化学工程基础4

1、第六节第六节 均相化学反应均相化学反应 8. 均相串联反应均相串联反应 卤化、水解、卤化、水解、加成加成 苯 CH2=CH2 乙苯 CH2=CH2 邻二乙苯 A P S1122()AAPAPSPrk crk ck crk ck1k2k1k2温度效应温度效应：如果如果E1 E2，升高温度升高温度 对反应有利，对反应有利， (同平行反应同平行反应)12121212010()11PAAPAPAEEPRTArrk ck ck ck ck ckcekc浓度效应：浓度效应：结论：结论：n1 n2， 提高初浓度提高初浓度 对反应有利，对反应有利， PAcc211()pPAAk crrk c 转化率影响转化率

2、影响（以反应分离系统的优化经济目标来确定） x，不能盲目不能盲目追求高转追求高转化率化率xA，应低单程应低单程转化率转化率xA 回收回收循环循环（以（以优化经济优化经济目标目标确定确定 xA）PAcc理想管式连续釜式211()pPAAk crrk c9. 理想管式与连续釜式反应器空时比较理想管式与连续釜式反应器空时比较 （幂级数型）理想管式 连续釜式 小好小好 SV大好大好 级数n越高，越大xA越高，越大曲边三角形曲边三角形矩形矩形cA越低越低0()()AAAAAdcrdxcr 注意注意:高高x、高级高级数连续釜数连续釜式反应器式反应器生产能力生产能力 连续釜式理想管式例：例：2级反应， x0

3、.99 Vc100VP10. 自催化反应自催化反应 比较比较（使总体积最少）（使总体积最少）出口浓度低时，采用全混釜平推流出口浓度高时，采用全混釜分离器 11. 连续釜式反应器的浓度特征连续釜式反应器的浓度特征简单反应：不利不利可逆反应：不利不利平行反应：n1n2 不利不利 很多情况下不利很多情况下不利 n1n2 有利串联反应：不利不利反应物产物cAfcp0cA0cPf12. 管式循环反应器的环流管式循环反应器的环流循环比A点点作物料衡算 cA1=cA0 cA1=cAf0RvRv00001(1)AAfAv cRv cR v c0110111AA fAAA fAACR ccRccccR000RR

4、vRvvRv 进料体积流量循环体积流量理想管式反应器连续釜式反应器 这里是有组织的这里是有组织的cAf循环器出口反应物浓度循环器进口反应物浓度进料反应物浓度cA1物料衡算物料衡算1100(1)()(1)()A fAAA fcAAccAAcd cVRvrd cVRvr1011AAfAAccccR 循环比循环比R ：理想管式反应器理想管式反应器 循环比循环比R ：连续釜式反应器连续釜式反应器 间歇釜式反应器：混合间歇釜式反应器：混合 连续釜式反应器：强烈环流连续釜式反应器：强烈环流返混返混（不同龄混和）（不同龄混和）全混全混 釜釜 改变浓度分布，造成生产能力下降改变浓度分布，造成生产能力下降00(

5、1)(1)()()0AAAAd cRv cRvcd lrd Vd l13. 返混特点返混特点不同时刻进入物料间的混合不同时刻进入物料间的混合连续后才有改变浓度分布，利弊取决于动力学浓度效应浓度效应 （如果釜式反应器连续操作由于返混而不利，可采用多釜多釜操作）是连续反应器的一个重要工程因素重要工程因素14. 限制返混的措施限制返混的措施 返混利弊视反应特征而定返混利弊视反应特征而定 “放大效应放大效应”n管式反应器：填充填料，促使速度分布均匀。 L/dp100,速度分布影响很小n气液鼓泡塔： 放填料 分散气泡、增强传质、限制返混分散气泡、增强传质、限制返混 设置横向挡板（多级鼓泡反应器） 安装垂

6、直同心套管n流化床：多层管长填料直径。多级鼓泡反应器示意图多级鼓泡反应器示意图- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 。 。 。气体进液体出 液体进气体出档板- - - - - - - - - - - - - - - - - 气体进液体出 液体进气体出气液鼓泡塔安装垂直同心套管气液鼓泡塔安装垂直同心套管。同心的垂直套管n连续釜式反应器：多釜串联多釜串联可以减少空时多釜串联可以减少空时 ，也即可以降低反应器体积也即可以降低反应器体积 VR0R

7、VVq- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1()ArcAf cA2 cA1 cA0反应器体积物料初始体积流量 减少15.多釜串联反应结果得出多釜串联反应结果得出n计算：如

8、一级，各釜体积、温度相同，则第N釜n图解01111101222110AAnAVAAnAVccVk cqccVk cqcA1cA20(1)AANNicck,1()()NAiA iA iA iAiiirkcccr各釜串联操作方程(-rA)第一釜体积例：例：A P, 850C, k = 3.45 h-1, V = 10m3, x = 0.95, qV0 = 1.82 m3h-1, 若改两釜两釜串联，总反应体积多少？ （两釜体积相等）解：解：设总体积 V = 2V1 = 2V2 连续釜式011cck01111222AAAAAAcckccckc0110121200111AAVAAVVcVkcqcVVkk

9、cqq010121021(1)1(1)AVAAVAcVqk cVcqk c第二釜体积上两式消去cA1（方程两边分别相乘）20102(1)AVAcVkqc01020100231(1)22212(1)(1)(4.471)23.450.053.4521.823.64AVAAVVAcVqkccVVqqkcVm三釜三釜十釜十釜一釜一釜3033301 01 0331 . 8 2(1 )2 . 7 231 . 8 2(1 )1 . 8 41 0AAAAcVmkccVmkcVm结论：结论：a. 随釜数增加，效益缓慢随釜数增加，效益缓慢 b. 随釜数增加，反应器制造、维护、操作和随釜数增加，反应器制造、维护、操

10、作和 控制复杂，通常以控制复杂，通常以3至至4釜釜为宜为宜第七节第七节 非均相反应过程中的质量传递非均相反应过程中的质量传递一. 非均相反应过程的研究方法气固相催化 合成氨、合成氨、SO2 2氧氧化化 流固非催化反应 FeS2焙烧焙烧 气液鼓泡反应器 互不相溶液液反应（连续釜式反应器） 传质尺度：微团微团 催化剂颗粒、液滴、气泡催化剂颗粒、液滴、气泡 设备 流动、温度不均匀性流动、温度不均匀性 浓差浓差 不考虑热效应 主体 颗粒表面 内表面吸附 反应 脱附 颗粒表面 主体 外扩外扩1内扩内扩2内扩内扩6外扩外扩7345反应物产物气相反应在气相反应在 A R 催化剂表面进行催化剂表面进行:n考察

11、方法考察方法 气体 无法跟踪物料 停留时间停留时间 反应时间反应时间 考察微元考察微元 cb ces cis 催化剂颗粒外表面浓度ces流体主体浓度cb催化剂颗粒内表面浓度cis（ cis也不是单一数值，也不是单一数值，随内部深度不同而变化）随内部深度不同而变化） 非均相过程拟均相化非均相过程拟均相化a.效率因子法 便于剖析便于剖析 b.表观动力学法 便于应用便于应用 ()()isisrf cc()()rbbrf cc :rcb ces cis反应速率效率因子反应选择率效率因子1122()()()()esobesbobbRF ccRF cc cb ces颗粒床层二二. 非均相反应过程中的外部质

12、量传递非均相反应过程中的外部质量传递n假设假设 （r） = kcisn 幂级数幂级数 cis ces 忽略内部传递忽略内部传递反应速率与传质速率反应速率与传质速率 传质速率 N kga（cbces） a：比表面积 颗粒外表面积颗粒外表面积 定态下：R N （ r）表观速率v 扩散对化学反应影响，由 引起v 传质对 影响由 决定，k，影响 （由最慢、最弱因素决定）（由最慢、最弱因素决定）v 传质结果 ，使反应速率()ngbesesk a cckc11esbgckck a一级一级besccescgkk aesbcc结果：结果：ngbgesesnesgesgbk ack ackckck ack ac

13、n极限反应速率与极限传质速率极限反应速率与极限传质速率 极限反应速率 极限传质速率nLibesbgrkccck a0LigbesgNk acck a化学反应控制化学反应控制传质控制传质控制 kk本征动力学本征动力学 原来原来反应级数反应级数速率常数速率常数活化能活化能扩散动力学扩散动力学表观反应级数表观反应级数1表观活化能表观活化能 n催化剂颗粒外表面浓度和外部效率因子催化剂颗粒外表面浓度和外部效率因子baggbkckDk ak ac一级一级极限反应速率极限传质速率11esbccDaDamkohler准数（达姆克勒准数）颗粒外部传质影响大小判据颗粒外部传质影响大小判据准数概念、意义：准数概念、

14、意义： （摩擦系数）摩擦系数）=f(Re、 d).非一级非一级 除以 根据定义()0ngbesesnesgesgbk a cckckck ack acnbkc()()0gbgbnesesnnbbbbk ack acccckcckc1,nbgkcD ak a11()()0nesesbbcccDa cDa（1）代入（1）()esbcf Dac整级数反应时的颗粒外表面浓度整级数反应时的颗粒外表面浓度反应级数1级2级0.5级esbcc11Da1412DaDa222(2)(2)42DaDa反应级数1级2级0.5级整级数反应时颗粒外部效率因子整级数反应时颗粒外部效率因子111Da21( 141)2aDDa

15、242DaDa11()nne sbnne se snbbRk ck ck cck cc1:外部效率因子v Da，极限反应速率 极限传质速率，传质控制，ces 0， 0v Da，极限反应速率 极限传质速率，反应控制， 1，1v Da 非一级，浓度的影响与级数有关 esbcc111nbgkck a 大于一级，进料端影响大于一级，进料端影响 出料端出料端 小于一级，进料端影响小于一级，进料端影响 出料端出料端 均相串联反应对选择率的温度效应和浓度效应。 转化率对均相串联反应选择率有何影响？请解释。 理想管式和连续釜式反应器空时比较有何特点？ 对于自催化反应，如要求出口浓度很低，如何采用反应器组合，请

16、用图示意。 返混特点。 对管式固定床、气液鼓泡塔和流化床如何限制返混？ 多釜串联反应结果的得出。思思 考考 题：题：习习 题：题： （共3题）n自催化反应 A + R 2R, 其速率方程式为(-rA) = kcAcR,在 700C 等温进行时，k = 1.512 m3 kmol-1 h-1。已知：cA0 = 0.99 kmol m-3, cR0 = 0.01kmol m-3, qV0 = 1m3 h-1, 若要求转化率达99，试求此反应分别在活塞流反应器和全混流反应器中进行时所需反应器的有效体积。 （答：（答：6.1 m3 ；66.13 m3 ）n将上题改在由全混流反应器和活塞流反应器组成的串

17、联反应器中进行（CSTR 在前），已知 k = 1.512 m3 kmol-1 h-1 ， cA0 = 1kmol m-3 ， cR0 = 0.01 kmol m-3，qV0=1m3h-1，求转化率达 98时所需组合反应器的总有效体积。 （答：（答：3.9 m3）n有一反应 AB CD，在两个相同的串联全混釜中 进行，（-rA) = kcAcB, 已知 k1.00dm3 mol1 min1，cA0 cB0 1.00mol dm3 ， 物料经二釜总的空间时间为 10 min， 求：（1）该反应经过二釜后的转化率； （2）若再串联一个同样的反应釜，则转化率可提高多 少？ （答：（答：81.4；6.

18、9） 氨接触氧化的主、副反应为： 已知反应器进出口处物料的摩尔分数为：组 成入口处x出口处xNH3O2N2H2ONO11.5223.0562.672.7600.228.7求氨的转化率和一氧化氮的收率和选择性。322322245464326NHONOH O QNHONH O Q（主反应）（副反应）附：附： 第一次作业第二题第一次作业第二题参考答案参考答案题目：题目：解：解：以100 mol 进料为计算基准，并设 x 和 y 分别表示NO和 N2的生成量（mol), 根据进料组成和化学计量式，可列下表根据反应器出口处和的摩尔组成得：联立求解得：x =11.252mol, y = 0.024molNH3 的转化量为 x + 2y = 11.3molNH3 的转化率为 x = (11.3/11.52) 100% = 98.1%