化学反应工程教学案6化工13-胡江良

./化学反应工程课程教案课次6课时2课型〔请打√理论课√讨论课□实验课□习题课□其他□授课题目〔教学章、节或主题：第2章复合反应与反应器选型2.2自催化反应特性与反应器选型2.3可逆反应特性与反应器选型教学目的、要求〔分掌握、熟悉、了解三个层次：：1.熟悉自催化反应和可逆反应的特点；2.了解自催化和可逆反应反应器的选择；3.了解自催化和可逆反应反应器类型；教学重点及难点：重点：自催化反应和可逆反应的特点。难点：自催化反应和可逆反应反应器的选择。教学基本内容方法及手段第2章复合反应与反应器选型2.2自催化反应特性与反应器选型自催化反应是复合反应中的一类。其主要特点是反应产物能对该反应过程起催化作用,加速该反应过程的进行。特点：反应产物中含有对此反应有催化作用的组分。因此,常在反应开始时加入少量有催化作用的产物。A组分的消耗速率为：在整个反应过程中,A组分被反应掉了,但是生成了等量的P组分,则A与P的总摩尔数是恒定的,即：最大反应速率对应的反应物浓度〔极值原理：在反应初期,尽管反应物的浓度较高,但是由于产物的浓度很低,所有总反应速率不大；随着反应的进行,产物浓度增加,反应物浓度虽然降低,但是其值仍然较大,因此,反应速率将是增加的。当反应进行到某一时刻时,反应物浓度的降低对反应速率的影响超过了产物浓度增加对反应速率的影响,反应速率开始下降。1、PFR/CSTR但应注意,自催化反应要求进料中必须保证一些产物,否则PFR是不适宜的,此时应采用循环反应器。2、循环反应器通过调节循环比,可以改变反应器流动性能,对于一定的反应,可以使得反应器体积最小,这时的循环比称为最佳循环比。它表示最佳循环比应使反应器进口物料的反应速率的倒数等于反应器内反应速率倒数的平均值。3、反应器组合为了使反应器组的总体积最小,在这组反应器中,反应大部分控制在最高速率点或接近最高速率点进行。可以使用一个CSTR,它可以不必经过较低反应速率的中间组成,直接控制在最高速率组成下操作。为了实现高转化率,再使用一个PFR。仅考虑反应器体积最小的话,最优组合是CSTR串联分离装置,即在最高速率下操作的CSTR的流出物流,经过一个分离器后,将产物分离,反应物又返回反应器继续反应。2.3可逆反应特性与反应器选型工业条件下,正、逆反应均以显著速率进行的反应,例如合成氨反应：设可逆反应：1分解：反应1〔正反应：反应2〔逆反应：2求和：总反应速率应为正逆反应速率之差：总反应速率应为正逆反应速率之差：其中任意组分的生成速率为：A组分的生成速率：平衡时：平衡温度与转化率关系：可逆反应过程的特点：1、关键组分转化率对反应速率的影响：当温度恒定时：随关键组分转化率的增加,正反应速率将随之下降；而逆反应速率将随之上升；总反应速率将随之下降,用数学表达为：2、温度对反应速率的影响1不可逆反应对于单一反应过程：当温度升高时,k会增大

A、温度尽可能高,以提高反应速率；

B、有限制条件：材质要求,热能供应,催化剂活性温度和耐热温度,副反应。2可逆反应：根据Arrhenius方程,有：A、可逆吸热反应：对于可逆吸热反应而言,随温度的升高,总的反应速率提高。因此,对于可逆吸热反应,也应尽可能在较高温度下进行,这样既有利于提高平衡转化率,又可提高反应速率。但同时,也应考虑一些因素的限制。例如：天然气的蒸汽转化反应,是可逆吸热反应,提高温度有利于提高反应速率并提高甲烷的平衡转化率,但考虑到设备材质等条件限制,一般转化炉内温度小于800-850℃。等速曲线：曲线上所有点的反应速率相等；平衡曲线：的曲线；平衡转化率.位于平衡曲线下方的其他曲线为非零的等速曲线,其反应速率大小依次是则：若反应温度一定,则反应速率随转化率增加而下降；若转化率一定,则反应速率随温度升高而增加。B、可逆放热反应：当温度较低时,反应净速率随温度升高而加快,到达某一极值后,随着温度的继续升高,净反应速率反而下降。这是因为当温度较低的时候,过程远离平衡,动力学影响是主要矛盾,其斜率；但在高温的时候,平衡常数下降,对反应速率的影响明显起来,随着温度的继续升高,平衡影响成为主要矛盾,其斜率。曲线的极大点,斜率为0,即：。反应器选型1、关键组分转化率对反应速率的影响：当温度恒定时：随关键组分转化率的增加,正反应速率将随之下降；而逆反应速率将随之上升；总反应速率将随之下降,用数学表达为：随着反应的进行,反应速率是下降的,应尽量使反应器中反应物浓度较高,同时,为了使反应器体积最小,应选用PFR。2、温度对反应速率的影响1可逆吸热反应：对于可逆吸热反应而言,随温度的升高,总的反应速率提高。因此,对于可逆吸热反应,应尽可能在较高温度下进行,这样既有利于提高平衡转化率,又可提高反应速率。但同时,也应考虑一些因素的限制。2可逆放热反应：如果反应过程沿着或接近最佳温度曲线进行时,所需要的反应器体积最小,但这在工业上实施是有难度的,通常选择CSTR串联组,使每一釜的温度和浓度都在最佳温度曲线上。讲解作业、讨论题、思考题：名词解释：参考资料〔含参考书、文