《复合反应》PPT课件.ppt
2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,1,CSTR,PFR,提供了低浓度反应环境,提供了高浓度反应环境,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,2,第6章 复合反应Multiple Reactions,浙江工业大学化学工程与材料学院,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,3,主要内容,介绍四类复合反应连串、并行、对行、复杂反应给出选择性、收率的定义讨论如何选择合适的操作条件和反应器型式给出复合反应体系的反应器设计算法及实际应用,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,4,平行反应（Parallel reactions）,也称竞争反应（Competing reactions）反应物以不同的反应途径形成不同的反应产物,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,5,连串反应(Series reactions),反应物中间产物 产物,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,6,复杂反应(Complex reactions),连串和平行反应相结合的反应，如 A+BC+D A+CE乙醇反应生成丁二烯 C2H5OHC2H4+H2O C2H5OHCH3CHO+H2 C2H4+CH3CHOC4H6+H2O,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,7,对行反应(Independent reactions),AB+C DE+F原油裂解生成汽油 C15H32C12H26+C3H6 C8H18C6H14+C2H4,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,8,平行反应 连串反应,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,9,选择性(Selectivity),瞬时选择性总选择性,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,10,收率(Reaction Yield),瞬时收率 总收率,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,11,平行反应(只有一种反应物时),反应速率方程A的消失速率,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,12,反应过程中的目标,分情况进行讨论,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,13,应选用间歇或者PFR反应器，不宜选择CSTR,应选择CSTR,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,14,选择性对温度的敏感程度EDEU：高温适宜 EDEU：低温适宜，但温度低，反应速率低,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,15,例6-1 单一反应的选择性优化使副产物最少,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,16,反应活化能：E110000 kcal/mol，E215000kcal/mol，E320000kcal/molA的进料浓度为0.4mol/L，体积流率为10L/s在什么条件下B的选择性最大（反应器类型、温度、浓度）,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,17,解:B的瞬时选择性为SB/XY随CA变化的曲线,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,18,B的瞬时选择性最高时，满足,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,19,CSTR：,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,20,选择反应温度使B的选择性最大,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,21,选择反应温度使B的选择性最大,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,22,对反应器型式的讨论CSTR转化率：若X72，应以浓度0.11mol/L为界，采用CSTR与PFR串联，可使B的选择性最大化,选择性最大选择性最大：结果？目标设定的差异性将导致结果的差异,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,23,瞬时收率与总收率的关系讨论,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,24,复杂反应动力学特性反应器型式,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,25,平行反应：有两种反应物时,反应物A和B发生的平行反应 速率方程,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,26,反应的瞬时选择性,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,27,几种不同的使SDU最大化的反应器,A、B浓度均低,A、B浓度均高,A、B浓度均高,A高B低,A低B高,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,28,几种不同的使SDU最大化的反应器,A高B低,A低B高,A、B浓度均低,A高B低,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,29,例6-2 对于两种反应物的平行反应，使其副产物最少,平行反应考察所有可能的反应级数组合，并选择使SDU最大的反应体系,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,30,可以采用以下方法：管式反应器间歇反应器高压（如果反应为气相反应）,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,31,可采用的方法用半间歇反应器，将B缓慢加入到大量的A中用管式反应器，连续将B分段注入反应器用CSTR串联，在第一个反应器中注入A，在每一个反应器中注入B,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,32,可以采用以下方法：采用 CSTR反应器；采用回流比较大的管式反应器；加入惰性物质稀释进料；低压（如果反应为气相反应）,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,33,与情形2刚好相反 温度影响的讨论同前一例题,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,34,连串反应,对于连串反应，最重要的变量是时间连续流动反应器：停留时间间歇反应器：实际反应时间,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,35,连串反应,k1k2:可以生成大量B，但如果反应时间或停留时间足够长，主产物B将转化成C连串反应:反应时间计算的准确性比其它类型的反应都重要,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,36,例6-3 使中间产物的产率最大化,乙醇氧化生成乙醛在含4(wt)Cu和2%(wt)Cr的Al2O3催化剂上进行，但乙醛又反应生成CO2反应在两倍过量的氧气及稀浓度下进行(0.1%乙醇、1%O2和98.9%N2)，过程的体积变化可忽略反应不可逆，对于乙醇和乙醛均为一级反应确定乙醛浓度随停留时间变化的函数关系,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,37,解:O2过量，可将反应式写为 A的物料平衡,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,38,B的物料平衡,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,39,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,40,最优转化率 B的浓度存在最大值,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,41,相应地，A的转化率为,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,42,乙醛收率,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,43,复杂反应的求解,物料平衡 复杂反应体系：用物质的量Nj或摩尔流率Fj比用转化率更方便液相反应：用浓度作为物料平衡中的变量,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,44,表6-1 复合反应的摩尔平衡,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,45,速率方程,净反应速率每个反应的生成速率相加得到净生成速率列出物料平衡式后，关键是写出复杂反应中各物质的净生成速率,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,46,速率方程,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,47,速率方程,必须确定每个反应中一种物质的速率方程,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,48,化学计量-相对反应速率,反应：a A+b B c C+d D A、B 的消失速率和 C、D的生成速率满足：对反应i,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,49,化学计量-相对反应速率,反应i中，Ak的生成速率Aj的生成速率关系反应物的化学计量系数为负，生成物的为正,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,50,化学计量-相对反应速率,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,51,表6-3 分析复合反应的步骤,给各个反应编号写出各种物质的物料平衡式确定每个反应中每种物质的速率方程确定各种物质的净生成速率 恒体积反应体系：以Cj表示变体积反应体系：以Nj(间歇)或Fj(连续)表示联立求解微分方程(PFR，PBR，间歇)或代数方程(CSTR),2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,52,例6-4 复合反应中的化学计量关系和反应速率方程,写出各反应中各种物质的速率方程写出NO、O2和N2的净反应速率,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,53,解：反应1、2、3 的速率方程分别以NO、O2和N2的形式给出。改写方程式：,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,54,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,55,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,56,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,57,化学计量关系-浓度,将浓度以摩尔流量的形式给出,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,58,化学计量关系-浓度,用摩尔流量(Fj)表示消耗速率fn 是以浓度表示的净生成速率,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,59,联立求解,将以摩尔流量形式表示的速率方程和物料平衡式结合，得到一阶常微分方程组(PFR等)，求解后可以得到以反应器体积(或长度)表示的摩尔流量的函数在液相反应中，由于反应体积没有变化，没有必要每一步都联立求解总摩尔流量,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,60,联立求解,对于等温等压气相反应，联立从1到j物质的物料平衡式、速率方程和化学计量关系式,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,61,联立求解,恒压间歇反应体系，用Nj代替Fj恒容间歇反应体系，用浓度代替所得到的j个微分方程，可通过数值分析或ODE软件求解,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,62,例6-5 联立物料平衡式、化学计量关系式和反应速率方程,考虑例题6-4 中的反应，以摩尔流量的形式写出 PFR 反应器中各物质的物料平衡式,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,63,解：对于气相反应，物质j的浓度为无压降等温操作所有气体的总摩尔流量为,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,64,以总摩尔流量形式写出各组分物料平衡式(1)NO(2)NH3,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,65,(3)H2O(4)N2,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,66,(5)O2(6)NO2Fj0、T0、p0与k已知，Fj可由ODE软件求解,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,67,表6-4 PFR中复合反应的关系总结,物料平衡式 速率方程化学计量关系气相反应 液相反应,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,68,CSTR反应器中的复合反应,对CSTR，需要求解代数方程组rj 是组分浓度Cj 的函数,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,69,CSTR反应器中的复合反应,写出反应中各组分的物料平衡式后，用浓度代替各速率方程中的变量反应无体积变化，用浓度Cj作为变量反应为气相且有体积变化，用摩尔流量Fj作为变量,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,70,CSTR反应器中的复合反应,q个气相反应，N个组分，代数方程组,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,71,小结,对于平行反应1.速率方程表达式,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,72,小结,瞬时选择性EDEU，选择性SDU随温度的增加而增加。12，12，需要使CA尽可能高，而CB尽可能低，可采用方法：用半间歇反应器，将B缓慢地加入到大量的A中用管式反应器，连续将B注入反应器其它情形的讨论详见本章中的相关内容。,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,73,小结,2.反应的瞬时收率定义为主产物 D 的生成速率和反应物 A 的消失速率之比总收率定义为反应结束时产物D的摩尔数和A反应掉的摩尔数之比,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,74,小结,总选择性定义为反应器出口处D和U的摩尔数之比,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,75,小结,3.复杂反应体系计算摩尔平衡PFR反应器 CSTR反应器间歇反应器液相-半间歇反应器,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,76,小结,3.复杂反应体系计算速率方程化学计量关系,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,77,小结,3.复杂反应体系计算气相反应令yp/p0,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,78,作业,P6-11，P6-13(1)(2)完成的作业发送电子邮件至,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,79,丙烷的热分解反应式为：C3H8（A）C2H4（R）+CH4（S）其速率方程式为：在772 下，k=1.1110-4s-1，若系统恒定在总压P=1kg/cm2；在772 和1kg/cm2压力下气体的容积进料速率为v0=2.2210-4m3/s。当要求出口转化率xA达0.5时所需平推流反应器的容积为多少？,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,80,解：对于该气相均相反应AR+S：,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,81,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,82,对于平行反应：A R rR=2CAA S rS=CA2A P rP=1.0CA0=1.0mol/L，P为目的产物，求：（1）CSTR；（2）PFR中的Cpmax。,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,83,解：CSTR：,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,84,PFR：上述计算结果表明，选用CSTR较为合适,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,85,对于平行反应：A R rR=CA2A S rS=2CAA P rP=1.0 CA0=2.0mol/L，S为目的产物，求：（1）CSTR；（2）PFR；（3）其它形式的反应器中的CS,max。,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,86,解：,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,87,CSTRPFR,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,88,CSTR+PFR上述计算结果表明，CSTR+PFR效果最好,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,89,以下反应器中R的生产速率哪个最高？（1）单个CSTR，V=2.83m3；（2）两个CSTR串联，V1=V2=1.415m3；（3）两个CSTR并联，V1=V2=1.415m3；（4）单个PFR，V=2.83m3。,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,90,解：要比较R的生产速率，可通过比较出口流体中R的浓度CR即可。单个CSTR,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,91,两个CSTR串联,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,92,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,93,两个CSTR并联,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,94,单个PFR：,2023/7/12,浙江工业大学化材学院 刘华彦,95,将上述结果汇总如下：结果表明，单个PFR效果最好,
