華東理工大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程原理課件

ChemicalReactionEngineering章化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)ChemicalReactionKinetics動(dòng)力學(xué)類型微觀動(dòng)力學(xué)—消除了物理過(guò)程影響的動(dòng)力學(xué)如：均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，即本征動(dòng)力學(xué)（物化）宏觀動(dòng)力學(xué)—包含了物理過(guò)程影響的動(dòng)力學(xué)或稱表觀動(dòng)力學(xué)如：氣固相反應(yīng)的顆粒動(dòng)力學(xué)，床層動(dòng)力學(xué)7/28/20231ChemicalReactionEngineering2.1化學(xué)反應(yīng)速率的工程表示反應(yīng)量：molkmol反應(yīng)場(chǎng)所（反應(yīng)區(qū)）：VR，VCAT.，kgCAT，m2表面等

（-rA)：kmol/（m3.h），kmol/（kg.h），等等 “-”消失速率-rA “+”生成速率rp7/28/20232ChemicalReactionEngineering與物化不同之處在于： a.定態(tài)時(shí)，沒有時(shí)間概念 b.考察場(chǎng)所-物料（間歇） 反應(yīng)器（連續(xù)） c.能與傳遞過(guò)程相結(jié)合 單位時(shí)間轉(zhuǎn)化量∝V 體積過(guò)程 ∝S 面積過(guò)程用于表達(dá)本征動(dòng)力學(xué)（間歇、等容）與物化區(qū)別BacthRecatorCSTRPFR7/28/20233ChemicalReactionEngineering對(duì)于多組分反應(yīng)7/28/20234ChemicalReactionEngineering反應(yīng)場(chǎng)所(反應(yīng)區(qū)）:均相液相反應(yīng)—液相反應(yīng)體積（kmol/m3hr）氣固催化反應(yīng)過(guò)程—催化劑體積（rs-kmol/m3hr） 催化劑重量（rw-kmol/kghr） 催化劑堆積體積（rv-kmol/m3hr）氣液非均相反應(yīng)kg(催化劑）/m3（堆積體積）kg(催化劑）/m3（顆粒體積）7/28/20235ChemicalReactionEngineering2.2均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（homogeneous) heterogeneous一、均相與預(yù)混合BA均相反應(yīng)—在同一相中進(jìn)行的反應(yīng)均相—達(dá)到分子尺度均勻的物料達(dá)到分子尺度均勻的措施—混合(mixing)混合技術(shù)①機(jī)械攪拌②射流混合原理—流體破碎（宏觀混合）→微團(tuán)均勻（微觀混合）→分子尺度（分子擴(kuò)散）混合尺度—設(shè)備尺度、微團(tuán)尺度、分子尺度7/28/20236ChemicalReactionEngineering對(duì)互溶液體—可達(dá)到分子尺度均勻?qū)Σ换ト芤后w—不可能達(dá)到分子尺度均勻?qū)σ汗滔到y(tǒng)—只能達(dá)到某種宏觀上的均勻工程上，均相反應(yīng)需滿足二個(gè)條件： ⑴反應(yīng)物系互溶 ⑵預(yù)混合速率>>反應(yīng)速率兩種情況：⑴反應(yīng)相對(duì)較慢，可作均相處理 ⑵反應(yīng)極快，預(yù)混合成為關(guān)鍵問(wèn)題混合結(jié)果預(yù)混合—在發(fā)生反應(yīng)之前， 物料達(dá)到分子尺度均勻的混合過(guò)程工程因素7/28/20237ChemicalReactionEngineering開發(fā)實(shí)例： 丁二烯氯化→二氯丁烯→多氯丁烯（s） 溫度270℃ 氣相反應(yīng) C4H6：Cl2=（4~7）：1 丁二烯過(guò)量推斷：此反應(yīng)極快，預(yù)混合成為重要工程問(wèn)題關(guān)鍵問(wèn)題：射流混合Cl2多C4H6多 原因—混合過(guò)程產(chǎn)生兩種微團(tuán)小試 好中試 差，黑色粉末堵塞7/28/20238ChemicalReactionEngineering解決方法：改進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì)、加工精度， 實(shí)現(xiàn)幾千小時(shí)連續(xù)操作參見《工業(yè)反應(yīng)過(guò)程開發(fā)方法》p32-487/28/20239ChemicalReactionEngineering一般C、T影響是相互獨(dú)立的（經(jīng)驗(yàn)） —反應(yīng)速率的溫度效應(yīng) —反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)二、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)式反應(yīng)速率與溫度、濃度的關(guān)系—?jiǎng)恿W(xué)方程例如反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)（溫度項(xiàng)）包含反應(yīng)級(jí)數(shù)的濃度項(xiàng)7/28/202310ChemicalReactionEngineeringk的因次與n有關(guān)：n=1,k=[時(shí)間]-1溫度項(xiàng)式中 k——反應(yīng)速率常數(shù)

k0——頻率因子 T——溫度K E——反應(yīng)活化能J/mol，cal/mol R——?dú)怏w普適常數(shù)—阿累尼烏斯(Arrhenius)公式三、影響化學(xué)反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)7/28/202311ChemicalReactionEngineeringSvanteAugustArrhenius1859-1927瑞典化學(xué)家斯范特·奧古斯特·阿累尼烏斯是近代化學(xué)史上的一位著名的化學(xué)家，又是一位物理學(xué)家和天文學(xué)家。因建立電離學(xué)說(shuō),獲1903年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)7/28/202312ChemicalReactionEngineeringT→kT→活化能的本質(zhì)—反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度物理化學(xué)—反應(yīng)難易程度；E大，則不易達(dá)到活化態(tài)反應(yīng)工程—對(duì)溫度敏感程度；E大，則敏感程度大T變化對(duì)反應(yīng)速率（或速率常數(shù)）相對(duì)變化率的大小7/28/202313ChemicalReactionEngineering⑴E的本質(zhì)—反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度速率常數(shù)提高一倍所需提高的溫度直觀理解：理論思維：E的工程意義—反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度T不變…E越大，ΔT小E不變…T越小，ΔT小如何理解？7/28/202314ChemicalReactionEngineering⑵與反應(yīng)熱ΔH的關(guān)系⑶活化能的數(shù)量級(jí) 40~200kJ/mol如果E<40kJ/mol，或<10kcal/mol，可能有傳質(zhì)影響擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散活化能ED=（1~3）kcal/mol7/28/202315ChemicalReactionEngineering⑷活化能測(cè)定中的問(wèn)題反應(yīng)速率—T反應(yīng)場(chǎng)所的溫度 C反應(yīng)場(chǎng)所的濃度均相非均相（排除擴(kuò)散）儀表精度—E大，對(duì)T越敏感，要求精度越高

如何選擇測(cè)定溫度？活化能的計(jì)算理論上已知兩點(diǎn)溫度下反應(yīng)速率，可計(jì)算圖解或線性回歸lnk1/T7/28/202316ChemicalReactionEngineering四、影響化學(xué)反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)表達(dá)形式：⑴冪函數(shù)型 ⑵雙曲線型 ⑶經(jīng)驗(yàn)型常用氣固相催化反應(yīng)冪函數(shù)型優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)整理、運(yùn)算方便 是最常用的濃度效應(yīng)的函數(shù)形式7/28/202317ChemicalReactionEngineering對(duì)反應(yīng)⑴反應(yīng)級(jí)數(shù)（動(dòng)力學(xué)）不同于反應(yīng)分子數(shù)（化學(xué)計(jì)量學(xué)）基元反應(yīng)兩者等同反應(yīng)級(jí)數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，通常0、1、2級(jí)，或非整數(shù)級(jí)總級(jí)數(shù)通常反應(yīng)速率對(duì)濃度變化的敏感程度⑵反應(yīng)級(jí)數(shù)工程意義放大n倍級(jí)數(shù)越大，敏感7/28/202318ChemicalReactionEngineering⑶從反應(yīng)工程角度講，希望級(jí)數(shù)低 r0初始速率0.00010.010.990.010.90.010.250.491r2/r20，n=20.10.50.71r1/r10，n=10.50.30xA0.10.50.71cA表明濃度對(duì)r1不敏感，對(duì)r2敏感（n的工程意義）高轉(zhuǎn)化率時(shí)反應(yīng)速率很低，消耗時(shí)間很長(zhǎng)。尤其高反應(yīng)級(jí)數(shù)7/28/202319ChemicalReactionEngineering⑷反應(yīng)級(jí)數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定等溫下測(cè)定 的關(guān)系n>1n=1n=0n<1n=0 與濃度無(wú)關(guān)n<1 對(duì)濃度不敏感n=1 與濃度線性n>1 對(duì)濃度敏感微分法、積分法（參見第十一章）7/28/202320ChemicalReactionEngineering3-1理想化學(xué)反應(yīng)器定義：—排除工程因素影響的反應(yīng)器 —反應(yīng)結(jié)果由動(dòng)力學(xué)決定分類：*間歇攪拌釜式反應(yīng)器（BR） （BatchReactor） *管式流動(dòng)反應(yīng)器（PFR） （PlugFlowReactor）第三章理想間歇反應(yīng)器與典型化學(xué)反應(yīng)的基本特征7/28/202321ChemicalReactionEngineering反應(yīng)類型簡(jiǎn)單反應(yīng)A→PA+P→P+P（自催化）可逆反應(yīng)串聯(lián)反應(yīng)：A→P→SPS平行反應(yīng)A7/28/202322ChemicalReactionEngineering反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本方程：

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式

物料衡算方程式（對(duì)任一組分） 流入量=流出量+反應(yīng)消耗量+積累量

熱量衡算方程式 帶入熱焓=帶出熱焓+反應(yīng)熱+積累量+傳熱量

動(dòng)量衡算方程式7/28/202323ChemicalReactionEngineering選擇合適的反應(yīng)器形式確定最佳工藝條件計(jì)算所需反應(yīng)器體積反應(yīng)器設(shè)計(jì)任務(wù)7/28/202324ChemicalReactionEngineering3-2理想間歇反應(yīng)器中的簡(jiǎn)單反應(yīng)一、理想間歇反應(yīng)器基本方程特征：7/28/202325ChemicalReactionEngineering3-2理想間歇反應(yīng)器中的簡(jiǎn)單反應(yīng)一、理想間歇反應(yīng)器基本方程流入量＝流出量＋反應(yīng)消耗量＋積累量恒容時(shí)：對(duì)A：7/28/202326ChemicalReactionEngineering二、理想間歇反應(yīng)器計(jì)算簡(jiǎn)單反應(yīng)：解法：⑴解析解⑵圖解法恒容時(shí):7/28/202327ChemicalReactionEngineering一級(jí)反應(yīng)⑴解析解恒容時(shí):7/28/202328ChemicalReactionEngineering⑵圖解法恒容時(shí):7/28/202329ChemicalReactionEngineering雙組分反應(yīng)若B大大過(guò)量，即則稱為擬一級(jí)反應(yīng)，7/28/202330ChemicalReactionEngineering設(shè)a=b=1，定義過(guò)量比M：動(dòng)力學(xué)方程：積分式：7/28/202331ChemicalReactionEngineering或：一般M〉5時(shí)，與一級(jí)相近。7/28/202332ChemicalReactionEngineering7/28/202333ChemicalReactionEngineering三、簡(jiǎn)單反應(yīng)特性分析1、kt分析等溫條件下∴反應(yīng)結(jié)果由kt乘積決定7/28/202334ChemicalReactionEngineering2、CA0與反應(yīng)時(shí)間t若要求相同的殘余濃度CA，n=0，CA0↑，則t↑；n=1，介于二者之間CAtn=2，AAAAAkCtCCktCC1111100???=-時(shí)，當(dāng)7/28/202335ChemicalReactionEngineering3、轉(zhuǎn)化率x與反應(yīng)時(shí)間tn=0，kt/CA0↑，則x↑；n=1，轉(zhuǎn)化率x

與CA0無(wú)關(guān)—一級(jí)反應(yīng)的重要特征判據(jù)107/28/202336ChemicalReactionEngineeringn=2，不變，轉(zhuǎn)化率x不變100t2=10t1高級(jí)數(shù)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間消耗在反應(yīng)后期—二級(jí)重要特征7/28/202337ChemicalReactionEngineering4、CA0,x,（-rA）,t的關(guān)系n=1n=2n=07/28/202338ChemicalReactionEngineering若攪拌釜的裝料系數(shù)φ（一般為0.5-0.85）則：反應(yīng)器實(shí)際體積5、反應(yīng)器體積計(jì)算 單位生產(chǎn)時(shí)間所處理的物料量 每批物料的操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間+輔助時(shí)間t由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算7/28/202339ChemicalReactionEngineering四、自催化反應(yīng)特征：⑴反應(yīng)存在啟動(dòng)過(guò)程—產(chǎn)物的催化作用 ⑵存在最大速率小∵初期CA大，CP小大∵中期CA≈CP小∵后期CA小，CP大7/28/202340ChemicalReactionEngineering計(jì)算：解析解圖解法7/28/202341ChemicalReactionEngineering3-2理想間歇反應(yīng)器中的簡(jiǎn)單反應(yīng)一、理想間歇反應(yīng)器基本方程流入量＝流出量＋反應(yīng)消耗量＋積累量二、理想間歇反應(yīng)器計(jì)算三、簡(jiǎn)單反應(yīng)特性分析 1、kt分析 2、CA0與反應(yīng)時(shí)間t 3、轉(zhuǎn)化率x與反應(yīng)時(shí)間t 4、CA0,x,（-rA）,t的關(guān)系恒容時(shí)；0xA7/28/202342ChemicalReactionEngineering若攪拌釜的裝料系數(shù)φ（一般為0.5-0.85）則：反應(yīng)器實(shí)際體積5、反應(yīng)器體積計(jì)算 單位生產(chǎn)時(shí)間所處理的物料量 每批物料的操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間+輔助時(shí)間t由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算7/28/202343ChemicalReactionEngineering四、自催化反應(yīng)特征：⑴反應(yīng)存在啟動(dòng)過(guò)程—產(chǎn)物的催化作用 ⑵存在最大速率小∵初期CA大，CP小大∵中期CA≈CP小∵后期CA小，CP大7/28/202344ChemicalReactionEngineering圖解法計(jì)算：解析解7/28/202345ChemicalReactionEngineering3-3理想間歇反應(yīng)器中的可逆反應(yīng) （對(duì)峙反應(yīng)，ReversibleReactions）一、可逆反應(yīng)的特征一級(jí)特征：平衡7/28/202346ChemicalReactionEngineering熱力學(xué)關(guān)系（VantHoff）等壓下：平衡狀態(tài)當(dāng)ΔHr〉0，可逆吸熱，當(dāng)ΔHr〈0，可逆放熱，TΔHr〉0ΔHr〈07/28/202347ChemicalReactionEngineering平衡溫度和平衡轉(zhuǎn)化率對(duì)于，判斷n,m的關(guān)系。方法：固定T→K不變→CAO↑不變→n=m變大→n〉m變小→n〈m7/28/202348ChemicalReactionEngineering工業(yè)過(guò)程受平衡的限制（熱力學(xué)）破壞平衡的措施： ①改變K—吸熱，受材質(zhì)限制；

—放熱，受動(dòng)力學(xué)限制。 ②改變體系濃度——反應(yīng)、分離組合APAP7/28/202349ChemicalReactionEngineering二、可逆反應(yīng)速率表達(dá)式積分式：t（k1+k2）7/28/202350ChemicalReactionEngineering三、濃度效應(yīng)與溫度效應(yīng)濃度效應(yīng)：T不變，K不變，溫度效應(yīng)：T↑可逆吸熱，可逆放熱，動(dòng)力學(xué)因素?zé)崃W(xué)因素7/28/202351ChemicalReactionEngineeringSO2氧化反應(yīng) —典型的可逆放熱反應(yīng)T低時(shí)，動(dòng)力學(xué)因素占主導(dǎo)地位T高時(shí)，熱力學(xué)因素占主導(dǎo)地位必然存在最優(yōu)溫度7/28/202352ChemicalReactionEngineeringTopt推導(dǎo)平衡溫度7/28/202353ChemicalReactionEngineering123T注：⑴平衡線⑵最優(yōu)線⑶等速率線1，2，3HL7/28/202354思考題：a.可逆反應(yīng)E1=38kcal/mol，E2=27kcal/mol。K=0.4問(wèn)：平衡轉(zhuǎn)化率是多少？為提高XA可采取什么措施b.可逆放熱反應(yīng)x-T曲線如圖問(wèn)：B點(diǎn)的速率

。ADGH四點(diǎn)中最大速率點(diǎn)

。DEF三點(diǎn)中最大速率點(diǎn)

。HFC中最大速率點(diǎn)

。TTeqToptABCDEFGH0HFF7/28/202355a：E1=38kcal/mol，E2=27kcal/mol。K=0.4∴為可逆吸熱反應(yīng)提高平衡轉(zhuǎn)化率的措施：升高溫度。APA*E1E2ΔH7/28/202356Van'tHoff,

JacobusHenricus

(1852-1911),Dutchphysicalchemist.Van'tHoffisconsideredthefatherofphysicalchemistry.AsaprofessorofchemistryhetaughtfirstattheUniversityofAmsterdamandlateratthePrussianAcademyofScienceatBerlin.Van'tHoffwasawardedthefirstNobelPrizeforChemistryin1901forhisworkonratesofreaction,chemicalequilibrium,andosmoticpressure.1901年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng):范德霍夫(VantHoff)荷蘭物理化學(xué)家1903年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng):阿累尼烏斯(Arrhenius)瑞典化學(xué)家1909年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：奧斯特瓦爾德(Ostwald)德國(guó)化學(xué)家 合稱“離子”三劍客7/28/202357ChemicalReactionEngineering平行反應(yīng)CA、CP、CS設(shè)t=0，CA=CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0恒等當(dāng)n1=n2時(shí)，當(dāng)n1=n2=1時(shí)，有：7/28/202358ChemicalReactionEngineering瞬時(shí)選擇性或：—存在溫度效應(yīng)與濃度效應(yīng)...平均選擇性———反應(yīng)結(jié)果7/28/202359ChemicalReactionEngineering與的關(guān)系圖解法：=CafCA0CA7/28/202360ChemicalReactionEngineering二、平行反應(yīng)選擇性的溫度效應(yīng)不變理論分析直覺思維E的本質(zhì)—反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度7/28/202361ChemicalReactionEngineering結(jié)論：溫度升高有利于活化能高的反應(yīng)。T工程措施： E1>E2高溫下反應(yīng)，受材質(zhì)約束 E1<E2低溫下反應(yīng)，在速率與β之間，滿足β7/28/202362ChemicalReactionEngineering三、平行反應(yīng)選擇性的濃度效應(yīng)理論分析直覺思維n的本質(zhì)—表達(dá)了反應(yīng)速率對(duì)濃度變化的敏感程度。等溫下與無(wú)關(guān)7/28/202363ChemicalReactionEngineering結(jié)論：濃度升高有利于級(jí)數(shù)高的反應(yīng)。CA7/28/202364ChemicalReactionEngineering提高β的工程措施：（目標(biāo)：） ⑴n1>n2時(shí)，CA↑有利→CA0↑或XA↓（CAf↑）CAfCaf’CA0保持CAf不變，CA0↑CAfCA0CA0’保持CA0不變，CAf↑7/28/202365ChemicalReactionEngineering同理⑵n1<n2時(shí)， CA↓有利→CA0↓或XA↑（CAf↓）圖解說(shuō)明？7/28/202366ChemicalReactionEngineering3-5理想間歇反應(yīng)器中的串連反應(yīng) （ReactionsinSeries）一、串連反應(yīng)的特征設(shè)各步反應(yīng)均為一級(jí)對(duì)A：對(duì)P：一階常微分方程——解法？7/28/202367ChemicalReactionEngineering一階常微分方程（P，Q為x的函數(shù)）解析解：對(duì)P：令：7/28/202368ChemicalReactionEngineering（與平行反應(yīng)相同）存在最優(yōu)，對(duì)應(yīng)最大（與平行反應(yīng)不同）特征：7/28/202369ChemicalReactionEngineering二、串連反應(yīng)的選擇性和收率濃度效應(yīng)：任何使串連反應(yīng)的反應(yīng)物濃度下降、產(chǎn)物 濃度上升的因素，對(duì)串連反應(yīng)總是不利的β的特征：⑴反應(yīng)初期，β最大=1 ⑵t↑→CA↓CP↑→β↓βt17/28/202370ChemicalReactionEngineering溫度效應(yīng)結(jié)論：溫度升高有利于活化能高的反應(yīng)。T7/28/202371ChemicalReactionEngineering工業(yè)操作：若低溫有利。實(shí)際措施：反應(yīng)初期—高溫反應(yīng)后期—低溫先高后低的溫度序列但反應(yīng)器體積大，費(fèi)用上升7/28/202372ChemicalReactionEngineering收率最優(yōu)轉(zhuǎn)化率最優(yōu)收率（均為k1，k2的函數(shù)）最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間令7/28/202373ChemicalReactionEngineering想一想，練一練： 如果k1=k2 收率Φ， 如何表達(dá)？7/28/202374ChemicalReactionEngineering7/28/202375ChemicalReactionEngineering引言間歇攪拌釜（BSTR）平推流（PFR）理想化學(xué)反應(yīng)器—由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)決定反應(yīng)結(jié)果兩者區(qū)別？間歇攪拌釜（BSTR）連續(xù)流動(dòng)攪拌釜（CSTR）有何區(qū)別？區(qū)別多大？影響因素？有何措施？引入 宏觀動(dòng)力學(xué)因素——返混7/28/202376ChemicalReactionEngineering第五章連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器(CSTR) (ContinuousStirredTankReactor)5.1CSTR基本特征一、CSTR特點(diǎn)全混流—well-mixedreactorCSTR特點(diǎn):⑴反應(yīng)器內(nèi)物料濃度、溫度處處相等，且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫度。⑵存在不同停留時(shí)間的物料混合—即返混。⑶定態(tài)過(guò)程，與時(shí)間無(wú)關(guān)。（與PFR比較）7/28/202377ChemicalReactionEngineering連續(xù)釜間歇釜間歇釜連續(xù)PFR相差一個(gè)輔助時(shí)間存在逆向混合—返混相同停留時(shí)間的混合比較：7/28/202378ChemicalReactionEngineering二、CSTR的基本運(yùn)算基本方程（等溫等容）進(jìn)=出+反應(yīng)掉+積累空時(shí)PFR中集中參數(shù)—代數(shù)式分布參數(shù)—取微元積分7/28/202379ChemicalReactionEngineering5.2CSTR中的均相反應(yīng)一、解析解例如：7/28/202380ChemicalReactionEngineering7/28/202381ChemicalReactionEngineeringPFR和CSTR:不同反應(yīng)級(jí)數(shù)不同轉(zhuǎn)化率時(shí)的空時(shí)比較7/28/202382ChemicalReactionEngineering二、圖解法7/28/202383ChemicalReactionEngineering比較xA越大，相差越大n=1n=2n越大，相差越大7/28/202384ChemicalReactionEngineering5.3CSTR中的濃度分布與返混CSTRVPFRL表明：CSTR中 ⑴空間上的逆向流動(dòng)（返混） ⑵與PFR的差別取決于反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)一、CSTR中的濃度分布7/28/202385ChemicalReactionEngineering管式循環(huán)反應(yīng)器特征：循環(huán)比對(duì)A點(diǎn)作衡算二、管式循環(huán)反應(yīng)器中的環(huán)流與返混7/28/202386ChemicalReactionEngineering循環(huán)反應(yīng)器計(jì)算對(duì)小系統(tǒng)，是PFR：對(duì)大系統(tǒng)：所以：7/28/202387ChemicalReactionEngineering圖解法7/28/202388ChemicalReactionEngineering7/28/202389ChemicalReactionEngineering結(jié)論：循環(huán)操作的結(jié)果與CSTR中的返混一致， 導(dǎo)致 符合返混特征經(jīng)驗(yàn)表明： 接近于CSTR特征7/28/202390ChemicalReactionEngineering循環(huán)反應(yīng)器與CSTR比較—達(dá)到相同結(jié)果時(shí)的空時(shí)差別循環(huán)反應(yīng)器CSTR7/28/202391ChemicalReactionEngineering⑴級(jí)數(shù)相同，轉(zhuǎn)化率不同a：b:7/28/202392ChemicalReactionEngineeringc：7/28/202393ChemicalReactionEngineering結(jié)論：⑴當(dāng)R=20，循環(huán)反應(yīng)器特征與CSTR相近；⑵ 此時(shí)循環(huán)反應(yīng)器內(nèi) 愈接近；⑶ n大，反應(yīng)速率對(duì)濃度愈敏感，因此的差別增大；7/28/202394ChemicalReactionEngineering5.4返混的分析討論⑴返混是連續(xù)化過(guò)程的伴生結(jié)果BatchReactorCSTR返混—重要的工程因素⑵返混與反應(yīng)器型式無(wú)關(guān)，與操作方式有關(guān)。間歇反應(yīng)釜連續(xù)CSTR管式PFR循環(huán)管式反應(yīng)器理想，無(wú)返混存在返混7/28/202395ChemicalReactionEngineering⑷返混的結(jié)果 a.反應(yīng)物濃度降低，產(chǎn)物濃度升高—濃度均勻化 b.造成反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間分布（下一章）若n=1，xA=0.99，r/r0=1/100n=2，xA=0.99，r/r0=1/10000低濃度，低反應(yīng)速率存在分布⑶返混的起因 a.空間上的反向流動(dòng)（狹義） b.不均勻的速度分布（廣義）7/28/202396ChemicalReactionEngineering返混反應(yīng)物濃度普遍下降產(chǎn)物濃度普遍上升反應(yīng)速率反應(yīng)選擇性⑹返混對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響返混改變了理想反應(yīng)器中的濃度分布→集中參數(shù)工程因素動(dòng)力學(xué)因素反應(yīng)工程理論思維方法⑸混合與返混間歇—同樣經(jīng)歷（相同性質(zhì)、相同濃度）的物料之間的混合連續(xù)—不同經(jīng)歷（不同性質(zhì)、不同濃度）的物料之間的混合 是不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間的混合，稱為返混7/28/202397ChemicalReactionEngineering對(duì)反應(yīng)有影響生產(chǎn)能力下降定態(tài)操作，容易控制，穩(wěn)定間歇—非定態(tài)⑺連續(xù)≠?gòu)?qiáng)化⑻放大過(guò)程中的返混影響工程因素與尺寸有關(guān)小試PFR→中試（能保證平推流嗎？）濃度效應(yīng)→返混的利弊？⑼返混程度由冷模試驗(yàn)確定 RTD分布（下一章）大型冷?！傥锪?，真設(shè)備7/28/202398ChemicalReactionEngineering⑽改善措施有利—強(qiáng)化（攪拌、循環(huán)操作…）不利—限制（橫向分割、縱向分割）或填料多孔板空塔7/28/202399ChemicalReactionEngineering⑾多釜串聯(lián)反應(yīng)器結(jié)果：總體積變小，操作復(fù)雜性加大（3~4釜）…1 2 3 N計(jì)算：對(duì)任一釜對(duì)一級(jí)反應(yīng)，且第N級(jí)出口7/28/2023100ChemicalReactionEngineering第六章混合過(guò)程與非理想反應(yīng)器6.1混合現(xiàn)象分類形成微團(tuán)分子擴(kuò)散湍動(dòng)破碎尺度變化機(jī)械攪拌射流混合按混合對(duì)象：相同停留時(shí)間（年齡）物料之間的混合—同齡混合不同停留時(shí)間（年齡）物料之間的混合—返混按混合尺度：宏觀混合—設(shè)備尺度上的混合（eg.平推流、全混流）微觀混合—微團(tuán)尺度上的混合（eg.氣泡、液滴、顆粒）7/28/2023101ChemicalReactionEngineering6.2停留時(shí)間分布（RTD） ResidenceTimeDistribution一、RTD概念RTD—物料在反應(yīng)器內(nèi)（或出口）的停留時(shí)間分布停留時(shí)間—物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間，是隨機(jī)變量處理方法—統(tǒng)計(jì)學(xué)，概率論方法概率實(shí)驗(yàn)幾率—單個(gè)事件實(shí)驗(yàn)分率—大量事件實(shí)驗(yàn)(大數(shù)法則）壽命分布—在反應(yīng)器出口的物料停留時(shí)間分布年齡分布—在反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間分布年齡壽命7/28/2023102ChemicalReactionEngineering含義：同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的物料，在出口流體中停留時(shí)間介于t→t+dt之間的物料所占總物料的百分率（分率）應(yīng)為RTD密度函數(shù)歸一性—停留時(shí)間分布密度函數(shù)響應(yīng)示蹤7/28/2023103ChemicalReactionEngineeringRTD函數(shù)—停留時(shí)間分布函數(shù)含義：同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的物料，在出口流體中停留時(shí)間小于t的物料所占總物料的百分率（分率）。7/28/2023104ChemicalReactionEngineering二、RTD的數(shù)字特征數(shù)學(xué)期望—RTD對(duì)原點(diǎn)的一階矩（重心）—意義：物料的平均停留時(shí)間對(duì)PFR、CSTR，等容時(shí)，7/28/2023105ChemicalReactionEngineering有偏離無(wú)偏離方差—RTD對(duì)數(shù)學(xué)期望的二階矩—意義：RTD對(duì)的偏離程度7/28/2023106ChemicalReactionEngineering對(duì)PFR：物料在同一時(shí)刻出來(lái)出口響應(yīng)PFR的RTD：7/28/2023107ChemicalReactionEngineering對(duì)比時(shí)間（無(wú)因次時(shí)間）7/28/2023108ChemicalReactionEngineering三、停留時(shí)間分布的測(cè)定示蹤法—脈沖示蹤法、階躍示蹤法示蹤劑—流動(dòng)性相近、便于檢測(cè)、惰性…A.脈沖法—測(cè)得停留時(shí)間分布密度函數(shù)總量響應(yīng)在 的分率7/28/2023109ChemicalReactionEngineering用差分表示，取15~20個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)計(jì)算數(shù)字特征值：如：電導(dǎo)率法—飽和KCL作為示蹤劑例3-17，187/28/2023110ChemicalReactionEngineering停留時(shí)間分布測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置7/28/2023111ChemicalReactionEngineeringB.階躍法—測(cè)得停留時(shí)間分布函數(shù)7/28/2023112ChemicalReactionEngineering四、CSTR中的停留時(shí)間分布時(shí)脈沖加入示蹤劑的質(zhì)量時(shí)釜內(nèi)示蹤劑的質(zhì)量示蹤劑流出量=釜內(nèi)示蹤劑減少量?jī)蛇叿e分：脈沖法推導(dǎo)CSTR的RTD7/28/2023113ChemicalReactionEngineering由 的含義釜內(nèi)示蹤劑質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系7/28/2023114ChemicalReactionEngineering當(dāng)0.6327/28/2023115ChemicalReactionEngineering方差函數(shù)無(wú)因次方差PFR的RTD：7/28/2023116ChemicalReactionEngineering思考題： 等體積PFR與CSTR串連， 畫出反應(yīng)器組合系統(tǒng)的RTD曲線t如果7/28/2023117ChemicalReactionEngineering微團(tuán)（凝聚態(tài)）：固體顆粒、分子袋（團(tuán)）停留時(shí)間分布—年齡分布、壽命分布某個(gè)微團(tuán)的濃度~對(duì)應(yīng)~該微團(tuán)的停留時(shí)間動(dòng)力學(xué)關(guān)系7/28/2023118ChemicalReactionEngineering6.3CSTR中的固相反應(yīng)流固相非催化反應(yīng)C(S)＋H2O(g)→CO(g)＋H2(g) 煤的氣化2C(S)＋3/2O2(g)→CO(g)＋CO2(g) 煤的燃燒4FeS2(S)＋11O2(g)→8SO2(g)＋2Fe2O3(S)硫鐵礦焙燒CaCO3(S)→CaO(S)＋CO2(g) 石灰窯一、固相反應(yīng)特征類型：A（g）+bB（s）→pP（g）A（g）+bB（s）→sS（s）A（g）+bB（s）→pP（g）+Ss（s）7/28/2023119ChemicalReactionEngineering流固相反應(yīng)模型：1.整體反應(yīng)模型2.收縮未反應(yīng)芯模型7/28/2023120ChemicalReactionEngineering流化床反應(yīng)器流固相反應(yīng)器特點(diǎn)：反應(yīng)器是一個(gè)全混釜每一個(gè)顆粒獨(dú)立反應(yīng)，與其他顆粒完全不混每一個(gè)顆粒的反應(yīng)遵循反應(yīng)動(dòng)力學(xué)每一個(gè)顆粒的反應(yīng)程度(轉(zhuǎn)化率）由該顆粒在反應(yīng)器中的停留時(shí)間決定反應(yīng)器存在停留時(shí)間分布（RTD）反應(yīng)器中的總反應(yīng)速率（轉(zhuǎn)化率）是各個(gè)顆粒速率（轉(zhuǎn)化率）的平均值連續(xù)流動(dòng)物系有兩種：⑴達(dá)到均勻狀態(tài)流體物料⑵固體物料—固體顆粒之間完全不混合，獨(dú)立反應(yīng)7/28/2023121ChemicalReactionEngineering反應(yīng)器物料衡算平均反應(yīng)速率一般不同于—函數(shù)平均值 （非均相）—參數(shù)平均值的函數(shù)值（均相）例如：相同不同7/28/2023122ChemicalReactionEngineering二、連續(xù)反應(yīng)過(guò)程的考察方法均相反應(yīng)—物料互溶，凝聚—分散 —以反應(yīng)器為考察對(duì)象固相反應(yīng)—各個(gè)顆粒是獨(dú)立的，相當(dāng)于一個(gè)間歇反應(yīng)器—顆粒的反應(yīng)程度由各自的停留時(shí)間決定—以物料為考察對(duì)象，RTD—反應(yīng)結(jié)果是所有顆粒的平價(jià)值PFR—對(duì)微元作物料衡算CSTR—對(duì)反應(yīng)器作物料衡算混合尺度：設(shè)備尺度→微團(tuán)尺度→分子尺度（返混）（液滴、顆粒）7/28/2023123ChemicalReactionEngineering連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中的考察方法：均相-反應(yīng)器固相-物料考察對(duì)象→考察方法CSTR連續(xù)均相微團(tuán)之間完全混合CSTR連續(xù)液液非均相微團(tuán)之間部分混合只能判斷不能計(jì)算反應(yīng)器操作方式相態(tài)混合狀態(tài)返混程度處理方法CSTR連續(xù)固相微團(tuán)之間完全不混可以計(jì)算7/28/2023124ChemicalReactionEngineering三、RTD對(duì)固相反應(yīng)的影響與計(jì)算RTD對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響— 轉(zhuǎn)換為：變量不均勻性對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響分布參數(shù)函數(shù)平均值參數(shù)平均值的函數(shù)值上凹曲線不混比混合好7/28/2023125ChemicalReactionEngineering下凹曲線線性關(guān)系混合比不混合好不混與混合一樣7/28/2023126ChemicalReactionEngineering固相加工反應(yīng)的計(jì)算在t→t+dt物料分率為，對(duì)總量的貢獻(xiàn)為：總結(jié)果：同理：動(dòng)力學(xué)關(guān)系積分形式：總量與分量的關(guān)系7/28/2023127ChemicalReactionEngineering例：對(duì)CSTR中進(jìn)行一級(jí)固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系RTD關(guān)系與均相反應(yīng)結(jié)果一樣不同級(jí)數(shù)的反應(yīng)結(jié)果見表6-1動(dòng)力學(xué)RTD7/28/2023128ChemicalReactionEngineering四、微觀混合對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響宏觀流體——流體中分子以凝聚態(tài)存在 ——只有宏觀混合 ——處理方法：與固相反應(yīng)類似微觀流體——達(dá)到分子尺度的均勻（均相） ——完全的微觀混合C1C2液滴分散合并滴際混合——微團(tuán)之間發(fā)生部分混合 ——介于均相與固相之間 ——缺乏理論模型——定性判斷：假定反應(yīng)在分散相中進(jìn)行7/28/2023129ChemicalReactionEngineering滴際混合對(duì)反應(yīng)的影響（返混存在）濃度參數(shù)的分布性對(duì)反應(yīng)影響函數(shù)平均值參數(shù)平均值的函數(shù)值C1C2液滴n>1,上凹， 混合不利n=1,線性， 無(wú)影響n<1,下凹， 混合有利C1C27/28/2023130ChemicalReactionEngineering7/28/2023131ChemicalReactionEngineering6.4停留時(shí)間分布的應(yīng)用與非理想流動(dòng)模型一、RTD的應(yīng)用1.判斷返混程度的大小2.計(jì)算反應(yīng)結(jié)果3.流型判斷4.確定反應(yīng)器的模型參數(shù)PFR模型CSTR模型軸向擴(kuò)散模型多釜串連模型7/28/2023132ChemicalReactionEngineering二、非理想流動(dòng)模型數(shù)學(xué)模型方法：簡(jiǎn)化、等效、參數(shù)少反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型：理想模型—PFR、CSTR、 非理想模型—軸向擴(kuò)散、多釜串連(1)軸向擴(kuò)散模型(返混程度較小時(shí)）7/28/2023133ChemicalReactionEngineering軸向擴(kuò)散模型——平推流+軸向擴(kuò)散物料衡算進(jìn)：出：積累：簡(jiǎn)化：7/28/2023134ChemicalReactionEngineering無(wú)因次化Peclet準(zhǔn)數(shù)：De—軸向有效擴(kuò)散系數(shù)（單參數(shù)）返混不大時(shí)：大，返混小小，返混大Pe7/28/2023135ChemicalReactionEngineering1 2 3 N—每一個(gè)釜的平均停留時(shí)間（2）多釜全混流模型（返混程度較大時(shí)）一個(gè)實(shí)際設(shè)備中的返混情況—— 等效于若干級(jí)全混釜串連時(shí)的返混 模型參數(shù)—級(jí)數(shù)N（單參數(shù)） 7/28/2023136ChemicalReactionEngineering總平均停留時(shí)間N→∞PFRN=1CSTR7/28/2023137ChemicalReactionEngineering三、非理想流動(dòng)反應(yīng)器計(jì)算（1）多釜串聯(lián)模型對(duì)一級(jí)可逆反應(yīng)（2）軸向擴(kuò)散模型對(duì)一級(jí)可逆反應(yīng)查圖6-17~6-207/28/2023138ChemicalReactionEngineering例6-1RTD計(jì)算，反應(yīng)結(jié)果計(jì)算解：已計(jì)算出若進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，k=0.307min-1（1）用PFR模型計(jì)算（2）用多釜串聯(lián)模型計(jì)算7/28/2023139ChemicalReactionEngineering（3）用軸向擴(kuò)散模型計(jì)算（4）用RTD方法計(jì)算7/28/2023140ChemicalReactionEngineering拖尾不同的分布—接近多峰響應(yīng)出峰早7/28/2023141ChemicalReactionEngineering6.4停留時(shí)間分布的應(yīng)用與非理想流動(dòng)模型一、RTD的應(yīng)用1.判斷返混程度的大小2.計(jì)算反應(yīng)結(jié)果3.流型判斷4.確定反應(yīng)器的模型參數(shù)PFR模型CSTR模型軸向擴(kuò)散模型多釜串連模型7/28/2023142ChemicalReactionEngineering二、非理想流動(dòng)模型數(shù)學(xué)模型方法：簡(jiǎn)化、等效、參數(shù)少反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型： 理想模型— PFR、CSTR、 非理想模型— 軸向擴(kuò)散、多釜串連理想流動(dòng)：PFR，CSTR非理想流動(dòng)：所有非PFR和CSTR的流動(dòng)，返混程度介于兩者之間。7/28/2023143ChemicalReactionEngineering⑴軸向擴(kuò)散模型——平推流+軸向擴(kuò)散Peclet準(zhǔn)數(shù)：返混不大時(shí)：大，返混小小，返混大Pe7/28/2023144ChemicalReactionEngineering1 2 3 N—每一個(gè)釜的平均停留時(shí)間（2）多釜全混流模型（返混程度較大時(shí)）一個(gè)實(shí)際設(shè)備中的返混情況—— 等效于若干級(jí)全混釜串連時(shí)的返混 模型參數(shù)—級(jí)數(shù)N（單參數(shù)） 7/28/2023145ChemicalReactionEngineering總平均停留時(shí)間N→∞PFRN=1CSTR7/28/2023146ChemicalReactionEngineering三、非理想流動(dòng)反應(yīng)器計(jì)算（1）多釜串聯(lián)模型對(duì)一級(jí)可逆反應(yīng)（2）軸向擴(kuò)散模型對(duì)一級(jí)可逆反應(yīng)查圖6-17~6-207/28/2023147ChemicalReactionEngineering例6-1RTD計(jì)算，反應(yīng)結(jié)果計(jì)算解：已計(jì)算出若進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，k=0.307min-1（1）用PFR模型計(jì)算（2）用多釜串聯(lián)模型計(jì)算7/28/2023148ChemicalReactionEngineering（3）用軸向擴(kuò)散模型計(jì)算（4）用RTD方法計(jì)算7/28/2023149ChemicalReactionEngineering攪拌釜式反應(yīng)器（StirredTankReactor）一、攪拌釜的結(jié)構(gòu)參考：《液體攪拌》周理、丁緒淮釜體、葉輪、電機(jī)、擋板等電機(jī)擋板葉輪釜體1.葉輪—輸送機(jī)械能給液體軸向葉輪（螺旋槳）徑向葉輪（平槳）基本流型7/28/2023150ChemicalReactionEngineering2.擋板—消除打旋，強(qiáng)化流體流動(dòng)寬度尺寸：（1/10~1/12）釜徑一般四片二、槳葉選型反應(yīng)要求：快反應(yīng)—湍動(dòng)破碎—徑向葉輪 強(qiáng)放熱—循環(huán)換熱—軸向葉輪混合要求：液固相—循環(huán)懸浮—軸向葉輪液液相—破碎剪切—徑向葉輪高粘物系—大葉片、低轉(zhuǎn)速葉輪7/28/2023151ChemicalReactionEngineering三、攪拌釜的放大攪拌功率分析相似放大方法—幾何相似放大步驟：⑴確定放大判據(jù)—Re，F(xiàn)r，P，h，q，。。。⑵確定轉(zhuǎn)速變化關(guān)系⑶校核主要參數(shù)—Re，F(xiàn)r，P，h，q等⑷補(bǔ)償調(diào)整—如換熱面積等7/28/2023152ChemicalReactionEngineering7.化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化7.1概述工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化優(yōu)化的技術(shù)指標(biāo)反應(yīng)速率選擇性能耗影響因素：濃度因素、溫度因素反應(yīng)器型式操作條件操作方式間歇或連續(xù)預(yù)混合返混滴際混合進(jìn)料濃度加料方式反應(yīng)場(chǎng)所濃度反應(yīng)結(jié)果7/28/2023153ChemicalReactionEngineering返混反應(yīng)物濃度CA↓產(chǎn)物濃度CP↑反應(yīng)速率反應(yīng)選擇性工程因素動(dòng)力學(xué)因素反應(yīng)工程理論思維方法7/28/2023154ChemicalReactionEngineering7.2簡(jiǎn)單反應(yīng)過(guò)程三種反應(yīng)器基本類型間歇反應(yīng)器（BSTR）平推流反應(yīng)器（PFR）連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）優(yōu)化目標(biāo)：反應(yīng)速率7/28/2023155ChemicalReactionEngineering一級(jí)反應(yīng)：N個(gè)相同體積的CSTR串連的反應(yīng)器組與PFR的性能比較7/28/2023156ChemicalReactionEngineering二級(jí)反應(yīng)：N個(gè)相同體積的CSTR串連的反應(yīng)器組與PFR的性能比較7/28/2023157ChemicalReactionEngineeringNkτ=2例：一級(jí)反應(yīng)串聯(lián)釜數(shù)N 1 2 3 5 ∞轉(zhuǎn)化率XA 0.67 0.75 0.78 0.81 0.87 CSTR PFR反應(yīng)器釜數(shù)對(duì)總費(fèi)用的影響7/28/2023158ChemicalReactionEngineering∴CSTR比PFR優(yōu)轉(zhuǎn)化率較低時(shí)07.3自催化反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化7/28/2023159ChemicalReactionEngineering∴PFR與CSTR相當(dāng)∴PFR比CSTR優(yōu)轉(zhuǎn)化率較高時(shí)0轉(zhuǎn)化率中等時(shí)07/28/2023160ChemicalReactionEngineering自催化反應(yīng)的操作優(yōu)化：7/28/2023161ChemicalReactionEngineering一、溫度效應(yīng)可逆放熱反應(yīng)存在123T7.4可逆反應(yīng)的優(yōu)化7/28/2023162ChemicalReactionEngineering可逆反應(yīng)—可逆吸熱：溫度升高，反應(yīng)速率增大 —可逆放熱：存在最優(yōu)溫度—最大反應(yīng)速率可逆放熱理論要求：沿最優(yōu)溫度線操作—反應(yīng)速率最大實(shí)際操作：多段絕熱7/28/2023163ChemicalReactionEngineering二、絕熱床反應(yīng)器⑴反應(yīng)過(guò)程分析絕熱—徑向C、T均一 T，C=f(Z）物衡：熱衡：絕熱床基本方程取微元dVR=Sdz7/28/2023164ChemicalReactionEngineering⑶多段絕熱式反應(yīng)器目的：CAT耐熱、可逆放熱、吸熱反應(yīng)間接冷卻—器內(nèi)，器外直接冷激—冷原料，惰性物料優(yōu)化段數(shù)：不大于6段⑵結(jié)構(gòu)：反應(yīng)器筒體，支承板，分布器7/28/2023165ChemicalReactionEngineering最優(yōu)溫度分布的實(shí)施１：多段絕熱，段間冷卻間接冷卻ABCDEF7/28/2023166ChemicalReactionEngineering直接冷激ABCDEF最優(yōu)溫度分布的實(shí)施２：多段絕熱，段間冷激7/28/2023167ChemicalReactionEngineering⑷放大方法數(shù)學(xué)模型放大—要求已知反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 擬均相，一維，平推流模型 T，C=f(Z）放大時(shí)考慮問(wèn)題： Ａ．等線速度放大 Ｂ．線速度對(duì)反應(yīng)的影響 Ｃ．線速度不靈敏區(qū)域經(jīng)驗(yàn)放大動(dòng)力學(xué)分析，影響因素工程因素分析—線速度7/28/2023168ChemicalReactionEngineering7.5平行反應(yīng)的優(yōu)化平行反應(yīng)的濃度效應(yīng)

濃度升高有利于級(jí)數(shù)高的反應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)：CPf或Φ7/28/2023169ChemicalReactionEngineeringβCAfCA0βCAfCA0CSTR比PFR優(yōu)PFR比CSTR優(yōu)（多釜串聯(lián)）7/28/2023170ChemicalReactionEngineering在釜的數(shù)目一定時(shí)，各釜的最優(yōu)尺寸組合(a)有用反應(yīng)的級(jí)數(shù)較高(b)有用反應(yīng)的級(jí)數(shù)較低圖7-19平行反應(yīng)7/28/2023171ChemicalReactionEngineeringβCAfCA0βCAfCA0β0XAfβCAfCA0β0XAfβ0XAf7/28/2023172ChemicalReactionEngineeringβCAfCA0如圖：?jiǎn)柈a(chǎn)物濃度最大時(shí)的反應(yīng)器組合形式？答：PFR+CSTR+PFR組合示意圖：CA0CAf7/28/2023173ChemicalReactionEngineering理想管式反應(yīng)器和連續(xù)釜式反應(yīng)器中的最大收率7/28/2023174ChemicalReactionEngineering例7-4：有一平行反應(yīng)問(wèn)(1)在全混流反應(yīng)器中所能得到的最大產(chǎn)物收率；(2)在平推流反應(yīng)器中所能得到的最大產(chǎn)物收率；(3)假若未反應(yīng)物料加以回收，采用何種反應(yīng)器型式較為合理？7/28/2023175ChemicalReactionEngineering平行反應(yīng)的加料方式間歇操作:7/28/2023176ChemicalReactionEngineering連續(xù)操作7/28/2023177ChemicalReactionEngineering7.6串聯(lián)反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化7/28/2023178ChemicalReactionEngineering結(jié)論:PFR優(yōu)于CSTR

操作條件k1/k2>10時(shí)，高XA；k1/k2<10時(shí)，低XA7/28/2023179ChemicalReactionEngineering串連反應(yīng)的收率PFRCSTR7/28/2023180ChemicalReactionEngineering串連反應(yīng)的最大收率 與串連反應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)化率7/28/2023181ChemicalReactionEngineeringPFRCSTR7/28/2023182ChemicalReactionEngineering雙組分串聯(lián)反應(yīng)的優(yōu)化當(dāng)>>時(shí)，β較大7/28/2023183ChemicalReactionEngineeringCSTR中串聯(lián)反應(yīng)的計(jì)算關(guān)系V對(duì)A：對(duì)P：7/28/2023184ChemicalReactionEngineering氣固催化反應(yīng)過(guò)程的傳遞現(xiàn)象華東理工大學(xué)7/28/2023185ChemicalReactionEngineering1.概述

重要的氣固相催化反應(yīng)過(guò)程7/28/2023186ChemicalReactionEngineering

非均相催化反應(yīng)催化作用改變反應(yīng)途徑。改變達(dá)到平衡的時(shí)間，不改變平衡狀態(tài)。催化劑具有選擇性。催化劑活性組分載體—多孔（內(nèi)表面>>外表面）500~1500m2/g活性炭InOut7/28/2023187ChemicalReactionEngineering①反應(yīng)物從氣流主體擴(kuò)散到催化劑顆粒的外表面(外）②反應(yīng)物從顆粒的外表面經(jīng)催化劑顆粒的內(nèi)孔擴(kuò)散到顆粒的內(nèi)表面（內(nèi)）③反應(yīng)物在顆粒內(nèi)表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)（表面反應(yīng)）④反應(yīng)產(chǎn)物從內(nèi)孔深處向孔口逆向擴(kuò)散（內(nèi)）⑤反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑外表面擴(kuò)散返回氣流主體（外）催化反應(yīng)過(guò)程主要步驟氣膜 外表面中心①②③④⑤7/28/2023188ChemicalReactionEngineering放熱吸熱濃度與溫