第九章+均相反应过程.ppt

1、2020/7/31,1,第九章 均相反应过程 Homogeneous reaction,2020/7/31,2,均相反应是指所有参加反应的物质处于同一相内的化学反应。,间歇操作釜式反应器 连续操作管式反应器 连续操作釜式反应器 多釜串连反应器,本章重点研究在均相反应器内物料流动状态对于反应过程的影响。,2020/7/31,3,1 均相反应动力学,2020/7/31,4,均相反应动力学的描述多采用幂函数模型,简单反应：,可逆反应：,平行反应：,2020/7/31,5,串连反应：,不同的反应器如何影响浓度与温度？,化学反应速率受反应物料浓度和反应温度的影响，分别称为“温度效应”和“浓度效应”，其它

2、条件绝大多数都是通过浓度或温度的改变来影响化学反应速率的。,2020/7/31,6,2 间歇操作反应器 （BSTR）,2020/7/31,7,分批操作，所有物料的停留时间相同，物料在反应器内混合均匀，不存在浓度梯度和温度梯度。,反应转化率随时间的变化规律,取 t t + dt 的时间间隔进行衡算：,原有 A 的量 剩余 A 的量 + 反应消耗 A 的量,特点：,2020/7/31,8,解析法：,简单一级反应,简单二级反应,2020/7/31,9,数值积分图解法,方法：由实验测出多组xA与(-rA)或CA与(-rA)数据，绘出变化曲线，根据积分区间，阴影部分的面积即为所需的反应时间。,反应动力学

3、模型不知或太复杂，难以分析求解,2020/7/31,10,计算反应器有效容积 VR,t：反应时间，h,t：每批加料、出料、清洗等操作的辅助时间,日处理量：生产任务所规定，m3/天,装料系数,不沸腾,沸腾,2020/7/31,11,3 连续操作管式反应器,2020/7/31,12,特点：物料流动处于湍流状况时接近平推流。,反应转化率随时间的变化规律,对微元体积dVR中的组分A物料衡算,进入微元体 A 的量 离开微元体 A 的量 + 反应消耗 A 的量,与 BSTR形式一样,2020/7/31,13,解析法：,一级反应：,二级反应：,当反应前后物质的量发生变化，对于气相 n 级反应：,2020/7

4、/31,14,数值积分图解法,P349例9-2,2020/7/31,15,4 连续操作釜式反应器 （CSTR）,2020/7/31,16,操作特性：,定常态操作,物料在反应器内被充分搅拌，混合均匀时接近于全混流反应器。,2020/7/31,17,对反应器内的组分 A 物料衡算：,进入反应器量 离开反应器量 + 反应消耗量,反应转化率随空间时间的变化规律:,2020/7/31,18,解析法：,简单一级反应：,简单二级反应：,2020/7/31,19,数值积分图解法,全混流反应器因其解析式简单，一般不需要图解法。,VR,VR（CSTR） VR（BSTR、PFR）,VR,2020/7/31,20,对

5、于复杂化学反应，用解析法求解较复杂时，也可采用图解法求反应釜的转化率。,CSTR 反应器操作线，k = 1/,反应动力学曲线,2020/7/31,21,宏观混合与微观混合,以上我们所讲的是微观混合。,宏观混合：凝集微团尺度的均匀混合，反应器出口浓度是不同停留时间物料微团的浓度平均值。,微观混合：分子尺度的均匀混合，物料浓度均一。,2020/7/31,22,两者停留时间分布函数相同，但反应结果可能不同？,设有浓度分别为 CA1 和 CA2 的两个容积为 V 的物料微团：,微观混合：,宏观混合：,当 n = 1 时，,当 n 1 时，,当 n 1 时，,2020/7/31,23,5 多釜串连反应器

6、 （n-CSTR）,2020/7/31,24,操作特性：由几个全混流反应器串联而成。,假设：有 N 个连续操作搅拌釜串联，釜内物料流动状况均为全混流，各釜有效容积 VR 相同，定常态流动，反应前后无物质的量变化。,反应转化率随空间时间的变化规律,2020/7/31,25,i 级,对任意一级组分 A 做物料衡算：,物料流经整个反应器的空间时间：,多釜串连的总有效容积：,2020/7/31,26,解析法：,一级反应：,因为各级有效容积相同,且做定常态流动：,第 N 级,第 1 级,第 2 级,2020/7/31,27,图解法,说明,N = 1，CSTR；级数越大，越接近平推流；N = PFR 。一

7、般不超过 5 级。,已知转化率图解容积或空间时间:,2020/7/31,28,已知图解各釜出口转化率和串连釜数:,原理：,步骤：,-rA,图9-11 多釜窜联图解计算法,用已知动力学数据作 - rA 对 xA 的曲线 MN。,在xA轴上标出最终转化率xA,N,从原点出发逐级做全混流操作线，逐级图解，直至求出最终一釜出口转化率 xA,N为止，在 MN 曲线上的交点数，即为串联釜数。,2020/7/31,29,6 均相反应过程优化和反应器选择,绝大多数是恒温恒压下进行，因此返混程度对反应结果影响很大。,2020/7/31,30,6-1 以生产强度为优化目标,生产强度：单位容积反应器的处理物料能力。

8、,若处理量和要求达到的最终转化率一定时，V 越小，生产能力越大。,2020/7/31,31,说明,反应级数愈高，要求的反应转化率越高，返混对反应速率的影响也愈大，有效容积差别也愈大，可见图913。,间歇操作搅拌釜从图示看与平推流相同，但因为批式操作，辅助时间长，故所需VV平。,N = 0， (- rA) 与 CA 无关，返混对反应速率不产生影响，各种型式反应器所需容积相同。,自催化反应：(rA) 与生成物浓度有关，返混程度越大越有利于反应，此时全混流反应器所需容积最小。,2020/7/31,32,图9-13,不同转化率,不同级数,2020/7/31,33,6-2 以产率和选择性为优化目标,对于

9、复杂反应，应考虑返混对产物分布的影响：,平行反应过程优化,降低CA可抑制副反应，全混流反应器对选择性最有利;,(1) n1 n2,升高CA可抑制副反应，活塞流反应器或间歇搅拌釜较合适；,选择性与CA无关，各种连续操作的反应器皆可应用。,(2) n1 n2,(3) n1 = n2,2020/7/31,34,E1E2 时，温度升高，k2/k1 下降，有利于提高反应选择性；反之，则不利于提高反应选择性。,在反应过程中，凡提高 cR/cA 的操作皆不利于提高反应选择性。,串连反应过程优化,2020/7/31,35,存在一个最优操作时间，所以控制时间很关键。,CSTR 存在很宽的停留时间分布，故一般不采用，多采用 PFR 或 BSTR。,2020/7/31,36,活化能较大、反应温度较高的化学反应，对温度十分敏感，为了强化传热，减少温差，宜采用全混流反应器； 反应物浓度较高易发生剧烈反应时，宜采用全混流反应器； 反应速率慢、反应时间较长的化学反应，宜选用间歇操作搅拌釜