[工学]第二章 化学反应工程基础.ppt

第二章 化学反应工程基础 1．化学反应分类： 按照反应的可逆性分：可逆、不可逆； 按照反应级数分：一级、二级、三级等； 按照相态分：均相与非均相；气液固三相组合； 按催化分：催化反应和非催化反应； 按操作方式分：间歇反应、半连续反应和连续反应； 按温度分：等温反应、绝热反应、非绝热变温反应。 2．反应器的分类： a、按反应物料的相态分： 2．反应器的分类： b、按反应器的结构型式分类： b、按反应器的结构型式分类： 塔式反应器： 优点：可设置挡板或填充物，根据塔内结构的不同而具有不同的特点 缺点：造价较高 流化床反应器： 优点：传热好，温度均匀，易控制，床内物料混合均匀。 缺点：催化剂磨损大。 c、按操作方式分类 间歇反应器：在反应前先将反应物一次性放入反应器内，当反应达到规定转化率后即取出反应物。通常使用釜式反应器。 优点：能用一釜进行多品种的生产，操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小规模多品种的生产过程中。 缺点：需要较多的辅助时间(如进、出料、清洗、试压、升温等)，设备的利用率低，产品质量不易均匀。特别是在聚合物生产时会使聚合产物的聚合度及聚合度分布发生变化，影响产品性能。 c、按操作方式分类 连续反应器：反应物料连续加入反应器内并连续引出反应产物，属稳态过程。可采用釜式、管式和塔式反应器。 优点：生产能力高，易于实现自动化，适合大规模生产，在聚合反应中，采用连续反应器可使产物的聚合度及聚合度分布不随时间改变，从而保证了产品的质量。 半连续反应器：仅将反应物料或是反应产物连续的从反应器加入或取出。 优点：有利于反应条件的控制。 三种反应器物料浓度变化图 3.连续流动反应器内流体流动的两种理想形态 连续反应器按物料在其间的流动型态可分为：平推流反应器、理想混合流反应器、非理想流动反应器。 平推流反应器：当反应物在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一微元体积中的流体均以同样的速度向前移动。此时在流体的流动方向上不存在返混。 特点： （1）在稳态操作时，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化； （2）反应器内物料的浓度沿着流动方向而改变，故反应速率随空间位置而改变，即反应速率的变化只限于反应器的轴向。 理想混合流反应器： 由于反应器中强烈的搅拌作用，使刚进入反应器的物料微元与器内原有的物料微元间瞬间达到充分混合，使各点浓度相等且不随时间变化，出口流体组成与器内相等。反应器中返混最大。 第二节 均相反应动力学 等温恒容单一反应 复合反应 等温恒容单一反应动力学方程式 不可逆反应 定义： 二级不可逆反应 拟一级反应 2.可逆反应（恒温恒容） （1）一级可逆反应 积分得： 复合反应 平行反应 连串反应 平行-连串反应 平行反应 如何判断所研究的反应为平行反应？ 连串反应 初始条件： t=0时，CA=CA0,CR0=CS0=0 如何判断属于连串反应？ 在CA0一定时，由CA～t的实验数据，以lnCA对t作图，若得一直线，表示第一步反应为一级反应，其斜率为-k1 如何判断属于连串反应？ 改变CA0，测定中间产物R的最大浓度CRmax与CA0的变化关系。如果第一步是一级反应，且 不随CA0而变，则表明第二步反应也是一级反应。 根据的 关系式以及所求k1即可求出k2。 等温变容过程(省略) 小结（等温恒容）： 单一反应 复合反应 第三节 理想反应器的设计 反应器的三个基本条件： 提供反应物料进行反应所需要的容积，保证设备有一定的生产能力； 具有足够的传热面积，保证反应过程中热量的传递，使反应控制在最适宜的温度下进行； 保证参加反应的物料均匀混合。 物料衡算 热量衡算 动力学方程 间歇反应器 平推流反应器 理想混合反应器 间歇反应器（物料组成随反应时间不断改变） 对于聚合反应 平推流反应器（无返混，稳态） 例题： 在平推流反应器重，己二酸与己二醇以等摩尔比，在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以H2SO4为催化剂，由实验测得反应的动力学方程式为 式中rA为己二酸的反应速率。 若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80%，试计算反应器的容积。 解：每小时己二酸的摩尔进料量： 理想混合反应器（物料混合均一，组成不随时间改变，出口浓度等于反应器内流体浓度，连续搅拌釜式反应器） 理想混合反应器中的聚合反应 多级串联理想混合反应器 对第i级反应器中的A组分进行物料衡算： 代数法 当各釜的容积Vi相等时： 二级反应 图解法（非重点） 反应器小结 间歇反应器 某一级不可逆反应在均相、恒温、恒容的条件下于一个V