聚合反应工程课件_2

1、第二章第二章 化学反应工程基础化学反应工程基础第一节第一节 化学反应和反应器分类化学反应和反应器分类第二节第二节 均相反应动力学均相反应动力学第三节第三节 理想反应器的设计理想反应器的设计第四节第四节 理想混合反应器的热稳定性理想混合反应器的热稳定性第五节第五节 连续流动反应器的停留时间分布连续流动反应器的停留时间分布第六节第六节 流动模型流动模型第七节第七节 停留时间分布与化学反应停留时间分布与化学反应3、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态连续流动反应器内流体流动的两种理想形态平推流反应器平推流反应器理想混合流反应器理想混合流反应器平推流反应器平推流反应器反应物反应物A反应物反应物B 活

2、塞流反应器活塞流反应器生成物生成物R平推流反应器特点：平推流反应器特点：1 1、在稳态操作时，在反应器的每个截面上，物料、在稳态操作时，在反应器的每个截面上，物料浓度不随时间变化。浓度不随时间变化。2 2、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。2 2、反应器内物料浓度沿着流动方向改变，故反应、反应器内物料浓度沿着流动方向改变，故反应速率随空间位置改变，即反应速率的变化只限于速率随空间位置改变，即反应速率的变化只限于反应器的轴向。反应器的轴向。理想混合流反应器理想混合流反应器反应物反应物A反应物反应物B生成物生成物R理想混合流反应器特点：理想混合流反应

3、器特点：1. 1. 物料连续以恒定的流速物料连续以恒定的流速流入、流出反应器，稳态流入、流出反应器，稳态操作。操作。2. 2. 反应器内各空间位置温反应器内各空间位置温度、浓度均一。度、浓度均一。3. 3. 反应器内浓度、温度反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。与出口处浓度、温度相同。第二节第二节 均相反应动力学均相反应动力学 均相反应均相反应是指在均一的液相或气相中进行的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，催化剂等因素对化规律，即物料的浓度，温度，催化剂等因素对化学反应速度

4、的影响。学反应速度的影响。 即：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研究化学反应内在规律研究方法 动力学方程式的建立，是以实验数据为基础，一般的是在维持等温的条件下进行化学反应，然后利用化学分析的方法，得到不同反应时间的各物料浓度的数据，对这些数据进行适当的数据处理，就可以得到动力学方程式。单一反应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代表的反应。一、等温、恒容、单一反应动力学方程式一、等温、恒容、单一反应动力学方程式1、不可逆

5、方程、不可逆方程ASrA1VdnAdt=恒容dCAdt一级KCA组分A的消耗速率可表达为：（1）一级不可逆反应对于等温系统，k为常数,初始条件： t=0 , CA=CA0rA1VdnAdt=恒容dCAdt一级KCA 若以转化率表示，上式可改写为： 式中XA为物料A的转化率，定义为：恒容时，则：tCA1-xACA01斜率klnln一级不可逆反应一级不可逆反应C Ct t关系关系 通过lnCA0/CA或ln1/(1-xA)对t作图，对于一级不可逆反应，可得到一条通过原点的直线。直线的斜率即为k，通过不同温度的k值，可以求出反应活化能。（2）二级不可逆反应因为在任何反应时间内，反应物A和B是等摩尔消

6、耗，所以CA0 xA = CB0 xB令：MCB0/CA0，代入速率方程，A + B SrA= =kCACBdCAdt可按一级不可逆反应的情况作类似的处理，有如下反应：rA = kCA0 (1-xA)(M-xA)2i) 当M1时： 即 CA0=CB0 CA=CBii) 当M1 时， 即 CA0CB0 CACB积分可得：积分可得：txA/(1-xA)斜率= CA0ktln(CB0CA)/(CA0CB)斜率=(CA0-CB0)k不可逆二级反应的不可逆二级反应的Ct关系关系左：左：；右右：将浓度与时间作图，可得： 如果所得的为一条直线，表明所研究的反应为不可逆二级反应。 若反应中某一组分大大过量，则

7、这种组分在反应过程中基本保持不变，可认为一常数，则为拟一级反应。2、可逆反应可逆反应A Rk1k2rA= = k1CAk2CRdCAdt= ( k1+ k2) CA k2CA0dCAdt若若t=0，CR0=0，则则 CR = CA0 - CA，代入上式，可得：，代入上式，可得：( k1+ k2) t = lnk1CA0( k1+ k2) CA k2CA0（1）一级可逆反应积分可得：积分可得：rA= = k1CAk2CRdCAdt当反应达到平衡时: dCA/dt，由 可得： k1CAe = k2CRe = k2 (CA0 - CAe)CAe = k2CA0/( k1+k2 )( k1+ k2)

8、t = lnk1CA0( k1+ k2) CA k2CA0式中CAe, CRe分别为达到平衡时A及R的浓度,代入下式可得：tln(CA0-CAe)/(CA-CAe)斜率=(k1+k2)可逆一级反应可逆一级反应C Ct t图图 以ln(CA0-CAe)/(CA-CAe)对t作图，若为直线，则为一级可逆反应，斜率为(k1+k2)，进一步求出k1和k2。（2）二级可逆反应组分A的消耗速率为：若t=0时，CA0=CB0, CR0=CS0=0,上式积分可得：其中：m=2对于其他二级可逆反应，该动力学方程同样适用，只不过把式中m值取用相应的数值：(1) 当达到平衡时，由一级可逆反应动力学方程可得：当达到平

9、衡时，由一级可逆反应动力学方程可得：残留甲酸的分率为：残留甲酸的分率为：将将CA代入式代入式 可得：可得：二、复合反应二、复合反应 复合反应是由几个反应同时进行的，常见的复合反应有平行反应，连串反应，平行连串反应等。rR = dCR/dt = k1CA rS = dCS/dt = k2CA ARSk1k2rA= = k1CA+ k2CA= ( k1+k2)CAdCAdt1、平行反应、平行反应当当t = 0, CR0=CS0=0时，时，积分可得积分可得: : A012AClnk +ktCrA= = k1CA+ k2CA= ( k1+k2)CAdCAdttlnCA0/CA)斜率=(k1+k2)一级

10、平行反应一级平行反应C-t图图平行反应的判别依据平行反应的判别依据：2、连串反应连串反应rA=-dCA/dt=k1CArR=dCR/dt=k1CA-k2CRrS=dCS/dt=k2CRA R Sk1k2 连串反应是指第一步反应的产物，又可以作为第二步的反应物，进一步发生化学反应，如：水解反应，卤化反应，氧化反应等等，最简单的连串反应可表达为： A、R、S三个组分的变化速率分别表示为：CA=CA0e-k1tCR= CA0(e-k2t-e-k1t)k1k1-k2CS=CA01+ (k2e-k1t-k1e-k2t)k1-k21若 t=0 时，CA=CA0，CR0=CS0=0，对上述三式积分可得：rA

11、=-dCA/dt=k1CArR=dCR/dt=k1CA-k2CRrS=dCS/dt=k2CR连串反应中，最慢的一步反应，对过程的总速率影响最大CACtt最佳CSCRk1k2CtCSCRCAk1k2tCRCSCACk1k2连串反应各组分浓度连串反应各组分浓度-时间变化示意图：时间变化示意图： 将上式对t微分，并令 dCR/dt =0，可求出Rmax出现所需的时间tmax，再代入上式，可得： tmax=ln(k2/k1)k2-k1CRmax=CA0( )(k2-k1)k1k2k2连串反应的判别依据：连串反应的判别依据：结论结论a、对于单一反应，除零级反应，为达到相同转化率下的生、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。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、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；连串控制反应器内物料的平均停留时间；连串-平行反应可采平行反应可采 用不同的加料方