化學(xué)反應(yīng)工程第三章均相反應(yīng)過程

1、化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程簡單反應(yīng)器2概述1第3章均相反應(yīng)過程非等溫過程4組合反應(yīng)器3化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性6反應(yīng)器類型和操作方法的評選5第3章均相反應(yīng)過程攪拌釜中的流動與傳熱7化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 需要解決的問題大致是：（）如何通過實驗建立反應(yīng)的動力學(xué)方程并加以應(yīng)用；（）如何根據(jù)反應(yīng)的特點與反應(yīng)器的性能特征選擇反應(yīng)器型式及操作方式；（）如何計算等溫與非等溫過程的反應(yīng)器大小及其生產(chǎn)能力。 平均停留時間3.1 概述化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 空時的定義為：在規(guī)定條件下，進入反應(yīng)器的物料通過反應(yīng)器體積所需的時間稱為空時，用符號表示，并可寫成： 空速的定義為：在規(guī)定條件下

2、，單位時間內(nèi)進入反應(yīng)器的物料體積相當于幾個反應(yīng)器的容積，或單位時間內(nèi)通過單位反應(yīng)器容積的物料體積，稱為空速，用符號 表示，可寫成：3.1 概述化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.2 簡單反應(yīng)器12間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器3全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程可以寫出微元時間 內(nèi)的物料衡算式。整理并積分得：3.2.1 間歇反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程在恒容條件下，式（3-5）可簡化為：3.2.1 間歇反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程如圖3-4所示，這時可有：故3.2.2 平推流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 對整個反應(yīng)器而言，應(yīng)將式（3-7）積分： 若以下標0代表進料狀態(tài)

3、， 代表進入反應(yīng)器時物料的轉(zhuǎn)化率， 代表離開反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率。這樣，可得更一般地表達平推流反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式：3.2.2 平推流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 對恒容系統(tǒng)：3.2.2 平推流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.2.2 平推流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.2.2 平推流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 例例3-23-2均相氣體反應(yīng)在185和表壓 下按照反應(yīng)式 在平推流反應(yīng)器中進行，已知其在此條件下的動力學(xué)方程為當進料為50惰性氣體時，求的轉(zhuǎn)化率為80時所需的時間。3.2.2 平推流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 解解根據(jù)式（3-10）其中對于非恒容系統(tǒng)：根據(jù) 的定義，可求得此式可用

4、圖解積分或數(shù)值積分求解之。3.2.2 平推流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.2.2 平推流反應(yīng)器（）圖解積分 以 為橫坐標，以 為縱坐標，描繪曲線下的面積，即為積分值。由下表及下圖可得：化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）數(shù)值積分法 利用辛普森法則：故3.2.2 平推流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 如圖3-6所示，可有：故 因為全混釜反應(yīng)器多用于液相恒容系統(tǒng)，故式（3-11）可簡化為3.2.3 全混流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.2.3 全混流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.2.3 全混流反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.3 組合反應(yīng)器12 平推流反應(yīng)器的串聯(lián)、平推流反應(yīng)器的串聯(lián)、并聯(lián)或并串

5、聯(lián)并聯(lián)或并串聯(lián) 具有相同或不同體積的具有相同或不同體積的N N個個全混釜的串聯(lián)全混釜的串聯(lián)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.3 組合反應(yīng)器34不同型式反應(yīng)器的串聯(lián)不同型式反應(yīng)器的串聯(lián)循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器5半連續(xù)操作的反應(yīng)器半連續(xù)操作的反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 對反應(yīng)組分作第一個反應(yīng)器的物料衡算，根據(jù)式（3-8）可有同理，對第i個反應(yīng)器，可求得若每個反應(yīng)器內(nèi)溫度相同， 相等，則有：3.3.1 平推流反應(yīng)器的串聯(lián)、并聯(lián)或并串聯(lián)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程因系統(tǒng)為定態(tài)流動，且對恒容系統(tǒng)， 不變， ，故有：3.3.2 具有相同或不同體積的N個全混釜的串聯(lián)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程如各釜容積與溫度均相等，則有

6、3.3.2 具有相同或不同體積的N個全混釜的串聯(lián)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.3.3 不同型式反應(yīng)器的串聯(lián) 可對四個反應(yīng)器分別寫出如下關(guān)系式?；瘜W(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.3.4 循環(huán)反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 令對反應(yīng)器作物料衡算，可有：進反應(yīng)器的濃度對平推流反應(yīng)器積分，即可得到出口物料的濃度。3.3.4 循環(huán)反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.3.4 循環(huán)反應(yīng)器（詳見教材P46）化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.3.4 循環(huán)反應(yīng)器 例如對一級反應(yīng)： 如各管等溫、等容積、等循環(huán)比，則：化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 為了更形象地表示循環(huán)反應(yīng)器的性能，定義： 對定常態(tài)下的恒容過程，和、的關(guān)系是：式（3-18

7、）可寫成：23vv流量離開反應(yīng)器物料的體積循環(huán)物料的體積流量循環(huán)比3.3.4 循環(huán)反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 對于一級反應(yīng)，積分得： 對于非恒容系統(tǒng)：此時的 可根據(jù)變?nèi)葸^程的式（2-77）得：3.3.4 循環(huán)反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 因為系統(tǒng)壓力視為恒定，故在M點匯合的流體可以直接加和，因之有：3.3.4 循環(huán)反應(yīng)器以式（3-30）代入式（3-29）得：代入式（3-27）得： 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 考慮反應(yīng)： 如物料的密度在反應(yīng)過程中恒定不變，則在任意時間內(nèi)物料的體積為：在微元時間 內(nèi)對組分作物料衡算：故有 3.3.5 半連續(xù)操作的反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.3.5 半連續(xù)

8、操作的反應(yīng)器代入式（3-34）得：寫成差分的形式為：對反應(yīng)物作物料衡算得： 聯(lián)合式（3-33）、式（3-37）及式（3-38）、式（3-39）就可用數(shù)值法逐段求出相應(yīng)各時間t時的 了?；瘜W(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.4 非等溫過程12溫度的影響溫度的影響非等溫操作非等溫操作3一般圖解設(shè)計程序一般圖解設(shè)計程序化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 3.4.1 溫度的影響（）反應(yīng)熱和溫度 如已知的反應(yīng)熱為在溫度 時的數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)的反應(yīng)溫度為 ，此時，可以根據(jù)能量守恒定律而求得，表示為： 通常熱容與溫度的關(guān)系為：化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 把此關(guān)系代入式（3-41）得： 如果溫度范圍 不很大，在此范圍內(nèi)組分的熱容可取平

9、均值 代表，則：3.4.1 溫度的影響化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）化學(xué)平衡 根據(jù)熱力學(xué)關(guān)系，溫度對反應(yīng)平衡常數(shù)的影響為若反應(yīng)熱隨溫度而變化時，應(yīng)在積分中加以考慮，則為：3.4.1 溫度的影響化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）反應(yīng)溫度和最優(yōu)溫度3.4.1 溫度的影響化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.4.1 溫度的影響化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）間歇釜式反應(yīng)器的計算 對定容操作的間歇釜式反應(yīng)器，其能量衡算可依一般的方法寫出：上式各項除以 ，并取極限 ，得：若系絕熱操作，則對 的一級不可逆反應(yīng)，物料衡算結(jié)果為：3.4.2 非等溫操作化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）平推流反應(yīng)器的計算熱量衡算為：由于平推流反應(yīng)器的物料

10、衡算式為3.4.2 非等溫操作化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.4.2 非等溫操作把式（3-56）代入式（3-55）整理可得： 若反應(yīng)器系絕熱操作，上述熱量衡算式可簡化為：對整個絕熱反應(yīng)過程，積分上式得：如對反應(yīng) ，有化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程式（3-58）的積分結(jié)果為： 對恒容過程， 。當反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化時， ，則有： 對于非絕熱操作熱交換速率恒定的情況傳熱系數(shù)U恒定的情況3.4.2 非等溫操作化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）全混流釜式反應(yīng)器的計算3.4.2 非等溫操作如圖3-17所示，其熱量衡算式為：其物料衡算式為：或化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.4.3 一般圖解設(shè)計程序化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）絕熱操

11、作結(jié)合式（3-56）得： 在一些特定情況下，即當 時，反應(yīng)熱與溫度無關(guān)，此時，式（3-67）和式（3-68）簡化為：3.4.3 一般圖解設(shè)計程序化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.4.3 一般圖解設(shè)計程序（詳見教材P59）化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）非絕熱操作 若以Q表示加于各種型式的反應(yīng)器中每摩爾反應(yīng)物A的總熱量（包括熱損失在內(nèi)），則根據(jù)能量平衡可以寫出：對于3.4.3 一般圖解設(shè)計程序化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.5 反應(yīng)器類型和操作方法的評選12單一反應(yīng)單一反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）簡單反應(yīng)器的大小比較間歇釜式反應(yīng)器平推流管式反應(yīng)器全混流釜式反應(yīng)器 對平推流，由方程（3-10

12、）給出：3.5.1 單一反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 對全混流，由方程（3-11）給出：以式（3-72）除以式（3-73），得： 對恒容系統(tǒng)， 上式簡化為：3.5.1 單一反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程若初始進料與初始濃度相同，還可簡化為： 式（3-75），式（3-76）可以圖解形式表示在圖3-22上，它直接表示了為達到一定轉(zhuǎn)化率時所需的平推流和全混流的體積比。3.5.1 單一反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.5.1 單一反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.5.1 單一反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）不同型式反應(yīng)器的組合不同大小的全混流串聯(lián)操作時，若轉(zhuǎn)化率已經(jīng)給定，要如何確定其最優(yōu)組合。3.5.1 單

13、一反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.5.1 單一反應(yīng) 當 ，即 時，顯然長方形面積為最大。所以化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程不同型式簡單反應(yīng)器組合的最優(yōu)排列3.5.1 單一反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）平行反應(yīng) 對全混流釜式反應(yīng)器，由于釜內(nèi)濃度是均勻的且等于出口濃度，故瞬時收率等于總收率，或為：全混釜的總收率 與平推流反應(yīng)器總收率 之間的關(guān)系為：3.5.2 復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 對任一型式反應(yīng)器，產(chǎn)物的出口濃度直接從下式得：這樣，利用式（3-81），可以用圖3-29所示的圖解方法求得不同型式反應(yīng)器的 。3.5.2 復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 如圖3-30所示的三種不同的 曲線，為獲

14、得最大的 ，應(yīng)分別采用平推流反應(yīng)器、全混流釜式反應(yīng)器以及全混釜和平推流的串聯(lián)三種反應(yīng)器型式。3.5.2 復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程對反應(yīng)若反應(yīng)為3.5.2 復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.5.2 復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）連串反應(yīng)3.5.2 復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程取 ，可求得產(chǎn)物濃度的最大值及相應(yīng)位置?；喌茫?相應(yīng)最大產(chǎn)物的濃度為： 對各種 比值的典型的濃度-時間曲線示于圖3-32（a）。圖3-32（b）為與時間無關(guān)的標繪，關(guān)聯(lián)了反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度。3.5.2 復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.5.2 復(fù)合反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.6 全混流釜式反應(yīng)器的

15、熱穩(wěn)定性12全混流釜式反應(yīng)器的定態(tài)基本全混流釜式反應(yīng)器的定態(tài)基本方程式方程式全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性3定態(tài)熱穩(wěn)定性的判據(jù)定態(tài)熱穩(wěn)定性的判據(jù)化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 對簡單的一級反應(yīng) ，其物料和熱量衡算的動態(tài)方程式為： 在定態(tài)條件下：3.6.1 全混流釜式反應(yīng)器的定態(tài)基本方程式化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程這樣，可從動態(tài)微分方程式過渡到定態(tài)的代數(shù)方程，表達為： 從式（3-91）可以看出，等號左邊實際上代表散失或移去熱量的速率 ，而等號右邊代表反應(yīng)放出熱量的速率 ，兩者都是T的函數(shù)，即：3.6.1 全混流釜式反應(yīng)器的定態(tài)基本方程式化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 若以1mol的計算的

16、反應(yīng)熱為 ，則在單位時間內(nèi)反應(yīng)的放熱速率 值亦一定。即：如對一級反應(yīng)，已知 和平均停留時間的關(guān)系為：代入式（3-94）得：3.6.2 全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.6.2 全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 和反應(yīng)的放熱速率曲線相反，單位時間自系統(tǒng)散失的熱量或熱交換的速率與溫度呈線性關(guān)系，在絕熱情況下，它僅為進料的熱焓變化，表示為非絕熱操作則需考慮熱交換量： （）真穩(wěn)定和假穩(wěn)定操作點（）改變進口溫度的影響3.6.2 全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）改變進料流量的影響 為了研究進料流量變化對反應(yīng)器內(nèi)操作狀態(tài)的影響，可對式(3-95)及

17、式(3-97)作如下修改：3.6.2 全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.6.2 全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）自熱反應(yīng)以單位摩爾進料計算的放熱速率為：3.6.2 全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程而以單位摩爾進料計算的熱焓變化為3.6.2 全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程定態(tài)穩(wěn)定操作點應(yīng)具有如下兩個條件：3.6.3 定態(tài)熱穩(wěn)定性的判據(jù)按照熱定常條件，需使 ,故而按照熱穩(wěn)定條件，需使式（3-105）除以式（3-106）便得：化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.7 攪拌釜中的流動與傳熱12攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉

18、特性攪拌釜內(nèi)的混合過程攪拌釜內(nèi)的混合過程3攪拌功率的計算攪拌功率的計算4攪拌釜的傳熱攪拌釜的傳熱化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 釜內(nèi)的攪拌混合作用，不一定是對均相物料的，它大致具有以下幾種效果。拌合用于互溶液體間的混合，以消除反應(yīng)器內(nèi)的溫度和濃度梯度；懸浮使固體分散在流體中，如攪動漿態(tài)物料，攪拌鹽塊以促進鹽類的溶解等；分散將一種氣體或液體分散在另一種流體中，如廢水處理時的吹氣，在萃取或乳化過程中液滴的形成等；傳熱加劇混合物料或冷、熱表面間的熱交換等。3.7 攪拌釜中的流動與傳熱化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.7.1 攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.7.1 攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.7.1 攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性（教材詳見P79、P80）化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程3.7.1 攪拌釜的結(jié)構(gòu)和槳葉特性化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）流體力學(xué)槳葉的 數(shù)和 數(shù)分別為：攪拌槳葉采用循環(huán)因數(shù)3.7.2 攪拌釜內(nèi)的混合過程化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程（）釜式反應(yīng)器內(nèi)的混合概念 在湍流條件下，間歇攪拌釜內(nèi)的混合時間，可用下式估算可將全混釜的平均停留時間和混合時間相聯(lián)系。所以3.7.2 攪拌釜內(nèi)的混合過程化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程