化學(xué)反應(yīng)工程理想間歇反應(yīng)器

化學(xué)反應(yīng)工程理想間歇反應(yīng)器第1頁/共53頁2023/3/83.1理想反應(yīng)器類型3.2反應(yīng)器設(shè)計基本方程3.3理想間歇反應(yīng)器3.4動力學(xué)方程的實驗測定第2頁/共53頁2023/3/83.1理想反應(yīng)器類型第3頁/共53頁2023/3/83.2反應(yīng)器設(shè)計基本方程3.2.1基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式

反應(yīng)動力學(xué)特性+反應(yīng)器的流動特征+傳遞特性確定最佳的工藝條件最大反應(yīng)效果+反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率計算所需反應(yīng)器體積規(guī)定任務(wù)+反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化第4頁/共53頁2023/3/83.2.2基本方程第5頁/共53頁2023/3/8物料衡算方程某組分流入量=某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量反應(yīng)消耗累積流入流出反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇式整個反應(yīng)器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應(yīng)器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√第6頁/共53頁2023/3/8熱量衡算方程帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應(yīng)熱+熱量的累積+傳給環(huán)境的熱量反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶出量反應(yīng)熱累積量間歇式整個反應(yīng)器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應(yīng)器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√反應(yīng)熱累積帶入帶出反應(yīng)單元傳給環(huán)境第7頁/共53頁2023/3/8動量衡算方程氣相流動反應(yīng)器的壓降大時，需要考慮壓降對反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動量衡算。但有時為了簡化計算，常采用估算法。第8頁/共53頁2023/3/83.3理想間歇反應(yīng)器3.3.1特征和數(shù)學(xué)描述特點:

1由于劇烈攪拌，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)傳遞對反應(yīng)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(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時間。優(yōu)點：

操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)

精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定第9頁/共53頁2023/3/8對整個反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：流入量=流出量+反應(yīng)量+累積量00第10頁/共53頁2023/3/8實際操作時間（tT)=反應(yīng)時間(t)+輔助時間(tC)反應(yīng)體積V是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積1/rA

—xAt/CA01/rA

—CAtt的計算（直接計算和圖解法）第11頁/共53頁2023/3/83.3.2簡單反應(yīng)簡單一級反應(yīng)簡單二級反應(yīng)簡單零級反應(yīng)簡單n級反應(yīng)第12頁/共53頁2023/3/8反應(yīng)速率rA=kCArA=kCA2第13頁/共53頁2023/3/8第14頁/共53頁2023/3/8反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機理的變化第15頁/共53頁2023/3/8末期動力學(xué)反應(yīng)后期轉(zhuǎn)化程度（從弱到強）二級>一級>零級采用非關(guān)鍵組分過量，可提高轉(zhuǎn)化程度。設(shè)過量化：

CAOkt01.0xAM=125第16頁/共53頁2023/3/8自催化反應(yīng)特點：反應(yīng)產(chǎn)物本身具有催化作用，如發(fā)酵過程。反應(yīng)初期：CA大，CP很小反應(yīng)進(jìn)行：CA,CP,(-rA)

反應(yīng)后期：CA

小，CP

較高，(-rA)

存在(-rA)

max第17頁/共53頁2023/3/8第18頁/共53頁2023/3/83.3.3均相可逆反應(yīng)（酯化反應(yīng)）可逆反應(yīng)的平衡特性（設(shè)均為一級）（1）若k2>k1

，則須保持足夠低的Cp，才能向右進(jìn)行；（2）反應(yīng)達(dá)到平衡時，平衡常數(shù)：K=k1/k2平衡濃度：3.3.3均相可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)的平衡特性（設(shè)均為一級）第19頁/共53頁2023/3/8（3）Van’tHoff方程對吸熱反應(yīng)：，T，K

溫度升高對反應(yīng)平衡有利，向正方向移動。對放熱反應(yīng)：，T，K

溫度升高對反應(yīng)平衡不利，向逆方向移動。第20頁/共53頁2023/3/8可逆反應(yīng)的速率特征設(shè)：對吸熱反應(yīng)：T，K，（k1+k2)

溫度升高對反應(yīng)平衡有利，向正方向移動。對放熱反應(yīng)：T，K，CAe,（k1+k2),(CA-CAe)T，K，CAe,（k1+k2),(CA-CAe)引出最優(yōu)溫度第21頁/共53頁2023/3/8最優(yōu)反應(yīng)溫度和最優(yōu)溫度序列第22頁/共53頁2023/3/8第23頁/共53頁2023/3/8管式反應(yīng)器或管式固定床反應(yīng)器最優(yōu)溫度的實施：（1）根據(jù)理論分析，對放熱反應(yīng)，反應(yīng)開始時溫度要高；（2）因此需要預(yù)熱，達(dá)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。第24頁/共53頁2023/3/8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(yīng)轉(zhuǎn)化率（或反應(yīng)時間）增加沿最優(yōu)溫度數(shù)值降低，造成隨轉(zhuǎn)化率（或反應(yīng)時間）而漸降的溫度序列，則反應(yīng)過程將始終以最大速率進(jìn)行。第25頁/共53頁2023/3/83.3.4均相平行反應(yīng)反應(yīng)物及產(chǎn)物濃度分布n1n2第26頁/共53頁2023/3/8等溫理想間歇反應(yīng)器，初始條件：即：反應(yīng)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?jié)舛缺劝l(fā)生變化。第27頁/共53頁2023/3/8即由溫度及A濃度有關(guān)。第28頁/共53頁2023/3/8選擇率、收率優(yōu)化目標(biāo)：反應(yīng)速率和選擇率。第29頁/共53頁2023/3/8第30頁/共53頁2023/3/8溫度效應(yīng)：第31頁/共53頁2023/3/8濃度效應(yīng)：CA增加，有利于級數(shù)高的反應(yīng)CA降低，有利于級數(shù)低的反應(yīng)第32頁/共53頁2023/3/8提高的方法：（圖解）（1）n1>n2若CAf不變，提高CA0，可增加若CA0不變，提高CAf，可增加（1）n1<n2相反，降低CA0或CAf，可提高第33頁/共53頁2023/3/8操作條件和操作方式的選擇n1，m1n2，m2第34頁/共53頁2023/3/8CA高CB低n1>n2m1<m2CA低CB低n1<n2m1<m2CA高CB高n1>n2m1>m2第35頁/共53頁2023/3/8第36頁/共53頁2023/3/83.3.5均相串連反應(yīng)動力學(xué)特征設(shè)一級反應(yīng)：第37頁/共53頁2023/3/8第38頁/共53頁2023/3/8串連反應(yīng)的選擇率溫度效應(yīng)：第39頁/共53頁2023/3/8濃度效應(yīng)：串連反應(yīng)的選擇率總是隨著反應(yīng)的進(jìn)行不段地降低。不能盲目要求高xA，否則提高的方法：①降低單程轉(zhuǎn)化率②反應(yīng)與分離結(jié)合，邊反應(yīng)、邊分離。第40頁/共53頁2023/3/8串連反應(yīng)的最大收率：第41頁/共53頁2023/3/8操作條件和操作方式的選擇原則最優(yōu)反應(yīng)時間降低轉(zhuǎn)化率，追求選擇率，邊反應(yīng)邊分離第42頁/共53頁2023/3/83.4動力學(xué)方程的實驗測定動力學(xué)研究實驗測定技術(shù)實驗方案溫度流量壓力等反應(yīng)類型實驗條件數(shù)據(jù)處理方法測量誤差大小范圍測量參數(shù)精度估計實驗測定技術(shù)實驗方案測量誤差大小范圍實驗測定技術(shù)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(shù)實驗方案溫度流量壓力等溫度流量反應(yīng)類型數(shù)據(jù)處理方法實驗條件反應(yīng)類型數(shù)據(jù)處理方法目的：反應(yīng)活化能，反應(yīng)級數(shù)。第43頁/共53頁2023/3/83.4.1積分法分析實測數(shù)據(jù)不同條件下測得的組分濃度（或轉(zhuǎn)化率）及產(chǎn)品組成與停留時間關(guān)系的數(shù)據(jù)，是經(jīng)歷一定反應(yīng)歷程累積的結(jié)果。（1）測定CA---t數(shù)據(jù)，利用積分式的反應(yīng)速率方程例如：二級不可逆反應(yīng)（CA0不等于CB0）ty······斜率＝（CA0-CB0)k截距第44頁/共53頁2023/3/8第45頁/共53頁2023/3/8（2）Half-timet1/2method半衰期法t1/2：xA=0.5時所需的時間。Forasinglenth-orderreactionIntegratingforn1gives第46頁/共53頁2023/3/8若n=1，第47頁/共53頁2023/3/8運用積分法須滿足兩個條件：（1）無返混或返混極??；（2）反應(yīng)動力學(xué)比較簡單。第48頁/共53頁2023/3/83.4.2微分法分析實測數(shù)據(jù)微分法求動力學(xué)方程是直接利用某一類動力學(xué)方程的微分式，以反應(yīng)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(shè)法把圖形線性化，把實驗數(shù)據(jù)代人。若得出一直線，便認(rèn)為所假設(shè)的動力學(xué)方程是正確的。否則，重新選定另一個動力學(xué)方程進(jìn)行猜算，直到得出一條直線為止。第49頁/共53頁2023/3/83.4.3反應(yīng)速率常數(shù)的實驗測定可用CA---t數(shù)據(jù)（不同溫度下），求k。（