化学工程基础

第六节均相化学反应

8.均相串联反应

卤化、水解、加成

苯＋CH2=CH2

乙苯＋CH2=CH2

邻二乙苯APSk1k2k1k2温度效应：如果E1

E2，升高温度对反应有利，

(同平行反应)浓度效应：结论：n1

n2，

提高初浓度对反应有利，

转化率影响（以反应－分离系统的优化经济目标来确定）

x，不能盲目追求高转化率xA，应低单程转化率xA

回收循环（以优化经济目标确定xA）理想管式连续釜式9.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

SV大好

级数n越高，越大xA越高，越大曲边三角形矩形cA越低注意:高x、高级数连续釜式反应器生产能力连续釜式理想管式例：2级反应，

x＝0.99

Vc＝100VP10.自催化反应比较（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简单反应：不利可逆反应：不利平行反应：n1n2

不利

很多情况下不利

n1n2

有利串联反应：不利反应物产物cAfcp0cA0cPf12.

管式循环反应器的环流循环比A点作物料衡算

cA1=cA0cA1=cAf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物料衡算循环比R：理想管式反应器循环比R：连续釜式反应器间歇釜式反应器：混合连续釜式反应器：强烈环流——返混（不同龄混和）——全混釜——改变浓度分布，造成生产能力下降13.返混特点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

（如果釜式反应器连续操作由于返混而不利，可采用多釜操作）是连续反应器的一个重要工程因素14.限制返混的措施

返混利弊视反应特征而定

“放大效应”管式反应器：填充填料，促使速度分布均匀。

L/dp100,速度分布影响很小气液鼓泡塔：放填料分散气泡、增强传质、限制返混设置横向挡板（多级鼓泡反应器）安装垂直同心套管流化床：多层管长填料直径。。。。。。。。。。。。。。多级鼓泡反应器示意图------------------

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。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。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。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。同心的垂直套管连续釜式反应器：多釜串联多釜串联可以减少空时，

也即可以降低反应器体积VR--------------------------------------------------------------------------------

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--------cAf

cA2cA1cA0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计算：如一级，各釜体积、温度相同，则第N釜图解cA1cA2各釜串联操作方程(-rA)第一釜体积例：AP,850C,k=3.45h-1,V=10m3,x=0.95,

qV0=1.82m3h-1,若改两釜串联，总反应体积多少？

（两釜体积相等）解：设总体积V=2V1=2V2

连续釜式第二釜体积上两式消去cA1（方程两边分别相乘）三釜十釜一釜结论：a.随釜数增加，效益缓慢

b.随釜数增加，反应器制造、维护、操作和控制复杂，通常以3至4釜为宜第七节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、SO2氧化流固非催化反应FeS2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

催化剂颗粒、液滴、气泡设备流动、温度不均匀性

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1内扩2内扩6外扩7345反应物产物气相反应在AR催化剂表面进行:考察方法气体——无法跟踪物料停留时间反应时间

考察微元cb

cescis

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，随内部深度不同而变化）非均相过程拟均相化a.效率因子法便于剖析b.表观动力学法便于应用

cbcescis反应速率效率因子反应选择率效率因子cbces颗粒床层二.非均相反应过程中的外部质量传递假设（－r）=kcisn幂级数

cis＝ces

忽略内部传递反应速率与传质速率传质速率N＝kga（cb－ces）a：比表面积颗粒外表面积定态下：R＝N＝（－r）表观速率扩散对化学反应影响，由引起传质对影响由决定，k，影响

（由最慢、最弱因素决定）传质结果，使反应速率一级结果：极限反应速率与极限传质速率

极限反应速率

极限传质速率化学反应控制传质控制

>>

k<<k本征动力学原来反应级数速率常数活化能扩散动力学表观反应级数＝1表观活化能催化剂颗粒外表面浓度和外部效率因子一级极限反应速率极限传质速率Damkohler准数（达姆克勒准数）颗粒外部传质影响大小判据准数概念、意义：

（摩擦系数）=f(Re、／d)..非一级除以根据定义（1）代入（1）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外部效率因子Da，极限反应速率

极限传质速率，传质控制，ces0，＝0Da，极限反应速率极限传质速率，反应控制，1，＝1Da＝非一级，浓度的影响与级数有关

大于一级，进料端影响出料端小于一级，进料端影响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。思考题：习题：（共3题）自催化反应A+R2R,其速率方程式为(-rA)=kcAcR,在700C等温进行时，k=1.512m3

kmol-1

h-1。已知：cA0=0.99kmol

m-3,cR0=0.01kmolm-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：6.1m3

；66.13m3

）将上题改在由全混流反应器和活塞流反应器组成的串联反应器中进行（CSTR在前），已知k=1.512m3

kmol-1h-1，cA0=1kmolm-3，cR0=0.01kmol

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：3.9m3）有一反应

A＋BC＋D，在两个相同的串联全混釜中进行，（-rA)=kcAcB,已知k＝1.00［dm3

·mol－1

·min－1]，cA0＝cB0＝1.00［mol·dm－3］，

物料经二釜总的空间时间为10min，

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：81.4％；6.9％）