工业反应过程及反应器ppt课件

1、1.工业化学反响过程及工业化学反响过程及理想反响器理想反响器 化学反响式化学反响式 反响物经化学反响生成产物的过程用定反响物经化学反响生成产物的过程用定量关系式予以描画时量关系式予以描画时,该定量关系式称为该定量关系式称为化学反响式化学反响式:SRBAsrba化学反响计量式化学反响计量式 化学反响计量式化学反响计量方程化学反响计量式化学反响计量方程 是一个方程式，允许按方程式的运算规是一个方程式，允许按方程式的运算规那么进展运算，如将各相移至等号的同那么进展运算，如将各相移至等号的同一侧。一侧。SRBAsrba0SRBAsrba化学反响计量式只表示参与化学反响的化学反响计量式只表示参与化学反响

2、的各组分之间的计量关系，与反响历程及各组分之间的计量关系，与反响历程及反响可以进展的程度无关。反响可以进展的程度无关。化学反响计量式不得含有除化学反响计量式不得含有除1以外的任以外的任何公因子。详细写法依习惯而定，何公因子。详细写法依习惯而定， 与与均被认可，但通常将关键组分关注的、均被认可，但通常将关键组分关注的、价值较高的组分的计量系数写为价值较高的组分的计量系数写为1。3222SOO2SO322SOO21SO反响程度反响进度反响程度反响进度 引入引入“反响程度来描画反响进展的深度。反响程度来描画反响进展的深度。 对于任一化学反响对于任一化学反响 定义反响程度定义反响程度 式中，式中，nI

3、为体系中参与反响的恣意组分为体系中参与反响的恣意组分I的摩尔数，的摩尔数，I为其计量系数，为其计量系数，nI0为起始为起始时辰组分时辰组分I的摩尔数。的摩尔数。0SRBAsrbaI0IInn 因此，该量因此，该量可以作为化学反响进展程度可以作为化学反响进展程度的度量。的度量。 恒为正值，具有广度性质，因次为恒为正值，具有广度性质，因次为mol。 反响进展到某时辰，体系中各组分的摩反响进展到某时辰，体系中各组分的摩尔数与反响程度的关系为：尔数与反响程度的关系为：II0I nn转化率转化率 目前普遍运用着眼组分目前普遍运用着眼组分A的转化率来描画的转化率来描画一个化学反响进展的程度。一个化学反响进

4、展的程度。 定义定义A0A0AAAnnnAx组分的起始量组分量转化了的组分组分A的选取原那么的选取原那么 A必需是反响物，它在原料中的量按照化必需是反响物，它在原料中的量按照化学计量方程计算该当可以完全反响掉学计量方程计算该当可以完全反响掉与化学平衡无关，即转化率的最大与化学平衡无关，即转化率的最大值该当可以到达值该当可以到达100%，假设体系中有多，假设体系中有多于一个组份满足上述要求，通常选取重于一个组份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的组分定义点关注的、经济价值相对高的组分定义转化率。转化率。 转化率与反响程度的关系，结合转化率与反响程度的关系，结合 得到：得到：A0AA

5、nxI0II nn0AAA0Annnx 亦可得到恣意组分在恣意时辰的摩尔数亦可得到恣意组分在恣意时辰的摩尔数 对对A组分本身，将上式中的组分本身，将上式中的I用用A替代，替代，可得可得AA0AI0IIxnnnAA0A1xnn化学反响速率化学反响速率 反响速率定义为单位反响体积内反响程反响速率定义为单位反响体积内反响程度随时间的变化率度随时间的变化率13smmoldd1tVr 常用的还有以反响体系中各个组份分别常用的还有以反响体系中各个组份分别定义的反响速率。定义的反响速率。 nA：反响体系内，反响物：反响体系内，反响物A的摩尔数；的摩尔数； V：反响体积：反响体积 t：时间：时间13AAsmm

6、oldd1tnVr4D3C2BA对于反应 以反响物以反响物B为基准定义的反响速率为：为基准定义的反响速率为： 以反响产物以反响产物C为基准定义的反响速率为：为基准定义的反响速率为：13BBsmmoldd1tnVr13CCsmol.mdd1tnVr 必有必有 当当I为反响物时，为反响物时， I为产物时，为产物时， DCBA413121rrrrIIrrIIrr 化学反响动力学方程化学反响动力学方程 定量描画反响速率与影响反响速率要素之间的关系式称为反响动力学方程。大量实验阐明，均相反响的速率是反响物系组成、温度和压力的函数。而反响压力通常可由反响物系的组成和温度经过形状方程来确定，不是独立变量。所

7、以主要思索反响物系组成和温度对反响速率的影响。 化学反响动力学方程有多种方式，对于化学反响动力学方程有多种方式，对于均相反响，方程多数可以写为或可以均相反响，方程多数可以写为或可以近似写为，至少在一定浓度范围之内可近似写为，至少在一定浓度范围之内可以写为幂函数方式，反响速率与反响以写为幂函数方式，反响速率与反响物浓度的某一方次呈正比。物浓度的某一方次呈正比。 对于体系中只进展一个不可逆反响的过程，对于体系中只进展一个不可逆反响的过程， 式中：式中： cA、cB：A、B组分的浓度组分的浓度 mol.m-3 kc为以浓度表示的反响速率常数，随反响级为以浓度表示的反响速率常数，随反响级数的不同有不同

8、的因次。数的不同有不同的因次。kc是温度的函数，是温度的函数，在普通工业精度上，符合阿累尼乌斯关系。在普通工业精度上，符合阿累尼乌斯关系。SRBAsrba13BAcAsmmolnmcckr阿累尼乌斯关系式阿累尼乌斯关系式 kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度：指前因子，又称频率因子，与温度无关，具有和反响速率常数一样的因次。无关，具有和反响速率常数一样的因次。 E：活化能，：活化能，Jmol-1，从化学反响工程，从化学反响工程的角度看，活化能反映了反响速率对温的角度看，活化能反映了反响速率对温度变化的敏感程度。度变化的敏感程度。RTEkkec0c反响级数反响级数 m，n：A，B组分的反响级

9、数，组分的反响级数，m+n为此为此反响的总级数。反响的总级数。假设反响级数与反响组份的化学计量系假设反响级数与反响组份的化学计量系数一样，即数一样，即m=a并且并且n=b，此反响能够是，此反响能够是基元反响。基元反响的总级数普通为基元反响。基元反响的总级数普通为1或或2，极个别有，极个别有3，没有大于，没有大于3级的基元反响。级的基元反响。对于非基元反响，对于非基元反响，m，n多数为实验测得多数为实验测得的阅历值，可以是整数，小数，甚至是的阅历值，可以是整数，小数，甚至是负数。负数。 把化学反响定义式和化学反响动力学方把化学反响定义式和化学反响动力学方程相结合，可以得到：程相结合，可以得到：

10、直接积分，可获得化学反响动力学方程直接积分，可获得化学反响动力学方程的积分方式。的积分方式。nmckctnVrBAAAdd1 对一级不可逆反响，恒容过程，有：对一级不可逆反响，恒容过程，有： 由上式可以看出，对于一级不可逆反响，由上式可以看出，对于一级不可逆反响，到达一定转化率所需求的时间与反响物到达一定转化率所需求的时间与反响物的初始浓度的初始浓度cA0无关。无关。AAAddkctcrAA0A11lnlnxcckt半衰期半衰期 定义反响转化率到达定义反响转化率到达50%所需求的时间所需求的时间为该反响的半衰期。除一级反响外，反为该反响的半衰期。除一级反响外，反响的半衰期是初始浓度的函数。响的

11、半衰期是初始浓度的函数。 例如，二级反响恒容过程例如，二级反响恒容过程2AAddkctcAA0A0AA1111xxccckt0A211kct 建立动力学方程式的方法建立动力学方程式的方法 动力学方程表现的是化学反响速率与反动力学方程表现的是化学反响速率与反响物温度、浓度之间的关系。而建立一响物温度、浓度之间的关系。而建立一个动力学方程，就是要经过实验数据回个动力学方程，就是要经过实验数据回归出上述关系。归出上述关系。 对于一些相对简单的动力学关系，如简对于一些相对简单的动力学关系，如简单级数反响，在等温条件下，回归可以单级数反响，在等温条件下，回归可以由简单计算手工进展。由简单计算手工进展。积

12、分法积分法(1)首先根据对该反响的初步认识，先假设一个首先根据对该反响的初步认识，先假设一个不可逆反响动力学方程，如不可逆反响动力学方程，如(-rA)=kf (cA)，经过积分运算后得到，经过积分运算后得到，f(cA)=kt的关系式。的关系式。例如，一级反响例如，一级反响lnktCCAA0ln (2)将实验中得到的将实验中得到的ti下的下的ci的数据代入的数据代入f(ci)函数中，得到各函数中，得到各ti下的下的f(ci)数据。数据。 (3)以以t为横座标，为横座标，f(ci)为纵座标，将为纵座标，将ti-f(ci)数据标绘出来，假设得到过原点的直线，数据标绘出来，假设得到过原点的直线，那么阐

13、明所假设的动力学方程是可取的那么阐明所假设的动力学方程是可取的(即假设的级数是正确的即假设的级数是正确的)，其直线的斜率，其直线的斜率即为反响速率常数即为反响速率常数k。否那么重新假设另。否那么重新假设另一动力学方程，再反复上述步骤，直到一动力学方程，再反复上述步骤，直到得到直线为止。得到直线为止。 为了求取活化能为了求取活化能E，可再选假设干温度，可再选假设干温度，作同样的实验，得到各温度下的等温、作同样的实验，得到各温度下的等温、恒容均相反响的实验数据，并据此求出恒容均相反响的实验数据，并据此求出相应的相应的k值。值。 故以故以lnk对对1/T作图，将得到一条直线，作图，将得到一条直线，其

14、斜率即为其斜率即为-E/R，可求得，可求得E。可将。可将n次实次实验所求得验所求得k和与之相对应的和与之相对应的1/T取平均值取平均值作为最后结果。作为最后结果。TREkkekkRTE1lnln00微微 分分 法法 微分法是根据不同实验条件下在间歇反微分法是根据不同实验条件下在间歇反响器中测得的数据响器中测得的数据cA-t直接进展处置得直接进展处置得到动力学关系的方法。到动力学关系的方法。 在等温下实验，得到反响器中不同时间在等温下实验，得到反响器中不同时间反响物浓度的数据。将这组数据以时间反响物浓度的数据。将这组数据以时间t为横坐标，反响物浓度为横坐标，反响物浓度cA为纵坐标直接为纵坐标直接

15、作图。作图。 将图上的实验点连成光滑曲线要求反映出动力学规律，而不用经过每一个点，用丈量各点斜率的方法进展数值或图解微分，得到假设干对不同t时辰的反响速率 数据。再将不可逆反响速率方程如 线性化，两边取对数得：tcddAnkctcAAddAAlnlnddlncnktc 以 对 作图得到直线 其斜率为反响级数n，截距为lnk，以此求得n和k值。 微分法的优点在于可以得到非整数的反响级数，缺陷在于图上微分时能够出现的人为误差比较大。tcddlnAAlnc化学反响器设计根底 物料衡算方程 物料衡算所针对的详细体系称体积元。体积元有确定的边境，由这些边境围住的体积称为系统体积。在这个体积元中，物料温度

16、、浓度必需是均匀的。在满足这个条件的前提下尽能够使这个体积元体积更大。在这个体积元中对关键组分A进展物料衡算。 用符号表示： 更普遍地说，对于体积元内的任何物料，进入、排出、反响、积累量的代数和为0。 不同的反响器和操作方式，某些项能够为0。1b1r1out1insmolAsmolAsmolAsmolAFFFF量的积累元中物料单位时间内体积量物料元中反应消失的单位时间内体积量体积元的物料单位时间排出量体积元的物料单位时间进入broutinFFFF几个时间概念 (1)反响继续时间tr 简称为反响时间，用于间歇反响器。指反响物料进展反响到达所要求的反响程度或转化率所需时间，其中不包括装料、卸料、升

17、温、降温等非反响的辅助时间。 (2)停留时间t和平均停留时间 停留时间又称接触时间，用于延续流动反响器，指流体微元从反响器入口到出口阅历的时间。t (3)空间时间 其定义为反响器有效容积VR与流体特征体积流率V0(指在反响器入口温度及入口压力下的体积流率)之比值。即 空间时间是一个人为规定的参量，它表示在进口条件下处置一个反响器体积的流体所需求的时间。如=1h表示每1h可处置与反响器有效容积相等的物料量。 空间时间不是停留时间0RVV (4)空间速度空间速度SV 有空速和规范空速之分。空速的普通定有空速和规范空速之分。空速的普通定义为在单位时间内投入单位有效反响器义为在单位时间内投入单位有效反

18、响器容积内的物料体积。即：容积内的物料体积。即： 规范空速定义为：规范空速定义为：1R0VhVVS1RNOVhVVS式中式中VNO为进口流体在规范形状液体为为进口流体在规范形状液体为298.15K，气体为，气体为273.15K，0.1013MPa)下下的体积流率。的体积流率。理想反响器理想反响器 在工业上化学反响必然要在某种设备内在工业上化学反响必然要在某种设备内进展，这种设备就是反响器。根据各种进展，这种设备就是反响器。根据各种化学反响的不同特性，反响器的方式和化学反响的不同特性，反响器的方式和操作方式有很大差别。操作方式有很大差别。 从本质上讲，反响器的方式并不会影响从本质上讲，反响器的方

19、式并不会影响化学反响动力学特性。但是物料在不同化学反响动力学特性。但是物料在不同类型的反响器中流动情况是不同的。类型的反响器中流动情况是不同的。简单混合与返混简单混合与返混假设相互混合的物料是在一样的时间进入反响假设相互混合的物料是在一样的时间进入反响器的，具有一样的反响程度，混合后的物料必器的，具有一样的反响程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全一样。这种发生在停留然与混合前的物料完全一样。这种发生在停留时间一样的物料之间的均匀化过程，称之为简时间一样的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。单混合。假设发生混合前的物料在反响器内停留时间不假设发生混合前的物料在反响器内停留时间不同，反响程度

20、就不同，组成也不会一样。混合同，反响程度就不同，组成也不会一样。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反响速率之后的物料组成与混合前必然不同，反响速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。的物料之间的均匀化过程，称之为返混。 按物料在反响器内返混情况作为反响器按物料在反响器内返混情况作为反响器分类的根据将能更好的反映出其本质上分类的根据将能更好的反映出其本质上的差别。的差别。 按返混情况不同反响器被分为以下四种按返混情况不同反响器被分为以下四种类型类型间歇反响器间歇反响器 间歇操作的充分搅拌槽式反响器简称间歇操作的充分

21、搅拌槽式反响器简称间歇反响器。在反响器中物料被充分间歇反响器。在反响器中物料被充分混合，但由于一切物料均为同一时间进混合，但由于一切物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。合，不存在返混。平推流反响器平推流反响器 理想置换反响器又称平推流反响器或活塞流理想置换反响器又称平推流反响器或活塞流反响器。在延续流动的反响器内物料允许作反响器。在延续流动的反响器内物料允许作径向混合属于简单混合但不存在轴向混合径向混合属于简单混合但不存在轴向混合即无返混。典型例子是物料在管内流速较即无返混。典型例子是物料在管内流速较快的管式反响器、列管固定床反

22、响器等，常可快的管式反响器、列管固定床反响器等，常可按平推流反响器处置。按平推流反响器处置。全混流反响器全混流反响器 延续操作的充分搅拌槽型反响器简称延续操作的充分搅拌槽型反响器简称全混流反响器。在这类反响器中物料全混流反响器。在这类反响器中物料返混达最大值。返混达最大值。非理想流反响器非理想流反响器 非理想流反响器。物料在这类反响器中非理想流反响器。物料在这类反响器中存在一定的返混，即物料返混程度介于存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反响器及全混流反响器之间。平推流反响器及全混流反响器之间。间歇反响器间歇反响器 反响物料一次投入反响器反响物料一次投入反响器内，在反响过程中不再向内，在反

23、响过程中不再向反响器内投料，也不向外反响器内投料，也不向外排出，待反响到达要求的排出，待反响到达要求的转化率后，再全部放出反转化率后，再全部放出反响物料。反响器内的物料响物料。反响器内的物料在搅拌的作用下其参数在搅拌的作用下其参数温度及浓度各处均一。温度及浓度各处均一。间歇反响器特点间歇反响器特点由于猛烈搅拌、混合，反响器内有效空间中各由于猛烈搅拌、混合，反响器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都一样；由于一次加料，位置的物料温度、浓度都一样；由于一次加料，一次出料，反响过程中没有加料、出料，一切物一次出料，反响过程中没有加料、出料，一切物料在反响器中停留时间一样，不存在不同停留时料在反响器中

24、停留时间一样，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混景象；出料组成与反间物料的混合，即无返混景象；出料组成与反响器内物料的最终组成一样；为间歇操作，有响器内物料的最终组成一样；为间歇操作，有辅助消费时间。一个消费周期应包括反响时间、辅助消费时间。一个消费周期应包括反响时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热或冷却加料时间、出料时间、清洗时间、加热或冷却时间等。时间等。间歇反响器设计方程间歇反响器设计方程 反响器有效容积中物料温度、浓度一样，反响器有效容积中物料温度、浓度一样，应选择整个有效容积应选择整个有效容积VR作为衡算体系。作为衡算体系。在单位时间内，对组分在单位时间内，对组分A作物料衡算

25、：作物料衡算：的积累量物料中单位时间内的量消失的物料内反应单位时间的量的物料单位时间排出的量的物料单位时间进入AAAARRRRVVVV1ARAsmoldd00tnVr 整理得整理得 当进口转化率为当进口转化率为0时，分别变量并积分得时，分别变量并积分得 为间歇反响器设计计算的通式。它表达为间歇反响器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为到达所要求的了在一定操作条件下，为到达所要求的转化率转化率xA所需的反响时间所需的反响时间tr。1A0ARAsmolddtxnVrAr0RAAA00rddxtVrxntt 在恒容条件下，在恒容条件下， 上式可简化为：上式可简化为： 间歇反响器内为到达一定转

26、化率所需反间歇反响器内为到达一定转化率所需反响时间响时间tr，只是动力学方程式的直接积，只是动力学方程式的直接积分，与反响器大小及物料投入量无关。分，与反响器大小及物料投入量无关。A0AA1xccAA0AAA0AAA0rddccxrcrxct设计计算过程设计计算过程 对于给定的消费义务，即单位时间处置对于给定的消费义务，即单位时间处置的原料量的原料量FAkmol.h-1以及原料组成以及原料组成CA0kmol.m-3、要求到达的转化率、要求到达的转化率xAf及辅助消费时间及辅助消费时间t、动力学方程等，均作、动力学方程等，均作为给定的条件，设计计算出间歇反响器为给定的条件，设计计算出间歇反响器的

27、体积。的体积。 由式由式 计算反响时间计算反响时间tr； 计 算 处 置 一 批 料 所 需 总 时 间 计 算 处 置 一 批 料 所 需 总 时 间 t t ； tt=tr+t t为辅助消费时间为辅助消费时间 计 算 每 批 投 放 物 料 总 量 计 算 每 批 投 放 物 料 总 量 F A ； FA=FAtt 计算反响器有效容积计算反响器有效容积VR；A0AAA0rdxrxctttVVCFVr0RA0AR或 计算反响器总体积计算反响器总体积VR。反响器总体积。反响器总体积应包括有效容积、分别空间、辅助部件应包括有效容积、分别空间、辅助部件占有体积。通常有效容积占总体积分率占有体积。通

28、常有效容积占总体积分率为为6085，该分率称为反响器装填，该分率称为反响器装填系数系数，由消费实践决议。，由消费实践决议。RRVV 例例1-3某厂消费醇酸树脂是使己二酸与己某厂消费醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在二醇以等摩尔比在70用间歇釜并以用间歇釜并以H2SO4作催化剂进展缩聚反响而消费的，作催化剂进展缩聚反响而消费的，实验测得反响动力学方程为：实验测得反响动力学方程为： cA0=4 kmol.m-3132AAminmkmolkcr1133minkmolm1097. 1k 假设每天处置假设每天处置2400kg己二酸，每批操作己二酸，每批操作辅助消费时间为辅助消费时间为1h，反响器装填

29、系数为，反响器装填系数为0.75，求：，求： (1)转化率分别为转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反响时间为多少时，所需反响时间为多少? (2)求转化率为求转化率为0.8，0.9时，所需反响器体时，所需反响器体积为多少积为多少? 解：解：(1)到达要求的转化率所需反响时间到达要求的转化率所需反响时间为：为： xA=0.5 xA=0.6 tr=3.18h xA=0.8 tr=8.5h xA=0.9 tr=19.0hAfAf0A02A2A0AA00AAA0r111ddAfAfxxkcxkcxcrxctxxh10. 26015 . 015 . 041097. 113rt (2)

30、反响器体积的计算反响器体积的计算 xA= 0.8时：时：tt=tr+t=8.5+1=9.5h 每小时己二酸进料量每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对，己二酸相对分子质量为分子质量为146，那么有：，那么有： 处置体积为：处置体积为： 实践反响器体积实践反响器体积VR：10Ahkmol684. 0146242400F130A0A0hm171. 04684. 0cFV 反响器有效容积反响器有效容积VR： 实践反响器体积实践反响器体积VR： 当当xA=0.9时：时： tt=19+1=20h VR=0.17120=3.42m3 VR=3.420.75=4.56m33t0Rm63. 15 . 9171.

31、 0tVV3RRm17. 275. 063. 1VV理想置换反响器理想置换反响器 理想置换反响器是指经过反响器的物料理想置换反响器是指经过反响器的物料沿同一方向以一样速度向前流动，像活沿同一方向以一样速度向前流动，像活塞一样在反响器中向前平推，故又称为塞一样在反响器中向前平推，故又称为活塞流或平推流反响器，英文称号为活塞流或平推流反响器，英文称号为Plug (Piston) Flow Reactor，简称，简称PFR。理想置换反响器的特性理想置换反响器的特性 由于流体沿同一方向，以一样速度向前推进，由于流体沿同一方向，以一样速度向前推进，在反响器内没有物料的返混，一切物料在反响器在反响器内没有

32、物料的返混，一切物料在反响器中的停留时间都是一样的；在垂直于流动方向中的停留时间都是一样的；在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性组成、上的同一截面，不同径向位置的流体特性组成、温度等是一致的；在定常态下操作，反响器温度等是一致的；在定常态下操作，反响器内形状只随轴向位置改动，不随时间改动。实践内形状只随轴向位置改动，不随时间改动。实践消费中对于管径较小、长度较长、流速较大的管消费中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反响器，列管固定床反响器等，常可按平推流式反响器，列管固定床反响器等，常可按平推流反响器处置。反响器处置。理想置换反响器的设计方程理想置换反响器的设计方程 在等温

33、理想置换反响器内，物料的组成沿在等温理想置换反响器内，物料的组成沿物料流动方向，从一个截面到另一个截面物料流动方向，从一个截面到另一个截面不断变化，现取长度为不断变化，现取长度为dl、体积为、体积为dVR的的一微元体系，对关键组份一微元体系，对关键组份A作物料衡算，作物料衡算，如下图，这时如下图，这时dVR=Stdl，式中，式中St为截面积。为截面积。 进入量-排出量-反响量=累积量 故 FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0 1 由于 FA=FA0(1-xA) 微分 dFA=-FA0dxA ，代入1式，得 FA0dxA=(-rA)dVR 为平推流反响器物料平衡方程的微分式。对整个反响器

34、而言，应将上式积分。 上式为平推流反响器的积分设计方程。上式为平推流反响器的积分设计方程。AR0AA00ARddxVrxFVA0AA0A0ARdxrxcFVA0AA0A0RdxrxcVV 对于恒容过程：对于恒容过程： 以上设计方程关联了反响速率、转化率、以上设计方程关联了反响速率、转化率、反响器体积和进料量四个参数，可以根反响器体积和进料量四个参数，可以根据给定条件从三个知量求得另一个未知据给定条件从三个知量求得另一个未知量。量。A0AA1xcc2A1AAA0RdccrcVV 例例1-4条件同例条件同例1-3，计算转化率分别为，计算转化率分别为80、90时所需平推流反响器的大小。时所需平推流反

35、响器的大小。 解：对解：对PFR 代入数据代入数据xA=0.8时：时： xA=0.9时：时：2A1AAA0A0RdxxrxcVV222AAA0A02A20AA0A0R111dxxkcxkcxcVVx33Rm45. 16018 . 018 . 041097. 1171. 0V3Rm26. 3V变容反响过程变容反响过程 理想置换反响器是一种延续流动反响器，可以用理想置换反响器是一种延续流动反响器，可以用于液相反响，也可以用于气相反响。用于气相反于液相反响，也可以用于气相反响。用于气相反响时，有些反响前后摩尔数不同，在系统压力不响时，有些反响前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反响会引起系统物料

36、体积发生变化。变的情况下，反响会引起系统物料体积发生变化。物料体积的改动必然带来反响物浓度的变化，从物料体积的改动必然带来反响物浓度的变化，从而引起反响速率的变化。而引起反响速率的变化。膨胀因子和膨胀率膨胀因子和膨胀率 为了表征由于反响物系体积变化给反响为了表征由于反响物系体积变化给反响速率带来的影响，引入两个参数，膨胀速率带来的影响，引入两个参数，膨胀因子和膨胀率。因子和膨胀率。膨胀因子膨胀因子 反响式反响式 计量方程计量方程 定义膨胀因子定义膨胀因子 即关键组份即关键组份A的膨胀因子等于反响计量系的膨胀因子等于反响计量系数的代数和除以数的代数和除以A组分计量系数的相反数。组分计量系数的相反

37、数。SRBAsrba0SRBAISRBAIAIA 膨胀因子是由反响式决议的，一旦反响式确定，膨胀因子就是一个定值，与其它要素一概无关。02312C3BA2A膨胀因子的物理意义膨胀因子的物理意义 关键组分关键组分A耗费耗费1mol时，引起反响物系时，引起反响物系摩尔数的变化量。对于恒压的气相反响，摩尔数的变化量。对于恒压的气相反响，摩尔数的变化导致反响体积变化。摩尔数的变化导致反响体积变化。A0是摩尔数添加的反响，反响体积添加。是摩尔数添加的反响，反响体积添加。AE2时，时，E1-E20，随着温度的上升，随着温度的上升， 选择性选择性SP上升，可见高温有利于提高瞬时上升，可见高温有利于提高瞬时选

38、择性；当选择性；当E1E2时，时，E1-E2a2，blb2时，升高浓度，使选择性添加，假时，升高浓度，使选择性添加，假设要维持较高的设要维持较高的cA、cB，那么应选择平推，那么应选择平推流反响器、间歇反响器或多釜串联反响器流反响器、间歇反响器或多釜串联反响器 例例2-2 有一分解反响有一分解反响 其中其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0 =5 kmolm-3，cP0=cS0=0，体积流速为，体积流速为5m3h-1，求转化率为求转化率为90时：时： (1)全混流反响器出口目的产物全混流反响器出口目的产物P的浓度及所需的浓度及所需全混流反响器的体积。全混流反响器的体积。

39、 (2)假设采用平推流反响器，其出口假设采用平推流反响器，其出口cP为多少为多少?所需反响器体积为多少所需反响器体积为多少? (3)假设采用两釜串联，第一釜最正确出口假设采用两釜串联，第一釜最正确出口cP为多少为多少?相应反响器体积为多少相应反响器体积为多少?2A2SA1pSAPAckrckr付产物目的产物 (1)全混流反响器 全混流反响器平均选择性等于瞬间选择性32AA0A0R3A0APP22A2A1A1AP1PPm7 .255 . 05 . 15 . 015 . 45mkmol57. 25 . 05571. 0%1 .579 . 0155 . 19 . 01519 . 0151rccVVc

40、cScckckckrrpaSS (2)平推流反响器A0APPccSc0AAAPA0APd1CCcSccS0AAAPPdcccSc30AAA0A0RAAAAA0RA0APP3A0AAAAA12A2A2A1A1Pm61. 35 . 115 . 11lnln5 . 11dd%3 .235 . 0505. 1mkmol05. 15 . 05 . 1155 . 11ln5 . 115 . 115 . 11ln5 . 11d5 . 111d11d0AA0AAA0A0AA0AAccccVVcccrcVVcccScccccckkcckckckccccccccccc (3)两个全混釜串联 为使cP最大，求 ，

41、得cA1=1.91kmolm-32A2A1A1A1A0A2A1A22A22A12A11A0A21A21A11A12A2P1AP1P5 . 115 . 11ccccccccckckckccckckckcScSc0dd1APcc32222A22A12A1A021A21A11002R1RRP3m5 .105 . 05 . 15 . 015 . 091. 1591. 15 . 191. 1191. 155%7 .355 . 0561. 1mkmol61. 15 . 05 . 115 . 091. 191. 15 . 1191. 15ckckccVckckccVVVVScAAP连串反响特性与反响器选型连

42、串反响特性与反响器选型 连串反响是指反响产物能进一步反响成连串反响是指反响产物能进一步反响成其它副产物的过程。其它副产物的过程。 作为讨论的例子，思索下面最简单型式作为讨论的例子，思索下面最简单型式的连串反响的连串反响(在等温、恒容下的基元反响在等温、恒容下的基元反响)： 在该反响过程中，目的产物为在该反响过程中，目的产物为P，假设目，假设目的产物为的产物为S那么该反响过程可视为非基元那么该反响过程可视为非基元的简单反响。的简单反响。SPA21kk 三个组分的生成速率为：三个组分的生成速率为： 设 开 场 时 各 组 分 的 浓 度 为设 开 场 时 各 组 分 的 浓 度 为 c A 0 ，

43、cP0=cS0=0，那么由第一式积分得：，那么由第一式积分得：A1AAddcktcrP2A1PPddckcktcrP2SSddcktcrtkecc10AA 将此结果代入第二式得：将此结果代入第二式得： 为一阶线性常微分方程，其解为：为一阶线性常微分方程，其解为： 由于总摩尔数没有变化，所以由于总摩尔数没有变化，所以 cA0=cA+cP+cS0dd10A1P2Ptkeckcktctktkeekkkcc122110APtktkekekkkcc2112210AS11t=0时，时，Cp=0) 假设假设k2k1时，时， 假设假设k1k2时，时， 组分组分A、P、S随时间的变化关系以浓度随时间的变化关系以

44、浓度-时间标绘得图时间标绘得图tkecc110AStkecc210AS 中间产物中间产物P浓度的最大值及其位置浓度的最大值及其位置 由前面式子可以求出：由前面式子可以求出： 为了提高目的产物的收率，应尽能够使为了提高目的产物的收率，应尽能够使k1/k2比值添比值添加，使加，使cA浓度添加，浓度添加，cP浓度降低。浓度降低。 反响速率常数反响速率常数k与浓度无关，只需改动温度可以影与浓度无关，只需改动温度可以影响响k1/k2。1212optlnkkkkt12221A0maxPkkkkkcc 对连串反响对连串反响 瞬时选择性定义为：瞬时选择性定义为： 假设是一级反响且假设是一级反响且a=p=1SPA21spakkApPrrpaSAP1020A1P2A1APP211ccek