(完整word版)任務一間歇操作釜式反應器設計

1、江西應用技術職業(yè)學院教案首頁本學期授課次序授課班級15化工01班課題名稱任務一間歇操作釜式反應器設計教學目的要求1、掌握理想流動模型及返混對反應的影響2、掌握化學反應速率及反應動力學方程3、掌握均相反應速率表示方式4、掌握均相反應動力學教學重點及難點均相反應速率的表示方式、均相反應動力學教 學程 序設 計次序內容計劃時間（min）123456點名、回顧上節(jié)課內容反應器流動模型化學反應速率及反應動力學方程均相反應速率均相反應動力學小結5252015205作業(yè)：小結：任務一 間歇操作釜式反應器設計 工作任務：根據化工產品的生產條件和工藝要求進行間歇操作釜式反應器的工藝設計 預備知識：一、反應器流動

2、模型（一）理想流動模型1、理想置換流動模型 也稱為平推流模型或活塞流模型。指在任一截面的物料如同活塞一樣在反應器中移動，垂直于流動方向的任一橫截面上所有的物料質點的年齡相同，是一種返混量為零的極限流動 模型。其特點是在定態(tài)情況下，沿著物料流動方向物料的參數會發(fā)生變化，而垂直于流動方 向上的任一截面的所有參數都相同，如濃度、壓力、流速等。2、理想混合流動模型 稱為全混流模型。由于強烈攪拌，反應器內物料質點返混無窮大，所有空間位置物料的 各種參數完全一致3、返混及其對反應的影響 指不同時刻進入反應器的物料之間的混合，是逆向的混合，或者說是不同年齡質點之間 的混合。間歇操作反應器不存在返混。其帶來的

3、最大影響是反應器進口處反應物高濃度去的 消失或減低。a返混改變了反應器內的濃度分布，是反應器內反應物的濃度下降，反應產物的濃度上 升b返混的結果將產生停留時間分布，并改變反應器內濃度分布。c不但對反應過程產生不同程度的影響，更重要的是對反應器的工程放大所產生的問題d降低返混程度的主要措施是分割，通常有橫向分割和縱向分割兩種 （二）非理想流動實際反應器中流動狀況偏離理想流動狀況的原因課歸納為下列幾個方面a滯留去的存在 也稱死區(qū)、死角，是指反應器中流體流動極慢導致幾乎不流動的區(qū)域。b存在溝流與短路c循環(huán)流d流體流速分布不均勻e擴散二、均相反應動力學基礎 工業(yè)反應器中，化學反應過程與質量、熱量和動量

4、傳遞過程同時進行，這種化學反應與 物理變化過程的綜合稱為宏觀反應過程。研究宏觀反應過程的動力學稱為宏觀反應動力學。 排除了一切物理傳遞過程的影響得到的反應動力學稱為化學動力學或本征動力學。(一) 化學反應速率及反應動力學方程1、化學反應速率其定義為：在反應系統(tǒng)中，某一物質在單位時間、單位反應區(qū)域內的反應量反應速度=反應量/(反應區(qū)域)(反應時間)其實針對某一種反應物而言，以符號+ri表示。可以是反應物，也可以是產物。2、 化學反應動力學方程定量描寫反應速率與影響反應速率之間的關系式陳偉化學反應動力學方程，有反應溫 度、組成、壓力、溶劑性質等。但大多數為濃度和溫度，所以其動力學方程一般可寫為+r

5、_ i=f(c，T)恒溫條件下，可寫為+ri=kf(CX,CB.)非恒溫，(二) 均相反應速率及反應動力學1、均相反應速率均相反應是指在均一的液相或氣相中進行的化學反應。均相反應速率的定義指在均相反 應系統(tǒng)中某一物質在單位時間、 單位反應混合物總體積的反應量，反應速率單位以Kmol/(m3?h)(1)用組分傳化率表示-rA=nAodxWdT(2)用濃度表示(3)對于多組分單一反應體系，各個組分的反應速率受化學計量關系的約束，存在一定比列關系。對于單一不可逆反應aA bB rR sS各組分的變化量符合下列關系AOBOnBnRnR。nsnsoabrs2、 均相反應動力學(1) 均相反應應滿足的兩個

6、必要條件a反應系統(tǒng)可以成為均相b預混和速率反應速率預混和指物料在反應前能否達到分子尺度的均勻混和。實現裝置：機械攪拌和高速流體造成的射流混和(2) 均相反應的特點：反應過程不存在相界面，過程總速度由化學反應本身決定(3)速率方程在均相反應系統(tǒng)中只進行如下不可逆化學反應：aA bB其動力學方程一般都可表示成：r kiCACB于氣相反應，由于分壓與濃度成正比，也常常使用分壓來表示:kppPB2一般說來，可以用任一與濃度相當的參數來表達反應的速率，但動力學方程式中各參 數的因次單位必須一致。(4)反應分子數與反應級數A、基本概念I單一反應與復雜反應單一反應：指只用一個化學反應式和一個動力學方程式便能

7、代表的反應 復雜反應：有幾個反應同時進行，要用幾個動力學方程式才能加以描述。 常見的復雜反應有：連串反應、平行反應、平行-連串反應等II基元反應與非基元反應基元反應：如果反應物分子在碰撞中一步直接轉化為產物分子，則稱該反應為基元反應 非基元反應：若反應物分子要經過若干步，即經由幾個基元反應才能轉化成為產物分子 的反應，則稱為非基元反應III單分子、雙分子、三分子反應單分子、雙分子、三分子反應，是針對基元反應而 言的。參加反應的分子數是一個，稱 之為單分子反應；反應是由兩個分子碰撞接觸的，稱為雙分子反應。IV反應級數是指動力學方程式中濃度項的指數。它是由實驗確定的常數?？梢允欠謹?，也可以是負 數

8、B、理解反應級數時應特別注意：I反應級數不同于反應的分子數，前者是在動力學意義上講的，后者是在計量化學意義 上講的。rR sS1 dnAVdRACA1CB1其中kp/kA(RT?對基元反應，反應級數1,2即等于化學反應式的計量系數值，而對非基元反應，應 通過實驗來確定。II反應級數高低并不單獨決定反應速率的快慢，反應級數只反映反應速率對濃度的敏 感程度。級數愈高，濃度對反應速率的影響愈大。（5）反應速率常數k和活化能EA、 反應速率常數kk就是當反應物濃度為1時的反應速率，又稱反應的比速率。k值大小直接決定了反應速率的高低和反應進行的難易程度。不同的反應有不同的反應 速率常數，對于同一個反應，

9、速率常數隨溫度、溶劑、催化劑的變化而變化。k隨溫度的變化規(guī)律符合阿累尼烏斯關系式：B、 活化能E反應活化能是為使反應物分子“激發(fā)”所需給予的能量。 活化能的大小是表征化學反應進行難易程度的標志?；罨芨?，反應難于進行；活化能 低，則容易進行。但是活化能E不是決定反應難易程度的唯一因素，它與頻率因子A0共同 決定反應速率。C、 在理解活化能E時，應當注意：I活化能E不同于反應的熱效應，它不表示反應過程中吸收或放出的熱量，而只表示使 反應分子達到活化態(tài)所需的能量，故與反應熱效應并無直接的關系。II活化能E不能獨立預示反應速率的大小，它只表明反應速率對溫度的敏感程度。E愈 大，溫度對反應速率的影響愈

10、大。 除了個別的反應外， 一般反應速率均隨溫度的上升而加快。E愈大，反應速率隨溫度的上升而增加得愈快。III對于同一反應，即當活化能E一定時，反應速率對溫度的敏感程度隨著溫度的升高 而降低。江西應用技術職業(yè)學院教案首頁本學期授課次序授課班級15化工01班課題名稱任務二間歇操作釜式反應器設計教學目的要求1、掌握均相單一反應動力學方程的計算2、掌握復雜反應動力學方程的計算3、掌握反應器計算的基本方程4、掌握間歇操作釜式反應器體積和數量計算教學重點及難點均相單一反應恒溫恒容計算、間歇操作釜式反應器體積和數量計算教 學程 序設 計次序內容計劃時間（min）1234567點名、回顧上節(jié)課內容均相單一反應

11、恒溫恒容過程計算例題講解復雜反應動力學方程計算反應器計算的基本內容間歇操作釜式反應器體積和數量計算小結525204535505作業(yè)：小結：任務一間歇操作釜式反應器設計 工作任務：根據化工產品的生產條件和工藝要求進行間歇操作釜式反應器的工藝設計 預備知識：3、均相單一反應的動力學方程對于單一反應過程：aA bB L rR sS L動力學方程表示為：rikCA1 CB2 L（1）恒溫恒容一級不可逆反應I恒容過程：液相反應和反應前后無物質的量變化的氣相反應。一級不可逆反應工業(yè)上許多有機化合物的熱分解和分子重排反應等都是常見的一級不可逆反應；或有二 個反應物參與的反應，若其中某一反應物極大過量，則該反

12、應物濃度在反應過程中無多大變 化，可視為定值而并入反應速率常數中。此時如果反應速率對另一反應物的濃度關系為一級, 則該反應仍可按一級反應處理。一級反應的動力學方程式為：初始條件0CACA0時，上式分離變量積分，ln1k1XA從速率方程積分表可得到一些定性的結論：(1)速率方程積分表達式中，左邊是反應速率常數k與反應時間T的乘積，表示當反應k在恒溫條件下，K為常數，積分得到：CACAe若著眼于反應物料的利用率，或者著眼于減輕后分離的任務，應用轉化率積分表達式較 為方便；若要求達到規(guī)定的殘余濃度，即為了適應后處理工序的要求，例如有害雜質的除去 即屬此類，應用濃度積分表達式較為方便。恒溫恒容二級不可

13、逆反應它有二種情況：一種是對某一反應物為二級且無其它反應物，或者是其它反應物大量存 在，因而在反應過程中可視為常值；另一種是對某一反應物為一級，對另一反應物也是一級, 而且二反應物初始濃度相等且為等分子反應時，亦就演變成第一種情況。此時其動力學方程式為： 經變量分離并考慮初始條件（心）dCAkcACAXAd若用轉化率表示：.0CACAO1CAOkCAokCAO1CA,恒溫時K為常數，則積分結果為: 丄kCAOCAdcACAO（，積分即可求得結果。初始條件和反應結果不變時，反應速率常數k以任何倍數增加，將導致反應時間以同樣倍數 下降。(2)級反應所需時間T僅與轉化率XA有關，而與初始濃度無關。因

14、此，可用改變初始濃度的辦法來鑒別所考察的反應是否屬于一級反應。以亠In(CA/CA)In1/(1XA)或對T作圖，若是直線，則為一級反應，其斜率為k。(3)二級反應達到一定轉化率所需反應時間T與初始濃度有關。初始濃度提，達到同樣轉化率XA所需反應時間減小。、n 1對n級反應：CA0kXAdxA0(1XA)當n1時，達到同樣轉化率，初始濃度提高，反應時間減少；當nv1時，初始濃度提高時要達到同樣轉化率，反應時間增加。對nv1的反應，反應 時間達到某個值時，反應轉化率可達100%而n1的反應，反應轉化率達100%，所需反應時間為無限長。這表明反應級數nl的反應，大部分反應時間是用于反應的末期。高轉

15、化率或低殘余 濃度的要求會使反應所需時間大幅度地增加。例1-1解題思路根據題意是恒溫恒容一級不可逆均相反應，又要求求反應一定時間后物料的殘余濃度，k故選擇公式CACAe解題較簡便。對于多組分單一反應，反應物的反應量與產物的生成量之間有化學計量關系的約束，可 以根據它們的化學計量關系推導出它們反應過程中的濃度關系。運用恒溫恒容一級不可逆反 應的轉化率積分形式解題。例1-2解題思路：根據題意為恒溫恒容二級不可逆均相反應，運用相應的濃度積分形式解題。4、復雜反應動力學方程(1)復雜反應的類型I可逆反應在反應物發(fā)生化學反應生成產物的同時，產物之間也在發(fā)生化學反應回復成原料。如：A B RSRS A B

16、II平行反應在系統(tǒng)中反應物除發(fā)生化學反應生成一種產物外，該反應物還能進行另一個化學反應生成另一種產物。如:乙烷裂解生成乙烯同時乙烷也能裂解成碳和氫III連串反應反應物發(fā)生化學反應生成產物的同時，該產物又能進一步反應而成另一種產物。A R SIV復合復雜反應在反應系統(tǒng)中，同時進行有可逆反應、平行反應和連串反應，該系統(tǒng)進行的反應稱為復合復雜反應。如：A+B C+DA+CED - R+S復雜反應的動力學方程通常采用下述方法進行計算：a將復雜反應分解為若干個單一反應，并按單一反應過程求得各自的動力學方程；b在復雜反應系統(tǒng)中，某一組分對化學反應的貢獻通常用該組分的生成速率來表示。某組分可能同時參與若干個

17、單一反應時，該組分的生成速率應該是它在各個單一反 應中的生成速率之和，即：MIIjI j例1-3j 1解題思路：1、能正確將復合復雜反應分解為簡單反應2、某組分若同時參與若干個單一反應時，該組分的生成速率應該是它在各個單一反應中的 生成速率之和。加和計算時注意不要搞錯符號，漏掉化學計量系數。三、反應器計算的基本內容和基本方程（一）反應器計算基本內容 主要包括三項內容：1、選擇合適的反應器類型根據反應系統(tǒng)動力學特性，結合反應器的流動特征和傳遞特性，選擇合適的反應器，以 滿足反應過程的需要，是反應結果最優(yōu)。2、確定最優(yōu)的操作條件 如反應器的進口物料配比、流量、溫度、壓力和最終轉化率，直接影響反應器

18、的反應結 果，也影響反應器的生產能力。3、計算所需的反應器體積 反應器體積的確定是反應器工藝設計計算的最核心內容。（二）反應器計算的基本方程1、描述濃度變化的物料衡算式 依據：質量守衡定律。 基準：取溫度、濃度等參數保持不變的單元體積和單元時間作為空間基準和時間基準。衡算式：對任一組分A在單元時間AT、單元體積厶V:A的積累量=A的進入量-A的離開量-A的反應量目的：給出反應物濃度或轉化率隨反應器內位置或時間變化的函數關系。2、熱量衡算式依據：能量守衡定律。 基準：取溫度、濃度等參數保持不變的單元體積和單元時間作為空間基準和時間基準。衡算式：在單元時間AT、單元體積厶V內（以放熱反應為例）：積

19、累的熱量=原料帶入的熱量+反應產生的熱量-出料帶走的熱量-傳給環(huán)境或 熱載體的熱量目的：給出溫度隨反應器內位置或時間變化的函數關系。3、動量衡算式 以動量守恒與轉化定律為基礎，計算反應器的壓力變化。4、動力學方程 對于均相反應，需要有本征動力學方程；對于非均相反應，應該包括有相際傳質過程在內的宏觀動力學方程。四、間歇操作釜式反應器體積和數量計算每天處理物料總體積nVD（或反應物料每小時體積流量V0）或VO=FAO/CAO=WO/p操作周期一一指生產第一線一批料的全部操作時御0附反應時間（生產時間）T和非生產時間T組成。nVVR總VO()反應時間理論上可以用動力學方程式計算，也可根據實際情況定。

20、設備裝料系數設備中物料所占體積與設備實際容積之比，其具體數值根據實際情況 而變化，參見表2-5oVRVVO/n1、給定V,求n按設計任務每天需要操作的總次數為：每個設備每天能操作的批數為:則需用設備個數為：n需取整數n,nn。因此實際設備總能力比設計要求提高了，其提高的程度 稱為設備能力的后備系數，以S表示，貝反應器有效體積按下式計算：2、給定n,求V已知每小時處理物料體積V0與操作周期，貝嚅要設備的總容積為:求得設備總容積后，可查得系列設備標準選用決定設備的容積V和個數n講解例題2-424VO24VOVDGD2424VR江西應用技術職業(yè)學院教案首頁本學期授課次序授課班級15化工01班課題名稱任務二間歇操作釜式反應器設計教學目的要求1、掌握間歇操作釜式反應器的動力學計算法2、掌握了解恒容非恒溫間歇反應3、掌握間歇操作釜式反應器直徑和咼度的計算4、掌握設備之間的平衡計算教學重點及難點間歇操作釜式反應器的動力學計算法、設備之間的平衡計算教 學程 序設 計次序內容計劃時間（min）1234567點名、回顧上節(jié)課內容間歇操作釜式反應器的動力學計算法例題講解間歇