第二章化学反应工程基础 大纲

1、第二章化学反应工程基础第一节化学反应和反应器分类1、化学反应的分类(1按化学反应的特性分类2、反应器的分类反应釜夹套式蒸汽加热反应釜内外盘管式加热不锈钢反应釜管式反应器鼓泡塔反应器固定床反应器固定床反应器厌氧流化床反应器连续反应器半连续反应器平推流反应器理想混合流反应器第二节均相反应动力学均相反应是指在均一的液相或气相中进行的反应均相反应动力学内容:研究化学反应本身的速度规律,即物料的浓度,温度,催化剂等因素对化学反应速度的影响。即Rp(C,T,Cats均相反应动力学没有考虑到物理因素的影响,仅研究化学反应内在规律1、反应速率定义:对均相反应而言,反应速率可定义为单位时间,单位反应体积中所生成

2、(消失的某组分的摩尔数。即对反应: aA + Bb lL + mM各组分的反应速率:k = A0e-E/RTlnk =lnA0 E/RTdlnk/dT = E/RT2单一反应是指用一个化学反应式和一个动力学方程式便能代表的反应。2.1一级不可逆方程2.2 二级不可逆方程2.3 一级可逆方程3、复合反应3.1 平行反应3.2 连串反应积分公式4、等温变容过程对于定容或变容体系,组分I的变化速率为:对恒容:对变容:r i的变化不仅有dC i/dt变化,而且体系V变化,C i/V,dV/dt都变化。我们通常用膨胀率来表征变容的程度4.1 膨胀率定义:当物系体积随转化率 x 线性变化时,反应物 A 全

3、部转化后系统体积的变化率。反应开始时,只有A结束时,只有PnV A=(2-1/1=1若开始时,除A以外,还有50%的惰性气体,A=?反应开始时,A 1mol 惰性气体 1mol,共2mol;结束后,P 2mol 惰性气体 1mol,共3molA=(3-2/2=0.5注意:计算A时,不仅要考虑反应的计量关系,还要考虑系统中是否存在惰性气体4.2 动力学方程及积分表达式例:在700及3kg/cm2恒压下发生下列反应反应开始时,系统中含C4H10为116kg,当反应完成50%时,丁烷分压以2.4kg/cm2.s速率发生变化,求下列项次的变化速率:乙烯分压H2的摩尔数丁烷的摩尔分率解:A=(3-1/1

4、=2反应开始时:y C4H10=1 p A=y A px=0.5 y C4H10=1/4 p A=(1/4py C2H4=1/4 p A=(2/4py H2=1/4 p A=(1/4p5、均相反应动力学的建立5.1 微分法5.2 积分法(试差法微分法(图解法微分法(最小二乘法积分法(试差法例:第三节理想反应器的设计物料衡算热量衡算1、间歇反应器反应时间的确定:间歇反应器的容积计算:ta 停驻时间,t R反应时间,每小时处理物料体积为v0有效体积:设计实际体积:间歇釜设计方程图示间歇釜设计方程图示2 、平推流反应器恒容时:平推流反应器的图解计算示意图3、理想混合反应器理想混合反应器图解计算示意图

5、4、多级串联理想混合反应器4.1 代数法4.2 图解法以两只不等容的理想混合反应器串联操作为例:对于第一级反应器对于第二级反应器反应所需的总平均停留时间为不同大小二个理想混合反应器的组合情况根据“最大矩形法”可以确定xA1。两个大小不等的理想混合反应器等温串联操作时,对一级反应采用等体积最好;反应级数n1时,小反应器宜在前;反应级数n1时,大反应器应在前。若几只理想混合反应器串联操作,可参照上述方法确定最佳中间转化率。生产中考虑到制造和维修方便,常采用等体积理想混合反应器串联操作。5、反应器的型式和操作方法的评比与选择选择标准:a、到达给定生产能力所需反应器的体积要小b、用等量的原料得到的目的

6、产物要多5.1 单一反应容积效率:指同一反应,在相同的温度、产量和转化率条件下,平推流反应器与理想反应器所需的总体积比,即5.2 复合反应5.21 平行反应5.22 连串反应5.23 连串-平行反应5.21 平行反应主、副反应的速率方程间歇操作连续流动操作5.22 连串反应5.23 连串平行反应结论a、对于单一反应,除零级反应,为达到相同转化率下的生产能力,平推反应器所需的反应器体积比理想混合反应器小。b、复杂反应中,对于平行反应,主要控制反应器内物料的浓度,高浓度有利于反应级数高的反应;连串反应,应控制反应器内物料的平均停留时间;连串-平行反应可采用不同的加料方式来控制产物的分布。c、温度对

7、复杂反应的产物分布也有重大影响。平行反应,升温有利于活化能高的反应;对于连串反应,若生产目的产物反应的活化能高于其他副反应,宜采用高温,反之亦然。第四节理想混合反应器的热稳定性反应器的热稳定性:是指当反应过程的放热或除热速率发生变化时,过程的温度等因素将产生一系列的波动,当外扰消除后,过程能回复到原来的操作状态,则反应器具有热稳定性,或具有自衡能力,否则为热不稳定,或无自衡能力。1、热稳定性原理反应器具有稳定性必需满足两个条件:稳态条件:稳定条件:2、影响热稳定性的因素1、改变v0和A3、T与Tw间的最大温差第五节连续流动反应器的停留时间分布1、停留时间分布的表示方法a、停留时间分布密度函数E

8、(t系统出口流体中,已在系统中停留时间为t到t+dt间的微元所占的分率为E(tdt.E(t因次:时间-1b、停留时间分布函数F(t系统出口流体中,已在系统中停留时间小于t(或介于0t间的微元所占的分率等于F(t2、停留时间分布的测定实验方法概述:p阶跃示踪法 p脉冲示踪法 3、停留时间分布的数字特征 a、数学期望 b、方差 用来描述停留时间分别的离散程度 若以对比时间 为自变量 无因次方差： 第六节 流动模型 1、理想流动模型 a、平推流模型 b、理想混合流模型 2、非理想流动模型 a、多级理想混合模型 b、带死角和短路的理想混合模型 c、停留时间分布曲线的应用 1、理想流动模型 a、平推流模

9、型 b、理想混合流模型（阶跃示踪） 对示踪剂在 dt 时间内作物料衡算： 流入量=流出量=+累积量 理想混合流反应器的 E(t和 F(t图 非理想流动现象 2、非理想流动模型 a、多级理想混合模型 假设： 每级为理想混合 级际无返混 每一级体积相等 采用阶跃示踪法 b、带死角和短路的理想混合模型 c、停留时间分布曲线的应用 平推流及偏离平推流 E(t曲线 第七节 停留时间分布与化学反应 1、反应器内流体的混合状态 2、微观混合反应器的计算 a、多级理想混合模型 b、扩散模型 3、宏观混合反应器的计算 1、反应器内流体的混合状态 p宏观混合：微观尺度上的均匀化称为宏观混合。 p微观混合：以分子尺度混合的状态称为微观混合。 2、微观混合反应器的计算 a、多级理想混合模型 例 2-