化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)

化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)第1頁/共150頁1、

化學(xué)反應(yīng)的分類（1）按化學(xué)反應(yīng)的特性分類

（2）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類

（3）按反應(yīng)過程進行的條件分類第2頁/共150頁反應(yīng)機理簡單反應(yīng)、復(fù)雜反應(yīng)反應(yīng)級數(shù)一級、二級、三級、零級、分數(shù)級反應(yīng)反應(yīng)的可逆性可逆反應(yīng)、不可逆反應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)反應(yīng)分子數(shù)單分子、雙分子、三分子反應(yīng)（1）按化學(xué)反應(yīng)的特性分類第3頁/共150頁均相反應(yīng)催化反應(yīng)氣相反應(yīng)、液相反應(yīng)非催化反應(yīng)非均相反應(yīng)催化反應(yīng)液-液相、氣-液相、液-固相、氣、固相非催化反應(yīng)氣-固相、固相、氣-液-固相（2）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類第4頁/共150頁操作方式間歇反應(yīng)、半連續(xù)反應(yīng)、連續(xù)反應(yīng)溫度條件等溫反應(yīng)、絕熱反應(yīng)、非絕熱變溫反應(yīng)（3）按反應(yīng)過程進行的條件分類第5頁/共150頁2、反應(yīng)器的分類（1）按物料相態(tài)分類的反應(yīng)器種類（2）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類（3）按操作方式分類第6頁/共150頁反應(yīng)器種類反應(yīng)特性反應(yīng)類型舉例適用設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式均相氣相液相無相界面，反應(yīng)速率只與溫度或濃度有關(guān)燃燒、裂解等中和、酯化、水解等管式釜式非均相氣-液相液-液相氣-固相液-固相固-固相氣-液-固相有相界面，實際反應(yīng)速率與相界面大小及相間擴散速率有關(guān)氧化、氯化、加氫等磺化、硝化、烷基化等燃燒、還原、固相催化等還原、離子交換等水泥制造等加氫裂解、加氫脫氫等釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床、移動床釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床（1）按物料相態(tài)分類的反應(yīng)器種類第7頁/共150頁結(jié)構(gòu)型式適用的相態(tài)應(yīng)用舉例反應(yīng)釜（包括多釜串聯(lián)）液相、氣-液相、液-液相、液-固相苯的硝化、氯乙烯聚合、高壓聚乙烯、順丁橡膠聚合等管式氣相、液相清油裂解、甲基丁炔醇合成、高壓聚乙烯等鼓泡塔氣-液相、氣-液-固（催化劑）相變換氣的碳化、苯的烷基化、二甲苯氧化、乙烯基乙炔合成等固定床氣-固（催化或非催化）相二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙烯、乙苯脫氫、半水煤氣生產(chǎn)等流化床氣-固（催化或非催化）相，特別是催化劑很快失活的反應(yīng)硫鐵礦焙燒、萘氧化制苯酐、石油催化裂化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯氨氧化制丙烯腈等回轉(zhuǎn)筒式氣-固相、固-固相水泥制造等噴霧式氣相、高速反應(yīng)的液相氯化氫合成、天然氣裂解制乙炔（2）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類第8頁/共150頁反應(yīng)釜第9頁/共150頁夾套式蒸汽加熱反應(yīng)釜第10頁/共150頁內(nèi)外盤管式加熱不銹鋼反應(yīng)釜管式反應(yīng)器第11頁/共150頁鼓泡塔反應(yīng)器第12頁/共150頁固定床反應(yīng)器第13頁/共150頁固定床反應(yīng)器第14頁/共150頁厭氧流化床反應(yīng)器第15頁/共150頁（3）

按操作方式分類間歇反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器第16頁/共150頁間歇反應(yīng)器特點：1、反應(yīng)物料一次加入，產(chǎn)物一次取出。2、非穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度隨反應(yīng)時間連續(xù)變化。3、同一瞬時，反應(yīng)器內(nèi)各點溫度相同、濃度相同。間歇反應(yīng)器第17頁/共150頁連續(xù)反應(yīng)器反應(yīng)物A反應(yīng)物B生成物R連續(xù)反應(yīng)器特點：1、反應(yīng)物料連續(xù)加入，反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)引出。2、穩(wěn)態(tài)操作，反應(yīng)器內(nèi)任一點的組成不隨時間改變。第18頁/共150頁半連續(xù)反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器特點：1、某些反應(yīng)物料一次加入，其余物料連續(xù)加入，或者將某種產(chǎn)物連續(xù)取出。2、非穩(wěn)態(tài)操作。第19頁/共150頁3、連續(xù)流動反應(yīng)器內(nèi)流體流動的兩種理想形態(tài)平推流反應(yīng)器理想混合流反應(yīng)器第20頁/共150頁平推流反應(yīng)器反應(yīng)物A反應(yīng)物B

活塞流反應(yīng)器生成物R平推流反應(yīng)器特點：1、在穩(wěn)態(tài)操作時，在反應(yīng)器的每個截面上，物料濃度不隨時間變化。2、所有物料質(zhì)點在反應(yīng)器中的停留時間都相同。2、反應(yīng)器內(nèi)物料濃度沿著流動方向改變，故反應(yīng)速率隨空間位置改變，即反應(yīng)速率的變化只限于反應(yīng)器的軸向。第21頁/共150頁理想混合流反應(yīng)器反應(yīng)物A反應(yīng)物B生成物R理想混合流反應(yīng)器特點：1.物料連續(xù)以恒定的流速流入、流出反應(yīng)器，穩(wěn)態(tài)操作。2.反應(yīng)器內(nèi)各空間位置溫度、濃度均一。3.反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度與出口處濃度、溫度相同。第22頁/共150頁第二節(jié)均相反應(yīng)動力學(xué)均相反應(yīng)是指在均一的液相或氣相中進行的反應(yīng)均相反應(yīng)動力學(xué)內(nèi)容：研究化學(xué)反應(yīng)本身的速度規(guī)律，即物料的濃度，溫度，催化劑等因素對化學(xué)反應(yīng)速度的影響。即Rp~(C,T,Cats)均相反應(yīng)動力學(xué)沒有考慮到物理因素的影響，僅研究化學(xué)反應(yīng)內(nèi)在規(guī)律第23頁/共150頁1、反應(yīng)速率

定義：對均相反應(yīng)而言，反應(yīng)速率可定義為單位時間，單位反應(yīng)體積中所生成（消失）的某組分的摩爾數(shù)。即＋：表示i組分的生成速率－：表示i

組分的消失速率第24頁/共150頁對反應(yīng)：

aA+BblL+mM各組分的反應(yīng)速率：第25頁/共150頁它們之間：冪函數(shù)形式：

k:反應(yīng)速率常數(shù)

α1，α2：實驗測定常數(shù)總級數(shù)

n=α1+α2對基元反應(yīng)：α1=aα2=b

復(fù)雜反應(yīng)：n需實驗測定第26頁/共150頁k=A0e-E/RT

lnk=lnA0–E/RTdlnk/dT=E/RT2(1)

反應(yīng)對T敏感所以，T對K的影響在低溫下更敏感

k遵循Arrehnies方程:(2)

(低溫)第27頁/共150頁第28頁/共150頁第29頁/共150頁單一反應(yīng)是指用一個化學(xué)反應(yīng)式和一個動力學(xué)方程式便能代表的反應(yīng)。2、等溫、恒容、單一反應(yīng)動力學(xué)方程式

不可逆反應(yīng)一級不可逆反應(yīng)二級不可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)一級可逆反應(yīng)二級可逆反應(yīng)為簡化起見，只研究、等溫、恒容、單一反應(yīng)動力學(xué)第30頁/共150頁2.1

一級不可逆方程AS對于等溫系統(tǒng)，k為常數(shù),初始條件：t=0CA=CA0第31頁/共150頁一級不可逆反應(yīng)C—t關(guān)系第32頁/共150頁2.2

二級不可逆方程因為A,B等摩爾消耗，所以CA0xA=CB0xB令M＝CB0/CA0可按一級不可逆反應(yīng)的情況作類似的處理，有如下反應(yīng)：第33頁/共150頁（1）M＝1即CA0=CB0CA=CB（2）M≠1即CA0≠CB0CA≠CB第34頁/共150頁不可逆二級反應(yīng)的C—t關(guān)系左：ＣＡ０≠ＣＢ０；右：ＣＡ０＝ＣＢ０第35頁/共150頁第36頁/共150頁2.3一級可逆方程若t=0，CR0=0，則CA+CR=CA0第37頁/共150頁當反應(yīng)達到平衡時:

dCA/dtCAe=k2CA0/(k1+k2).第38頁/共150頁可逆一級反應(yīng)C—t圖第39頁/共150頁第40頁/共150頁3、復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)是幾個反應(yīng)同時進行的，常見的復(fù)合反應(yīng)有平行反應(yīng)，連鎖反應(yīng)，平行－連鎖反應(yīng)等。平行反應(yīng)連串反應(yīng)第41頁/共150頁rR=dCR/dt=k1CA

rS=dCS/dt=k2CA

3.1平行反應(yīng)第42頁/共150頁積分:

t=0CR0=CS0=0第43頁/共150頁一級平行反應(yīng)C-t圖第44頁/共150頁3.2連串反應(yīng)rA=-dCA/dt=k1CArR=dCR/dt=k1CA-k2CRrS=dCS/dt=k2CR積分：

t=0CA=CA0CR0=CS0=0積分公式第45頁/共150頁積分公式公式形式積分結(jié)果第46頁/共150頁令

dCR/dt=0得：第47頁/共150頁CA各組分濃度變化：第48頁/共150頁第49頁/共150頁4、等溫變?nèi)葸^程對于定容或變?nèi)蒹w系，組分I的變化速率為：對恒容：對變?nèi)荩簉i的變化不僅有dCi/dt變化，而且體系V變化，Ci/V，dV/dt都變化。

我們通常用膨脹率ε來表征變?nèi)莸某潭萪V/dt=0ri=dCi/dt第50頁/共150頁4.1膨脹率

定義：當物系體積隨轉(zhuǎn)化率x

線性變化時，反應(yīng)物A

全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積的變化率。第51頁/共150頁①反應(yīng)開始時，只有A

結(jié)束時，只有P

n∝VεA=(2-1)/1=1例：有一等溫氣相反應(yīng)，計算εA第52頁/共150頁②

若開始時，除A以外，還有50％的惰性氣體，εA＝？反應(yīng)開始時，A1mol

惰性氣體1mol，共2mol；結(jié)束后，P2mol

惰性氣體1mol，共3molεA=(3-2)/2=0.5

注意：計算εA時，不僅要考慮反應(yīng)的計量關(guān)系，還要考慮系統(tǒng)中是否存在惰性氣體

εA的運用前提：系統(tǒng)V隨x呈線性變化第53頁/共150頁4.2動力學(xué)方程及積分表達式第54頁/共150頁反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速度式積分式012n表2-9

等溫變?nèi)葸^程的速度式及積分式（膨脹法）第55頁/共150頁例：在700℃及3kg/cm2恒壓下發(fā)生下列反應(yīng)

反應(yīng)開始時，系統(tǒng)中含C4H10為116kg，當反應(yīng)完成50％時，丁烷分壓以2.4kg/cm2.s速率發(fā)生變化，求下列項次的變化速率：①乙烯分壓②H2的摩爾數(shù)③丁烷的摩爾分率第56頁/共150頁解：

εA=(3－1)/1=2

反應(yīng)開始時：yC4H10=1pA=yApx=0.5yC4H10=1/4pA=(1/4)pyC2H4=1/4pA=(2/4)pyH2=1/4pA=(1/4)p第57頁/共150頁①第58頁/共150頁②③第59頁/共150頁5、均相反應(yīng)動力學(xué)的建立5.1微分法5.2

積分法（試差法）第60頁/共150頁微分法（圖解法）a.先假定一個反應(yīng)機理，并從它求出動力學(xué)方程式，其型式為：b.實驗數(shù)據(jù)CA（xA）、t作圖,得一光滑曲線，在相應(yīng)濃度位置求取曲線的斜率，此斜率就代表該組成下的反應(yīng)速率，如下圖a.c.將上一步驟所得的dCA/dt各對f(CA)作圖，若得一通過原點的直線，表明假定機理與實驗數(shù)據(jù)相復(fù)合。否則需重新假定一動力學(xué)方程加以檢驗，此步驟如下圖b所示。第61頁/共150頁圖微分法檢測動力學(xué)方程圖解程序(a)斜率為dCA/dt的曲線;(b)斜率為k的曲線（a）（b）斜率k第62頁/共150頁A+BP動力學(xué)方程使CA0=CB0,則取對數(shù)以lgrA~lgCA作圖得一直線，斜率為n，截距為lgk改變CA0\CB0，測初始反應(yīng)速率，作圖可得而如第63頁/共150頁微分法（最小二乘法）A+BP第64頁/共150頁積分法（試差法）a.寫出反應(yīng)速率方程的積分式：b.求積分式的解c.做f(C)~t圖，直線斜率則為k值第65頁/共150頁例：假定速率方程為：將上式積分：

實驗數(shù)據(jù)CA（xA)、t作圖，得一條直線。如果將實驗數(shù)據(jù)標繪上去能與直線滿意擬合，則推測的動力學(xué)方程可取，否則應(yīng)采用另一動力學(xué)方程并加以檢驗。第66頁/共150頁

積分法檢驗速率方程圖解程序第67頁/共150頁第三節(jié)理想反應(yīng)器的設(shè)計設(shè)計中主要解決的問題：（a）提高反應(yīng)物料進行反應(yīng)所需要的容積，保證設(shè)備有一定的生產(chǎn)能力。（b）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)指控在最適合的溫度下進行。（c）保證參加反應(yīng)的物料均勻混合。第68頁/共150頁物料衡算物料衡算的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律，即反應(yīng)前后的物料質(zhì)量應(yīng)該相等。上式是普遍的物料衡算式，無論對流動系統(tǒng)或間歇系統(tǒng)均可適用。流入量-流出量-反應(yīng)消失量-累積量=0間歇式反應(yīng)器：流入量=0，流出量=0；穩(wěn)態(tài)操作連續(xù)流動反應(yīng)器：累積量=0；非穩(wěn)，連續(xù)，半連續(xù)：都不為零。第69頁/共150頁熱量衡算熱量衡算的依據(jù)是能量守恒定律，對于流動系統(tǒng)和間歇系統(tǒng)可列出均可適用的普遍的熱量衡算式：Q物料流入+Q反應(yīng)過程的熱效應(yīng)-Q物料流出-Q反應(yīng)系統(tǒng)與外界交換-Q累積=0間歇：Q物料流入=0，Q物料流出=0；穩(wěn)態(tài)操作連續(xù)流動反應(yīng)器：Q累積=0。第70頁/共150頁熱力學(xué)第一定律：在一個封閉系統(tǒng)中，能量和物質(zhì)是不能產(chǎn)生或消滅的。即能量和物質(zhì)不能憑空產(chǎn)生也不能憑空消亡。（能量守恒）能量守恒的意義

1.能的轉(zhuǎn)化與守恒是分析解決問題的一個極為重要的方法，它比機械能守恒定律更普遍。例如物體在空中下落受到阻力時，物體的機械能不守恒，但包括內(nèi)能在內(nèi)的總能量守恒。

2.能量守恒定律是19世紀自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)之一，也莊重宣告了第一類永動機幻想的徹底破滅。

3.能量守恒定律是認識自然、改造自然的有力武器，這個定律將廣泛的自然科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域聯(lián)系起來。第一類永動機（不可能制成）不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器。其不可能存在，因為違背的能量守恒定律

第71頁/共150頁熱力學(xué)第二定律：“熵在增加”。根據(jù)這一定律，從一種能向另一種能的任何轉(zhuǎn)換都不是完全有效的，能的消費是不可逆的過程。（單向流動）熱力學(xué)第二定律的表述主要有兩種；

(1)克勞修斯說法：“熱量不能自動從低溫物體流向高溫物體”。

(2)開爾文說法：“不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)楣?，而無其它變化”。

關(guān)系

熱力學(xué)第二定律的兩種表述（前2種）看上去似乎沒什么關(guān)系，然而實際上他們是等效的，即由其中一個，可以推導(dǎo)出另一個。意義熱力學(xué)第二定律的每一種表述，揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。第二類永動機（不可能制成）只從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓臒釞C。第72頁/共150頁第二類永動機效率為100%，雖然它不違法能量守恒定律，但大量事實證明，在任何情況下，熱機都不可能只有一個熱源，熱機要不斷地把吸取的熱量變成有用的功，就不可避免地將一部分熱量傳給低溫物體，因此效率不會達到100%。第二類永動機違反了熱力學(xué)第二定律。實際上熱力學(xué)第二定律可以從統(tǒng)計物理學(xué)的角度說明。

眾所周知，溫度是物體內(nèi)部分子熱運動劇烈程度的度量，溫度越高的物體，內(nèi)部的分子熱運動就越劇烈，所以當高溫物體與低溫物體接觸，它們內(nèi)部的分子就會碰撞和發(fā)生分子間作用力，熱運動劇烈的分子會通過碰撞和分子間作用力等途徑把能量傳遞給熱運動劇烈程度低的物體，最終使兩種物體分子的熱運動劇烈程度趨于一致。

當然分子的熱運動劇烈程度不可能真的一致，這是一個統(tǒng)計學(xué)的概念，就是說分子熱運動劇烈程度本來差異很大，而最后熱運動劇烈程度在某一個范圍內(nèi)的分子特別多，占了絕大多數(shù)。這時也就是通常所說的達到熱平衡了，分子間仍然發(fā)生碰撞和分子間作用力作用，但是統(tǒng)計學(xué)意義上的分子熱運動平均劇烈程度是不變的。熱力學(xué)第三定律：在絕對零度時，一切純物質(zhì)的完美晶體的熵值都等于零。數(shù)學(xué)表達式;S(0K)=0=kLn1=0

因為在絕對零度時，無序度為最小，微觀分布方式數(shù)為1第73頁/共150頁1、

間歇反應(yīng)器反應(yīng)時間的確定：反應(yīng)物A恒容時：反應(yīng)掉的量＝－(累積量)進入量=流出量+反應(yīng)掉的量+(累積量)第74頁/共150頁間歇反應(yīng)器的容積計算：ta

停駐時間，tR反應(yīng)時間，每小時處理物料體積為v0有效體積：設(shè)計實際體積：不起泡沸騰,ψ＝0.75~0.85起泡沸騰,ψ＝0.4~0.6VR=(ta+tR)v0V=VR/ψ間歇釜設(shè)計方程圖示a間歇釜設(shè)計方程圖示b第75頁/共150頁間歇釜設(shè)計方程圖示xA0xAf第76頁/共150頁間歇釜設(shè)計方程圖示CACAfCA0第77頁/共150頁2、平推流反應(yīng)器∫∫∫反應(yīng)物A的流入速度＝流出速度＋消失速度第78頁/共150頁恒容時：所以或平推流反應(yīng)器的圖解計算示意圖第79頁/共150頁平推流反應(yīng)器的圖解計算示意圖1/rA面積=xA(a)適用一般場合面積=1/rA00CACA0(b)僅適用恒容過程第80頁/共150頁3、理想混合反應(yīng)器A的流入速度為A的流出速度為A由于反應(yīng)的消失速度為恒容時故整理得第81頁/共150頁理想混合反應(yīng)器圖解計算示意圖面積=V/FA0=r/CA0面積=V/v=r物料出口時情況1/rA1/rA0xAxA0CACA0CA第82頁/共150頁4、多級串聯(lián)理想混合反應(yīng)器原料A生成物R物料衡算式整理得第83頁/共150頁4.1代數(shù)法以一級等溫反應(yīng)為例當各釜的容積Vi相等時，則所以第84頁/共150頁4.2圖解法根據(jù)動力學(xué)方程做rA

~CA關(guān)系曲線rACACA1CA2CA3CA0第85頁/共150頁以兩只不等容的理想混合反應(yīng)器串聯(lián)操作為例：

對于第一級反應(yīng)器對于第二級反應(yīng)器反應(yīng)所需的總平均停留時間為設(shè)計多級串聯(lián)理想混合反應(yīng)器時，合理分配各級反應(yīng)器的出口轉(zhuǎn)化率，可使反應(yīng)器所需總體積最小。第86頁/共150頁

兩種組合方式均可達到最終轉(zhuǎn)化率xA2。如果能確定最佳xA1，可使反應(yīng)總體積最小。不同大小二個理想混合反應(yīng)器的組合情況第87頁/共150頁不同大小二個理想混合反應(yīng)器的組合情況理想混合反應(yīng)器與二級串聯(lián)理想混合反應(yīng)器在CA0相同時，二者所需平均停留時間之差為長方形KLMN的面積，若使該面積最大，則二級串聯(lián)反應(yīng)器所需平均停留時間最短，反應(yīng)總體積最小。第88頁/共150頁根據(jù)“最大矩形法”可以確定xA1。兩個大小不等的理想混合反應(yīng)器等溫串聯(lián)操作時，對一級反應(yīng)采用等體積最好；反應(yīng)級數(shù)n>1時，小反應(yīng)器宜在前；反應(yīng)級數(shù)n<1時，大反應(yīng)器應(yīng)在前。若幾只理想混合反應(yīng)器串聯(lián)操作，可參照上述方法確定最佳中間轉(zhuǎn)化率。生產(chǎn)中考慮到制造和維修方便，常采用等體積理想混合反應(yīng)器串聯(lián)操作。第89頁/共150頁結(jié)論：故要是長方形面積最大，必需使M點斜率等于長方形對角線的斜率。矩形KLMN面積S=x1(y-y1)其中y是定值令dS/dx1=0

可推得

dy1/dx1=(y-y1)/x1dy1/dx1為M的斜率(y-y1)/x1是長方形對角線LN的斜率最大矩形法第90頁/共150頁5、反應(yīng)器的型式和操作方法的評比與選擇選擇標準：a、到達給定生產(chǎn)能力所需反應(yīng)器的體積要小b、用等量的原料得到的目的產(chǎn)物要多第91頁/共150頁5.1單一反應(yīng)xA0xAf

平推流反應(yīng)器、理想混合反應(yīng)器及多級串聯(lián)理想混合反應(yīng)器設(shè)計方程式為：圖中觀察可得第92頁/共150頁

容積效率：指同一反應(yīng)，在相同的溫度、產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率條件下，平推流反應(yīng)器與理想反應(yīng)器所需的總體積比，即

容積效率不僅與反應(yīng)器類型有關(guān)，還與反應(yīng)級數(shù)有關(guān)對于零級反應(yīng)對于一級反應(yīng)對于二級反應(yīng)第93頁/共150頁5.2復(fù)合反應(yīng)5.21平行反應(yīng)5.22連串反應(yīng)5.23連串-平行反應(yīng)第94頁/共150頁5.21平行反應(yīng)主、副反應(yīng)的速率方程AR(主反應(yīng))S(副反應(yīng))12二式相除得反應(yīng)級數(shù)的大小對濃度的要求n1>n2CA大n1<n2CA小n1=n2無關(guān)第95頁/共150頁反應(yīng)級數(shù)的大小對濃度的要求CA、CB均大CA大、CB小CA小、CB大CA、CB均小A+BR(主反應(yīng))S(副反應(yīng))12主、副反應(yīng)的速率方程二式相除得第96頁/共150頁間歇操作第97頁/共150頁連續(xù)流動操作第98頁/共150頁5.22連串反應(yīng)rA=-dCA/dt=k1CArR=dCR/dt=k1CA-k2CRrS=dCS/dt=k2CR若R為目的產(chǎn)物，應(yīng)提高CA，使大，可選用平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器；若S是目的產(chǎn)物，則應(yīng)降低CA，使小，可選用理想混合反應(yīng)器。第99頁/共150頁5.23連串–平行反應(yīng)三種加料方式：a、A慢慢加入B中（慢慢加入是指加入速率比反應(yīng)速率慢）b、B慢慢加入A中c、將A、B迅速混合第100頁/共150頁連串–平行反應(yīng)產(chǎn)物分布隨時間變化第一種加料方式第二、三種加料方式第101頁/共150頁結(jié)論a、對于單一反應(yīng)，除零級反應(yīng)，為達到相同轉(zhuǎn)化率下的生產(chǎn)能力，平推反應(yīng)器所需的反應(yīng)器體積比理想混合反應(yīng)器小。b、復(fù)雜反應(yīng)中，對于平行反應(yīng)，主要控制反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度，高濃度有利于反應(yīng)級數(shù)高的反應(yīng)；連串反應(yīng)，應(yīng)控制反應(yīng)器內(nèi)物料的平均停留時間；連串-平行反應(yīng)可采用不同的加料方式來控制產(chǎn)物的分布。c、溫度對復(fù)雜反應(yīng)的產(chǎn)物分布也有重大影響。平行反應(yīng)，升溫有利于活化能高的反應(yīng)；對于連串反應(yīng)，若生產(chǎn)目的產(chǎn)物反應(yīng)的活化能高于其他副反應(yīng)，宜采用高溫，反之亦然。第102頁/共150頁第四節(jié)理想混合反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性

反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性：是指當反應(yīng)過程的放熱或除熱速率發(fā)生變化時，過程的溫度等因素將產(chǎn)生一系列的波動，當外擾消除后，過程能回復(fù)到原來的操作狀態(tài)，則反應(yīng)器具有熱穩(wěn)定性，或具有自衡能力，否則為熱不穩(wěn)定，或無自衡能力。第103頁/共150頁1、熱穩(wěn)定性原理v0CpT0vCpTVkCA（-△H）KA(T-Tm)第104頁/共150頁反應(yīng)放熱速率Qr與反應(yīng)溫度呈非線性關(guān)系Qc與反應(yīng)溫度呈線性關(guān)系反應(yīng)除熱速率第105頁/共150頁Qr,QcQrTQcQc’Qc’’deabc在哪點操作？第106頁/共150頁反應(yīng)器具有穩(wěn)定性必需滿足兩個條件：穩(wěn)態(tài)條件：穩(wěn)定條件：第107頁/共150頁2、影響熱穩(wěn)定性的因素1、改變v0和AQr,QcQrTQcQc’deabc第108頁/共150頁Qc,QrTQrQc2、改變T0、TwT0”

T0

T0’第109頁/共150頁3、T與Tw間的最大溫差第110頁/共150頁第五節(jié)連續(xù)流動反應(yīng)器的停留時間分布1、基本概念①閉式系統(tǒng)系統(tǒng)進口出口②停留時間分布年齡分布：對存留在系統(tǒng)的粒子而言，從進入系統(tǒng)算起在系統(tǒng)中停留的時間。壽命分布：流體粒子從進入系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)止，在系統(tǒng)內(nèi)停留的時間。③返混：是指不同停留時間微元間的混合第111頁/共150頁1、停留時間分布的表示方法a、停留時間分布密度函數(shù)E(t)

系統(tǒng)出口流體中，已在系統(tǒng)中停留時間為t到t+dt

間的微元所占的分率為E(t)dt.

E(t)因次：[時間-1]E(t)t0

t

t+dtE(t)dt歸一化條件第112頁/共150頁b、停留時間分布函數(shù)F(t)

系統(tǒng)出口流體中，已在系統(tǒng)中停留時間小于t（或介于0~t間）的微元所占的分率等于F(t)

基本性質(zhì)：

(1)0≤F(t)≤1(2)F(0)=0;F(∞)=1(3)無因次第113頁/共150頁2、停留時間分布的測定實驗方法概述：階躍示蹤法脈沖示蹤法階躍示蹤法：操作容易；示蹤劑用量大，直接測出的是停留時間分布函數(shù)脈沖示蹤法：簡單、示蹤劑用量少，可直接測出停留時間分布密度函數(shù)要求輸入理想脈沖第114頁/共150頁v0檢測器CA0CA0CA0CACA0響應(yīng)曲線輸入曲線第115頁/共150頁v0M(g或mol)檢測器0-tt響應(yīng)曲線第116頁/共150頁3、停留時間分布的數(shù)字特征a、數(shù)學(xué)期望

在幾何圖形上是E(t)曲線下的這塊面積的重心在橫軸上的影。等時間間隔，則第117頁/共150頁b、方差用來描述停留時間分別的離散程度

第118頁/共150頁若以對比時間為自變量無因次方差：第119頁/共150頁什么是流動模型？什么是理想流動模型和非理想流動模型?理想流動模型：平推流，全混流；非理想流動模型：多級理想混合模型，多層流動，擴散模型，帶死角和短路的理想混合模型。各流動模型的E（t），F(xiàn)（t），τ，第120頁/共150頁第六節(jié)流動模型1、理想流動模型a、平推流模型b、理想混合流模型2、非理想流動模型

a、多級理想混合模型

b、帶死角和短路的理想混合模型c、停留時間分布曲線的應(yīng)用

非理想流動現(xiàn)象？第121頁/共150頁1、理想流動模型

a、平推流模型tE(t)F(t)1.0第122頁/共150頁b、理想混合流模型（階躍示蹤）

對示蹤劑在dt時間內(nèi)作物料衡算：

流入量=流出量=+累積量故整理得積分得第123頁/共150頁方差無因次方差第124頁/共150頁理想混合流反應(yīng)器的E(t)和F(t)圖E(t)ttF(t)1.00.6320.6320.368第125頁/共150頁非理想流動現(xiàn)象存在滯流區(qū)第126頁/共150頁存在溝流在流固系統(tǒng)或氣液系統(tǒng)中，由于不均勻的流動，流體打開了一條阻力很小的通道，形成所謂溝，以極短的停留時間通過床層。這種現(xiàn)象稱為溝流。它較多發(fā)生在流固系統(tǒng)中。如溝貫穿于整個床層稱為貫穿溝流，如僅發(fā)生于局部則稱為局部溝流。形成溝流會降低傳質(zhì)效率。在大型鼓泡床中，氣泡聚合后沿幾條捷徑上升，而嚴重的鼓泡集中可使氣泡沿著捷徑上升而形成短路，此現(xiàn)象稱為溝流。第127頁/共150頁存在短路第128頁/共150頁2、非理想流動模型

a、多級理想混合模型

假設(shè)：①每級為理想混合②級際無返混③每一級體積相等采用階躍示蹤法第129頁/共150頁第130頁/共150頁第131頁/共150頁1.01.01.0θθ138∞E(θ)F(θ)多級理想混合模型的E(θ)和F(θ)圖135101.0第132頁/共150頁理想混合模型平推流模型第133頁/共150頁b、帶死角和短路的理想混合模型第134頁/共150頁c、停留時間分