1、LOGO 任务一 间歇操作釜式反应器设计 Chemical Reaction Engineering 一、反应器流动模型 为简化反应器工艺设计，根据反应器内流体的流动状况，可以建立两种理想流动模型： 理想置换流动模型 和 理想混合流动模型 。 Chemical Reaction Engineering 1.理想置换流动模型 理想置换流动模型也称作 平推流模型或活塞流模型 ，如图 2-1所示。 Chemical Reaction Engineering 2.理想混合流动模型 理想混合流动模型也称为 全混流模型 ，如图 2-2所示。 Chemical Reaction Engineering 3
2、.返混及其对反应的影响 返混专指不同时刻进入反应器的 物料之间 的混合，是 逆向的混合 ，或者说是 不同年龄质点之间的混合 。返混是连续化后才出现的一种混合现象。 返混改变了反应器内的 浓度分布 ，使反应器内反应物的浓度下降 ， 反应产物的浓度上升 。 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，其中重要的是 横向分割 。 Chemical Reaction Engineering （二）非理想流动 对于所有 偏离理想置换和理想混合 的流动模式统称为非理想流动 。 实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因可以归结为下列几个方面。 1.滞留区的存在 2.存在沟流与短
3、路 3.循环流 4.流体流速分布不均匀 5.扩散 Chemical Reaction Engineering 第一节 化学动力学方程表达式 1、化学反应式 反应物 经过 化学反应 生成 产物 的过程用 定量关系式 予以描述时，该定量关系式 称为化学反应式 。 ( 2.1- 1)aA bB rR sS LL式（ 2.1-1）貌似方程式，但并非方程式。 一、化学反应速率的表示 Chemical Reaction Engineering 4)-(2 . 1 0000SSSRRRBBBAAA nnnnnnnn即任何反应组分的反应量与其化学计量系数之比为相同值，该值可用来描述该反应进行的程度。 故定义反
4、应程度为： 0iii nn对于化学反应式 设 t=0时，反应物系中各组分的量分别为 nA0， nB0， nR0， nS0； t=t时刻时，反应物系中各组分的量分别为 nA， nB， nR， nS； 终态与始态间各组分量的变化值之间的关系为： SRBA SRBA SRBASSRRBBAA nnnnnnnn :)(:)(:)(:)( 0000 2、 反应程度 Chemical Reaction Engineering （ 1） =f(time)； （ 2） 是一个累积量，其值恒为正； （ 3） 是以具有广度性质的量，其值与体系的量有关，若希望其具有强度性质时，可用单位体积的反应程度来表示。 5)-
5、( 2 . 1 0iii nnChemical Reaction Engineering 3、 转化率 2 2 33 2H N N H 0 2 120 3ttt10 0% 3 3. 3%转化率关键组分 K 属 性 该组分在原料中的量按化学计量方程计算能完全转化掉，即转化率最大值为 100%。 必须是反应物 Chemical Reaction Engineering 关键组分 转化率 xK 6)-( 2 . 1 %1 0 000 KKKnnn反应程度 与 转化率 的关系 7)-( 2 . 1 0KKK nx 0 KKKnn结合反应程度的定义： Chemical Reaction Engineer
6、ing 二、化学反应速率 单位质量催化剂 wcat 气固相催化反应 单位体积催化剂 Vcat 单位相界面积 S 气液相反应 单位体积 V 均相反应 反应速率 r 基准 反应类型 9)-( 2 . 1 1 dtdVr 1 0 )-( 2 . 1 1 dtdWrc a t1 1 )-( 2 . 1 1 dtdVrc a t1 2 )-( 2 . 1 1 dtdSr 定义：单位反应体系中反应程度随时间的变化率。 反 应 速 率 Chemical Reaction Engineering 定义：单位反应体系中组分摩尔数随时间的变化率。 反应速率 产物组分 I的生成速率： 13)-( 2 . 1 1dt
7、dnVrII 关键组分 k的消耗速率： 1 4 )-( 2 . 1 1dtdnVrkk 以反应程度表示的反应速率与以摩尔数表示的反应速率之间的关系： 15)-( 2 . 1 1)()( rdtdVsrprbrar SPBA 有sSpPbBaA 对于 16)-( 2 . 1 )(kkII rrr所以Chemical Reaction Engineering 1、化学反应速率的工程表示 反应场所反应时间）反应量（化学反应速率 m o l反应量： mol kmol 反应场所： VR， VCAT.， kg催化剂 ， m2表面等 （ -rA)： kmol/（ m3.h）， kmol/（ kg.h），等等
8、 dtdnVdtdcr 1与物化 区别 Chemical Reaction Engineering 与物化不同之处在于： a.定态时，没有时间概念 b.考察场所 - 物料（间歇） 反应器（连续） c.能与传递过程相结合 单位时间转化量 V 体积过程 S 面积过程 CA0 CPf CAf 物化用于表达本征动力学（间歇、等容） dtdnVdtdcr 1 与物化区别 Chemical Reaction Engineering 对于多组分反应 s nnp nnb nna nn SSPPBBAA 0000srprbrar SPBA )()(sSpPbBaA SPBAeg 221.SPBA rrrr 22
9、1)()( )()(2)(21)(ASAPABrrrrrrChemical Reaction Engineering 反应场所 : 均相液相反应 液相反应体积（ kmol/m3hr） 气固催化反应过程 单位催化剂体积（ rs-kmol/m3hr） 单位催化剂重量（ rw-kmol/kghr） 单位催化剂堆积体积（ rv-kmol/m3hr） SSbWbV rrr Sb颗粒密度堆积密度 空隙率)1( sbsv rr )1( 气液非均相反应 界面、液相主体、液膜等（具体略） Chemical Reaction Engineering 2、化学反应速率的其他表示方法 即组分的量起始的 组分量转化了的
10、 A Ax A 00AAAA nnnx )1(0 AAA xnn ddxVnr AAA 0) )(2.1用组分转化率表示： 2.2 用浓度表示： ddcrddcddcdcd1rcnAAAAAAAAVVVVV）对于恒容：（）所以：（因为：Chemical Reaction Engineering )()( jCTi CfTfr 一般 C、 T影响是相互独立的（经验） 反应速率的温度效应 反应速率的浓度效应 )(TfT)(CfC三、反应动力学表达式 ),( CTfri 反应速率与温度、浓度的关系 动力学方程 例如 反应动力学 21)( nBnAA CkCrsSpPbBaA反应速率常数（温度项） 包
11、含反应级数的浓度项 定义：定量描述反应速率与影响因 素 之 间 的 关 系 式 。 Chemical Reaction Engineering k 的因次与 n 有关： n=1, k= 时间 -1 温度项 RTEekk 0式中 k 反应速率常数 k0 频率因子 T 温度 K E 反应活化能 J/mol， cal/mol R 气体普适常数 )./(9 8 7.1)./(3 1 4.8( Km o lc a lKm o lJR 阿累尼乌斯 (Arrhenius)公式 RTEkk 0lnln 2lnRTEdTkd 四、影响化学反应速率的温度效应 Chemical Reaction Engineeri
12、ng nAA kCr )( RTETdTkdkTk RTETTrrAA)()(T )( Ar活化能的本质 反应速率对温度变化的敏感程度 物理化学 反应难易程度；大，则不易进行 反应工程 对温度敏感程度；大，则敏感 T变化对反应速率（或速率常数）相对变化率的大小 Chemical Reaction Engineering E的本质 温度 T 活化能 E mo l/KJ. 841 m o l/KJ. 21 6 7 m o l/KJ. 92920 1 1 3 2 40 0 70 17 9 10 0 0 27 3 62 37 20 0 0 10 7 3 19 7 10 7 速率常数提高一倍所需提高的温度 直观理解：横看；竖看 理论思维： E的工程意义 反应速率对温度变化的敏感程度 2lnRTEdTkd TRTEk 2)( lnT不变 E不变 Chemical Reaction Engineering 与反应热 H的关系 EEH 活化能的数量级 40200 kJ/mol 如果 E1 n=1 n=0 n1 对浓度敏感 )(Ar)( Ar)( Ar)( Ar微分法、积分法
