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1、1,第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征,2,3.1.1反应器设计的基本内容和方法,选择合适的反应器型式(依据)反应的动力学特性（反应过程的浓度效应、温度效应及热效应）反应器的流动特征和传递特性（热量传递对反应过程的影响、质量传递对反应过程的影响）,3.1反应器设计基本方程,两者结合,3,确定适合的工艺条件确保反应器具有良好的运转特性、操作稳定性通过试验，通过大型的工艺模拟软件（PROII、ASPENPlus等等）计算所需反应器体积确定反应器结构和尺寸由规定的生产能力及操作条件来确定,4,3.1.2反应器设计基本方程,动力学方程式化学反应器设计基础物料衡算方程式（摩尔衡算）计算反应器体
2、积某组分）G入G出G反应消耗=G积累热量衡算方程式计算反应器温度变化Q入Q出Q反应放热Q传出=Q积累动量衡算方程式计算反应器压力变化,6,BatchReactor,BatchReactorStirringApparatus,7,理想间歇反应器的特征反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀反应器内各处温度始终相等反应器内物料同时加入并同时停止反应,反应结果将唯一地由化学动力学所确定,搅拌器设计、安装搅拌器的型式、尺寸和安装位置都要根据物料性质和工艺要求来选择目的都是为了在消耗一定的搅拌功率条件下达到反应器内物料的充分混合,8,3.2.2间歇反应过程的数学描述,物料衡算（对象：整个反应器）（某组分）G
3、入G出G反应消耗=G积累,9,理想间歇釜反应器计算基本方程等容过程（液相系统）,在间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需的反应时间，只取决于过程的速率，而与反应器的大小无关。反应器的大小只决定于物料的处理量。因此，在放大过程中只要保证化学反应速率的影响因素相同即可。,10,基本方程的图解积分,11,VR反应物料在反应器中所占的体积0单位生产时间所处理的物料量tT每批物料的操作时间,BR体积VR/0.75,BR体积计算,辅助时间（装料、升温、降温、卸料、清洗）,反应时间,装料系数,12,3.2.3理想间歇反应器中的简单反应,1.一级反应AP反应动力学方程等温条件下反应时间,13,一级反应的r、
4、C、x间的关系,14,动力学方程式单组分：AP：(-rA)=kCA2双组分：ABP：(-rA)=kCACB单组分反应在BR中的反应结果：,2.二级反应,15,残余浓度表示转化率表示,16,二级反应的速率、浓度、转化率相互关系,(-rA)=kCA2,(-rA)=kCA02(1-xA)2,xA,xA,CA,CA,(-rA),(-rA),CA0kt,17,动力学方程式反应结果,(-rA),(-rA),CA,CA,xA,xA,kt,3.零级反应,18,4.反应特性分析,19,分析讨论,（1）当时间t一定，xA和CA唯一地确定在体积和时间一定时，T，k，xA,反应转化率由时间决定,等式左边,乘积kt项,
5、等式右边,由CA0、CA、xA组成,20,（2）CA0对反应结果的影响与反应级数有关达到相同的转化率所需的反应时间t：n1：tCA0无关n2：tCA0反比n0：tCA0正比,定性判别大致的反应级数,21,（3）CA0与x关系n=1：CA0，X不变n=2：CA0，xn=0：CA0，XCA0，CA,22,（4）比较反应级数n与CA和t的关系,t,CA,n=0,n=1,n=2,二级反应大部分反应时间是消耗在反应的末期,23,动力学方程：（rA）=kCACB当CA0CB0时方程式为：（rA）=kCA2当CA0CB0时，CB视作常数方程式为：（rA）=kCACB0=kCA当CA0/CB01时方程式为：（
6、rA）=kCACB,5.双组分反应,ABP,24,B过量过量浓度比：CB与CA的关系：动力学方程式：,25,在BR中以CB0ktxA作图，看过量比对反应结果的影响,26,由图可见：x低时，M影响不明显；x高时，M影响增大；M，达到相同x，t。初期过量10 x0.99时CB高出CA11倍,27,【例题】,醋酸与丁醇反应生成醋酸丁酯，反应式为：CH3COOH(A)C4H9OH(B)CH3COOC4H9(P)H2O(S)当反应温度为100并以硫酸作为催化剂时，动力学方程式为：（rA）=kCA2k=17.410-3l/(molmin)，已知在一个理想间歇反应器中进行。,28,若进料中醋酸的初浓度为0.
7、9mol/l和1.8mol/l试计算：（1）反应的初始速率；（2）醋酸转化率xA=0.5所需的反应时间；（3）若反应釜料液为100l，则各得多少公斤醋酸丁酯？,29,（1）按二级速率方程式，初始速率为：,解：,30,（2）反应时间计算式溶液(1)溶液(2),初浓度提高一倍，达到规定转化率要求，反应时间缩短一半。,31,（3）当醋酸转化率为0.5时停止反应，醋酸丁酯的浓度分别为：醋酸丁酯的公斤数分别为：,32,计算结果表明：若初浓度提高一倍，达到规定转化率要求，不仅反应时间缩短一半，而且产品产量增加一倍。,33,6.自催化反应,APPP（rA）=kCACP反应初期：CA，CP，r；随反应的进行：
8、CA不多，CP，r；反应后期：CP，CA，r；,有一个最大反应速率,34,最佳浓度对应最大反应速率令,动力学方程,35,自催化反应在BR中计算方程,36,7.理想间歇反应器的最优反应时间,简单反应：AP优化目标：单位时间单位反应器体积的产量最大t，x，产量；x高时，r，单位时间产量t，r，辅助时间比例，单位时间产量单位时间产物生成量：求导,37,只要知道CP与t之间关系，即可用解析法或图解法球的最优时间。,令,38,动力学方程,切线的斜率,切点M横坐标最优反应时间；纵坐标产物浓度,39,3.3理想间歇反应器中的可逆反应,以正、逆反应均为一级反应为例：反应速率：当CP00时，,A,P,40,1.
9、可逆反应的特点,平衡时：正反应速率负反应速率,反应平衡常数,41,.,平衡时r1=r2k1CAeCBe=k2CCeK=k1/k2=Cce/CAeCBe平衡转化率是相应反应条件下，反应可能达到的极限。转化率与温度间的关系与反应的热效应有关。可逆反应的特点:存在平衡态平衡时体系中物料的浓度不变，反应净速度为零。,42,K与T的关系符合范德霍夫方程：可逆吸热反应，Hr0，T，K可逆放热反应，Hr0，T，K,T对K的影响与反应热效应有关。,43,平衡转化率与平衡常数的关系平衡转化率与温度的关系,K，,可逆反应的特点：反应结果受热力学平衡条件的限制,44,2.可逆反应速率,反应速率方程式平衡时结合平衡条
10、件反应速率表达式,45,可逆反应速率的特征可逆反应速率的浓度效应与简单反应相同。可逆反应速率的温度效应受速率常数和平衡常数双重影响。对于不同温度效应的反应有不同的特征。,46,可逆吸热反应：T，K()；k，(rA)温度提高，反应速率增加。可逆放热反应：T，K()；k，(rA)有极值存在最优反应温度。,47,温度对不同类型反应速度的影响,1）不可逆反应不存在化学平衡问题无论是吸热反应、放热反应，反应速度均随反应温度升高而增大。实际操作中应尽可能在温度限制范围内于高温下进行反应，以提高反应速度。,反应器材质、催化剂使用范围、热能限制、副反应的竞争.等限制,48,.,2）可逆吸热反应化学平衡常数K随
11、温度升高而增大。实际操作中应尽可能在温度限制范围内于高温下进行反应，以提高正反应速度。,49,3）可逆放热反应,反应温度升高，反应速度增大，但化学平衡常数减小（降温有利于正反应）。存在最优反应温度使平衡转化率尽可能高，且反应速度较快。通过求出最优温度。,50,.,例，对反应AP（设为一级反应）可求出：平衡温度最优温度,51,例：P81图3-13，二氧化硫氧化反应速度与转化率及温度的关系,1）转化率一定时，低温时反应速度随温度升高而迅速增大；,转化率越高，对应的最优温度越低相应的反应速度越低。变温操作,2）随温度升高，可逆放热反应平衡常数降低，因此高温时，反应速度随温度升高的增加量渐渐减少，最终
12、减为零、负值.,*存在最大反应速度最优反应温度。,52,最优反应温度对于一定的反应混合物组成，具有的最大反应速率的温度。最优温度线不同反应物组成时相应的最优温度。,53,可逆反应在BR中,54,2.2.4理想间歇反应器中的平行反应,1.平行反应反应物和产物浓度分布,A,P(主反应，k1）,S（副反应,k2）,55,反应物反应速率：在BR中：,当n1=n2=n时：,56,产物P、S生成速率,（n1=n2=n）,主副反应产物浓度比由k1/k2唯一决定，只有改变T才能改变产物分布。,57,2.平行反应的选择率和收率瞬时选择率：反应物总速率中向目的产物转化的分率为某一浓度、温度条件下的选择率,58,平
13、均选择率对反应结果作出评价瞬时选择率的平均值,59,平均选择性与瞬时选择性的关系,PFR,60,收率单程收率总收率,61,实际工业反应器有两种方案反应物不分离、不循环返回的流程单程收率反应物经分离循环返回反应系统的流程B点：单程收率C点：转化率xA1总收率,62,3.平行反应选择率的温度效应,选择率随温度的变化取决于主、副反应活化能的相对大小。,63,E1E2，T，；E1E2，T，；E1E2，与T无关。,64,4.选择率的浓度效应n1n2，C，；n1n2，C，；n1n2，与C无关。,65,理想间歇反应器中的串连反应,串连反应：APS(一级反应）,66,在BR中,67,1.串连反应特点：反应物A随反应的进行而单调下降；副产物S随反应的进行而单调上升；中间产物P的浓度有极值。,68,2.串连反应的选择率,选择率的温度效应E1E2，T，；E1E2，T，；E1E2，与T无关。,选择率的浓度效应随着反应进行：CP，CAxA(CP/CA)，,对于串连反应不能盲目追求高转化率,温度和浓度的函数,69,3.串连反应的收率,收率最大值的大小与k1/k2有关,收率-时间关系：反应初期反应后期,70,4.最大收率当温度一定时，收率仅取决于x,令,最佳转化率,最佳反应时间,71,作业,
