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 Tel2,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，1.7-2.5 对于不起泡沫、不沸腾的液体 1.2-1.4,14,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