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1、化学反应和反应器的分类（四种）：一、 按反应系统涉及的相态分类：均相反应、非均相反应二、 按操作方式分类：间歇操作、连续操作、半连续操作三、 按反应器型式来分类：管式反应器（长径比大于30）、槽式反应器（高径比为13）、 塔式反应器（高径比在330）四、 按传热条件分类：等温反应器、绝热反应器、非等温、非绝热反应器化学反应工程的基本研究方法：数学模型法反应程度/进度： nI为参与反应的任意组分I的摩尔数，I为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩尔数。转化率（关键组分A） 化学反应速率：单位反应体积内反应程度随时间的变化率。 均相反应的速率是反应物系组成、温度和压力的函数 阿累尼乌斯关系: 理
2、想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n1半衰期: 反应转化率达到50%所需要的时间 二级反应：停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。空间时间 （反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值）空速SV （在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积）标准空速 简单混合：停留时间相同（反应程度、反应前后物料相同）的物料之间的混合返混：停留时间不同（组成、反应程度、反应速率不同）的物料之间的混合按返混情况不同反应器被分为以下四种类型:1. 间歇反应器 (物料之间的简单混合，不存在返混、有搅拌
3、、釜式、间歇操作)反应时间 恒容条件下 h化简： FA : kmol.h-1 CA0 : kmol.m-3反应器有效容积 反应器总体积 ：装填系数2. 平推流/活塞流反应器 PFR (不存在返混、没有搅拌、管式、连续操作) =0 恒容过程： 3. 全混流反应器 CSTR (返混达最大值) 恒容过程： / 4. 非理想流反应器 (物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间) 0变容反应过程: 1. 膨胀因子 (关键组份A的膨胀因子等于反应计量系数的代数和除以A组分计量系数的相反数) 2. 膨胀率 (A组分的膨胀率等于物系中A组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初始体积。) 变容过程转化率与
4、浓度的关系：等温等容变压过程: 转化率要求越高，返混影响越大，高转化率的反应宜采用平推流反应器尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件平推流反应器的并联操作： 平推流反应器的串联操作 对N个反应器 全混流反应器的串联操作 出口浓度：对一级反应: 对二级反应： 循环比平行反应: (目的产物) (副产物)转化率平均选择性收率 瞬时选择性对全混流： P的出口浓度 对平推流或间歇反应器计算题：例1-2 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为： cA0=4 kmol.m-3若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产
5、时间为1h，反应器装填系数为0.75，求：(1)转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少?(2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为：xA=0.5 xA=0.6 tr=3.18h xA=0.8 tr=8.5h xA=0.9 tr=19.0h(2)反应器体积的计算 xA= 0.8时：tt=tr+t=8.5+1=9.5h每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为146，则有： 处理体积为：反应器有效容积VR： 实际反应器体积VR： 当xA=0.9时： tt=19+1=20h VR=0.17120=3.42m3
6、VR=3.420.75=4.56m3 例1-3: 条件同例1-2，计算转化率分别为80、90时所需平推流反应器的大小。解：对PFR 代入数据xA=0.8时 xA=0.9时：例1-7 条件同例1-2的醇酸树脂生产，若采用CSTR反应器，求己二酸转化率分别80、90时，所需反应器的体积。解：由例1-3已知： 由设计方程: 代入数据，xAf=0.8时 代入数据，xAf=0.9时 反应器有效容积平推流反应器间歇釜式反应器全混流反应器xA=0.81.45 m32.17 m37.23m3xA=0.93.26 m34.56 m332.6 m3从上表可看出，达到同样结果间歇反应器比平推流反应器所需反应体积略大
7、些，这是由于间歇过程需辅助工作时间所造成的。而全混釜反应器比平推流反应器、间歇反应器所需反应体积大得多，这是由于全混釜的返混造成反应速率下降所致。当转化率增加时，所需反应体积迅速增加例1-5 均相气相反应A3R，其动力学方程为-rA=kcA，该过程在185，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1，进料量FA0=30kmol/h，原料含50惰性气，为使反应器出口转化率达80，该反应器体积应为多大?例1-6 在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯。年设计生产能力为14万吨乙烯。反应是不可逆的一级反应，要求达到乙烷转化率为80，反应器在1100K等温，恒压600kPa下
8、操作，已知反应活化能为347.3 kJmol-1 ，1000K时，k=0.0725 s-1 。设计工业规模的管式反应器。解：设A为乙烷，B为乙烯，C为氢气 反应器流出的乙烯的摩尔流率是：进料乙烷的摩尔流率是：计算1100K时反应速率常数： 膨胀因子： 膨胀率：进口体积流量：平推流反应器设计方程: 作业题:1. 气相基元反应A+2B2P在30和常压下的反应速率常数kc=2.65104m6kmol-2s-1。现以气相分压来表示速率方程，即(rA)=kPpApB2，求kP=?（假定气体为理想气体） 2.有一反应在间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80%，经过18min后，转化掉90%，求
9、表达此反应的动力学方程。3. 反应A(g) +B(l)C(l)气相反应物A被B的水溶液吸收，吸收后A与B生成C。反应动力学方程为：rA=kcAcB。由于反应物B在水中的浓度远大于A，在反应过程中可视为不变，而反应物A溶解于水的速率极快，以至于A在水中的浓度恒为其饱和溶解度。试求此反应器中液相体积为5m3时C的生成量。已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmolm-3，cA饱和=0.02 kmolm-3，水溶液流量为10m3hr-1。 4.考虑反应 ，其动力学方程为试推导在恒容下以总压表示的动力学方程。例2-2 生产氯丁橡胶的单体2-氯-1,3-丁二烯（R）是将3,4-二氯丁烯（A）在
10、乙醇中用碱脱氯化氢而得，反应方程式为 当 ，其动力学积分式为 已知:T/K303313323kmol/(L.min)0.030.070.19据此，进行以下计算。并对计算结果比较讨论: 1）间歇反应釜的计算: 工艺条件为：反应前期，维持等温40 ，反应时间30min，反应后期控制温度50，反应时间20min；CA0=2.2mol/L，=1.25.求总转化率为多少？（2）保持上述工艺条件，反应温度为40 ，反应器为全混流反应釜，求达到98%和99%转化率时所需的时间？（3）用两只相同大小的全混釜串联操作，第一釜维持反应温度为40 ，第二釜维持反应温度为50 ，计算转化率98%和99%所需的时间？（
11、4）用三只相同大小全混釜串联操作，前二釜维持反应温度为40 ，第三釜维持反应温度为50 ，计算转化率98%和99%所需的时间？ 例2-3 有一分解反应 其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0 =5 kmolm-3，cP0=cS0=0，体积流速为5m3h-1，求转化率为90时：(1)全混流反应器出口目的产物P的浓度及所需全混流反应器的体积。(2)若采用平推流反应器，其出口cP为多少?所需反应器体积为多少?(3)若采用两釜串联，最佳出口cP为多少?相应反应器体积为多少?解：(1)全混流反应器： 全混流反应器平均选择性等于瞬间选(2)平推流反应器 (3)两个全混釜串联为使cP
12、最大，求 得cA1=1.91kmolm-3 1. 可逆一级液相反应，已知；当此反应在间歇反应器中进行，经过8min后，A的转化率为33.3%，而平衡转化率是66.7%，求此反应的动力学方程式。解 1.平行液相反应 AP rP=1 AR rR=2cA AS rS=cA2已知cA0=2kmolm-3，cAf=0.2kmolm-3，求下列反应器中，cP最大为多少? （1）平推流反应器；(2)全混流反应器；(3)两相同体积的全混流反应器串联，cA1=1kmolm-3。解 3. 自催化反应A+P2P的速率方程为：rA=kcAcP，k=l m3kmol-1min-1，原料组成为含A 13%，含P 1%（摩
13、尔百分数），且cA0+cP0= l kmolm-3，出口流中cP= 0.9 kmolm-3，计算采用下列各种反应器时的空间时间(=VR/V0)。(1)平推流反应器；(2)全混流反应器；(3)平推流与全混流反应器的最佳组合；(4)全混流反应器与一分离器的最佳组合。解 4.一级不可逆连串反应，k1=0.25hr-1，k2=0.05hr-1，进料流率V0为1m3hr-1，cA0=1kmolm-3，cB0=cC0=0。试求：采用两个VR=1m3的全混流反应器串联时，反应器出口产物B的浓度。解1. 均相气相反应A3P，服从二级反应动力学。在0.5MPa、350和V0=4m3hr-1下，采用个25mm内径
14、，长2m的实验反应器，能获得60转化率。设计一个工业平推流反应器，当处理量为320m3hr-1，进料中含50%A，50%惰性物料时，在2.5MPa和350下反应，为获得80%的转化率求需用25mm内径，长2m的管子多少根?这些管子应并联还是串联？解 （1） 求速率常数k(2)求反应器体积和管数管子的串并联要从流体阻力和流型考虑，在保持平推流的前提下尽量并联。6. 在习题一的反应器中进行AD反应，已知cA0=25molm-3，动力学方程为rA=0.05cA molm-3min-1，请分别用：(1)凝集流模型； (2)多级混合槽模型；(3)平推流模型；(4)全混流模型。计算出口物料中A组分的转化率。解 (2)
