3 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征.ppt

第三章 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征 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） 3.1.2 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）—计算反应器体积 某组分） ΣG入－ ΣG出 － ΣG反应消耗 =ΣG积累 热量衡算方程式—计算反应器温度变化 ΣQ入－ ΣQ出 ＋ ΣQ反应放热 － ΣQ 传出=ΣQ积累 动量衡算方程式—计算反应器压力变化 3.2 理想间歇反应器 结构及优点 操作灵活 缺点 辅助时间长 产品质量不稳定 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 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）ΣG入－ΣG出 －ΣG反应消耗 =ΣG积累 理想间歇釜反应器计算基本方程 等容过程（液相系统） BR体积计算 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 3.2.3 理想间歇反应器中的简单反应 1.一级反应 A?P 反应动力学方程 等温条件下反应时间 一级反应的r、C、x间的关系 2.二级反应 动力学方程式 单组分：A?P： (-rA)=kCA2 双组分：A＋B?P：(-rA)=kCACB 单组分反应在BR中的反应结果：  残余浓度表示 转化率表示 3.零级反应 动力学方程式 反应结果 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? （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： n＝1：t∝CA0 无关 n＝2：t∝CA0 反比 n＝0：t∝CA0 正比 （3） CA0与x关系 n=1：CA0?，X不变 n=2：CA0?，x? n=0：CA0 ?，X? CA0?， CA? （4）比较反应级数n与CA和t的关系 5.双组分反应 动力学方程：（－rA）=kCACB 当CA0＝CB0时 方程式为： （－rA）=kCA2 当CA0《 CB0时， CB视作常数 方程式为： （－ rA）= kCACB0= kCA 当CA0 /CB0≠1时 方程式为： （－rA）=kCACB B过量 过量浓度比： CB与CA的关系： 动力学方程式： 在BR中 以CB0 kt～xA作图，看过量比对反应结果的影响 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％ x＝0.99时CB高出CA11倍 【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）=kCA2 k=17.4?10-3l/(mol·min)， 已知在一个理想间歇反应器中进行。 若进料中醋酸的初浓度为0.9mol/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？ 解： （1）按二级速率方程式，初始速率为： （2）反应时间计算式 溶液(1) 溶液(2) （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： 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。 6.自催化反应 A＋P?P＋P （－rA）=kCACP 反应初期： CA??，CP??，r?； 随反应的进行： CA ?不多，CP?，r?； 反应后期： CP??，CA??，r?； 最佳浓度—对应最大反应速率 令 自催化反应在BR中计算方程 7.理想间歇反应器的最优反应时间 简单反应：A→P 优化目标：单位时间单位反应器体积的产量最大 t?，x?