反应工程课件第三章(2)说课讲解

1、反应工程课件第三章(2) 1 1）热稳定性和参数灵敏性的概念）热稳定性和参数灵敏性的概念 如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的，如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的，就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率应就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率应该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处温该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处温度将不随时间而变化，处于定态。但是，实际上各有关事数度将不随时间而变化，处于定态。但是，实际上各有关事数不可能严格保持在给定值，总会有各种偶然的原因而引起扰不可能严格保持在给定值，总会有各种偶然的原因而

2、引起扰动。扰动表示为流量、进口温度、冷却介质温度等有关参数动。扰动表示为流量、进口温度、冷却介质温度等有关参数的变动。如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的的变动。如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的变化，产生两种情况，一是反应温度会自动返回原来的平衡变化，产生两种情况，一是反应温度会自动返回原来的平衡状态，此时称该反应器是热稳定的，或是有自衡能力；另一状态，此时称该反应器是热稳定的，或是有自衡能力；另一种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反应器是不稳定的，或无自衡能力。二者虽然都是热平衡的，应器是不稳定的，或无自

3、衡能力。二者虽然都是热平衡的，但是一个是稳定的，另一个是不稳定的。可见，平衡和稳定但是一个是稳定的，另一个是不稳定的。可见，平衡和稳定是两个不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有两种：稳定的是两个不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有两种：稳定的平衡和不稳定的平衡。平衡和不稳定的平衡。 （1 1）全混流反应器的定态基本方程）全混流反应器的定态基本方程条件：一级不可逆反应；反应过程中体积不变条件：一级不可逆反应；反应过程中体积不变A A、放热速率、放热速率)exp(1)exp()(1)(1)()()(1010000000000RTEkRTEkHVCkHkVCQkCkVVCVCkCVCVCVHkCVHrV

4、QmRRAmRRARmARAAfAfRAfARAfRRfARRB B、移热速率、移热速率)()()()(00000CPTPTCPTCKFTTCNTKFCNTTKFTTCNQ（2 2）全混流反应器的多态）全混流反应器的多态)exp(1)exp()(1)(101000RTEkRTEkHVCkHkVCQmRRAmRRAR QR(QC) QCQRNPMTTM TP TNQ QR R曲线与曲线与Q QC C直线的交点处直线的交点处 Q QR R =Q =QC C放热速率放热速率= =移热速率，达到了热平移热速率，达到了热平衡，就是系统的操作点。并且这衡，就是系统的操作点。并且这种交点随操作参数不同有可能

5、是种交点随操作参数不同有可能是多个，这种有多个，这种有多个交点的现象称多个交点的现象称为反应器的多态。为反应器的多态。M M点：点： 当有扰动使当有扰动使T T略大于略大于T TM M时时(dT(dT0)0)，移热速率大，移热速率大于放热速率，体系温度于放热速率，体系温度下降，自动恢复到下降，自动恢复到M M点。点。 当有扰动使当有扰动使T T略小于略小于T TM M (dT(dT0)0)时，时， 移热速率移热速率小于放热速率，体系温小于放热速率，体系温度上升，自动恢复到度上升，自动恢复到M M点点 Q QCQRNPMTTM TP TN多态操作点的特征多态操作点的特征 Q QrQGNPMTTM

6、 TP TNP P点：点： 当有扰动使当有扰动使T T略大于略大于T TP P时时(dT(dT0), 0), 移热速率小移热速率小于放热速率，体系继续于放热速率，体系继续温度上降，直至到温度上降，直至到N N点。点。 当有扰动使当有扰动使T T略小于略小于T TP P时时(dT(dT0)0), , 移热速率大移热速率大于放热速率，体系温度于放热速率，体系温度继续下降，直至到继续下降，直至到M M点。点。N N点：点： 当有扰动使当有扰动使T T略大于略大于T TN N时时(dT(dT0)0)，移热速率大于移热速率大于放热速率放热速率，体系温度下降体系温度下降，自动恢复到，自动恢复到N N点。点

7、。 当有扰动使当有扰动使T T略小于略小于T TN N (dT(dT0)0)时时，移热速率小移热速率小于放热速率，体系温度于放热速率，体系温度上升，自动恢复到上升，自动恢复到N N点。点。 Q QCQRNPMTTM TP TNM M、N N点是稳定的定态点，点是稳定的定态点， P P点为不稳定的定态点点为不稳定的定态点全混流反应器有热稳定的操全混流反应器有热稳定的操作点的条件：作点的条件： Q QCQRNPMTTM TP TNQ QR R = Q = QC CdtdQdTdQCR放热速率放热速率= =移热速率移热速率放热速率曲线的斜率移热速放热速率曲线的斜率移热速率直线的斜率率直线的斜率M M

8、、N N点都是稳定的定态点点都是稳定的定态点实际操作中选哪一个？实际操作中选哪一个？5 随着操作条件的改变，定随着操作条件的改变，定态温度也随之而变。图态温度也随之而变。图3.153.15为为进料温度进料温度T T0 0与定态温度与定态温度T T的关系的关系示意图。示意图。 当进料温度从当进料温度从T T1 1慢慢慢慢地增加至地增加至T T5 5时，定态温度的变时，定态温度的变化如图中曲线化如图中曲线1248912489所示。注意所示。注意的是曲线在点的是曲线在点4 4处是不连续的，处是不连续的，定态温度突然增高，这一点称定态温度突然增高，这一点称为着火点；再继续提高进料温为着火点；再继续提高

9、进料温度，定态温度的升高再不出现度，定态温度的升高再不出现突跳现象；若将进料温度逐渐突跳现象；若将进料温度逐渐降低，比如从降低，比如从9 9降至降至6 6，定态温，定态温度则沿度则沿987621987621曲线下降。这条曲线下降。这条曲线也存在一个间断点曲线也存在一个间断点6 6，此处，此处定态温度出现突降，这点称为定态温度出现突降，这点称为熄火点。熄火点。2）操作参数对热稳定性的影响）操作参数对热稳定性的影响3.43.4 理想流动反应器的组合与比较理想流动反应器的组合与比较3.4.1 3.4.1 理想流动反应器组合理想流动反应器组合 连接方式：串联、并联连接方式：串联、并联反应器类型：平推流

10、、全混流反应器类型：平推流、全混流串联：前后顺序串联：前后顺序共有七种组合共有七种组合讨论：讨论：条件：条件：（1 1）等温）等温（2 2）两个等体积理想反应器组合）两个等体积理想反应器组合（3 3）一级不可逆反应）一级不可逆反应（4 4）V V0,0,，C CA0A0相同相同问题：问题：不同组合下，出口浓度如不同组合下，出口浓度如何？何？(a)(a)为两个全混流反应器并联，每只全混流反应器出口浓为两个全混流反应器并联，每只全混流反应器出口浓度即为混合后的出口浓度度即为混合后的出口浓度 0000000000ln1)(VVkAAfCCAAfAARRAAfAfAfARRAfAeCCCCkVkCdC

11、VVVVkCCkCCCVV平推流反应器：全混流反应器：001011,1VVkCCVVkCCRAARAAf00,0121/ 2AAAf aRCCCVkkV00101,1VVkAARAAfReCCVVkCC(b)(b)为两个全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为为两个全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为 (c)(c)为平推流反应器与全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为为平推流反应器与全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为 001011,1VVkCCVVkCCRAARAAfkeCVVkeCVVkCCkARVVkARACAfR111,0000102020001,)1()1(1kCVVkCVVkCC

12、ARARAbAf(d)(d)为全混流反应器与平推流反应器串联，第二反应器出口浓度为为全混流反应器与平推流反应器串联，第二反应器出口浓度为 (e)(e)为两个平推流反应器并联。每只平推流反应器的出口为两个平推流反应器并联。每只平推流反应器的出口浓度即为混合后的出口浓度浓度即为混合后的出口浓度 keCVVkeCeCCkARVVkAVVkAdAfRR11,000100kAVVkAVVkAeAfeCeCeCCRR20202000,(f)(f)为两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为为两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为 (g)(g)为平推流与全混流反应器并联为平推流与全混流反应器

13、并联 20,00.51 2ktAAf gAccc ekkAVVkAVVkAfAfeCeCeCCRR20201,004 . 744. 514)1 (3211k020,00,020,00,AkAfAfeAfAkAdAfcAfAAbAfAAaAfCeCCCCekCCCCkCCCkCC时当(1) C(1) C与与d d等效，平推流与全混流反应器串联时，与顺序无关。等效，平推流与全混流反应器串联时，与顺序无关。（2 2）e e与与f f等效，两个平推流反应器串联和并联时结果相同，与等效，两个平推流反应器串联和并联时结果相同，与连接方式无关。连接方式无关。（3 3）C CAfAf：abc=de=fabc=

14、de=f(4)x(4)xAfAf:f=ed=cba:f=ed=cba3032/1),./(min1,mkmolCkmolmkkCrAAA620. 0380. 01615. 02141)2(635. 0365. 021415 . 011001101001001AAfAAfAAAfAAAAfAAfAAfAAACCCxkCCCkkCCCCCxkkCCkCCC后全混流在前，平推流在在后）平推流在前，全混流解：（讨论：讨论：对二级不可逆反对二级不可逆反应，两种组合最终转化应，两种组合最终转化率不相同，在本题条件率不相同，在本题条件下，平推流在前优于全下，平推流在前优于全混流在前。混流在前。3.4.2 理

15、想流动反应器的体积比较理想流动反应器的体积比较 如果在这些理想反应器中进如果在这些理想反应器中进行相同的反应，采用相同的行相同的反应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应进料流量与进料浓度，反应温度与最终反应率也相同。温度与最终反应率也相同。这几种反应器所需的体积是这几种反应器所需的体积是否相同呢否相同呢? ?(1) (1) 间歇反应器与平推流反应器体积比较间歇反应器与平推流反应器体积比较 如果如果间歇反应器与平推流反应器中间歇反应器与平推流反应器中进行相同的反应，进行相同的反应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终反应采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终反应率也相同。则两者的体

16、积是相同的率也相同。则两者的体积是相同的( (未考虑间歇反应器未考虑间歇反应器的辅助时间的辅助时间) )，这是因为它们均不存在返混。，这是因为它们均不存在返混。AfAfAfxAAARxAAAxAAARrdxCVtVVrdxCtrdxCVV000000000助操作时间间歇反应器：不考虑辅平推流反应器：(2) (2) 全混流反应器与平推流反应器体积比较全混流反应器与平推流反应器体积比较 如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终反应率也相同。则由于全混流反应

17、器中存在返混。所以反应率也相同。则由于全混流反应器中存在返混。所以反应体积要大一些。反应体积要大一些。 设设V VRPRP与与V VRMRM分别表示平推流与全混流反应器的反应分别表示平推流与全混流反应器的反应体积，两者之比体积，两者之比 当当V V0 0、 C CA0A0 、 x x AfAf 相同时，全混流反应器所需体积相同时，全混流反应器所需体积大于平推流反应器的体积，这是由于前者存在返混造大于平推流反应器的体积，这是由于前者存在返混造成的。成的。/)(00000AfxAAfAAfARPRMrdxCVrxCVVV讨论（1 1） V VRMRM 大于大于V VRPRP（2 2）RPRMAfV

18、Vx/)(00000AfxAAfAAfARPRMrdxCVrxCVVV(3) (3) 平推流反应器与多级串联全混流反应器体积比较平推流反应器与多级串联全混流反应器体积比较 多级全混流反应器串联操作可以减小返混，提高推多级全混流反应器串联操作可以减小返混，提高推动力，缩小动力，缩小与平推流反应器的体积差别。与平推流反应器的体积差别。A A、对一级不可逆反应、对一级不可逆反应 等体积的多级全混流反应器串联，等体积的多级全混流反应器串联，设设V VRPRP与与V VRMRM分别表分别表示平推流与多级串联全混流反应器的反应体积，两者之示平推流与多级串联全混流反应器的反应体积，两者之比比 为为AfmAf

19、RPRMAfRPmAfRiRMxxmVVxkVVxkmVmVmVV11ln1)1 (111ln1)1 (110100AmRPRMRPRMAmxmkVVmVVx:) 3(x)2(m) 1 (Am一定时一定时：一定时：讨论：B B、对二级不可逆反应、对二级不可逆反应 对于多重反应，反应器中的流动情况不仅影响对于多重反应，反应器中的流动情况不仅影响反应器的大小，还要影响反应的选择率。对工业反反应器的大小，还要影响反应的选择率。对工业反应过程，选择性的要求比反应器大小更重要。应过程，选择性的要求比反应器大小更重要。 3.53.5 多重反应的选择率多重反应的选择率 3.5.1 平行反应平行反应 反应物同

20、时独立地进行两个或两个以上的反应称为平反应物同时独立地进行两个或两个以上的反应称为平行反应。化工生产中许多取代、加成及分解反应过程存在行反应。化工生产中许多取代、加成及分解反应过程存在着平行反应。典型的平行反应可表示为着平行反应。典型的平行反应可表示为AL(主反应)M(副反应)12A+BL(主反应)M(副反应)12OR影响因素影响因素 选择率的温度效应选择率的温度效应 选择率的浓度效应选择率的浓度效应 平行反应加料方式的选择平行反应加料方式的选择 A+BL(主反应)M(副反应)12111nmLABrk C C222nmMABrk C C21212111nnmmABskcck2121212121

21、21baaaAMLaAaAMLAMaAMLaALCkkrrCkCkrrrdtdCCkrdtdCCkr、对比速率：、反应速率：AL(主反应)M(副反应)12f000f000b1saAACCACCALfCCACLALALALAfALALMLLCCsdCSsdCCsdCdCsdCdCdCdCdtdCdtdCsCCCSrrrrrAfAAfAAfALf总总瞬时选择率的平均值总选择率是反应过程中、总选择率：、瞬时选择率：LAS=A生成目的产物 所消耗的关键组分 的量转化了的关键组分 的量AL(主反应)M(副反应)12AmAAAAAmiimiiiAALfAACCAAACCACCALfCCCCsCCsCCsS

22、CCCCCsdCSCCsdCSsdCCAfAAfAAfA012210111f0f0f0)()(csba000总总总应器、多级串联的全混流反、全混流反应器反应器：、间歇反应器、平推流)exp(1121102012)(1221112211TREEkkkkCkkCkCkCkrrrsgaaAaAaAaAMLLAL(主反应)M(副反应)12(1)(1)温度效应温度效应提高温度对活化能高的反应有利提高温度对活化能高的反应有利降低温度对活化能低的反应有利降低温度对活化能低的反应有利若若E E1 1EE2 2, , 则在较高温度下进行则在较高温度下进行若若E E1 1Eaa2 2, , 较高反应物浓度较高反应

23、物浓度对主反应有利对主反应有利若若a a1 1an2, m1m2CA, CB 都高都高n1n2, m1m2CA高高, CB低低n1n2, m1n2, m1m2CA, CB 都高都高n1n2, m1n2, m1EE2 2, , 则在较高温度下进行则在较高温度下进行若若E E1 1Enn2 2, , 增加初浓度增加初浓度C CA0A0若若n n1 1nn2 2, , 降低初浓度降低初浓度C CA0A0若若n n1 1=n=n2 2, , 初浓度的变化对选择性无影响初浓度的变化对选择性无影响B B、转化率、转化率C CL L/C/CA A随随x xA A的增大而增大的增大而增大L L的瞬时选择性下降

24、的瞬时选择性下降转化率过高，选择性降低转化率过高，选择性降低分离再循环分离再循环解决解决方案方案ALALCkCkrrs1216) 6) 连串反应的最佳反应时间与最大收率连串反应的最佳反应时间与最大收率 LAY=A生成目的产物 所消耗的关键组分 的量进入反应系统的 的初始量optLfALfAfAfAAfAAfALfALftCCCYYSxxSCCCCCCCCYmax0maxmax0000)()(,必有极值总总ALALAALCkCkCkCkCkrrs121211 12kkALM 1212)(1221210121012121ln0)(0)()(12212121kkkktekkekekekekCkkkttdtdCeeCkkkCkkaopttkktktktktkAoptLtktkALoptoptoptoptopt时，当）、最佳反应时间（(1)(1)间歇反应器、平推流反应器间歇反应器、平推流反应器1211)exp(ln)()lnexp()()(,012021max1212101max2max012maxfkkkALfALfLfLfoptLtkALLLkkCkkCkkkkkCkCkCCttdtdCeCkCkdtdCCLb时，当）的最大出口浓度（、eYkktkkdkkCCYckkCkkCkkCkkkkCkkCoptkkkALfkkkAkkkAkkkAkkkALf1,11)()()