化学反应工程 第三章 理想间歇反应器.ppt

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1、2023/11/1,上海工程技术大学化学化工学院 化学工程与工艺系,第三章 理想间歇反应器,化学反应工程Chemical Reaction Engineering,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.1 理想反应器类型3.2 反应器设计基本方程3.3 理想间歇反应器3.4 动力学方程的实验测定,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.1 理想反应器类型,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.2 反应器设计基本方程,3.2.1 基本内容,选择合适的反应器型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳

2、定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.2.2 基本方程,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,物料衡算方程,某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,热量衡算方程,带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,动量衡算方程,气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。,20

3、23/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.3 理想间歇反应器,3.3.1 特征和数学描述,特点:1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,对整个反应器进行物料衡算：,流入量=流出量+反应量+累积量,0,0,2023

4、/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,实际操作时间（tT)=反应时间(t)+辅助时间(tC),反应体积V是指反应物料在反应器中所占的体积,t的计算（直接计算和图解法）,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.3.2 简单反应,简单一级反应简单二级反应简单零级反应简单n级反应,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,反应后期的速度很小；反应机理的变化,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,末期动力学,反应后期转化程度（从弱到强）二级一级零级采用非关键组分过量

5、，可提高转化程度。,设过量化：,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,自催化反应,特点：反应产物本身具有催化作用，如发酵过程。,反应初期：CA大，CP很小反应进行：CA,CP,(-rA)反应后期：CA 小，CP 较高，(-rA)存在(-rA)max,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.3.3 均相可逆反应,（酯化反应）,可逆反应的平衡特性（设均为一级）,（1）若k2k1，则须保持足够低的Cp，才能向右进行；（2）反应达到平衡时，,平衡常数：K=k1/k2 平衡浓度：,3.3.3 均相可逆反应,可逆反应的平衡特性（设

6、均为一级）,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,（3）Vant Hoff 方程,对吸热反应：，T，K 温度升高对反应平衡有利，向正方向移动。对放热反应：，T，K 温度升高对反应平衡不利，向逆方向移动。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,可逆反应的速率特征,设：,对吸热反应：T，K，（k1+k2)温度升高对反应平衡有利，向正方向移动。对放热反应：T，K，CAe,（k1+k2),(CA-CAe)T，K，CAe,（k1+k2),(CA-CAe),引出最优温度,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,最优反应温度和最优温度序列,2023/11/1,化学反应工程/

7、理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,管式反应器或管式固定床反应器最优温度的实施：（1）根据理论分析，对放热反应，反应开始时温度要高；（2）因此需要预热，达到Topt时，再沿最优温度线变化；（3）实施较为困难；（4）采用方法：多段绝热，段间冷却；原料冷激，多段绝热。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,理想间歇操作时，若自始至终按最优化温度线操作，即过程温度随反应转化率（或反应时间）增加沿最优温度数值降低，造成随转化率（或反应时间）而渐降的温度序列，则反应过程将始终以最大速率进行。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.3.4 均相平行

8、反应,反应物及产物浓度分布,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,等温理想间歇反应器，初始条件：,即：反应级数相同时，P和S浓度比仅由k1/k2确定，因此改变温度才能使浓度比发生变化。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,即由温度及A浓度有关。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,选择率、收率,优化目标：反应速率和选择率。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,温度效应：,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,浓度效应：,CA增加，有利于级数高的反应CA降低，有利于级数低的反应,2

9、023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,提高 的方法：（图解）（1）n1n2 若CAf不变，提高CA0，可增加 若CA0不变，提高CAf，可增加（1）n1n2 相反，降低CA0或CAf，可提高,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,操作条件和操作方式的选择,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.3.5 均相串连反应,动力学特征,设一级反应：,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,串连反应的选择率,温

10、度效应：,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,浓度效应：,串连反应的选择率总是随着反应的进行不段地降低。不能盲目要求高xA，否则,提高 的方法：降低单程转化率 反应与分离结合，边反应、边分离。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,串连反应的最大收率：,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,操作条件和操作方式的选择原则,最优反应时间降低转化率，追求选择率，边反应边分离,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.4 动力学方程的实验测定,目的：反应活化能，反应级数。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.4.1 积分法分析实测数据

11、,不同条件下测得的组分浓度（或转化率）及产品组成与停留时间关系的数据，是经历一定反应历程累积的结果。,（1）测定CA-t数据，利用积分式的反应速率方程,例如：二级不可逆反应（CA0不等于CB0）,t,y,斜率（CA0-CB0)k,截距,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,（2）Half-time t1/2 method 半衰期法,t1/2：xA=0.5时所需的时间。,For a single nth-order reactionIntegrating for n1 gives,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,若n

12、=1，,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,运用积分法须满足两个条件：（1）无返混或返混极小；（2）反应动力学比较简单。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.4.2 微分法分析实测数据,微分法求动力学方程是直接利用某一类动力学方程的微分式，以反应速度对浓度的函数作图，然后与实测的数据相拟合的一种方法。一般也是设法把图形线性化，把实验数据代人。若得出一直线，便认为所假设的动力学方程是正确的。否则，重新选定另一个动力学方程进行猜算，直到得出一条直线为止。,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.4.3 反应速率常数的实验测定,可用CA-t数据（不同温度下），求k。,（1）不可逆一级平行反应,作 关系，斜率为，同时,由实验测定CM、CN，即可得再联立求解得,k1，k2,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,（2）不可逆一级串连反应,又实验数据：作 图，可得k1。,由实验数据，作 图，其中最大值,2023/11/1,化学反应工程/理想间歇反应器,3.4.4 活化能的实验测定,在T较窄时，,