化学反应工程 第三章 理想间歇反应器

12019/8/7上海工程技术大学化学化工学院化学工程与工艺系第三章理想间歇反应器化学反应工程ChemicalReactionEngineering22019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering3.1理想反应器类型3.2反应器设计基本方程3.3理想间歇反应器3.4动力学方程的实验测定32019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering3.1理想反应器类型42019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering3.2反应器设计基本方程3.2.1基本内容选择合适的反应器型式反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性确定最佳的工艺条件最大反应效果+反应器的操作稳定性进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积规定任务+反应器结构和尺寸的优化52019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering3.2.2基本方程62019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering物料衡算方程某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量反应消耗累积流入流出反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√72019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering热量衡算方程带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√反应热累积带入带出反应单元传给环境82019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering动量衡算方程气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。92019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering3.3理想间歇反应器3.3.1特征和数学描述特点:1由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3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。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产精细化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定102019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering对整个反应器进行物料衡算：流入量=流出量+反应量+累积量00112019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering实际操作时间（tT)=反应时间(t)+辅助时间(tC)反应体积V是指反应物料在反应器中所占的体积1/rA—xAt/CA01/rA—CAtTtV0sm/30物料量，单位生产时间所处理的t的计算（直接计算和图解法）122019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering3.3.2简单反应简单一级反应简单二级反应简单零级反应简单n级反应132019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering反应速率rA=kCArA=kCA2AACCkt0lnAfxAAArdxCt00Axkt11ln011AACCktAAAxxktC10AACCAArdCt0142019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering152019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering反应后期的速度很小；反应机理的变化162019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering末期动力学反应后期转化程度（从弱到强）二级一级零级采用非关键组分过量，可提高转化程度。PBA设过量化：000AABCCCM)1()(ln100MCCMCMktCAAAACAOkt01.0xAM=125)1)(1()1(ln10MxxMMktCAAA172019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering自催化反应特点：反应产物本身具有催化作用，如发酵过程。PPPAPAAACkCdtdCr)(反应初期：CA大，CP很小反应进行：CA,CP,(-rA)反应后期：CA小，CP较高，(-rA)存在(-rA)max182019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineeringktCCktCCCCCCCktCCdCCdCCCCCdCPATATAATAATAAATATAA)()()(ln1)(000000000192019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering3.3.3均相可逆反应（酯化反应）可逆反应的平衡特性（设均为一级）PAAAACkCkrrr2121)()()(（1）若k2k1，则须保持足够低的Cp，才能向右进行；（2）反应达到平衡时，PeAeCC,平衡常数：K=k1/k2平衡浓度：KCCKxKCCCAPAePAAe1,100003.3.3均相可逆反应可逆反应的平衡特性（设均为一级）202019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering（3）Van’tHoff方程20)(lnRTHdTKdRTHeKK00对吸热反应：，T，K温度升高对反应平衡有利，向正方向移动。对放热反应：，T，K温度升高对反应平衡不利，向逆方向移动。00H00H212019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering可逆反应的速率特征设：00PC))(()(21AeAACCkkr对吸热反应：T，K，（k1+k2)温度升高对反应平衡有利，向正方向移动。对放热反应：T，K，CAe,（k1+k2),(CA-CAe)T，K，CAe,（k1+k2),(CA-CAe)引出最优温度222019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering最优反应温度和最优温度序列0)(,一定AAxCATr]1ln[10201212AAoptxxkkEEREETRTEEAeekkx21102011232019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering242019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering管式反应器或管式固定床反应器最优温度的实施：（1）根据理论分析，对放热反应，反应开始时温度要高；（2）因此需要预热，达到Topt时，再沿最优温度线变化；（3）实施较为困难；（4）采用方法：多段绝热，段间冷却；原料冷激，多段绝热。252019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering理想间歇操作时，若自始至终按最优化温度线操作，即过程温度随反应转化率（或反应时间）增加沿最优温度数值降低，造成随转化率（或反应时间）而渐降的温度序列，则反应过程将始终以最大速率进行。262019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering3.3.4均相平行反应反应物及产物浓度分布PSkkA12n1n22121)(nAnAsPACkCkrrrnAACkkrnnn)()(,2121则若272019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering等温理想间歇反应器，初始条件：;0,,0000SPAACCCCtAACCtt,AACCnAAnAAACdCtkkCkkdtdCr0)()()(21212121,kkCCCkdtdCCkdtdCSPnASnAP即：反应级数相同时，P和S浓度比仅由k1/k2确定，因此改变温度才能使浓度比发生变化。;0,,0000SPAACCCCtAACCtt,282019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering212121,nnASPCkkCCnn则若即由温度及A浓度有关。292019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering选择率、收率优化目标：反应速率和选择率。122111221121111)()()(nnAnAnAnASPPAAACkkCkCkCkrrrrrr生成副产物的速率生成目的产物的速率瞬时选择性AfAPPfCCCCmolmol00数过程中生成产物总数过程中生成目的产物总总选择性122111221121111)()()(nnAnAnAnASPPAAACkkCkCkCkrrrrrr生成副产物的速率生成目的产物的速率瞬时选择性302019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineeringAfACCACCdCAfA0000APPfCCC总收率，有循环）单程收率）((Ax312019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering121211nnACkkRTEERTERTEekkekekkk12121020102012温度效应：与温度无关随温度单调递减，随温度单调递增，,11,,,,,,,,,102021122121122121kkEEkkRTEETEEkkRTEETEE322019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering浓度效应：无关与＝单调递减随，单调递增随，AAAAACnnCCnnCCnn,,,,,212121CA增加，有利于级数高的反应CA降低，有利于级数低的反应332019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering提高的方法：（图解）（1）n1n2若CAf不变，提高CA0，可增加若CA0不变，提高CAf，可增加（1）n1n2相反，降低CA0或CAf，可提高342019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering操作条件和操作方式的选择12122211111221111mmBnnAmBnAmBnAmBnASPPCCkkCCkCCkCCkrrrPSkkBA12n1，m1n2，m2352019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineeringCA高CB低n1n2m1m2CA低CB低n1n2m1m2CA高CB高n1n2m1m2362019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReactionEngineering372019/8/7化学反应工程/理想间歇反应器ChemicalReaction