理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征-修订.ppt
1,第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征,江汉大学化环学院晋 梅Tel：,2,化学反应与反应器之间的关系,典型的化学反应类型简单反应可逆反应平行反应串联反应自催化反应研究特定反应器中进行的化学变化规律理想反应器的类型间歇釜反应器连续流动理想管式反应器,所有反应都可分解为这几种反应,复杂反应,如何对这几种反应进行有效研究？抓住主要反应特征，进行简化,3,选择合适的反应器型式的依据反应的动力学特性（反应过程的浓度效应、温度效应及热效应）反应器的流动特征和传递特性（热量传递对反应过程的影响、质量传递对反应过程的影响）确定适合的工艺条件确保反应器具有良好的运转特性、操作稳定性途径：通过试验或大型的工艺模拟软件（PROII、ASPEN Plus）计算所需反应器体积由规定的生产能力及操作条件来确定反应器结构和尺寸确定优化的反应器结构和尺寸,3.1.1 反应器设计的基本内容,4,3.1.2 反应器设计基本方程,一反 动力学方程式化学反应器设计基础三传-传质、传热、传动量物料衡算方程式（摩尔衡算）计算反应器体积热量衡算方程式计算反应器温度变化动量衡算方程式计算反应器压力变化,描述反应器性能的最基本方程,5,3.2 理想间歇反应器中的简单反应,如何理解间歇的概念？间歇：不是连续化操作，中间有装卸料和清洗反应器的过程生产周期：投入反应物，升温至反应温度，经过一定的反应时间，达到规定转化率后，停止反应，降温，将物料排出反应器，清洗反应器以备下次进行反应，期间为一个生产周期装填系数：每次装填反应物量占整个反应器体积的容积比,反应器的体积、反应区域与装填系数之间的关系？,6,Batch Reactor,Batch Reactor Stirring Apparatus,7,3.2.1 理想间歇反应器（BR）,结构及优点操作灵活缺点辅助时间长产品质量不稳定适用场合小批量、反应时间较长的产品精细化工与生物化工产品,Batch Reactor,8,搅拌器设计、安装搅拌器的型式、尺寸和安装位置都要根据物料性质和工艺要求来选择目的：为了在消耗一定的搅拌功率条件下达到反应器内物料的充分混合搅拌器剧烈的搅拌作用反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀反应器内各处温度始终相等反应器内物料同时加入并同时停止反应,理想间歇反应器的特征,温度效应浓度效应,9,3.2.2 理想间歇反应器性能的数学描述,对整个反应器进行物料衡算反应时间,恒容过程,10,反应器体积-反应物料在反应器中所占体积取决于单位生产时间所处理的物料量，每批生产所需的操作时间以及装填系数,求取对象,11,的求解液相反应（恒容处理）,数值积分法采用已知的反应动力学方程式进行积分求解图解法做/曲线/曲线下的面积即为/,12,图解法：,13,装填系数,定义每次装填反应物量占整个反应器体积的容积比取值按照反应物的性质不同取不同的系数对于沸腾或起泡沫的液体取较大的系数值，对于不起泡沫、不沸腾的液体,14,理想间歇反应器数学描述小结,间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需要的反应时间，只取决于反应的本征动力学反应器的实际体积取决于反应物料的处理量、反应时间、辅助时间与装填系数,15,3.2.3 理想间歇反应器中的简单反应,一级反应常见的一种反应初始条件特例：两种反应物中一种大大过量，可视为一级反应,16,一级反应速率、浓度与转化率之间关系,17,二级反应一种反应物两种反应物，初始浓度相等且等分子反应,18,二级反应速率、浓度与转化率之间关系,19,零级反应一种反应物,20,零级反应速率、浓度与转化率之间关系,21,反应特性分析,建议自己推导！,22,反应特性分析之一对于n级反应,等式左边：乘积kt项等式右边：由cA0、cA、xA组成特定反应：时间t一定，xA和cA唯一地确定,反应转化率由时间决定,23,cA0对反应结果的影响与反应级数有关,反应特性分析之二对于n级反应,定性判别大致的反应级数,24,反应级数n与cA和t的关系零级反应的残余浓度与反应实践呈直线下降直到反应物完全转化一级反应和二级反应的残余浓度随反应时间增加而逐渐缓慢下降，尤其是二级反应为克服和改善高级数反应的后期转化问题，采用降低反应级数的措施,二级反应大部分反应时间是消耗在反应的末期,反应特性分析之三n级反应,工业上经常采用某种反应物过量,25,例：双组分二级反应,当 时 当 时，cB视作常数当 时,二级反应,一级反应,二级反应,？,26,若组分B过量 过量浓度比：CB与CA的关系：动力学方程式：,27,若B不是大量过量,过量浓度对反应结果的影响,积分,28,过量浓度对反应结果的影响低转化率过程浓度的影响不明显；高转化率过量浓度的影响明显增大二级反应后期转化时，反应速率极低例反应物B在初期略有过量，若过量10%在反应后期，反应物B的浓度远大于残余浓度cA（转化率为99%时，B浓度为A浓度的11倍）此时反应为拟一级反应，遵从一级反应规律,29,简单反应-自催化反应,在理想间歇反应器中进行自催化反应,A和P的总摩尔数维持不变,如何确定？,30,自催化反应的历程反应初期，产物浓度为0，反应速率也为0，不能反应在反应中加入微量产物以启动反应的进行反应中期，产物P的浓度增大，反应速率也增大反应后期，产物P的浓度增大，A的浓度降低，反应速率下降在反应过程中，存在一个最大反应速率点反应速率最大时的cA值求取,31,初始条件,积分法,32,图解法：,自催化反应有反应速率变化过程,33,自催化反应与简单反应的区别？根本区别反应初始阶段有一个速率由小到大的启动过程在反应初期要在反应物中加入少量的产物，以启动反应的进行存在一个最大的反应速率，此时对应一个最佳的cA值,34,练习：,一级反应动力学方程式的应用,35,3.2.4 理想间歇反应器的最优反应时间,对简单和可逆反应而言没有副产物的生成优化目标是单位时间、单位反应器体积产量最大为什么会出现最优化问题？t，x，产量；x高时，r，单位时间产量t，r，辅助时间比例，单位时间产量,36,如何求取最优反应时间？,单位时间反应量最大 最优反应时间数学上的解决方法是：对单位时间产物生成量求导,只要知道cP与t之间关系，即可用解析法或图解法求得最优时间,37,图解法求取最优反应时间,步骤：由实验测定或动力学方程式计算得到反应时间t和产物浓度cP的关系以cP为纵坐标，t为横坐标，标绘cP-t关系图,切线的斜率,切点M横坐标-最优反应时间纵坐标-产物浓度,38,3.3 理想间歇反应器中的均相可逆反应,可逆反应定义：正方向和逆方向都以显著速率进行的反应实例：合成氨、水煤气变换和酯化反应,39,3.3.1 可逆反应的特点,平衡时 正反应速率负反应速率,反应平衡常数,正、逆反应均为一级反应,下标e表示平衡状态,40,K与T的关系符合Vant Hoff方程：可逆吸热反应，Hr0，T，K升高温度对反应平衡有利可逆放热反应，Hr0，T，K升高温度对反应平衡不利,T对K的影响与反应热效应有关,反应的标准焓差,41,平衡转化率与平衡常数的关系平衡转化率与温度的关系,K，,反应结果受热力学平衡条件的限制,如何理解？,42,可逆吸热反应：平衡转化率随着温度的升高而升高；当K1时，反应平衡转化率趋近于1，作不可逆反应处理；可逆放热反应：平衡转化率随着温度的升高而降低；当K1、温度较高时，反应平衡转化率极小，反应难以获得产品；,43,在可逆反应中，反应最终转化率、最终反应温度和初始浓度三者之间不能随意确定有约束条件对于确定的初始浓度，最终转化率以该温度下的平衡转化率为极限,可逆反应与简单反应的主要区别反应结果受热力学平衡条件的限制,44,3.3.2 可逆反应的反应速率,平衡时,45,可逆反应速率的浓度效应与简单反应相同可逆反应速率的温度效应受速率常数和平衡常数双重影响对于不同温度效应的反应有不同的特征,46,可逆吸热反应：T，K()；k，(rA)温度提高，反应速率增加可逆放热反应：T，K()；k，(rA)有极值 存在最优反应温度,可逆反应的热效应,若想得到较高的反应速率时，尽可能在高温下进行,存在具有最大反应速率的温度最优的反应温度,两者相互矛盾,47,二氧化硫催化氧化反应,最优反应温度对于一定的反应混合物组成，具有的最大反应速率的温度最优温度线不同反应物组成时相应的最优温度,可逆反应的最优反应温度,针对可逆放热反应而言,48,小结：理想间歇反应釜中的可逆反应,49,3.4 理想间歇反应器中的均相平行反应,平行反应优化的目标：反应过程的速率反应的选择率,多数情况下考虑反应的选择性,50,3.4.1 平行反应反应物和产物浓度分布,主反应速率,副反应速率,反应物A消失速率：,51,反应物和产物浓度分布,平行反应的基本特征反应组分A的浓度随反应时间增加而下降产物P和S的浓度随反应时间的增加而上升,52,理想间歇反应器内平行反应的动力学描述,当n1=n2=n时：理想间歇反应器中：,与简单反应结果相同,53,产物P、S生成速率（n1=n2=n）,主副反应产物浓度比由k1/k2唯一决定，只有改变T才能改变产物分布。,当主副反应级数不相同时如何？,54,瞬时选择率：反应物总速率中向目的产物转化的分率为某一浓度、温度条件下的选择率平均选择率：对反应结果作出评价瞬时选择率的平均值,3.4.2 平行反应的选择率和收率,f为反应系统的最终状态,瞬时选择率与平均选择率之间的关系如何？,55,平均选择性与瞬时选择性关系的推导,定义,定义,56,单程收率和总收率,实际工业反应器有两种方案反应物不分离、不循环返回的流程 反应物经分离循环返回反应系统的流程,单程收率,单程收率,总收率,转化率为1,57,选择率随温度的变化取决于主/副反应活化能的相对大小,3.4.3 选择率的温度效应,58,主副反应活化能对反应选择率的影响,59,3.4.4 选择率的浓度效应,60,3.5 理想间歇釜反应器中的均相串联反应,一级反应,A反应速率,P反应速率,S反应速率,61,均相串联反应,初始浓度cA0，cP0=cS0=0,62,均相串联反应的特点,反应物A随反应的进行而单调下降副产物S随反应的进行而单调上升中间产物P的浓度有极值取决于k2/k1值,63,3.5.2 串联反应的选择率,选择率的温度效应E1E2，T，；E1E2，T，；E1E2，与T无关。,选择率的浓度效应随着反应进行：cP，cA，xA(cP/cA)，,对于串连反应不能盲目追求高转化率,64,收率最大值的大小与k1/k2有关,收率-时间关系：反应初期反应后期,3.5.3 串联反应收率,当温度一定时，收率仅取决于x,三种不同的总收率表达方式,65,3.5.4 串联反应最优转化率与最优反应时间,最佳转化率,最佳反应时间,66,补充作业,67,章节小结,68,69,70,71,72,73,74,
