第3章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征

理想反应器间歇反应器平推流反应器全混流反应器连续流动反应器完全没有返混返混极大(a)(b)(c)第3章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征反应器设计基本方程理想间歇反应器中的简单反应理想间歇反应器中的均相可逆反应理想间歇反应器中的均相平行反应理想间歇反应器中的均相串联反应理想间歇反应器的计算反应器设计的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反应器设计的基本内容操作型的计算：根据反应特征及反应器的体积，决定最优化操作条件，使反应过程达到优化目标。已知反应器的体积，求反应在该反应器内反应所能达到的转化率？设计型的计算：根据物料处理量及工艺要求，选择反应器类型，决定反应器体积。已知反应需达到的转化率，求该反应器应设计多大的体积？AxV求解由VxA求解由反应器设计基本方程物料平衡方程热量平衡方程（等温反应可不考虑）动量平衡方程（一般反应器可不考虑）化学动力学方程参数方程对反应器或某一个微元中确定的关键组分，物料衡算基本方程为：积累速率=输入速率－输出速率－反应消耗速率+反应生成速率理想间歇反应器中的简单反应间歇搅拌反应器BatchStirredTankReactor(BSTR)设备特点设备数学描述应用实例设备简介反应器的特点特点：原料成批次加入，每一批反应物料均具有相同的停留时间，反应器内没有返混(没有不同反应时间物料微元之间的混合)。反应器内加以适当的搅拌，很容易使空间位置上的混合均匀。反应主要是由化学动力学控制，反应时间越长，转化率越高，直至达到反应平衡或反应物完全消耗掉。优点：简单灵活，适用于小批量、高效益产品的生产。缺点：1、工作周期中有非生产性时间；2、传热不好控制；3、不适合大规模生产。间歇反应器适用于液相均相反应和液固相非均相反应间歇反应器的数学描述对整个反应器进行物料衡算：))1(()(00AAAAAAAxnndtdxndtdnVr流入量=流出量+反应量+累积量00单位时间内反应量=单位时间内消失量:)(00为等容过程则适用于变温、变容。若AfxAAArVdxntAAAfCCAAxAAArdCrdxCt0)()(00等容过程，液相反应反应体积V是指反应物料在反应器中所占的体积V=v0(t+tc)间歇反应器的数学描述实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(tc)1/(-rA)—xAt/CA01/(-rA)—CAt例：不可逆的一级反应：如单分子基元反应，某些分解反应，一些放射元素的蜕变等，求A的转化率与反应时间关系式？。BAkktAAAAAAAccAccAAtAAAAAAAexxktxccccktcktcdckdtdtdckcdtdcVdtdnrkcrAAAA111ln)1(lnlnln)()(0,0,00,0,且又为一级不可逆反应解：二级反应不可逆反应的速率方程式为,如HI的热分解，氢与碘蒸汽的化合，乙酸乙酯的皂化反应等，其积分为：2)(AAkcrAAAAAxxkccckt1111100,ktcdtkcdckcdtdckcVdtdnVdtdnrkcrAAAAccAtccAAAAAAAAAA0,0,1)()(02222零级简单反应零级反应的速率方程式为如光催化反应，只与光强度有关，其反应速度与反应物浓度无关。代入上式得：krA)(kxckcctdtkdckdtdckVdtdnVdtdnrkrAAAAtccAAAAAAAA0,0,00,)()(反应速率（－rA）=k（－rA）=kCA（－rA）=kCA2AACCkt0lnAfxAAArdxCt00)(Axkt11ln011AACCktAAAxxktC10AACCAArdCt0)(间歇反应器中的简单反应AACCkt0AAxCkt0k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小间歇反应器中的简单反应2.反应物初始浓度的影响1.k的影响零级反应：t与初浓度CA0正比一级反应：t与初浓度CA0无关二级反应：t与初浓度CA0反比3.残余浓度零级反应：残余浓度随t直线下降一级反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降反应级数大于1的反应，后期的速度很小，高转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增长。例：试对一级和二级反应分别计算转化率从90％提高到99％时，转化所需的时间是其转化率为90％时所需时间的倍数。解:(1)对一级反应110ln10ln100ln10ln%9011ln1100ln%9911ln111ln1%90%90%99%90%99tttkktkktxkt(2)对二级反应1099999%901%90199%991%99111%90%90%990,0,%900,0,%990,tttkckctkckctxxkctAAAAA18例题：某气相分解反应可按二级动力学方程进行：2A→B+C，已知smolcmk39771atm下进行反应，反应开始时反应器中全部为A，试计算在间歇反应器中反应时间为1s、10s和10min时的转化率。，在850℃和解：由题条件：2AAkCrAAxAAAAxAAAxkCdxCrdxCt02200001AAAxxkC11019tkCtkCxAAA001114808206.0100RTPCAA351004.10104.0cmmollmol作业当t=10min，%866001004.197716001004.197755Ax当t＝1s时，%111004.1977111004.197755Ax当t=10s时，%2.9101004.19771101004.197755Ax双组分二级简单反应BAABAckcrccPBA),(00（速率方程为：）二级反应且ABABBAABABxxcccccccckt11ln1ln1000000n级简单反应ktncckdtcdckcdtdcVdtdnrPAnnnAnAnAAnAAA11110,积分得：）简单反应级（自催化反应自催化反应的反应速率受反应物和产物浓度的影响。反应初期，尽管反应物浓度较高，但产物浓度较低，所以反应速率较小。随着反应的进行，产物浓度不断增加，反应物浓度虽然降低，但浓度仍然较高。因此，反应速率不断增加。当增加到某个值时，反应物浓度降低对速率的影响，超过了产物浓度增加对速率的影响，反应速率开始降低。典型的自催化反应速率－浓度曲线如图所示。Ac（－rA）自催化反应的最佳反应时间计算000000000000000000ln22)(0)()]([)(0,,),ATAATAPATPAToptAAATAATAAPAAAAATAAPPTPAPAAccccccktccktccccckccckccckccckcccrcccccccccckcrPPPA关系式为反应时间与残余浓度的：时的即可求得反应速率最大－所以令则在间歇反应器中有其动力学方程式为（－对于自催化反应bBaAkk典型可逆反应，A的化学反应速率为当反应达到平衡时有：若为气相均相反应，则有：bBaAAAAckckrrr－）（－,,)(aeAbeBcckk,,aeAbeBccK,,kkK理想间歇反应器中的均相可逆反应对于典型的1，1型可逆反应可得：而K与温度的关系决定于反应的热效应，即：•可逆吸热反应，T￪，K￪，升高温度有利于反应平衡;•可逆放热反应，T￪，K￬，升高温度不利于反应平衡。由上式得：所以，•可逆吸热反应T￪，￪，K》1时，￫1，实际上能完全转化，可作不可逆反应处理。•可逆放热反应T￪，￬，K《1时，￫0，难以获得产品。eAeAeAeAAeAeBxxccccckkK,,,,0,,1exKKxeA1,＝exexex均相可逆反应特点均相可逆反应速度的影响因素对于典型的1，1可逆反应可得：•即反应物初始浓度￪，反应速率￪。•可逆吸热反应，T￪，k￪，K￪，反应速率￪;•可逆放热反应，T￪，k￪，而K￬，反应速率变化不定。应根据不同温度区间，由反应动力学和反应热力学2个影响因素中主要因素决定。AeAAeAAAxxckkcckkr,0,,)()()(－理想间歇反应器中的均相平行反应如一平行反应若B为主产物，因此，A的反应速率为B的反应速率为C的反应速率为则（副反应）（主反应）cCAabBaAkk212121nAnAAckckr11nABckr22nACckr）（21212121nnAnAnACBckkckckrr平行反应的选择率accbccrrrAfABBfAAA)(00－）－（＝平均选择率－＋－－＝选择率副主主fAAccAAAxxccdcxxdxAfAAA0000＝平行反应的收率＝％，所以总转化率为表示，由于循环系统的用另外系统还有总收率，成立，＝循环系统单程收率也有，＝表示，有用不循环系统为单程收率＝收率100)(00AAABBfxxacbcc平行反应选择率的浓度效应可见，反应物A浓度会影响选择率，若n1n2，则A的浓度增大，反应选择率增大；若n1n2，则A的浓度增大，反应选择率减小；若n1＝n2，则反应选择率与A的浓度无关。122111221111kckckckckrrnnAnAnAnAAB）（温度也会影响反应的选择率，若两个反应的活化能分别是E1和E2，则显然，当E1E2时，0，温度升高，反应的选择率降低；当E1E2时，0，温度升高，反应的选择率增加；当E1＝E2时，＝0，反应的选择率与温度无关。T/21212212121211RTEEkkcckkTnnAnnAT/平行反应选择率的温度效应T/习题3－12362.034.0703.0703.023.1442.22.2758.13.1442.234.03.1234.0/758.1442.02.2/442.034.03.134.0lnln92.16.1000021021212121QccccBccPAAQPPkkBBAABBAABBAABABAkkxxxxcxxLmolcccLmolccccccckkcccdckkcdcckckdtdcdtdcEQBCDPAC代入前式得：浓度为：反应混合物中十二醇的，所以，则十二基氯的收率为设盐酸转化率为已知积分得：和解：反应写成均相串联反应的浓度分布若有一典型的串联反应设各步均为一级反应，则MLAkk21)exp(101tkccckrAAAA解得：）由（－此式有通解＝代入上式可得：将tkALLALALLeckckdtdccckckdtdcr101221,tkALPdxPdxeckQkPxtycdxQeyeQPydxdy1012,,,则令该方程有通解为均相串联反应的浓度分布由cA+cL+cM=cA0关系，可得cctktkAMekkkekkkcc2112112201