化学反应工程第三章理想间歇反应器.ppt

2019/6/18,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,3.1 理想反应器类型,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,3.2.2 基本方程,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,对整个反应器进行物料衡算：,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,0,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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）,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,反应后期的速度很小；反应机理的变化,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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，可提高转化程度。,设过量化：,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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（设均为一级）,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,（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。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,最优反应温度和最优温度序列,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,3.3.4 均相平行反应,反应物及产物浓度分布,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,即由温度及A浓度有关。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,选择率、收率,优化目标：反应速率和选择率。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,温度效应：,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,操作条件和操作方式的选择,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,3.3.5 均相串连反应,动力学特征,设一级反应：,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,串连反应的选择率,温度效应：,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,串连反应的最大收率：,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,3.4 动力学方程的实验测定,目的：反应活化能，反应级数。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,3.4.1 积分法分析实测数据,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,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,（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 reaction Integrating for n1 gives,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,若n=1，,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,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。,2019/6/18,化学反应工程/理想间歇反应器 Chemical Reaction Engineering,3