反应工程第八,九章

（1）真假稳定操作点 ）
CSTR定常态 定常态的条件：物料平衡，热量平衡， q G = q r 物料平衡，热量平衡， 定常态 物料平衡 在 QG ~ T 图上是曲线与直线的交点，交点可能不止一个。
QG c (Qr) b a T
i）.真假稳定点
Q 当 ∆T > 0 时， G > Qr ， 故热量积累，体系升温，∆T 变大。 当 ∆T < 0 时， Qr > QG ，
第八章
气液相反应过程 与反应器
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
气液反应器是工业中广泛使用的一类反应装置： 通过气液反应以制取所需的产品。如烃类氧化 制氯代烃。 通过气液反应净化气体，除去气体中不希望存 在的组分，这样的过程也叫化学吸收。如氢氧 化钠吸收CO2等. 某些气相复合反应，如果目的产物的收率不高， 通过改成气液反应过程使目的产物容易溶解到 液相中，提高其收率。
9.1.1 全混流反应器的热稳定性
扰动——定常态的CSTR 操作参数总会有波动， 扰动 偏离定常态的参数变化称“扰动”，如浓度，组成， 流量 ，湿度等。 在外部扰动下，定态过程会出现： 1、外部干扰使反应器偏离定态，扰动消除后会较 快恢复————定态是稳定的，称之“热稳定性” 2、外部干扰使反应器偏离定态，扰动消除后不能 回复至原有状态————定态是不稳定的。
−E RT −E RT
(−∆Hr )
T A 左 ： 热 率 qr =V ρcp(T－ 0 ) +U h (T −T ) 侧 移 速 ： 0 C 右 ： 热 率 qg = 侧 产 速 ： V cA0k0e R
−E RT
1+k0τe
全混流釜式反应器的热稳定性
由于正常的工 艺条件失调， 导致的反应速 率加快，放热 量增多，蒸汽 压力过大或反 应物料发生分 解、燃烧而引 起的反应失控 性火灾大致占 20%。
化工及相关行业中爆炸主要原因统计图
9.1.1全混流反应器的热量衡算 9.1.1全混流反应器的热量衡算
单位时间 单位时间 单位时间内 单位时间内反 应的放热量 + 内反应流体 －内反应流体 - 通过换热面 ＝0 带入的热量 带出的热量 传出的热量
即
V0 ρC P (T − T0 ) + VR (−rA )(−∆H r ) = UA(T − TC )
一级不可逆反应： 一级不可逆反应： −E RT −r = kc = kc 0(1− xA) = k0e cA0(1− xA) A A A
V cA0xA 当 A1 = 0 τ = R = x ， −r V A 0 得 ：R= 出 V V xA 0 k0e
8.2气液反应动力学 8.2气液反应动力学
极慢反应 传递速率远比反应 速率快得多 液相中溶解的A接 近其饱和溶解度 化学反应在液相主 体中进行，反应速率 代表了A的传递速率。
8.2气液反应动力学 8.2气液反应动力学
慢反应 反应在液相主体 pA 中进行，但速率较 传递速率为大； 液膜中的反应可 以忽略（即-rA视 为0）； 与物理吸收相同。
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
基本理论：双膜理论 气体的化学吸收与物理吸收的差别： 气体的化学吸收与物理吸收的差别： 在液相主体和液膜中存在化学反应，反应速 率的快慢直接影响了吸收的速率。 反应历程亦为连串过程，反应速率决定了控 制步骤的所在。
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
瞬时反应过程
瞬时反应过程均存在 反应面，反应面的位置 取决于AB的浓度和扩散 速率。 反应面向相界面移动， 刚好接触时的cBL即为cBL 临。 液相主体和液膜内没 有A。
pA pAi
cBL cBL临 cBL
cAi δG δL
8.3气液反应器 8.3气液反应器
第九章
反应器的热稳定性和 参数灵敏性
全混流釜式反应器的热稳定性
8.2气液反应动力学 8.2气液反应动力学
若将双膜理论应用于气—液相反应过程， 若将双膜理论应用于气 液相反应过程， 液相反应过程 根据 扩散 与 反应速率 的相对大小的 不同，可以把反应分成五类， 不同，可以把反应分成五类，即 极慢反应过程； 极慢反应过程； 慢速反应过程； 慢速反应过程； 中速反应过程； 中速反应过程； 快反应； 快反应； 瞬间反应。 瞬间反应。
b点：
∆ 热量损失，体系降温， T 更负。
可见b点稍有温度扰动， 可见b点稍有温度扰动，体系温度全部向 扰动的方向进一步发展， 点是假稳定点。 扰动的方向进一步发展，b点是假稳定点。
（1）真假稳定操作点 ） c点： 点
QG c (Qr) a T b
当 ∆T > 0 时，Qr > QG ， 热量减少，体系降温，∆T 变小； ， ∆ 热量积累，体系升温， T 更正。 当 ∆T < 0 时，QG > Qr
qr—T是一条直线 T
q G = V (−rA )(−∆H r )
qG—T是一条曲线 T 定态为q T 定态为qr—T与qG—T的交点 T
9.1.1 全混流反应器的热稳定性 只有两条曲线的交点才满足方程。（即左 侧右侧相等） 两条曲线交于N、P、M三点： M点：产热速率和移热速率都低 P点：产热速率和移热速率中等 N点：产热速率和移热速率都高 稳定性问题：体系受到扰动后自行恢复的 能力。
cB pAi cAi cA δG δL
8.2气液反应动力学 8.2气液反应动力学
中速反应
pA
dl
反应在液相主 体与液膜中同时 进行。
cB pAi cAi cA δG δL
8.2气液反应动力学 8.2气液反应动力学
快速反应 反应仅发生在液 膜区，组份在液膜 区已全部反应掉； 在液相主体区没 有A，因此液相主 体中没有反应； cBi不一定为0
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
A（气相） + Bb（液） → 产物（液相） （气相） 产物（液相） （
气液相反应的宏观反应历程为： 气液相反应的宏观反应历程为： 1、气相中的反应组分由气相主体透过液膜扩 散到气液界面； 2、反应组分进入液相后通过液膜扩散到液相 主体； 3、液相中反应组分之间进行反应生成产物； 4、产物由液相主体透过液膜扩散到气液界面； 5、产物由气液界面透过气膜扩散到气相主体。
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
扩散物A在液膜中 的化学反应，使液膜 较物理过程的液膜变 ' 薄，由 δL变为 δL 。 注意液膜是流体力 学特性，而变薄的液 膜就不单纯是流体力 学的概念了。
δ'L pA pAi cAi cA δG δL
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
−E RT
(−∆Hr )
1+k0τe
−E RT
9.1.1 全混流反应器的热稳定性
当反应放热速率与移去热量速率相等时， 当反应放热速率与移去热量速率相等时，系统达 到定常状态（定态）。 到定常状态（定态）。 q =q
r G
q r = V0 ρ CP (T − T0 ) + UAh (T − Tc )
−E RT
(1−xA)
9.1.1 全混流反应器的热量衡算方程
V R 代 热 衡 式 整 得 ： x 将A = 入 量 算 ， 理 到 −E V RT 0 1+k0e k0e V ρcp (T－ 0 ) +U (T −T ) = T A 0 C V cA0k0e R
则：
ห้องสมุดไป่ตู้
dnA − = kGAS( pA − pAi ) dt pAi = HAcAi dnA − = k'LA S(cAi −cAL) dt δL D D δL LA LA = = kLA k'LA = δ'L δL δ'L δ'L
δL = β :化 增 因 学 强 子 δ'L
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
引子
1、化工生产过程的特点？ 、化工生产过程的特点？ ☺ 使用原料、中间品、产品多为易燃易爆有毒有害物质； ☺ 生产规模大型化、关联性强； ☺ 生产过程复杂、条件苛刻； ☺ 生产过程自动化程度高； 化工生产潜在危险 • 如何对反应过程进行安全设计和有效控制？？？ • （在发生流量、进口温度、冷却介质温度等参数的 扰动下）
pA dnA − = kGA( pA −HAcAL)S = k'LA ( −cAL)S HA dt pA = kLAβ( −cAL)S HA 1 1 HA = + KGA kGA βkLA 1 1 1 = + KLA HAkGA βkLA
KGA — 气 表 的 括 质 数 以 相 示 总 传 系 KLA —— 液 表 的 括 质 数 以 相 示 总 传 系 与 理 收 程 比 仅 差 个 学 强 子 物 吸 过 相 ， 相 一 化 增 因
pA pAi cBL cAi
δG
δL
8.2气液反应动力学 8.2气液反应动力学
瞬时反应过程 ☺ A与B之间的反应进 行得极快，以致于 A与B不能在液相中 共存。 ☺ 在液膜区存在一个 反应面，此面上AB 的浓度均为0。
反应面 δR cBL pAi cAi pA
δG
δL
8.2气液反应动力学 8.2气液反应动力学
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
因此可以写成：
dnA pA − = KGA( pA −HAcAL)S = KLA( −cAL)S dt HA 1 1 HA = + KGA kGA kLA 1 1 1 = + KLA HAkGA kLA KGA和 LA分 是 气 和 相 示 K 别 以 相 液 表 的 总 传 系 。 括 质 数
在c点处若遇温度扰动，体系会自 点处若遇温度扰动， 动恢复到定常态， 点是真稳定点。 动恢复到定常态，c点是真稳定点。
（1）真假稳定操作点 ） a点： 点
QG c (Qr) a T b
受温度扰动后与C点变 化趋势相似，所以也是真 稳定点，但a的QG太小 说明CSTR的XA太小，故 为熄火状态。 实际的操作状态为c点 实际的操作状态为 点， a，b两点不适合。 ， 两点不适合。 两点不适合
物理吸收过程采用双 膜理论模型 气液两相间存在着稳 定的相界面 界面两侧分别存在滞 留膜，组份通过在滞留 膜中稳定的分子扩散进 行传质 传质阻力完全存在于 滞留膜中。
8.1.1气液反应的步骤 8.1.1气液反应的步骤
根据双膜理论的物理模型，可以写出：
dnA D A − = G ( pA − pAi )S = kGA( pA − pAi )S dt δG dnA D − = LA (cAi −cAL)S = kLA(cAi −cAL)S dt δL 根 亨 定 ， 据 利 律 pAi = HAcAi —相 面 达 平 界 处 到 衡 由 上 式 以 得 以 两 可 推 ： pA dnA 1 1 ( pA −HAcAL)S = 1 − = H −cAL S 1 HA 1 A dt + + kGA kLA HAkGA kLA D A G = kGA δ G D LA δ = kLA L
9.1.1 全混流反应器的热稳定性
移 速 ： r =V ρcp(T－ 0 ) +U h (T −T ) 热 率 q T A 0 C 产 速 ：g = 热 率 q V cA0k0e R
−E RT
CSTR： ：
(−∆Hr )
1+k0τe
−E RT
CSTR稳定操作的必要条件： CSTR稳定操作的必要条件： 稳定操作的必要条件 Qr = QG
dQr dQG > dT dT
例 题
在全混流反应器中进行一强放热反应， 在全混流反应器中进行一强放热反应，研究其 强放热反应 热稳定性时得下图， 图中Q 热稳定性时得下图， 图中QG线代表反应放出 的热量速率，直线Q 的热量速率，直线Qr代表散失或移去热量的速 假定操作过程为绝热过程： 率。假定操作过程为绝热过程： 指出真、 ⑴指出真、假稳定操作点 及相应的操作温度； 及相应的操作温度； ⑵说明目前的进料温度。 说明目前的进料温度。