聚合物制备第三章ppt课件.ppt
第第2 2章章 聚合物制备工程基础聚合物制备工程基础3.9 3.9 化学反应动力学基础化学反应动力学基础 3.9.1 3.9.1 化学反应和反应速率化学反应和反应速率 3.9.2 3.9.2 均相反应动力学均相反应动力学3.10 3.10 理想理想反应器流动模型反应器流动模型 3.10.1 3.10.1 反应器反应器操作方式操作方式 3.10.2 3.10.2 理想反应器理想反应器流体流动形态流体流动形态3.11 3.11 理想反应器设计理想反应器设计 3.11.13.11.1理想反应器设计的基本原理理想反应器设计的基本原理 3.11.2 .2 间歇反应器设计间歇反应器设计 3.11.3 .3 平推流反应器设计平推流反应器设计 3.11.4 .4 理想混合反应器设计理想混合反应器设计 3.11.5 .5 多釜串联理想混合反应器多釜串联理想混合反应器 3.11.6 .6 反应器型式和操作方式的反应器型式和操作方式的评比与选择评比与选择3.12 3.12 理想混合反应器的热稳定性理想混合反应器的热稳定性 3.12.1 3.12.1 基本概念基本概念 3.12.2 .2 热稳定性原理热稳定性原理 3.12.3 .3 影响热稳定的因素影响热稳定的因素 3.12.4 .4 T与与TW间的最大温差间的最大温差3.13 3.13 连续反应器的停留时间分布连续反应器的停留时间分布3.13.1 3.13.1 停留时间产生的原因停留时间产生的原因3.13.2 .2 停留时间分布停留时间分布3.13.3 .3 停留时间分布的测定方法停留时间分布的测定方法3.13.4 .4 停留时间分布的数字特征停留时间分布的数字特征3.13.5 .5 反应器的流动模型反应器的流动模型 3.14 聚合反应工程分析聚合反应工程分析 3.15 聚合物工程设计简介聚合物工程设计简介重点内容重点内容内容对于后续课程有帮助内容对于后续课程有帮助理想反应器的设计模型理想反应器的设计模型间歇釜式反应器间歇釜式反应器时间CA0CA间歇反应器间歇反应器理想混合反应器理想混合反应器平推流反应器平推流反应器时间CA0CA轴向CA0CA平推流反应器平推流反应器理想混合反应器理想混合反应器多级串连多级串连理想理想混合反应器混合反应器多级串连多级串连理想混理想混合反应器合反应器CA时间CA0间歇反应器间歇反应器连续反应器连续反应器理想反应器设计方程理想反应器设计方程dtdxnVrAAA0AxAAArdxCt00微分方程代数方程积分方程Remarks间歇Batch理想混合反应器CSTR平推流反应器PFRdVrdxFAAA0AfACCAArdCvV00反应物浓度随时间变化反应物浓度恒定反应物浓度延轴向变化AiAiAiAAiAiAiiirxxCrCCvV)(1010间歇釜式设计方程)1 (0AAAxnn物料物料A反应消失量反应消失量rAV物料物料A累积量累积量= dnA/dtrAV dnA/dt00AAAAnnnx恒容等温条件下：恒容等温条件下：dtdxndtxndAAAA001rAVdtdxCdtdxVnrAAAAA00恒容时恒容时：AxAAArdxCt00间歇釜式基本设计方程间歇釜式基本设计方程0000AAAAAAACCCnnnxAACCAArdCt0恒容时恒容时：222)1 (0AAAxkCkCrA举例：二级不可逆反应举例：二级不可逆反应)1 (1)1 (00220000AAAxAAAAxAAAxCxkxkCdxCrdxCtAAAxAAArdxCt00理想反应器设计例题1：在间歇釜式反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：其中：A反应速度，消耗己二酸kmoles/lmin k反应速度常数，l/kmolemin CA己二酸的瞬时浓度，kmoles/l据实验测定，70度时，k=1.97l/kmolemin；己二酸的初始浓度CA00.004kmoles/l；若每天处理2400kg己二酸，其转化率为80%，每批操作的辅助时间为1小时。采用单釜生产，装料系数0.75，试计算反应器的体积。2AAkC间歇釜式计算)1 (1)1 (00220000AAAxAAAAxAAAxCxkxkCdxCrdxCtAA解答：1。首先计算每批料所需的反应时间。该反应是二级反应，即下式：已知：已知：xA=0.8，CA0=0.004 kmol/l，k=1.97l/kmolminhxCxktAAA5 . 8min510)8 . 01)(004. 097. 1 (8 . 0)1 (102.计算反应器的体积。计算反应器的体积。每天处理己二酸2400 kg，即每小时处理100 kg（24小时/天），己二酸分子量MW146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684 kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004 kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171 l/h每批操作所需的总时间 t总=8.5+1=9.5h反应器的有效体积VR=V0t总171 X 9.5=1630 l = 1.63 m3反应器的实际体积 V=VR/=1.63/0.75=2.17m3间歇反应器的体积间歇反应器的体积=2.17m3平推流反应器计算稳态操作的平推流反应器，其物料衡算式为：稳态操作的平推流反应器，其物料衡算式为：（流入量）（流出量）（反应消失量）（流入量）（流出量）（反应消失量）000AACF其中：反应物其中：反应物A进入进入dV的摩尔流量为的摩尔流量为FA反应物反应物A流出流出dV的摩尔流量为的摩尔流量为FAdFA反应消失的反应消失的A量为量为rAdV 为物料停留时间为物料停留时间0vVFAxAFA+dFAxA+dxAdlLCAFAxAvCA0FA0 xA0=0v0dV物料衡算示意图：物料衡算示意图：平推流反应器计算dVrdxFAAA0AfxAAArdxCvV000222)1 (0AAAxkCkCrA已知：已知：)1 (1)1 (00220000AAAxAAAAxAAAxCxkxkCdxCrdxCAA平推流反应器平推流反应器设计方程：设计方程：平推流反应器计算例题2：在平推流反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。条件与例题1相同。计算平推流反应器的有效体积。平推流反应器计算hxCxkAAA5 . 8min510)8 . 01)(004. 097. 1 (8 . 0)1 (100vV已知：已知：xA=0.8，CA0=0.004 kmol/l，k=1.97l/kmolmin每天处理己二酸2400 kg，即每小时处理100 kg（24小时/天），己二酸分子量MW146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684 kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004 kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171 l/h0.171m33045. 15 . 8171. 0mV相同反应条件下，平推流反应器有效体积相同反应条件下，平推流反应器有效体积1.45m3单级理想混合反应器计算CA0v0CAv0CAVR稳态操作的理想混合反应器，其物料衡算式为：稳态操作的理想混合反应器，其物料衡算式为： （流入量）（流出量）（反应消失量）（流入量）（流出量）（反应消失量）其中：反应物其中：反应物A流入速度为流入速度为 v0CA0 反应物反应物A流出速度为流出速度为 v0CA 反应消失的反应消失的A量为量为 rAV0vVVrCvCvAAA000故故单级理想混合反应器计算AAAAAArxCrCCvV000222)1 (0AAAxkCkCrA上式为理想混合反应器基本设计方程上式为理想混合反应器基本设计方程2022000011AAAAAAAAAAxkCxxkCxCrxCvV已知：已知：单级理想混合反应器计算 例题3：在单级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。条件与例题1相同。计算单级理想混合反应器的有效体积。单级理想混合反应器计算已知：已知：xA=0.8，CA0=0.004 kmol/l，k=1.97l/kmolmin每天处理己二酸2400 kg，即每小时处理100 kg（24小时/天），己二酸分子量MW146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684 kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004 kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171 l/h0.171m3325. 72 . 0004. 06097. 18 . 0171. 012200mxkCxVAAA相同反应条件下，相同反应条件下，单级理想混合单级理想混合反应器有效体积反应器有效体积7.25m3多级理想混合反应器计算其中：反应物其中：反应物A流入速度为流入速度为 v0CA0 反应物反应物A流出速度为流出速度为 v0CA 反应消失的反应消失的A量为量为 rAV0vVii恒容稳态操作下，且各级反应器不发生返混，则其恒容稳态操作下，且各级反应器不发生返混，则其第第i级反应器中级反应器中A组分的物料衡算式为：组分的物料衡算式为：（流入量）（流出量）（反应消失量）（流入量）（流出量）（反应消失量）多级理想混合反应器计算1010110011)(AAAAAAArxxCrCCvV第第i级反应器中的级反应器中的A组分列出物料衡算：组分列出物料衡算：iAiAiAiVrCvCv010AiAiAiAAiAiAiiirxxCrCCvV)(10100vVii第一级反应器：第二级反应器：2120221022)(AAAAAAArxxCrCCvV多级理想混合反应器计算 例题4：在二级二级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。第一级反应器中己二酸的转化率为60；第二级中己二酸的转化率为80。其他条件与例题1相同。计算多级理想混合反应器的有效体积。12x1=60%x2=80%多级理想混合反应器计算已知：已知：x1=0.6，CA0=0.004 kmol/l，k=1.97l/kmolmin每天处理己二酸2400 kg，即每小时处理100 kg（24小时/天），己二酸分子量MW146，则每小时己二酸用量FA0=100/146=0.684 kmol/h。己二酸的浓度CA0=0.004 kmol/l，则反应物平均每小时处理量V0=FA0/CA0=0.684/0.004=171 l/h0.171m3336. 16 . 01004. 06097. 16 . 0171. 012210101mxkCxVA第一级理想混合第一级理想混合反应器有效体积反应器有效体积1.36m3多级理想混合反应器计算2120221022)(AAAAAAArxxCrCCvV2220120022)1 ()(xkCxxCvV222)1 (0AAAxkCkCrA第二级反应器：第二级反应器：已知：已知：2201202)1 ()(xkCxxV3281. 1)8 . 01 (004. 06097. 1)6 . 08 . 0(171. 02mV第二级理想混合第二级理想混合反应器有效体积反应器有效体积1.81m3多级理想混合反应器计算 因此，对于二级串连理想混合反应器而言，总有效体积为： V1+V2=1.361.813.17 m3如果串连更多的反应器如何计算？如果串连更多的反应器如何计算？其反应器有效体积如何变化？其反应器有效体积如何变化？多级理想混合反应器图解法例题5：在四级四级理想混合反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。己二酸的最终转化率为80。其他条件与例题1相同。用图解法计算四级串连理想混合反应器的有效体积。（四个等体积反应釜）x4=80%CA0v0CA1v0CA2v0CA3v0CA4v0多级理想混合反应器计算 N21第第i级反应器中的级反应器中的A组分列出物料衡算：组分列出物料衡算：iAiAiAiVrCvCv010AiAiAiAAiAiAiiirxxCrCCvV)(10100vVii反应器体积反应器体积相同时相同时111AiAiAiCCr上式表示：第上式表示：第I级反应器地进口浓度级反应器地进口浓度CAi-1一定时，出口浓度一定时，出口浓度CAi与反应速率与反应速率rAi的关系；在的关系；在CAi-1和和 一定时，一定时， rAi与与CAi为线性关系，即在为线性关系，即在rAiCAi图上图上是直线。是直线。多级理想混合反应器图解法AiAiAikCCfr)(111AiAiAiCCr另外：另外：rA为浓度的函数；因此直为浓度的函数；因此直线与动力学曲线相交的交点的横线与动力学曲线相交的交点的横坐标即为反应器的出口浓度。坐标即为反应器的出口浓度。多级理想混合反应器图解法2222 .1186097. 1AAAACCkCr已知：已知：CA(kmol/l) 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 A(kmol/lh) 1.89 1.45 1.062 0.737 0.472 0.256 0.118已知：进口浓度已知：进口浓度 CA0=0.004 反应器级数为反应器级数为4出口浓度出口浓度CA4=?CA4=CA0(1-x4)=0.004（10.8）=0.0008多级理想混合反应器图解法0.0000.0010.0020.0030.0040.00.51.01.52.0rACACA4CA3CA2CA11级2级3级4级多级理想混合反应器图解法反复试差，结果得到CA1=0.0022, CA2=0.00142, CA3=0.001, CA4=0.0008，与最终出口浓度相符合测定物料衡算线斜率为0.315315. 01即3.18所以VR=v0 =0.1713.18=0.545反应器的总体积 V=2.18m3计算反应器的体积，条件：计算反应器的体积，条件：A、B等摩尔比，等摩尔比，实验测定的动力学方程：实验测定的动力学方程：CAAkr2kmol/lmink=1.97 l/kmolminCA0=0.004 kmol/l1.间歇反应器，每天处理间歇反应器，每天处理2400kgA，A转化率为转化率为80，辅，辅助时间为助时间为1hr，装料系数装料系数0.75。V = 1.62 m3，V实际2.16 m32.平推流反应器，每天处理平推流反应器，每天处理2400kgA，A转化率为转化率为80。（物。（物料料A密度已知，得到密度已知，得到v0为为171 l/hr）V = 1.45 m3V = 7.25 m3V1 V2 = 3.17 m3V总 = 2.18 m33.单个理想混合反应器。单个理想混合反应器。4.两个理想混合反应器串联，第一两个理想混合反应器串联，第一釜转化率为釜转化率为60，第二釜为，第二釜为805.四个理想混合反应器串联四个理想混合反应器串联3.11.6 反应器型式和操作方式的评比与选择反应器型式和操作方式的评比与选择 反应器形式和操作方式的选择基本原则反应器形式和操作方式的选择基本原则：1.达到给定生产能力所需反应器的体积小；2.用等量原料得到的目的产物多。对于复合反应考虑产物的分布。 单一反应：产物确定，主要考虑反应器体积大小 复合反应：首先考虑产物的分布，其次考虑反应器的体积单一反应单一反应容积效率容积效率 衡量单位反应器体积所能达到的生产能力称为容积效率 容积效率：同一反应，在相同温度、产容积效率：同一反应，在相同温度、产量和转化率条件下，平推流反应器与理量和转化率条件下，平推流反应器与理想混合反应器所需的总体积比想混合反应器所需的总体积比，mpmpVV注：Vp, p分别为平推流反应器的体积和平均停留时间； Vm， m分别为理想混合反应器的体积和平均停留时间； AiAiAiAmirxxC)(10AAAmrxC0AfxAAAprdxC00平推流反应器、理平推流反应器、理想混合反应器、多想混合反应器、多级串联理想混合反级串联理想混合反应器的设计方程应器的设计方程分别以分别以xA对对CA0/rA作图作图注：最终达到相同转化率注：最终达到相同转化率反应器类型与容积效率反应器类型与容积效率 的关系的关系m mi p m = 矩形oHDMmi 矩形OB+矩形KC矩形LDp = 曲面ADM0所以：所以：故：故：mpmpVVn2，即主反应级数大于副反应级数，则：即主反应级数大于副反应级数，则：CA越大，则比值越大，越大，则比值越大，R的收的收率越高。从容积效率与收率来看，采用间歇或平推流反应器有利。率越高。从容积效率与收率来看，采用间歇或平推流反应器有利。n2n1，即副反应级数大于主反应级数，则：即副反应级数大于主反应级数，则：CA越大，则比值越小，越大，则比值越小，R的收的收率越小。采用理想混合流反应器有利，但容积效率与收率间出现矛盾。率越小。采用理想混合流反应器有利，但容积效率与收率间出现矛盾。n1n2，即主反应级数等于副反应级数，则：浓度与即主反应级数等于副反应级数，则：浓度与R的收率无关；反应的收率无关；反应器形式对收率无影响；只有改变温度或采用催化剂才能改变比值。器形式对收率无影响；只有改变温度或采用催化剂才能改变比值。平行反应111BARRCCkdtdCr222BASSCCkdtdCr212121BASRCCkkrrA+BRSk1k2A+B主反应主反应副反应副反应连串反应连串反应ARSk1k2A, R, S三个组分的变化速率三个组分的变化速率AAACkdtdCr1RARRCkCkdtdCr21RSSCkdtdCr2RRASRCkCkCkrr221)(若若R为目标产物，提高为目标产物，提高CA，可以选用间歇、平推流反应器；可以选用间歇、平推流反应器；若若S为目标产物，则降低为目标产物，则降低CA，选用理想混合反应器；选用理想混合反应器；R为目标产物，为目标产物，R的增加有利于的增加有利于S生成，特别生成，特别k2k1时，保时，保持低的单程转化率；持低的单程转化率； k1k2时，则相反。时，则相反。R的浓度有一个最大值，相应地有最佳反应时间。的浓度有一个最大值，相应地有最佳反应时间。连串平行反应A+BRSk1k2R+B主反应主反应副反应副反应其中：其中：R为目的产物，为目的产物，S为副产物，为副产物，A与与B为原料为原料。（1）A慢慢加入慢慢加入B中（慢慢加中（慢慢加入指加入速率比反应速率慢）入指加入速率比反应速率慢）其结果：每次加入的少量A完全反应生成少量R；少量R与大量B进一步生成S；各组分浓度变化见图；这种方式不能得到R。（2）第二种加料方式：B慢慢加入A中。其结果：加入的少量B完全反应生成少量R；随后加入的B与A、R竞争反应，由于A过量，生成少量S；各组分浓度变化见图；这种方式可得到R，但得到最多的R必须控制B的加入量。（3）第三种加料方式：将A和B迅速混合，不同的混合方式对产品R的收率有影响。其结果：A与B生成少量R；随后A与B、A与R竞争反应，由于A过量， S生成量少；随A的减少，R与B反应为主；各组分浓度变化见图；这种方式可得到R，但得到最多的R必须控制反应时间。反应器型式和操作方式的评比反应器型式和操作方式的评比与选择总结与选择总结1. 单一反应：不存在产物分布问题；反应器选择主要考虑容积效率的大小。 除零级反应外，达到相同转化率下的生产能力，平推流反应器的体积比理想混合反应器的小。反应级数及转化率影响容积效率：高反应级数、高转化率的反应以平推流反应器为宜，多级理想反应器其级数多则容积效率高。2.复杂反应：主要考虑产物的分布。平行反应：主要控制反应器内物料的浓度；高浓度利于反应级数高的反应，反之则利于反应级数低的反应，故反应器与操作方式均按此原则确定。连串反应：主要控制反应器内物料的平均停留时间；对于 的连串反应中，采用间歇或平推流反应器时R收率高，采用理想混合反应器时S收率高。对连串平行反应：采用不同加料方式控制产物ARS总总 结结 重点学习理想反应器设计、间歇聚合反重点学习理想反应器设计、间歇聚合反应器的设计、平推流反应器的设计、理应器的设计、平推流反应器的设计、理想混合反应器的设计（单釜、多釜串想混合反应器的设计（单釜、多釜串联）；理想反应器设计的图解方法联）；理想反应器设计的图解方法; 反应器形式与操作方式的评比与选择；反应器形式与操作方式的评比与选择；第三章作业 反应器设计：1：在间歇釜式反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：其中：A反应速度，消耗己二酸kmoles/lmin k反应速度常数，l/kmolemin CA己二酸的瞬时浓度，kmoles/l据实验测定，70度时，k=1.97l/kmolemin；己二酸的初始浓度CA00.004kmoles/l；若每天处理2400kg己二酸，其转化率为90%，每批操作的辅助时间为1小时。采用单釜生产，装料系数0.75，试计算间歇反应器的体积；若采用平推流反应器，求其有效体积；若采用单级理想混合反应器。求其有效体积；若采用四级串连理想混合反应器，求其有效体积。2AAkC第三章作业反应器设计：2。己二酸与己二醇以等摩尔比，在70度下进行缩聚反应，生产聚酯树脂。硫酸为催化剂。由实验测得其反应速度方程为：其中：A反应速度，消耗己二酸kmoles/lmin k反应速度常数，l/kmolemin CA己二酸的瞬时浓度，kmoles/l据实验测定，70度时，k=1.97l/kmolemin；己二酸的初始浓度CA00.004kmoles/l；每天处理2400kg己二酸；（1）采用四级串连理想混合反应器，每个反应器的有效体积均为0.55m3，求其最终己二酸的浓度及其转化率？
