任务一间歇操作釜式反应器设计.docx

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1、任务一间歇操作釜式反应器设计 江西应用技术职业学院教案首页本学期授课次序授课班级15化工01班课题名称任务一间歇操作釜式反应器设计 教学目的要求 1、掌握理想流动模型及返混对反应的影响 2、掌握化学反应速率及反应动力学方程 3、掌握均相反应速率表示方式 4、掌握均相反应动力学 教学重点及难点 均相反应速率的表示方式、均相反应动力学 教学程序设计次序内容计划时间（min）1 2 3 4 5 6 点名、回顾上节课内容 反应器流动模型 化学反应速率及反应动力学方程 均相反应速率 均相反应动力学 小结 5 25 20 15 20 5 作业：小结： 任务一间歇操作釜式反应器设计 工作任务：根据化工产品的

2、生产条件和工艺要求进行间歇操作釜式反应器的工艺设计 预备知识： 一、反应器流动模型 （一）理想流动模型 1、理想置换流动模型 也称为平推流模型或活塞流模型。指在任一截面的物料如同活塞一样在反应器中移动，垂直于流动方向的任一横截面上所有的物料质点的年龄相同，是一种返混量为零的极限流动模型。其特点是在定态情况下，沿着物料流动方向物料的参数会发生变化，而垂直于流动方向上的任一截面的所有参数都相同，如浓度、压力、流速等。 2、理想混合流动模型 称为全混流模型。由于强烈搅拌，反应器内物料质点返混无穷大，所有空间位置物料的各种参数完全一致 3、返混及其对反应的影响 指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是

3、逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。间歇操作反应器不存在返混。其带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度去的消失或减低。 a 返混改变了反应器内的浓度分布，是反应器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升 b 返混的结果将产生停留时间分布，并改变反应器内浓度分布。 c 不但对反应过程产生不同程度的影响，更重要的是对反应器的工程放大所产生的问题 d 降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分割两种 （二）非理想流动 实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因课归纳为下列几个方面 a 滞留去的存在也称死区、死角，是指反应器中流体流动极慢导致几乎不流动的区域。 b 存在沟流与短路 c

4、 循环流 d 流体流速分布不均匀 e 扩散 二、均相反应动力学基础 工业反应器中，化学反应过程与质量、热量和动量传递过程同时进行，这种化学反应与 物理变化过程的综合称为宏观反应过程。研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应动力学。排除了一切物理传递过程的影响得到的反应动力学称为化学动力学或本征动力学。 （一）化学反应速率及反应动力学方程 1、化学反应速率 其定义为：在反应系统中，某一物质在单位时间、单位反应区域内的反应量 反应速度=反应量/(反应区域)(反应时间) 其实针对某一种反应物而言，以符号+r i 表示。可以是反应物，也可以是产物。 2、化学反应动力学方程 定量描写反应速率与影响反应速率之

5、间的关系式陈伟化学反应动力学方程，有反应温度、组成、压力、溶剂性质等。但大多数为浓度和温度，所以其动力学方程一般可写为 +r i =f （c ，T ） 恒温条件下，可写为 +r i =kf （C A,C B .） 非恒温， （二）均相反应速率及反应动力学 1、均相反应速率 均相反应是指在均一的液相或气相中进行的化学反应。均相反应速率的定义指在均相反应系统中某一物质在单位时间、单位反应混合物总体积的反应量，反应速率单位以Kmol/(m3?h) (1) 用组分传化率表示-rA=n A0dx A /Vd (2) 用浓度表示 (3) 对于多组分单一反应体系，各个组分的反应速率受化学计量关系的约束，存在

6、一定比列 关系。对于单一不可逆反应 各组分的变化量符合下列关系 2、均相反应动力学 （1）均相反应应满足的两个必要条件 a 反应系统可以成为均相 b 预混和速率反应速率 预混和指物料在反应前能否达到分子尺度的均匀混和。 实现装置：机械搅拌和高速流体造成的射流混和 （2）均相反应的特点：反应过程不存在相界面，过程总速度由化学反应本身决定。 aA bB rR sS +?+s n n r n n b n n a n n S S R R B B A A 0000-=-=-=- （3）速率方程 在均相反应系统中只进行如下不可逆化学反应： 其动力学方程一般都可表示成： 于气相反应，由于分压与浓度成正比，也

7、常常使用分压来表示： 其中 一般说来，可以用任一与浓度相当的参数来表达反应的速率，但动力学方程式中各参数的因次单位必须一致。 （4）反应分子数与反应级数 A 、基本概念 I 单一反应与复杂反应 单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程式便能代表的反应 复杂反应：有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述。 常见的复杂反应有：连串反应、平行反应、平行-连串反应等 II 基元反应与非基元反应 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转化成为产物分子的反应，则称为非基元反应 III 单

8、分子、双分子、三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 IV 反应级数 是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以是分数，也可以是负数 B 、理解反应级数时应特别注意： I 反应级数不同于反应的分子数，前者是在动力学意义上讲的，后者是在计量化学意义上讲的。 aA bB rR sS +?+12 i i A B r k c c =()11 1A A A A B dn r k C C V d -=- =1 21()A A p A B dn r k p p V d -=- =12

9、()()A A p n k k k RT RT += = 对基元反应，反应级数 即等于化学反应式的计量系数值，而对非基元反应，应通过实验来确定。 II 反应级数高低并不单独决定反应速率的快慢，反应级数只反映反应速率对浓度的敏感程度。级数愈高，浓度对反应速率的影响愈大。 （5）反应速率常数k 和活化能E A 、反应速率常数k k 就是当反应物浓度为1时的反应速率，又称反应的比速率。 k 值大小直接决定了反应速率的高低和反应进行的难易程度。不同的反应有不同的反应速率常数，对于同一个反应，速率常数随温度、溶剂、催化剂的变化而变化。 k 随温度的变化规律符合阿累尼乌斯关系式： B 、活化能E 反应活化

10、能是为使反应物分子“激发”所需给予的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行；活化能低，则容易进行。但是活化能E 不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应速率。 C 、在理解活化能E 时，应当注意： I 活化能E 不同于反应的热效应，它不表示反应过程中吸收或放出的热量，而只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 II 活化能E 不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。E 愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温度的上升而加快。 E 愈大，反应速率随温度的上升而增

11、加得愈快。 III 对于同一反应，即当活化能E 一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的升高而降低。 12, 江西应用技术职业学院教案首页 本学期授课次序授课班级15化工01班课题名称任务二间歇操作釜式反应器设计 教学目的要求 1、掌握均相单一反应动力学方程的计算 2、掌握复杂反应动力学方程的计算 3、掌握反应器计算的基本方程 4、掌握间歇操作釜式反应器体积和数量计算 教学重点及难点 均相单一反应恒温恒容计算、间歇操作釜式反应器体积和数量计算 教学程序设计次序内容计划时间（min）1 2 3 4 5 6 7 点名、回顾上节课内容 均相单一反应恒温恒容过程计算 例题讲解 复杂反应动力学方程计算

12、 反应器计算的基本内容 间歇操作釜式反应器体积和数量计算 小结 5 25 20 45 35 50 5 作业：小结： 任务一 间歇操作釜式反应器设计 工作任务：根据化工产品的生产条件和工艺要求进行间歇操作釜式反应器的工艺设计 预备知识： 3、均相单一反应的动力学方程 对于单一反应过程： 动力学方程表示为： （1）恒温恒容一级不可逆反应 I 恒容过程：液相反应和反应前后无物质的量变化的气相反应。 一级不可逆反应 工业上许多有机化合物的热分解和分子重排反应等都是常见的一级不可逆反应；或有二个反应物参与的反应，若其中某一反应物极大过量，则该反应物浓度在反应过程中无多大变化，可视为定值而并入反应速率常数

13、中。此时如果反应速率对另一反应物的浓度关系为一级，则该反应仍可按一级反应处理。 一级反应的动力学方程式为 ： 初始条件 时，上式分离变量积分， 在恒温条件下，为常数，积分得到： 若着眼于反应物料的利用率，或者着眼于减轻后分离的任务，应用转化率积分表达式较为方便；若要求达到规定的残余浓度，即为了适应后处理工序的要求，例如有害杂质的除去即属此类，应用浓度积分表达式较为方便。 恒温恒容二级不可逆反应 它有二种情况：一种是对某一反应物为二级且无其它反应物，或者是其它反应物大量存在，因而在反应过程中可视为常值；另一种是对某一反应物为一级，对另一反应物也是一级，而且二反应物初始浓度相等且为等分子反应时，亦

14、就演变成第一种情况。 此时其动力学方程式为 ： 经变量分离并考虑初始条件 ，恒温时为常数，则积分结果为： 若用转化率表示： 只要知道其反应动力学方程，代入式 ，积分即可求得结果。 aA bB rR sS +?+ 12 i A B r kc c = 0=0 A A c c =0k A A c c e -=1 ln 1A k x =-2 ()A A A dc r kc d -=-=0=0A A c c =0 11A A k c c -=001A A A c c c k =+01A A A x c k x =-0 ()A A c A c A dc r =-? 从速率方程积分表可得到一些定性的结论：

15、(1)速率方程积分表达式中，左边是反应速率常数k 与反应时间的乘积，表示当反应初始条件和反应结果不变时，反应速率常数k 以任何倍数增加，将导致反应时间以同样倍数下降。 (2)一级反应所需时间仅与转化率XA 有关，而与初始浓度无关。因此，可 用改变初始浓度的办法来鉴别所考察的反应是否属于一级反应。以 或 对作图，若是直线，则为一级反应，其斜率为k 。 (3)二级反应达到一定转化率所需反应时间与初始浓度有关。初始浓度提 高，达到同样转化率XA 所需反应时间减小 。 (4)对n 级反应： 当n 1时，达到同样转化率，初始浓度提高，反应时间减少； 当n 1时，初始浓度提高时要达到同样转化率，反应时间增

16、加。对 n 1的反应，反应时间达到某个值时，反应转化率可达100%。 而n 1的反应，反应转化率达 100%，所需反应时间为无限长。 这表明反应级数n l 的反应，大部分反应时间是用于反应的末期。高转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增加。 例1-1 解题思路 根据题意是恒温恒容一级不可逆均相反应，又要求求反应一定时间后物料的残余浓度， 故选择公式 解题较简便。 对于多组分单一反应，反应物的反应量与产物的生成量之间有化学计量关系的约束，可以根据它们的化学计量关系推导出它们反应过程中的浓度关系。运用恒温恒容一级不可逆反应的转化率积分形式解题。 例1-2 解题思路： 根据题意为恒温恒容

17、二级不可逆均相反应，运用相应的浓度积分形式解题。 4、复杂反应动力学方程 （1）复杂反应的类型 I 可逆反应 在反应物发生化学反应生成产物的同时，产物之间也在发生 化学反应回复成原料。如： II 平行反应 在系统中反应物除发生化学反应生成一种产物外，该反应物 0ln(/)A A c c ln1/(1) A x -1 00 (1)A x n A A n A dx c k x -=-?0k A A c c e -=A B R S R S A B + 还能进行另一个化学反应生成另一种产物。如： 乙烷裂解生成乙烯 同时乙烷也能裂解成碳和氢 III 连串反应 反应物发生化学反应生成产物的同时，该产物又能

18、进一步反 应而成另一种产物。 IV 复合复杂反应 在反应系统中，同时进行有可逆反应、平行反应和连串反应，该系统进行的反应称为复合复杂反应。如： 复杂反应的动力学方程通常采用下述方法进行计算： a 将复杂反应分解为若干个单一反应，并按单一反应过程求得各自的动力学 方程； b 在复杂反应系统中，某一组分对化学反应的贡献通常用该组分的生成速率 来表示。某组分可能同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是它在各个单一反应中的生成速率之和，即： 例1-3 解题思路： 1、能正确将复合复杂反应分解为简单反应 2、某组分若同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是它在各个单一反应中的生成速率之和

19、。加和计算时注意不要搞错符号，漏掉化学计量系数。 A R S A B C+D A+C E D R+S +1 M I Ij I j j r r = 三、反应器计算的基本内容和基本方程 （一）反应器计算基本内容 主要包括三项内容： 1、选择合适的反应器类型 根据反应系统动力学特性，结合反应器的流动特征和传递特性，选择合适的反应器，以满足反应过程的需要，是反应结果最优。 2、确定最优的操作条件 如反应器的进口物料配比、流量、温度、压力和最终转化率，直接影响反应器的反应结果，也影响反应器的生产能力。 3、计算所需的反应器体积 反应器体积的确定是反应器工艺设计计算的最核心内容。 （二）反应器计算的基本方

20、程 1、描述浓度变化的物料衡算式 依据：质量守衡定律。 基准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。 衡算式：对任一组分A在单元时间、单元体积V： A的积累量=A的进入量-A的离开量-A的反应量 目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。 2、热量衡算式 依据：能量守衡定律。 基准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为空间基准和时间基准。 衡算式：在单元时间、单元体积V内（以放热反应为例）： 积累的热量=原料带入的热量+反应产生的热量-出料带走的热量-传给环境或热载体的热量 目的：给出温度随反应器内位置或时间变化的函数关系。

21、3、动量衡算式 以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化。 4、动力学方程 对于均相反应，需要有本征动力学方程；对于非均相反应，应该包括有相际传质过程在内的宏观动力学方程。 四、间歇操作釜式反应器体积和数量计算 每天处理物料总体积VD （或反应物料每小时体积流量V0） 或 V0=FA0/CA0=W0/ 操作周期指生产第一线一批料的全部操作时间，由反应时间（生产时间）和非生产时间 组成。 反应时间理论上可以用动力学方程式计算，也可根据实际情况定。 设备装料系数设备中物料所占体积与设备实际容积之比，其具体数值根据实际情况 而变化，参见表2-5。 1、给定V ，求n 按设计任务每天需要操作的总次数为： 每个设备每天能操作的批数为： 则需用设备个数为： n 需取整数n ， n n 。因此实际设备总能力比设计要求提高了，其提高的程度称为设备能力的后备系数，以表示，则： 反应器有效体积按下式计算： 2、给定n ，求V 已知每小时处理物料体积V0与操作周期 ，则需要设备的总容积为： 求得设备总容积后，可查得系列设备标准选用决定设备的容积V 和个数n 。 讲解例题2-4 D D G V = 00 2424R V V V V ? = =0()V n V ?+=() 0/R V V V n ?=+100%n n =? +0()R V V nV ? +=总2424 t = +