理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征修订PPT课件

1、1化学反应与反应器之间的关系 典型的化学反应类型 简单反应 可逆反应 平行反应 串联反应 自催化反应 研究特定反应器中进行的化学变化规律 理想反应器的类型 间歇釜反应器 连续流动理想管式反应器所有反应都可分解为这几种反应复杂反应如何对这几种反应进行有效研究？抓住主要反应特征，进行简化第1页/共74页2 选择合适的反应器型式的依据 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） 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） 确定适合的工艺条件 确保反应器具有良好的运转特性、操作稳定性 途径：通过试验或大型的工艺模拟软件（PROII、ASPEN Plu

2、s） 计算所需反应器体积 由规定的生产能力及操作条件来确定反应器结构和尺寸 确定优化的反应器结构和尺寸反应器设计的基本内容第2页/共74页3反应器设计基本方程 一反一反 动力学方程式动力学方程式化学反应器设计基础化学反应器设计基础 三传三传- -传质、传热、传动量传质、传热、传动量 物料衡算方程式物料衡算方程式（摩尔衡算）（摩尔衡算）计算反应器计算反应器体积体积 热量衡算方程式热量衡算方程式计算反应器计算反应器温度温度变化变化 动量衡算方程式动量衡算方程式计算反应器计算反应器压力压力变化变化=iiii组分 流入量 组分 流出量+组分 反应消耗量+组分 积累量=带入的热焓 流出的热焓+反应热+热

3、量的积累+传向环境的热量描述反应器性能的最基本方程第3页/共74页43.2 理想间歇反应器中的简单反应 如何理解间歇的概念？ 间歇：不是连续化操作，中间有装卸料和清洗反应器的过程 生产周期：投入反应物，升温至反应温度，经过一定的反应时间，达到规定转化率后，停止反应，降温，将物料排出反应器，清洗反应器以备下次进行反应，期间为一个生产周期 装填系数：每次装填反应物量占整个反应器体积的容积比反应器的体积、反应区域与装填系数之间的关系？第4页/共74页5Batch ReactorBatch Reactor Stirring Apparatus第5页/共74页6理想间歇反应器（BR）l结构及优点结构及优

4、点l操作灵活操作灵活l缺点缺点l辅助时间辅助时间长长l产品质量不稳定产品质量不稳定l适用场合适用场合l小批量、反应时间较长的产品小批量、反应时间较长的产品l精细化工与生物化工产品精细化工与生物化工产品BatchReactor第6页/共74页7 搅拌器设计、安装 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 目的：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 搅拌器剧烈的搅拌器剧烈的搅拌作用搅拌作用 反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀 反应器内各处温度始终相等反应器内各处温度始终相等 反应器内物料同时加入并同时停止反应反应器内物料

5、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动力学所确定理想间歇反应器的特征温度效应浓度效应第7页/共74页8理想间歇反应器性能的数学描述 对整个反应器进行物料衡算对整个反应器进行物料衡算 反应时间反应时间0=0()AAdnr Vdt =AAAA组分 流入量 组分 流出量+组分 反应消耗量+组分 积累量01()AAAAndndxrV dtVdt AAncV()AAdcrdt 恒容过程0000()()()(1)AfAxAAAAAAAAxAAAdnr Vdxdxnr Vtndtdtr Vnnx 反应时间表达式反应速率表达式第8页/共74页9 反应器体积- 反应物料

6、在反应器中所占体积 取决于单位生产时间所处理的物料量，每批生产所需的操作时间以及装填系数0( , )TVf v t0/TVv t0Tttt 辅助时间（装料/升温/降温/卸料反应时间/清洗）0000()AfAxATAAxdxtttntr V 通常为已知求取对象第9页/共74页10 的求解液相反应（恒容处理） 数值积分法 采用已知的反应动力学方程式进行积分求解 图解法 做 / 曲线 / 曲线下的面积即为 /00()AfAxAAAxdxtnr V1()AAxr0AAfxx0Atc1()AAcr0AAfcct第10页/共74页1100()AfAxAAAxdxtcr0()AfAcAAcdctr 图解法：

7、00()AfAxAAAxdxtnr V第11页/共74页12装填系数 定义 每次装填反应物量占整个反应器体积的容积比 取值 按照反应物的性质不同取不同的系数 对于沸腾或起泡沫的液体 取较大的系数值，1.7-2.5 对于不起泡沫、不沸腾的液体 1.2-1.4第12页/共74页13理想间歇反应器数学描述小结 间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需要的反应时间，只取决于反应的本征动力学 反应器的实际体积取决于反应物料的处理量、反应时间、辅助时间与装填系数0( , )TVf v t第13页/共74页14理想间歇反应器中的简单反应 一级反应常见的一种反应初始条件 特例：两种反应物中一种大大过量，可视为

8、一级反应()nAArkcAP()nAAArkckc00,AAtcc000011ln(1ln)AfAfAktxAAAfAfAAdxtcrkxcktccc e ()()AA BABrkc ckckkc第14页/共74页15一级反应速率、浓度与转化率之间关系()AArkc0ktAfAcc ektAfex10()(1)AAArkcx000011ln(1ln)AfAfAktxAAAfAfAAdxtcrkxcktccc e 第15页/共74页16 二级反应 一种反应物 两种反应物，初始浓度相等且等分子反应000000011(11)AfxAAAAAAAAAAAdxtcktc ktxc ktcccktrcc2

9、()A A B Ar k c c k c 2()AArkcAP00,AAtcc初始条件第16页/共74页17二级反应速率、浓度与转化率之间关系2()AArkc220()(1)AAArkcx001AAAc ktxc kt001AAAccc kt第17页/共74页18 零级反应 一种反应物00000()AfxAAAAAAAAAdxtcccktxccckrtkt0()AArkckAP00,AAtcc初始条件第18页/共74页19零级反应速率、浓度与转化率之间关系()Ark()Ark0AAktxc0AAcckt第19页/共74页20反应特性分析0(,)AAktf cc0(,)AAktf cx建议自己推

10、导！第20页/共74页21反应特性分析之一对于n级反应 等式左边：乘积kt项 等式右边：由cA0、cA、xA组成 特定反应特定反应：时间：时间t t一定，一定， x xA A和和c cA A唯一地确定唯一地确定反应转化率由时间决定反应转化率由时间决定1111001()(1)1(1)1nnnnAAAAktccxncktn 第21页/共74页22 c cA0A0对反应结果的影响与反应级数有关对反应结果的影响与反应级数有关反应特性分析之二对于n级反应000:11:ln112:1AAAAAAnktcxnktxxnktcx定性判别大致的反应级数定性判别大致的反应级数第22页/共74页23 反应级数反应级

11、数n n与与c cA A和和t t的关系的关系 零级反应的残余浓度与反应实践呈直线下降直到反应物完全转化零级反应的残余浓度与反应实践呈直线下降直到反应物完全转化 一级反应和二级反应的残余浓度随反应时间增加而逐渐缓慢下降，一级反应和二级反应的残余浓度随反应时间增加而逐渐缓慢下降，尤其是二级反应尤其是二级反应 为克服和改善高级数反应的后期转化问题，采用为克服和改善高级数反应的后期转化问题，采用降低反应级数的降低反应级数的措施措施tcAn=0n=1 n=2二级反应大部分二级反应大部分反应时间是消耗反应时间是消耗在反应的末期在反应的末期反应特性分析之三n级反应工业上经常采用某种反应物过量第23页/共7

12、4页24例：双组分二级反应 当当 时时 当当 时，时， c cB B视作常数视作常数 当当 时时aAbBpP()AA Brkc c00ABcc()AABrkc c2()AArkc00ABcc00()AA BBAABrkc ckc ckckkc001ABcc二级反应二级反应一级反应一级反应二级反应二级反应？()AABrkc c()AABrkc c()AABrkc c第24页/共74页25 若组分若组分B B过量过量 过量浓度比：过量浓度比： C CB B与与C CA A的关系：的关系： 动力学方程式：动力学方程式：000BAAccMc000()BBAAAAcccccMc0()()AAAArkc

13、cMc()AABrkc caAbBpP()AA Brkc c第25页/共74页26aAbBpP()AA Brkc c0(1)1ln(1)(1)ABAMxMc ktMMx00001lnBAABABc cktccc c00()()AfA fAAAAAAAccccAdcdctrkccMc 000()BBAAAAcccccMc若B不是大量过量过量浓度对反应结果的影响积分第26页/共74页27 过量浓度对反应结果的影响 低转化率 过程浓度的影响不明显； 高转化率 过量浓度的影响明显增大 二级反应后期转化时，反应速率极低 例 反应物B在初期略有过量，若过量10% 在反应后期，反应物B的浓度远大于残余浓度c

14、A（转化率为99%时，B浓度为A浓度的11倍） 此时反应为拟一级反应，遵从一级反应规律第27页/共74页28简单反应-自催化反应APPP()AAPrkc c000APAPTccccc常数0()()AA PATArkc ckc cc在理想间歇反应器中进行自催化反应A和P的总摩尔数维持不变如何确定？第28页/共74页29 自催化反应的历程 反应初期，产物浓度为0，反应速率也为0，不能反应 在反应中加入微量产物以启动反应的进行 反应中期，产物P的浓度增大，反应速率也增大 反应后期，产物P的浓度增大，A的浓度降低，反应速率下降 在反应过程中，存在一个最大反应速率点 反应速率最大时的cA值求取()0AA

15、rc ()AAPrkc cAPPP0()ATAkccc002APAoptccc第29页/共74页30APPP0()()AA PATArkc ckc cc000APAPTccccc常数000,AAPPtcccc002APAoptccc初始条件0000000()()ln()ATATAPATAcccc ktccktccc积分法第30页/共74页31 图解法：0()()AA PATArkc ckc cc00()AfxAAAdxtcr自催化反应有反应速率变化过程第31页/共74页32 自催化反应与简单反应的区别？ 根本区别 反应初始阶段有一个速率由小到大的启动过程 在反应初期要在反应物中加入少量的产物，

16、以启动反应的进行 存在一个最大的反应速率，此时对应一个最佳的cA值002APAoptccc第32页/共74页33练习：一级反应动力学方程式的应用第33页/共74页34理想间歇反应器的最优反应时间 对简单和可逆反应而言 没有副产物的生成 优化目标是单位时间、单位反应器体积产量最大 为什么会出现最优化问题？t t ，x x ，产量，产量 ；x x高时，高时，r r ，单位时间产量，单位时间产量 t t ，r r ，辅助时间比例，辅助时间比例 ，单位时间产量，单位时间产量 单位时间的反应量最大的最优反应时间AP第34页/共74页35如何求取最优反应时间？ 单位时间反应量最大单位时间反应量最大 最优反

17、应时间最优反应时间数学上的解决方法是：数学上的解决方法是：对单位时间产物生成量求导对单位时间产物生成量求导0PPc VFtt020()0()PPPdcVttcdFdtdttt只要知道cP与t之间关系，即可用解析法或图解法求得最优时间0PPdccdttt0PdFdt第35页/共74页36图解法求取最优反应时间 步骤： 由实验测定或动力学方程式计算得到反应时间t和产物浓度cP的关系 以cP为纵坐标，t为横坐标，标绘cP -t关系图切线的斜率切线的斜率0PPdcMDMDcdtADODOAtt切点切点M横坐标横坐标- -最优反应时间最优反应时间纵坐标纵坐标- -产物浓度产物浓度0PPdccdttt第3

18、6页/共74页373.3 理想间歇反应器中的均相可逆反应 可逆反应定义： 正方向和逆方向都以显著速率进行的反应 实例： 合成氨、水煤气变换和酯化反应第37页/共74页38可逆反应的特点平衡时平衡时 正反应速率负反应速率正反应速率负反应速率120()AeAAekck cc0121AAeAeAeAeccxkKkcx反应平衡常数反应平衡常数0pAAccc12kkAP 1,1可逆反应12120()()0AApAAArkck ckck cc正、逆反应均为一级反应下标e表示平衡状态第38页/共74页39 K与与T的关系符合的关系符合Vant Hoff方程：方程： 可逆可逆吸热吸热反应，反应， Hr0，T ，K 升高温度对反应平衡有利升高温度对反应平衡有利 可逆可逆放热放热反应，反应， Hr1时，反应平衡转化率趋近于1，作不可逆反应处理；可逆放热反应：平衡转化率随着温度的升高而降低；当KE2，T ，