《化學反應工程 第三章 理想間歇反應器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《化學反應工程 第三章 理想間歇反應器（52頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、1 2021-5-27上 海 工 程 技 術 大 學化 學 化 工 學 院 化 學 工 程 與 工 藝 系第 三 章 理 想 間 歇 反 應 器化 學 反 應 工 程Chemical Reaction Engineering 2 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.1 理 想 反 應 器 類 型3.2 反 應 器 設 計 基 本 方 程3.3 理 想 間 歇 反 應 器3.4 動 力 學 方 程 的 實 驗 測 定 3 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器

2、Chemical Reaction Engineering 3.1 理 想 反 應 器 類 型 4 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.2 反 應 器 設 計 基 本 方 程3.2.1 基 本 內(nèi) 容選 擇 合 適 的 反 應 器 型 式 反 應 動 力 學 特 性 +反 應 器 的 流 動 特 征 +傳 遞 特 性確 定 最 佳 的 工 藝 條 件 最 大 反 應 效 果 +反 應 器 的 操 作 穩(wěn) 定 性 進 口 物 料 的 配 比 、 流 量 、 反 應 溫 度 、 壓 力 和 最 終

3、 轉 化 率計 算 所 需 反 應 器 體 積 規(guī) 定 任 務 +反 應 器 結 構 和 尺 寸 的 優(yōu) 化 5 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.2.2 基 本 方 程 6 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 物 料 衡 算 方 程某 組 分 流 入 量 =某 組 分 流 出 量 +某 組 分 反 應 消 耗 量 +某 組 分 累 積 量反應消耗累積流 入 流 出反 應 單 元反應器反應單元流

4、入量流出量反應量累積量間 歇 式 整 個 反 應 器 0 0 平 推 流 (穩(wěn) 態(tài) ) 微 元 長 度 0 全 混 釜 (穩(wěn) 態(tài) ) 整 個 反 應 器 0非 穩(wěn) 態(tài) 7 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 熱 量 衡 算 方 程帶 入 的 熱 焓 =帶 出 的 熱 焓 +反 應 熱 +熱 量 的 累 積 +傳 給 環(huán) 境 的 熱 量反應器反應單元帶入量帶出量反應熱累積量間 歇 式 整 個 反 應 器 0 0 平 推 流 (穩(wěn) 態(tài) ) 微 元 長 度 0 全 混 釜 (穩(wěn) 態(tài) ) 整 個 反 應

5、器 0非 穩(wěn) 態(tài) 反應熱累積帶 入 帶 出反 應 單 元 傳 給 環(huán) 境 8 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 動 量 衡 算 方 程氣相流動反應器的壓降大時，需要考慮壓降對反應的影響，需進行動量衡算。但有時為了簡化計算，常采用估算法。 9 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.3 理 想 間 歇 反 應 器3.3.1 特 征 和 數(shù) 學 描 述特 點 : 1 由 于 劇 烈 攪 拌 ， 反 應

6、器 內(nèi) 物 料 濃 度 達 到 分 子 尺 度 上的 均 勻 ， 且 反 應 器 內(nèi) 濃 度 處 處 相 等 ， 因 而 排 除 了物 質(zhì) 傳 遞 對 反 應 的 影 響 ； 2 具 有 足 夠 強 的 傳 熱 條 件 ， 溫 度 始 終 相 等 ， 無 需 考 慮器 內(nèi) 的 熱 量 傳 遞 問 題 ； 3 物 料 同 時 加 入 并 同 時 停 止 反 應 ， 所 有 物 料 具 有 相 同的 反 應 時 間 。優(yōu) 點 ： 操 作 靈 活 ， 適 用 于 小 批 量 、 多 品 種 、 反 應 時 間 較 長 的產(chǎn) 品 生 產(chǎn) 精 細 化 工 產(chǎn) 品 的 生 產(chǎn)缺 點 ： 裝 料 、 卸 料

7、 等 輔 助 操 作 時 間 長 ， 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 不 穩(wěn) 定 10 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 對整個反應器進行物料衡算：流 入 量 = 流 出 量 + 反 應 量 + 累 積 量0 0 11 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 實 際 操 作 時 間 （ tT)=反 應 時 間 (t) + 輔 助 時 間 (tC)反 應 體 積 V是 指 反 應 物 料 在 反 應 器 中 所 占 的

8、體 積 1/r A xA t/CA0 1/rA CA tTtV 0 sm /30物料量，單位生產(chǎn)時間所處理的 t的 計 算 （ 直 接 計 算 和 圖 解 法 ） 12 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.3.2 簡 單 反 應簡 單 一 級 反 應簡 單 二 級 反 應簡 單 零 級 反 應簡 單 n級 反 應 13 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering反應速率rA=kCArA=kCA2 AACC

9、kt 0ln Afx AAA rdxCt 00 Axkt 1 1ln011 AA CCkt AAA xxktC 10 AACC AArdCt 0 14 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 15 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering反應后期的速度很??；反應機理的變化 16 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering

10、末 期 動 力 學反 應 后 期 轉 化 程 度 （ 從 弱 到 強 ） 二 級 一 級 零 級采 用 非 關 鍵 組 分 過 量 ， 可 提 高 轉 化 程 度 。 PBA 設 過 量 化 ： 0 00 A AB C CCM )1( )(ln1 00 MC CMCMktC A AAA CAOkt01.0 xA M=125)1)(1( )1(ln10 Mx xMMktC A AA 17 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 自 催 化 反 應特 點 ： 反 應 產(chǎn) 物 本 身 具 有 催 化 作 用

11、 ， 如 發(fā) 酵 過 程 。PPPA PAAA CkCdtdCr )(反 應 初 期 ： CA大 ， CP很 小反 應 進 行 ： CA ,CP ,(-rA) 反 應 后 期 ： C A 小 ， CP 較 高 ， (-rA) 存 在 (-rA) max 18 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction EngineeringktCCktCCCC CCC ktCC dCCdCCCCC dC PATATA ATA AT AAATATA A )()( )(ln 1)( 000000 000 19 2021-5-27 化 學 反 應 工

12、 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.3.3 均 相 可 逆 反 應（ 酯 化 反 應 ）可 逆 反 應 的 平 衡 特 性 （ 設 均 為 一 級 ） PAAAA CkCkrrr 2121 )()()( （ 1） 若 k2k1 ， 則 須 保 持 足 夠 低 的 Cp ， 才 能 向 右 進 行 ；（ 2） 反 應 達 到 平 衡 時 ， PeAe CC ,平 衡 常 數(shù) ： K = k1/k2 平 衡 濃 度 ： KCCKxKCCC APAePAAe 1,1 0000 均 相 可 逆 反 應可 逆 反 應 的 平 衡 特 性 （

13、 設 均 為 一 級 ） 20 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering （ 3） Van t Hoff 方 程 20)(ln RTHdT Kd RTHeKK 00 對 吸 熱 反 應 ： ， T ， K 溫 度 升 高 對 反 應 平 衡 有 利 ， 向 正 方 向 移 動 。對 放 熱 反 應 ： ， T ， K 溫 度 升 高 對 反 應 平 衡 不 利 ， 向 逆 方 向 移 動 。00 H 0 0 H 21 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemic

14、al Reaction Engineering 可 逆 反 應 的 速 率 特 征設 ： 00 PC )()( 21 AeAA CCkkr 對 吸 熱 反 應 ： T ， K ， （ k1+k2) 溫 度 升 高 對 反 應 平 衡 有 利 ， 向 正 方 向 移 動 。對 放 熱 反 應 ： T ， K ， CAe ,（ k1+k2) ,(CA-CAe) T ， K ， C Ae ,（ k1+k2) ,(CA-CAe) 引 出 最 優(yōu) 溫 度 22 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 最 優(yōu) 反

15、 應 溫 度 和 最 優(yōu) 溫 度 序 列0)( , 一定AA xCATr 1ln 102012 12 AAopt xxkkEER EET RT EEAe ekkx 2110201 1 23 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 24 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 管 式 反 應 器 或 管 式 固 定 床 反 應 器 最 優(yōu) 溫 度 的 實 施 ：（ 1） 根 據(jù) 理 論 分 析 ， 對 放 熱

16、反 應 ， 反 應 開 始 時 溫 度 要 高 ；（ 2） 因 此 需 要 預 熱 ， 達 到 Topt時 ， 再 沿 最 優(yōu) 溫 度 線 變 化 ；（ 3） 實 施 較 為 困 難 ；（ 4） 采 用 方 法 ： 多 段 絕 熱 ， 段 間 冷 卻 ； 原 料 冷 激 ， 多 段 絕 熱 。 25 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 理 想 間 歇 操 作 時 ， 若 自 始 至 終 按 最 優(yōu) 化 溫 度 線 操 作 ， 即 過 程 溫度 隨 反 應 轉 化 率 （ 或 反 應 時 間 ） 增

17、 加 沿 最 優(yōu) 溫 度 數(shù) 值 降 低 ， 造成 隨 轉 化 率 （ 或 反 應 時 間 ） 而 漸 降 的 溫 度 序 列 ， 則 反 應 過 程 將始 終 以 最 大 速 率 進 行 。 26 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.3.4 均 相 平 行 反 應反 應 物 及 產(chǎn) 物 濃 度 分 布PSk kA 12n1n2 21 21)( nAnAsPA CkCkrrr nAA Ckkrnnn )()(, 2121 則若 27 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇

18、 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 等 溫 理 想 間 歇 反 應 器 ， 初 始 條 件 ： ;0,0 000 SPAA CCCCt AA CCtt , AACC nA AnAAA CdCtkkCkkdtdCr 0)()()( 2121 2121 , kkCCCkdtdCCkdtdC SPnASnAP 即 ： 反 應 級 數(shù) 相 同 時 ， P和 S濃 度 比 僅 由 k1/k2確 定 ， 因 此改 變 溫 度 才 能 使 濃 度 比 發(fā) 生 變 化 。 28 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical R

19、eaction Engineering212121 , nnASP CkkCCnn 則若即 由 溫 度 及 A濃 度 有 關 。 29 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 選 擇 率 、 收 率優(yōu) 化 目 標 ： 反 應 速 率 和 選 擇 率 。 1221 1 1221 1 21 11 1 )()( )(nnAnAnA nASP P AA ACkkCkCk Ckrr r rr r 生成副產(chǎn)物的速率生成目的產(chǎn)物的速率瞬時選擇性 AfA PPf CC CCmolmol 0 0數(shù)過程中生成產(chǎn)物總數(shù)過程

20、中生成目的產(chǎn)物總總選擇性生成副產(chǎn)物的速率生成目的產(chǎn)物的速率瞬時選擇性 30 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction EngineeringAfACC ACC dCAfA 0 0 0 0A PPfC CC 總收率，有循環(huán)）單程收率）( ( Ax 31 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering12121 1 nnACkk RTEERTERTE ekkek ekkk 1212 1020102012 溫 度 效 應 ：與溫度無關隨溫度單調(diào)遞減

21、，隨溫度單調(diào)遞增， ,1 1, , , 102021 122121 122121 kkEE kkRT EETEE kkRT EETEE 32 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 濃 度 效 應 ：無關與單調(diào)遞減隨，單調(diào)遞增隨，A AA AA Cnn CCnn CCnn , , ,21 21 21 CA增加，有利于級數(shù)高的反應CA降低，有利于級數(shù)低的反應 33 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 提 高

22、 的 方 法 ： （ 圖 解 ）（ 1） n1n2 若 CAf不 變 ， 提 高 CA0， 可 增 加 若 CA0不 變 ， 提 高 CAf， 可 增 加（ 1） n1 n2m1 m2 CA低CB低n1 n2m1 n2m1 m2 36 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 37 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.3.5 均 相 串 連 反 應動 力 學 特 征 PBA kk 21設 一 級 反 應

23、 ： )3( )2()1()( 2 21 1PSS PAPP AAA CkdtdCr CkCkdtdCr CkdtdCr 38 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering ;0,0 000 SPAA CCCCt SSPPAA CCCCCCtt , )4(10 tkAA eCC ）（5 11 012201 tkAPPPtkAP eCkCkdtdCorCkeCkdtdC )6(2112 01 tktkAP eekk CkC 39 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Che

24、mical Reaction Engineering 串 連 反 應 的 選 擇 率 APA PAAP CCkkCk CkCkrr 121 21 1)( 溫 度 效 應 ：與溫度無關隨溫度單調(diào)遞減，隨溫度單調(diào)遞增， , 1 1, , , 102021 122121 122121 kkEE kkRT EETEE kkRT EETEE RTEERTERTE ekkek ekkk 1212 1020102012 40 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 濃 度 效 應 ： ,APCC串 連 反 應 的

25、選 擇 率 總 是 隨 著 反 應 的 進 行 不 段 地 降 低 。不 能 盲 目 要 求 高 xA， 否 則 提 高 的 方 法 ： 降 低 單 程 轉 化 率 反 應 與 分 離 結 合 ， 邊 反 應 、 邊 分 離 。 41 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 串 連 反 應 的 最 大 收 率 ： Ax optAx , 12 12 1121, 1 12121ln, )(1 )()( 12 2112 2kk kkt kkx kkkkopt kkoptA kkkk kopt 42 2021

26、-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 操 作 條 件 和 操 作 方 式 的 選 擇 原 則最 優(yōu) 反 應 時 間降 低 轉 化 率 ， 追 求 選 擇 率 ， 邊 反 應 邊 分 離 43 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.4 動 力 學 方 程 的 實 驗 測 定動力學研究 實 驗 測 定 技 術實 驗 方 案 溫 度流 量壓 力 等反 應 類 型實 驗 條 件數(shù) 據(jù) 處 理 方 法測 量 誤 差 大

27、 小 范 圍測 量 參 數(shù) 精 度 估 計實 驗 測 定 技 術實 驗 方 案測 量 誤 差 大 小 范 圍實 驗 測 定 技 術實 驗 方 案測 量 參 數(shù) 精 度測 量 誤 差 大 小 范 圍實 驗 測 定 技 術實 驗 方 案 溫 度流 量壓 力 等溫 度流 量反 應 類 型數(shù) 據(jù) 處 理 方 法實 驗 條 件反 應 類 型數(shù) 據(jù) 處 理 方 法目 的 ： 反 應 活 化 能 ， 反 應 級 數(shù) 。 44 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.4.1 積 分 法 分 析 實 測 數(shù) 據(jù)不

28、同 條 件 下 測 得 的 組 分 濃 度 （ 或 轉 化 率 ） 及 產(chǎn) 品 組 成 與 停留 時 間 關 系 的 數(shù) 據(jù) ， 是 經(jīng) 歷 一 定 反 應 歷 程 累 積 的 結 果 。（ 1） 測 定 CA-t數(shù) 據(jù) ， 利 用 積 分 式 的 反 應 速 率 方 程PBA 例 如 ： 二 級 不 可 逆 反 應 （ CA0不 等 于 CB0） 0000 ln)( AB ABBA CC CCktCC yCC CC AB AB令00ln ty 斜 率 （ CA0-CB0)k00ln AB AB CC CC 截 距 45 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器

29、 Chemical Reaction Engineering 46 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering （ 2） Half-time t1/2 method 半 衰 期 法t1/2： xA=0.5時 所 需 的 時 間 。For a single nth-order reactionIntegrating for n1 gives nAA kCdtdC tnkCC nAnA )1(1 01 47 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical React

30、ion Engineering nAOn Cnkt 1121 )1( 12 1 12lglg)1(lg 102/1 nCnt nA若 n=1， kk kC Ct A A693.02ln 2/1ln 0 021 48 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 運 用 積 分 法 須 滿 足 兩 個 條 件 ：（ 1） 無 返 混 或 返 混 極 小 ；（ 2） 反 應 動 力 學 比 較 簡 單 。 49 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reac

31、tion Engineering 3.4.2 微 分 法 分 析 實 測 數(shù) 據(jù)微 分 法 求 動 力 學 方 程 是 直 接 利 用 某 一 類 動 力 學 方 程 的 微 分式 ， 以 反 應 速 度 對 濃 度 的 函 數(shù) 作 圖 ， 然 后 與 實 測 的 數(shù) 據(jù) 相擬 合 的 一 種 方 法 。 一 般 也 是 設 法 把 圖 形 線 性 化 ， 把 實 驗 數(shù)據(jù) 代 人 。 若 得 出 一 直 線 ， 便 認 為 所 假 設 的 動 力 學 方 程 是 正確 的 。 否 則 ， 重 新 選 定 另 一 個 動 力 學 方 程 進 行 猜 算 ， 直 到得 出 一 條 直 線 為 止

32、 。 AAnAA CnkdtdCkCdtdC lglg)lg( dtdCtC AA替代可用 50 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.4.3 反 應 速 率 常 數(shù) 的 實 驗 測 定RTEekk 0 可 用 CA-t數(shù) 據(jù) （ 不 同 溫 度 下 ） ， 求 k。（ 1） 不 可 逆 一 級 平 行 反 應 MNk kA 12 tkkCCeCC AAtkkeAA )(ln 210)( 21 作 關 系 ， 斜 率 為 ， 同 時tCC AA 0ln )( 21 kk 由 實 驗 測 定 CM

33、、 CN， 即 可 得再 聯(lián) 立 求 解 得 ,k1， k2 NON MOMNM CC CCkkrr 21 21kk 51 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering （ 2） 不 可 逆 一 級 串 連 反 應 PBA kk 21 tkCCeCC AAtkAA 100 ln1 又 實 驗 數(shù) 據(jù) ： 作 圖 ， 可 得 k1。tCCAA 0ln由 實 驗 數(shù) 據(jù) ， 作 圖 ， 其 中 最 大 值tC P 221max 12 2)( kkkC kk kP 52 2021-5-27 化 學 反 應 工 程 /理 想 間 歇 反 應 器 Chemical Reaction Engineering 3.4.4 活 化 能 的 實 驗 測 定RTEkkekk RTE 00 lnln 在 T較 窄 時 ， )11(ln 2121 TTREkk EkTkT 2211時，時