高等反应工程第二章.
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Chemical Reaction Engineering
• 均相反应器的特征是在反应器内任取一尺度 远小于反应器的微元 ( 但仍含有大量分子 ) , 在微元内不存在组成和温度的差异 , 即已达 到分子尺度的均匀。因此, 在均相反应器内 不存在微元尺度的质量传递和热量传递 , 而 只有由物料的宏观运动引起的传质和传热。 理想间歇反应器
- H V R c A0
mc pT0
Tad T0 UAR N mc p
N-传热准数 , 其物理意义是反应器 传热能力和反应物料比热容之比。
Chemical Reaction Engineering
二、 间歇反应器的计算的简化
• 分两种情况：
• 1、T恒定或为t的已知函数T(t) 。
U 为总传热系数
Tc 为冷却( 或加热)介质温度
• 相应初始条件为:
C A 0 C A0
T 0 T0
Chemical Reaction Engineering
☆令量纲为一（无因次化）： 浓度
反应时间
冷却介质温度
cA f c A0 t
温度
T T0
τ-总反应时间
Tc c T0
• 2、传热量恒定。
• 在这两种情况下，可对（2-1）、（2-2）进 一步简化，使实际问题的求解也相应简化。
Chemical Reaction Engineering
2.1.2 末期动力学和配料比的影响
• 由表2-1（p37）可见：对正级数反应 , 反应速率 将随反应物浓度的降低而减小, 即在反应前期, 反 应物浓度较大时反应速率大, 在反应后期, 反应物 浓度减小, 反应速率也将减小。 • 当要求反应级数越高, 转化率越高, 需要后期反应 速率减小得越多。 • 这说明当要求高转化率或低残余浓度时 , 大部分 反应时间将花费在反应末期。因此, 为使计算的 反应时间比较精确 , 重要的是保证末期动力学的 准确可靠。
2-7
2-8
• 初始条件为:
C A 0 C A0
T 0 T0
间歇反应器的计算需联立求解式( 2-1 )和 式( 2-ห้องสมุดไป่ตู้)或式(2-7 )和式( 2-8)
Chemical Reaction Engineering
Da1称为达姆科勒Damkö hler第一准数，其物理意义是 总反应时间和特征反应时间之比。数值大表示反应速 率快或反应时间长, 可达到较高的转化率。 Da 1 n 1 t r 1 / k 0 exp- c A β-绝热温升, 其物理意义是绝热温升Δ Tad与初始温度T0 之比，绝热温升Δ Tad 则为反应物全部反应所释放的热 量用以加热反应物系自身所达到的温升。
Chemical Reaction Engineering
的表 反 应 物间 残歇 余反 浓应 度器 和中 转不 化同 率级 计数 算反 式应
2.1
Chemical Reaction Engineering
例 2-1
p38
( 1) 对溶液( a) 和(b) 为使转化率达到30%、 50%、70%、90%、99%所需的反应时间各为多少?
Chemical Reaction Engineering
◎反应物料一次加入，产物一次取出
◎结构简单、加工方便，传质、传热效率高 ◎同一瞬时，反应器内各点温度、浓度分布均匀* ◎非稳态操作，反应过程中，温度、浓度、反应速度
随着反应时间而变
◎操作灵活性大，便于控制和改变反应条件
◎辅助时间占的比例大，劳动强度高，生产效率低.
理想均相 反应器
活塞流反应器 全混流反应器
Chemical Reaction Engineering
2.1 理想间歇反应器
Chemical Reaction Engineering
2.1.1 间歇反应器的物料衡算和能量衡算方程
• 当搅拌足够强烈，反应物料粘 度较小，反应速率不是太快时， 在任一瞬时反应器内各处物料 的组成和温度均为一致，即任 一处的组成和温度皆可作为整 个反应器状态的代表，此谓理 想间歇反应器。
第二章
理想均相反应器分析
Chemical Reaction Engineering
学习目标
• 1 、掌握理想与间歇反应器的基本方程，并能将方 程进行无因次化，明确认识无因次数群的物理意义。 • 2 、理解间歇反应末期动力学和配料比的工程实践 意义，能图解表达其最优时间，分析每条线和交点 的含义。 • 3、能够对分子数变化的反应进行活塞反应器设计； 应用最优反应温度法进行多段绝热固定床反应器设 计。 • 4 、理解全混流的热稳定性问题，区分稳态与动态 下反应器热稳定性的判别方法与两者的差异。
1 1 t ln k 1 - xA
计算略
一级反应
分析
t消耗成倍增长
☂当转化率由30%提高到90%时, 转化率每提高20% 所增加的反应时间越来越多。 ☂而转化率由90%提高到99% 所需的反应时间和转 化率从0 增加到90%所需的时间相等。
AB （- H）
• 其物料与能量衡算基本方程：
2-1
2-2 累积热 反应热 与外界交换热
Chemical Reaction Engineering
式中： cA 为反应物A 的浓度 xA 为A 的转化率 cA0 为其初浓度 m 为反应物料总质量 VR 为反应器容积 AR 为传热面积
cp 为反应物比定压热容
Chemical Reaction Engineering
Chemical Reaction Engineering
一、 间歇反应器的基本方程
• 间歇反应器的操作是非定态的，釜内物料的组成 和温度随反应进程而改变。用于描述反应进程的 模型必须包含浓度变化和温度变化。又由于两者 的偶合关系，这些方程必须联立求解。
活化能
E RT 0
量纲为一的主要目的是：减 少方程中参变量数，便于将 分析结果普遍化；每一个量 纲为一参数都是两个量的互 比值，具有明确的物理意义， 能更直接地根据其数值的大 小判断对过程的影响。
Chemical Reaction Engineering
• 当采用幂函数型动力学模型时 , 式 (2-1) 和式 (2-2) 经 推导可得到其量纲为一的间歇反应器的基本方程：
• 均相反应器的特征是在反应器内任取一尺度 远小于反应器的微元 ( 但仍含有大量分子 ) , 在微元内不存在组成和温度的差异 , 即已达 到分子尺度的均匀。因此, 在均相反应器内 不存在微元尺度的质量传递和热量传递 , 而 只有由物料的宏观运动引起的传质和传热。 理想间歇反应器
- H V R c A0
mc pT0
Tad T0 UAR N mc p
N-传热准数 , 其物理意义是反应器 传热能力和反应物料比热容之比。
Chemical Reaction Engineering
二、 间歇反应器的计算的简化
• 分两种情况：
• 1、T恒定或为t的已知函数T(t) 。
U 为总传热系数
Tc 为冷却( 或加热)介质温度
• 相应初始条件为:
C A 0 C A0
T 0 T0
Chemical Reaction Engineering
☆令量纲为一（无因次化）： 浓度
反应时间
冷却介质温度
cA f c A0 t
温度
T T0
τ-总反应时间
Tc c T0
• 2、传热量恒定。
• 在这两种情况下，可对（2-1）、（2-2）进 一步简化，使实际问题的求解也相应简化。
Chemical Reaction Engineering
2.1.2 末期动力学和配料比的影响
• 由表2-1（p37）可见：对正级数反应 , 反应速率 将随反应物浓度的降低而减小, 即在反应前期, 反 应物浓度较大时反应速率大, 在反应后期, 反应物 浓度减小, 反应速率也将减小。 • 当要求反应级数越高, 转化率越高, 需要后期反应 速率减小得越多。 • 这说明当要求高转化率或低残余浓度时 , 大部分 反应时间将花费在反应末期。因此, 为使计算的 反应时间比较精确 , 重要的是保证末期动力学的 准确可靠。
2-7
2-8
• 初始条件为:
C A 0 C A0
T 0 T0
间歇反应器的计算需联立求解式( 2-1 )和 式( 2-ห้องสมุดไป่ตู้)或式(2-7 )和式( 2-8)
Chemical Reaction Engineering
Da1称为达姆科勒Damkö hler第一准数，其物理意义是 总反应时间和特征反应时间之比。数值大表示反应速 率快或反应时间长, 可达到较高的转化率。 Da 1 n 1 t r 1 / k 0 exp- c A β-绝热温升, 其物理意义是绝热温升Δ Tad与初始温度T0 之比，绝热温升Δ Tad 则为反应物全部反应所释放的热 量用以加热反应物系自身所达到的温升。
Chemical Reaction Engineering
的表 反 应 物间 残歇 余反 浓应 度器 和中 转不 化同 率级 计数 算反 式应
2.1
Chemical Reaction Engineering
例 2-1
p38
( 1) 对溶液( a) 和(b) 为使转化率达到30%、 50%、70%、90%、99%所需的反应时间各为多少?
Chemical Reaction Engineering
◎反应物料一次加入，产物一次取出
◎结构简单、加工方便，传质、传热效率高 ◎同一瞬时，反应器内各点温度、浓度分布均匀* ◎非稳态操作，反应过程中，温度、浓度、反应速度
随着反应时间而变
◎操作灵活性大，便于控制和改变反应条件
◎辅助时间占的比例大，劳动强度高，生产效率低.
理想均相 反应器
活塞流反应器 全混流反应器
Chemical Reaction Engineering
2.1 理想间歇反应器
Chemical Reaction Engineering
2.1.1 间歇反应器的物料衡算和能量衡算方程
• 当搅拌足够强烈，反应物料粘 度较小，反应速率不是太快时， 在任一瞬时反应器内各处物料 的组成和温度均为一致，即任 一处的组成和温度皆可作为整 个反应器状态的代表，此谓理 想间歇反应器。
第二章
理想均相反应器分析
Chemical Reaction Engineering
学习目标
• 1 、掌握理想与间歇反应器的基本方程，并能将方 程进行无因次化，明确认识无因次数群的物理意义。 • 2 、理解间歇反应末期动力学和配料比的工程实践 意义，能图解表达其最优时间，分析每条线和交点 的含义。 • 3、能够对分子数变化的反应进行活塞反应器设计； 应用最优反应温度法进行多段绝热固定床反应器设 计。 • 4 、理解全混流的热稳定性问题，区分稳态与动态 下反应器热稳定性的判别方法与两者的差异。
1 1 t ln k 1 - xA
计算略
一级反应
分析
t消耗成倍增长
☂当转化率由30%提高到90%时, 转化率每提高20% 所增加的反应时间越来越多。 ☂而转化率由90%提高到99% 所需的反应时间和转 化率从0 增加到90%所需的时间相等。
AB （- H）
• 其物料与能量衡算基本方程：
2-1
2-2 累积热 反应热 与外界交换热
Chemical Reaction Engineering
式中： cA 为反应物A 的浓度 xA 为A 的转化率 cA0 为其初浓度 m 为反应物料总质量 VR 为反应器容积 AR 为传热面积
cp 为反应物比定压热容
Chemical Reaction Engineering
Chemical Reaction Engineering
一、 间歇反应器的基本方程
• 间歇反应器的操作是非定态的，釜内物料的组成 和温度随反应进程而改变。用于描述反应进程的 模型必须包含浓度变化和温度变化。又由于两者 的偶合关系，这些方程必须联立求解。
活化能
E RT 0
量纲为一的主要目的是：减 少方程中参变量数，便于将 分析结果普遍化；每一个量 纲为一参数都是两个量的互 比值，具有明确的物理意义， 能更直接地根据其数值的大 小判断对过程的影响。
Chemical Reaction Engineering
• 当采用幂函数型动力学模型时 , 式 (2-1) 和式 (2-2) 经 推导可得到其量纲为一的间歇反应器的基本方程：