3理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征

1、1第三章 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征23.1.1反应器设计的基本内容和方法n选择合适的反应器型式(依据)n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）n 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）3.1 反应器设计基本方程两者结合两者结合3n确定适合的工艺条件n确保反应器具有良好的运转特性、操作稳定性通过试验，通过大型的工艺模拟软件（proii、aspen plus等等）n计算所需反应器体积n 确定反应器结构和尺寸由规定的生产能力及操作条件来确定43.1.2 反应器设计基本方程n动力学方程式化学反应器设计基础n物料衡算方程式（摩尔衡

2、算）计算反应器体积某组分）某组分） g入入 g出出 g反应消耗反应消耗 =g积累积累n热量衡算方程式计算反应器温度变化 q入入 q出出 q反应放热反应放热 q 传出传出=q积累积累n动量衡算方程式计算反应器压力变化53.2 理想间歇反应器n结构及优点n操作灵活n缺点n辅助时间长n产品质量不稳定3.2.1 理想间歇反应器的特征6batch reactor batch reactor stirring apparatus7n理想间歇反应器的特征n反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀n反应器内各处温度始终相等n反应器内物料同时加入并同时停止反应反应结果将唯一地由化学动力学所确定反应结果将唯一地由化学

3、动力学所确定n搅拌器设计、安装n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n目的都是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83.2.2 间歇反应过程的数学描述物料衡算（对象：整个反应器）（某组分）（某组分）gg入入gg出出 gg反应消耗反应消耗 =g=g积累积累)1 (0aaaxnndtdnvraa)(00dtdnvraa1)()(0aaarvdxndt9n理想间歇釜反应器计算基本方程n等容过程（液相系统）vncaaafaafaccaaxxaaardcrdxct00)()(0afaxxaaarvdxnt0)(0在间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需的反应

4、时在间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需的反应时间，只取决于过程的速率，而与反应器的大小无关。反应间，只取决于过程的速率，而与反应器的大小无关。反应器的大小只决定于物料的处理量。因此，在放大过程中只器的大小只决定于物料的处理量。因此，在放大过程中只要保证化学反应速率的影响因素相同即可。要保证化学反应速率的影响因素相同即可。10基本方程的图解积分 afaxxaaardxct0)(0afaccaardct0)(11 vr反应物料在反应器中所占的体积 0 单位生产时间所处理的物料量 tt 每批物料的操作时间 trtvv0cttttbrbr体积体积v vr r/0.75/0.75br体积计算辅助时

5、间（装料、升温、降温、卸料、清洗）反应时间装料系数123.2.3 理想间歇反应器中的简单反应1.一级反应 apn反应动力学方程n等温条件下反应时间)1 ()(0aaaaxkckcrafxaaaaxaaaxkxkcdxcrdxctafaf11ln1)1()(000000lnaafccktktaafecc013一级反应的r、c、x间的关系aakcr )(ktaafecc0ktafex1)1 ()(0aaaxkcr14n动力学方程式n单组分：ap： (-ra)=kca2n双组分：abp：(-ra)=kcacbn单组分反应在br中的反应结果：afaafaccaaccaakcdcrdct020)(2.二

6、级反应15n残余浓度表示n转化率表示ktccaa011aaaxxktc10ktcktcxaaa001afafxaaaaxaaaxkcdxcrdxct0220000)1 ()(ktcccaaa00116二级反应的速率、浓度、转化率相互关系(-ra)=kca2(-ra)=kca02 (1-xa)2ktcccaaa001ktcktcxaaa001xaxacaca(-ra)(-ra)ca0kt17n动力学方程式n反应结果 k)r(a0 )r(a0ac0acaacckt00aacktx (-ra)(-ra)cacaxaxakt3.零级反应184.反应特性分析19分析讨论（1） 当时间t一定， xa和ca

7、唯一地确定 在体积和时间一定时，t，k， xa反应转化率由时间决定反应转化率由时间决定等式左边乘积kt项等式右边由ca0、ca、xa组成20（2）ca0对反应结果的影响与反应级数有关n达到相同的转化率所需的反应时间t：n1：tca0 无关n2：tca0 反比n0：tca0 正比0aacktx ktafex1ktcktcxaaa001定性判别大致的反应级数定性判别大致的反应级数21（3） ca0与x关系n=1：ca0，x不变n=2：ca0，xn=0：ca0 ，xca0， ca22（4）比较反应级数n与ca和t的关系tcan=0n=1 n=2二级反应大部分反应时间是消耗在反应的末期二级反应大部分反

8、应时间是消耗在反应的末期23n动力学方程：（ra）=kcacbn当ca0cb0时 方程式为： （ra）=kca2n当ca0 cb0时， cb视作常数 方程式为： （ ra）= kcacb0= kcan当ca0 /cb01时 方程式为： （ra）=kcacb5.双组分反应abp24n b过量 过量浓度比： cb与ca的关系： 动力学方程式：000aabcccm000)(aaaabbmcccccc)()(0aaaamcckcr25 在br中n以cb0 ktxa作图，看过量比对反应结果的影响)1)(1 ()1 (ln10aabxmxmmmktcbaabbacccccckt0000ln1afaafac

9、caaaaccaamcckcdcrdct00)()(26n由图可见：nx低时，m影响不明显；nx高时，m影响增大；nm，达到相同x，t。初期过量10 x0.99时cb高出ca11倍ktcb027【例题】醋酸与丁醇反应生成醋酸丁酯，反应式为： ch3cooh(a)c4h9oh(b) ch3cooc4h9 (p)h2o(s)当反应温度为100并以硫酸作为催化剂时，动力学方程式为： （ra）=kca2 k=17.410-3l/(molmin)，已知在一个理想间歇反应器中进行。28若进料中醋酸的初浓度为0.9mol/l和1.8mol/l试计算：（1）反应的初始速率；（2）醋酸转化率xa=0.5所需的反

10、应时间；（3）若反应釜料液为100l，则各得多少公斤醋酸丁酯？29（1）按二级速率方程式，初始速率为：11223201,01min104 . 19 . 0104 .17)(lmolkcraa11223202,02min106 . 58 . 1104 .17)(lmolkcraa解：30（2）反应时间计算式溶液(1)溶液(2)1(0aaaxkcxtmin64)5 . 01(104 .179 . 05 . 031tmin32)5 . 01 (104 .178 . 15 . 032t初浓度提高一倍，达到规定转化率要求，反应时间缩短一半。31（3）当醋酸转化率为0.5时停止反应，醋酸丁酯的浓度分别为：

11、 醋酸丁酯的公斤数分别为：10114505090lmol.xcca,a,p1022905081lmol.xcca,a,pkgw22. 511645. 01001kgw44.101169 . 0100232计算结果表明：n 若初浓度提高一倍，达到规定转化率要求，不仅反应时间缩短一半，而且产品产量增加一倍。336.自催化反应 appp （ra）=kcacpn反应初期： ca，cp，r；n随反应的进行： ca 不多，cp，r；n反应后期： cp，ca，r；有一个最大反应速率有一个最大反应速率34n最佳浓度对应最大反应速率令000tpaccc0ttpacccc)()(atoapaacckcckcr0)

12、(aacr22)(000patoptacccc动力学方程35n自催化反应在br中计算方程)()(ln)(0000000ataatapatccccccktccktcafaafaccccpaaaackcdcrdct00)(367.理想间歇反应器的最优反应时间 简单反应：apn优化目标：单位时间单位反应器体积的产量最大nt，x，产量；x高时，r，单位时间产量nt，r，辅助时间比例，单位时间产量n单位时间产物生成量： 求导0ttvcfpp37200)()(ttcdtdcttvdtdfppp0dtdfp0ttcdtdcpp 只要知道cp与t之间关系，即可用解析法或图解法球的最优时间。令38动力学方程0t

13、tcoaodmdadmddtdcpp切线的斜率切点m横坐标最优反应时间；纵坐标产物浓度393.3 理想间歇反应器中的可逆反应以正、逆反应均为一级反应为例：反应速率：当cp00时，)()(02121aaapaacckckckckraapccc0ap401. 可逆反应的特点平衡时：正反应速率负反应速率aeaeaeaeaxxccckkk1021)cc(kckaeaae021反应平衡常数0)()(02121aaapaacckckckckr41. 平衡时平衡时 r r1 1= r= r2 2 k k1 1c caeaec cbebe = k = k2 2c ccece k=k k=k1 1/ k/ k2

14、 2=c=cce/ce/c caeaec cbebe 平衡转化率是相应反应条件下，反应可能达到平衡转化率是相应反应条件下，反应可能达到的极限。转化率与温度间的关系与反应的热效应有的极限。转化率与温度间的关系与反应的热效应有关。关。 可逆反应的特点可逆反应的特点: : 存在平衡态存在平衡态平衡时体系中物料平衡时体系中物料 的浓度不变，反的浓度不变，反应净速度为零。应净速度为零。42k与t的关系符合范德霍夫方程：n可逆吸热反应，hr0，t，kn可逆放热反应，hre2，t，；ne1n2，c，； nn1e2，t，； ne1e2，t，；ne1e2，与t无关。n选择率的浓度效应随着反应进行：ncp，caxa n(cp/ca)，apapaapckckckckckrr121211)(对于串连反应不能盲目追求高转化率对于串连反应不能盲目追求高转化率rteeekkkk/ )(10201212温度和浓度的函数温度和浓度的函数693.串连反应的收率)(211210tktkapfe