第九章均相反应过程

第九章均相反应过程9/11/20231第1页，课件共37页，创作于2023年2月均相反应是指所有参加反应的物质处于同一相内的化学反应。

间歇操作釜式反应器连续操作管式反应器连续操作釜式反应器多釜串连反应器本章重点研究在均相反应器内物料流动状态对于反应过程的影响。

9/11/20232第2页，课件共37页，创作于2023年2月§1均相反应动力学9/11/20233第3页，课件共37页，创作于2023年2月均相反应动力学的描述多采用幂函数模型简单反应：可逆反应：平行反应：k1RSAk2Ak1k2R9/11/20234第4页，课件共37页，创作于2023年2月串连反应：不同的反应器如何影响浓度与温度？化学反应速率受反应物料浓度和反应温度的影响，分别称为“温度效应”和“浓度效应”，其它条件绝大多数都是通过浓度或温度的改变来影响化学反应速率的。

9/11/20235第5页，课件共37页，创作于2023年2月§2间歇操作反应器（BSTR）9/11/20236第6页，课件共37页，创作于2023年2月分批操作，所有物料的停留时间相同，物料在反应器内混合均匀，不存在浓度梯度和温度梯度。

反应转化率随时间的变化规律取t~t+dt的时间间隔进行衡算：VRCA原有A的量＝剩余A的量+反应消耗A的量特点：9/11/20237第7页，课件共37页，创作于2023年2月解析法：简单一级反应简单二级反应9/11/20238第8页，课件共37页，创作于2023年2月数值积分图解法方法：由实验测出多组xA与(-rA)或CA与(-rA)数据，绘出变化曲线，根据积分区间，阴影部分的面积即为所需的反应时间。反应动力学模型不知或太复杂，难以分析求解9/11/20239第9页，课件共37页，创作于2023年2月计算反应器有效容积VRt：反应时间，ht′：每批加料、出料、清洗等操作的辅助时间日处理量：生产任务所规定，[m3/天]装料系数不沸腾沸腾9/11/202310第10页，课件共37页，创作于2023年2月§3连续操作管式反应器9/11/202311第11页，课件共37页，创作于2023年2月

特点：物料流动处于湍流状况时接近平推流。

反应转化率随时间的变化规律对微元体积dVR中的组分A物料衡算进入微元体A的量＝离开微元体A的量+反应消耗A的量与BSTR形式一样9/11/202312第12页，课件共37页，创作于2023年2月

解析法：一级反应：二级反应：当反应前后物质的量发生变化，对于气相n级反应：9/11/202313第13页，课件共37页，创作于2023年2月数值积分图解法P349例9-29/11/202314第14页，课件共37页，创作于2023年2月§4连续操作釜式反应器（CSTR）9/11/202315第15页，课件共37页，创作于2023年2月操作特性：定常态操作物料在反应器内被充分搅拌，混合均匀时接近于全混流反应器。9/11/202316第16页，课件共37页，创作于2023年2月对反应器内的组分A物料衡算：进入反应器量＝

离开反应器量+反应消耗量

反应转化率随空间时间的变化规律:9/11/202317第17页，课件共37页，创作于2023年2月解析法：简单一级反应：

简单二级反应：9/11/202318第18页，课件共37页，创作于2023年2月

数值积分图解法全混流反应器因其解析式简单，一般不需要图解法。VRVR（CSTR）>VR（BSTR、PFR）VR9/11/202319第19页，课件共37页，创作于2023年2月对于复杂化学反应，用解析法求解较复杂时，也可采用图解法求反应釜的转化率。CSTR反应器操作线，k=1/τ反应动力学曲线9/11/202320第20页，课件共37页，创作于2023年2月宏观混合与微观混合以上我们所讲的是微观混合。宏观混合：凝集微团尺度的均匀混合，反应器出口浓度是不同停留时间物料微团的浓度平均值。微观混合：分子尺度的均匀混合，物料浓度均一。9/11/202321第21页，课件共37页，创作于2023年2月两者停留时间分布函数相同，但反应结果可能不同？设有浓度分别为CA1和CA2的两个容积为V的物料微团：微观混合：宏观混合：反应结果比较当n=1时，当n>1时，当n<1时，9/11/202322第22页，课件共37页，创作于2023年2月§5多釜串连反应器（n-CSTR）9/11/202323第23页，课件共37页，创作于2023年2月

操作特性：由几个全混流反应器串联而成。假设：有N个连续操作搅拌釜串联，釜内物料流动状况均为全混流，各釜有效容积VR相同，定常态流动，反应前后无物质的量变化。

反应转化率随空间时间的变化规律9/11/202324第24页，课件共37页，创作于2023年2月i级对任意一级组分A做物料衡算：物料流经整个反应器的空间时间：多釜串连的总有效容积：VRCA9/11/202325第25页，课件共37页，创作于2023年2月解析法：一级反应：因为各级有效容积相同,且做定常态流动：第N级N釜出口最终转化率第1级第2级9/11/202326第26页，课件共37页，创作于2023年2月图解法说明N=1，CSTR；级数越大，越接近平推流；N→∞=PFR。一般不超过5级。已知转化率图解容积或空间时间:①（三个面积相等）VR相同时；②9/11/202327第27页，课件共37页，创作于2023年2月已知τ图解各釜出口转化率和串连釜数:原理：步骤：-rA图9-11多釜窜联图解计算法用已知动力学数据作-rA对xA的曲线MN。在xA轴上标出最终转化率xA,N从原点出发逐级做全混流操作线，逐级图解，直至求出最终一釜出口转化率≥xA,N为止，在MN曲线上的交点数，即为串联釜数。9/11/202328第28页，课件共37页，创作于2023年2月§6均相反应过程优化和反应器选择绝大多数是恒温恒压下进行，因此返混程度对反应结果影响很大。9/11/202329第29页，课件共37页，创作于2023年2月6-1以生产强度为优化目标

生产强度：单位容积反应器的处理物料能力。若处理量和要求达到的最终转化率一定时，V越小，生产能力越大。9/11/202330第30页，课件共37页，创作于2023年2月

说明反应级数愈高，要求的反应转化率越高，返混对反应速率的影响也愈大，有效容积差别也愈大，可见图9－13。间歇操作搅拌釜从图示看与平推流相同，但因为批式操作，辅助时间长，故所需V>V平。N=0，(-rA)与CA无关，返混对反应速率不产生影响，各种型式反应器所需容积相同。自催化反应：(－rA)与生成物浓度有关，返混程度越大越有利于反应，此时全混流反应器所需容积最小。9/11/202331第31页，课件共37页，创作于2023年2月图9-13不同转化率不同级数9/11/202332第32页，课件共37页，创作于2023年2月6-2以产率和选择性为优化目标对于复杂反应，应考虑返混对产物分布的影响：平行反应过程优化降低CA可抑制副反应，全混流反应器对选择性最有利;(1)n1<n2升高CA可抑制副反应，活塞流反应器或间歇搅拌釜较合适；选择性与CA无关，各种连续操作的反应器皆可应用。(2)n1>n2(3)n1=n2k1k29/11/202333第33页，课件共37页，创作于2023年2月E1>E2时，温度升高，k2/k1下降，有利于提高反应选择性；反之，则不利于提高反应选择性。在反应过程中，凡提高cR/cA的操作皆不利于提高反应选择性。

串连反应过程优化9/11/202334第34页，课件共37页，创作于2023年2月存在一个最优操作时间，所以控制时间很关键。CSTR存在很宽的停留时间分布，故一般不采用，多采用PFR或BSTR。9/11/202335第35页，课件共37页，创作于2023年2月活化能较大、反应温度较高的化学反应，对温度十分敏感，为了强化传热，减少温差，宜采用全混流反应器；反应物浓度较高易发生剧烈反应时，宜采用全混流反应器；反应速率慢、反应时间较长的化学反应，宜选用间歇操作搅拌釜或连续操作搅