第3章均相反应过程.ppt

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1、2019年8月19日2时20分,1,第 3 章 均相反应过程,3.1 概述,目的：介绍工业均相反应过程开发及均相反应器设计计算中有关的基本原理和方法 需解决的问题： （1）如何通过实验建立反应的动力学方程并加以应用； （2）如何根据反应的特点与反应器的性能特征选择反应器型式及操作方式； （3）如何计算等温与非等温过程的反应器大小及其生产能力。 分类：按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。,2019年8月19日2时20分,2,第 3 章 均相反应过程,反应器开发的任务： （1）选择合适的反应器； （2）确定操作方式的优化设计； （3）确定反应器尺寸和进行

2、经济评价。 反应器的特性： 流动状态 混合状态 传热特性,这些特性因反应器的几何结构及几何尺寸而异,2019年8月19日2时20分,3,3.1 概述,1.间歇反应器 物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的温度和浓度是均一的。温度与温度都是均一的处处相等。,2019年8月19日2时20分,4,物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。 物料在反应器内的流动过程不同。有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。停留时间不同的流体颗粒之间的混合，称为“返混”将导致反应效率的降低。,2.流动反

3、应器,在流动反应器中物料的流动过程不相同，造成物料浓度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。 我们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。,2019年8月19日2时20分,5,平推流反应器,全混流反应器：其特点返混无穷大,平推流反应器：其特点是反应器无返混,全混流反应器,2019年8月19日2时20分,6,流动模型分类如下： 理想流动模型 流动模型 非理想流动模型 流动模型是专指流动反应器而言的。 对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况。,2019年8月19日2时20分,7,平推流反应器（活塞流或理想排挤流等）平推流反应器是指其中物料的流动状况满足平推流的假定。平均停留

4、时间相等，无返混。也即某一时刻进入反应器的流体，到某一时刻同时流出反应器。 全混流反应器（也称完全混合流或理想混合流）全混流反应器，是指反应器中的流动状况满足全混流的假定的反应器。返混无穷大的含义，指新鲜的物料，进入反应器，即于反应器内原有的物料达到充分完全的混合，意味着反应器中的温度和浓度处处相等。出口的温度、浓度同反应器内。温度和浓度不随时间变化，反应速率处处相等并保持恒定。,2019年8月19日2时20分,8,平均停留时间：进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短，形成一个时间分布，称为停留时间分布，常用平均停留时间来描述。,平推流和全混流都是理想的连续流动反应器。实际反应器

5、中的流动状况，介于这两种理想流动之间。之所以研究理想反应器是为把问题简化，把接近于理想流动的过程当作该种理想流动来处理。,2019年8月19日2时20分,9,空速：在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积。,空时：进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间 。,2019年8月19日2时20分,10,年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。 寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。,返混又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。 是时间概念上的混

6、合,2019年8月19日2时20分,11,3.2 简单反应器,理想反应器,理想间歇式反应器 简称间歇式反应器,理想平推流反应器 简称平推流反应器,理想全混流反应器 简称全混流反应器,理想反应器的分类,2019年8月19日2时20分,12,间歇式反应器中的物料平衡：,1、间歇式反应器,2019年8月19日2时20分,13,1、间歇式反应器,间歇反应器的性能方程首先进行物料平衡,单位时间反应器A的累积量,单位时间流出反应器A的量,单位时间反应消失的A的量,单位时间 进入反应 器A的量,=,2019年8月19日2时20分,14,单位时间反应消失的A的量（-rA）V,物料平衡：流入流出反应累积 0 0

7、+（-rA）V+d(VcA)/dt,2019年8月19日2时20分,15,若反应为恒容,也可以这样写,2019年8月19日2时20分,16,(对于恒容反应),从而得出反应时间和转化率关系的理想反应的间歇式反应器性能方程,2019年8月19日2时20分,17,一级不可逆反应在一间歇式反应器中进行，求在50 反应转化率达70%所需的时间。 已知：,例题：计算反应时间,2019年8月19日2时20分,18,据已知条件分析： 1）一级不可逆反应就可写出速率方程； 2）间歇式反应器，50 反应转化率达70%指由070%需要的时间，可应用间歇式反应器性能方程； 3）由AR可知是等摩尔反应，无论是否液相反应

8、都是恒容的； 4）据k的值，可推知活化能E和指前因子 5）反应温度50 转换为绝对温度,2019年8月19日2时20分,19,解： 50 的反应速率常数 反应时间,-7448.4/(273.15+50),2019年8月19日2时20分,20,计算结果t仅为反应时间 间歇式反应器的操作周期中还包括非反应时间，反应前的升温（或降温）、反应器的清洗等非反应过程 间歇式反应器的特点:,1）结构简单； 2）操作灵活； 3）适合小品种、多批次生产； 4）非反应时间的延长，使得生产效率低； 5）难于控制每批生产的条件，故质量不稳定。,2019年8月19日2时20分,21,3.2 简单反应器,2、平推流反应器

9、,dV,dl,2019年8月19日2时20分,22,FA0 进入反应器反应物A的摩尔流率 FA 单位时间流出反应器的A的摩尔流率 cA0 进口浓度 cA 出口浓度 V0 反应器入口的体积流率,2019年8月19日2时20分,23,平推流反应器的设计方程,初始转化率不为0,2019年8月19日2时20分,24,对于恒容反应,式中：,平推流反应器的设计方程,2019年8月19日2时20分,25,图35平推流反应器图解计算示意图,2019年8月19日2时20分,26,一级不可逆反应在一平推流反应器中进行，求在50 反应转化率达70%所需的空时。若v0=10m3/h，求反应器体积V。 已知：,例题：计

10、算平推流反应器中的反应时间,2019年8月19日2时20分,27,与间歇式反应器相同 据已知条件分析： 1）一级不可逆反应就可写出速率方程； 2）平推流反应器，50 反应转化率达70%指由070%需要的时间，可应用平推流反应器性能方程； 3）由AR可知是等摩尔反应，无论是否液相反应都是恒容的； 4）据k的值，可推知活化能E和指前因子 5）反应温度50 转换为绝对温度,2019年8月19日2时20分,28,解： 50 的反应速率常数 反应空时和反应器体积,2019年8月19日2时20分,29,小 结,理想反应器的分类及各自的特点 重要概念： 平均停留时间 空时 空速 年龄、寿命、返混 间歇反应器

11、设计方程的推导及应用； 平推流反应器设计方程的推导及应用。,2019年8月19日2时20分,30,习 题2,P85 1、2,1、在一等温操作的间歇反应器中进行某一液相反应，13min后反应物转化掉70%。今若把此反应移至平推流管式反应器或全混流釜式反应器中进行，为达到相同的转化率，所需的空时和空速各是多少？ 2、用物料衡算式推导间歇式反应器的性能方程。,2、在555K及3kgf/cm2下，在平推流管式反应器中进行AP，已知进料中含30%A(摩尔数)，其余为惰性物料，加料流量为6.3mol/s，动力学方程为(-rA)=0.27nAmol/(m3s)，为达到95%的转化率，试求(1)所需空速为多少

12、？(2)反应器容积大小。,2019年8月19日2时20分,31,3.2 简单反应器,3、全混流反应器,全混流反应器也是 连续流动反应器其特点： 连续操作效率高 操作参数易控制，使连续反应器在稳态下运行质量稳定 适合大规模生产 若要保证在稳态下生产，控制参数需要较多的辅助设施（如泵、压缩机、温控系统、自动化操作系统等配套设施） 投资大,2019年8月19日2时20分,32,全混流反应器理想的内涵：返混无穷大 这意味着新鲜原料进入反应器后与反应器内原有的物料瞬间达到均匀混合，因而与间歇式反应器一样，全混流反应器内浓度和温度处处相等，且等于出口的浓度和温度。 因为是连续操作，所以不存在原料累积。,图

13、3-6全混流釜式反应器示意图,2019年8月19日2时20分,33,全混流反应器的设计方程（性能方程）,FA0 进入反应器反应物A的摩尔流率 FA 单位时间流出反应器的A的摩尔流率 cA0 进口浓度 cA 出口浓度 v0 反应器入口的体积流率,未转化的A的量,2019年8月19日2时20分,34,2019年8月19日2时20分,35,图3-7全混流反应器图解计算示意图,面积=,全混流反应器设计方程,若xA0不为0则：,2019年8月19日2时20分,36,一级不可逆反应在一全混流反应器中进行，求在50 反应转化率达70%所需的空时。若v0=10m3/h,求反应器体积V。,例：计算空时和反应器体

14、积,2019年8月19日2时20分,37,解： 同间歇反应器的计算一样，首先计算50 的反应速率常数,转化率已知，又因在全混流浓度温度始终不变反应速率为一常数。将速率常数和转化率代入已知的速率方程,2019年8月19日2时20分,38,前面我们求出了平推流反应器的空时和体积,可见用平推流和全混流反应器的空时不同，显然平推流反应器效率高，单纯由反应器的设备投资的经济性角度考虑，反应器的体积越大投资越高，平推流当然优于全混流。,全混流反应器的空时和体积,2019年8月19日2时20分,39,3.3 组合反应器,3.3.1 平推流反应器的串联、并串或并串联,平推流反应器的串并联 全混流反应器的串联

15、全混流与平推流反应器的串联,平推流反应器的串联,2019年8月19日2时20分,40,对于平推流反应器的串联，把管式反应器中间截断，再把两个反应器串联，其效果是相同的。实际生产中，限于厂房，有时平推流反应器的串联还是很有必要。,2019年8月19日2时20分,41,例如将一个很高的反应器A，分为两个较短的反应器A、B的串联方式便于运输和安装。,反应器A,反应器A、B的串联,2019年8月19日2时20分,42,平推流反应器的并联,根据实际的需要，有时因单个平推流反应器的管径太粗加工运输不便等实际情况，要用到平推流反应器的串并联。但应满足： 此时总的反应器的效率最高。,2 、具有相同或不同体积的

16、N个全混釜的串联,图 3-8 多釜串联操作示意图,2019年8月19日2时20分,44,一级不可逆反应在N个串联的等体积全混流反应器中进行反应,注意：全混流反应器中，一旦原料进入反应器，处处温度浓度都是恒定的，出口的浓度与反应器中一致，但入口的浓度则是cA0.,对于每个反应器，都可根据全混流反应器的设计方程，写出浓度、空时的关系式,2019年8月19日2时20分,45,2 、具有相同或不同体积的N个全混釜的串联,一级不可逆反应在N个串联的等体积全混流反应器中进行反应 两个不同体积的全混流反应器的串联 未知反应在串联的全混流反应器中进行反应的图解法,对于一级不可逆恒容反应，速率方程为,根据全混流

17、反应器的设计方程,变形得,对于单个反应器：,将N个反应器串联每个反应器的体积都是V、每个反应器的空时都是,第1个反应器：,第2个反应器：,2019年8月19日2时20分,47,若想求最终出口浓度CAN与第一个反应器入口浓度的关系，令N个关系式左右相乘得：,1： 2： ,N：,或,2019年8月19日2时20分,48,2019年8月19日2时20分,49,这样就得到了转化率、反应器开始和最终的浓度、反应器的个数及单个反应器的空时的关系。,2019年8月19日2时20分,50,根据平推流反应器的设计方程，对一级不可逆反应有,2019年8月19日2时20分,51,N个全混流反应器串联，当N越大，反应

18、器总体接近平推流,2019年8月19日2时20分,52,而平推流反应器：,显见无限多个全混流反应器串联与平推流反应器一致,2019年8月19日2时20分,53,2019年8月19日2时20分,54,根据全混流反应器的设计方程对于恒容反应,两个不同体积的全混釜的串联,注意：第二个反应器计算仍用第一个反应器入口的体积流率v0，是指反应开始时的流率。因为公式推导时设定的就是转化率为0时的量。,2019年8月19日2时20分,55,两个不同体积的全混釜串联，cA1为多少时，体积的和、空时的和最小，总空时为cA1的函数。将空时的和对cA1求导，令d/dcA1= 0，解出cA1。再分别代入上式，求出总空时

19、。,2019年8月19日2时20分,56,例：一级不可逆恒容反应-rA=cA在两个串联的全混流反应器中进行，最终出口的转化率为90%。若使总空时最小，第一个反应器出口的转化率应为多少？两个反应器的空时各为多少？ 解：总空时,2019年8月19日2时20分,57,也即当cA10.316cA0时，反应器的总空时最小。得第一个反应器的转化率为：,反应器的总空时为1+2：,2019年8月19日2时20分,58,可见，本例中当两个反应器的大小相等时，总空时最小。但多数情况下，两个反应器的大小是不一样的。 实际上，采用两个大小不等的反应器串联，使反应器总体积最小，在经济上并没多大优势。,2019年8月19

20、日2时20分,59,图示：,2019年8月19日2时20分,60,图 3-9 多釜串联操作的图解计算,对给定了处理量和转化率要需选釜数和釜容积时，避免求解的试差。 r是c的函数：,得到以空时负倒数为斜率的直线，与x轴的交点为入口的浓度。,得到以空时负倒数为斜率的直线，与x轴的交点为入口的浓度。,为斜率,作图直到所要求的出口浓度为止，有 n 个阶梯，即代表所需的釜数。斜率不同表示釜的大小不同。,图解计算只适用于反应速率最后能以单一组分的浓度来表达的简单反应。,2019年8月19日2时20分,62,3 、不同型式反应器的串联,在全混混流反应器后连接两个平推流反应器，然后再接另一个全混流反应器,20

21、19年8月19日2时20分,63,图 3 - 10 不同型式反应器串联的图解计算,2019年8月19日2时20分,64,其相互关系以图解型式表示在图 3-10 中。该图可供推算系统的总转化率、中间阶段的转化率或已经定出各段的转化率，可利用此图求得各个反应器的体积大小。全混流反应器中，反应速率的倒数对转化率作图，矩形的面积代表全混流反应器是 /CA0，而平推流反应器中，曲线下的面积对应的也是/CA0,全混流,全混流,平推流,平推流,2019年8月19日2时20分,66,对于全混流反应器与平推流反应器串联的顺序，会影响总体反应器的大小。若总体反应器大小一定，则平推流与全混流反应器的前后顺序会影响转

22、化率。,2019年8月19日2时20分,67,例：有两个有效容积均为V1L的平推流和全混流反应器，反应器内进行的是二级不可逆液相反应。已知反应的速率方程,初始转化率为0，A的初始浓度，反应器入口原料的体积流率。,已知：,试通过计算比较平推流与全混流反应器的顺序最终对转化率是否有影响。,2019年8月19日2时20分,68,解：a.平推流反应器在前、全混流反应器在后，根据平推流反应器的设计方程,2019年8月19日2时20分,69,2019年8月19日2时20分,70,根据全混流反应器的设计方程,当然转化率不可能大于1，所以等于0.634。在实际计算要对计算结果合理取舍。,X-全混流入口转化率

23、x-全混流出口转化率,出口-入口,2019年8月19日2时20分,71,b.全混流反应器在前、平推流反应器在后，根据全混流反应器的设计方程,2019年8月19日2时20分,72,根据平推流反应器的设计方程,据计算结果看平推流反应器在前略好于全混流反应器在前。,2019年8月19日2时20分,73,习 题,P85 4、6,P85:4 均相气相反应A3P，服从二级反应动力学。在5kg/cm2、350和V0=4m3/h下，采用一个2.5cm内径、2m长的实验反应器，能获得60%转化率。为了设计工业规模反应器，当处理量为320m3/h进料中含50%A，50%惰性物料时，在25kg/cm2和350 下反

24、应，为获得80%转化率，试求(1)需用2.5cm内径、2m长的管子多少根？(2)这些管子应以平行或串联？ 假设流动为平推流，忽略压降，反应气体符合理想气体行为。,2019年8月19日2时20分,74,3.3.4 循环反应器,2019年8月19日2时20分,75,3.3.4 循环反应器,在工业生产中为了控制反应物的合适浓度以便于控制温度、转化率和收率，同时又需使物料在反应器内有足够的停留时间并具有一定的线速度，常常采用将部分物料进行循环的操作方法。,2019年8月19日2时20分,76,2019年8月19日2时20分,77,有循环的平推流反应器简称循环反应器，出口物料再循环到反应器的入口，继续反

25、应。要求循环反应器的设计方程，依旧对这个体系进行物料衡算。也要划定体积微元进行衡算。 分析：平推流反应器，循环带有产物的物料与新鲜的物料混合后进入反应器，只是入口的转化率不为0。,循环比 ：循环的体积流量/离开的体积流量,2019年8月19日2时20分,78,无循环平推流的设计方程,此时进入反应器的摩尔流率FAr与新鲜的物料FA0不同,循环反应器的初始流率为FA0,循环反应器，循环回来的+新鲜的物料,循环反应器的设计方程应为：,循环反应器的入口转化率xA1可以通过下式进出反应器的物料平衡求得：,2019年8月19日2时20分,80,得,2019年8月19日2时20分,81,将 代入平推流设计方

26、程,得,2019年8月19日2时20分,82,得带循环的平推流设计方程：,或,2019年8月19日2时20分,83,当值越大时， 越趋近于1当趋近无穷大时，反应器趋近于全混流反应器。 越大，积分上下线越接近，整个积分项接近一个常数，就越接近全混流反应器。,2019年8月19日2时20分,84,值变化对面积的的影响，当然若循环比越小越接近平推流。,图3-12,2019年8月19日2时20分,85,小 结,平推流反应器的串联、并联 全混流反应器的串联（等体积、不等体积） 全混流反应器串联的图解法 不同反应器的混联 循环反应器,2019年8月19日2时20分,86,3.3.5 半连续操作的反应器,自

27、学： 不作要求,2019年8月19日2时20分,87,3.4 非等温过程,温度是影响化学反应速率最敏感的因素，而化学反应又总是伴随一定的热效应的，因此热效应的不均，将导致反应器中有不同的温度分布。反应器按其温度条件可分为等温和非等温两大类。所谓等温过程或等温操作的反应器，指的是反应所发生的热量全部由载热体带走或由系统向周围环境传出，从而维持反应的温度恒定不变。一般说来，这种等温操作要求传热好，单位反应器体积有很大的传热面，从而使热交换能力足够适应反应的放热速率。或者是全混式装置，如强烈搅拌的釜、鼓泡塔或流化床等。,3.4.1温度的影响,2019年8月19日2时20分,88,(1)反应热,(2)

28、化学平衡温度对反应平衡常数的影响,在等温条件下反应的热焓变化称为热效应,想要精确的控制在某一温度条件操作是不现实的，只能够控制在某一温度范围内操作。为维持反应体系的热量在某一范围，首先就要对反应过程的热量进行衡算（或称能量衡算）,2019年8月19日2时20分,89,2019年8月19日2时20分,90,3.4 非等温操作 间歇式反应器的热量衡算 用盘管或夹套给反应器供热或取热，控制反应器温度在一定范围内。 反应器的热量衡算：,因为我们对反应速率的定义是，单位时间单位反应器有效体积摩尔数的变化量。,2019年8月19日2时20分,91,T 反应温度 Tm (环境)传热介质的温度 TmT 传热介

29、质(环境)和反应器的温度差 U 传热系数 A 传热面积 Hr 反应热 放热反应为负、吸热反应为正值 rA 反应速率 V 反应器的有效体积 cV 恒容摩尔热容 流体密度,2019年8月19日2时20分,92,对于恒容反应,对于恒容绝热过程,（恒容反应一般式）间歇反应操作方程,2019年8月19日2时20分,93,简化为：一个常数乘以单位时间对转化率的变化量,我们想要明确的是不同温度下对应的转化率是多少？就要对微分式进行积分，所以要知道起始条件。,2019年8月19日2时20分,94,对于恒容反应,对于恒容绝热过程,2019年8月19日2时20分,95,2019年8月19日2时20分,96,代入到

30、下式性能方程中可计算绝热操作条件下的反应时间,对于不可逆放热反应，只要不超过允许的温度上限，那么采用这种绝热操作就可以不必浪费能量继续加热，节省燃料。反应温度就会升高，以降低生产成本，反应速率加快，提高生产效率，所以绝热就是有利的。 间歇式反应器的优化：转化率升高反应速率会下降，无论生产效率还是经济效益的角度，都存在最佳转化率的问题。,2019年8月19日2时20分,97,全混流反应器的热量衡算,全混流反应器是稳态流动反应器，不存在热量的累积。,2019年8月19日2时20分,98,全混流反应器是稳定流动型的反应器，也即，在反应过程中，温度和组成不变反应速率恒定。因此不存在热量的累积，否则温度

31、将发生变化。 反应过程中有 原料进入和产物流出带入和带走热量。 注意：cP恒压摩尔热容也是温度的函数，这里忽略它随温度的变化，视作恒定，或在计算中取进出口的平均值。,与间歇反应器热量衡算的区别,2019年8月19日2时20分,99,(绝热),忽略恒压摩尔热容随温度和组成变化，视作恒定时：,反应热全部被产物带走，维持反应热量平衡,2019年8月19日2时20分,100,(绝热),忽略恒压摩尔热容随温度和组成变化，视作恒定时：,全混流反应器的三个热量衡算式,2019年8月19日2时20分,101,小 结,循环反应器 非等温操作 间歇式反应器的热量衡算 全混流反应器的热量衡算,2019年8月19日2

32、时20分,102,平推流反应器的热量衡算,单位时间进 入微元带入 的热量,单位时间流 出微元带走 的热量,单位时间 反应放出 的热量,单位时间 通过热面传 出的热量,S-为平推流的截面积,“+”,=,+,2019年8月19日2时20分,104,根据平推流的设计方程,整理得出温度随径向管长变化的关系式,2019年8月19日2时20分,105,积分式,对于绝热操作还可简化为：,2019年8月19日2时20分,106,3.4 非等温操作小结,间歇式 反应器,全混流,平推流,流体带入热,流体带出热,反应热,通过环境传热,反应热,通过环境传热,反应热,通过环境传热,累积热,进出微元的热变化,2019年8

33、月19日2时20分,107,习 题,P86 6,根据实际反应(可选已知的典型的化学反应)的例子，说明如何优化设计使得空时最小，转化率最高，反应热利用率最高。,6 ，理想气体分解反应 AP+ S ，在初始温度为 348K 的间歇恒容反应器中进行，压力为 5kgf cm2，反应器容积为 0 . 25m3，反应的热效率在 348K 时为-5815 J / mol ，假定各物料的比热容在反应过程中恒定不变，且分别为：cpA= 126 J/ ( mol K ) ，cpP105J / ( mol K ) ；反应速率常数如下表所示。,试计算在绝热情况下达到90转化率所需的时间。,2019年8月19日2时20

34、分,108,3 . 5 反应器类型和操作方法的评选,诸如原料的净化、成品的处理,2019年8月19日2时20分,109,2019年8月19日2时20分,110,单一反应：只用一个化学反应和一个动力学方程能代表的反应 复合反应：是有几个反应同时进行的用几个动力学方程才能描述的反应 对于复合反应又分平行反应、连串反应、平行串联反应,2019年8月19日2时20分,111,3 .5 .1 单一反应,因为单一反应是用一个计量方程就可以描述的反应，也就一个速率方程，反应物与产物的计量关系是确定的。假若产物有几种而我们所需要的目的产物只有一种，那样也没有办法调整目的产物和非目的产物的比例。比如不能通过调节

35、反应条件和改变反应器型式来提高目的产物的收率。那么只考虑反应器的体积。若要判断一个设计的经济性还不能单单考虑反应器的大小，还要综观全过程。,2019年8月19日2时20分,112,间歇式,全混流,平推流,2019年8月19日2时20分,113,全混流与平推流空时 之比,全混流的空时,平推流的空时,10,1,100,0.01,0. 1,1.0,n=3,n=2,n=1,=2 =1 =0 =-1/2 =-2/3,n=1/2,n=1/4,1-xA,xA0 体积比,xA1 体积比,对高转化率反应宜用,n体积比,n体积比,n=0体积比=1,思考：当反应级数大时应采用什么样的反应器？,1,大,平推流,201

36、9年8月19日2时20分,115,单调递增平推流优于全混流,全混流,反应速率的倒数随转化率单调递增的情况：,2019年8月19日2时20分,116,由图看出，若反应速率的倒数随转化率单调递增，则平推流的空时比全混流小的多。,反之反应速率的倒数随转化率单调递减，则全混流反应器优于平推流反应器。,2019年8月19日2时20分,117,随着转化率的增加，浓度在不断降低，反应速率的倒数还可以对浓度作图：,1/(-rA),cA,平推流,1/(-rA),cA,全混流,由速率倒数对浓度的作图也可直观的看到转化率单调递增(浓度单调递减)，平推流反应器空时比全混流反应器小的多。,2019年8月19日2时20分

37、,118,结论：反应速率的倒数随转化率单调递减时全混流优于平推流反应器。,反应速率的倒数随转化率单调递减的情况：,2019年8月19日2时20分,119,对于不可逆反应：单调递增意味着反应级数n0 （转化率 ） 单调递减意味着反应级数n0 也即： 对于不可逆反应： 当n0时选用平推流优于全混流 当n0时则应选用全混流反应器。 当n0时反应速率不随浓度的变化而变化,故用平推流或全混流均可。,2019年8月19日2时20分,120,1/(-rA),cA,同样用反应速率的倒数对浓度作图，得到方向相反的曲线图。,反应级数n=0,cA,1/(-rA),与前面以反应器体积推导的结果是一致的。,2019年8

38、月19日2时20分,121,对于反应速率的倒数对转化率不是单调函数，有极值的情况,2019年8月19日2时20分,122,两个全混流串联,由图中看出，显然用,先平推流后全混流,单一全混流反应器比用任何形式都好,2019年8月19日2时20分,123,可见若用单一反应器，平推流优于全混流,2019年8月19日2时20分,124,先全混流后平推流,以最小值为分界点，用两个不同类型的反应器串连先全混流后平推流，可使空时最小。反之若平推在前全混在后，则效果差。,先平推流后全混流,2019年8月19日2时20分,125,虽比不得两个不同类型的反应器的串联，却只用一个反应器就可实现，工艺过程的复杂性就降低

39、，操作会简便、投资将会减小。,对于反应速率的倒数有极小值的情况，也可考虑采用循环反应器。虽然平均高度与速率负倒数数的乘积为矩形面积，若要找到最佳循环比，空时也可很小。,2019年8月19日2时20分,126,往往在反应工程中，我们只从单一计算的角度看如何才能使反应器的体积最小，而忽略了全过程的经济性，上面的例子就可发现，当选用一个循环反应器时，找到最佳循环比，一个反应器会比用不同类型的两个反应器的组合来的更经济。 因此具体问题，还要全面综合考虑。,2019年8月19日2时20分,127,3 .5 .2 复合反应,复合反应，要考虑主反应和副反应，主反应就是生成目的产物的反应，但主反应有可能也伴随

40、有非目的产物的生成；而副反应中则根本不存在目的产物，所以要尽可能促进主反应，抑制副反应。,2019年8月19日2时20分,128,下标p、m分别代表平推流和全混流，全混流反应总收率瞬时收率，因为在全混流中，温度浓度不随反应时间改变。,2019年8月19日2时20分,129,2019年8月19日2时20分,130,全混流与平推流所能达到的最大浓度之比，对 作图，目的产物的104或104也就是k2或k1时，它们的比值才接近1，否则都小于1，用平推或全混流结果相似。显而易见，用平推流比全混流要好。,2019年8月19日2时20分,131,全混流 平推流,只有当转化率接近0和1时，全混流的总收率才接近

41、平推流反应器，所以平推流总是优于全混流。对于其他级数的反应同样适用。,2019年8月19日2时20分,132,结论：对于一级不可逆反应，且当中间产物为目的产物时选用平推流反应器有助于提高目的产物的选择性。潜在的好处当反应级数0时，平推流反应器可能体积还要小。 实际上同样适用于其它级数的反应。 对于中间产物为目的产物的反应，平推流反应器总是优于全混流反应器，可以提高目的产物的选择性。,2019年8月19日2时20分,133,2019年8月19日2时20分,134,当瞬时收率随浓度单调递增时平推流最优,2019年8月19日2时20分,135,当瞬时收率随浓度单调递减时全混流最优,2019年8月19

42、日2时20分,136,当瞬时收率随浓度的变化有最大值时选择使用组合反应器：“全混流平推流”最优,先全混流后平推流,2019年8月19日2时20分,137,作业：P86 10,归纳：,2、对于不同的复合反应况，选择反应器的首要原则是什么？为什么？又该如何选用反应器？,1、对于单一反应分别几种情况，该如何选用反应器？,2019年8月19日2时20分,138,瞬时选择性,2019年8月19日2时20分,139,影响反应速率的因素：温度和浓度 我们先来从浓度的角度分析，想多生成目的产物，也就是提高目的产物的选择性，从反应级数的角度考虑：,cA、cB高有利； cA高，cB低有利； cA低，cB高有利；

43、cA、cB低有利。当然浓度过低将影响效率，,此时就要全面考虑效率和选择性。,表 3 一 5 间歇操作时不同竞争反应动力学的接触模型,先加入全部A，后缓慢加B,缓慢加入A和B,瞬间加入所有的 A 和 B,加料方法,操作示意图,CA高CB低,都低,都高,控制浓度要求,动力学特点,表 3 一 6 连续操作时不同竞争反应动力学的接触模型及其浓度分布,瞬间迅速加入A、B,缓慢加入A、B,一次加入A，分级加入B or或及时移走产物回流A,2019年8月19日2时20分,142,来从温度的角度分析,越高越有利于目的产物的生成； 越低越有利； 则不易通过调整T来明显改变目的产物的选择性。,温度过低也会降低效率

44、，同样存在速率和选择性的关系,2019年8月19日2时20分,143,例：苯在过量的氯气作用下进行一级不可逆串联反应，其中一氯代苯为目的产物。,反应速率为：,反应在恒温、恒容下进行。求（a）平推流反应器，（b）全混流反应器内进行反应时，目的产物P的收率？已知：,2019年8月19日2时20分,144,2019年8月19日2时20分,145,总收率：,设初始条件： t=0 cP0=0,2019年8月19日2时20分,146,总收率,（b）全混流反应器,2019年8月19日2时20分,147,例：A分解成P、R、S三种产物，计量方程和速率方程为,rP=1 rR=2cA rS=cA2,已知cA05。

45、确定反应在（a）平推流和（b）全混流反应器中进行时目的产物S能达到的最大浓度。,S为目的产物,2019年8月19日2时20分,148,对于连串反应要对收率求解，需要对总收率和瞬时收率求解，先求浓度；对于平行反应，就可直接求总收率。,解：对于产物A，其瞬时收率和总收率分别为：,（a）如果反应在平推流反应器中进行，则瞬时收率和总收率间存在如下关系,2019年8月19日2时20分,149,2019年8月19日2时20分,150,（b）如果在全混流反应器中进行,对cA微分，并令dcS/dcA=0，解得cA2，代入求得 cS,max=1.33,显然还是在平推流反应器目的产物的收率高。,2019年8月19

46、日2时20分,151,例：反应物A在间歇式反应器中进行等温分解反应，生成目的产物R和副产物T。已知cA0100，实验结果如下表所示：,在反应的中加入R和T，不影响产物的分布。此外，在反应过程中，A、R和T的摩尔数总和保持不变。 （a）画出瞬时收率随cA变化曲线； （b）若cA0100，cA10，试求在全混流和平推流反应中cR的值。,（b）若cA0100，cA10，试求在全混流和平推流反应中cR的值。,反应瞬时收率：,为cR对cA曲线的负导数。,解：因加入R、T不影响产物分布可知反应为不可逆， A、R和T的摩尔数总和保持不变，则应为平行反应。,40,0,20,60,80,100,40,0,20,

47、60,70,cA,cR,40,0,20,60,80,100,0.6,0.2,0.4,0.8,1.0,p：曲线下的面积：CR m：矩形面积,cA,2019年8月19日2时20分,154,（b）若cA0100，cA10，在全混流和平推流反应中cR的值。在全混流反应器中反应，瞬时收率与总收率相同，则：,2019年8月19日2时20分,155,在平推流反应器中反应，总收率与瞬时收率有如下关系：,平推流,矩形面积：CR,cA,2019年8月19日2时20分,157,工业反应器的设计，不仅设计反应器的规格，且要考虑在实际反应中温度的控制。选择反应器及操作方法时，要考虑到系统温度失控的可能。对于反应迅猛的热

48、敏感程度高的反应，在设计反应器时必须充分注意这种强放热反应的定态热稳定性问题。,3 . 6 全混流釜式反应器的热稳定性,能否将温度稳定在某一范围操作，这与反应本身有关，有些还很难人为控制。,2019年8月19日2时20分,158,根据全混流反应器的热平衡方程：,将热量衡算式变换两边同除以,整理得：,2019年8月19日2时20分,159,Qg QR 放热速率 取热速率 常数,若想使反应温度恒定在某一范围：放热速率Qg 取热速率QR,等号左边就是放热速率，等号右边第二项相当于一个常数等号右边就是取热速率。,2019年8月19日2时20分,160,对于一级不可逆放热反应，根据全混流反应器的设计方程，有,对于n级不可逆放热反应,(等号左右同+1)整理得：,2019年8月19日2时20分,161,当忽略温度对反应热 的影响，Qg则可看做是温度的函数Qgf(T),和 分别对T作图,斜率: 截距:,定常态操作点,不可逆放热曲线,可逆放热Qg,1,2,3,4,5,定常态操作点,1,2,3,4,5,4,2019年8月19日2时20分,164,我们把能够自动恢复的操作点称做稳定的定常态操作点，不能自动恢复的称做不稳定的定常态操作点。 图中1、2、4、5，这些点都是稳定的定常态操作点。 3、是不稳定的定常态操作点。 对于一级可逆放热反应，为