化工基礎(chǔ)理論第6章工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)器
《化工基礎(chǔ)理論第6章工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)器》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《化工基礎(chǔ)理論第6章工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)器(103頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、 In a triangle bottle or beaker, a chemical reaction process may be carried out under the conditions of the same temperature and the same concentration. Then, the kinetics can be called micro-kinetics of reaction or intrinsic reaction kinetics. If a chemical reaction process is being carried out in
2、an industrial reactor, temperature and concentration may not be uniform profile because they are hard to be kept at the same in different time, and its corresponding kinetics can be called macro-kinetics of reaction or industrial reaction kinetics, whose subject is chemical reaction engineering to s
3、tudy industrial reaction process in coupling reaction and transfer. 第 六 章 工 業(yè) 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 及 反 應(yīng) 器6.1 概 述1. 工 業(yè) 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 特 征 物 理 化 學(xué) 中 涉 及 的 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 為 微 觀 化 學(xué) 反 應(yīng)動(dòng) 力 學(xué) 或 本 征 化 學(xué) 反 應(yīng) 動(dòng) 力 學(xué) , 而 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 的 化 學(xué)反 應(yīng) 過(guò) 程 為 宏 觀 化 學(xué) 反 應(yīng) 動(dòng) 力 學(xué) 或 工 業(yè) 化 學(xué) 反 應(yīng) 動(dòng) 力學(xué) ; 一 個(gè) 化 學(xué) 反 應(yīng) 在 實(shí) 驗(yàn) 室 或 小 規(guī) 模 進(jìn) 行 時(shí) ,
4、可 以 達(dá)到 相 對(duì) 比 較 高 的 轉(zhuǎn) 化 率 或 產(chǎn) 率 , 但 放 大 到 工 業(yè) 反 應(yīng) 器中 進(jìn) 行 時(shí) , 維 持 相 同 的 反 應(yīng) 條 件 , 所 得 轉(zhuǎn) 化 率 卻 往 往低 于 實(shí) 驗(yàn) 室 結(jié) 果 , 究 其 原 因 , 有 以 下 幾 方 面 : 大 規(guī) 模 生 產(chǎn) 條 件 下 , 反 應(yīng) 物 系 的 混 合 不 可 能 像實(shí) 驗(yàn) 室 那 么 均 勻 。 即 使 在 強(qiáng) 烈 攪 拌 存 在 下 , 當(dāng) 反 應(yīng) 器 的 體 積 比 較 大 時(shí) , 攪 拌 的 效 果 也 達(dá) 不 到 實(shí) 驗(yàn) 室 那 樣 的理 想 狀 況 ; 生 產(chǎn) 規(guī) 模 下 , 反 應(yīng) 條 件 不 能 像
5、 實(shí) 驗(yàn) 室 中 那 么 容 易 控制 , 體 系 內(nèi) 溫 度 和 濃 度 并 非 均 勻 。 如 放 熱 反 應(yīng) , 在 實(shí) 驗(yàn) 室可 以 比 較 容 易 地 通 過(guò) 冷 卻 、 水 浴 等 手 段 使 反 應(yīng) 體 系 的 熱 量移 出 , 從 而 保 持 溫 度 恒 定 且 處 處 相 等 ; 而 生 產(chǎn) 規(guī) 模 時(shí) , 通過(guò) 換 熱 方 式 移 走 放 出 的 熱 量 , 反 應(yīng) 體 系 內(nèi) 部 仍 存 在 較 大 的溫 度 梯 度 , 反 應(yīng) 只 能 控 制 在 相 對(duì) 的 一 個(gè) 溫 度 范 圍 內(nèi) 進(jìn) 行 。由 此 , 致 使 工 業(yè) 反 應(yīng) 器 內(nèi) 的 濃 度 也 表 現(xiàn) 出 非
6、 均 勻 性 ; 生 產(chǎn) 條 件 下 , 反 應(yīng) 體 系 多 維 持 在 連 續(xù) 流 動(dòng) 狀 態(tài) , 反應(yīng) 器 的 構(gòu) 型 以 及 器 內(nèi) 流 動(dòng) 狀 況 、 流 動(dòng) 條 件 對(duì) 反 應(yīng) 過(guò) 程 有 極大 的 影 響 。 反 應(yīng) 器 的 結(jié) 構(gòu) 不 同 , 反 應(yīng) 物 料 質(zhì) 點(diǎn) 流 經(jīng) 反 應(yīng) 器的 時(shí) 間 就 會(huì) 不 一 樣 , 有 的 停 留 時(shí) 間 長(zhǎng) , 有 的 可 能 一 進(jìn) 反 應(yīng)器 就 很 快 地 離 開 了 , 工 業(yè) 反 應(yīng) 器 內(nèi) 存 在 一 個(gè) 停 留 時(shí) 間 分 布 。 總 之 , 工 業(yè) 反 應(yīng) 器 中 實(shí) 際 進(jìn) 行 的 過(guò) 程 不 但 包 括 化 學(xué) 反應(yīng) ,
7、還 伴 隨 有 各 種 物 理 過(guò) 程 , 如 熱 量 的 傳 遞 、 物 質(zhì) 的 流 動(dòng) 、 混 合 和 傳 遞 等 , 這 些 傳 遞 過(guò) 程 顯 著 地 影 響 著 反 應(yīng) 的 最 終 結(jié)果 , 這 就 是 工 業(yè) 規(guī) 模 下 的 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 特 征 所 在 。 2. 化 學(xué) 反 應(yīng) 工 程 學(xué) 的 任 務(wù) 和 研 究 方 法 化 學(xué) 反 應(yīng) 工 程 學(xué) 研 究 生 產(chǎn) 規(guī) 模 下 的 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 和 設(shè)備 內(nèi) 的 反 應(yīng) -傳 遞 藕 合 規(guī) 律 , 它 應(yīng) 用 化 學(xué) 熱 力 學(xué) 和 動(dòng) 力 學(xué) 知識(shí) , 結(jié) 合 流 體 流 動(dòng) 、 傳 熱 、 傳 質(zhì) 等 傳 遞
8、 現(xiàn) 象 , 進(jìn) 行 工 業(yè) 反應(yīng) 過(guò) 程 分 析 、 反 應(yīng) 器 的 選 擇 和 設(shè) 計(jì) 及 反 應(yīng) 技 術(shù) 的 開 發(fā) , 并研 究 最 佳 的 反 應(yīng) 操 作 條 件 , 以 實(shí) 現(xiàn) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 最 優(yōu) 操 作 和控 制 。 數(shù) 學(xué) 模 擬 法 所 采 用 的 數(shù) 學(xué) 模 型 是 流 動(dòng) 模 型 、 傳 遞 模 型 、 動(dòng) 力 學(xué) 模 型 的 總 和 , 一 般 是 各 種 形 式 的 聯(lián) 立 代 數(shù) 方 程 、 微分 方 程 或 積 分 方 程 組 。 二 十 世 紀(jì) 50年 代 以 來(lái) , 電 子 計(jì) 算 機(jī) 的 迅 猛 發(fā) 展 , 使 得 數(shù) 學(xué) 模 型 的 數(shù) 值 計(jì) 算
9、 易 于 進(jìn) 行 , 數(shù) 學(xué) 模型 法 才 得 以 迅 速 發(fā) 展 。3. 工 業(yè) 反 應(yīng) 器 簡(jiǎn) 介 (1)工 業(yè) 反 應(yīng) 器 分 類 從 傳 遞 特 性 和 動(dòng) 力 學(xué) 特 性 兩 方 面 入 手 , 可 將 工 業(yè) 反 應(yīng)器 分 類 。 (2) 常 見 工 業(yè) 反 應(yīng) 器 間 歇 操 作 攪 拌 釜 這 是 一 種 帶 有 攪 拌 器 的 槽 式 反 應(yīng) 器 。 一 般 用 于 小 批 量 、多 品 種 的 液 相 反 應(yīng) 系 統(tǒng) , 如 : 制 藥 、 染 料 等 精 細(xì) 化 工 生 產(chǎn) 過(guò) 程 。 連 續(xù) 操 作 攪 拌 釜 物 料 連 續(xù) 流 動(dòng) 的 攪 拌 釜 式 反 應(yīng) 器 。
10、 常 用 于 均 相 、 非 均 相的 液 相 系 統(tǒng) , 如 : 合 成 橡 膠 等 聚 合 反 應(yīng) 過(guò) 程 。 它 既 可 以 單 釜 連 續(xù) 操 作 , 也 可 以多 釜 串 聯(lián) 操 作 。 連 續(xù) 操 作 管 式 反 應(yīng) 器 主 要 用 于 大 規(guī) 模 的 流 體 參 加 的 反 應(yīng) 過(guò) 程 。 如 : 石 腦油 裂 解 、 高 壓 聚 乙 烯 等 。 固 定 床 反 應(yīng) 器 反 應(yīng) 器 內(nèi) 填 放 固 體 催 化 劑 顆 粒 , 在 流 體 反 應(yīng) 物 通 過(guò) 時(shí) 靜 止不 動(dòng) , 由 此 而 得 名 。 主 要 用 于 氣 固 相 催 化 反 應(yīng) , 如 : 合 成 氨 生 產(chǎn) 等
11、 。 流 化 床 反 應(yīng) 器 與 固 定 床 反 應(yīng) 器 中 固 體 介 質(zhì) 固 定 不 動(dòng) 正 相 反 , 此 處 固 相 介質(zhì) 做 成 較 小 的 顆 粒 , 當(dāng) 流 體 通 過(guò) 床 層 時(shí) , 固 相 介 質(zhì) 形 成 懸 浮 狀 態(tài) , 好 像 變 成 了 沸 騰 的 流 體 , 故 稱 流 化 床 , 俗 稱 沸 騰 床 。 主 要 用 于 要 求 有 較 好 的 傳 熱 和 傳 質(zhì) 效率 的 氣 固 相 催 化 反 應(yīng) , 如 : 石 油 的 催 化 裂 化 、 丙 烯 氨 氧 化 , 以 及 固 相 的 氧 化 、脫 水 、 分 解 等 非 催 化 反 應(yīng) 過(guò) 程 。 鼓 泡 床
12、反 應(yīng) 器 這 是 一 種 塔 式 結(jié) 構(gòu) 的 氣 一 液 反 應(yīng) 器 , 在 充 滿 液 體 的 床 層 中 ,氣 體 鼓 泡 通 過(guò) , 氣 液 兩 相 進(jìn) 行 反 應(yīng) , 如 乙 醛 氧 化 制 醋 酸 。 工 業(yè) 反 應(yīng) 器 型 式 各 異 , 其 中 進(jìn) 行 的 反 應(yīng) 更 是 多 種 多 樣 ,限 于 篇 幅 , 本 章 主 要 討 論 恒 溫 的 均 相 反 應(yīng) 器 的 特 點(diǎn) 、 設(shè) 計(jì) 、優(yōu) 化 及 選 型 等 問(wèn) 題 , 并 對(duì) 工 業(yè) 中 常 用 的 非 均 相 反 應(yīng) 器 一 氣固 相 催 化 反 應(yīng) 器 的 結(jié) 構(gòu) 、 特 征 及 選 擇 進(jìn) 行 簡(jiǎn) 介 。 4. 反
13、 應(yīng) 器 的 基 本 計(jì) 算 方 程 反 應(yīng) 器 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 主 要 是 確 定 反 應(yīng) 器 的 生 產(chǎn) 能 力 , 即 完 成 一 定 生產(chǎn) 任 務(wù) 所 需 反 應(yīng) 器 的 體 積 。 對(duì) 于 等 溫 反 應(yīng) 器 , 使 用 物 料 衡 算 便 可 描 述反 應(yīng) 器 內(nèi) 的 流 動(dòng) 狀 況 , 并 與 反 應(yīng) 器 中 具 體 反 應(yīng) 的 動(dòng) 力 學(xué) 結(jié) 合 , 從 而 獲得 將 原 料 和 產(chǎn) 品 組 成 、 產(chǎn) 量 和 反 應(yīng) 速 度 相 互 聯(lián) 系 起 來(lái) 的 關(guān) 聯(lián) 式 , 即 反應(yīng) 器 的 基 本 計(jì) 算 方 程 , 也 就 是 反 應(yīng) 器 的 數(shù) 學(xué) 模 型 。 由 此 ,
14、 可 求 出 各 種反 應(yīng) 器 的 體 積 或 確 定 體 積 的 反 應(yīng) 器 完 成 一 定 生 產(chǎn) 任 務(wù) 所 需 的 反 應(yīng) 時(shí) 間 。 對(duì) 于 任 一 反 應(yīng) 器 , 其 物 料 衡 算 表 達(dá) 式 為 : 引 入 速 率 =引 出 速 率 +反 應(yīng) 消 耗 速 率 +積 累 速 率 (6-1) 根 據(jù) 反 應(yīng) 器 的 操 作 方 法 不 同 , 上 式 可 簡(jiǎn) 化 為 下 列 兩 種 情 況 。 間 歇 操 作 反 應(yīng) 消 耗 反 應(yīng) 物 的 速 率 +反 應(yīng) 物 積 累 速 率 = 0 (6-2) 連 續(xù) 穩(wěn) 定 操 作 引 入 速 率 =引 出 速 率 +反 應(yīng) 消 耗 速 率
15、(6-3) 反 應(yīng) 器 中 的 物 料 衡 算 , 往 往 選 定 某 一 組 分 為 基 準(zhǔn) 。 而 衡 算 范 圍 要根 據(jù) 反 應(yīng) 器 形 狀 和 流 動(dòng) 狀 態(tài) 確 定 。 對(duì) 于 反 應(yīng) 物 呈 均 勻 分 布 的 反 應(yīng) 器 ,衡 算 可 就 整 個(gè) 反 應(yīng) 器 進(jìn) 行 ; 對(duì) 反 應(yīng) 物 分 布 不 均 勻 的 反 應(yīng) 器 , 則 選 取 反應(yīng) 器 中 的 一 個(gè) 體 積 微 元 進(jìn) 行 衡 算 , 然 后 在 整 個(gè) 反 應(yīng) 器 范 圍 內(nèi) 進(jìn) 行 積 分 。 Froment的 觀 點(diǎn) : 取 足 夠 小 的 點(diǎn) 為 系 統(tǒng)O內(nèi) (溫 度 T、 濃 度 Ci均 勻 的 空 間
16、) 物 料 、 熱 量 衡 算 Inlet = Outlet + Consumption + Accumulation 引 入 = 引 出 + 反 應(yīng) 消 耗 + 積 累 將 反 應(yīng) 器 中 每 一 點(diǎn) 的 情 況 加 和 起 來(lái) , 就 形 成 了 整 個(gè) 反 應(yīng) 器 中 的情 況熱 化 學(xué) 反 應(yīng) 方 程 : aA + bB = rR + sS + (-H)化 學(xué) 反 應(yīng) 速 率 (定 義 式 和 表 達(dá) 式 )限 定 反 應(yīng) 物 轉(zhuǎn) 化 率 生 產(chǎn) 能 力 (容 積 效 率 )選 擇 性 產(chǎn) 品 分 布 (產(chǎn) 品 收 率 )化 學(xué) 反 應(yīng) 進(jìn) 程 =(Ci - Ci0)/i化 學(xué) 計(jì) 量
17、 計(jì) 算 6.2 理 想 流 動(dòng) 反 應(yīng) 器 及 其 計(jì) 算1. 間 歇 攪 拌 釜 式 反 應(yīng) 器 (Batch Stired Tank Reactor 或 Batch Reactor) (1)結(jié) 構(gòu) 與 操 作 特 點(diǎn) 結(jié) 構(gòu) 罐 操 作 特 點(diǎn) 加 料 、 反 應(yīng) 、 出 料 、 清 洗 Exit Reaction Exit Clean (2)反 應(yīng) 器 計(jì) 算 反 應(yīng) 時(shí) 間 t 在 取 體 系 中 , 進(jìn) 行 反 應(yīng) 物 A物 料 衡 算 可 得 : 0=0 + (-r A)VR + dnA/dt 或 (6-6) 輔 助 時(shí) 間 t 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 物 料 處 理 體 積 qv,
18、0 Afx AR AAt rV dxndtt 000 )( 反 應(yīng) 器 體 積 有 效 反 應(yīng) 器 體 積 : VR = qV,0(t + t) (6-7) 實(shí) 際 反 應(yīng) 器 體 積 : VT = VR/ (6-8) 裝 料 系 數(shù) , 根 據(jù) 經(jīng) 驗(yàn) 選 定 , 一 般 為 0.4 0.8。 對(duì) 不 發(fā)生 泡 沫 、 不 沸 騰 的 液 體 , 取 上 限 。 例 6-1 在 間 歇 攪 拌 釜 式 反 應(yīng) 器 中 進(jìn) 行 如 下 分 解 反 應(yīng) A B + C 已 知 : 在 328K時(shí) k=0.00231s -1, 反 應(yīng) 物 A的 初 始 濃 度 為1.24kmolm-3, 要 求
19、A的 轉(zhuǎn) 化 率 達(dá) 到 90%。 又 每 批 操 作 的 輔助 時(shí) 間 30min, A的 日 處 理 量 為 14m3, 裝 料 系 數(shù) 為 0.75, 試求 反 應(yīng) 器 的 體 積 。 2. 活 塞 流 反 應(yīng) 器 (Plug Flow Reactor) (1)結(jié) 構(gòu) 和 操 作 特 點(diǎn) 結(jié) 構(gòu) 管 操 作 特 點(diǎn) 連 續(xù) 穩(wěn) 定 平 推 流 動(dòng) (2)反 應(yīng) 器 計(jì) 算 在 所 取 體 系 中 , 進(jìn) 行反 應(yīng) 物 A的 物 料 衡 算 可得 : qn,A = qn,A + dqn,A + (-rA)dVR + 0 而 qn,A = qn,A,0(1-xA) = qV,0CA,0(1-
20、xA) 由 上 述 方 程 , 可 得 : fAR fAn An x AAAVV qq A AnRR rdxCqrdqdVV , 0, 00,0,0 , )()( (6-10)或 fAx AAAV rdxCq ,00,0,R )(V)(空 間 時(shí) 間 (6-11) 其 中 , 稱 作 空 間 時(shí) 間 , 定 義 為 反 應(yīng) 物 料 以 入 口 狀 態(tài) 體積 流 量 通 過(guò) 反 應(yīng) 器 所 需 的 時(shí) 間 ; 對(duì) 恒 容 過(guò) 程 , 又 稱 為 停 留時(shí) 間 , 指 物 料 粒 子 從 進(jìn) 入 到 流 出 反 應(yīng) 器 所 需 要 的 時(shí) 間 。 3. 全 混 流 反 應(yīng) 器 (Continuou
21、s Stired Tank Reactor) (1)結(jié) 構(gòu) 和 操 作 特 點(diǎn) 結(jié) 構(gòu) 罐 操 作 特 點(diǎn) 連 續(xù) 穩(wěn) 定 完 全 混 合 流 動(dòng) (2)反 應(yīng) 器 計(jì) 算 在 所 取 體 系 中 , 進(jìn) 行 反應(yīng) 物 A的 物 料 衡 算 可 得 : qn,A,0 = qn,A,f + (-rA,f)VR而 qn,A,f = qn,A,0 (1-xA,f) q n,A,0 = qV,0CA,0整 個(gè) 有 效 反 應(yīng) 器 體 積 中 , T和 Ci均 為 常 數(shù) ; 所 以 據(jù) 上 述 方 程 可 得 : )()( , ,0,0, ,0, fA fAAVfA fAAnR r xCqr xqV
22、)(V)( , ,0,0,R fA fAAV r xCq 空 間 時(shí) 間 (6-13)或恒 容 過(guò) 程 中 , qV = qV,0, 則 )(V)( , ,0,0,R fA fAAV r CCq 空 間 時(shí) 間 (6-15) 由 于 物 料 粒 子 在 全 混 流 反 應(yīng) 器 中 停 留 時(shí) 間 各 不 相 同 ,所 以 式 中 的 為 平 均 停 留 時(shí) 間 。 例 6-2 在 反 應(yīng) 器 中 進(jìn) 行 如 下 分 解 反 應(yīng) A B + C 已 知 : 在 328K時(shí) k=0.00231s -1, 反 應(yīng) 物 A的 初 始 濃 度 為1.24kmolm-3, 要 求 A的 轉(zhuǎn) 化 率 達(dá) 到
23、 90%。 若 采 用 活 塞 流反 應(yīng) 器 , 反 應(yīng) 器 容 積 應(yīng) 為 多 少 m3? 若 采 用 全 混 流 反 應(yīng) 器 ,反 應(yīng) 器 容 積 應(yīng) 為 多 少 m3? 假 設(shè) 本 題 中 的 物 料 處 理 量 與 例 6-1中 的 相 同 。 解 : qV,0 = 14/24 0.583(m3h-1), CA,0 = 1.24(kmolm-3), k=0.00231s-1, xA,f = 90% 活 塞 流 反 應(yīng) 器 據(jù) (6-11)式 , 可 得 : 996.8(s) 9.01 1ln00231.0 11 1ln1 )1()(V , 0 0,0,00,0,R , fA x AA
24、AAx AAAV xk xCk dxCrdxCq fAfA )0.16(m 3600/8.996358.0 3.0, VR qV 全 混 流 反 應(yīng) 器 據(jù) (6-13)式 , 可 得 : 3896.1(s) )9.01(00231.0 9.0)1( )1()(V , 0, ,0,0,0,R fAfA AA fAAA fAAV xk x xCk xCrxCq )0.63(m 3600/1.3896358.0 3.0, VR qV 因 而 , 在 相 同 的 生 產(chǎn) 條 件 、 物 料 處 理 量 和 最 終 轉(zhuǎn) 化 率下 , 全 混 流 反 應(yīng) 器 所 需 容 積 要 比 活 塞 流 反 應(yīng)
25、器 的 容 積 大 得多 。 4. 多 釜 串 聯(lián) 反 應(yīng) 器 (Multi-mixed Flow Reactor) (1) 結(jié) 構(gòu) 和 操 作 特 點(diǎn) 結(jié) 構(gòu) 多 個(gè) 釜 串 聯(lián) 其 中 每 個(gè) 釜 都 相 當(dāng) 于 一 個(gè) CSTR或 MFR 操 作 特 點(diǎn) 每 個(gè) 釜 中 連 續(xù) 穩(wěn) 定 全 混 流 動(dòng) ; 反 應(yīng) 器 之 間 , 流 體 不 相 互 混 合 。 (2)反 應(yīng) 器 計(jì) 算 為 了 不 失 一 般 性 , 取 第 i個(gè) 反 應(yīng) 器 進(jìn) 行 物 料 衡 算 qn,A,i-1 = qn,A,i + (-rA,i)VR,i + 0 而 qn,A,i-1 = qn,A,0(1-xA,
26、i-1) = qV,0CA,0(1-xA,i-1) qn,A,i = qn,A,0(1-xA,i) = qV,0CA,0(1-xA,i)結(jié) 合 上 面 的 關(guān) 系 式 , 可 得 : )(C )( )(V)( , ,1, , 1,0,0,R iA iAiA iA iAiAAV r C r xxCq 等 容 時(shí)空 間 時(shí) 間 (6-17)(6-18) 代 數(shù) 法 一 級(jí) 反 應(yīng) A R (-rA) = kCA 在 恒 容 反 應(yīng) 時(shí) , 依 據(jù) (6-17)式 , 有 : iiiAiAiAi iAiAi kCCCk CC 1, 1, ,1, 或把 上 關(guān) 系 代 入 反 應(yīng) 釜 1, 2, ,
27、N, 可 得 : NNNANAAAA A kCC kCC kCC 111 , 1, 222,1, 111,0, (6-19) 分 別 將 上 等 式 左 右 兩 端 相 乘 , 可 得 : Ni ii NNNAA k kkkCC 1 2211,0, )1( )1()1()1( 或或 Ni iiANi iiANA kCkCC 10,10, )1( 1)1(/ Ni iiNAANA kCCx 1,0, )1( 111 在 各 釜 體 積 相 等 、 溫 度 相 等 時(shí) , )( 0,1 ,0,21 VNi iRVRSN qVqVN Nkkk 21 則 NNSNA Nkkx 1 111 11,或 N
28、xk NNAS 11 11 1,或 )1ln( )1ln( , SNAkxN 二 級(jí) 反 應(yīng) A R (-rA) = kCA2 或 01,2, iAiAiAii CCCk 解 之 , 可 得 : ii iAiik CkiCA 2411, 1, (根 據(jù) 合 理 性 ,略 去 負(fù) 根 ) (6-22)(6-23)(6-24) 圖 解 法 將 方 程 (6-17)改 寫 為 下 式 操 作 線 方 程_)( 1, iiAi iAiA CCr (6-25)化 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 確 定 的 本 征 動(dòng) 力 學(xué) 關(guān) 系 為)()( AA Cfkr 采 用 已 知 的 點(diǎn) (CA,i-1, 0)和 斜 率 -1
29、/i, 在 CA-(-rA)直角 坐 標(biāo) 圖 中 做 操 作 線 方 程 , 可 得 下 圖 : 例 在 多 釜 串 聯(lián) 反 應(yīng) 器 中 進(jìn) 行 如 下 水 解 反 應(yīng)N=1時(shí) :(全 混 流 ) 0.7917 1038.01 111 11 1 111 11, k Nkkx NNSNA 已 知 : 在 313K時(shí) k=0.380min-1, 若 反 應(yīng) 釜 的 總 容 積 為2m3, A的 處 理 量 為 0.2m3min-1, 試 求 在 不 同 個(gè) 等 容 、 等 溫釜 中 進(jìn) 行 反 應(yīng) 時(shí) 的 轉(zhuǎn) 化 率 。解 : 空 間 時(shí) 間 = VR/qV,0= 2/0.2 = 10(min)
30、根 據(jù) (6-22)式 , 可 得 : N=2 xA,f = 0.8811N=3 xA,f = 0.9141N=4 xA,f = 0.9308 N=10 xA,f = 0.9601 N xA,f = 1- e-k= 0.9776(平 推 流 ) kkkNN NNfANfA eNk NkxN 11lim 11 1 11limlimx ,時(shí) ,在 6.3 理 想 反 應(yīng) 器 的 評(píng) 比 與 選 擇 由 上 一 節(jié) 的 教 學(xué) 內(nèi) 容 可 知 : 相 同 的 反 應(yīng) 、 相 同 的 初 始條 件 , 但 在 不 同 類 型 的 (結(jié) 構(gòu) 和 操 作 方 法 )反 應(yīng) 器 中 進(jìn) 行 時(shí) ,最 后 的
31、 反 應(yīng) 結(jié) 果 卻 不 同 ; 為 什 么 會(huì) 產(chǎn) 生 這 樣 的 差 別 呢 ? 本節(jié) 將 從 生 產(chǎn) 強(qiáng) 度 和 產(chǎn) 品 收 率 兩 個(gè) 方 面 , 進(jìn) 一 步 深 入 地 探 討這 類 的 問(wèn) 題 。 1. 理 想 反 應(yīng) 器 的 評(píng) 比 (1)返 混 每 個(gè) 流 體 BSTR或 BR PFR MFR或 CSTR MMFR或 n-CSTR 質(zhì) 點(diǎn) 的 都 相 同 都 相 同 經(jīng) 歷 不 同反 應(yīng) 經(jīng) 歷定 量 定 義 0 0 定 義 : 在 反 應(yīng) 器 中 , 不 同 停 留 時(shí) 間 的 物 料 質(zhì) 點(diǎn) 在 同 一空 間 上 的 混 合 ; 它 包 含 了 兩 重 意 義 : 時(shí) 間
32、觀 念 上 的 混 合 空 間 概 念 上 的 混 合 ; 也 可 以 稱 為 “ 逆 向 混 合 ” 。 (2)連 續(xù) 理 想 反 應(yīng) 器 的 推 動(dòng) 力 比 較 流 體 流 況 對(duì) 化 學(xué) 反 應(yīng) 的 影 響 主 要 是 由 于 返 混 造 成 反 應(yīng)器 內(nèi) 反 應(yīng) 推 動(dòng) 力 的 不 同 , 從 而 導(dǎo) 致 反 應(yīng) 的 速 率 不 同 。 設(shè) 有 一 反 應(yīng) 體 系 , CA,0、 CA,f分 別 為 反 應(yīng) 物 A在 反 應(yīng) 器進(jìn) 、 出 口 的 濃 度 , CA*為 反 應(yīng) 物 A的 平 衡 濃 度 。 則 反 應(yīng) 器 中任 一 位 置 處 的 濃 度 推 動(dòng) 力 為 CA- CA*
33、 = dCA, 整 個(gè) 反 應(yīng) 器 中反 應(yīng) 推 動(dòng) 力 即 為 任 一 位 置 處 推 動(dòng) 力 的 積 分 , 即 圖 6-7是 各 種 連 續(xù) 反 應(yīng) 器 濃 度 的 變 化 曲 線 。 根 據(jù) 積 分 的 物 理 意 義 , 各 自 的 濃 度 推 動(dòng) 力 即 為 陰 影 部 分 的 面 積 。 從 圖可 以 明 顯 的 看 出 , 在 相 同 的 生 產(chǎn) 任 務(wù) 下 , 活 塞 流 反 應(yīng) 器 的 濃 度 推 動(dòng) 力 大 于 全 混 流 反 應(yīng) 器 的 推 動(dòng) 力 , 而 多 釜 串 聯(lián) 反應(yīng) 器 的 推 動(dòng) 力 介 于 二 者 之 間 。 (3) 反 應(yīng) 器 體 積 的 比 較 間
34、歇 攪 拌 釜 式 反 應(yīng) 器 與 活 塞 流 反 應(yīng) 器 在 6.2中 已 述 及 , 這 兩 種反 應(yīng) 器 在 構(gòu) 造 上 和 物 料 流 況 上 都 不 相 同 , 但 它 們 卻 具 有 相 同 的 反 應(yīng) 時(shí) 間 或 (有 效 )體 積 計(jì) 算 式 。 究 其 根 源 , 是 因 為 兩 種 反 應(yīng) 器 中 濃 度 的 變 化相 同 , 間 歇 攪 拌 釜 式 反 應(yīng) 器 內(nèi) 濃 度 隨 時(shí) 間 改 變 , 活 塞 流 反 應(yīng) 器 內(nèi) 的 濃度 則 隨 空 間 位 置 (管 長(zhǎng) )而 改 變 , 兩 者 反 應(yīng) 推 動(dòng) 力 呈 現(xiàn) 出 相 同 的 分 布 ,反 應(yīng) 器 內(nèi) 反 應(yīng) 速
35、 率 相 同 。 因 此 , 相 同 生 產(chǎn) 條 件 下 , 完 成 一 定 的 任 務(wù) ,所 需 反 應(yīng) 時(shí) 間 或 (有 效 )體 積 相 同 。 然 而 , 間 歇 操 作 反 應(yīng) 器 除 了 反 應(yīng) 時(shí) 間 之 外 , 還 要 有 輔助 時(shí) 間 , 這 樣 它 所 需 的 實(shí) 際 反 應(yīng) 器 體 積 要 大 于 活 塞 流 反 應(yīng)器 。 換 言 之 , 連 續(xù) 的 活 塞 流 反 應(yīng) 器 比 間 歇 的 攪 拌 釜 式 反 應(yīng)器 的 生 產(chǎn) 能 力 要 大 , 完 成 一 定 任 務(wù) 所 需 實(shí) 際 反 應(yīng) 器 體 積 要小 , 即 連 續(xù) 操 作 帶 來(lái) 生 產(chǎn) 的 強(qiáng) 化 。 連
36、續(xù) 反 應(yīng) 器 的 比 較 由 于 存 在 返 混 , 全 混 流 反 應(yīng) 器新 加 入 反 應(yīng) 物 料 與 已 反 應(yīng) 了 的 物 料 之 間 瞬 間 達(dá) 到 了 完 全 混合 , 并 等 于 出 口 濃 度 , 即 器 內(nèi) 反 應(yīng) 推 動(dòng) 力 或 反 應(yīng) 速 率 一 直處 于 最 小 ; 而 活 塞 流 反 應(yīng) 器 中 反 應(yīng) 物 的 濃 度 則 由 入 口 到 出口 逐 漸 減 少 , 亦 即 反 應(yīng) 速 率 逐 漸 減 小 , 在 出 口 達(dá) 到 最 小 ,于 是 活 塞 流 反 應(yīng) 器 內(nèi) 的 反 應(yīng) 速 率 總 是 高 于 全 混 流 反 應(yīng) 器 。因 而 , 在 相 同 生 產(chǎn)
37、條 件 和 任 務(wù) 時(shí) , 全 混 流 反 應(yīng) 器 所 需 容 積要 大 于 活 塞 流 反 應(yīng) 器 的 容 積 。 為 更 好 地 比 較 , 定 義 同 一 反 應(yīng) 、 在 相 同 反 應(yīng) 條 件 和 完成 同 樣 任 務(wù) 的 活 塞 流 反 應(yīng) 器 與 全 混 流 反 應(yīng) 器 的 有 效 容 積 之比 為 容 積 效 率 , 記 作 。 fAA x AAfA fAfA fAA x AAACPCR PR rdxxrr xC rdxCVV ,0, ,0, 00, )()()( )( (6-28) 零 級(jí) 反 應(yīng) , (-rA)=k, 即 反 應(yīng) 速 率 與 濃 度 無(wú) 關(guān) 。 代 入 (2-
38、28)式 , 有 1, CR PRVV (6-29) 一 級(jí) 反 應(yīng) , (-rA)=kCA=kCA,0(1-xA), 代 入 (6-28)式 并化 簡(jiǎn) , 得 fAfA fACR PR xxxVV , , 1 1ln1 (6-30) n級(jí) 反 應(yīng) (n0或 n1), (-rA)=kCAn=kCA,0n(1-xA)n, 代入 (6-28)式 并 化 簡(jiǎn) , 得 1111 1, , n xxxVV nfAfA fACR PR (6-31) 圖 6-8顯 示 了 容 積 效 率 與 轉(zhuǎn) 化 率 、 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) 之 間 的 關(guān)系 。 從 圖 可 得 出 如 下 結(jié) 論 : 轉(zhuǎn) 化 率 的 影 響
39、 零 級(jí) 反 應(yīng) , 轉(zhuǎn) 化 率 對(duì) 容 積 效 率 無(wú) 影響 。 其 它 正 級(jí) 數(shù) 反 應(yīng) 的 容 積 效 率 都 小 于 1, 一 定 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù)下 , 轉(zhuǎn) 化 率 越 大 , 容 積 效 率 越 小 。 也 就 是 說(shuō) , 全 混 流 反應(yīng) 器 所 需 容 積 要 遠(yuǎn) 大 于 活 塞 流 反 應(yīng) 器 的 容 積 。 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) 的 影 響 轉(zhuǎn) 化 率 一 定 時(shí) , 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) 越 大 ,容 積 效 率 越 小 , 即 兩 種 反 應(yīng) 器 的 容 積 差 別 越 大 , 換 言 之 ,對(duì) 于 級(jí) 數(shù) 大 的 反 應(yīng) , 如 用 全 混 流 反 應(yīng) 器 , 則 需 要 更 大
40、 的有 效 容 積 。 但 這 種 差 別 在 小 轉(zhuǎn) 化 率 時(shí) , 并 不 顯 著 。 采 用 多 個(gè) 全 混 流 反 應(yīng) 器 串 聯(lián) 時(shí) , 反 應(yīng) 器 中 反 應(yīng) 物 的濃 度 梯 度 除 最 后 一 級(jí) 外 , 每 一 級(jí) 都 比 只 采 用 單 個(gè) 反 應(yīng) 釜的 大 , 因 而 反 應(yīng) 推 動(dòng) 力 大 、 反 應(yīng) 速 率 高 , 達(dá) 到 一 定 的 轉(zhuǎn)化 率 所 需 的 反 應(yīng) 器 體 積 小 。 反 應(yīng) 器 串 聯(lián) 釜 數(shù) 越 多 , 各 級(jí)反 應(yīng) 器 中 反 應(yīng) 物 濃 度 之 間 的 差 別 越 小 , 當(dāng) N 時(shí) , 多釜 串 聯(lián) 反 應(yīng) 器 的 反 應(yīng) 物 濃 度 的 變
41、 遷 趨 近 于 活 塞 流 反 應(yīng) 器 , 其 體 積 也 趨 近 活 塞 流 反 應(yīng) 器 的 體 積 。 關(guān) 于 多 釜 串 聯(lián) 反 應(yīng) 器 釜 數(shù) N對(duì) 其 總 容 積 的 影 響 , 也 可 通 過(guò) 容 積 效率 進(jìn) 行 類 似 的 比 較 。 圖 6-9表 示 了 釜 數(shù) 與 容 積 效 率 之 間 的 關(guān) 系 。 由 圖 中可 以 看 出 , 釜 數(shù) 越 多 , 容 積 效 率 越 大 , 其 總 容 積 越 接 近 活 塞 流 反 應(yīng) 器 ;當(dāng) N 時(shí) , 容 積 效 率 等 于 1, 其 性 能 與 活 塞 流 反 應(yīng) 器 完 全 一 樣 。 盡 管反 應(yīng) 器 釜 數(shù) 越 多
42、越 接 近 活 塞 流 反 應(yīng) 器 , 反 應(yīng) 器 所 需 總 體 積 越 小 , 但 并不 是 釜 數(shù) 越 多 越 好 。 從 圖 可 見 , 釜 數(shù) 增 大 到 一 定 程 度 以 后 , 再 增 加 釜數(shù) , 其 反 應(yīng) 器 總 體 積 的 減 小 已 不 明 顯 。 另 外 , 釜 數(shù) 增 多 , 材 料 費(fèi) 用 和加 工 成 本 增 加 , 操 作 管 理 復(fù) 雜 , 經(jīng) 濟(jì) 上 并 非 合 理 。 因 此 實(shí) 際 工 業(yè) 生 產(chǎn)過(guò) 程 中 , 一 般 常 用 的 釜 數(shù) 不 超 過(guò) 4個(gè) 。 總 的 來(lái) 講 , 在 相 同 的 反 應(yīng) 條 件 、 反 應(yīng) 轉(zhuǎn) 化 率 及 物 料 處
43、理 量 的 情 況 下 , 所 需 反 應(yīng) 器 時(shí) 間 以 活 塞 流 最 小 , 全 混 流 最大 , 多 釜 串 聯(lián) 居 中 。 如 果 要 求 反 應(yīng) 時(shí) 間 及 反 應(yīng) 轉(zhuǎn) 化 率 相 同 ,以 活 塞 流 反 應(yīng) 器 生 產(chǎn) 能 力 最 大 , 多 釜 次 之 , 全 混 流 最 小 。 2. 濃 度 對(duì) 可 逆 反 應(yīng) 的 影 響 可 逆 反 應(yīng) 又 稱 為 對(duì) 峙 反 應(yīng) , 它 是 指 那 些 正 方 向 和 逆 方 向 同 時(shí) 以 顯 著 速率 進(jìn) 行 的 一 類 反 應(yīng) 。 對(duì) 單 分 子 的 一 級(jí) 可 逆 反 應(yīng)( -rA) = k1 CA k2 CP當(dāng) 反 應(yīng) 達(dá) 到
44、 平 衡 時(shí) , AeAeAe AeAAePe xxC CCCCkkK 1021 若 在 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 中 , 除 了 反 應(yīng) 物 A和 產(chǎn) 物 P外 , 還 有 不 發(fā) 生 化 學(xué) 反 應(yīng) 的 惰性 組 分 I, 它 們 的 濃 度 分 別 用 C A、 CP和 CI表 示 。 若 設(shè) 總 濃 度 為 CT = CA+ CP+ CI, 則 CP = CT - CA- CI; 把 這 一 結(jié) 果 代 入 速 率式 , 可 得 :( -rA) = k1 CA k2 CP= k1 CA k2 (CT - CA- CI) =(k1+ k2) CA k2 (CT - CI) 在 達(dá) 到 平 衡 時(shí)
45、, 有 : ( -rA) = 0 和 CA = CAe ; 因 此 ,CAe = CA 0 ( 1 xAe) k2 (CT - CI) = (k1+ k2) CAe所 以 , ( -rA) = (k1+ k2) ( CA CAe) 對(duì) 于 定 容 過(guò) 程 , 有 :CA = CA 0 ( 1 xA) 和所 以 , ( -rA) = (k1+ k2) CA0 ( xAe xA)討 論 : 與 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 一 樣 , 返 混 程 度 增 大 不 利 于 可 逆 反 應(yīng) 過(guò) 程 ; 且 隨 著 平 衡 轉(zhuǎn) 化率 的 升 高 , 會(huì) 進(jìn) 一 步 加 劇 返 混 對(duì) 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 不
46、良 影 響 ; 為 了 提 高 平 衡 轉(zhuǎn) 化 率 x Ae的 數(shù) 值 , 當(dāng) 多 個(gè) 反 應(yīng) 物 進(jìn) 行 反 應(yīng) 時(shí) , 可 提 高 某一 非 著 眼 反 應(yīng) 物 的 濃 度 ; 這 時(shí) 著 眼 反 應(yīng) 物 的 平 衡 轉(zhuǎn) 化 率 將 有 所 提 高 。 當(dāng) 然 ,提 高 非 著 眼 反 應(yīng) 物 的 濃 度 勢(shì) 必 降 低 著 眼 反 應(yīng) 物 的 濃 度 。 因 此 這 是 互 相 矛 盾 的 ,但 可 以 權(quán) 衡 得 失 , 進(jìn) 行 優(yōu) 化 。 SO2 + O2 (空 氣 ) SO3 在 循 環(huán) 過(guò) 程 中 , 故 意 降 低 轉(zhuǎn) 化 率 xA, 反 應(yīng) 后 通 過(guò) 分 離 提 純 的 手
47、 段 以 獲 得合 格 產(chǎn) 品 ; 至 于 未 反 應(yīng) 的 反 應(yīng) 物 則 返 回 系 統(tǒng) 重 新 利 用 。 3. 濃 度 對(duì) 自 催 化 反 應(yīng) 的 影 響 所 謂 自 催 化 反 應(yīng) 指 的 是 反 應(yīng) 產(chǎn) 物 對(duì) 反 應(yīng) 本 身 具 有 催 化作 用 , 能 加 速 反 應(yīng) 的 進(jìn) 行 。 工 業(yè) 上 氨 基 甲 酸 銨 分 解 為 尿 素和 水 的 反 應(yīng) , 就 是 自 催 化 反 應(yīng) 。 本 反 應(yīng) 生 成 的 水 是 分 解 反應(yīng) 的 催 化 劑 。 在 自 催 化 反 應(yīng) 中 , 反 應(yīng) 速 率 既 受 反 應(yīng) 物 濃 度的 影 響 , 又 受 反 應(yīng) 產(chǎn) 物 濃 度 的 影
48、 響 。 自 催 化 反 應(yīng) 可 表 示 為PA P 在 反 應(yīng) 初 期 , 雖 然 反 應(yīng) 物 A的 濃 度 很 高 ,但 催 化 劑 反 應(yīng) 產(chǎn) 物 P的 濃 度 很 低 , 故 反 應(yīng)速 率 不 高 。 在 此 以 后 , 反 應(yīng) 速 率 越 來(lái) 越 快 。而 在 反 應(yīng) 后 期 , 雖 然 催 化 劑 越 來(lái) 越 多 , 但 因反 應(yīng) 物 濃 度 越 來(lái) 越 低 , 因 此 反 應(yīng) 速 率 越 來(lái) 越 慢 。 由 此 可 見 , 自 催 化 反 應(yīng) 在 反 應(yīng) 過(guò) 程 中 必定 會(huì) 有 一 個(gè) 最 大 反 應(yīng) 速 率 出 現(xiàn) 。 如 圖 8-15所示 。 針 對(duì) 自 催 化 反 應(yīng) 的
49、 上 述 特 性 , 結(jié) 合 反 應(yīng) 器的 操 作 特 點(diǎn) , 可 以 選 擇 最 佳 的 生 產(chǎn) 方 案 。 例 8-5 有 自 催 化 反 應(yīng) , 在 進(jìn) 料 中 含 有 99%的 A和 1%的 P,要 求 產(chǎn) 物 組 成 達(dá) 到 含 有 90%的 P和 10%的 A。 已 知 : (-rA) = kCACP k=1m3kmol-1min-1 CA,0 + CP,0 = 1kmolm-3 試 求 : (1)在 平 推 流 反 應(yīng) 器 中 達(dá) 到 反 應(yīng) 要 求 所 需 的 空 間 時(shí) 間 P; (2)在 同 樣 的 操 作 條 件 下 , 全 混 流 反 應(yīng) 器 中 達(dá) 到 反 應(yīng) 要 求
50、 所 需 的 空 間時(shí) 間 S; (3)若 允 許 采 用 不 同 型 式 反 應(yīng) 器 的 組 合 , 設(shè) 想 一 最 佳 方 案 。 解 : (1)求 平 推 流 反 應(yīng) 器 的 P, 本 題 可 以 通 過(guò) 作 圖 法 求解 , 先 由 已 知 條 件 算 出 下 表 數(shù) 據(jù) :PA P C A/(kmolm-3) 0.99 0.95 0.90 0.70 0.50 0.30 0.10 CP/(kmolm-3) 0.01 0.05 0.10 0.30 0.50 0.70 0.90(-rA)/(kmolm-3min-1) 0.0099 0.0475 0.09 0.21 0.25 0.21 0.
51、09 /(kmol-1m3min) 101.01 21.05 11.11 4.76 4.00 4.76 11.11)( 1Ar 即 可 按 (8-5)式 計(jì) 算 fAACC AArdC, 0, )()( 1Ar在 對(duì) CA的 圖 8-16上 積 分 求 解 得 P= 6.8min(2) 全 混 流 反 應(yīng) 器 的 S可 按 (8-7)式 計(jì) 算(min)9.99.01.01 1.099.0)( 0,0, PA AA A AAS CCk CC r CC (3)最 佳 方 案 從 圖 8-16可 以 看 出 , 在 出 口 濃 度 要 求 達(dá) 到CA=0.1 kmolm-3時(shí) , 已 大 大 超
52、過(guò) 了 最 大 反 應(yīng) 速 率 (曲 線 的 最低 點(diǎn) )相 應(yīng) 的 濃 度 。 因 而 最 佳 的 操 作 方 案 應(yīng) 該 是 先 用 一 個(gè)全 混 流 反 應(yīng) 器 在 最 大 速 率 下 反 應(yīng) , 出 口 濃 度 為 CA。 然 后接 一 個(gè) 平 推 流 反 應(yīng) 器 從 CA到 0.1 kmolm-3 。 圖 8-17(A)顯 示了 這 一 組 合 方 案 。 通 過(guò) 計(jì) 算 =P+S= 2.2 + 2 = 4.2(min) 還 可 以 設(shè) 想 另 一 種 生 產(chǎn) 方 式 , 如 圖 8-17(B)所 示 。 用 一 個(gè) 全 混 流 反應(yīng) 器 在 最 大 反 應(yīng) 速 率 的 條 件 下
53、操 作 , 使 反 應(yīng) 物 濃 度 從 0.99kmolm-3降 至CA。 然 后 將 得 到 的 CA和 未 反 應(yīng) 的 R通 過(guò) 分 離 的 方 法 獲 得 符 合 要 求 的 產(chǎn)品 。 未 反 應(yīng) 的 R則 返 回 反 應(yīng) 器 循 環(huán) 使 用 。 在 實(shí) 際 生 產(chǎn) 中 究 竟 選 用 哪 種方 式 , 要 通 過(guò) 經(jīng) 濟(jì) 核 算 來(lái) 判 定 。 計(jì) 算 表 明 , 對(duì) 于 自 催 化 反 應(yīng) , 利 用 全 混 流 反 應(yīng) 器 在 反 應(yīng) 過(guò) 程 中 濃度 和 溫 度 不 隨 時(shí) 間 而 改 變 的 特 性 , 可 使 反 應(yīng) 始 終 在 最 大 反 應(yīng) 速 率 的 條件 下 進(jìn) 行
54、。 從 而 用 最 少 的 反 應(yīng) 時(shí) 間 或 最 小 的 反 應(yīng) 器 容 積 得 到 最 大 的 經(jīng)濟(jì) 效 益 。 由 此 可 知 , 在 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 中 , 各 種 反 應(yīng) 器 各 有 自 己 的 特 性 ,無(wú) 所 謂 好 或 者 壞 , 只 有 將 反 應(yīng) 器 的 傳 遞 特 性 與 反 應(yīng) 特 性 相 結(jié) 合 時(shí) , 才會(huì) 有 好 的 結(jié) 合 或 者 壞 的 結(jié) 合 之 分 。 4. 理 想 反 應(yīng) 器 的 選 擇 前 面 討 論 的 返 混 對(duì) 反 應(yīng) (簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 、 自 催 化 反 應(yīng) 和 可 逆 反 應(yīng) )的 影 響 , 主 要 討 論 濃 度 對(duì) 化 學(xué) 反
55、應(yīng) 速 率 的 影 響 ; 本 節(jié) 將 討 論 濃度 對(duì) 復(fù) 雜 反 應(yīng) 的 影 響 。 連 串 反 應(yīng)平 行 反 應(yīng)復(fù) 雜 反 應(yīng) 可 逆 反 應(yīng)雙 向 反 應(yīng) 自 催 化 反 應(yīng)簡(jiǎn) 單 反 應(yīng)單 向 反 應(yīng)化 學(xué) 反 應(yīng) 進(jìn) 入 反 應(yīng) 器 的 反 應(yīng) 物 量轉(zhuǎn) 化 的 反 應(yīng) 物 量轉(zhuǎn) 化 率 ( )x 反 應(yīng) 物 的 消 耗 速 率目 的 產(chǎn) 物 的 生 成 速 率)瞬 時(shí) 選 擇 性 ( 轉(zhuǎn) 化 的 反 應(yīng) 物 量 物 量轉(zhuǎn) 化 為 目 的 產(chǎn) 物 的 反 應(yīng))總 選 擇 性 ( 11 復(fù) 雜 反 應(yīng) ,簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) ,進(jìn) 入 反 應(yīng) 器 的 反 應(yīng) 物 量物 量轉(zhuǎn) 化 為 目 的
56、 產(chǎn) 物 的 反 應(yīng))收 率 ( x ( 僅 討 論 反 應(yīng) 速 率 )( 應(yīng) 討 論 反 應(yīng) 速 率 和 選 擇 性 )( 僅 討 論 反 應(yīng) 速 率 ) 濃 度 對(duì) 反 應(yīng) 速 率 的 影 響 已 經(jīng) 討 論 過(guò) 了 ; 以 下 主 要 討 論 濃 度 對(duì) 選 擇性 的 影 響 , 方 法 有 兩 個(gè) : 定 性 分 析 法 定 量 計(jì) 算 法 ; 但 目 的 只 有 一個(gè) : 增 加 目 的 產(chǎn) 物 的 收 率 。例 如 , 費(fèi) 托 合 成 反 應(yīng) : OnHHCHnCOn nn 2222 反 應(yīng) 產(chǎn) 物 分 布 : 目 的 產(chǎn) 物 和 副 產(chǎn) 物 的 組 成 比 例 。操 作 影 響
57、因 素 : 反 應(yīng) 物 的 濃 度 、 溫 度 。 反 應(yīng) 器 的 結(jié) 構(gòu) 類 型 和 操 作 方 法 是 影 響 反 應(yīng) 物濃 度 分 布 的 主 要 因 素 。反 應(yīng) 轉(zhuǎn) 化 速 率 : 一 氧 化 碳 或 氫 的 轉(zhuǎn) 化 速 率 。 OHnOHCHHHnCOn n 222 )1()(2 OHnHCHnCOn nn 2222)12( 4.1.1.1 平 行 反 應(yīng) 的 瞬 時(shí) 選 擇 性平 行 反 應(yīng) : PBA k 1 ( 主 反 應(yīng) ) , ( 目 的 產(chǎn) 物 )SBA k 2 ( 副 反 應(yīng) ) , ( 副 產(chǎn) 物 )它 們 的 反 應(yīng) 速 率 式 為 : 111 bBaAp CCk
58、r 222 bBaAs CCkr 率轉(zhuǎn) 化 為 副 產(chǎn) 物 的 反 應(yīng) 速 速 率轉(zhuǎn) 化 為 目 的 產(chǎn) 物 的 反 應(yīng)瞬 時(shí) 選 擇 性 )(4.1.1 濃 度 對(duì) 平 行 反 應(yīng) 的 影 響 212122 11 2121 bbBaaAbBaA bBaASP CCkkCCk CCkrr 稱 為 溫 度 效 應(yīng)21kk 為 濃 度 效 應(yīng)2121 bbBaaA CC 等 溫 條 件 下 , k1, k2為 常 數(shù) , a1、 a2、 b1、 b2為 常 數(shù) 一 . 定 性 分 析 4.1.1.2 各 種 類 型 反 應(yīng) 器 中 反 應(yīng) 物 濃 度 分 布 特 點(diǎn) 4.1.1.3 反 應(yīng) 器 類
59、 型 和 操 作 方 式 的 選 擇 增 大 。增 加增 加 ,若 ,BA CC選 擇 BR、 PFR、 n-CSTR。 212121 bbBaaA CCkk 當(dāng) a1a2, b1b2時(shí) , 增 大 ,減 小 , 則、若 BA CC選 擇 A、 B慢 慢 滴 入 間 歇 釜 中 , PFR( 加 料 方 式 如 圖 ) 、CSTR( 加 料 方 式 如 圖 ) 、 加 入 惰 性 稀 釋 劑 。212121 bbBaaA CCkk 當(dāng) a1a2, b1a2, b1b2時(shí) , 當(dāng) a1b2時(shí) , RTEERTE RTE eAAeA eAkk /)(21/2 /121 1221 時(shí) , 升 溫 ;
60、若 21 EE 降 溫 。若 ,21 EE 更 有 效 的 方 法 是 選 擇 或 開 發(fā) 具 有 高 選 擇 性 的 催化 劑 , 降 低 主 反 應(yīng) 的 活 化 能 , 使 k1增 大 , 從 而 提 高目 的 產(chǎn) 物 的 選 擇 性 。 當(dāng) a1=a2, b1=b2時(shí) 一 級(jí) 不 可 逆 連 串 反 應(yīng) :4.1.2 濃 度 對(duì) 連 串 反 應(yīng) 的 影 響RAR CkCkr 21 RS Ckr 2 要 控 制 反 應(yīng) 時(shí) 間 ( 或 停 留 時(shí) 間 ) ; 選 擇 BR、 PFR 、 n-CSTR。 1 212 21 RAR RASR CCkkCk CkCkrr )()( 21 副 產(chǎn)
61、物目 的 產(chǎn) 物 SRA kk 例 : 液 相 主 反 應(yīng) 中 伴 有 副 反 應(yīng) : 3.01 BAp CCkrTPBA 主 反 應(yīng) : 8.15.02 BAS CCkrUSBA 副 反 應(yīng) : 從 有 利 于 產(chǎn) 品 分 布 的 角 度 出 發(fā) , 將 圖 中 的 操 作 方式 按 最 希 望 方 式 到 最 不 希 望 的 順 序 排 列 。解 : 5.15.0218.15.02 3.01 BABA BASP CCkkCCk CCkrr 要 使 R的 收 率 大 , 應(yīng) 使 值 大 , 即 濃 度 CA要 大 、 CB要 小 , 而 CB的 影 響 比 CA大 。 小 ;小 , BA C
62、C)2( 小 ;大 , BA CC)3(大 ;大 , BA CC)4( 大 ;大 , BA CC)1( 小 。大 、 BA CC)5(所 以 順 序 為 : ( 3) ( 5) ( 2) ( 4) ( 1) 對(duì) 于 平 行 反 應(yīng) , 在 一 定 溫 度 下 , 濃 度 是 控 制 產(chǎn)物 分 布 的 關(guān) 鍵 。 反 應(yīng) 物 濃 度 大 , 有 利 于 平 行 反 應(yīng) 中反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) 高 的 反 應(yīng) , 濃 度 小 有 利 于 級(jí) 數(shù) 低 的 反 應(yīng) ;級(jí) 數(shù) 相 同 時(shí) , 濃 度 不 影 響 產(chǎn) 物 的 分 布 , 也 就 不 影 響收 率 。 小 結(jié) 對(duì) 于 連 串 反 應(yīng) , 為 提
63、高 以 中 間 產(chǎn) 物 為 目 的 產(chǎn) 物的 收 率 時(shí) , 主 要 是 控 制 反 應(yīng) 器 內(nèi) 物 料 的 平 均 停 留 時(shí)間 , 并 應(yīng) 盡 可 能 降 低 物 料 的 返 混 。 反 應(yīng) 物 濃 度 大 , 有 利 于 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) 高 的 反 應(yīng) ; 濃度 小 , 有 利 于 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) 低 的 反 應(yīng) 。 二 .定 量 計(jì) 算 ( 副 產(chǎn) 物 )( 目 的 產(chǎn) 物 )RBA PBA KK 232221 131211 21 4.2.1 計(jì) 算 公 式由 定 量 計(jì) 算 的 瞬 時(shí) 選 擇 性 公 式 , 可 得 : RP P rr r 23211311 1311 按 定 義 ,
64、 可 得 總 選 擇 性 為 : AAnn AAA PP nn dnnn nn A A 00 01311 0 )()( 22 1121 BAR BAP CCkr CCkr 4.2.2 計(jì) 算 舉 例 例 1. 有 如 下 液 相 反 應(yīng) , 請(qǐng) 作 選 擇 性 的 定 量 計(jì) 算 。副 產(chǎn) 物 )目 的 產(chǎn) 物 )(21 SBA PBA KK 當(dāng) 純 A和 B( 起 始 濃 度 均 為 20mol l-1)轉(zhuǎn) 化 率 都 達(dá) 到 90時(shí) , 求 用 平 推 流 反 應(yīng)器 用 全 混 流 反 應(yīng) 器 用 兩 個(gè) 等 容 的 全 混 流 反 應(yīng) 器 和 用 平 推 流 反 應(yīng) 器 , 將 B以 小
65、股 流 在 反 應(yīng) 器 的 不 同 部 位 加 入 的 操 作 方 法 進(jìn) 行 反 應(yīng) 時(shí) , 求 各 自 P的 總 選 擇 性 。解 : 用 平 推 流 反 應(yīng) 器 , 據(jù) 題 意 k 1 = k2 = 1.0它 的 瞬 時(shí) 選 擇 性 為 : )1 11 1111 1 1 11111 11 5.15.0 3.08.115.0 128.15.023.01 3.0123211311 1311 1212BAABABA BABABA BARP P CCCCCCC CCkkCCkCCk CCkrr r ( 因 )min(0.1 )min(0.1 118.15.0 113.0 lmolCCr lmol
66、CCr BAR BAP 根 據(jù) 定 義 , 可 得 平 推 流 反 應(yīng) 器 的 總 選 擇 性 為 :%19 )1ln(110 1)1ln(1 1)1()1( 1100 00 0 00 ACCAAfA CC AAAfAnn AAA CCCC CdCCCdnnn AfA AfAAA 如 用 全 混 流 反 應(yīng) 器 , 根 據(jù) 題 意 有 : %50 5.01111 1 AfC 如 用 兩 個(gè) 等 容 的 全 混 流 反 應(yīng) 器 , 根 據(jù) 物 料 衡 算 可 得 : )( )( )( )( 3.23.1 8.15.03.0011 AiAiiAi BiAiBiAiiAi AiRiAiAi AiRiAiAi CCC CCCCC rVCC rVFF 把 上 關(guān) 系 分 別 應(yīng) 用 于 釜 1 和 釜 2, 可 得 :2 1 21)11(1 )( 10)( 121 23.23.12 3.223.12221 3.213.11110 A AAAA AAAA C CCCC CCCC 或 所 以 , 有 : 10)(21 )(2 1 3.113.311 3.213.11110 AAA AAAAA CCC
- 溫馨提示:
1: 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 110中國(guó)人民警察節(jié)(筑牢忠誠(chéng)警魂感受別樣警彩)
- 2025正字當(dāng)頭廉字入心爭(zhēng)當(dāng)公安隊(duì)伍鐵軍
- XX國(guó)企干部警示教育片觀后感筑牢信仰之基堅(jiān)守廉潔底線
- 2025做擔(dān)當(dāng)時(shí)代大任的中國(guó)青年P(guān)PT青年思想教育微黨課
- 2025新年工作部署會(huì)圍繞六個(gè)干字提要求
- XX地區(qū)中小學(xué)期末考試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)(認(rèn)真復(fù)習(xí)輕松應(yīng)考)
- 支部書記上黨課筑牢清廉信念為高質(zhì)量發(fā)展?fàn)I造風(fēng)清氣正的環(huán)境
- 冬季消防安全知識(shí)培訓(xùn)冬季用電防火安全
- 2025加強(qiáng)政治引領(lǐng)(政治引領(lǐng)是現(xiàn)代政黨的重要功能)
- 主播直播培訓(xùn)直播技巧與方法
- 2025六廉六進(jìn)持續(xù)涵養(yǎng)良好政治生態(tài)
- 員工職業(yè)生涯規(guī)劃方案制定個(gè)人職業(yè)生涯規(guī)劃
- 2024年XX地區(qū)黨建引領(lǐng)鄉(xiāng)村振興工作總結(jié)
- XX中小學(xué)期末考試經(jīng)驗(yàn)總結(jié)(認(rèn)真復(fù)習(xí)輕松應(yīng)考)
- 幼兒園期末家長(zhǎng)會(huì)長(zhǎng)長(zhǎng)的路慢慢地走