反应工程复习

1、 转化率、收率和选择性转化率、收率和选择性一、规范的化学计量方程一、规范的化学计量方程 B0SBA0BSBA例例:1 1 计量方程中反应物计量系数为负值，产物为正值计量方程中反应物计量系数为负值，产物为正值2 2 计量方程仅表示由于反应引起参与反应的物质之间量的变计量方程仅表示由于反应引起参与反应的物质之间量的变化关系，与反应实际历程无关化关系，与反应实际历程无关 3 3 计量方程的计量系数间不含有除计量方程的计量系数间不含有除1以外的公因子以外的公因子注意注意: :2222NO2ONO20NO2ONO22222NO2O(NO)(NO)NONO反应机理t=0 t=0 n ni0i0t=t t=

2、t n ni i转化率（针对反应物）转化率（针对反应物）该反应物的起始量某一反应物的转化量x定义：定义：间歇反应：间歇反应：)1 (iioiioiioixnnnnnx连续反应：连续反应：)1 (iioiioiioixFFFFFxZ=0Fi0Z=ZFimol：nol/smn：循环反应循环反应有物料循环反应的过程有物料循环反应的过程单程转化率单程转化率-新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率%100MFARPAMFAFFF单程转化率单程转化率全程转化率全程转化率-新鲜原料进入反应系统起到离开系统达到的新鲜原料进入反应系统起到离开系统达到的转化率转化率%100FAP

3、AFAFFF全程转化率全程转化率单程转化率单程转化率全程转化率全程转化率OHCHH2CO3PT,cat,2 全程全程 转化率转化率单程单程 转化率转化率1 1、不同的反应物，、不同的反应物，x 值不同（原料配比若符合化学计量关系，值不同（原料配比若符合化学计量关系，则则x的数值相同）的数值相同） 注意：注意：2 2、关键组分关键组分( (着眼组分）反应物中价值最高的组分，关键组着眼组分）反应物中价值最高的组分，关键组分转化率的高低直接影响反应过程的经济效果，关键组分的分转化率的高低直接影响反应过程的经济效果，关键组分的转化率最大可达转化率最大可达100%100%。3 3、反应物起始量的选择、反

4、应物起始量的选择连续反应器连续反应器-进口原料状态进口原料状态间歇反应器间歇反应器-反应开始状态反应开始状态多个反应器串联多个反应器串联-进入第一个反应器进入第一个反应器收率收率-针对产物针对产物收率与选择性收率与选择性对于单一反应对于单一反应 Y=X( (关键组分）关键组分） 对于复合反应对于复合反应 YX收率也有单程和全程之分（循环物料系统）收率也有单程和全程之分（循环物料系统） 注意：注意：RBARBA关键组分的起始量所消的关键组分量生成产物关键组分的起始量生成的量反应产物RRyRAR正值正值 R: 产物 A: 关键组分选择性选择性针对复合反应针对复合反应)()(SQARBA副主SRBA

5、已转化的关键组分量键组分的量生成主产物所消耗的关S转化率转化率X只能说明总的结果，只能说明总的结果，Y说明说明 转化了的反应物变转化了的反应物变成成 产物的比例，选择性产物的比例，选择性S说明转化了的反应物变成说明转化了的反应物变成 目目的产物的比例的产物的比例SXY -X关键组分，Y、S是同一产物无论是收率、选择性、转化率还是反应进度无论是收率、选择性、转化率还是反应进度, , 数值结果数值结果不一样，但说明同样的问题不一样，但说明同样的问题 。 化学反应器的操作方式及结构类型化学反应器的操作方式及结构类型操作方式分类：操作方式分类：分批（或间歇）式操作：分批（或间歇）式操作：一次性投料卸料

6、，反应物系浓度或组成等随时间变化。用于一次性投料卸料，反应物系浓度或组成等随时间变化。用于实验室、产量小、一个反应器生产多个产品，具有生产弹性实验室、产量小、一个反应器生产多个产品，具有生产弹性大，操作灵活的特点。大，操作灵活的特点。连续式操作：连续式操作：原料不断加入，反应器内物系参数均不随时间变化，随物料原料不断加入，反应器内物系参数均不随时间变化，随物料所处位置变化。用于产品品种单一而产量大的情况。所处位置变化。用于产品品种单一而产量大的情况。半分批（或半连续）式操作：兼有以上两种过程特点，较复杂半分批（或半连续）式操作：兼有以上两种过程特点，较复杂反应器设计的基本方程反应器设计的基本方

7、程n反应器设计的基本方程q物料衡算方程式n以质量守恒定律为基础，计算反应器体积的基本方程q热量衡算方程式n以能量守恒与转化定律为基础，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变化q动量衡算方程式n以动量守恒为基础，可以计算反应器中压力的变化q动力学方程式n反应速率与物质浓度、反应体系温度、压力的关系衡算方程形式：*输入量输出量+因反应而改变的量+累积量第二章第二章 反应动力学基础反应动力学基础第一节第一节 化学反应速率化学反应速率 定义：单位时间定义：单位时间, ,单位体积反应物系中某一组分单位体积反应物系中某一组分i i的物质的量的的物质的量的变化变化 RvBvAvRBAdtdnrAVA1dtdn

8、rBVB1dtdnrRVR1dtdnriVi1选择哪个物质？选择哪个物质？ 易通过实验监测其物质的量的变化易通过实验监测其物质的量的变化反应区反应时间反应量反应速率 一、单一反应的反应速率一、单一反应的反应速率1、均相反应的反应速率、均相反应的反应速率RBArrr)(RBA除非RRBBAAvrvrvrrvrvrvrRRBBAA平均反应速率平均反应速率，不受所选组分的限制，在复杂反应不受所选组分的限制，在复杂反应系统的动力学计算中最为方便系统的动力学计算中最为方便。dtdnriVvi1 平均反应速率平均反应速率注意：注意： （1 1） 反应速率其值恒为正反应速率其值恒为正（2 2） 单位单位:

9、: mol/m3s, mol/m3min ,mol/m3h（3）（4） 用浓度表示的反应速率反应物系体积恒定反应物系体积恒定dtdnrAVA1dtVcdAV)(1dtdcAdtVdcdtdVcdtVcdAAA)(0dtdVcA变容过程（气相反应）不能用上述形式变容过程（气相反应）不能用上述形式dtdcrii1（5） 用转化率表示的反应速率dtdxnrAAVA01（6） 用反应进度表示的反应速率dtdrVA1（7）连续式操作反应器系统达到稳定时，反应器内任一点参数不随时间变化系统达到稳定时，反应器内任一点参数不随时间变化0dtdn即适合用隐含时间的反应速率适合用隐含时间的反应速率 单位时间单位时

10、间, ,单位体积，组分物质的量的变化单位体积，组分物质的量的变化物料衡算物料衡算 输入量输出量输入量输出量+因反应而改变的量因反应而改变的量+累积量累积量rAArAAAAdVdFrdVrdFFF0）（对于多相反应，常用相界面积对于多相反应，常用相界面积a代替反应体积代替反应体积V Vr r非均相催化反应，反应速率的定义是以固体催化剂非均相催化反应，反应速率的定义是以固体催化剂的质量为基准，即的质量为基准，即 2、非均相反应的反应速率、非均相反应的反应速率二、复合反应的反应速率二、复合反应的反应速率jr 对于多个反应的体系，设对于多个反应的体系，设n n个反应组分：个反应组分：A A1 1, ,

11、.A.An n 其中有其中有M M个独立反应（个独立反应（M M个关键组分）个关键组分） 为第为第j j个反应的平均反应速率个反应的平均反应速率 组分组分A Ai i的复合反应速率为的复合反应速率为 MjjiirrR1M1jjj i ijij符号：反应物，取负；产物，符号：反应物，取负；产物， 取正取正R Ri i与与r ri i的区别：的区别：R Ri i针对若干反应；针对若干反应；r ri i针对一个反应针对一个反应第三节第三节 温度对反应速率的影响温度对反应速率的影响一、反应速率常数一、反应速率常数k与温度与温度T 的关系的关系A：指前因子，决定于反应的本质：指前因子，决定于反应的本质E

12、：活化能，决定于反应的本质，在一定温度范围内：活化能，决定于反应的本质，在一定温度范围内反应机理不变其值不变。催化剂，降低反应机理不变其值不变。催化剂，降低 E 的值。的值。)exp(RTEAk由阿累尼乌斯经验公式由阿累尼乌斯经验公式二、二、T对对k的影响的影响Lnk = lnA E/RT lnk 对对 1/T 作图，可得直线，直线的斜率作图，可得直线，直线的斜率=E/RT )exp(RTEAk 图图2.1 2.1 速率常数随温度的变化速率常数随温度的变化 k k随随T T升高而增加升高而增加结论：结论：不可逆单一反应不受化学反应平衡限制，从不可逆单一反应不受化学反应平衡限制，从动力学角度考虑

13、应尽可能在动力学角度考虑应尽可能在高的温度高的温度下进行反应，下进行反应，但同时要考虑催化剂丧失活性、耐高温材料的选用，但同时要考虑催化剂丧失活性、耐高温材料的选用，热能的供应等高温带来的问题。热能的供应等高温带来的问题。飞温飞温温度对不可逆反应速率的影响温度对不可逆反应速率的影响)()exp(AxfRTEArT k& r 讨论：讨论：a a 可逆吸热反应可逆吸热反应EE 0)AXTr（即可逆吸热反应的反应速率随温度的升高而增加即可逆吸热反应的反应速率随温度的升高而增加图图2.2 2.2 可逆吸热反应关系图可逆吸热反应关系图1234rrrrT一定，一定，xA与与r的关系的关系xA一定，

14、一定，T与与r的关系的关系温度对可逆反应速率的影响温度对可逆反应速率的影响b b 可逆放热反应可逆放热反应EE 可逆放热反应的反应速率随温度的变化不是单调变化可逆放热反应的反应速率随温度的变化不是单调变化图图2.32.3可逆放热反应速率与温度的关系图可逆放热反应速率与温度的关系图温度较低时，动力学影响显著；温度较低时，动力学影响显著；温度较高时，平衡影响显著，存温度较高时，平衡影响显著，存在反应速率的极大点。在反应速率的极大点。22)()()(RTARTAXTrEkEkXgXfA2.34EEEERTeTeToptln1-2.37可逆放热反应最佳反应温度可逆放热反应最佳反应温度Topt的求取的求

15、取图图2.4 2.4 可逆放热反应的转化率与温度的关系可逆放热反应的转化率与温度的关系 r0r0：平衡曲线：平衡曲线r1, r2, r3, r4 , r5r1, r2, r3, r4 , r5 ：等速率曲线，：等速率曲线， r5r4r3r2r1r5r4r3r2r1r1r1最接近平衡线最接近平衡线r0r0最佳温度曲线：等速率线上极值点最佳温度曲线：等速率线上极值点反应在最佳温度曲线上进行，整个过程反应在最佳温度曲线上进行，整个过程的反应速率最快的反应速率最快T表表 2-12-1反应速率随温度变化的小结反应速率随温度变化的小结不可逆反应不可逆反应TT，r r 可逆吸热可逆吸热TT，r r 可逆放热

16、可逆放热TT，r r rr第五节第五节 复合反应复合反应复合反应：同一反应物系中同时进行着若干个化学反应复合反应：同一反应物系中同时进行着若干个化学反应 （主副（主副反应）反应）特点：某一组分既可能是某反应的反应物，也可能是另一反特点：某一组分既可能是某反应的反应物，也可能是另一反应的产物。应的产物。定义：单位时间、单位体积反应混合物中某一组分定义：单位时间、单位体积反应混合物中某一组分i i的物质的物质的量的变化。的量的变化。一、反应组分的转化速率与生成速率一、反应组分的转化速率与生成速率iMjjijiirtC1dd个反应第j: j个组分第i: i个反应组分参与第第j:iij个反应的平均反应

17、速率第j:jr可正可负及代表的反应速率都为正jijBArrrr，,.,i可能是负值或正值，负值表示组分i在反应过程中是减少的QAPAA)(主AQAPckrckr21例：例：求求PA解：解：APPckrr111AAAAAAckckrrrr212121) 1(APckrr11AQckrr22rvrvrvrRRBBAA注意：例例2.4 高温下将乙烷进行热裂解生产乙烯，其反应及速率方程：高温下将乙烷进行热裂解生产乙烯，其反应及速率方程：ERERMRpAHEAcckrCHHCHCHCcckrHCHCHCcckckrCHHCHCckrCHHCHCcckckrHHCHC5546362224464422233

18、3422632248362111242622导出乙烷和乙烯的生成或转化速率。导出乙烷和乙烯的生成或转化速率。ERERMRpAHEAcckrMPAEcckrSERcckckrMRPckrMQAcckckrHEA554433362211125415212-rrrrrrEA解：解：1 1、并列反应、并列反应反应系统中每个反应的组分各不相同反应系统中每个反应的组分各不相同 例如例如 AP BQAP BQ二、复合反应的基本类型二、复合反应的基本类型特点：特点：1 1 各个反应独立进行各个反应独立进行 2 2 ri与其它反应组分浓度无关与其它反应组分浓度无关 3 3 ri与其它反应速率有关（变容、热效应）

19、与其它反应速率有关（变容、热效应）2 2、平行反应、平行反应反应物完全或部分相同，产物完全不同或不全相同反应物完全或部分相同，产物完全不同或不全相同QAPAA)(主AAckrckr2211ASSAPPAAAAckdtdcckdtdcckckdtdc2121-1若2100212121021ln-kkcccckkdcdcckdtdcckdtdctkkccckckdtdcSSPPSPASAPAAAAA由以上两式作图，得到两条直线由以上两式作图，得到两条直线联立可求得：联立可求得：k1k1，k2k2。代回即可求得平行反应。代回即可求得平行反应的动力学方程。的动力学方程。3 3、连串反应、连串反应 一个

20、反应的产物同时又是另一个反应的反应物一个反应的产物同时又是另一个反应的反应物42222222ONNONOONO4l3l22l3l4llll2222CCCCHCCHCCHCHCCCC氯甲烷制法氯甲烷制法 甲烷在光或热的引发下与氯反应：甲烷在光或热的引发下与氯反应： 适当调节甲烷与氯的配比适当调节甲烷与氯的配比, ,可得到不同比例的四种氯化物可得到不同比例的四种氯化物 各反应均为各反应均为 一级反应一级反应SPAkk21PSSPAPPAAAckdtdcckckdtdcckdtdc2211-AAAckdtdc1-积分得：积分得：tktkAPeeckkkc120211PAPPckckdtdc21AAp

21、CCC0积分得：积分得：tktkAPAAeeckkkctkcc12021110exptktkAsekekkkcc211221011PAASCCCC0连串反应浓度随时间变化图连串反应浓度随时间变化图复合反应技术指标：加快主反应速率，降低副反应速率复合反应技术指标：加快主反应速率，降低副反应速率 获得尽可能多的获得尽可能多的主产物主产物已转化的关键组分的量键组分的量生成目的产物消耗的关选择性)(s衡量技术指标的方法衡量技术指标的方法三、复合反应的技术指标三、复合反应的技术指标（反应为不可逆反应）（反应为不可逆反应）已转化的关键组分的量生成目的产物的量PASPA：生成生成1mol 1mol 主产物主

22、产物P P所消耗关键组分所消耗关键组分A A的的molmol数数已转化的关键组分的量生成目的产物的量PASA AP PP PA A 瞬瞬时时选选择择性性( (s s) )关键组分的转化速率关键组分的转化速率目的产物的生成速率目的产物的生成速率PAPA j jr rAjAj k kr rpkpk PAPA 瞬时选择性瞬时选择性 动态动态AP()AQA主AAckrckr2211平行反应平行反应1PAAPck1AAAAckck21AAAAckck21APPAS)(瞬时选择性AAAAPAckckck211AAckkk211),(cTfs constkkconstT21,时，的关系有关的变化趋势与随，A

23、csscAscA无关与Asc-1、 T 一定时，CA 对S 的影响惰性物质惰性物质温度、催化剂温度、催化剂 )exp(RTEAkAAcRTEEAAS)exp(112112代入代入式：式：时constcA结论：可以通过反应动力学的分析，掌握提高结论：可以通过反应动力学的分析，掌握提高S S 的的工艺条件。工艺条件。2、CA 一定时， T 对S 的影响21EE ST21EE ST11A2 Akkk c 第六节第六节 反应速率方程的变换反应速率方程的变换)()(21cfTfr 反应速率方程：反应速率方程：以关键组分的转化率或目的产物的收率表示各组分浓度，以关键组分的转化率或目的产物的收率表示各组分浓

24、度，进而表示反应速率，称为进而表示反应速率，称为反应速率方程的变换反应速率方程的变换一、单一反应一、单一反应气相反应气相反应PBAPBA等温反应等温反应 k k=const=constBAAckcr 00AAcc00BBcc00Pc-要求：将要求：将BAAckcr 变换成用变换成用x xA A 表示的动力学方程表示的动力学方程1 1、恒容反应（、恒容反应（dVdV=0)=0)VncAAconstV )(AAnfc )1 (000AAAAAAAxnnnnnx两边同除两边同除V V 得：得：)1 (0AAAxcc-BABBAAcccc00AAABBBxccc00-)1 (0AAAxVnVnBAAc

25、kcr 其它组分其它组分Ci AAAiixcc00)()1 (000AAABBAAxccxkc-dtdcrAAdtdxcdtxcdrAAAAA00)1 (-= = ：dtdxcAA0)()1 (000AAABBAAxccxkcBAAckcr 边界条件积分求解边界条件积分求解 tfxA2 2、变容反应、变容反应气相非等分子反应一般为变容反应气相非等分子反应一般为变容反应等分子反应：计量方程中计量系数之和等于零等分子反应：计量方程中计量系数之和等于零非等分子反应：计量方程中计量系数之和不等于零非等分子反应：计量方程中计量系数之和不等于零表征参数表征参数AiA/物理意义物理意义: :反应掉反应掉1m

26、olA1molA，反应混合物总摩尔数的变化，反应混合物总摩尔数的变化, 0A等分子反应等分子反应, 0A非等分子反应非等分子反应非等分子气相反应非等分子气相反应PBAPBABAAckcr 00AAnn 00BBnn 00Pn-例例: :)(22222gOHOH2H24262HHCHC62HC222HCOOHCOCO等温反应等温反应 k k=const=const要求：将要求：将BAAckcr 变换成用变换成用x xA A 表示的动力学方程表示的动力学方程000BAtnnn)(00APABAAAAttxnnnAAAtxnn00)1 (00AAAtxynAAttt 0)1 (00AAAxnnAAA

27、BBBxnnn000AAApxn00BBPP+000tAAnny气体视作理想气体，在（气体视作理想气体，在（ ) )T,PT,P下，下，VnVn)1 (00000AAAttttxynnnnVVAAAxy011)1 (00AAAxyVV)1 ()1 (000AAAAAAAxyVxnVncAAAAAxyxc001)1 ()1 (0000AAAAAABBBBxyVxnnVncAAAAAABBxyxcc0001)1 (0AAAxccAAABBBxccc000VV 等容等容BAAAckcVdtdnr)1 ()()1 ()1 ()1 (0000000AAAAAABBAAAAAAAxyxccxckdtxyV

28、xdn1PBA若11A则)1 ()()1 (1000000AAAAAABBAAAAAAAxyxccxckdtdxxycAAAABAAxyxccxkdtdx0001)()1 (积分积分求解求解间的关系式与推广APyixcii:AAAAAAiiixyxccc0001AAAAAAiiixyxyyy0001AAAAAAiiixyxppp0001类别类别 项目项目物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附作用力作用力分子间引力（范德华力）分子间引力（范德华力）化学键力（共价键、离子化学键力（共价键、离子键）键）选择性选择性几乎没有几乎没有明显明显吸附情况吸附情况多层吸附多层吸附单层吸附单层吸附吸（脱）附速度吸（脱

29、）附速度快快慢慢热效应热效应8-25kJ/mol8-25kJ/mol，小，小40-200kJ/mol40-200kJ/mol，大，大温度效应温度效应温度提高，吸附量减小，温度提高，吸附量减小，较低温度下进行较低温度下进行温度提高，吸附量减小，温度提高，吸附量减小，较高温度下进行较高温度下进行多相催化反应以多相催化反应以化学吸附化学吸附为主为主物理吸附与化学吸附物理吸附与化学吸附第七节第七节 多相催化与吸附多相催化与吸附2 2、理想吸附模型、理想吸附模型吸附表面在能量上是均匀的，即吸附表面在能量上是均匀的，即各吸附位的吸附能各吸附位的吸附能力相同力相同被吸附分子间的作用力可略去不计，不影响被吸附

30、分子间的作用力可略去不计，不影响其它分子的吸附其它分子的吸附 单层吸附单层吸附 动态平衡，吸附速率与脱附速率达动态平衡动态平衡，吸附速率与脱附速率达动态平衡 惰性组分参与吸附，但不参与反应惰性组分参与吸附，但不参与反应1 1）模型假设：）模型假设：第三章第三章 釜式反应器釜式反应器第一节第一节 釜式反应器的物料衡算式釜式反应器的物料衡算式结构特点：高度与直径结构特点：高度与直径相当，釜内设有相当，釜内设有搅拌器搅拌器及挡板，釜内或釜外设及挡板，釜内或釜外设有换热器。有换热器。操作方式：间歇、连续、操作方式：间歇、连续、半连续半连续K个组分进行个组分进行M个反应，反应体积个反应，反应体积Vr ,

31、进出口处物料体积流量分别为进出口处物料体积流量分别为Q0和和Q，组分组分i在进、出口浓度分在进、出口浓度分别为别为ci0 ,ciVrQ0ci0Qci反应器中物料浓度均一，对反应器作物料衡算反应器中物料浓度均一，对反应器作物料衡算: :输入量输入量 = = 输出量输出量+ + 反应变化的量反应变化的量+ +累计量累计量对组分对组分i i作物料衡算作物料衡算: :dtdnrVQccQiMjjijrii）（100-i=1,2,KdtdnVQccQiriii)(00i=1,2,K定态操作定态操作 ( (连续连续) )0dtdni）（MjjijriirVQccQ100-Ki,.,2 , 1间歇操作间歇操

32、作00 QQdtdnrViMjjijr1Ki,.,2 , 1）（riiiVQccQ-00Ki,.,2 , 1Ki,.,2 , 1dtdnViri连续釜式反应器间歇釜式反应器代代数数方方程程微微分分方方程程第二节等温间歇釜式反应器的计算第二节等温间歇釜式反应器的计算( (单一反应单一反应) )n特点特点n反应器内浓度处处相等，可排除传质的影响反应器内浓度处处相等，可排除传质的影响n反应器内温度处处相等，可排除传热的影响反应器内温度处处相等，可排除传热的影响n物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间时间n优点优点n操作灵活，可适应不同

33、的操作条件与不同的产品，适用于操作灵活，可适应不同的操作条件与不同的产品，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品小批量、多品种、反应时间较长的产品n缺点缺点n装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间，产品质量不易装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间，产品质量不易稳定，操作相对复杂稳定，操作相对复杂计算内容：反应时间、反应釜体积计算内容：反应时间、反应釜体积讨论范围：等温间歇式操作，单一反应讨论范围：等温间歇式操作，单一反应一、一、 反应时间和体积的计算反应时间和体积的计算 1 1、 反应时间反应时间 t t 的计算的计算 dtdnVQccQiriii0000 QQdtdnViriKi,.,2 ,

34、 1Ki,.,2 , 1反应器中进行化学反应反应器中进行化学反应 对组分对组分A A作作物料衡算：物料衡算： RBAdtdnVAAr)1 (0AAAxnndtdxnVAAAr0AAAxxttxt00)(00ArAAxVdxntA为正），为（为反应物，)(-AAA边界条件：边界条件：注意注意: :-设计方程设计方程间歇釜式反应器为等容过程：间歇釜式反应器为等容过程： 00/ArAcVn)(00AAAxdxctA适用于任何间歇反应过程，多相或均相，等温适用于任何间歇反应过程，多相或均相，等温或变温或变温 2 2、反应体积、反应体积Vr)(00ttQVrfVVrQ0 单位时间的反应物料处理量单位时间

35、的反应物料处理量 m3/st 反应时间反应时间 st0 辅助时间辅助时间 sV 反应器实际体积反应器实际体积沸腾易发泡物料沸腾易发泡物料 f =0.4-0.6一般流体一般流体 f =0.7-0.85f 装填系数，装填系数，0.40.85第三节等温间歇釜式反应器的计算第三节等温间歇釜式反应器的计算 （复合反应）（复合反应）一、一、 平行反应平行反应 等温间歇釜式反应器中：等温间歇釜式反应器中： 主）(PA 副）(QA 计算内容：反应计算内容：反应时间、时间、反应釜体积反应釜体积讨论范围：等温间歇式操作、讨论范围：等温间歇式操作、 复合反应复合反应APckr1AQckr2P P：目的产物：目的产物

36、建立物料衡算建立物料衡算 ：求解求解cA ,cP ,cQ 与与t的关系的关系: : 求解思路：求解思路：dtdnrVQccQiMjjijrii100i=1,2,K各组分物料衡算各组分物料衡算 ：0(21dtdnckkVAAr）01dtdnckVPAr02dtdnckVQAr具体求解：具体求解：对于恒容过程对于恒容过程: : 0(21dtdcckkAA）01dtdcckPA02dtdcckQA初值条件：初值条件：t=0时，时，CA0=CA0，CP0=0，CQ0=0AAcckkt021ln1Axkkt11ln121或A A的转化率为生产要求的转化率为生产要求, ,积分积分 式式P P的收率为生产要

37、求的收率为生产要求, ,式代入式代入式：式：0)(exp2101dtdctkkckPA)(exp210tkkccAA01dtdcckPA)(exp210tkkccAA0(21dtdcckkAA）得：得：)(exp1212101tkkkkckcAP得：pAAQcccc0)(exp1212102tkkkkckcAQ反应物系的组成随时间的变化关系如图反应物系的组成随时间的变化关系如图3.33.3所示所示 积分得：积分得：图图3 3.3 .3 平行反应组成随时间的变化关系平行反应组成随时间的变化关系 二、二、 连串反应连串反应 QPAkk21PQckr2AAckr1各组分物料衡算各组分物料衡算 ：01

38、dtdnckVAAr0)(21dtdnckckVPPAr对于恒容过程对于恒容过程: : 01dtdcckAA0)(21dtdcckckPPAdtdnrVQccQiMjjijrii100i=1,2,KP P的收率为生产要求的收率为生产要求, , 式代入：式代入：)exp(1012tkckckdtdcAPP初值条件：初值条件：t=0时，时， CA=CAO，CP=0，CQ=0)exp(10tkccAAA A的转化率为生产要求的转化率为生产要求, ,积分积分 式式0)(21dtdcckckPPA)exp(10tkccAA01dtdcckAA得：得：1 2112021kkekekcctktkAQ反应物系

39、的组成随时间的变化关系如图反应物系的组成随时间的变化关系如图3.43.4得：PAAQcccc0)(21kk )(122101tktkAPeekkckc)(21kk 积分得：积分得：图图3-4 3-4 连串反应组成随时间的变化关系连串反应组成随时间的变化关系 CQCpCAc cP P存存在在最最大大值值 以以式对式对t t求导：求导：0dtdcP2121)/ln(kkkktopt式代入式代入式得式得R R的最大浓度的最大浓度)(21kk 目的产物为目的产物为Q时时, t 越长，越长，Q收率越大收率越大dteekkckddtdctktkAP/)(122101122)(210maxkkkAPkkcc

40、，)(21kk )(122101tktkAPeekkckc)(21kk 第四节连续釜式反应器的反应体积第四节连续釜式反应器的反应体积 反应物料连续加入与取出；反应器内反应物料反应物料连续加入与取出；反应器内反应物料的浓度、温度、反应速率不随时间、空间位置的浓度、温度、反应速率不随时间、空间位置而变；而变；出口处的出口处的C, T=反应器内的反应器内的C, T ；多用于；多用于液相反应，恒容操作液相反应，恒容操作 间歇釜式反应器：一次装卸料间歇釜式反应器：一次装卸料, ,非定态非定态操作操作连续釜式反应器：连续装卸料连续釜式反应器：连续装卸料, , 定态定态操作操作特点：特点：计算内容：反应釜体

41、积计算内容：反应釜体积讨论范围：等温连续式操作讨论范围：等温连续式操作一、一、 体积的计算体积的计算 Q0-进口体积流量进口体积流量,m3/sQ-出口体积流量出口体积流量,m3/sCA-出口浓度出口浓度,mol/m3CA0-进口浓度进口浓度,mol/m3连续釜式反应器的设计方程连续釜式反应器的设计方程: : MjjijiirrccQV100)(i=1,2,KdtdnrVQccQiMjjijrii100对组分对组分i i列物料衡算方程列物料衡算方程: : i=1,2,K0,0dtdnQQi二、两个物理量二、两个物理量空时、空速空时、空速 1. 1.空时空时衡量生产能力（针对连续反应器）衡量生产能

42、力（针对连续反应器）0QVr生产能力（生产能力（注意：注意：比较时比较时QO应在相同的应在相同的T， P下求得，即在同一基准下进行比较，通常下求得，即在同一基准下进行比较，通常采用采用 标准情况下的体积流量标准情况下的体积流量) ) MjjijiirrccQV100)(Mjjijiircc10)(即物料在反应器内的平均停留时间等于空时即物料在反应器内的平均停留时间等于空时 dV=0过程，过程，=t2.2.空速空速- -单位反应时间内所处理的物料量，单位反应时间内所处理的物料量，为空时的倒数为空时的倒数1sS S增加时，生产能力增加增加时，生产能力增加连续釜式反应器间歇釜式反应器代代数数方方程程

43、微微分分方方程程iiirccQV)(00MjjijiirrccQV100)(iiicc0Mjjijiircc10iiccdctii0)(00ttQVr第五节连续釜式反应器的第五节连续釜式反应器的串联与并联串联与并联问题的提出：问题的提出：反应器的组合操作反应器的组合操作一、概述一、概述正常动力学与反常动力学正常动力学与反常动力学以以）AAx(1曲线呈单调减，称为反常动力学曲线呈单调减，称为反常动力学曲线呈单调增，称为正常动力学曲线呈单调增，称为正常动力学)()()(21AAxfTf1/(-RA）XA0XA1XA2ABDEFHK1/(-RA）XA0XA1XA2GMNEFHP正常动力学正常动力学反

44、常动力学反常动力学连续釜式反应器的反应连续釜式反应器的反应体积几何图示体积几何图示n转化速率转化速率-RA随转化率增加单随转化率增加单调减少调减少正级数反应正级数反应单釜，面积单釜，面积OADK第一釜，面积第一釜，面积OFEH第二釜，面积第二釜，面积HBDK双釜串联，总面积双釜串联，总面积OFEH+HBDKOLNP串联的串联的CSTR需要的反应需要的反应器总体积大于单个器总体积大于单个CSTR反应器反应器21200AAAArxxCQV20200AAAArxxCQV10100AAAArxxCQVn转化速率转化速率-RA随转化率存在极值点随转化率存在极值点自催化反应自催化反应单釜，面积单釜，面积O

45、ACD第一釜，面积第一釜，面积OGFE第二釜，面积第二釜，面积EBCD双釜串联，总面积双釜串联，总面积OGFE+EBCD双釜串联双釜串联间歇式间歇式dx一一 总收率与总选择性总收率与总选择性ApAppAAppAdXdYdndnS)()(瞬时选择性瞬时选择性pApPAApPAdYndnndn00AAAdXndn0ApSdXdY AfXApfSdXY0AfopfXSYAfXAAfoSdXXS01总收率总收率总选择性总选择性第六节釜式反应器中复合反应的收率第六节釜式反应器中复合反应的收率与选择性与选择性二二 釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性XASADBEF0HXA

46、fGAfXApfBATCHSdXY0AfpfCSTRSXY达到相同转化率下的收率：达到相同转化率下的收率：间歇釜间歇釜多釜串联多釜串联单一单一CSTR 当当S随随XA增加而单调下降时增加而单调下降时XASADBEF0HXAfGM当当S随随XA增加而单调上升时增加而单调上升时AfXApfBATCHSdXY0AfpfCSTRSXY达到相同转化率下的收率：达到相同转化率下的收率：间歇釜间歇釜多釜串联多釜串联CRCM最大最大2.9 在一恒容反应器中进行下列液相反应：在一恒容反应器中进行下列液相反应：式中式中rR,rD分别表示产物分别表示产物R及及D的生成速率。反应用的原料为的生成速率。反应用的原料为A

47、与与B的混合物，其中的混合物，其中A的浓度为的浓度为2kmol/m3，试计算，试计算A的转化率达到的转化率达到95%时所需的反应时间。时所需的反应时间。解：解： ABR31.6/RArC kmol mh2AD238.2/DArC kmol mh22 . 826 . 1AAjAjACCr22 . 826 . 1AAACCdtdC积分：积分：h4038. 0)1 ()125.1025.101(06 . 110txCCdCCCtAAAAAACCAA 2.11在在210等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应：等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应： 该反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为该反应为一

48、级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为 若反应是在恒容下进行，系统的起始总压为若反应是在恒容下进行，系统的起始总压为0.1013MPa，采用的是纯亚硝酸乙脂，采用的是纯亚硝酸乙脂，试计算亚硝酸乙脂分解率为试计算亚硝酸乙脂分解率为80%时，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。时，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。若采用恒压反应，乙醇的生成速率又是多少？若采用恒压反应，乙醇的生成速率又是多少？ 2523251122 C H NONOCH CHOC H OH14411.39 10 exp( 1.897 10 /)() kTs解：反应式表示为解：反应式表示为DCBA2121（1）恒容过程：）恒

49、容过程：)1 (0AAAAxkCkCr设为设为i.g.00RTPyCAA.)1 (0AAAxkCr亚硝酸乙酯的分解速率为：亚硝酸乙酯的分解速率为：.-AAr乙醇的生成速率为：乙醇的生成速率为：.21DAr2003140014260.10132.523 10/8.314 10483(1)1.39 10 exp( 18973/)(1)1.39 10 exp( 18973/483)2.523 10(100.8)6.112 10/ . AAAAAAAPyCmol lRTrkCXTCXmol l s66.112 10/ . AARrmol l s613.056 10/ .2 DARrmol l s（2）

50、恒压过程）恒压过程1./0iAAAy.1)1 (00AAAAAAxyxCC.AAkCr乙醇的生成速率为：乙醇的生成速率为：.21DAr亚硝酸乙酯的分解速率为：亚硝酸乙酯的分解速率为：.-AAr10.50.51/11 AtA22001426(1)2.523 10 (10.8)2.803 10/111 1 0.81.39 10 exp( 18973/483)2.803 103.395 10/ . AAAAAAAACXCmol lyXrkCmol l s611.698 10/ .2 DARrmol l s2.12 甲烷与水蒸气在镍催化剂及甲烷与水蒸气在镍催化剂及750等温下的转化反应为：等温下的转化

51、反应为：原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1：4，若这个反应对各反应物均为一级，已知，若这个反应对各反应物均为一级，已知k=2l/mol.s,试求：试求：（1） 反应在恒容下进行，系统的初始总压为反应在恒容下进行，系统的初始总压为0.1013MPa，当反应器出口的，当反应器出口的CH4转化率为转化率为80%时，时，CO2和和H2的生成速率是多少？的生成速率是多少？（2） 反应在恒压下进行，其他条件如（反应在恒压下进行，其他条件如（1），），CO2的生成速率又是多少？的生成速率又是多少？解：（解：（1）由题意可将反应速率表示为：）由题意可将反应速率表示为：恒容过程恒容过

52、程 422224 CHH OCOH24 CABABCDrkC C00030033300(1)20.10130.22.382 10/8.314 101023442.382 109.528 10/ AAABBAAAABACCXCCCXPCmol lRTCCmol l当当XA0=0.8时时 3403330043665(1)2.382 100.24.764 10/29.528 1022.382 100.85.717 10/24.764 105.717 105.447 10/ .445.447 102.179 10/ .AAABBAACCABDCCCXmol lCCCXmol lRrkC Cmol l

53、sRrmol l s（2）恒压过程，是变容反应过程）恒压过程，是变容反应过程 1412/21 AtA010.214 Ay转化率为转化率为80%时的浓度：时的浓度： 3400(1)2.382 10 (10.8)3.609 10/1120.20.8 AAAAAACXCmol lyX 33500029.528 1022.382 100.84.331 10/1120.20.8 BAABAAACCXCmol lyX 456623.609 104.331 103.126 10/ .3.126 10/ . AABCCrkC Cmol l sRrmol l s3.13.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应

54、：在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325CH COOC HNaOHCH COONaC H OH该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l0.02mol/l，反应速率常数等于，反应速率常数等于5.6l/mol.min5.6l/mol.min。要求最终转化率达到。要求最终转化率达到95%95%。试问：。试问：（1 1） 当反应器的反应体积为当反应器的反应体积为1m1m3 3时，需要多长的反应时间？时，需要多长的反应时间？（2 2） 若反应器的反应体积为若反应器的

55、反应体积为2m2m3 3，所需的反应时间又是多少？，所需的反应时间又是多少？解：解：(1)(1)00222000001()(1)110.95169.6min(2.83 )5.60.0210.95AfAfXXAAAAAAAAAAAdXdXXtCCRk CXkCXh (2) (2)反应时间与反应器大小无关，反应时间不变反应时间与反应器大小无关，反应时间不变3.83.8在一个在一个体积为体积为300L300L的反应器中的反应器中8686等温下将浓度为等温下将浓度为3.2kmol/m3.2kmol/m3 3的过氧化氢异丙苯溶液分解：的过氧化氢异丙苯溶液分解： 653 23365()C H C CHCO

56、HCH COCHC H OH生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应，反应温度下反应生产苯酚和丙酮。该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数等于速率常数等于0.08s0.08s-1-1, ,最终转化率达最终转化率达98.9%98.9%，试计算苯酚，试计算苯酚的产量。的产量。 （1 1）如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操）如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为作时间为15min;15min;（2 2） 如果是全混流反应器；如果是全混流反应器；（3 3） 试比较上二问的计算结果；试比较上二问的计算结果；（4 4） 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍

57、，其他条件不变，结果怎样？结果怎样？ 解：（解：（1 1）00000000011ln()(1)111ln56.370.94min0.810.989()(0.9415)300AfAfXXAAAAAAAAArdXdXtCCRk CXkXsVQ ttQl苯酚浓度苯酚浓度 03.2 0.9893.165/苯苯酚酚AACCXmol l苯酚产量苯酚产量 018.823.16559.56/min335.9/苯苯酚酚Q Cmolkg h=?min15L300)/(?0000ttVttVQQrr=苯酚产量苯酚产量 018.823.16559.56/min335.9/苯苯酚酚Q Cmolkg h=苯酚产量苯酚产量

58、 016.023.2 0.98950.69/min285.9/苯苯酚酚Q Cmolkg h（3 3）全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混）全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中反应物浓度低，反应速度慢的原因。釜中反应物浓度低，反应速度慢的原因。（4 4）C CA0A0增加一倍，增加一倍，Q Q0 0不变，产量均增加一倍。不变，产量均增加一倍。 =（2 2）全混流反应器）全混流反应器 00000(1)(1)(1)3000.08(10.989)0.2669 /16.02 /min0.989AAfAfrAAfAfrAfAfQ CXQ XVkCXkXV kXQl slX00000(1)(1)(1)3000.08(10.989)0.2669 /16.02 /min0.989AAfAfrAAfAfrAfAfQ CXQ XVkCXkXV kXQl slX=3.15 3.15 原料以原料以0.5m0.5m3 3/min/min的流量的流量连续通入连续通入反应体积为反应体积为20m20m3 3的全混流反应器，进行液相反应：的全混流反应器，进行液相反应：1222AADRARrk CRDrk CC CA A,C,CR R为组分