3.理想间歇反应釜

第三章理想间歇反应釜BatchStirredTankReactor BSTR 反应釜 间歇 理想 学会进行摩尔物料衡算 将物料衡算式与反应动力学方程结合 来分析间歇反应釜中的各种反应特征 概念要明确 反应器建模的基础 本章最难的部分 第一节理想间歇反应釜的特征 1 所有反应物料被同时加入到反应釜中 并且在瞬间混合均匀 即预混合时间为零 2 反应过程中的任一时刻 反应器内物料的浓度和温度处处均一 相等 间歇与连续 间歇即分批进料与出料 连续即连续进料与出料 第二节对理想间歇反应器做摩尔物料衡算 重点 组分A流入FAIN 组分A流出FAOUT 组分A反应消耗 组分A累积于此区域 V 需要多大的一个间歇反应釜 考点 反应体积处决于 需处理的一批物料的体积而反应釜的体积应该略大于反应体积 为什么 装填系数一般取0 4 0 85 不起泡 不沸腾物料取0 7 0 85 起泡 沸腾物料取0 4 0 6 下面我们看一道计算反应釜体积的例题 拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反应ClCH2CH2OH NaHCO3 OHCH2CH2OH NaCl CO2以生产乙二醇 产量为20kg h 使用15 质量 的NaHCO3水溶液及30 质量 的氯乙醇水溶液作原料 反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1 1 混合液相对密度为1 02 该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级 在反应温度下反应速率常数等于5 2L mol h 要求转化率达到95 1 若辅助时间为0 5h 试计算反应器的有效体积 2 若装填系数取0 75 试计算反应器的实际体积 解题思路 反应器的有效体积 即一批物料的体积 现在已知混合液密度 计算体积须知道一批物料 反应物 的质量 现已知的是产物的单位时间的质量 很明显 通过化学计量学可以求得反应物的单位时间的质量那么 处理一批物料需要多少时间呢 该时间应该等于反应时间 辅助时间辅助时间已知 唯一剩下的问题就是求反应时间而反应时间可以通过物料横算式 动力学方程联立求解 从而解决了第一问实际体积比反应体积要大 大多少处决于装填系数 而装填系数已知从而第二个问题也得到解决 ClCH2CH2OH NaHCO3 OHCH2CH2OH NaCl CO2 62 80 5 84 反应时间 那么处理一批反应物料所需要的时间 2 97 0 5 3 47h 第二步 求处理一批物料所需的时间 第三步 反应器有效体积V v0 tr t0 275 78 2 97 0 5 956 92L 第四步 反应器实际体积 956 92 0 75 1275 893L 第三节理想间歇反应器中的简单反应 积分 表3 1理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式 从该表中 你可以分析出什么有用的结论 对于任意级反应 当CA0 xAf或CAf确定后 kt即为定值 当k t 当k t 对于任一级反应都是如此 2 当转化率xAf确定后 反应时间与初始浓度的关系和反应级数有关 0级反应 成正比1级反应 无关2级反应 成反比利用上述的反应特性 可以定性判别反应级数 例如采用相同的反应时间 改变反应物的初始浓度 观察转化率随反应物初始浓度的变化 3 残余浓度和反应时间的关系 转化率和反应时间的关系 0级反应 直线下降1级反应 较缓慢下降2级反应 缓慢下降对于一级或二级不可逆反应 在反应后期CA的下降速率 即xA的上升速率相当缓慢 若追求过高的转化率或过低的残余浓度 则在反应后期要花费大量的反应时间 如何解决这一问题呢 C0 t C n 1 n 2 n 0 Reactionrater reactionprogressasafunctionofthereactionordern 一类特殊的反应 自催化反应 与一般反应相比 自催化反应的生成物具有催化剂的作用 能加速反应进行 因而反应速率先增后降 中间存在一个最大反应速率点 第四节理想反应器中的复杂反应 可逆反应 ReversibleReaction 是指正方向 逆方向同时以显著速度进行的反应 也叫对峙反应 First orderReversiblereaction K k1 k2equilibriumconstant 反应平衡常数 当可逆反应达到平衡时 4 1可逆反应温度与平衡转化率的关系 平衡常数K与温度的关系可用范德霍夫方程描述为 1 对吸热反应而言 那么K随着温度的升高而增大 那么升高温度 有利于提高吸热反应的转化率 对放热反应则正好相反 2 如果K远大于1 那么可以获得高平衡转化率 反之则反 3 对于给定反应物初始浓度的体系 平衡转化率将受到反应温度的约束 即受到热力学限制 而不可得到任意的平衡转化率 4 2可逆反应的反应速率问题 对于可逆吸热反应 升高温度既有利于提高反应速率 又可提高平衡转化率 因而对可逆吸热反应而言 1 提高反应温度总是有利的 2 温度不可无限制提高 总会受到如设备材质可承受的最高温度 催化剂可承受的最高温度等条件的限制 对于可逆放热反应 降低温度是有利于提高平衡转化率的 但是温度过低 则反应速率太慢 因而对于可逆放热反应 存在一个最佳操作温度的问题 1 在温度低时 反应远离平衡 反应速率主要受动力学控制 2 在温度高时 反应接近平衡 反应速率主要受热力学控制 4 3平行反应的温度和浓度效应 瞬间选择性 平行反应的温度和浓度效应 如果主反应活化能大于副反应活化能 那么升温有利于提高反应的选择性 反之则反 如果主反应级数大于副反应级数 那么高的反应物浓度 有利于提高反应的选择性 反之则反 4 4连串反应中反应物和产物的浓度分布 本章要点 1