chap 2 复合反应与反应器选型

1、12CBA CABA PPPAPA 连串反应连串反应平行反应平行反应 自催化反应自催化反应可逆反应可逆反应aA+bBcC+dD3NMNNMNMMMNJNNJNJJJNNNNNNNNAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA113322111133221121123232221211111313212111 或，MJNIIJINIIJIAMJA1110) 2, 1,( , 0JI计量系数，反应物为“”，生成物为“+”（得到为正，失去为负） 4 BCD3 D3BC B2AC2 C2B2A 反应4反应4反应3反应3反应2反应2反应1反应12A+B2CC+B3Dr1r2r3r44341DD432141C

2、C32141BB2141AA3D2BCD4BC3DBC32C2BAC2B2A1CBA1332222113-31-1-122- 21-2- iiii444333222111rrrrrrrrrrrrrrrrrrrckrrrrcckrrrrckrrrrcckrrrriiii5MJrrMJJIJII， 2, 1,167) 1/( 1)1()1/( 1)1ln()1/( 11111)()11 111 111 10100100nxxxnxxxndxxxxxxVVxxkCxCSTRdxxxkCPFRxxkCkCdtdnVrnAnAAPmAAAPmxAnAAAnAAAAPRmRPmnAAAnAAmxAnAAA

3、nAPnAAAnAnAAAAA恒容恒容相同时相同时当初始条件和反应温度当初始条件和反应温度物料衡算方程：物料衡算方程：动力学方程：动力学方程：设计方程设计方程作反应作反应P的n级不可逆等温操P的n级不可逆等温操对A对A（891011niiiixxxixxiirxrxFVFVrxcFVAA1AA1A0AAAAA0RA0RAAA0A0Rdd Nd 个反应器串联：单个反应器：12cA0,xA0,FA0,V0cA1,xA1,cA2,xA2,cAN,xAN,cAi,xAi,13为平推流反应器上式变为：，不变，而即如果总反应体积不变，釜串联，可得：NxAAiRNiiiRiiAAiAiiAAiAiAiRAA

4、AfAAfRArdxcdNVVNVVrxcrxxcVVcVFrxxVF00001011000001014Nii1xA1xANcA0/(-rA)i15NiANNiAANjiNiiAANAAAAAAAAAAAkxkcckcckkckcckccckcckccc11111111101021021222121011101同理可证，则：停留时间相同，如果各釜体积相同，即以此类推，16i1AiiAi1AiAi2Aii2AiAi1Aii2AAk2ck411c0ccckkccckcr17A0AA00R)/(1/xAdxrcVV18A-PFR ; B-小小CSTR；C-大大CSTRCBA A BC A BC CB

5、A CSTRPFRPFRCSTRPFRCSTRCSTRPFRCSTRPFRPFRCSTRCSTRPFR后先后先宜采用宜采用19201101021)(AAxxAAARxFrdxFVPFRAA，需解决假定根据)1)(1 ()1 ( )1 ( )1 ( )1 ( )1 ( ( 0 ,/102010002003001020011011202002030122302323AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAxFxFFFFFFFFFFFFxFFxxFxFFFFFFFxAMFFxFFFF而；整体衡算入手：从入手：从结点衡算）进行衡算点对在设循环比21222221100101

6、021)()1 ( )()1 ()( 1 AAAAAAxxAAAxxAAAxxAAARAArdxcVrdxFrdxFVxx22CSTRCSTRrxcVrxxcVVxCSTRxxxPFRrdxFVAAAAAAARAAAAxAAARA时，整体上可看作一般，当恒定，非理想反应器微分反应器，整体上为25 (5) ,)( )(1)1 ( (4) ,0 (3) ,1 , (2) ,)( 0, (1) 220022200222100223)2( 2) 1 ( 121PPPAPAkk反应反应2425PAAAAAAcckckrrdtdcr2121 )()(02121000200021000lnln , 0)(

7、.)( PPAAPAAAAAPAAAAPAPAckkckkcctcckcccttcccckckdtdcconstccccc）；（分分离离变变量量积积分分得得代代入入微微分分式式得得)2( 2) 1 ( 121PPPAPAkk反应反应26求得此时的反应速率可由opAPAopAAAPAAAAAAckcckkcccccckckcrc2002100212 求求导导得得对对力力学学方方程程式式积积分分结结果果根根据据求求极极值值原原理理，将将动动272829最小值，使时的）（即满足处理时，可按一般当，接近，当时为当RARRxxAAARARVdCVVdVCSTRCSTRPFRrdxCVVFVAA0/ 25

8、 0 100100022最小最小最佳循环比下，最佳循环比下，基础设计方程基础设计方程301212222211011112121221100AAAAAAAAxAAxxAAAAxxAAAxAxxAAARrxrdxxxrdxxrdrdxddcVVd31121222222211111112111111111111AAxxAAxAAAxAAAxAxAAAxAAxAxxAAxxrdxrxxrxxrrxxrxrrdxAAAAAAAAAA即：3233目的：目的：使反应过程大部分控制在最高速率点或接使反应过程大部分控制在最高速率点或接近最高速率点进行近最高速率点进行343536SRBAsrba)()( 0 )(

9、)( )()( 21/20/10212121AAARTEARTEAAxgkxfkrxgekxfekxgkxfkrrrrr此外逆正净净速速率率37得由AAeARTEARTExgxfkkREETxgekxfekreelnln )()(0201021/20/1021 38)()( 21AAxgkxfkr净净速速率率0TAxr392222211122/0/0/02121 ; 1)( )()( )()(RTEkdTdkRTEkdTdkRTkERTEekTREekdTekddTdkdTdkxgdTdkxfTrxgkxfkrRTERTERTEAAxAAA 而求求导导，得得 对对净净速速率率40rTTrEEE

10、EHxgkxfkxgkxfkrrrRTxgkExfkERTEkxgRTEkxfdTdkxgdTdkxfTrAAxAAAAAAAAAAx0 0:)()( 0)()( /)()( )()( )()(21212121212221122221121对对于于可可逆逆吸吸热热反反应应 由410TAxr0AxTr420)()( 0:)()( 0 /)()(221121212122211AAxAAAAxxgkExfkETrEEEEHxgkxfkrRTxgkExfkETrAA可可逆逆放放热热反反应应 由43)()( 0)()( 0/)()(2211221122211AAAAAAxxgxfkEkExgkExfkE

11、RTxgkExfkETrA则令的的求求取取最最佳佳反反应应温温度度T To op p44eopeeeopopopRTEERTEERTEEAAARTEARTEAARTEERTERTEekkekkEEekkxgxfxgekxfekrxgxfekkEEekEekE/ )(2010/ )(201021/ )(2010/20/10/ )(201021/202/101121212211221 (2) )()( 0)()( (1) )()( 得得将将（2 2）代代入入（1 1）中中而而平平衡衡时时存存在在关关系系45的函数也是的函数是对数平均值；为正逆反应活化能的其中AopAemmeeeeopeopRTEE

12、RTEExTxTEEEEEERTTEEEERTTTRTEERTEEEEeeEEeop ln1ln1 ln 12121212121221/ )(/ )(21121246474849505121212121nASSnAPPnAnAAAckdtdcrckdtdcrckckdtdcr521 1 , 01)(0212)(0211)(0212100021212121tkkAStkkAPtkkAAASAPAAASSSPPPAAAeckkkceckkkceccckdtdcckdtdcckckdtdccccccccccttnn积分得和；分别由内，在区间对均为一级的反应，即53AAPPAAAPApAAAAnnnn

13、nnAASSPAnnnAAx01000, 物质反应掉的量在系统中量消耗的在系统中生成目的产物平均选择性。或无论生成了物质反应掉的量在系统中物质的量加入系统中的物质反应掉的量在系统中转化率副产物目的产物SBAPBASkBAPkBA21221154 000)(1)(100021101aAfAAfAfAccApAfApnnApAfAppnnAfAApAAApppAAPPAdcSnnSdnSnnSSnndnSPFRrrrSAAPSSxynnAAy恒容时即：积分中值定理择性的关系中瞬时选择性与平均选对上述反应：物质的消耗速率在系统中速率消耗的在系统中生成目的产物瞬时选择性自然应当有如下关系：物质的量加入

14、系统中的量消耗的在系统中生成目的产物收率55物质反应掉的量在系统中量消耗的在系统中生成目的产物的出口浓度时，的进口浓度为的恒容过程，对AASccScP0P1ccccSccSccSSccSccSccSccSpAf0Appfp1AAn1AAn1Anpn2A1A2p1A0A1ppAn1Anpn2A1A2p1A0A1pAn1Ap.ppSS 561212212221111020122112222111111)()(11)()()( )( )( bbBaaARTEEAAAAAPbBaAASkBAbBaAAPkBAccekkrrrrrScckrPaBaAacckrPaBaAa副产物目的产物反应：PPSTEE

15、ifSTEEif , , 2121PBAPBAPBASccbbaaifSccbbaaifSccbbaaif & , , & , , & , , 2121212121215758SPAkk21PSSPAPPAAAckdtdcrckckdtdcrckdtdcr221159AAAckdtdcr1)(0)(0)()()( )()()(012011dxexQCeyxQCeyxQxQyxPdxdyeckckdtdcreccdxxPdxxPdxxPtkAPPPtkAA通解则为非齐次方程若通解则为齐次方程若对于一阶线性微分方程式得：代入？性微分方程，如何求解性微分方程，如何求解这是一个

16、一阶非齐次线这是一个一阶非齐次线SPAkk2160tktkAtktktkAtktktkAtktkAtkAAPAAStktkAPtkAPPekekkkceekkkekkkkceekkkeceeckkkecccccceeckkkceckckdtdc12121121121121122102112121021100211000021101211 1 1 系统总摩尔数不变又）（解得由式6101111 0,2112121210120121221002110000PtkAStkAStktkAStktkAPtkAASPAkkcecckkecckkekekkkcceeckkkcecccccSPA必有只要时间足够

17、长时：极限为条件下的动力学积分式在初态应对于一级不可逆连串反626312212210max12120211ln, 0 kkkAPPoptPtktkAPkkccPckkkktPdtdceeckkkc浓度计算式得最大代入浓度最大时的反应时间求得令64PSPAPAAkkckrckckrckrSobjPA2211 21）（APAPAPAAPAPPApccRTEEkkcckkckckckrrrrAAPS 21102012121exp11 )( 一级反应物质的消耗速率在系统中速率消耗的在系统中生成目的产物瞬时选择性65 比较适宜用浓度对反应有利、低高影响因素PFRPAScScSTEEifSTEEifccR

18、TEEkkSPPPAPPAPp:C :Texp12121211020SPAkk2166SobjPAkk21）（AAAAAAAAAAAAfAAfAckccccckckccrccrcc100110001 )()( 基本设计方程67(5) )1)(1 ( )4()3(4) 1 )( 0 )( )2(3) 1/1 ) 1 ( (2) (1) )( 21012102102100010010100000000021kkckckckcVVckckccVckckcVcVkcVVkccVckcVcVVrcVcVPVrcVcVAVSobjPAAPAPRPAPPRPAPPARAARAAARPPPRAAARkk中代入将而得由得由衡算对衡算对体积元）（化学反应68opAPASAopAAPopopRopAPAPkkPcccckkcckkcckkVVVkkkkkkkkkkckckkckcSobjPAc)()/1/()()/1/()( 1 0)1)(1()1 ()1 (