第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征

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1、第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征导读理想间歇反应器的理解⒈反应过程理想。工业中在反应器中的反应包括化学过程和物理过程，理想过程忽略物理过程。⒉反应器理想。反应器的性能和行为接近理想反应过程，即搅拌充分的间歇反应器。它物料浓度均匀，反应区内，物料温度均匀。典型化学反应的基本特征典型反应有四类：简单（包括自催化）、可逆、平行、串联，基本特征主要指温度效应、热效应和浓度效应。理想情况下，这个基本特征与工业反应联系起来，应用数学模型解决进料浓度、配比、方式，反应温度，最忧转化率等问题。3.1反应器设计基本方程3.1.1反应器设计基本内容1.反应器选型依据动力学

2、特征(化学)如（浓度、温、热），反应器的流动特征、传递特征（物理）如返混程度（返混又叫逆向混合，它指的是时间上的概念，即不同停留时间的流体粒子之间的混合。返混程度最大叫全混，即物料间不存在浓度差，也不存在温度差。），以满足反应过程的需要，使反应效果最佳。2.确定最佳工艺条件操作工艺条件，直接影响反应器反应结果，影响反应器的生产能力。确定的工艺条件还要满足反应器的性能要求。3.计算所需反应器体积根据操作条件，反应器类型，计算完成规定所需的反应体积，由此确定优化后的反映其结构和尺寸。3.1.2反映器设计基本方程反映器设计基本方程包括反应动力学方程、物料衡算方程、热量衡

3、算方程和动量衡算方程。其中反应动力学方程是化学反应器设计的基础。1.物料衡算方程式组分i流入量=组分i流出量+组分i反应消耗量+组分i累积量i：微元体积进行反应的微元组分2.热量衡算方程式对微元反应：带入的热焓=流出的热焓+反应热+热量的累积+传向环境的热量3.动量衡算方程式动量衡算即以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器压力变化。气相流动反应器压力变化大时，需要考虑压力对反应速率的影响，此时需要动量衡算。1物料衡算方程式、2热量衡算方程式两个方程式是描述反应器性能的最基本的方程式。3.2理想间歇反应器中的简单反应3.2.1理想间歇反应器的特征间歇反应器是一种低高

4、径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。搅拌式间歇反应釜理想间歇反应器的特点由于间歇反应器的特点是分批装料和卸料，所以，间歇反应器的优点是：操作灵活、适宜不同环境下的不同规格产品和不同品种的生产，特别适用于多品种而小批量的化学品生产；确定是装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间，产品质量不易稳定。理想间歇操作的特点⑴反应器内物料浓度达到尺度上的均匀，反应器内浓度处处相等，不考虑物质传递。⑵反应器内各处温度始终相等，不考虑热传递。⑶反应器内物料反应时间相同，所以间歇反应器反应结果

5、只由化学动力学所确定。3.2.2理想间歇反应器性能的数学描述物料衡算组分i流入量=组分i流出量+组分i反应消耗量+组分i累积量0=0+(-rA)V+dnA/dt(3-3)因故亦有（3-5）oo(3-4)反应体积t为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键。t0为辅助时间：装料、卸料、清洗所需要时间之和。经验给定。每批物料的操作时间：tT=t+t0反应器的体积f：装填系数、由经验确定，一般为1.2–2.5操作时间tT‵反应时间的计算nA=nA0(1-XA)对反应A+B→R，以A为关键组分，设开始时的量为nA0，则：-=A0AAdxndn

6、两边微分，得()=-A0AAdtdxnVr代入物料恒算式，得对t积分，得恒容条件下，可简化成：一级反应非一级反应反应时间相同区别t与cA0无关t与cA0有关达到一定转化率所需的反应时间与反应器大小无关，只取决于动力学因素温度越高，速率常数k越大，则达到相同转化率所需的反应时间t越短3.2.3理想反应器中简单反应A→P的反应时间积分结果反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1积分结果及反应特性分析由表中所列结果，可以得出以下几点结论：(1)对于任一级反应，当cA0、xA或cA确定后，kt即为定值：当k↗，t↘；当k↘，t↗。(2)当转化率xA确

7、定后，反应时间与初始浓度的关系和反应级数有关。0级反应：，成正比1级反应：，无关2级反应：，成反比利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数，例如确定xA，然后测定的关系，判别反应级数。0级反应：，直线下降1级反应：，较缓慢下降2级反应：，缓慢下降对于一级或二级不可逆反应，在反应后期cA的下降速率，即xA的上升速率相当缓慢，若追求过高的转化率或过低的残余浓度，则在反应后期要花费大量的反应时间。(3)残余浓度和反应时间的关系（转化率和反应时间的关系）与反应级数有关。1.当二级反应残余浓度很低时，1/CA0可忽略kt≈1/CA,既反应时间于初始浓度无关。2.为了克服和改

8、善高等级反