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1、第二章 反应器内的流体流动与混合 Chapter 2 Fluid Flow & Mixture in Reactor,几种理想反应器 不同反应器及反应器的组合 停留时间对转化率选择性的影响,1,停留时间分布测定 停留时间分布与流动模型,作业 Assignment,新版教材： 2.9 2.10 2.11,2,反应器特性特性分析-推动力,化学反应推动力-体系组成与平衡组成的差 化学反应的化学势,3,复习,循环操作的平推流反应器,返混对反应器体积的影响（反应级数n0),返混对反应器体积的影响（反应级数n0),理想反应器的组合,4,例题2.1，习题2.7,复习,流动模型与反应选择性,流体在反应器内的流
2、动状况不仅影响反应器的大小，而且影响对目的产物的选择性。选择性是优化考虑的主要因素。 不同的返混状况对反应选择性的影响,5,平行反应,1 2 浓度增加, sDU增大，平推流或间歇反应器 1 2 全混流反应器,6,流动模型与反应选择性,7,流动模型与反应选择性,若1 2，1 2, A、B维持高水平 1 2，1 2, A浓度高水平、B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料，B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器,8,流动模型与反应选择性,平行反应中，若反应中的浓度级数不同，可通过控制反应的浓度来改变反应物的分布。,反应物浓度高有利于级数高的反应，浓度低有利于级数低的低的反应
3、,9,流动模型与反应选择性,串联反应 (重点）,10,平推流反应器,流动模型与反应选择性,11,流动模型与反应选择性,12,流动模型与反应选择性,反应速率常数的相对大小对反应的选择性起决定性作用,13,流动模型与反应选择性,14,流动模型与反应选择性,全混流反应器,反应速率常数的相对大小对反应的选择性起决定性的作用。,同样转化率下，平推流反应器对于目标产物的选择性高。,15,流动模型与反应选择性,k1/k2较大时，反应转化率可适当高些；k1/k2较小时，尽量降低反应器内的反应转化率,习题1.1,一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物为葡萄糖,其反应方程式为: C6H12O
4、6+6O2=6CO2+6H2O -H=2816kJ如果人吸入的空气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代谢所消耗的空气的速率。,16,第一章习题答案,C6H12O6+6O2+inert=6CO2+6H2O+inert,mol 20.96 79 0.04 0 79 t=0,mol 20.96(1-x) 79 0.04+20.96x 20.96x 79 t=t,则反应后总摩尔数为y,则有,20.96 (1-x)/y=16.1%,(0.04+20.96x)/y=4.1%,x=0.201,y=103.96,反应需O2
5、: 6000/2816/0.2016=63.6 (mol) 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg 4.0522.4/24/60=0.063 L/minkg,17,答案,如果该题目改为:人对反应的水份不产生影响.且不给出CO2的出口浓度,则:,重要知识点:,关键组分的转化率,18,答案,习题2.2,在210等温条件下,进行亚硝酸乙酯的气相分解反应,该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为:,活化能E的单位为cal/mol,若反应在恒容下进行,系统起始状态为1at的纯亚硝酸乙酯,试计算亚硝酸乙酯分解率为80%时,亚硝酸乙酯分解速率及乙醇的生成速率.,19,
6、t (1-x) x 0.5x 0.5x,反应总压力: P=1+x=1.8 (at),知识点: 反应速率: Arrhenius law:,20,答案,习题2.3,对于不可逆基元反应：aA+bBcC+dD 其速率方程式可表示为：rA=kCAaCBb 如果以A为基准物，反应方程式两边除以A有计量系数a，方程式可写为 A+(b/a)B(c/a)C+(d/a)D 则其动力学方程按此方程式可写为rA=kCACBb/a 请问后一种速率方程式是否正确，为什么？,习题课,21,通常对基元反应而言,可以说:单分子反应、双分子反应、三分子反应,什么是基元反应？,反应物分子在碰撞中一步直接转化为生成物分子的反应.,G
7、uldberg and WaageJ. Prckt. Chem. 19, 71(1879)指出：化学反应的速率与反应物的有效质量成正比,只有基元反应在反应物浓度不太大的情况下才符合质量作用定律,不正确。,习题课,22,习题2.4,工业上以氮氧化物生产硝酸,氮氧化物由氨和空气气相氧化得到 4NH3+5O24NO+6H2O 如果进气中含氨15%,进气状态为8.2atm,227.试求: (1)进气总浓度和氨浓度; (2)恒压间歇反应器中,分别写出反应转化率对pi,Ci,和体积V的函数; (3)恒容间歇反应器中,分别写出反应转化率对pi,Ci,和总压P的函数;,习题课,23,进气总浓度:,氨浓度: C
8、A=15%C=29.59 (mol/m3),习题课,24,4NH3 + 5O2 + inert 4NO + 6H2O + inert nA0 nB0 ni0 nP0 nS0 ni0 t=0 nA nB ni0 nP nS ni0 t=t nA=nA0(1-x) nB=nB0-(b/a)nA0x nP=nP0+(p/a)nA0x ns=ns0+(s/a)nA0x 膨胀因子: 当每消耗(或生成) 1mol反应物A(或产物P)时,整 个物系总摩尔数的变化值.,nt=n0+AnA0x,恒容反应: P=P0(1+0.0375x),恒压反应: P=P0,膨胀率:当反应物A全部反应后,系统体积的变化率:,以
9、膨胀率表征变容程度时,不但要考虑反应的计量关系,还要考虑系统内是否含有惰性气体,而以膨胀因子表达时,与惰性物料是否存在无关.,习题课,25,习题2.5,NO和O2氧化为NO2的反应是一个三级反应,2NO+O2=2NO2,在30及1kg/cm2下测得其反应速率常数为kc=2.65104 L2/(mol2s).如果将速率方程表示为分压的函数:rA=kppNO2pO2,请问反应速率常数的kp值和单位是什么?,习题课,26,反应速率常数的kp值:,知识点:化学反应速率常数,习题课,27,习题2.6,有一反应,已知下列速率常数:,求该反应的活化能和指前因子,习题课,28,知识点:活化能、指前因子、Arr
10、henius方程,K0=1641236.4 (1/h),习题课,29,在等温下进行液相反应A+BC+D，在该条件下反应速率方程为 rA=0.8CA1.5CB0.5 mol/lmin 若将A和B的初始浓度均为3mol/l的原料混合后进行反应，求反应4min时的A的转化率,习题课,例题 1,30,习题课,31,习题2.7,乙醇同乙酸在盐酸水溶液中的可逆酯化反应CH3COOH+C2H5OH=H2O+CH3COOC2H5,实验测得100时的反应速率常数为: rA=k1CACB-k2CpCs k1=4.7610-4 m3/(minkmol) k2=1.6310-4 m3/(minkmol) 今有一反应器
11、,充满0.3785m3水溶液,其中含CH3COOH90.8kg, 含C2H5OH181.6kg,所用盐酸浓度相同,假定在反应器中的水分不蒸发,物料密度恒定为1043kg/m3,求: (1) 反应120min后, CH3COOH转化酯的转化率; (2) 忽略逆反应影响,反应120min后,乙醇的转化率; (3)平衡转化率,32,CH3COOH+C2H5OH=H2O+CH3COOC2H5 CA0 CB0 Cp0 t=0 CA0(1-x) CB0-CA0x Cp0+CA0x CA0x t=t,33,CA0=4.066mol/m3 CB0=10.43mol/m3 CP0=17.96mol/m3 x=0
12、.356,令,34,(2):忽略逆反应的影响,x=0.418 乙醇转化率: (CB0-CA0x)/CB0=0.839 (3) 平衡转化率,xe=0.5465,35,等温恒容不可逆反应的动力学方程,36,等温恒容可逆反应的动力学方程,37,习题2.8,用纯组分A在一恒容间歇反应器中进行可逆反应A=2.5P,实验测得反应体系的压力数据为:,试确定该反应的速率方程式,38,习题2.8,设反应为一级可逆反应: -rA=k1CA-k2(CA0-CA),积分得:,作图,K=k1/k2=(CA0-CAe)/CAe=4 k1=0.129 k2=0.0322 -rA=0.129CA-0.0322(CA0-CA)
13、,39,习题2.9,有一复杂反应,如果几个反应的指前因子相差不大,而活化能E1E2, E1E3,E4E3.应如何控制操作温度才能使产物S的收率增大?,40,习题2.9,rs=k3CB -rA=(k1+k2)CA,41,习题2.10,乙炔与氯化氢在HgCl2/活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应 C2H2+HCl=C2H3Cl其动力学方程有以下几种可能的形式: (1) r=k(pApB-pc/K)/(1+KApA+KBpB+KcPc)2 (2) r=kKAKBpApB/(1+KApA)(1+kBpB+kcPc) (3) r=kKApApB/(1+KApA+kBpB) (4) r=kKBpApB/(1+
14、kBpB+kcPc) 试根据理想表面假设说明各式对应的机理假设及其控制步骤,42,习题2.10,(1) 机理:A+A B+B A+BC+ (控制步骤) CC+,kaApAv-kdAA=0 A=KApAV B=KBpBV C=KCpCV,A+B+C+V=1 v=1/(1+KApA+KBpB+KCpC),r=k+AB-k-CV r=k(pApB-pc/K)/(1+KApA+KBpB+KcPc)2 k=k+KAKB K=k+KAKB/(k-KC),43,(2) 机理:A+1A B+2B2 A1+B2C2+2 (控制步骤) C2C+2,kaApAv1-kdAA=0 A=KApAV1 A+V1=1 V1
15、 =1/(1+KApA),B=KBpBV2 C=KCpCV 2 B+C+V2=1 v2=1/(1+KBpB+KCpC),r=k+AB r=kpApB/(1+KApA)(1+KBpB+KcPc) k=k+KAKB,44,(3) 机理:A+A B+B A+BC+ (控制步骤),kaApAv-kdAA=0 A=KApAV B=KBpBV B+A+V=1 v=1/(1+KBpB+KApA),r=k+ApB r=k+KApApB/(1+KBpB+KAPA),45,(4) 机理: B+B CC+ A+B C (控制步骤),kaBpBv-kdBB=0 B=KBpBV C=KCpCV C+B+V=1 v=1/(1+KBpB+KCpC),r=k+pAB r=k+KBpApB/(1+KBpB+KCPC),46,解题要点:,根据吸附项的幂可以确定有几个活性点参加此控制反应,根据吸附项中是否出现开根号,可以判断是否有物质解离,根据推动力项中是否出现减号,可以判断是否是可逆反应,根据推动力项中反应物出现的幂数可
