化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)

化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)第一頁(yè)，共149頁(yè)。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(guò)程進(jìn)行的條件分類第二頁(yè)，共149頁(yè)。反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)單反應(yīng)、復(fù)雜反應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、零級(jí)、分?jǐn)?shù)級(jí)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)的特性分類第三頁(yè)，共149頁(yè)。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)分類第四頁(yè)，共149頁(yè)。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(guò)程進(jìn)行的條件分類第五頁(yè)，共149頁(yè)。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）按操作方式分類第六頁(yè)，共149頁(yè)。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(wú)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(shí)際反應(yīng)速率與相界面大小及相間擴(kuò)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(dòng)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)器種類第七頁(yè)，共149頁(yè)。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)型式分類第八頁(yè)，共149頁(yè)。反應(yīng)釜第九頁(yè)，共149頁(yè)。夾套式蒸汽加熱反應(yīng)釜第十頁(yè)，共149頁(yè)。內(nèi)外盤管式加熱不銹鋼反應(yīng)釜管式反應(yīng)器第十一頁(yè)，共149頁(yè)。鼓泡塔反應(yīng)器第十二頁(yè)，共149頁(yè)。固定床反應(yīng)器第十三頁(yè)，共149頁(yè)。固定床反應(yīng)器第十四頁(yè)，共149頁(yè)。厭氧流化床反應(yīng)器第十五頁(yè)，共149頁(yè)。（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)器第十六頁(yè)，共149頁(yè)。間歇反應(yīng)器特點(diǎn)：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(shí)間連續(xù)變化。3、同一瞬時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)溫度相同、濃度相同。間歇反應(yīng)器第十七頁(yè)，共149頁(yè)。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(diǎn)：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(diǎn)的組成不隨時(shí)間改變。第十八頁(yè)，共149頁(yè)。半連續(xù)反應(yīng)器半連續(xù)反應(yīng)器特點(diǎn)：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。第十九頁(yè)，共149頁(yè)。3、連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)的兩種理想形態(tài)平推流反應(yīng)器理想混合流反應(yīng)器第二十頁(yè)，共149頁(yè)。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(diǎn)：1、在穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，在反應(yīng)器的每個(gè)截面上，物料濃度不隨時(shí)間變化。2、所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同。2、反應(yīng)器內(nèi)物料濃度沿著流動(dòng)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。第二十一頁(yè)，共149頁(yè)。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(diǎn)：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。第二十二頁(yè)，共149頁(yè)。第二節(jié)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)是指在均一的液相或氣相中進(jìn)行的反應(yīng)均相反應(yīng)動(dòng)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(duì)化學(xué)反應(yīng)速度的影響。即Rp~(C,T,Cats)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)沒(méi)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)律第二十三頁(yè)，共149頁(yè)。1、反應(yīng)速率

定義：對(duì)均相反應(yīng)而言，反應(yīng)速率可定義為單位時(shí)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

組分的消失速率第二十四頁(yè)，共149頁(yè)。對(duì)反應(yīng)：

aA+BblL+mM各組分的反應(yīng)速率：第二十五頁(yè)，共149頁(yè)。它們之間：冪函數(shù)形式：

k:反應(yīng)速率常數(shù)

α1，α2：實(shí)驗(yàn)測(cè)定常數(shù)總級(jí)數(shù)

n=α1+α2對(duì)基元反應(yīng)：α1=aα2=b

復(fù)雜反應(yīng)：n需實(shí)驗(yàn)測(cè)定第二十六頁(yè)，共149頁(yè)。k=A0e-E/RT

lnk=lnA0–E/RTdlnk/dT=E/RT2(1)

反應(yīng)對(duì)T敏感所以，T對(duì)K的影響在低溫下更敏感

k遵循Arrehnies方程:(2)

(低溫)第二十七頁(yè)，共149頁(yè)。第二十八頁(yè)，共149頁(yè)。第二十九頁(yè)，共149頁(yè)。單一反應(yīng)是指用一個(gè)化學(xué)反應(yīng)式和一個(gè)動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程式

不可逆反應(yīng)一級(jí)不可逆反應(yīng)二級(jí)不可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)一級(jí)可逆反應(yīng)二級(jí)可逆反應(yīng)為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，只研究、等溫、恒容、單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第三十頁(yè)，共149頁(yè)。2.1

一級(jí)不可逆方程AS對(duì)于等溫系統(tǒng)，k為常數(shù),初始條件：t=0CA=CA0第三十一頁(yè)，共149頁(yè)。一級(jí)不可逆反應(yīng)C—t關(guān)系第三十二頁(yè)，共149頁(yè)。2.2

二級(jí)不可逆方程因?yàn)锳,B等摩爾消耗，所以CA0xA=CB0xB令M＝CB0/CA0可按一級(jí)不可逆反應(yīng)的情況作類似的處理，有如下反應(yīng)：第三十三頁(yè)，共149頁(yè)。（1）M＝1即CA0=CB0CA=CB（2）M≠1即CA0≠CB0CA≠CB第三十四頁(yè)，共149頁(yè)。不可逆二級(jí)反應(yīng)的C—t關(guān)系左：ＣＡ０≠ＣＢ０；右：ＣＡ０＝ＣＢ０第三十五頁(yè)，共149頁(yè)。第三十六頁(yè)，共149頁(yè)。2.3一級(jí)可逆方程若t=0，CR0=0，則CA+CR=CA0第三十七頁(yè)，共149頁(yè)。當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí):

dCA/dtCAe=k2CA0/(k1+k2).第三十八頁(yè)，共149頁(yè)?？赡嬉患?jí)反應(yīng)C—t圖第三十九頁(yè)，共149頁(yè)。第四十頁(yè)，共149頁(yè)。3、復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)是幾個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的，常見(jiàn)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)第四十一頁(yè)，共149頁(yè)。rR=dCR/dt=k1CA

rS=dCS/dt=k2CA

3.1平行反應(yīng)第四十二頁(yè)，共149頁(yè)。積分:

t=0CR0=CS0=0第四十三頁(yè)，共149頁(yè)。一級(jí)平行反應(yīng)C-t圖第四十四頁(yè)，共149頁(yè)。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積分公式第四十五頁(yè)，共149頁(yè)。積分公式公式形式積分結(jié)果第四十六頁(yè)，共149頁(yè)。令

dCR/dt=0得：第四十七頁(yè)，共149頁(yè)。CA各組分濃度變化：第四十八頁(yè)，共149頁(yè)。第四十九頁(yè)，共149頁(yè)。4、等溫變?nèi)葸^(guò)程對(duì)于定容或變?nèi)蒹w系，組分I的變化速率為：對(duì)恒容：對(duì)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(lái)表征變?nèi)莸某潭萪V/dt=0ri=dCi/dt第五十頁(yè)，共149頁(yè)。4.1膨脹率

定義：當(dāng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率x

線性變化時(shí)，反應(yīng)物A

全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積的變化率。第五十一頁(yè)，共149頁(yè)。①反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，只有A

結(jié)束時(shí)，只有P

n∝VεA=(2-1)/1=1例：有一等溫氣相反應(yīng)，計(jì)算εA第五十二頁(yè)，共149頁(yè)。②

若開(kāi)始時(shí)，除A以外，還有50％的惰性氣體，εA＝？反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，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(jì)算εA時(shí)，不僅要考慮反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系，還要考慮系統(tǒng)中是否存在惰性氣體

εA的運(yùn)用前提：系統(tǒng)V隨x呈線性變化第五十三頁(yè)，共149頁(yè)。4.2動(dòng)力學(xué)方程及積分表達(dá)式第五十四頁(yè)，共149頁(yè)。反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速度式積分式012n表2-9

等溫變?nèi)葸^(guò)程的速度式及積分式（膨脹法）第五十五頁(yè)，共149頁(yè)。例：在700℃及3kg/cm2恒壓下發(fā)生下列反應(yīng)

反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，系統(tǒng)中含C4H10為116kg，當(dāng)反應(yīng)完成50％時(shí)，丁烷分壓以2.4kg/cm2.s速率發(fā)生變化，求下列項(xiàng)次的變化速率：①乙烯分壓②H2的摩爾數(shù)③丁烷的摩爾分率第五十六頁(yè)，共149頁(yè)。解：

εA=(3－1)/1=2

反應(yīng)開(kāi)始時(shí)：yC4H10=1pA=yApx=0.5yC4H10=1/4pA=(1/4)pyC2H4=1/4pA=(2/4)pyH2=1/4pA=(1/4)p第五十七頁(yè)，共149頁(yè)。①第五十八頁(yè)，共149頁(yè)。②③第五十九頁(yè)，共149頁(yè)。5、均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的建立5.1微分法5.2

積分法（試差法）第六十頁(yè)，共149頁(yè)。微分法（圖解法）a.先假定一個(gè)反應(yīng)機(jī)理，并從它求出動(dòng)力學(xué)方程式，其型式為：b.實(shí)驗(yàn)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(duì)f(CA)作圖，若得一通過(guò)原點(diǎn)的直線，表明假定機(jī)理與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相復(fù)合。否則需重新假定一動(dòng)力學(xué)方程加以檢驗(yàn)，此步驟如下圖b所示。第六十一頁(yè)，共149頁(yè)。圖微分法檢測(cè)動(dòng)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第六十二頁(yè)，共149頁(yè)。A+BP動(dòng)力學(xué)方程使CA0=CB0,則取對(duì)數(shù)以lgrA~lgCA作圖得一直線，斜率為n，截距為lgk改變CA0\CB0，測(cè)初始反應(yīng)速率，作圖可得而如第六十三頁(yè)，共149頁(yè)。微分法（最小二乘法）A+BP第六十四頁(yè)，共149頁(yè)。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值第六十五頁(yè)，共149頁(yè)。例：假定速率方程為：將上式積分：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)CA（xA)、t作圖，得一條直線。如果將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)繪上去能與直線滿意擬合，則推測(cè)的動(dòng)力學(xué)方程可取，否則應(yīng)采用另一動(dòng)力學(xué)方程并加以檢驗(yàn)。第六十六頁(yè)，共149頁(yè)。

積分法檢驗(yàn)速率方程圖解程序第六十七頁(yè)，共149頁(yè)。第三節(jié)理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中主要解決的問(wèn)題：（a）提高反應(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。（b）具有足夠的傳熱面積，保證反應(yīng)過(guò)程中熱量的傳遞，使反應(yīng)指控在最適合的溫度下進(jìn)行。（c）保證參加反應(yīng)的物料均勻混合。第六十八頁(yè)，共149頁(yè)。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(wú)論對(duì)流動(dòng)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(dòng)反應(yīng)器：累積量=0；非穩(wěn)，連續(xù)，半連續(xù)：都不為零。第六十九頁(yè)，共149頁(yè)。熱量衡算熱量衡算的依據(jù)是能量守恒定律，對(duì)于流動(dòng)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(guò)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(dòng)反應(yīng)器：Q累積=0。第七十頁(yè)，共149頁(yè)。熱力學(xué)第一定律：在一個(gè)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(wèn)題的一個(gè)極為重要的方法，它比機(jī)械能守恒定律更普遍。例如物體在空中下落受到阻力時(shí)，物體的機(jī)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(jì)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(dòng)機(jī)幻想的徹底破滅。

3.能量守恒定律是認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有力武器，這個(gè)定律將廣泛的自然科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)。第一類永動(dòng)機(jī)（不可能制成）不消耗任何能量卻能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器。其不可能存在，因?yàn)檫`背的能量守恒定律

第七十一頁(yè)，共149頁(yè)。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(fèi)是不可逆的過(guò)程。（單向流動(dòng)）熱力學(xué)第二定律的表述主要有兩種；

(1)克勞修斯說(shuō)法：“熱量不能自動(dòng)從低溫物體流向高溫物體”。

(2)開(kāi)爾文說(shuō)法：“不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)楣?，而無(wú)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(méi)什么關(guān)系，然而實(shí)際上他們是等效的，即由其中一個(gè)，可以推導(dǎo)出另一個(gè)。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(guò)程的方向性，使人們認(rèn)識(shí)到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過(guò)程都具有方向性。一切自然過(guò)程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序性增大的方向進(jìn)行。第二類永動(dòng)機(jī)（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(jī)。第七十二頁(yè)，共149頁(yè)。第二類永動(dòng)機(jī)效率為100%，雖然它不違法能量守恒定律，但大量事實(shí)證明，在任何情況下，熱機(jī)都不可能只有一個(gè)熱源，熱機(jī)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(huì)達(dá)到100%。第二類永動(dòng)機(jī)違反了熱力學(xué)第二定律。實(shí)際上熱力學(xué)第二定律可以從統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的角度說(shuō)明。

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

當(dāng)然分子的熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度不可能真的一致，這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念，就是說(shuō)分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度本來(lái)差異很大，而最后熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度在某一個(gè)范圍內(nèi)的分子特別多，占了絕大多數(shù)。這時(shí)也就是通常所說(shuō)的達(dá)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(jì)學(xué)意義上的分子熱運(yùn)動(dòng)平均劇烈程度是不變的。熱力學(xué)第三定律：在絕對(duì)零度時(shí)，一切純物質(zhì)的完美晶體的熵值都等于零。數(shù)學(xué)表達(dá)式;S(0K)=0=kLn1=0

因?yàn)樵诮^對(duì)零度時(shí)，無(wú)序度為最小，微觀分布方式數(shù)為1第七十三頁(yè)，共149頁(yè)。1、

間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間的確定：反應(yīng)物A恒容時(shí)：反應(yīng)掉的量＝－(累積量)進(jìn)入量=流出量+反應(yīng)掉的量+(累積量)第七十四頁(yè)，共149頁(yè)。間歇反應(yīng)器的容積計(jì)算：ta

停駐時(shí)間，tR反應(yīng)時(shí)間，每小時(shí)處理物料體積為v0有效體積：設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)方程圖示a間歇釜設(shè)計(jì)方程圖示b第七十五頁(yè)，共149頁(yè)。間歇釜設(shè)計(jì)方程圖示xA0xAf第七十六頁(yè)，共149頁(yè)。間歇釜設(shè)計(jì)方程圖示CACAfCA0第七十七頁(yè)，共149頁(yè)。2、平推流反應(yīng)器∫∫∫反應(yīng)物A的流入速度＝流出速度＋消失速度第七十八頁(yè)，共149頁(yè)。恒容時(shí)：所以或平推流反應(yīng)器的圖解計(jì)算示意圖第七十九頁(yè)，共149頁(yè)。平推流反應(yīng)器的圖解計(jì)算示意圖1/rA面積=xA(a)適用一般場(chǎng)合面積=1/rA00CACA0(b)僅適用恒容過(guò)程第八十頁(yè)，共149頁(yè)。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(shí)故整理得第八十一頁(yè)，共149頁(yè)。理想混合反應(yīng)器圖解計(jì)算示意圖面積=V/FA0=r/CA0面積=V/v=r物料出口時(shí)情況1/rA1/rA0xAxA0CACA0CA第八十二頁(yè)，共149頁(yè)。4、多級(jí)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八十三頁(yè)，共149頁(yè)。4.1代數(shù)法以一級(jí)等溫反應(yīng)為例當(dāng)各釜的容積Vi相等時(shí)，則所以第八十四頁(yè)，共149頁(yè)。4.2圖解法根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程做rA

~CA關(guān)系曲線rACACA1CA2CA3CA0第八十五頁(yè)，共149頁(yè)。以兩只不等容的理想混合反應(yīng)器串聯(lián)操作為例：

對(duì)于第一級(jí)反應(yīng)器對(duì)于第二級(jí)反應(yīng)器反應(yīng)所需的總平均停留時(shí)間為設(shè)計(jì)多級(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器時(shí)，合理分配各級(jí)反應(yīng)器的出口轉(zhuǎn)化率，可使反應(yīng)器所需總體積最小。第八十六頁(yè)，共149頁(yè)。

兩種組合方式均可達(dá)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(gè)理想混合反應(yīng)器的組合情況第八十七頁(yè)，共149頁(yè)。不同大小二個(gè)理想混合反應(yīng)器的組合情況理想混合反應(yīng)器與二級(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器在CA0相同時(shí)，二者所需平均停留時(shí)間之差為長(zhǎng)方形KLMN的面積，若使該面積最大，則二級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器所需平均停留時(shí)間最短，反應(yīng)總體積最小。第八十八頁(yè)，共149頁(yè)。根據(jù)“最大矩形法”可以確定xA1。兩個(gè)大小不等的理想混合反應(yīng)器等溫串聯(lián)操作時(shí)，對(duì)一級(jí)反應(yīng)采用等體積最好；反應(yīng)級(jí)數(shù)n>1時(shí)，小反應(yīng)器宜在前；反應(yīng)級(jí)數(shù)n<1時(shí)，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。第八十九頁(yè)，共149頁(yè)。結(jié)論：故要是長(zhǎng)方形面積最大，必需使M點(diǎn)斜率等于長(zhǎng)方形對(duì)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(zhǎng)方形對(duì)角線LN的斜率最大矩形法第九十頁(yè)，共149頁(yè)。5、反應(yīng)器的型式和操作方法的評(píng)比與選擇選擇標(biāo)準(zhǔn)：a、到達(dá)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)物要多第九十一頁(yè)，共149頁(yè)。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(jí)串聯(lián)理想混合反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程式為：圖中觀察可得第九十二頁(yè)，共149頁(yè)。

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(jí)數(shù)有關(guān)對(duì)于零級(jí)反應(yīng)對(duì)于一級(jí)反應(yīng)對(duì)于二級(jí)反應(yīng)第九十三頁(yè)，共149頁(yè)。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)第九十四頁(yè)，共149頁(yè)。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(jí)數(shù)的大小對(duì)濃度的要求n1>n2CA大n1<n2CA小n1=n2無(wú)關(guān)第九十五頁(yè)，共149頁(yè)。反應(yīng)級(jí)數(shù)的大小對(duì)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九十六頁(yè)，共149頁(yè)。間歇操作第九十七頁(yè)，共149頁(yè)。連續(xù)流動(dòng)操作第九十八頁(yè)，共149頁(yè)。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。第九十九頁(yè)，共149頁(yè)。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迅速混合第一百頁(yè)，共149頁(yè)。連串–平行反應(yīng)產(chǎn)物分布隨時(shí)間變化第一種加料方式第二、三種加料方式第一百零一頁(yè)，共149頁(yè)。結(jié)論a、對(duì)于單一反應(yīng)，除零級(jí)反應(yīng)，為達(dá)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(duì)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(jí)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(shí)間；連串-平行反應(yīng)可采用不同的加料方式來(lái)控制產(chǎn)物的分布。c、溫度對(duì)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(duì)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。第一百零二頁(yè)，共149頁(yè)。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(dāng)反應(yīng)過(guò)程的放熱或除熱速率發(fā)生變化時(shí)，過(guò)程的溫度等因素將產(chǎn)生一系列的波動(dòng)，當(dāng)外擾消除后，過(guò)程能回復(fù)到原來(lái)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(wú)自衡能力。第一百零三頁(yè)，共149頁(yè)。1、熱穩(wěn)定性原理v0CpT0vCpTVkCA（-△H）KA(T-Tm)第一百零四頁(yè)，共149頁(yè)。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)除熱速率第一百零五頁(yè)，共149頁(yè)。Qr,QcQrTQcQc’Qc’’deabc在哪點(diǎn)操作？第一百零六頁(yè)，共149頁(yè)。反應(yīng)器具有穩(wěn)定性必需滿足兩個(gè)條件：穩(wěn)態(tài)條件：穩(wěn)定條件：第一百零七頁(yè)，共149頁(yè)。2、影響熱穩(wěn)定性的因素1、改變v0和AQr,QcQrTQcQc’deabc第一百零八頁(yè)，共149頁(yè)。Qc,QrTQrQc2、改變T0、TwT0”

T0

T0’第一百零九頁(yè)，共149頁(yè)。3、T與Tw間的最大溫差第一百一十頁(yè)，共149頁(yè)。第五節(jié)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布1、基本概念①閉式系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)口出口②停留時(shí)間分布年齡分布：對(duì)存留在系統(tǒng)的粒子而言，從進(jìn)入系統(tǒng)算起在系統(tǒng)中停留的時(shí)間。壽命分布：流體粒子從進(jìn)入系統(tǒng)起到離開(kāi)系統(tǒng)止，在系統(tǒng)內(nèi)停留的時(shí)間。③返混：是指不同停留時(shí)間微元間的混合第一百一十一頁(yè)，共149頁(yè)。1、停留時(shí)間分布的表示方法a、停留時(shí)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(shí)間為t到t+dt

間的微元所占的分率為E(t)dt.

E(t)因次：[時(shí)間-1]E(t)t0

t

t+dtE(t)dt歸一化條件第一百一十二頁(yè)，共149頁(yè)。b、停留時(shí)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(shí)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(wú)因次第一百一十三頁(yè)，共149頁(yè)。2、停留時(shí)間分布的測(cè)定實(shí)驗(yàn)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(cè)出的是停留時(shí)間分布函數(shù)脈沖示蹤法：簡(jiǎn)單、示蹤劑用量少，可直接測(cè)出停留時(shí)間分布密度函數(shù)要求輸入理想脈沖第一百一十四頁(yè)，共149頁(yè)。v0檢測(cè)器CA0CA0CA0CACA0響應(yīng)曲線輸入曲線第一百一十五頁(yè)，共149頁(yè)。v0M(g或mol)檢測(cè)器0-tt響應(yīng)曲線第一百一十六頁(yè)，共149頁(yè)。3、停留時(shí)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(shí)間間隔，則第一百一十七頁(yè)，共149頁(yè)。b、方差用來(lái)描述停留時(shí)間分別的離散程度

第一百一十八頁(yè)，共149頁(yè)。若以對(duì)比時(shí)間為自變量無(wú)因次方差：第一百一十九頁(yè)，共149頁(yè)。什么是流動(dòng)模型？什么是理想流動(dòng)模型和非理想流動(dòng)模型?理想流動(dòng)模型：平推流，全混流；非理想流動(dòng)模型：多級(jí)理想混合模型，多層流動(dòng)，擴(kuò)散模型，帶死角和短路的理想混合模型。各流動(dòng)模型的E（t），F(xiàn)（t），τ，第一百二十頁(yè)，共149頁(yè)。第六節(jié)流動(dòng)模型1、理想流動(dòng)模型a、平推流模型b、理想混合流模型2、非理想流動(dòng)模型

a、多級(jí)理想混合模型

b、帶死角和短路的理想混合模型c、停留時(shí)間分布曲線的應(yīng)用

非理想流動(dòng)現(xiàn)象？第一百二十一頁(yè)，共149頁(yè)。1、理想流動(dòng)模型

a、平推流模型tE(t)F(t)1.0第一百二十二頁(yè)，共149頁(yè)。b、理想混合流模型（階躍示蹤）

對(duì)示蹤劑在dt時(shí)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一百二十三頁(yè)，共149頁(yè)。方差無(wú)因次方差第一百二十四頁(yè)，共149頁(yè)。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第一百二十五頁(yè)，共149頁(yè)。非理想流動(dòng)現(xiàn)象存在滯流區(qū)第一百二十六頁(yè)，共149頁(yè)。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(dòng)，流體打開(kāi)了一條阻力很小的通道，形成所謂溝，以極短的停留時(shí)間通過(guò)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(gè)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(huì)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(yán)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。第一百二十七頁(yè)，共149頁(yè)。存在短路第一百二十八頁(yè)，共149頁(yè)。2、非理想流動(dòng)模型

a、多級(jí)理想混合模型

假設(shè)：①每級(jí)為理想混合②級(jí)際無(wú)返混③每一級(jí)體積相等采用階躍示蹤法第一百二十九頁(yè)，共149頁(yè)。第一百三十頁(yè)，共149頁(yè)。第一百三十一頁(yè)