第3章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征课件

理想反应器间歇反应器间歇反应器平推流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器完全没有返混返混极大(a)(b)(c).第3章 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征n反应器设计基本方程n理想间歇反应器中的简单反应n理想间歇反应器中的均相可逆反应n理想间歇反应器中的均相平行反应n理想间歇反应器中的均相串联反应n理想间歇反应器的计算.反应器设计的基本内容反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式 反应动力学特性反应动力学特性+反应器的流动特征反应器的流动特征+传递特性传递特性确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件 最大反应效果最大反应效果+反应器的操作稳定性反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积计算所需反应器体积 规定任务规定任务+反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺寸的优化.反应器设计的基本内容操作型的计算：根据反应特征及反应器的体积，决定最优化操作条件，使反应过程达到优化目标。已知反应器的体积，求反应在该反应器内反应所能达到的转化率？设计型的计算：根据物料处理量及工艺要求，选择反应器类型，决定反应器体积。已知反应需达到的转化率，求该反应器应设计多大的体积？.反应器设计基本方程l物料平衡方程l热量平衡方程（等温反应可不考虑）l动量平衡方程（一般反应器可不考虑）l化学动力学方程l参数方程对反应器或某一个微元中确定的关键组分，物料衡算基本方程为：积累速率=输入速率输出速率反应消耗速率+反应生成速率.理想间歇反应器中的简单反应间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor(BSTR)n设备特点n设备数学描述n应用实例.设备简介.反应器的特点特点：原料成批次加入，每一批反应物料均具有相同的停留时间，反应器内没有返混(没有不同反应时间物料微元之间的混合)。反应器内加以适当的搅拌，很容易使空间位置上的混合均匀。反应主要是由化学动力学控制，反应时间越长，转化率越高，直至达到反应平衡或反应物完全消耗掉。优点：简单灵活，适用于小批量、高效益产品的生产。缺点：1、工作周期中有非生产性时间；2、传热不好控制；3、不适合大规模生产。间歇反应器适用于液相均相反应和液固相非均相反应间歇反应器适用于液相均相反应和液固相非均相反应.间歇反应器的数学描述对整个反应器进行物料衡算：流入量流入量=流出量流出量+反应量反应量+累积量累积量00单位时间内反应量单位时间内反应量=单位时间内消失量单位时间内消失量等容过程，液相反应等容过程，液相反应.反应体积反应体积V是指反应物料在反应器中所占的是指反应物料在反应器中所占的体积体积V=v0(t+tc)间歇反应器的数学描述实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(tc)1/(-rA)xAt/CA01/(-rA)CAt.例：不可逆的一级反应：如单分子基元反应，某些分解反应，一些放射元素的蜕变等，求A的转化率与反应时间关系式？。.二级反应不可逆反应的速率方程式为 ,如HI的热分解，氢与碘蒸汽的化合，乙酸乙酯的皂化反应等，其积分为：.零级简单反应零级反应的速率方程式为如光催化反应，只与光强度有关，其反应速度与反应物浓度无关。代入上式得：.反应速率（rA）=k（rA）=kCA（rA）=kCA2间歇反应器中的简单反应.k k增大增大(温度升高）温度升高）t t减少减少反应体积减小反应体积减小间歇反应器中的简单反应2.反应物初始反应物初始浓度的影响浓度的影响1.k的影响的影响零级反应：零级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应：一级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应：二级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比3.残余浓度残余浓度零级反应：残余浓度随零级反应：残余浓度随t t直线下降直线下降一级反应：残余浓度随一级反应：残余浓度随t t逐渐下降逐渐下降二级反应：残余浓度随二级反应：残余浓度随t t慢慢下降慢慢下降反应级数大于反应级数大于1的反应，后期的速度很小，高转化率或低残的反应，后期的速度很小，高转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增长。余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增长。.例：试对一级和二级反应分别计算转化率从90提高到99时，转化所需的时间是其转化率为90时所需时间的倍数。解:(1)对一级反应.(2)对二级反应.18例题：某气相分解反应可按二级动力学方程进行：2AB+C，已知 1atm下进行反应，反应开始时反应器中全部为A，试计算在间歇反应器中反应时间为1s、10s和10min时的转化率。，在850和解：由题条件：.19作业.当t=10min，当t1s时，当t=10s时，.双组分二级简单反应.n级简单反应.自催化反应自催化反应的反应速率受反应物和产物浓度的影响。反应初期，尽管反应物浓度较高，但产物浓度较低，所以反应速率较小。随着反应的进行，产物浓度不断增加，反应物浓度虽然降低，但浓度仍然较高。因此，反应速率不断增加。当增加到某个值时，反应物浓度降低对速率的影响，超过了产物浓度增加对速率的影响，反应速率开始降低。典型的自催化反应速率浓度曲线如图所示。（rA A）.自催化反应的最佳反应时间计算.典型可逆反应 ，A的化学反应速率为当反应达到平衡时有：若为气相均相反应，则有：理想间歇反应器中的均相可逆反应.对于典型的1，1型可逆反应可得：而K与温度的关系决定于反应的热效应，即：可逆吸热反应，T ，K，升高温度有利于反应平衡;可逆放热反应，T ，K，升高温度不利于反应平衡。由上式得：所以，可逆吸热反应T ，K1时，1，实际上能完全转化，可作不可逆反应处理。可逆放热反应T ，K1时，0，难以获得产品。均相可逆反应特点.均相可逆反应速度的影响因素对于典型的1，1可逆反应可得：即反应物初始浓度，反应速率。可逆吸热反应，T ，k，K ，反应速率;可逆放热反应，T ，k ，而K ，反应速率变化不定。应根据不同温度区间，由反应动力学和反应热力学2个影响因素中主要因素决定。.理想间歇反应器中的均相平行反应如一平行反应若B为主产物，因此，A的反应速率为B的反应速率为 C的反应速率为则 .平行反应的选择率.平行反应的收率.平行反应选择率的浓度效应可见，反应物A浓度会影响选择率，若n1 n2，则A的浓度增大，反应选择率增大；若 n1 n2，则A的浓度增大，反应选择率减小；若 n1n2，则反应选择率与A的浓度无关。.温度也会影响反应的选择率，若两个反应的活化能分别是E1和E2，则显然，当E1E2时，E2时，0，温度升高，反应的选择率增加；当E1E2时，0，反应的选择率与温度无关。平行反应选择率的温度效应.习题312.均相串联反应的浓度分布若有一典型的串联反应 设各步均为一级反应，则.均相串联反应的浓度分布由cA+cL+cM=cA0关系，可得cc.均相串联反应的浓度分布组分组分 A:A:单调下降单调下降；产物产物 L:L:先升后降，有极大值先升后降，有极大值；产物产物 M:M:单调上升单调上升.串联反应的选择率若有一串联反应B为主产物，则反应的选择率为：温度效应温度效应若若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 1EE2 2,则在较低温度下进行则在较低温度下进行若若E E1 1=E=E2 2,温度变化对选择性无影响温度变化对选择性无影响.串联反应的最佳反应时间最大出口浓度最大出口浓度最佳反应时间最佳反应时间最优转化率最优转化率.串联反应的最大收率最大收率最大收率 反应初期收率随反应进行而增加，在反应后期，收率随反应进行而减小，收率有最大值。.理想间歇反应器的计算有如下一个分解反应：该反应是一级反应，已知在反应温度时k=0.231/s,反应物A的起始浓度为1.00mol/L。若要求转化率达到90，试计算A的日处理量为189m3的间歇操作的理想搅拌釜的体积（设该搅拌釜反应前后辅助时间各为2h。）.理想间歇反应器的计算.在间歇搅拌釜中发生己二酸（A）与己二醇（B）等摩尔比生成醇酸树脂（C）的聚合反应：由实验知其化学反应速率方程为其中k在反应温度下为1.97L/kmol.min，cA,0=0.004kmol/L，若每天处理2400kgA，非生产性时间为1h。求（1）要使A的转化率分别达到50，60，80和90，所需的反应时间为多少？（2）要达到上述要求分别需要设计多大的反应器的体积？.本章小结n理想间歇反应器中简单反应的速率方程描述n理想间歇反应器中复杂反应反应速率方程的特点.