化學反應工程理想間歇反應器第1頁/共53頁2023/3/83.1理想反應器類型3.2反應器設計基本方程3.3理想間歇反應器3.4動力學方程的實驗測定第2頁/共53頁2023/3/83.1理想反應器類型第3頁/共53頁2023/3/83.2反應器設計基本方程3.2.1基本內容選擇合適的反應器型式

反應動力學特性+反應器的流動特征+傳遞特性確定最佳的工藝條件最大反應效果+反應器的操作穩定性進口物料的配比、流量、反應溫度、壓力和最終轉化率計算所需反應器體積規定任務+反應器結構和尺寸的優化第4頁/共53頁2023/3/83.2.2基本方程第5頁/共53頁2023/3/8物料衡算方程某組分流入量=某組分流出量+某組分反應消耗量+某組分累積量反應消耗累積流入流出反應單元反應器反應單元流入量流出量反應量累積量間歇式整個反應器00√√平推流(穩態)微元長度√√√0全混釜(穩態)整個反應器√√√0非穩態√√√√第6頁/共53頁2023/3/8熱量衡算方程帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應熱+熱量的累積+傳給環境的熱量反應器反應單元帶入量帶出量反應熱累積量間歇式整個反應器00√√平推流(穩態)微元長度√√√0全混釜(穩態)整個反應器√√√0非穩態√√√√反應熱累積帶入帶出反應單元傳給環境第7頁/共53頁2023/3/8動量衡算方程氣相流動反應器的壓降大時，需要考慮壓降對反應的影響，需進行動量衡算。但有時為了簡化計算，常采用估算法。第8頁/共53頁2023/3/83.3理想間歇反應器3.3.1特征和數學描述特點:

1由于劇烈攪拌，反應器內物料濃度達到分子尺度上的均勻，且反應器內濃度處處相等，因而排除了物質傳遞對反應的影響；

2具有足夠強的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內的熱量傳遞問題；

3物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相同的反應時間。優點：

操作靈活，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產

精細化工產品的生產缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產品質量不穩定第9頁/共53頁2023/3/8對整個反應器進行物料衡算：流入量=流出量+反應量+累積量00第10頁/共53頁2023/3/8實際操作時間（tT)=反應時間(t)+輔助時間(tC)反應體積V是指反應物料在反應器中所占的體積1/rA

—xAt/CA01/rA

—CAtt的計算（直接計算和圖解法）第11頁/共53頁2023/3/83.3.2簡單反應簡單一級反應簡單二級反應簡單零級反應簡單n級反應第12頁/共53頁2023/3/8反應速率rA=kCArA=kCA2第13頁/共53頁2023/3/8第14頁/共53頁2023/3/8反應后期的速度很小；反應機理的變化第15頁/共53頁2023/3/8末期動力學反應后期轉化程度（從弱到強）二級>一級>零級采用非關鍵組分過量，可提高轉化程度。設過量化：

CAOkt01.0xAM=125第16頁/共53頁2023/3/8自催化反應特點：反應產物本身具有催化作用，如發酵過程。反應初期：CA大，CP很小反應進行：CA,CP,(-rA)

反應后期：CA

小，CP

較高，(-rA)

存在(-rA)

max第17頁/共53頁2023/3/8第18頁/共53頁2023/3/83.3.3均相可逆反應（酯化反應）可逆反應的平衡特性（設均為一級）（1）若k2>k1

，則須保持足夠低的Cp，才能向右進行；（2）反應達到平衡時，平衡常數：K=k1/k2平衡濃度：3.3.3均相可逆反應可逆反應的平衡特性（設均為一級）第19頁/共53頁2023/3/8（3）Van’tHoff方程對吸熱反應：，T，K

溫度升高對反應平衡有利，向正方向移動。對放熱反應：，T，K

溫度升高對反應平衡不利，向逆方向移動。第20頁/共53頁2023/3/8可逆反應的速率特征設：對吸熱反應：T，K，（k1+k2)

溫度升高對反應平衡有利，向正方向移動。對放熱反應：T，K，CAe,（k1+k2),(CA-CAe)T，K，CAe,（k1+k2),(CA-CAe)引出最優溫度第21頁/共53頁2023/3/8最優反應溫度和最優溫度序列第22頁/共53頁2023/3/8第23頁/共53頁2023/3/8管式反應器或管式固定床反應器最優溫度的實施：（1）根據理論分析，對放熱反應，反應開始時溫度要高；（2）因此需要預熱，達到Topt時，再沿最優溫度線變化；（3）實施較為困難；（4）采用方法：多段絕熱，段間冷卻；原料冷激，多段絕熱。第24頁/共53頁2023/3/8理想間歇操作時，若自始至終按最優化溫度線操作，即過程溫度隨反應轉化率（或反應時間）增加沿最優溫度數值降低，造成隨轉化率（或反應時間）而漸降的溫度序列，則反應過程將始終以最大速率進行。第25頁/共53頁2023/3/83.3.4均相平行反應反應物及產物濃度分布n1n2第26頁/共53頁2023/3/8等溫理想間歇反應器，初始條件：即：反應級數相同時，P和S濃度比僅由k1/k2確定，因此改變溫度才能使濃度比發生變化。第27頁/共53頁2023/3/8即由溫度及A濃度有關。第28頁/共53頁2023/3/8選擇率、收率優化目標：反應速率和選擇率。第29頁/共53頁2023/3/8第30頁/共53頁2023/3/8溫度效應：第31頁/共53頁2023/3/8濃度效應：CA增加，有利于級數高的反應CA降低，有利于級數低的反應第32頁/共53頁2023/3/8提高的方法：（圖解）（1）n1>n2若CAf不變，提高CA0，可增加若CA0不變，提高CAf，可增加（1）n1<n2相反，降低CA0或CAf，可提高第33頁/共53頁2023/3/8操作條件和操作方式的選擇n1，m1n2，m2第34頁/共53頁2023/3/8CA高CB低n1>n2m1<m2CA低CB低n1<n2m1<m2CA高CB高n1>n2m1>m2第35頁/共53頁2023/3/8第36頁/共53頁2023/3/83.3.5均相串連反應動力學特征設一級反應：第37頁/共53頁2023/3/8第38頁/共53頁2023/3/8串連反應的選擇率溫度效應：第39頁/共53頁2023/3/8濃度效應：串連反應的選擇率總是隨著反應的進行不段地降低。不能盲目要求高xA，否則提高的方法：①降低單程轉化率②反應與分離結合，邊反應、邊分離。第40頁/共53頁2023/3/8串連反應的最大收率：第41頁/共53頁2023/3/8操作條件和操作方式的選擇原則最優反應時間降低轉化率，追求選擇率，邊反應邊分離第42頁/共53頁2023/3/83.4動力學方程的實驗測定動力學研究實驗測定技術實驗方案溫度流量壓力等反應類型實驗條件數據處理方法測量誤差大小范圍測量參數精度估計實驗測定技術實驗方案測量誤差大小范圍實驗測定技術實驗方案測量參數精度測量誤差大小范圍實驗測定技術實驗方案溫度流量壓力等溫度流量反應類型數據處理方法實驗條件反應類型數據處理方法目的：反應活化能，反應級數。第43頁/共53頁2023/3/83.4.1積分法分析實測數據不同條件下測得的組分濃度（或轉化率）及產品組成與停留時間關系的數據，是經歷一定反應歷程累積的結果。（1）測定CA---t數據，利用積分式的反應速率方程例如：二級不可逆反應（CA0不等于CB0）ty······斜率＝（CA0-CB0)k截距第44頁/共53頁2023/3/8第45頁/共53頁2023/3/8（2）Half-timet1/2method半衰期法t1/2：xA=0.5時所需的時間。Forasinglenth-orderreactionIntegratingforn1gives第46頁/共53頁2023/3/8若n=1，第47頁/共53頁2023/3/8運用積分法須滿足兩個條件：（1）無返混或返混極小；（2）反應動力學比較簡單。第48頁/共53頁2023/3/83.4.2微分法分析實測數據微分法求動力學方程是直接利用某一類動力學方程的微分式，以反應速度對濃度的函數作圖，然后與實測的數據相擬合的一種方法。一般也是設法把圖形線性化，把實驗數據代人。若得出一直線，便認為所假設的動力學方程是正確的。否則，重新選定另一個動力學方程進行猜算，直到得出一條直線為止。第49頁/共53頁2023/3/83.4.3反應速率常數的實驗測定可用CA---t數據（不同溫度下），求k。（