第四章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)

1、4.1 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)及研究方法化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)及研究方法4.1.1 基本任務(wù)基本任務(wù) 通過對(duì)反應(yīng)過程的分析，對(duì)技術(shù)開發(fā)進(jìn)行深入通過對(duì)反應(yīng)過程的分析，對(duì)技術(shù)開發(fā)進(jìn)行深入研究，掌握過程的傳遞動(dòng)力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)、研究，掌握過程的傳遞動(dòng)力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)、改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)與設(shè)備，降低生產(chǎn)改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)與設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，提高效能。成本，提高效能。 開發(fā)新的技術(shù)與設(shè)備，并指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程開發(fā)新的技術(shù)與設(shè)備，并指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程中的放大問題。中的放大問題。 根據(jù)合理的技術(shù)方案和操作條件對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行根據(jù)合理的技術(shù)方案和操作條件對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)和反應(yīng)過程的最優(yōu)化控

2、制。最優(yōu)化設(shè)計(jì)和反應(yīng)過程的最優(yōu)化控制。 第四章第四章 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué) 反應(yīng)器的基本原理反應(yīng)器的基本原理 4.1.2 研究研究目的目的將將實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)，并對(duì)所采，并對(duì)所采用的反應(yīng)及預(yù)期的生產(chǎn)過程要求對(duì)用的反應(yīng)及預(yù)期的生產(chǎn)過程要求對(duì)反應(yīng)反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)、尺寸及操作方式和操作器型式、結(jié)構(gòu)、尺寸及操作方式和操作條件進(jìn)行優(yōu)化選擇與設(shè)計(jì)條件進(jìn)行優(yōu)化選擇與設(shè)計(jì). . 4.1.3 主要研究方法主要研究方法 數(shù)學(xué)模擬方法數(shù)學(xué)模擬方法 關(guān)鍵：數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵關(guān)鍵：數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵數(shù)學(xué)模擬方法步驟數(shù)學(xué)模擬方法步驟 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)，包括新產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的小規(guī)模實(shí)

3、驗(yàn)，包括新產(chǎn)品合成，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究以及新型催品合成，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究以及新型催化劑的開發(fā)等?；瘎┑拈_發(fā)等。 初步放大初步放大: :仍屬于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，但大于通仍屬于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，但大于通常的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，且反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與將常的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，且反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與將來工業(yè)規(guī)模裝置相接近。來工業(yè)規(guī)模裝置相接近。 大型冷模試驗(yàn)大型冷模試驗(yàn) 包括包括“冷模實(shí)驗(yàn)冷模實(shí)驗(yàn)”和和“熱模實(shí)驗(yàn)熱模實(shí)驗(yàn)”，主要用于探索傳，主要用于探索傳遞過程對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的影響以及與設(shè)備規(guī)模之間的遞過程對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的影響以及與設(shè)備規(guī)模之間的關(guān)系。關(guān)系。 中試中試 這一階段的試驗(yàn)除在規(guī)模上擴(kuò)大外，在流程及設(shè)備型這一階段的試驗(yàn)除在規(guī)模上擴(kuò)大外

4、，在流程及設(shè)備型式上也與生產(chǎn)車間十分接近。目的在于對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)式上也與生產(chǎn)車間十分接近。目的在于對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，為最終工業(yè)化設(shè)計(jì)提供有用的信息。行檢驗(yàn)和修正，為最終工業(yè)化設(shè)計(jì)提供有用的信息。同時(shí)對(duì)設(shè)備材料的情況、催化劑的壽命及活性變化進(jìn)同時(shí)對(duì)設(shè)備材料的情況、催化劑的壽命及活性變化進(jìn)行考查。行考查。4.2 工業(yè)反應(yīng)器及其分類工業(yè)反應(yīng)器及其分類 反反應(yīng)應(yīng)的的操操作作方方法法反反應(yīng)應(yīng)器器的的型型式式反反應(yīng)應(yīng)的的相相態(tài)態(tài)化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)過過程程4.2.1 反應(yīng)的操作方法反應(yīng)的操作方法 反反應(yīng)應(yīng)的的操操作作方方法法間間歇歇( (或或分分批批) )操操作作連連續(xù)續(xù)操操作作半半連連續(xù)續(xù)( (半半分

5、分批批) )操操作作非定態(tài)的操作非定態(tài)的操作非定態(tài)的操作非定態(tài)的操作定態(tài)的操作定態(tài)的操作4.2.2反應(yīng)器的型式反應(yīng)器的型式 型式 適用的反應(yīng) 生產(chǎn)實(shí)例 釜式 液相，液液相，液固相 氯乙烯聚合，苯的硝化，順丁橡膠聚合等 管式 氣相，液相 石腦油裂解，油脂或脂肪酸加氫生產(chǎn)高碳醇等 塔式 氣液，液液， 氣液固 苯乙烯的本體聚合，化學(xué)吸收，苯的烷基化，二甲苯氧化，苯連續(xù)磺化，苯的氯化，異丙苯氧化等 固定床 氣固（催化或非催化）相 合成氨，乙苯脫氫，乙烯法制醋酸乙烯等 流化床 氣固（催化或非催化）相 丙烯氨氧化制丙烯腈，鄰二甲苯或萘氧化制苯酐，石油催化裂化，乙烯氧氯化制二氯乙烷等 移動(dòng)床 氣固（催化或非

6、催化） ，催化劑失活很快的反應(yīng) 礦物的焙燒或冶煉，石油催化裂化等 回轉(zhuǎn)筒式 氣固相，固固相， 液固相 苯酐轉(zhuǎn)位成對(duì)二甲酸，水泥制造等 噴嘴式 氣相，高速反應(yīng)的液相 氯化氫的合成，天然氣裂解制乙快 管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器鼓泡塔反應(yīng)器鼓泡塔反應(yīng)器固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器填料塔反應(yīng)器填料塔反應(yīng)器回轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)器回轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)器噴霧塔反應(yīng)器噴霧塔反應(yīng)器4.2.3 反應(yīng)的相態(tài)反應(yīng)的相態(tài)反應(yīng)物料相態(tài)反應(yīng)物料相態(tài) 反應(yīng)特性反應(yīng)特性 反應(yīng)類型舉例反應(yīng)類型舉例 運(yùn)用的反應(yīng)器型式運(yùn)用的反應(yīng)器型式 均相均相 氣相氣相 液相液相 無相界面，反應(yīng)速無相界面，反應(yīng)速度僅與濃度或溫度僅

7、與濃度或溫度有關(guān)度有關(guān) 燃燒、裂解等燃燒、裂解等 酯化酯化、中和、水解等、中和、水解等 管式管式 釜式釜式 非均相非均相 氣氣液相液相 液液液相液相 氣氣固相固相 液液固相固相 固固固相固相 氣氣液液固相固相 有相界面，實(shí)際有相界面，實(shí)際反應(yīng)速度與相反應(yīng)速度與相界面大小及相界面大小及相間擴(kuò)散速度有間擴(kuò)散速度有關(guān)關(guān) 加氫、 氯化、 氧化、加氫、 氯化、 氧化、吸收等吸收等 硝化、烷基化、磺硝化、烷基化、磺化等各種固相催化等各種固相催化、燃燒、還原等化、燃燒、還原等 離子交換、還原等離子交換、還原等 水泥制造等水泥制造等 加氫裂解、加氫脫加氫裂解、加氫脫硫等硫等 釜式、塔式釜式、塔式 釜式、塔式釜

8、式、塔式 固定床、流化床、固定床、流化床、移動(dòng)床移動(dòng)床 釜式、塔式釜式、塔式 回轉(zhuǎn)筒式回轉(zhuǎn)筒式 固定床、流化床固定床、流化床 4.2.4 化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)均相反應(yīng)均相反應(yīng) 在均一的氣相或液相中進(jìn)行的反應(yīng)，在均一的氣相或液相中進(jìn)行的反應(yīng)，如如烴類的高溫裂解，酯化、皂化、酸堿中烴類的高溫裂解，酯化、皂化、酸堿中和等反應(yīng)，均為典型的氣相和液相均相和等反應(yīng)，均為典型的氣相和液相均相反應(yīng)。反應(yīng)。4.2.4.1. 化學(xué)反應(yīng)速率及其表示化學(xué)反應(yīng)速率及其表示 dtdnVrii1 ri體系中i組分的反應(yīng)速率nii組分的物質(zhì)的量V反應(yīng)體積若反應(yīng)過程中體積恒定，即均相定容反應(yīng)若反應(yīng)過程中體積

9、恒定，即均相定容反應(yīng) dtdcdtVndriii)(aA+bBpP+sSdtdcdtdnVrdtdcdtdnVrdtdcdtdnVrdtdcdtdnVrSSSPPPBBBAAA1111srprbrarSPBAdtdcsdtdcpdtdcbdtdcaSPBA1111同一化學(xué)反應(yīng)按不同組同一化學(xué)反應(yīng)按不同組分計(jì)算得到的反應(yīng)速率分計(jì)算得到的反應(yīng)速率在數(shù)值上并不一定相等在數(shù)值上并不一定相等 RTEeAk0 反應(yīng)速率數(shù)的單位為（反應(yīng)速率數(shù)的單位為（kmolm-3）1-ns-1則對(duì)一級(jí)反應(yīng)則對(duì)一級(jí)反應(yīng)k的單位為的單位為 s-1，二級(jí)反應(yīng)的單位為二級(jí)反應(yīng)的單位為m3kmol-1s-1 BAAAckcdtdn

10、Vr1反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù))E,T(fk的單位隨反應(yīng)級(jí)數(shù)不同而異的單位隨反應(yīng)級(jí)數(shù)不同而異 nYnCPpkRTkk)1 ()( 2lnRTEdtkd)(303. 2log211212TTTTREkk圖圖4-2 流動(dòng)體系的反應(yīng)速率示意圖流動(dòng)體系的反應(yīng)速率示意圖 iiiVFrddRAAdVdFr4.2.5 轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)率和選擇性轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)率和選擇性 轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率Ax的物質(zhì)的量進(jìn)入反應(yīng)器的的物質(zhì)的量物的轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物和副產(chǎn)轉(zhuǎn)化率AA的起始物質(zhì)的量反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量反應(yīng)物AA0,0,AAAAnnnx0,0,AAAAFFFx0,0,AAAAcccx等溫、定容條件下連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)間歇系統(tǒng)間歇系

11、統(tǒng)aA+bBpPsS+nA0000nA0-nAnB 0轉(zhuǎn)化率是針對(duì)反應(yīng)物而言的。以不同的反轉(zhuǎn)化率是針對(duì)反應(yīng)物而言的。以不同的反應(yīng)物為基準(zhǔn)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)化率數(shù)值可能并應(yīng)物為基準(zhǔn)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)化率數(shù)值可能并不相同不相同 在工業(yè)反應(yīng)過程所用的反應(yīng)物料中，各反在工業(yè)反應(yīng)過程所用的反應(yīng)物料中，各反應(yīng)組分之間的比例通常并不符合化學(xué)計(jì)量應(yīng)組分之間的比例通常并不符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系，一般選擇不過量的反應(yīng)物計(jì)算轉(zhuǎn)化關(guān)系，一般選擇不過量的反應(yīng)物計(jì)算轉(zhuǎn)化率率 .這樣的組分稱為這樣的組分稱為著眼組分著眼組分或或關(guān)鍵組分關(guān)鍵組分 由關(guān)鍵組分計(jì)算的轉(zhuǎn)化率，其最大值為由關(guān)鍵組分計(jì)算的轉(zhuǎn)化率，其最大值為100%。而按過量組分計(jì)算，其

12、最大值永遠(yuǎn)。而按過量組分計(jì)算，其最大值永遠(yuǎn)小于小于100%。 當(dāng)原料中各組分間的比例符合化學(xué)計(jì)量關(guān)當(dāng)原料中各組分間的比例符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系時(shí)，對(duì)于同一狀態(tài)，按任意一種反應(yīng)物系時(shí)，對(duì)于同一狀態(tài)，按任意一種反應(yīng)物計(jì)算的轉(zhuǎn)化率數(shù)值都一樣。計(jì)算的轉(zhuǎn)化率數(shù)值都一樣。收率收率y0,APnnpayaA+bBpPsS+nA00000pnA0a單一反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率與收率相等，而且單一反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率與收率相等，而且無論按哪一個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物計(jì)算的收率，無論按哪一個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物計(jì)算的收率，其數(shù)值都相等其數(shù)值都相等當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)中進(jìn)行的反應(yīng)不只一個(gè)時(shí)，當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)中進(jìn)行的反應(yīng)不只一個(gè)時(shí)，則不相等則不相等 .在工業(yè)生產(chǎn)中，評(píng)價(jià)復(fù)合反應(yīng)時(shí)，除在

13、工業(yè)生產(chǎn)中，評(píng)價(jià)復(fù)合反應(yīng)時(shí)，除了采用轉(zhuǎn)化率和收率外，還常用反應(yīng)了采用轉(zhuǎn)化率和收率外，還常用反應(yīng)的選擇性來表示。的選擇性來表示。AAPnnnpaS0,選擇性選擇性 SaA+bBpPsS+nA0000nA0-nAp(nA0-nA)aAxSyAPWmmy轉(zhuǎn)化率，收率和選擇性的關(guān)系轉(zhuǎn)化率，收率和選擇性的關(guān)系例例4-1 在銀催化劑上通過乙烯氧化反應(yīng)以生產(chǎn)環(huán)在銀催化劑上通過乙烯氧化反應(yīng)以生產(chǎn)環(huán)氧乙烷氧乙烷, 已知進(jìn)入反應(yīng)器的氣體組成為已知進(jìn)入反應(yīng)器的氣體組成為C2H415%, O27%, CO210%,Ar12%, N256%。反應(yīng)器出口氣。反應(yīng)器出口氣體中含體中含C2H413.1%, O24.8%。試計(jì)

14、算乙烯的轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙烯的轉(zhuǎn)化率，環(huán)氧乙烷收率和反應(yīng)選擇性率，環(huán)氧乙烷收率和反應(yīng)選擇性。解：以解：以100 mol進(jìn)料為計(jì)算基準(zhǔn)，并設(shè)進(jìn)料為計(jì)算基準(zhǔn)，并設(shè)x和和y分別表示環(huán)氧乙烷和二氧化碳的生成量，由分別表示環(huán)氧乙烷和二氧化碳的生成量，由已知進(jìn)料組成和該反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量式，已知進(jìn)料組成和該反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量式，可列出下表可列出下表C2H4+12O2CH2CH2O C2H4+ 3 O2 2 C O2+ 2 H2O 組分 反應(yīng)器進(jìn)口 反應(yīng)器出口 C2H4 15 15-x-y/2 O2 7 7- x/2-3y/2 C2H4O 0 x CO2 10 10+y H2O O Y Ar 12 12 N2

15、56 56 總計(jì) 100 100-x/2 反應(yīng)器出口氣體中乙烯和氧的濃度已反應(yīng)器出口氣體中乙烯和氧的濃度已知，所以可列出以下兩個(gè)方程知，所以可列出以下兩個(gè)方程： 131. 02100215xmolyxmol048. 021002327molxmolmolymolxmolx1.504 mol; y0.989mol乙烯的轉(zhuǎn)化率為1.999/150.1333或13.33%環(huán)氧乙烷收率1.504 mol/15 mol0.1003或10.03%S0.1003 mol/0.1333 mol0.7524或或75.24%4.3 理想均相反應(yīng)器及其計(jì)算理想均相反應(yīng)器及其計(jì)算 4.3.1理想流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型理

16、想理想均相均相反應(yīng)器反應(yīng)器理理想想流流動(dòng)動(dòng)模模型型理理想想置置換換理理想想混混合合（理理想想排排擠擠、活活塞塞流流或或平平推推流流）1.理想置換理想置換 （又稱理想排擠、活塞流或平推流）（又稱理想排擠、活塞流或平推流） 特點(diǎn)：特點(diǎn)：任一截面上的各點(diǎn)的溫度、濃度、壓力、任一截面上的各點(diǎn)的溫度、濃度、壓力、速度都相同。速度都相同。所有質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同。所有質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同。2.理想混合理想混合 （全混流（全混流 ）特點(diǎn)特點(diǎn)在整個(gè)反應(yīng)器中，各點(diǎn)的濃度和溫度在整個(gè)反應(yīng)器中，各點(diǎn)的濃度和溫度均勻一致，且等于反應(yīng)器出口處的物均勻一致，且等于反應(yīng)器出口處的物料的溫度和濃度料的溫度

17、和濃度。物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間并不相等物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間并不相等.將反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同的物料質(zhì)點(diǎn)將反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同的物料質(zhì)點(diǎn)之間的混合現(xiàn)象。之間的混合現(xiàn)象。返混：理想排擠模型中，物料停留時(shí)間都一樣，因此，理想排擠模型中，物料停留時(shí)間都一樣，因此，不存在不存在“返混返混”。 理想混合模型的提出是以高效率攪拌釜作為基理想混合模型的提出是以高效率攪拌釜作為基礎(chǔ)，所以，實(shí)際生產(chǎn)中連續(xù)操作攪拌釜中的流礎(chǔ)，所以，實(shí)際生產(chǎn)中連續(xù)操作攪拌釜中的流動(dòng)型式可看作理想混合動(dòng)型式可看作理想混合。 實(shí)實(shí)際際物物料料流流動(dòng)動(dòng)型型式式理理想想排排擠擠模模型型理理想想混混合合模模型型理理想想流流型型間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反

18、應(yīng)器：反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間 = 停留時(shí)間停留時(shí)間連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器：反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間 停留時(shí)間；停留時(shí)間；量反應(yīng)器中物料的體積流反應(yīng)器的容積VqVtt反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間: 反應(yīng)物料加入反應(yīng)器后從實(shí)際反應(yīng)物料加入反應(yīng)器后從實(shí)際進(jìn)行反應(yīng)起至反應(yīng)到某一時(shí)刻所需的時(shí)間。進(jìn)行反應(yīng)起至反應(yīng)到某一時(shí)刻所需的時(shí)間。 停留時(shí)間停留時(shí)間: 指反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器至離指反應(yīng)物料從進(jìn)入反應(yīng)器至離開反應(yīng)器所經(jīng)歷的時(shí)間開反應(yīng)器所經(jīng)歷的時(shí)間 。 4.3.2 反應(yīng)器操作中的幾個(gè)基本概念反應(yīng)器操作中的幾個(gè)基本概念空時(shí)空時(shí):在規(guī)定條件下進(jìn)入反應(yīng)器的物料在規(guī)定條件下進(jìn)入反應(yīng)器的物料 通過反應(yīng)體積所需的時(shí)間。通過反應(yīng)體積所需的時(shí)間。0,

19、VqV進(jìn)料的體積流量反應(yīng)器容積空速空速 :在規(guī)定條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過在規(guī)定條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位反應(yīng)器容積的物料體積。單位反應(yīng)器容積的物料體積。tVcFVqSAAvV10,0,0,1.1.達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間2.反應(yīng)器有效容積反應(yīng)器有效容積V的計(jì)算的計(jì)算計(jì)算的內(nèi)容計(jì)算的內(nèi)容計(jì)算的對(duì)象計(jì)算的對(duì)象間間歇歇釜釜式式反反應(yīng)應(yīng)器器( (Batch Tank Reactor，BTR) )理理想想置置換換反反應(yīng)應(yīng)器器( (Plug Flow Reactor，PFR) )理理想想混混合合反反應(yīng)應(yīng)器器(Continuous stirred tank reactor, C

20、STR)多多級(jí)級(jí)串串聯(lián)聯(lián)理理想想混混合合反反應(yīng)應(yīng)器器(Continuous stirred tank reactor in series,CCSTR)4.3.3 間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器(BTR) 間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，反應(yīng)物料按一定配比裝置，反應(yīng)物料按一定配比一次加入到反應(yīng)器內(nèi)，在攪一次加入到反應(yīng)器內(nèi)，在攪拌良好的情況下，釜內(nèi)物料拌良好的情況下，釜內(nèi)物料達(dá)到完全混合，各處濃度、達(dá)到完全混合，各處濃度、溫度均一。各點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)溫度均一。各點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)速度也都相同。隨反應(yīng)的進(jìn)速度也都相同。隨反應(yīng)的進(jìn)行，釜內(nèi)的濃度、溫度和反行，釜內(nèi)的濃度、溫度和反應(yīng)速度都隨時(shí)間

21、而改變。因應(yīng)速度都隨時(shí)間而改變。因此為一非穩(wěn)態(tài)過程。此為一非穩(wěn)態(tài)過程。BTR特點(diǎn)：特點(diǎn)：操作條件靈活，多品種小批量的化學(xué)生產(chǎn)操作條件靈活，多品種小批量的化學(xué)生產(chǎn)生產(chǎn)規(guī)模小或者反應(yīng)時(shí)間長的反應(yīng)生產(chǎn)規(guī)模小或者反應(yīng)時(shí)間長的反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算和反應(yīng)器的有效容積反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算和反應(yīng)器的有效容積 非流動(dòng)系統(tǒng)非流動(dòng)系統(tǒng)00-(物料物料A消耗速度消耗速度)(物料物料A積累速度積累速度)dtdnVrAA0)A()A()A()A(的積累速度物料的消耗速度物料的引出速度物料加入速度物料0,0,AAAAnnnx)x(nnA,AA10A,AA,AAdxn)x(dndn001dtdxndtdnA,AA0dtdnVrAAd

22、tdxnVrAAA0,AxAAAtrdxcdt00,0AxAAArdxct00,AxAAArdxct00,AAkcr kkcrAA02AkcrA一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng) AAAxAA,AkcdxcrdxctA000)x(kcdxcAAAA100)x(ccAAA10AxInk111表表4-3 不同級(jí)數(shù)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算式不同級(jí)數(shù)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算式反應(yīng)時(shí)間計(jì)算式反應(yīng)時(shí)間計(jì)算式 反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)級(jí)數(shù) 反應(yīng)速率表達(dá)式反應(yīng)速率表達(dá)式 反應(yīng)物深度式反應(yīng)物深度式 轉(zhuǎn)化率式轉(zhuǎn)化率式 零級(jí)零級(jí) krA 一級(jí)一級(jí) 二級(jí)二級(jí) 反應(yīng)器容積的計(jì)算反應(yīng)器容積的計(jì)算)(0,ttqVv反應(yīng)器實(shí)際體積反應(yīng)器實(shí)際體積VRVVR反應(yīng)器有效容

23、積反應(yīng)器有效容積V輔助操作時(shí)間輔助操作時(shí)間 裝料系數(shù)裝料系數(shù) 物料起泡、沸騰：物料起泡、沸騰： 0.40.65不起泡不沸騰，不起泡不沸騰，0.70.85例例4-1在等溫間歇反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行乙酸乙酯的皂在等溫間歇反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行乙酸乙酯的皂化反應(yīng)已知該反應(yīng)對(duì)乙酸乙醋和氫氧化鈉均為化反應(yīng)已知該反應(yīng)對(duì)乙酸乙醋和氫氧化鈉均為一級(jí)，反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度一級(jí)，反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均 為均 為 0 . 0 2 k m o l m- 3， 反 應(yīng) 速 率 常 數(shù) 為， 反 應(yīng) 速 率 常 數(shù) 為0.0935m3 kmol s-1，若每天處理乙酸乙酯，若每天處理乙酸乙酯176 kg，試求最終

24、轉(zhuǎn)化率大達(dá)試求最終轉(zhuǎn)化率大達(dá)90%所需反應(yīng)器的有效容所需反應(yīng)器的有效容積；若裝料系數(shù)取積；若裝料系數(shù)取0.80，則反應(yīng)器的實(shí)際體積，則反應(yīng)器的實(shí)際體積為多少為多少 (已知輔助操作時(shí)間為已知輔助操作時(shí)間為t = 30 min) ?CH3COOC2H5+NaOHCH3COONa+C2H5OHMCH3COC2H5 = 88 kg/molV = 7.66 m3 VR= 9.58 m34.3.4 理想置換反應(yīng)器理想置換反應(yīng)器(PFR) 01AA,AFF(x )0AA,AdFFdx d VcA,fFA,fFA + dFAFAcA,0FA,0 圖圖4-4 理想置換反應(yīng)器物料衡算示意圖理想置換反應(yīng)器物料衡算示

25、意圖 (物料物料A加入量加入量)-(物料物料A引出量引出量)-(物料物料A消耗量消耗量)0 dVrdFFFAAAA)(0A,AAFdxr dV0A,AAFdxdVr000AxVA,AAFdxdVr0,0,0,VAAqcFAxAAAVrdxcqV00,0,AxAAArxFV00,d恒恒溫溫恒恒容容反反應(yīng)應(yīng)恒恒溫溫變變?nèi)萑莘捶磻?yīng)應(yīng)PFR與與BTR比較比較相同點(diǎn)相同點(diǎn)不同點(diǎn)不同點(diǎn)txA反應(yīng)物濃度的變化過程相同反應(yīng)物濃度的變化過程相同 反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)形態(tài)卻完全不同反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)形態(tài)卻完全不同 PFR:物料為無返混的物料為無返混的定態(tài)過程定態(tài)過程 BTR:物料屬于混合均勻的物料屬于混合均勻的非定

26、態(tài)過程非定態(tài)過程 例例4-2 4-2 將例將例4-14-1中所述乙酸乙酯與氫氧化鈉進(jìn)行的皂中所述乙酸乙酯與氫氧化鈉進(jìn)行的皂化反應(yīng)，改在理想置換反應(yīng)器中進(jìn)行，操作條件及乙化反應(yīng)，改在理想置換反應(yīng)器中進(jìn)行，操作條件及乙酸乙酯處理量與上例完全相同，試求算理想排擠反應(yīng)酸乙酯處理量與上例完全相同，試求算理想排擠反應(yīng)反應(yīng)器所需的體積反應(yīng)器所需的體積。解：已知反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)解：已知反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng), ,113skmolm0935. 0k90. 0Axs4813)90. 01 (mkmol020. 0skmolm0935. 090. 0)1 (131130,AAAxxkct313m58. 5)s3600s481

27、3(hm17. 4VqVaA+bBr Rs S+0ttt 0 ,An0 ,Bn000,0,0BAnnn)1 (0,AAxnAABxnabn0,0,AAxnar0,AAxnas0,0ttt AAAAAABAAxnasxnarxnabnxnn0,0,0,0,0,)()1 (0nn AAAAAABAAxnasxnarxnabnxnn0,0,0,0,0,)()1 (AABAxnabasarnn0,0,0,) 1(A,Axn)aabsr(n00Aaabsr的計(jì)量數(shù)著眼反應(yīng)物反應(yīng)物計(jì)量數(shù)之和產(chǎn)物計(jì)量數(shù)之和AAAAxnnn0,0Aaabsr氣相反應(yīng)的膨脹因子氣相反應(yīng)的膨脹因子( (或體積變化率或體積變化率)

28、 )當(dāng)著眼反應(yīng)組分當(dāng)著眼反應(yīng)組分A每轉(zhuǎn)化每轉(zhuǎn)化1 kmol時(shí)，引起時(shí)，引起物系總量物系總量(以以kmol計(jì)計(jì))增加或減少的值。增加或減少的值。物理意義物理意義該數(shù)值與進(jìn)料中有無惰性物質(zhì)無關(guān)。該數(shù)值與進(jìn)料中有無惰性物質(zhì)無關(guān)。0A0A0A,該物系為恒容過程；,為體積減小的過程；，則為體積增加過程。A,AAA,AAAxnn)x(nnny0001當(dāng)當(dāng) 時(shí)，著眼反應(yīng)組分時(shí)，著眼反應(yīng)組分A A的摩爾分?jǐn)?shù)為的摩爾分?jǐn)?shù)為tt AAAAAAxyxpp0,0,1)1 (AAAAAAxyxcc0,0,1)1 (等溫等壓，由理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律得等溫等壓，由理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律得nA,AAA,AcnACA

29、xy)x(ckckr0011nA,AAA,AncnApAxy)x(p)RT(kpkr00111nA,AAA,AncnAyAxy)x(y)RTp(kykr0011ncpRTkk)1(npncypkRTpkk)(AxAAAVrdxcqV00,0,4.3.5 理想混合反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器(CSTR) (物料物料A加入速度加入速度)(物料物料A引出速度引出速度)+(物料物料A消耗速度消耗速度) VrFFAAA0,)1 (0,AAAxFF0,0,0,AVAcqFAAAVrxcqVt0,0,圖圖5-6 理想混合反應(yīng)器物料衡算示意圖理想混合反應(yīng)器物料衡算示意圖 AAkcr )1 ()1 (0,0,0,AAA

30、AAAAAAxkxxkcxckcxctt kccAA10,t kt kxA12AAkcr 20,220,0,20,)1 ()1 (AAAAAAAAAAxkcxxkcxckcxctt kct kcAA2)41 (15 . 00,0 ,5 . 00 ,2)41 (11AAAct kct kx例例4-3：將例：將例4-1中所進(jìn)行的反應(yīng)，改用理想混合反中所進(jìn)行的反應(yīng)，改用理想混合反應(yīng)器中進(jìn)行，操作條件與例應(yīng)器中進(jìn)行，操作條件與例4-1完全相同，試求完全相同，試求反應(yīng)器所需的體積？反應(yīng)器所需的體積？90. 0;skmolm0935. 0;hm17. 4;mkmol020. 01131330,AVAxkq

31、cs48128)90. 01 (kmol020. 0skmolm0935. 090. 0)1 (2311320,mxkcxtAAA3113m7 .55)hs3600s48128(hm17. 4tqVV二級(jí)反應(yīng)，在二級(jí)反應(yīng)，在CSTR中進(jìn)行中進(jìn)行解：已知解：已知 在相同的條件下，采用在相同的條件下，采用理想混合反應(yīng)器理想混合反應(yīng)器所需的體積所需的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理想排擠反應(yīng)器大于理想排擠反應(yīng)器和和間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器，造成不同型，造成不同型式式反應(yīng)器之間體積反應(yīng)器之間體積差異的主要原因，是由于反應(yīng)器內(nèi)差異的主要原因，是由于反應(yīng)器內(nèi)返混程度返混程度不同所造成的。不同所造成的。 對(duì)對(duì)PFR來說，

32、由于不存在物料的來說，由于不存在物料的“返混返混”，反應(yīng)器入，反應(yīng)器入口處反應(yīng)物濃度高，沿反應(yīng)器管長逐漸降低，濃度高口處反應(yīng)物濃度高，沿反應(yīng)器管長逐漸降低，濃度高反應(yīng)速度快，達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間短，因而所反應(yīng)速度快，達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間短，因而所需反應(yīng)器體積小；需反應(yīng)器體積??； BTR中反應(yīng)物濃度變化與中反應(yīng)物濃度變化與PFR相似，但隨時(shí)間而變；相似，但隨時(shí)間而變； CSTR中中“返混返混”最大，反應(yīng)物一進(jìn)入該反應(yīng)器即達(dá)最大，反應(yīng)物一進(jìn)入該反應(yīng)器即達(dá)到出口處濃度、反應(yīng)過程中始終是在出口濃度水平下到出口處濃度、反應(yīng)過程中始終是在出口濃度水平下進(jìn)行，濃度低，反應(yīng)速度慢，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需反

33、進(jìn)行，濃度低，反應(yīng)速度慢，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時(shí)間長，因此所需反應(yīng)器體積就大。應(yīng)時(shí)間長，因此所需反應(yīng)器體積就大。 4.3.6 多級(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器多級(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器(CCSTR) 圖圖4-7 多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器物料衡算示意圖多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器物料衡算示意圖 (單位時(shí)間內(nèi)物料加入速度單位時(shí)間內(nèi)物料加入速度)(單位時(shí)間內(nèi)物料的引出速度單位時(shí)間內(nèi)物料的引出速度) +(單位時(shí)間內(nèi)物料的消耗速度單位時(shí)間內(nèi)物料的消耗速度) iiAiAViAVVrcqcq,0,1,0,iVitqV0,iAiAiAViirccqVt,1,0,iiAiAiAVrFF,1 -, 在多釜串聯(lián)反應(yīng)器計(jì)算中，常涉及到四在多釜串聯(lián)反應(yīng)器

34、計(jì)算中，常涉及到四個(gè)參數(shù)，即：個(gè)參數(shù)，即：每釜的有效體積每釜的有效體積V V，串聯(lián)釜串聯(lián)釜的個(gè)數(shù)的個(gè)數(shù)N N，最終轉(zhuǎn)化率最終轉(zhuǎn)化率 及及反應(yīng)物的最反應(yīng)物的最終濃度終濃度 常用的計(jì)算方法有常用的計(jì)算方法有代數(shù)法代數(shù)法或或圖解法圖解法. . NAx,NAc,代數(shù)法代數(shù)法 對(duì)多釜串聯(lián)反應(yīng)器，前一釜出口濃度和轉(zhuǎn)化率出口濃度和轉(zhuǎn)化率就是后一釜物料入口濃度及入口轉(zhuǎn)化率入口濃度及入口轉(zhuǎn)化率，假設(shè)各釜體積分別為 V1，V2VN，若各釜的溫度和反應(yīng)速率常數(shù)已知，在確定第一釜的入口濃度 和體積流量 后，可從第一釜開始，利用式(6-43)，求得 或 ，再將其代入式(6-43)，求算出 ， 逐級(jí)計(jì)算，直到要求的轉(zhuǎn)化率

35、為止。 A,0c0V ,q1A ,c1A,x2A,c2,AxiAAiiAViirccqVt,1,0,6-43 一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng) RAiAiiAckr,110,1 ,1tkccAAiAiAiAViirccqVt,1,0,)1)(1 (122110,221 ,2,tktkctkccAAA)1 ()1)(1 (22110,NNANAtktktkccNiiiAtkc10,)1 (若在等溫下操作，且各釜體積相等，則有若在等溫下操作，且各釜體積相等，則有k1 = k2 = =kN=k， NANAt kcc)1 (0,)1 (,0,NAANAxccNNAt kx)1 (11, 二級(jí)反應(yīng)二級(jí)反應(yīng) A+BRkR

36、或A2k 當(dāng)當(dāng)CA,O=CB,O，且各釜的溫度及體積均相等，有，且各釜的溫度及體積均相等，有 2,iAiAkcr2,1,iAiAiAikccctiAiAiAViirccqVt,1,0,01,2,iAiAiAccct kt kct kcAA24110,1 ,t kt kct kt kcAA224114110,2, 例例4-4 將乙酸乙酯的皂化反應(yīng)放在二釜串聯(lián)反應(yīng)器中進(jìn)行，將乙酸乙酯的皂化反應(yīng)放在二釜串聯(lián)反應(yīng)器中進(jìn)行，若在第一釜中乙酸乙酯的轉(zhuǎn)化率為若在第一釜中乙酸乙酯的轉(zhuǎn)化率為60%，第二釜中達(dá)到最，第二釜中達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率終轉(zhuǎn)化率90%，當(dāng)反應(yīng)條件與例，當(dāng)反應(yīng)條件與例4-2中完全相同時(shí)，計(jì)算中完全相同時(shí)，計(jì)算該兩釜串聯(lián)反應(yīng)器的總體積該兩釜串聯(lián)反應(yīng)器的總體積? 解：解：21 ,0,1 ,21 ,1 ,0,1)1 (AAAAAAxkcxkccct 已知已知： 60. 0;skmolm0935. 0;hm17. 4;mkmol020. 01 ,1131330 ,AVAxkqcs2005)60. 01 (mkmol020. 0skmolm0935. 060. 0231131t22,0,1 ,2,22,20,1 ,2,0,22,2,1 ,2)1 ()1 ()(AAAAAAAAAAAAxkcxxxkcxxckccct90. 02,Axs16043)