化學(xué)反應(yīng)工程 第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器

1、,第一節(jié)　流動(dòng)模型概述第二節(jié)　理想流動(dòng)反應(yīng)器,第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器,第一節(jié)　流動(dòng)模型概述,間歇過(guò)程－－時(shí)間變化過(guò)程，間歇反應(yīng)器流動(dòng)過(guò)程－－空間變化過(guò)程，三釜串聯(lián)，平推流反應(yīng)器　　　　　　　　　　　　實(shí)例1：管式反應(yīng)器實(shí)例2：串聯(lián)釜式反應(yīng)器,3－1反應(yīng)器中流體的流動(dòng)模型3－2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程,Schematic of a Steam Cracker for Ethylene Production from Napht

2、ha,石腦油蒸餾制乙烯產(chǎn)品,High Pressure Polymerisation of Ethylene,Pressure : 1500 –2500 bar（1bar＝0.1MPa）Residence time: 100 –150 sReactor: Diam. 34 – 50 mm; L = 400 –900 m,compressi

3、on,purge,polymerisation,,deposition,LP-stripper,HP-stripper,150-300at,HP-compressor,LP-compressor,1500-3000bar,,,Tubular reactor and stirred tank,Wax separation,乙烯高壓聚合,串聯(lián)反應(yīng)釜,理想流動(dòng)模型,,,,,,,Dispersion,,,,,,,Recycle reactor,

4、3－1反應(yīng)器中流體的流動(dòng)模型,流動(dòng)模型：反應(yīng)器中流體流體與返混的描述,非理想流動(dòng)模型,Plug-Flow Reactor (PFR),,,,,,,,,,Continuous stirred tank (CSTR),,3－1反應(yīng)器中流體的流動(dòng)模型一、理想流動(dòng)模型,Outlet = f(inlet, kinetics, contacting pattern)流動(dòng)模型：簡(jiǎn)化，抽象平推流模型（Plug-Flow Reactor ，PFR

5、)全混流模型 (Continuous stirred tank reactor， CSTR),（1）平推流模型(PFR),,,CAf,出料,進(jìn)料,,V0 CA0,一、理想流動(dòng)模型,PFR,假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動(dòng),特點(diǎn)：沿著物料的流動(dòng)方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動(dòng)方向的任一截面上物料的所有參數(shù)，如溫度、濃度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中具有

6、相同的停留時(shí)間，反應(yīng)器中不存在返混。,PFR,（2）全混流模型,假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混合。,特點(diǎn)：反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間參差不齊，有的很長(zhǎng)，有的很短，形成一個(gè)停留時(shí)間分布。,tresidence time,CSTR,Batch reactor (discontinuousl

7、y operated stirred tank reactor),Ideal reactors,年齡——反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時(shí)間；是對(duì)仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。壽命——反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開(kāi)反應(yīng)器的時(shí)間；是對(duì)已經(jīng)離開(kāi)反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。返混——又稱逆向返混，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。是時(shí)間概念上的混合,流動(dòng)模型相關(guān)的重要概念,BSTR PFR

8、 CSTR1投料 一次加料(起始) 連續(xù)加料(入口) 連續(xù)加料(入口)2年齡 年齡相同(某時(shí)) 年齡相同(某處) 年齡不同3壽命 壽命相同(中止) 壽命相同(出口) 壽命不同(出口)4返混 無(wú)返混 　 無(wú)返混 　　 返混極大,第一節(jié) 流動(dòng)模

9、型概述,,,,,,,,,,反應(yīng)器特性分析,濃度分布——推動(dòng)力,反應(yīng)器特性分析,流體流動(dòng)推動(dòng)力：壓力差傳熱推動(dòng)力：溫差傳質(zhì)推動(dòng)力：濃度差（化學(xué)位差）化學(xué)反應(yīng)推動(dòng)力：體系組成與平衡組成的差。過(guò)程的速率：與推動(dòng)力成正比，與阻力成反比。,反應(yīng)器特性分析,反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)時(shí)間逐漸降低,反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)器軸向長(zhǎng)度逐漸降低,反應(yīng)推動(dòng)力不變，等于出口處反應(yīng)推動(dòng)力,傳質(zhì)推動(dòng)力,,偏離平推流的情況,二、非理想流動(dòng)模型,漩渦運(yùn)動(dòng)：渦流、湍動(dòng)、碰撞填料

10、,截面上流速不均勻,溝流、短路：填料或催化劑裝填不均勻,偏離全混流的情況,死角,短路,攪拌造成的再循環(huán),二、非理想流動(dòng)模型,流動(dòng)狀況對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響 ----- 主要由物料停留時(shí)間不同所造成,二、非理想流動(dòng)模型,短路、溝流,停留時(shí)間減少,轉(zhuǎn)化率降低,死區(qū)、再循環(huán),停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),A+B→P：有效反應(yīng)體積減少A+B→P→S 產(chǎn)物P減少,,,,,→ 停留時(shí)間的不均,3-2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程,一、反應(yīng)器設(shè)

11、計(jì)的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性+反應(yīng)器的流動(dòng)特征+傳遞特性確定最佳的工藝條件 最大反應(yīng)效果+反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性 進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終轉(zhuǎn)化率計(jì)算所需反應(yīng)器體積 規(guī)定任務(wù)+反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化,3-2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程,the kinetic equation,the mass balance equation,the energy balance e

12、quation,the momentum balance equation,第二章中討論過(guò),計(jì)算反應(yīng)體積,計(jì)算溫度變化,計(jì)算壓力變化,,,,,物料衡算方程針對(duì)任一反應(yīng)單元，在任一時(shí)間段內(nèi)：,某組分累積量=某組分流入量－某組分流出量－某組分反應(yīng)消耗量,反應(yīng)消耗累積,,流入,,流出,反應(yīng)單元,,帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應(yīng)熱+熱量的累積+傳給環(huán)境的熱量,反應(yīng)熱累積,,帶入,,帶出,反應(yīng)單元,,,傳給環(huán)境,能量衡算方程,動(dòng)量衡算方程（流

13、體力學(xué)方程）,氣相流動(dòng)反應(yīng)器的壓降大時(shí)，需要考慮壓降對(duì)反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動(dòng)量衡算。,第二節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器,一、間歇反應(yīng)器的特征,3-3 間歇反應(yīng)器,（1）反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對(duì)反應(yīng)的影響；（2）具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，溫度始終相等，無(wú)需考慮器內(nèi)的熱量傳遞問(wèn)題；（3）物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)

14、的產(chǎn)品生產(chǎn)——精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)缺點(diǎn)：裝料、卸料等輔助操作時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,Standardised stirred tank reactor sizes,,,,,標(biāo)準(zhǔn)尺寸( according to DIN),二、間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述,用數(shù)學(xué)模型描述反應(yīng)物組成隨時(shí)間的變化情況對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：,單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)量 = 單位時(shí)間內(nèi)消失量,等容過(guò)程，液相反應(yīng),,圖解積分示意圖,二、間歇反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述一級(jí)不可逆反應(yīng)（ 1

15、st. Order Reaction，irreversible）,實(shí)際操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間(t) + 輔助時(shí)間 (t’)反應(yīng)體積VR是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積 VR=V(t+t’)據(jù)此關(guān)系式，可以進(jìn)行反應(yīng)器體積的設(shè)計(jì)計(jì)算　　　　　　　　　FP為單位時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量　　　　　　　　　Cf為反應(yīng)終了時(shí)的產(chǎn)物濃度,,,,表3－1 理想間歇反應(yīng)器中整級(jí)數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達(dá)式,k增大(溫度升高）→t減少→反應(yīng)

16、體積減小,討論：間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng),2、反應(yīng)濃度的影響,1. k的影響,零級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0正比一級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0無(wú)關(guān)二級(jí)反應(yīng)：t與初濃度CA0反比,3. 殘余濃度,零級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t直線下降一級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t逐漸下降二級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t慢慢下降,,,,反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機(jī)理的變化,Reaction rate r:,reaction progress as a function of the re

17、action order n,,,,C0,t,C,n=1,n=2,n=0,,,,reaction progress as a function of the reaction order n,例3－1以醋酸（A）和正丁醇（B）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯（C），操作溫度為100℃，每批進(jìn)料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反應(yīng)速率試求醋酸轉(zhuǎn)化率xA分別為0.5、0.9、0.99時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間。解：CH3COOH+C4H9

18、OH→CH3COOC4H9+H2OA的初始濃度計(jì)算：可求出，投料總體積為0.559m3,,例題：用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A：B：S=1：2：1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時(shí)間為1h。反應(yīng)在100℃下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為　 100℃時(shí)，k=4.76×10-4　L

19、/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.75，則反應(yīng)器的實(shí)際體積是多少？,,,=,通過(guò)乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為,由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為1kg時(shí)，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時(shí)間需加入反應(yīng)器的原料液量為,解：首先計(jì)算原料處理量V0根據(jù)題給的

20、乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時(shí)乙酸需用量為,其次計(jì)算原料液的起始組成。,,,然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。,代入速率方程，整理后得,式中,,代入到基本公式中,得：t=118.8min,實(shí)際反應(yīng)器體積：12.38m3/0.75＝16.51m3,,3-4 平推流反應(yīng)器,一. 特點(diǎn)：（1）連續(xù)定態(tài)下，各個(gè)截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù)，不隨時(shí)間而變化；（2）徑向速度均勻，徑向也不存在濃度分布；（3）反應(yīng)物料具有相同的停留時(shí)間。

21、,3-4 平推流反應(yīng)器,Tube reactor,裂解爐,,用于乙烯生產(chǎn)的管式裂解爐,二. 平推流反應(yīng)器計(jì)算的基本公式,BSTR與FPR的等效性,二. 平推流反應(yīng)器計(jì)算的基本公式,流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量,,0,三、等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算,化學(xué)計(jì)量學(xué)，膨脹因子,,若反應(yīng)過(guò)程無(wú)體積變化,,表3－2 等溫等容平推流反應(yīng)器計(jì)算式,表3－1 理想間歇反應(yīng)器中整級(jí)數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達(dá)式,Balancing of a con

22、tinuous stirred tank reactor,,,,,,,,,,,,,,,3-5 全混流反應(yīng)器,反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。,V0 CA0,V0 CAf,CAf,例題：用平推流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為：,,原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)

23、過(guò)程中不變。反應(yīng)在100℃下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為,已知100℃時(shí)，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。,=,由于乙酸與乙醇的反應(yīng)為液相反應(yīng)，故可認(rèn)為是等容過(guò)程。等容下活塞流反應(yīng)器的空時(shí)與條件相同的間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間相等，已求出達(dá)到題給要求所需的反應(yīng)時(shí)間為t=118.8min。改用活塞流反應(yīng)器連續(xù)操作，如要達(dá)到同轉(zhuǎn)化率，要求應(yīng)使空時(shí)τ=t

24、=118.8min。原料處理理為V0=4.155m3/h因此，反應(yīng)體積　　　　　　　VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3,解：,3-5 全混流反應(yīng)器,,進(jìn)口中已有A,取整個(gè)反應(yīng)器為衡算對(duì)象,3-5 全混流反應(yīng)器,全混流反應(yīng)器τ的圖解積分(對(duì)比右圖的PFR圖解積分),,3-5 全混流反應(yīng)器,平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較,,用全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為,,,

25、原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。反應(yīng)在100℃下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為,已知100℃時(shí)，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。,=,例題：,通過(guò)乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為,由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為

26、1kg時(shí)，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時(shí)間需加入反應(yīng)器的原料液量為,首先計(jì)算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時(shí)乙酸需用量為,其次計(jì)算原料液的起始組成。,,,將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。因?yàn)?代入速率方程，整理后得,式中,,所以,例題中三種反應(yīng)器體積比較,BSTR：VR＝12.68m3 (實(shí)際體積為16.51m3）PFR： VR＝8.227m3CSTR：VR＝14.68m3反

27、應(yīng)器體積: CSTR＞ BSTR ＞ PFR,對(duì)于其速率隨著反應(yīng)物濃度增加而增加的反應(yīng)過(guò)程，返混的效果是降低了反應(yīng)速率,生化工程中酶反應(yīng)A→R為自催化反應(yīng)，反應(yīng)速率式rA=kcAcR，某溫度下k=1.1512m3/(kmol.min)，采用的原料中含A 0.99kmol/m3，含R 0.01kmol/m3,要求A的最終濃度降到0.01kmol/m3，當(dāng)原料的進(jìn)料量為10m3/h時(shí)，求：（1）反應(yīng)速率最大時(shí)，A的濃度為多少？（

28、2）采用CSTR，反應(yīng)器體積是多大？（3）采用FPR，反應(yīng)器體積是多大？（4）組合方式的最小反應(yīng)器體積。,例題,解：,(1)顯然，CA=0.5kmol/m3時(shí)，速率達(dá)最大值。,例題,(2)CSTR,(3)PFR,例題,CSTR和PFR兩種圖解的比較,CSTR,PFR,(4)CSTR+PFR：最優(yōu)組合,組合反應(yīng)器的總體積=0.216m3+0.507m3=0.723m3,Stirred Tank Cascade,,,,CA0,CAf,C

29、A,x,position,,,,,,,,,,3,2,1,4,5,0,,,,,,,,,,,CA*,,,,,,,,,CA1,CA2,CA3,CA4,1,2,3,4,5,一、多級(jí)混流反應(yīng)器的濃度特征,3-6 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化,,Stirred Tank Cascade,,,,CA0,CAf,CA,x,position,,,,,,,,,,3,2,1,4,5,0,,,,,,,,,,,CA*,,,,,,,,,CA1,CA2,CA3,CA

30、4,0,,,,,,,3-6 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化二、多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算,1.解析計(jì)算,,,,,,,,,,,,VR1,CA1,CAm,CAi,CAi-1,CA2,VRm,VR2,VRi,VRi-1,CA0,CAm,V0,V0,V0,V0,V0,V0,,,,CAi,CAi-1,CA2,CA1,,3-6 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化二、多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算,3-6 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化二、多級(jí)全混流反應(yīng)器串

31、聯(lián)的計(jì)算,設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型計(jì)算一級(jí)不可逆反應(yīng),3-6 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化二、多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算,因?yàn)?等比數(shù)列,3-6 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化二、多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算,工業(yè)上，多級(jí)CSTR串聯(lián)（層疊）時(shí)，往往將各級(jí)CSTR的體積做成相等，以便于制造。即：,這時(shí)，就有,可求得反應(yīng)系統(tǒng)的總體積,3-6 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化二、多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算,2.圖解計(jì)算對(duì)非一級(jí)反應(yīng)，必須逐釜計(jì)算

32、。計(jì)算比較麻煩：,這時(shí)，可采用圖解法：,,,,,,-1/?,CA1,CA0,CA,rA,f(CA),圖解法原理,,,,CA1,,2.圖解計(jì)算,Graphical Construction for a CSTR-Cascade等溫、等體積情況的圖解計(jì)算,,,,,,-1/?,cA1,cA0,cA,rA,f(CA),,,,,cA3,cA2,,cA3,,f(CA),三、多級(jí)CSTR串聯(lián)的優(yōu)化,設(shè)計(jì)CSTR的串聯(lián)時(shí)會(huì)遇到如何分配各級(jí)轉(zhuǎn)化率的問(wèn)題

33、。當(dāng)串聯(lián)的級(jí)數(shù)確定后，可以合理分配各級(jí)的轉(zhuǎn)化率，使所需的總反應(yīng)體積最小。,上式中，x1 ，x2…… xm-1共m-1個(gè)變量是設(shè)計(jì)時(shí)可以變動(dòng)的。優(yōu)化問(wèn)題是：當(dāng)這m-1個(gè)變量取何值時(shí)，VR達(dá)到其最小值。,三、多級(jí)CSTR串聯(lián)的優(yōu)化,解這個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)方法在理論上是熟知的：,從以上共m-1個(gè)方程，可解出m-1個(gè)待定量(x1 ，x2…… xm-1),三、多級(jí)CSTR串聯(lián)的優(yōu)化,解一級(jí)不可逆反應(yīng)的優(yōu)化例子,,兩邊同時(shí)乘以V0/k,例：用兩只

34、串聯(lián)的全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為,,,原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。反應(yīng)在100℃下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為,已知100℃時(shí)，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)，所需的反應(yīng)總體積。（1）兩只CSTR體積相等，（2）優(yōu)

35、化的情況。,解：前已求得,其中：　　a =2.61　b =－5.15　c =0.6575　 　　　　k =4.76×10-4L/（mol·min），,（1）設(shè)第一釜轉(zhuǎn)化率為xA1，根據(jù)題設(shè)：τ1＝ τ2,可解得：xA1 =0.2264（已經(jīng)舍去了不合理值）代入τ1式中，得VR1=V0τ1＝6.036m3于是，總反應(yīng)體積VR＝12.072m3,（2）優(yōu)化的情況,令　　　　　解得：xA1=0.2191(已舍去不合理

36、值）代入，可求得VR1＝5.390m3　VR2＝5.487m3故反應(yīng)總體積為VR＝10.88m3,例題中五種反應(yīng)器體積比較,BSTR： VR＝12.68m3 PFR： VR＝8.227m3CSTR： VR＝14.68m3CSTR+CSTR（相等體積）: VR＝12.07m3CSTR+CSTR（最優(yōu)體積）: VR＝10.88m3,各類理想反應(yīng)器（

37、組合）的內(nèi)在統(tǒng)一性,,3-7 理想反應(yīng)器的組合與反應(yīng)器體積比較,一、理想反應(yīng)器的組合,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,一、理想反應(yīng)器的組合,,,,,,,,,,,此組合等效于一個(gè)大的CSTR（總體積相等）,,1/2VR,1/2VR,VR,CA0,CA0,V0,V0,由上述諸式，無(wú)論何種動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)論均成立。等效的前提：　　　　　　　　因此不限于兩并聯(lián)釜體積相等。,此種組合等效于一

38、個(gè)大的PFR（總體積相等）,,,,,,CA0,V0,CAf,CA1,,任何動(dòng)力學(xué)，兩反應(yīng)器體積任意的大小。,,,,,,,,,,,CA0,CA0,CAf,,無(wú)論何種動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)論均成立。等效的前提：　　　　　　　　因此不限于兩并聯(lián)反應(yīng)器的體積相等。,V0,體積相等的活塞流，無(wú)論長(zhǎng)徑比如何，都是等效的。,列管式催化反應(yīng)器,此兩種組合在一級(jí)不可逆反應(yīng)且兩反應(yīng)器體積相等時(shí)是等效的。,,,,,,,,,,CA0,CA1,CAf,CA0,CA1

39、,CAf,零級(jí)反應(yīng)，無(wú)論體積是否相等，也等效。,VR1,VR1,VR2,VR2,V0,V0,但是，一般情況下，兩者不等效。,二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的體積比較,單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：“正?！眲?dòng)力學(xué)，“反?！眲?dòng)力學(xué)，帶有最大值的動(dòng)力學(xué)。不同的動(dòng)力學(xué)結(jié)論不同，甚至截然相反。,,,,,,,1/rA,,,,,,,,,,,,,FPR,,,,,,,,,,1/rA,,,,,,,,,,CSTR,,,,,,,,,,,,,,,CSTR CASCADE,,,,,,,1/

40、rA,,,,,,,xA,xA,xA,,二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的體積比較,若干重要影響因素：（a）轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率越高，體積差別越大（b）反應(yīng)級(jí)數(shù)：級(jí)數(shù)越高，體積差別越大（c）串聯(lián)級(jí)數(shù)：級(jí)數(shù)越多，體積差別越?。╠）膨脹率（因子）：膨脹越大，則返混影響越大，體積差別也就越大。,1－6解題提示：根據(jù)題給的表面反應(yīng)機(jī)理，活性中心只被丁烯和丁二烯占據(jù)，而氫氣則沒(méi)有占據(jù)活性中心，因此：空位率（θ0）＝1－丁烯占有率－丁二烯占有率　　　　　　

41、　　　所以，加式中只有兩項(xiàng)。此外，反應(yīng)控制時(shí)，速率方程應(yīng)該寫(xiě)成：,作業(yè)訂正,1－4：復(fù)合反應(yīng)。此題最佳溫度指選擇率最大時(shí)的溫度。反應(yīng)速率常數(shù)關(guān)于活化能有兩個(gè)基本結(jié)論：一，活化能越高，反應(yīng)速率越低?！《?，活化能越高，對(duì)溫度的變化越敏感?，F(xiàn)在E2 <E1 <E3 可見(jiàn)，升高溫度有利于第三個(gè)反應(yīng)，而降低溫度有利于第二個(gè)反應(yīng)。,或者：,求（k2+k3)/k1的最小值，可使用求駐點(diǎn)的數(shù)學(xué)方法，最后導(dǎo)出所需證明的關(guān)系式。,3－8

42、理想流動(dòng)反應(yīng)器中多重反應(yīng)的選擇率,選擇性的要求往往比速率要求更重要。一、平行反應(yīng),瞬時(shí)選擇率：關(guān)鍵組分反應(yīng)物的總反應(yīng)速率中向主產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的分率。,對(duì)比速率,3－8理想流動(dòng)反應(yīng)器中多重反應(yīng)的選擇率,,,,,,,a,b,,x,3－8理想流動(dòng)反應(yīng)器中多重反應(yīng)的選擇率,（1）選擇率的溫度效應(yīng),升高溫度，對(duì)活化能高的反應(yīng)有利降低溫度，對(duì)活化能低的反應(yīng)有利,（2）選擇率的濃度效應(yīng),設(shè)置較高的CA：PFR（BR）；高濃度的原料；較低的轉(zhuǎn)化率。設(shè)