6.1 工业化学反应过程及反应器.ppt

6.1 工业化学反应过程及反应器 均相反应与非均相反应： 四、化学反应速率概念 化学反应速率：单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量。其表示方法因反应在间歇或连续系统中进行而不同。 化学反应速率 2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置的函数。 反应速率方程式 简单反应和复杂反应 简单反应的速率方程式 1、一级反应 2、二级反应 2、二级反应 三、可逆反应 简单反应和复杂反应 二、复杂反应的速率方程式 反应速率控制步骤 理想流动和理想反应器 间歇釜式反应器 二、反应器容积的计算 理想管式反应器 二、反应器容积的计算 全混流反应器 多釜串联反应器 对于定容过程： 0 t cA cA0 0 t xA xA=1 0 t (-rA) 0 cA0 1/(-rA) cA 面积=t 0 xA 1/(-rA) 面积=t/ cA0 间歇反应器基本方程式 二级 一级 零级 转化率式 反应物浓度式 反应速率式 反应级数 理想间歇操作釜式反应器中简单级数的反应的表达式 间歇操作，除反应所需的时间t，还有加料、出料和清洗等操作步骤所需的辅助时间t‘ 每小时处理的物料体积为v，反应器的有效容积为VR： 装料系数为?：它是反映器有效容积占总容积的比值，通常根据经验选定。对不发生泡沫不沸腾的液体，?采用0.7~0.85，反之，?只可采用0.4~0.6。 一、理想管式反应器（PFR）的特点: 理想的管式反应器也称作平推流反应器(plug flow reactor,PFR)： 在反应器轴向不同位置上，物料浓度、反应速率、转化率等均不相等； 在轴向的每一个截面上，物料浓度、反应速率、转化率均相等，且不随时间而变化； 在径向不存在浓度差。 在等温定态条件下，对反应物A进行物料衡算: 单位时间内A的输入量=单位时间内A的输出量+单位时间内反应掉A的量 对整个反应器，其边界条件为： 若反应过程中流体体积流量不发生变化 空间时间?：反应器的有效容积与进口处的体积流量之比。 平推流反应器基本方程式 0 cA cA0 0 xA xA=1 0 (-rA) 0 cA0 1/ (-rA) cA 面积= ? =VR/qV，0 0 xA 1/ (-rA) 面积= ? / cA0=VR/qn，A0 二级 一级 零级 转化率式 反应物浓度式 反应速率式 反应级数 理想管式反应器中简单级数的反应的表达式 理想管式反应器的反应结果与理想间歇反应器的反应结果完全相同，只是在理想管式反应器中， ?是空间时间，而间歇反应器中，t为反应时间。为什么在两种结构和操作情况都不相同的反应器中，它们的表达式却是一致的呢？ 在理想管式反应器中浓度和转化率随空间时间（管长）而变，在间歇反应器中浓度和转化率随时间而变。他们的变迁史是相同的，反应的推动力也是一致的。 0 0 进料 出料 全混流（理想混合）反应器（Continuous Stirred Tank Reactior，CSTR）的特点： （1）物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。 （2）由于充分的搅拌，反应釜内物料的浓度、温度处处相等并且等于反应器出口物料的浓度和温度。 0 在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算： 设反应过程中，物料体积不变 进入量=引出量+反应量+累积量 qn,A0 = qn,A0(1-xA) + (-rA)VR qV0cA0 = qV0cA0 (1-xA) + (-rA)VR VR qV0 = = ? cA0 xA -rA = cA0 -cA -rA 全混流反应器基本方程式 0 cA0 1/(-rA) cA 面积= ? =VR/qV0 0 xA 1/(-rA) 面积= ? / cA0=VR/qn，A0 物料出口时情况 间歇釜式反应器和平推流反应器的计算方程式都是微分形式；而全混流反应器的计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应器内，反应物的温度、浓度、转化率均不随时间而变(定态过程)也不随空间位置而变(整个反应器内是均匀的)。 与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成同样的反应任务(即流量相等，反应物的转化率相等)全混流反应器所需的空间时间远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应的时间。 二级 一级 零级 转化率式 反应物浓度式 反应速率式 反应级数 全混流反应器中简单级数的反应的表达式 同样是连续流动，为什么全混流反应器与平推流反应器的结果会不一样呢? * * 化学反应工程 教学目的： 了解化学反应工程要解决的主要问题