濟(jì)目標(biāo) 技術(shù)目標(biāo) 反應(yīng)速率 涉及設(shè)備尺寸 ,亦即設(shè)備投資費(fèi)用 選擇率 涉及生產(chǎn)過程的原料消耗費(fèi)用 能量消耗 (暫不討論 ) 簡(jiǎn)單反應(yīng) :唯一的目標(biāo)是反應(yīng)速率 復(fù)雜反應(yīng) :選擇率是主要技術(shù)目標(biāo) 對(duì)于復(fù)雜反應(yīng) ,應(yīng)

29、根據(jù)選擇率要求確定優(yōu)惠的溫度和濃度條件 從工程角度看 ,優(yōu)化就是如何進(jìn)行反應(yīng)器型式、操作方式和操作條件的選擇 并從工程上予以實(shí)施 ,以實(shí)現(xiàn)溫度和濃度的優(yōu)惠條件 (x),提高反應(yīng)過程的速率和 選擇率 (yopt)。 反應(yīng)器型式 管式、釜式及返混特性 操作條件 初濃度 CA0、轉(zhuǎn)化率 x(終濃度 CAf)反應(yīng)溫度 T 或溫度序列 T1,T2,T3 操作方式 間歇、連續(xù)、半連續(xù)以及加料方式 的分批或分段加料 7.2 影響反應(yīng)場(chǎng)所濃度的工程因素 工程措施等效性舉例 某反應(yīng)的濃度要求是原料濃度低對(duì)反應(yīng)過程有利 (動(dòng)力學(xué)因素 ),則只要造成反 應(yīng)場(chǎng)所濃度低的工程因素都對(duì)反應(yīng)有

30、利。 反應(yīng)器型式 返混 加料方式 分批加料 (間歇過程 )和分段加料 (連續(xù)過程 ) 操作方式 降低進(jìn)料濃度 CA0 7.3 簡(jiǎn)單反應(yīng)過程反應(yīng)器型式的比較 A P A+B P 三種基本反應(yīng)器類型 間歇反應(yīng)器 (不 存在返混 ) 平推流反應(yīng)器 (不存在返混 ) 全混流反應(yīng)器 (返混最大 ) 若保持 x 相同 ,則 p< u 或 VpxM 7.7 串連反應(yīng)過程優(yōu)化 7.7.3 反應(yīng)器選型與操作方式 任何使反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物 cp 增大和原料 cA 減小的措施都不利于串連反應(yīng)過程選 擇率的提高。結(jié)論 : (1)返混對(duì)于串連反應(yīng)過程的選擇率

31、是不利因素 ,因而平推流反應(yīng)器或多級(jí)串連全 混流反應(yīng)器的選擇率總是優(yōu)于全混流反應(yīng)器。尤其是是 k2/k1 值較大的反應(yīng) ,應(yīng) 特別注意限制返 混。 (2)在反應(yīng)器的加料方式上 ,分段加料或分批加料將使反應(yīng)器中原料濃度 cA 降低 , 也不利于選擇率的提高。 (3)在反應(yīng)器操作中 ,轉(zhuǎn)化率的確定應(yīng)根據(jù) k2/k1 的比值而定。以單程收率為目標(biāo) 的串連反應(yīng)過程可根據(jù) k2/k1 值 ,由圖 7-21 確定所選反應(yīng)器中獲得最大收率所對(duì) 應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間 ,計(jì)算求得應(yīng)該控制的轉(zhuǎn)化率。 7.7.4 雙組分串連反應(yīng)中過量濃度的影響 上述討論了單組分物料的串連反應(yīng) ,實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中卻大量是雙組分反

32、應(yīng)物的串 連反應(yīng)。 若使反應(yīng)物 A 和 B 的配比大大超過化學(xué)計(jì)量關(guān)系的需要 ,即讓物料 A 大大過量 , 則隨著 轉(zhuǎn)化率的提高 ,物料 A 的濃度不會(huì)繼續(xù)下降 ,而是趨于一個(gè)定值 ,這樣就大 大提高了反應(yīng)過程后期的瞬時(shí)選擇率 ,也就提高了反應(yīng)的平均選擇率。 (1)反應(yīng)過程優(yōu)化的主要內(nèi)容是化學(xué)反應(yīng)器的選型、確定操作條件和操作方式。 優(yōu)化的基本技術(shù)指標(biāo)是反應(yīng)速率和選擇率。工業(yè)反應(yīng)過程多數(shù)是復(fù)雜反應(yīng) ,其反 應(yīng)選擇率更為重要。優(yōu)化過程必須綜合考慮反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性和反應(yīng)器的返混 特性。 (2)化學(xué)反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)決定了反應(yīng)過程對(duì)濃度的要求及轉(zhuǎn)化率水平。反應(yīng) 器的返混特征則決定了反應(yīng)器型式

33、。 (3)根據(jù)反應(yīng)過程濃度效應(yīng) ,對(duì)反應(yīng)器的優(yōu)化作出下列優(yōu)化決 策 :反應(yīng)器型式、進(jìn) 料濃度水平、進(jìn)料配比、加料方式及轉(zhuǎn)化率要求等。 (4)復(fù)合反應(yīng)過程實(shí)際上是由五種基本反應(yīng) 簡(jiǎn)單反應(yīng)、自催化反應(yīng)、可逆反 應(yīng)、平行反應(yīng)和串連反應(yīng)組合而成。所以本章討論的基本原則亦可用于復(fù)合反 應(yīng)過程的優(yōu)化分析。 前面討論的是均相反應(yīng) ,其特點(diǎn)是反應(yīng)區(qū)內(nèi)物料已達(dá)分子尺度的均勻 ,不存 在質(zhì)量傳遞問題。 過程連續(xù)化 返混 對(duì)于非均相反應(yīng) ,系統(tǒng)包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的相態(tài) ,并存在相界面 ,因而必 然存在物質(zhì)傳遞 ,而且還伴有熱量傳遞。 系統(tǒng)非均相 熱質(zhì)傳遞 本章考察氣固催化反應(yīng)過程中的熱質(zhì)

34、傳遞及其對(duì)反應(yīng)結(jié)果的 影響。 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素 c、 T 均相反應(yīng) 反應(yīng)系統(tǒng)和反應(yīng)場(chǎng)所一致 ,因此反應(yīng)系統(tǒng)和反應(yīng)場(chǎng)所的 c、 T 也必然一致。 氣固催化反應(yīng) 反應(yīng)系統(tǒng)和反應(yīng)場(chǎng)所 (或稱反應(yīng)區(qū) )不一致 ,因此反應(yīng)系 統(tǒng)和反應(yīng)場(chǎng)所的 c、 T 也必然不一致。 熱質(zhì)傳遞必然引起反應(yīng)場(chǎng)所 c、 T 變化。 氣固催化反應(yīng)存在質(zhì)量傳遞過程 ,分 : 外部質(zhì)量傳遞過程 (1)、 (5) 氣流主體與催化劑外表面之間的濃度差 內(nèi)部質(zhì)量傳遞過程 (2)、 (4) 催化劑外表面與催化劑內(nèi)表面之間的濃度 差 氣固催化反應(yīng)必然伴隨熱效應(yīng) ,分 : 外部熱量傳 遞過程

35、 內(nèi)部熱量傳遞過程 氣固催化反應(yīng)的傳遞過程實(shí)際上存在著兩種不同的尺度 : (1)微團(tuán)尺度的傳遞。上面論述的顆粒尺度的內(nèi)外傳遞過程 ,就屬這種傳遞。 (2)設(shè)備尺度的傳遞。就反應(yīng)器整體而言 ,由于反應(yīng)物料流動(dòng)的不均勻性 ,溫度的 不均勻性等原因 ,在反應(yīng)器徑向和軸向上同樣會(huì)有反應(yīng)物料的濃度差和溫度差 ,而 任何濃度差異和溫度差異都將導(dǎo)致熱質(zhì)傳遞。 本章主要討論微團(tuán)尺度的傳遞即顆粒尺度的熱質(zhì)傳遞及其處理方法。 8.1 氣固催化反應(yīng)過程的研究方法 達(dá)姆科勒數(shù)（ Da 準(zhǔn)數(shù)）：描述 同一系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)相比其它現(xiàn)象的相對(duì)時(shí)間尺 度

36、顆粒外部 A,B 傳質(zhì)阻力的大小及其影響。 在兩個(gè)反應(yīng)組分或多個(gè)反應(yīng)組分反應(yīng)系統(tǒng)中 ,若過程是由傳質(zhì)控制 ,在大多數(shù) 情況下 ,則僅有其中某一個(gè)組分的傳遞起到控制作用。這時(shí) ,該組分顆粒催化劑外 表面上濃度趨于零 ,而另一組分或其余組分在顆粒催化劑表面上具有一定的濃度 值。 因此 ,在工業(yè)反應(yīng)器中 ,調(diào)節(jié)流體中反應(yīng)組分 A、 B 的進(jìn)料濃度配比 ,有意識(shí)造 成某組分的控制 ,就能使顆粒催化劑表面濃度的比例發(fā)生極寬范圍的變化 ,從而為 反應(yīng)選擇率的提高創(chuàng)造極為有利的條件。 在 這種情況下 ,根據(jù)傳質(zhì)速率的大小 ,方便地將表觀速率方程式寫成如下形式。 比如 ,對(duì)雙組分反應(yīng)系統(tǒng) :

37、 8.3 等溫條件下的催化劑顆粒內(nèi)部傳質(zhì)過程 (1)外擴(kuò)散是一個(gè)催化劑顆粒 單 純串連過程 ;內(nèi)擴(kuò)主流體散是一 個(gè)復(fù)雜的串并連過程長反應(yīng)物濃 度產(chǎn)物 (2)用 2 定量表示內(nèi)擴(kuò)散的影 響 (3)顆粒內(nèi)部的濃度分布內(nèi) 擴(kuò)散速率 2 計(jì)算公式 結(jié)論： (1)當(dāng)內(nèi)部傳質(zhì)阻力影響很小時(shí) ,表觀活化能趨近于本征活化能 ,表觀反應(yīng)速率常 數(shù)趨近于本征反應(yīng)速率常數(shù) ,表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)趨近于本征反應(yīng)級(jí)數(shù)。 (2)當(dāng)內(nèi)部傳質(zhì)阻力影響很大時(shí) ,由于 E ED,因而表觀活化能將趨近于 E/2,表觀 反應(yīng)級(jí)數(shù)趨近于 (n+1)/2。這與外部傳質(zhì)

38、過程有所不同 ,當(dāng)外部傳質(zhì)控制時(shí) ,表觀活 化能等于擴(kuò)散活化能 ED,表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)恒為一級(jí)。 8.3.4 顆粒內(nèi)部傳質(zhì)對(duì)選擇率的影響 (1)內(nèi)部傳質(zhì)阻力對(duì)反應(yīng)過程的影響與外擴(kuò)散相類似 ,使顆粒內(nèi)表面上反應(yīng)物濃度 cAis,小于顆粒外表面濃度 CAes,而顆粒內(nèi)表面的產(chǎn)物濃度 Cpis 高于顆粒外表面的 產(chǎn)物濃度 Cpes (2)這樣的濃度分布自然將使任何串連反應(yīng)的選擇率降低。在反應(yīng)器入口處 ,流體 主體產(chǎn)物濃度接近于零 ,但位于該處的催化劑顆粒內(nèi)表面深處產(chǎn)物的濃度仍可能 很高 ,從而加劇了串連副反應(yīng)。因此 ,顆粒內(nèi)傳質(zhì)阻力的存在 ,對(duì)串連反應(yīng)顯然是 不利的。 (3)對(duì)于平 行反應(yīng)的討

39、論類似于外擴(kuò)散對(duì)選擇率的影響 ,它的結(jié)論是 :當(dāng)主反應(yīng)級(jí) 數(shù)高于副反應(yīng)級(jí)數(shù) ,顆粒內(nèi)部傳質(zhì)阻力對(duì)選擇率是不利的。反之 ,當(dāng)副反應(yīng)級(jí)數(shù)高 于主反應(yīng)級(jí)數(shù) ,顆粒內(nèi)部傳質(zhì)阻力對(duì)選擇率是有利的。 8.3.5 雙組分反應(yīng)時(shí)顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)過程 在討論單組分顆粒內(nèi)擴(kuò)散過程已經(jīng)證明 :內(nèi)擴(kuò)散的影響程度完全取決于準(zhǔn)數(shù)的 值。而準(zhǔn)數(shù)的物理意義又是極限反應(yīng)速率與極限內(nèi)擴(kuò)散速率的比值的平方 根。在多組分系統(tǒng)中 ,不同反應(yīng)組分的反應(yīng)速率相互之間只差一個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù) , 但各組分特定條件下的極限內(nèi)擴(kuò)散速率可能有不同數(shù)值 ,且相互之間并無明確的 關(guān)系 。 這樣在多組分系統(tǒng)中 ,對(duì)應(yīng)各個(gè)組分的準(zhǔn)數(shù)值 ,也可能有

40、很大的差別 ,為此討論某 些極端情況。 應(yīng)當(dāng)指出 : (1)同樣對(duì)多組分系統(tǒng) ,討論外擴(kuò)散情況時(shí) ,當(dāng)外擴(kuò)散作為控制步驟時(shí) ,反應(yīng)級(jí)數(shù)對(duì) 關(guān)鍵組分是 1 級(jí) ,對(duì)非關(guān)鍵組分是零級(jí) ,表明它對(duì)反應(yīng)不再產(chǎn)生任何影響。 (2)而內(nèi)擴(kuò)散過程中 ,非關(guān)鍵組分雖然在顆粒內(nèi)部沒有擴(kuò)散阻力和濃度分布 ,但是 它在粒外濃度的變化仍能影響反應(yīng)的進(jìn)行 ,對(duì)反應(yīng)速率還有其濃度效應(yīng)。 若極限反應(yīng)速率相對(duì)于 各組分的特定條件下的極限 內(nèi)擴(kuò)散速率要小得多 ,表明各 個(gè)組分在顆粒內(nèi)的擴(kuò)散阻力 都很小 ,內(nèi)擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)結(jié)果無 明顯影響 ,整個(gè)過程由本征反 應(yīng)特征所決定。這時(shí) ,顆粒內(nèi) 各組分濃度處

41、處相等 ,無濃度 梯度存在 ,如圖 8 12 8.4 等溫條件下的總效率因子 8.5 非等溫條件下的催化劑顆粒外部傳質(zhì) 過程 (1)本章討論了氣固催化反應(yīng)過程的宏觀動(dòng)力學(xué)因素 催化劑顆粒內(nèi)、外的傳質(zhì) 和傳熱。傳質(zhì)和傳熱是非均相反應(yīng)過程伴生的現(xiàn)象 ,它起因于反應(yīng)物料在催化劑 顆粒內(nèi)、外表面與流體主體之間存在的傳質(zhì)和傳熱阻力。 (2)催化劑顆粒內(nèi)、外傳質(zhì)和傳熱對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響 ,可以用效率因子表達(dá) ,也可采 用表觀動(dòng)力學(xué)形式將其包括在內(nèi)。表觀動(dòng)力學(xué)按其尺度可分為顆粒表觀動(dòng)力學(xué)、 床層表觀動(dòng)力學(xué)顆粒表觀動(dòng)力學(xué)是指消除顆粒外部傳遞阻力的表觀動(dòng)力學(xué)。床層 表觀動(dòng)力學(xué)則包括顆

42、粒內(nèi)外傳遞阻力在內(nèi)甚至包括不均勻流速分布等因素在內(nèi) 的表觀動(dòng)力學(xué) (3)顆粒內(nèi)、 外存在傳質(zhì)阻力的結(jié)果是使催化劑表面上反應(yīng)物濃度下降 ,產(chǎn)物濃度 上升。其對(duì)反應(yīng)速率和選擇率的利弊取決于影響反應(yīng)速率和選擇率的濃度效應(yīng)。 (4)對(duì)于多組分反應(yīng)系統(tǒng) ,顆粒內(nèi)、外傳質(zhì)可以因各組分極限擴(kuò)散速率的差異而改 變顆粒內(nèi)、外表面上 (即反應(yīng)場(chǎng)所 )的反應(yīng)物濃度配比。通過有意識(shí)地造成某組分 的傳質(zhì)阻力增大 ,使催化劑顆粒表面濃度配比發(fā)生很大變化 ,從而為反應(yīng)選擇率的 提高提供了一個(gè)有效的工程手段。 第九章 反應(yīng)過程的溫度特征及反應(yīng)器的溫度分布 溫度是影響反應(yīng)結(jié)果的一個(gè)極為敏感的因素 ,多數(shù)化學(xué)反應(yīng)

43、的反應(yīng)速率隨溫 度升高而增大 。對(duì)于簡(jiǎn)單反應(yīng) ,為了獲得最大反應(yīng)速率 ,要求采用盡可能高的溫度。 其最優(yōu)溫度應(yīng)落在該反應(yīng)過程有關(guān)約束條件所規(guī)定的邊界極值上 ,這些約束條件 包括催化劑的耐熱溫度、反應(yīng)物或產(chǎn)物熱分解溫度等。對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)的溫度條件 , 應(yīng)根據(jù)選擇率的溫度效應(yīng) ,按主、副反應(yīng)活化能的相對(duì)大小確定。 工業(yè)反應(yīng)器中 ,在強(qiáng)烈攪拌達(dá)到全混流或熱效應(yīng)很小時(shí) ,整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)溫度均 一。但在大多數(shù)工業(yè)反應(yīng)器中 ,存在著徑向或軸向溫度分布 ,對(duì)反應(yīng)過程具有重要 影響。本章將從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征出發(fā) ,確定反應(yīng)過程優(yōu)惠的溫度條件 ;分析工業(yè)反 應(yīng)器內(nèi)存在軸向溫度分布和徑向溫度分布 時(shí)對(duì)反應(yīng)器性能的影響

44、 ;并討論工業(yè)反 應(yīng)器中優(yōu)惠溫度條件的實(shí)施方案。 9.1 反應(yīng)過程的溫度特性 9.1.1 平行反應(yīng) 9.1.2 串連反應(yīng) A P S 則 =1-k2Cp/k1CA K1 k2 對(duì)于可逆放熱反應(yīng) ,反應(yīng)器中的溫度控制應(yīng)按最優(yōu)溫度序列要求實(shí)施。然而在實(shí) 際應(yīng)用時(shí)受到很多限制。 其一是催化劑的活性變化 ,其結(jié)果使最優(yōu)溫度序列不能恒定。而且 ,一般來說 ,溫 度愈高 ,催化劑活性變化愈快所以從最高生產(chǎn)量要求而得到的溫度序列 ,不一定滿 足工業(yè)用催化劑活性穩(wěn)定對(duì)溫度的要求。 9.2.1 反應(yīng)器的徑向換熱和徑向溫度分布 消除徑向溫度

45、分布的措施 : (1)加強(qiáng)徑向傳熱 ,如減少反應(yīng)器的直徑 2.5cm 或 1.9cm (2)提高徑向有效傳導(dǎo)系數(shù) ,如提高管內(nèi)流體流動(dòng)速度 (3)降低反應(yīng)放熱強(qiáng)度 ,如降低反應(yīng)物濃度、降低催化劑活性或采用惰性顆粒稀釋 催化劑 9.3 反應(yīng)器的軸向溫度序列和實(shí)施方法 9.3.1 反應(yīng)器的軸向溫度序列 絕熱強(qiáng)吸熱反應(yīng) :反應(yīng)器溫度呈單調(diào)遞減的床層軸向溫度序列。 絕熱放熱反應(yīng) :形成沿床層軸向遞增的溫度分布。 換熱式固定床反應(yīng)器用于放熱反應(yīng) :進(jìn)口段上升出口段下降 ,極值點(diǎn)稱為反 應(yīng)器的 熱點(diǎn)溫度。 在工業(yè)反應(yīng)器中 ,無論是出現(xiàn)遞減、遞增或是具有熱點(diǎn)的軸向溫度序列 ,對(duì)反 應(yīng)器操作

46、都具有重要意義。根據(jù)反應(yīng)過程選擇率的要求 ,反應(yīng)器不同軸向位置要求有相 應(yīng)的溫度序列。因此如何造成有利于反應(yīng)過程的軸向溫度序列 ,是工業(yè)反 應(yīng)器開發(fā)過程 的一個(gè)重要課題。 9.3.2 反應(yīng)器軸向溫度序列的實(shí)施 A.絕熱反應(yīng)器的優(yōu)化措施 B.非絕熱非等溫?fù)Q熱式反應(yīng)器的優(yōu)化措施 其它措施 : 催化劑稀釋 :本質(zhì)是改變催化劑的活性 ,又可分為分段稀釋、整體稀釋兩種形 式。 改變反應(yīng)物料進(jìn)口溫度 改變管外冷卻介質(zhì)溫度 改 變床層線速度 9.4 本章小結(jié) (1)平行或串連反應(yīng)活化能的相對(duì)大小 ,決定了反應(yīng)過程優(yōu)化的溫度水平或溫度序 列。 (2)工業(yè)反應(yīng)器中存在的徑向溫度分

47、布 ,導(dǎo)致反應(yīng)器中反應(yīng)結(jié)果的不利影響 ,在工 程上應(yīng)予以消除。 (3)根據(jù)不同反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征 ,需要合理的反應(yīng)器軸向溫度序列。可以調(diào)動(dòng)各種 工程手段改變軸向溫度序列。例如改變反應(yīng)氣體進(jìn)口溫度、冷卻介質(zhì)溫度和床 層氣體線速度等 ,也可以通過催化劑稀釋、床層設(shè)置惰性金屬導(dǎo)熱片等工程措施 , 實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器軸向優(yōu)化溫度序列。 第十章熱量傳遞與反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性 任何化學(xué)反應(yīng)都有一定的反應(yīng)熱 效應(yīng) ,尤其是當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)較大時(shí) ,在傳質(zhì)過 程的同時(shí)必定伴有熱量傳遞過程。它對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的影響就不能忽略 ,有時(shí)甚 至比傳質(zhì)的影響要嚴(yán)重得多 ,成為過程的關(guān)鍵因素。 反應(yīng)過程的熱量傳遞 ,同樣可

48、按其尺度分為如下兩類問題 : (1)顆粒尺度的熱量傳遞 :如催化劑顆粒與它周圍流體之間的傳熱過程。 (2)設(shè)備尺度的熱量傳遞 :如管式固定床反應(yīng)器中管外冷卻介質(zhì) (或加熱介質(zhì) )移走 (或供應(yīng) )管內(nèi)反應(yīng)熱的過程。 一般來說 ,為使反應(yīng)器保持在給定的溫度條件下操作 ,它必須具備足夠的傳熱 能力以便把反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走 ,即要求反應(yīng)的放熱速率等 于移熱速率 ,保持熱平 衡狀態(tài)。 當(dāng)傳熱過程與放熱反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行而發(fā)生相互交聯(lián)時(shí) ,出現(xiàn)了兩個(gè)新的問題 熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性問題。 對(duì)于強(qiáng)放熱反應(yīng) ,這兩個(gè)問題往往是反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的關(guān)鍵 ,即在反應(yīng)器設(shè) 計(jì)和操作中不僅要考慮熱平衡而且要著重考慮熱穩(wěn)定條件和參數(shù)的靈敏性。 化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的傳熱問題與一般的加熱、冷卻或換熱過程中的傳熱問題有一 個(gè)重要的區(qū)別 ,就是反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)過程和傳熱過程之間相互交聯(lián)作用。對(duì)于放 熱反應(yīng)過程 ,就有可能出現(xiàn)如下的惡性循環(huán)。 10.1 熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性的概念 熱穩(wěn)定性概念 10.2 催化劑顆溫度的熱穩(wěn)定性 10.2.1 催化劑顆粒的定態(tài)溫度 Qr= ha(Ts-TB)Vp 圖 10-6 催化劑的臨界著火和熄火溫度