化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)

1、第四章 聚合反應(yīng)工程4.14.1化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)4.14.1化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)4.1.14.1.1均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)4.1.24.1.2理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)4.1.34.1.3連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布4.1.44.1.4流動(dòng)模型流動(dòng)模型4.1.54.1.5返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響4.1.64.1.6混合態(tài)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響混合態(tài)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響 化學(xué)反應(yīng)過程是一門研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題化學(xué)反應(yīng)過程是一門研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題的科學(xué)。的科學(xué)。 研究對(duì)象研究對(duì)象以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的化學(xué)

2、反應(yīng)過程；以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程； 研究目的研究目的實(shí)現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)過程的優(yōu)化?；瘜W(xué)反應(yīng)工程中的優(yōu)化問題包括化學(xué)反應(yīng)工程中的優(yōu)化問題包括設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化操作優(yōu)化操作優(yōu)化緒論緒論化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程范圍示意圖化學(xué)反應(yīng)工程范圍示意圖 工程控制工程控制傳遞工程傳遞工程化學(xué)化學(xué)化學(xué)工藝化學(xué)工藝化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)過程解析反應(yīng)過程解析反應(yīng)技術(shù)開發(fā)反應(yīng)技術(shù)開發(fā)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)反應(yīng)器中流體流反應(yīng)器中流體流動(dòng)混合傳熱傳質(zhì)動(dòng)混合傳熱傳質(zhì)反應(yīng)熱力學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)催化催化反應(yīng)反應(yīng)工藝工藝反應(yīng)工藝路線反應(yīng)工藝路線流動(dòng)與設(shè)備流動(dòng)與設(shè)備反應(yīng)過程動(dòng)態(tài)特反應(yīng)過程動(dòng)

3、態(tài)特征與測量與控制征與測量與控制最佳化最佳化緒論緒論化學(xué)反應(yīng)工程 化學(xué)反應(yīng)工程的研究目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)工程的研究目標(biāo)決策變量決策變量反應(yīng)器形式、結(jié)反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)、尺寸的選擇構(gòu)、尺寸的選擇反應(yīng)器操作方式反應(yīng)器操作方式的選擇的選擇反應(yīng)工藝和操作反應(yīng)工藝和操作條件的選擇條件的選擇技術(shù)目標(biāo)技術(shù)目標(biāo)轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率選擇率選擇率能耗能耗經(jīng)濟(jì)目標(biāo)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)原料費(fèi)用原料費(fèi)用設(shè)備費(fèi)用設(shè)備費(fèi)用操作費(fèi)用操作費(fèi)用緒論緒論化學(xué)反應(yīng)工程 化學(xué)反應(yīng)工程工作者的任務(wù)化學(xué)反應(yīng)工程工作者的任務(wù)各類各類化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)各類各類反應(yīng)器反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律規(guī)律傳遞傳遞規(guī)律規(guī)律結(jié)合結(jié)合反應(yīng)結(jié)果反應(yīng)結(jié)果緒論緒論化學(xué)反應(yīng)工程緒論緒論化學(xué)反應(yīng)工程

4、反應(yīng)工程的基礎(chǔ)定量的數(shù)學(xué)描述是反應(yīng)工程的基本方法，其數(shù)學(xué)模型可包括： 動(dòng)力學(xué)方程式 物料衡算（連續(xù)性方程） 熱量衡算 動(dòng)量衡算參數(shù)計(jì)算三傳一反化學(xué)反應(yīng)的形式化學(xué)反應(yīng)的形式均相均相 氣相氣相 管式管式(NONO2，石腦油高熱裂解，石腦油高熱裂解) 液相液相管式（一些聚合反應(yīng)）管式（一些聚合反應(yīng)）釜式（多數(shù)精細(xì)化工反應(yīng)）（聚合反應(yīng)）釜式（多數(shù)精細(xì)化工反應(yīng)）（聚合反應(yīng)）塔式（塔式（NH3、CO2尿素）尿素）化學(xué)反應(yīng)的形式化學(xué)反應(yīng)的形式非非均均相相兩兩 相相三三 相相氣氣液液液液固固氣氣固固固定床（丁烯脫氫、氨合成）固定床（丁烯脫氫、氨合成）移動(dòng)床（煤氣化、礦石燃燒）移動(dòng)床（煤氣化、礦石燃燒）流化床（

5、石油裂解、丙烯氨氧化）流化床（石油裂解、丙烯氨氧化）氣流床（煤氣化）氣流床（煤氣化）攪拌釜（有機(jī)化工：苯氯化）攪拌釜（有機(jī)化工：苯氯化）填料塔（脫碳、硫填料塔（脫碳、硫）板式塔（脫碳、硫板式塔（脫碳、硫）湍球塔（脫硫）湍球塔（脫硫）釜式（酸介、堿介）釜式（酸介、堿介）塔式塔式塔式塔式(碳化塔碳化塔)淤漿床淤漿床(石油加氫、煤加氫石油加氫、煤加氫)涓流床涓流床(丁炔二醇加氫丁炔二醇加氫)4.1.14.1.1均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)q均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究均相系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)的速均相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究均相系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)的速率以及各種不同因素對(duì)化學(xué)

6、反應(yīng)速率的影響。率以及各種不同因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。 雖然化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不因宏觀的傳遞過程而發(fā)生變化，雖然化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不因宏觀的傳遞過程而發(fā)生變化，但研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于研究傳遞過程對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程但研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于研究傳遞過程對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的影響具有典型意義。的影響具有典型意義。q化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是微觀化學(xué)隨機(jī)變化規(guī)律的統(tǒng)計(jì)表述。化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是微觀化學(xué)隨機(jī)變化規(guī)律的統(tǒng)計(jì)表述。q 化學(xué)反應(yīng)的速率化學(xué)反應(yīng)的速率1 1化學(xué)反應(yīng)速率的定義化學(xué)反應(yīng)速率的定義反應(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)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: Vdtdnrii 在反應(yīng)物

7、的反應(yīng)速率前取負(fù)號(hào)，表示反應(yīng)物的消失速率在反應(yīng)物的反應(yīng)速率前取負(fù)號(hào)，表示反應(yīng)物的消失速率; ; 限定組分限定組分(著眼組分著眼組分)，是表示在多組分反應(yīng)系統(tǒng)中的某一組分，是表示在多組分反應(yīng)系統(tǒng)中的某一組分(昂貴的昂貴的組分或含量相對(duì)最少的限定組分組分或含量相對(duì)最少的限定組分)，由于它的含量相對(duì)最少，反應(yīng)將因其，由于它的含量相對(duì)最少，反應(yīng)將因其耗盡而中止。耗盡而中止。均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 特點(diǎn)： 反應(yīng)過程中，反應(yīng)物和生成物的量發(fā)生變化，反應(yīng)速率是指某一瞬間的瞬時(shí)反應(yīng)速率，表示方法隨場所的不同而不同。采用不同基準(zhǔn)時(shí)的表示：兩相流體，以相界面積S表示 流固相，單位

8、固體表面、cat內(nèi)表面S流固相，以單位固體質(zhì)量W 轉(zhuǎn)換關(guān)系：Wb VR S=SiVdtdnSrii1dtdnSrii1dtdnWrii12 2化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的表達(dá)式化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的表達(dá)式 影響化學(xué)反應(yīng)速率的最主要因素是反應(yīng)物料的濃度和反應(yīng)溫度，可影響化學(xué)反應(yīng)速率的最主要因素是反應(yīng)物料的濃度和反應(yīng)溫度，可寫成：寫成： ),(TCfri 式中：式中： r i組份組份I 的反應(yīng)速率；的反應(yīng)速率； C反應(yīng)物料的濃度向量；反應(yīng)物料的濃度向量； T反應(yīng)溫度。反應(yīng)溫度。 對(duì)于多組分多反應(yīng)的系統(tǒng)，對(duì)于多組分多反應(yīng)的系統(tǒng)，由于化學(xué)計(jì)量關(guān)系的約束，在反應(yīng)過程由于化學(xué)計(jì)量關(guān)系的約束，在反應(yīng)過程中只要某一組分的濃度確

9、定，其它各組分的濃度也將隨之而定中只要某一組分的濃度確定，其它各組分的濃度也將隨之而定 : ),(TCfrji式中：式中：Cj某組分某組分j j的濃度。的濃度。 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 大量實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明，在多數(shù)情況下上式的反應(yīng)速率式可表示為：大量實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明，在多數(shù)情況下上式的反應(yīng)速率式可表示為： )()(jCTiCfTfr 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)濃度效應(yīng)濃度效應(yīng)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)q影響化學(xué)反應(yīng)速度的溫度效應(yīng)影響化學(xué)反應(yīng)速度的溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)項(xiàng)經(jīng)常用一反應(yīng)速率常數(shù)溫度效應(yīng)項(xiàng)經(jīng)常用一反應(yīng)速率常數(shù)k k表示表示, ,即：即： )(jCiCkfr RTEekk/0式中式中 k反應(yīng)速

10、率常數(shù)；反應(yīng)速率常數(shù)； k。頻率因子；頻率因子； E反應(yīng)活化能；反應(yīng)活化能； R氣體普適常數(shù)氣體普適常數(shù) 阿累尼烏斯（阿累尼烏斯（Arrhenius）公式）公式 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)iniiCRTEkCfTfCTfrexp)()(),(021吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的能量示意圖吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的能量示意圖反應(yīng)活化能（反應(yīng)活化能（E）: 使反應(yīng)物分子使反應(yīng)物分子“激發(fā)，所需給予的能量。激發(fā)，所需給予的能量。 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以以阿累尼烏斯（阿累尼烏斯（Arrhenius）公式）公式對(duì)溫度求導(dǎo)，整理可得：對(duì)溫度求導(dǎo)，整理可得：上式表明活化能愈大，溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響就愈顯著。上式表

11、明活化能愈大，溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響就愈顯著。 說明：說明： （1 1）活化能）活化能E E與反應(yīng)熱效應(yīng)無直接的關(guān)系；與反應(yīng)熱效應(yīng)無直接的關(guān)系；（2 2）活化能）活化能E E不能獨(dú)立預(yù)示反應(yīng)速率的大小，它只表明反應(yīng)速率對(duì)溫不能獨(dú)立預(yù)示反應(yīng)速率的大小，它只表明反應(yīng)速率對(duì)溫度的敏感度。度的敏感度。 （3）對(duì)于同一反應(yīng)，即當(dāng)活化能）對(duì)于同一反應(yīng)，即當(dāng)活化能E一定時(shí)，反應(yīng)速率對(duì)溫度的敏感程一定時(shí)，反應(yīng)速率對(duì)溫度的敏感程度隨著溫度的升高而降低。度隨著溫度的升高而降低。 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(ln )(ln )(ln ),(1/)(1/)(1/)krEkETTRTTq影響化學(xué)反應(yīng)速度的濃度效應(yīng)影響化

12、學(xué)反應(yīng)速度的濃度效應(yīng)均相不可逆反應(yīng)：均相不可逆反應(yīng)： aA+bB=pP+sS 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)通常表示為：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)通常表示為： (-rA)=kCACB即：反應(yīng)級(jí)數(shù)不等于反應(yīng)分子數(shù)即：反應(yīng)級(jí)數(shù)不等于反應(yīng)分子數(shù) 如果上述反應(yīng)確實(shí)是在如果上述反應(yīng)確實(shí)是在a個(gè)個(gè)A分子人和分子人和b個(gè)個(gè)B分子同時(shí)碰撞時(shí)發(fā)生，分子同時(shí)碰撞時(shí)發(fā)生，那么根據(jù)質(zhì)量作用定律，反應(yīng)速率應(yīng)當(dāng)是：那么根據(jù)質(zhì)量作用定律，反應(yīng)速率應(yīng)當(dāng)是： (-rA)=kCAaCBb均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 對(duì)每一個(gè)基元反應(yīng)而言，其級(jí)數(shù)就等于反應(yīng)的分子數(shù)，但反應(yīng)總速對(duì)每一個(gè)基元反應(yīng)而言，其級(jí)數(shù)就等于反應(yīng)的分子數(shù)，但反應(yīng)總速率的級(jí)數(shù)卻未必等于該簡單反應(yīng)的反應(yīng)

13、分子數(shù)。率的級(jí)數(shù)卻未必等于該簡單反應(yīng)的反應(yīng)分子數(shù)。 從式（從式（3 3）的基元反應(yīng)可知，）的基元反應(yīng)可知，B B的生成速率為：的生成速率為：例：最簡單的單分子反應(yīng)：例：最簡單的單分子反應(yīng)： 按活化絡(luò)合物理論，反應(yīng)實(shí)際步驟按活化絡(luò)合物理論，反應(yīng)實(shí)際步驟: BA （1）AAAAkk 11（2）BAk2（3）ABCkr2（4）均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)代人（代人（4 4）式：）式： 此時(shí)此時(shí)B B的生成速率與的生成速率與A A的濃度的一次方成正比，反應(yīng)總速率表現(xiàn)的濃度的一次方成正比，反應(yīng)總速率表現(xiàn)為一級(jí)。為一級(jí)。當(dāng)反應(yīng)物當(dāng)反應(yīng)物A A的濃度較高時(shí)的濃度較高時(shí), , 即：即：2AAACCCK（5）A

14、AKCC （6）AABCkKCkr2（7）均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 當(dāng)反應(yīng)物當(dāng)反應(yīng)物A的濃度很低時(shí)，的濃度很低時(shí)，A的碰撞機(jī)率大大減少，使下式的反應(yīng)的碰撞機(jī)率大大減少，使下式的反應(yīng)未能達(dá)到平衡，即未能達(dá)到平衡，即:： 同時(shí)考慮式（同時(shí)考慮式（2 2）和式（）和式（3 3）兩個(gè)基元反應(yīng)，活化態(tài)）兩個(gè)基元反應(yīng)，活化態(tài)A A* *的生成速率為：的生成速率為： 0dtdCA按穩(wěn)態(tài)原理：按穩(wěn)態(tài)原理：0221AACkCkAAAAk1（8）AAAACkCkdtdCr221（9）221AACkkC （10）代人式代人式(4)：B的生成速率在的生成速率在A為低濃度時(shí)表現(xiàn)為二級(jí)。為低濃度時(shí)表現(xiàn)為二級(jí)。 22A

15、BCkr （11）均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)AAAACCrr 上式表明反應(yīng)物上式表明反應(yīng)物A的級(jí)數(shù)的級(jí)數(shù)是反應(yīng)速率對(duì)反應(yīng)物是反應(yīng)速率對(duì)反應(yīng)物A濃度的相對(duì)變化濃度的相對(duì)變化率大小。即反應(yīng)級(jí)數(shù)是反應(yīng)速率相對(duì)于反應(yīng)物濃度的敏感程度。率大小。即反應(yīng)級(jí)數(shù)是反應(yīng)速率相對(duì)于反應(yīng)物濃度的敏感程度。說明：說明： （1）反應(yīng)級(jí)數(shù)不同于反應(yīng)的分子數(shù)，前者是指動(dòng)力學(xué)意義上講的，）反應(yīng)級(jí)數(shù)不同于反應(yīng)的分子數(shù)，前者是指動(dòng)力學(xué)意義上講的，后者是在計(jì)量化學(xué)意義上講的。后者是在計(jì)量化學(xué)意義上講的。 （2）反應(yīng)級(jí)數(shù)只反映反應(yīng)速率對(duì)濃度的敏感程度。反應(yīng)級(jí)數(shù)只反映反應(yīng)速率對(duì)濃度的敏感程度。 以以反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式對(duì)濃

16、度求導(dǎo)，整理可得：對(duì)濃度求導(dǎo)，整理可得：均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)q動(dòng)力學(xué)方程的建立動(dòng)力學(xué)方程的建立傳傳遞遞過過程程溫度溫度 濃度濃度 動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)方方程程 建立動(dòng)力學(xué)方程的目的：建立動(dòng)力學(xué)方程的目的： （1 1）確立化學(xué)反應(yīng)速度與溫度的關(guān)系式（溫度效應(yīng)）；）確立化學(xué)反應(yīng)速度與溫度的關(guān)系式（溫度效應(yīng)）；（2 2）確定化學(xué)反應(yīng)速度和反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系式（濃度效應(yīng)）。）確定化學(xué)反應(yīng)速度和反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系式（濃度效應(yīng)）。化化學(xué)學(xué)反反應(yīng)應(yīng)過過程程 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立動(dòng)力學(xué)方程的方法：建立動(dòng)力學(xué)方程的方法： 第一步，保持溫度不變，找出反應(yīng)物濃度的變化與反應(yīng)速度的關(guān)系；第一步，保持溫

17、度不變，找出反應(yīng)物濃度的變化與反應(yīng)速度的關(guān)系；第二步，找出反應(yīng)速率隨溫度變化的規(guī)律。第二步，找出反應(yīng)速率隨溫度變化的規(guī)律。 濃度的表征除了其本身外，還可以是濃度的表征除了其本身外，還可以是各種物理量，如壓力、密度、折光率、各種物理量，如壓力、密度、折光率、旋光度、導(dǎo)電度等。旋光度、導(dǎo)電度等。 數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理：1.積分法積分法 先推測一個(gè)動(dòng)力學(xué)方程式的形式，經(jīng)過積分和數(shù)學(xué)運(yùn)算后，在某一特定座先推測一個(gè)動(dòng)力學(xué)方程式的形式，經(jīng)過積分和數(shù)學(xué)運(yùn)算后，在某一特定座標(biāo)圖上標(biāo)繪，如果將實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)標(biāo)繪上去能與該直線滿意地?cái)M合，則表標(biāo)圖上標(biāo)繪，如果將實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)標(biāo)繪上去能與該直線滿意地?cái)M合，則表明推

18、測的動(dòng)力學(xué)方程式是可取的，否則應(yīng)該另提一動(dòng)力學(xué)方程式再加以檢驗(yàn)。明推測的動(dòng)力學(xué)方程式是可取的，否則應(yīng)該另提一動(dòng)力學(xué)方程式再加以檢驗(yàn)。 2.微分法微分法 先直接假設(shè)某一動(dòng)力學(xué)方程的微分式，以反應(yīng)速度對(duì)濃度作圖，然后與實(shí)先直接假設(shè)某一動(dòng)力學(xué)方程的微分式，以反應(yīng)速度對(duì)濃度作圖，然后與實(shí)測數(shù)據(jù)相比較的一種方法。測數(shù)據(jù)相比較的一種方法。均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)方程的等溫積分動(dòng)力學(xué)方程的等溫積分nAAAkCdtdCr0ln/ln1/(1)AAktCCx0ktAACC e 001111AAAxktCCCx001AAACCC kt00AAAktCCCx 0AACCkt4.1.2 4.1.2 理想流動(dòng)

19、和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)q理想反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原理理想反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原理每一種反應(yīng)器應(yīng)該滿足的三個(gè)基本要求：每一種反應(yīng)器應(yīng)該滿足的三個(gè)基本要求： （1 1）提供反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)所需要的容積，保證設(shè)備有一定的生產(chǎn)能）提供反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)所需要的容積，保證設(shè)備有一定的生產(chǎn)能 力；力；（2 2）具有足夠的傳熱面積，保證反應(yīng)過程中熱量的傳遞，使反應(yīng)控制）具有足夠的傳熱面積，保證反應(yīng)過程中熱量的傳遞，使反應(yīng)控制 在最適宜的溫度下進(jìn)行；在最適宜的溫度下進(jìn)行；（3 3）保證參加反應(yīng)物料的各種混合、分散要求。）保證參加反應(yīng)物料的各種混合、分散要求。 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，動(dòng)量、熱量、與質(zhì)量的傳

20、遞對(duì)反應(yīng)速率有直接的影響，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，動(dòng)量、熱量、與質(zhì)量的傳遞對(duì)反應(yīng)速率有直接的影響，所以在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)必須進(jìn)行物料，熱量及動(dòng)量的衡算。所以在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)必須進(jìn)行物料，熱量及動(dòng)量的衡算。 由于在有的反應(yīng)器內(nèi)，物料的濃度和溫度是隨著時(shí)間和空間的變化而變化由于在有的反應(yīng)器內(nèi)，物料的濃度和溫度是隨著時(shí)間和空間的變化而變化的，要準(zhǔn)確地建立物料衡算方程式，有必要先對(duì)時(shí)間或空間進(jìn)行微分，然后再積的，要準(zhǔn)確地建立物料衡算方程式，有必要先對(duì)時(shí)間或空間進(jìn)行微分，然后再積分的方法進(jìn)行計(jì)算。分的方法進(jìn)行計(jì)算。（1 1）在一定的體積微元內(nèi)）在一定的體積微元內(nèi)（如管式反應(yīng)器的情況下）（如管式反應(yīng)器的情況下） ； （

21、2 2）在一定的時(shí)間微元內(nèi)（如釜式反應(yīng)器間歇操作）在一定的時(shí)間微元內(nèi)（如釜式反應(yīng)器間歇操作） 。 物料衡算微分微元選取的兩種方法：物料衡算微分微元選取的兩種方法： 如果物料的濃度和溫度在反應(yīng)器內(nèi)任何時(shí)間、任何空間處處相等（如混合如果物料的濃度和溫度在反應(yīng)器內(nèi)任何時(shí)間、任何空間處處相等（如混合良好的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器）?？梢院芊奖愕夭捎靡粋€(gè)單位容積或整個(gè)反應(yīng)器良好的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器）?？梢院芊奖愕夭捎靡粋€(gè)單位容積或整個(gè)反應(yīng)器的容積作為物料衡算和熱量衡算的對(duì)象而不必進(jìn)行微積分。的容積作為物料衡算和熱量衡算的對(duì)象而不必進(jìn)行微積分。 理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)于體積微元（

22、對(duì)于體積微元（V V），可寫出著眼組分的物斜衡算式為），可寫出著眼組分的物斜衡算式為 ：0累積速度的反應(yīng)物應(yīng)而消失速度由于反反應(yīng)物流出速度的反應(yīng)物流入速度的反應(yīng)物AAAA 對(duì)于問歇反應(yīng)器對(duì)于問歇反應(yīng)器: 流入項(xiàng)與流出項(xiàng)都為零流入項(xiàng)與流出項(xiàng)都為零; 對(duì)于穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器對(duì)于穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器:累積項(xiàng)為零累積項(xiàng)為零; 對(duì)非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器對(duì)非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器:四項(xiàng)均不等于零四項(xiàng)均不等于零 1 1物料衡算物料衡算建立物料衡算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律：建立物料衡算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律： 輸入量輸出量反應(yīng)量累積量輸入量輸出量反應(yīng)量累積量 理想

23、流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)2 2熱量衡算熱量衡算 熱量衡算的依據(jù)是能量守恒定律：熱量衡算的依據(jù)是能量守恒定律： 0熱量累積的熱效應(yīng)反應(yīng)過程界交換的熱量反應(yīng)系統(tǒng)與外出的熱量隨物料流入的熱量隨物料流 間歇操作第一，第二項(xiàng)為零；間歇操作第一，第二項(xiàng)為零； 穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器第五項(xiàng)為零；穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器第五項(xiàng)為零； 非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器及半連續(xù)操作反應(yīng)器則式中所有各項(xiàng)均非穩(wěn)態(tài)操作的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器及半連續(xù)操作反應(yīng)器則式中所有各項(xiàng)均 不為零。不為零。 理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)聯(lián)立求解 熱量衡算熱量衡算化學(xué)反應(yīng)

24、動(dòng)力學(xué)方程式物料衡算物料衡算理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)q理想化學(xué)反應(yīng)器理想化學(xué)反應(yīng)器理想化學(xué)反應(yīng)器的定義：理想化學(xué)反應(yīng)器的定義： 當(dāng)反應(yīng)器中沒有任何傳遞過程的影響因素存在，反應(yīng)的結(jié)果唯一地當(dāng)反應(yīng)器中沒有任何傳遞過程的影響因素存在，反應(yīng)的結(jié)果唯一地由化學(xué)因素決定時(shí)，就稱它為理想化學(xué)反應(yīng)器。由化學(xué)因素決定時(shí)，就稱它為理想化學(xué)反應(yīng)器。 實(shí)踐中性能和行為接近于這種理想化學(xué)反應(yīng)器的兩種反應(yīng)器：實(shí)踐中性能和行為接近于這種理想化學(xué)反應(yīng)器的兩種反應(yīng)器： 攪拌充分的間歇釜式反應(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)器連續(xù)流動(dòng)的理想管式反應(yīng)器 作為問題的另一方面，有時(shí)把無限偏

25、離理想化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)器也作為問題的另一方面，有時(shí)把無限偏離理想化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)器也作為作為“理想理想”化學(xué)反應(yīng)器，如：化學(xué)反應(yīng)器，如： 攪拌充分的連續(xù)釜式反應(yīng)器攪拌充分的連續(xù)釜式反應(yīng)器 理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是否純化學(xué)因素控制？是否純化學(xué)因素控制？是否存在返混是否存在返混? (? (什么是返混？什么是返混？) )當(dāng)反應(yīng)器中沒有任何傳遞過程的影響因素當(dāng)反應(yīng)器中沒有任何傳遞過程的影響因素存在，反應(yīng)結(jié)果唯一地由化學(xué)因素決定時(shí)，存在，反應(yīng)結(jié)果唯一地由化學(xué)因素決定時(shí)，就稱為理想化學(xué)反應(yīng)器就稱為理想化學(xué)反應(yīng)器q間歇攪拌釜式反應(yīng)器間歇攪拌釜式反應(yīng)器(BSTR)(BSTR) 反

26、應(yīng)物料按一定配比一次加到反應(yīng)器內(nèi)，開動(dòng)攪拌，使整個(gè)釜內(nèi)物反應(yīng)物料按一定配比一次加到反應(yīng)器內(nèi)，開動(dòng)攪拌，使整個(gè)釜內(nèi)物料的濃度和溫度保持均勻，經(jīng)過一定時(shí)間，反應(yīng)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率后，將料的濃度和溫度保持均勻，經(jīng)過一定時(shí)間，反應(yīng)達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率后，將物料排出反應(yīng)器。物料排出反應(yīng)器。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1 1）由于劇烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)已達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處）由于劇烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)已達(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)傳遞的問題。處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞的問題。（2 2）由于反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強(qiáng)大的傳熱條件，反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等，因而）由于反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強(qiáng)大的傳

27、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)器內(nèi)的熱量傳遞問題。無需考慮反應(yīng)器內(nèi)的熱量傳遞問題。（3）反應(yīng)結(jié)果將唯一地由化學(xué)動(dòng)力學(xué)所確定。反應(yīng)器內(nèi)物料的組成隨反應(yīng)時(shí)間不）反應(yīng)結(jié)果將唯一地由化學(xué)動(dòng)力學(xué)所確定。反應(yīng)器內(nèi)物料的組成隨反應(yīng)時(shí)間不斷改變，屬非穩(wěn)態(tài)操作。斷改變，屬非穩(wěn)態(tài)操作。理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)1 1反應(yīng)時(shí)間的確定反應(yīng)時(shí)間的確定對(duì)間歇反應(yīng)器對(duì)間歇反應(yīng)器物料衡算物料衡算 反應(yīng)累積量的物料反應(yīng)消失量的物料AA其中，物料其中，物料A的消失量：的消失量：rAV 物料物料A的累積量：的累積量：VrAdtdxnAA0故故： 恒容時(shí)：恒容時(shí)： VnrAA0dtdxA

28、= 0ACdtdxAdtdxndtxnddtdnAAAAA001理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)積分之得：積分之得： AxAAArdxCt0000AAAACCCx代入上式：得代入上式：得AACCAArdCt0理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)間歇攪拌釜式反應(yīng)器達(dá)到期望轉(zhuǎn)化率（殘余濃度）反應(yīng)時(shí)間圖解表達(dá)：間歇攪拌釜式反應(yīng)器達(dá)到期望轉(zhuǎn)化率（殘余濃度）反應(yīng)時(shí)間圖解表達(dá)：對(duì)于非整數(shù)級(jí)反應(yīng)或大于二級(jí)的整數(shù)級(jí)反應(yīng)，可以用圖解積分求解： 恒容時(shí)間隙反應(yīng)器的圖解計(jì)算恒容時(shí)間隙反應(yīng)器的圖解計(jì)算理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)于單一反應(yīng)物的二級(jí)反應(yīng)對(duì)于單

29、一反應(yīng)物的二級(jí)反應(yīng) 2AAkCrktCxxAAA01代入積分之得：代入積分之得： 對(duì)于一級(jí)反應(yīng)對(duì)于一級(jí)反應(yīng) AAkCrktxA11lnktCCAA0ln或：或：ktAAeCC0如用轉(zhuǎn)化率如用轉(zhuǎn)化率x表示：表示： ktCCAA011或：或：ktCCCAAA001如用轉(zhuǎn)化率如用轉(zhuǎn)化率x表示：表示： 理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)零級(jí)反應(yīng)零級(jí)反應(yīng): :反應(yīng)速率不受反應(yīng)物濃度影響的一類特殊的反應(yīng)反應(yīng)速率不受反應(yīng)物濃度影響的一類特殊的反應(yīng)。 動(dòng)力學(xué)方程式：動(dòng)力學(xué)方程式： （rA）=k 當(dāng)當(dāng)CA0時(shí)時(shí) （rA）=0 當(dāng)當(dāng)CA0時(shí)時(shí) 當(dāng)初始條件當(dāng)初始條件t=0t=0時(shí)，時(shí)，0AACC

30、AACCkt0 當(dāng)當(dāng)CA0時(shí)時(shí) 0AACktx當(dāng)當(dāng)xA1時(shí)時(shí) 代入式代入式 ，積分：，積分：AACCAArdCt0理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)間歇間歇不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的反應(yīng)結(jié)果不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的反應(yīng)結(jié)果：n=2n=1n=0AfAAfAxCCCkt00ktCCAAf00AACktx AfAfAxCCkt11lnln0ktAAfeCC0ktAex1)1 (1100AAAAAxCxCCktktCCCAAAf001ktCktCxAAA001q從以上整數(shù)級(jí)化學(xué)反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中的基本設(shè)計(jì)方程式可以看到：從以上整數(shù)級(jí)化學(xué)反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中的基本設(shè)計(jì)方程式可以看到： （1 1）一級(jí)反應(yīng)）一級(jí)

31、反應(yīng)kt組成無因次項(xiàng)，二級(jí)反應(yīng)組成無因次項(xiàng)，二級(jí)反應(yīng)CA0kt組成無因次項(xiàng)；組成無因次項(xiàng)；（2 2）一級(jí)反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間和）一級(jí)反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間和C CA0A0無關(guān)，二級(jí)反應(yīng)當(dāng)無關(guān)，二級(jí)反應(yīng)當(dāng)C CA AC CA0A0時(shí)，時(shí)，C CA0A0對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響可以忽略；響可以忽略；（3 3）一級(jí)反應(yīng)和二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間主要消耗在反應(yīng)末期，相當(dāng)而言，二級(jí)反）一級(jí)反應(yīng)和二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間主要消耗在反應(yīng)末期，相當(dāng)而言，二級(jí)反應(yīng)比一級(jí)反應(yīng)更甚。應(yīng)比一級(jí)反應(yīng)更甚。理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 例：例：對(duì)某液相反應(yīng)，由實(shí)驗(yàn)求得的反應(yīng)速度式為對(duì)某液相反應(yīng)，由實(shí)驗(yàn)求得的反應(yīng)速度式為r

32、=kc(kmol/hm3),將此反應(yīng)在攪拌釜內(nèi)進(jìn)行等溫間歇操作，將此反應(yīng)在攪拌釜內(nèi)進(jìn)行等溫間歇操作，已知反應(yīng)速率常數(shù)已知反應(yīng)速率常數(shù)k=1.8(h-1),A組份組份(分子量分子量=40)的初濃度的初濃度CA0=2(kmol/m3),求反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)求反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)70%時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間。時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間。如輔助操作時(shí)間為如輔助操作時(shí)間為30分鐘，問平均每小時(shí)要處理分鐘，問平均每小時(shí)要處理100(kg)的的A組份需要多大的反應(yīng)器容積組份需要多大的反應(yīng)器容積(如反應(yīng)器的裝料系數(shù)為如反應(yīng)器的裝料系數(shù)為0.8)？理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)答：答：（1）達(dá)到轉(zhuǎn)化率）達(dá)到轉(zhuǎn)化率70%時(shí)所

33、需反應(yīng)時(shí)間：時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間： 反應(yīng)周期：反應(yīng)周期： （2）反應(yīng)器容積）反應(yīng)器容積 每小時(shí)處理物料體積流量：每小時(shí)處理物料體積流量： 有效體積：有效體積： 實(shí)際體積：實(shí)際體積： 故平均每小時(shí)要處理故平均每小時(shí)要處理100(kg)的的A組份需要組份需要1.83立方米反應(yīng)器容積。立方米反應(yīng)器容積。hxktA67. 07 . 011ln8 . 1111ln1hT17. 15 . 067. 0hmCMFAA/25. 124010030003046. 117. 125. 1mTV有效383. 18 . 046. 1mVV有效實(shí)際理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)q平推流反應(yīng)器（理想管式反

34、應(yīng)器平推流反應(yīng)器（理想管式反應(yīng)器,PFR,PFR）在反應(yīng)器內(nèi)徑向具有嚴(yán)格均勻的速度分布且軸向沒有任何混和。在反應(yīng)器內(nèi)徑向具有嚴(yán)格均勻的速度分布且軸向沒有任何混和。 實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況，只能是不同程度上接近于該種理想流實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況，只能是不同程度上接近于該種理想流動(dòng)，管式反應(yīng)器當(dāng)其管長遠(yuǎn)大于管徑時(shí)，較接近這種理想流動(dòng)，故常動(dòng)，管式反應(yīng)器當(dāng)其管長遠(yuǎn)大于管徑時(shí)，較接近這種理想流動(dòng)，故常習(xí)慣稱為理想管式反應(yīng)器。習(xí)慣稱為理想管式反應(yīng)器。 平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： （1 1）在正常情況下，它是連續(xù)定態(tài)操作，故在反應(yīng)器的各個(gè)截面上，物料濃度）在正常情況下，它是連續(xù)定態(tài)操作，故在

35、反應(yīng)器的各個(gè)截面上，物料濃度不隨時(shí)間而變化；不隨時(shí)間而變化； （2 2）反應(yīng)器內(nèi)各處的濃度彼此未必相等，故反應(yīng)速率隨空間位置而變化；）反應(yīng)器內(nèi)各處的濃度彼此未必相等，故反應(yīng)速率隨空間位置而變化； （3 3）由于反應(yīng)器徑向不存在濃度分布，反應(yīng)速率隨空間位置的變化將只限于軸向。）由于反應(yīng)器徑向不存在濃度分布，反應(yīng)速率隨空間位置的變化將只限于軸向。 理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)平推流反應(yīng)器物料衡算示意圖平推流反應(yīng)器物料衡算示意圖反應(yīng)的消失速度由于反應(yīng)物流出速度的反應(yīng)物流入速度的反應(yīng)物AAA FA FAdF，rAdV dVrdxFdxFxFddFAAAAAAAA0001即：即：設(shè)：設(shè)：反應(yīng)物反應(yīng)物A A進(jìn)入進(jìn)入dVdV的摩爾流量為的摩爾流量為FA FA ，反應(yīng)物反應(yīng)物A A流出流出dVdV的摩爾流量為的摩爾流量為FAFAdFdF，由于反應(yīng)而消失的由于反應(yīng)而消失的A A量為量為rAdVrAdV。理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)理想流動(dòng)和理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)上式積分可得：上式積分可得：AxAAVArdxFdV000AxAAArdxFV00AxAAArdxCvV0000000,vCvFAA因?yàn)橐驗(yàn)?是進(jìn)料體積流量，上式可寫成：是進(jìn)料體積流量，上式可寫成：Ax