聚合反应工程基础第二章

图2-2 反应器操作方式和浓度变化 CA0，CBO为反应物起始浓度；CA，CB为反应物在某一时间的浓度，t为 反应时间
4）两种连续流动形态的理想反应器
平推流反应器：
当反应物在长径比很大的反应器中（如管式）流动时，反应器内每一 微元体积中的流体均一相同的速度向前移动，此时在流体的流动方向 不存在返混。 稳态操作时，反应器的各个截面上，物料浓度不随t而变； 物料浓度沿其流动方向即反应器的轴向有变化，故ri随空间位置而改变。 返混=0 停留时间=l/v
A和B的消失量是相等的，故：
C A 0 x A C B 0 xB
令： M CB 0
C A0 ( M 1)
rA
d C A 0 x AC A 0 dt
C A0
2 kC A0 1 x A M x A
dx A dt
CB 0C A M xA 1 1 kt ln ln C A0 M 1 M 1 x A C A0 CB 0 C A0CB
5）多级串联全混流反应器
（1）代数法
等温一级不可逆反应
rAi
C A1
A S
1
V1 C A0 C A1 C A0 C A1 v0 rA1 C A1

dC Ai kC Ai dt
C A0 1 1
C A2
C A0 C A1 1 2 1 1 1 2
rM
rA rB rL rM a b l m
1)反应速率
化学反应的速率方程式，通常可用幂函数的形式
1 dnA a a rA kC A1 CB2 V dt
阿伦尼乌斯关系式
k A0e
E RT
A0为常数，称为频率因子；E为活化能，J/mol； R为气体常数，R=8.31 J/（mol· K）
dFA d FA0 1 x A FA0 dx A
x A f dx V A 0 v0 C A0 rA
FA0 v0 C A0
x A f dx V A C A0 0 v0 rA
τ为停留时间，即反应时间
3）平推流反应器
恒容过程
C A C A0 1 x A
2）等温恒容单一反应
一级可逆反应
A R
k2源自文库k1
rA
dCA k1CA k2CR dt
若t=0，CR0=0，则CR=CA0-CA带入上式：
dC A k1C A k2 C A0 C A dt k1 k2 C A k2C A0 rA
k1C A0 k1 k2 t ln k1 k2 C A k2C A0
物料衡算 热量衡算 动量衡算 （压力差小，可忽略） 动力学方程
1)基本原理
物料衡算——质量守恒定律 流入量= 流出量 +反应消失量 +累积量
间歇式反应器：流入量=0，流出量=0； 稳态操作连续流动反应器：累积量=0； 非稳，连续，半连续：都不为零。
热量衡算——能量守恒定律 Q物料流入+Q反应过程的热效应 = Q物料流出 +Q反应系统与外界交换+Q累积
积分法
推测动力学方程，得到C~t的直线，实验数据拟合。 试差过程。
微分法
dC A kf C A （1）假定反应机理 dt rA
（2）将实验所得的C~t数据绘图，在所得曲线相应C位置求 曲线的斜率dCA/dt，该斜率就代表该组成下的反应速率 （3）将所得各点dCA/dt对f（CA）作图，若所得直线通过原点， 说明假定的机理与实验数据相符，是，求出待定系数k，α， β。否则需重新进行。 （4）lg（dCA/dt）~lg CA
对第i级反应器中的A组分进行物料衡算
v0C Ai 1 v0C Ai rAi Vi
Vi C Ai 1 C Ai C A0 xAi x Ai 1 i v0 rAi rAi
其中
C Ai 1 C A0 1 xAi 1
C Ai C A0 1 x Ai
dS 0 d x1 y y1 dx1 y y1 x1 dy1 0 dx1
dx1
dy1 y y1 dx1 x1
要满足该条件，则M点斜率=LN的斜率
5）多级串联全混流反应器
（3）优化多级全混釜的体积
③一级反应，等体积最好 n>1，小反应器宜在前；n<1，大反应器宜在前。 ④ 3个理想混合反应器 P点斜率=LM斜率，Q点斜率=MN斜率
dt
反应达平衡equilibrium时，k1=k2，dC A 0
k1C Ae k2CRe k2 C A0 C Ae C Ae k2C A 0 k1 k2
C A0 C Ae k1 k2 t ln C A C Ae
4）全混流反应器（理想混合反应器）
5）多级串联全混流反应器
6）反应器型式和操作方法的评比和选择
1)基本原理
几个概念： 反应时间 停留时间 停留时间分布 平均停留时间 返混 平推流 全混流
1)基本原理
反应器的三个基本要求：容积、传热、混 合 反应器设计的目的：满足反应器的要求 反应器设计需要联立：
C A f dC V A CA 0 v0 rA
V 1 FA0 C A0 C A0

CA f
CA0
dC A rA
（2）反应器体积 V=v0τ
图2-12 平推流反应器的图解计算。
4）全混流反应器
稳态下： 反应物A流入速度=反应物A流出速度+消失速度
v0C A0 v0C A rA V
2）等温恒容单一反应
二级可逆反应
A+B S+P
rA dC A k1C ACB k2CS CR dt
若t=0，CR0= CS0=0，CA0= CB0,上式积分得：
x Ae 2 x Ae 1 x A K kt ln mC A0 x Ae x A
VR v0 tT
反应器的实际体积
其中，φ为装料系数。
V VR

3）平推流反应器
（1）反应时间
对某一微元体积dV进行物料衡算：
流入速度=流出速度+消失速度 即 FA FA dFA rA dV
FA0 dxA rA dV
x A f dx V A 0 FA0 rA
dt
nA0
dxA dt
t C A0
0
C A dC dxA A CA0 r rA A
动力学方程式积分
2）间歇反应器
图解积分
图2-10恒容情况下间歇反应器的图解计算。
2）间歇反应器
（1）反应器容积
操作周期=反应时间+辅助时间
tT tR ta
有效容积=每小时处理物料的体积×操作周期
1 dni 恒容 dCi ri V dt dt
对于反应： aA bB lL mM 其各组分的反应速率分别为：
rA dC 1 dnA A V dt dt
rL
1 dnL dCL V dt dt
1 dnM dCM V dt dt
dC 1 dnB rB B V dt dt
第二章
1.引言
化学反应工程基础
2.均相反应动力学
3.理想反应器的设计
4.理想混合反应器的热稳定性
5.连续流动反应器的停留时间分布
6.流动模型 7.停留时间分布与化学反应
1. 引言 1)反应速率
2)反应器分类
3)反应器操作方式 4）两种连续流动形态的理想反应器
1)反应速率
定义：以反应体积为基准时（均相反应），单位时间，单 位反应体积中所生成（或消失）的某组分的摩尔数
C A C A0 1 xA C A0 xA C A0 C A
V 1 v0 C A0 C A C A0 C A C A0 x A v0 v0 rA rA rA
4）全混流反应器
图2-14 理想混合反应器的图解计算。
5）多级串联全混流反应器
3）复合反应
连串反应
A R S
rA dC A k1C A dt
k1
k2
rR
rS
dCR k1CA k2CR dt
dCS k 2 CR dt
若t=0，CR0= CS0=0，CA= CA0,上式积分得
3.理想反应器的设计
1)基本原理
2）间歇反应器
3）平推流反应器


各级反应器体积相等
图2-16 多级串联理想混合反应器的图解计算。
5）多级串联全混流反应器
各级反应器体积不等
各级反应器温度不等
5）多级串联全混流反应器
表2-12 不同型式反应器体积比
5）多级串联全混流反应器
（3）优化多级全混釜的体积
①两只不等容全混流反应器
1
V1 C A0 C A1 C A0 xA1 v0 rA1 rA1
作图 ln
CA ~t C A0
可得斜率为k1+k2的直线
CR CR 0 k1 CS CS 0 k 2
+
做CR~CS图，直线斜率为k1/k2
k1 k k t CR C A0 1 e 1 2 k1 k2
解得k1，k2
k2 k k t CS C A0 1 e 1 2 k1 k2
间歇：Q物料流入=0，Q物料流出=0； 稳态操作连续流动反应器： Q累积=0。
2）间歇反应器
（1）反应时间 对于微元时间dt内的物料衡算式： dnA 0 物料A的反应消失量 +累积量 =0 即 rAV dt
rAV dnA dt
xA
d nA0 1 xA
3）复合反应
平行反应
k1
A
k2
R S
dC rR R k1CA dt
k1 k2 t
dC rA A k1C A k2C A k1 k2 C A dt
ln CA k1 k2 t C A0
rS
dCS k2C A dt
C A C A0e
V2 C A1 C A 2 C A0 x A 2 x A1 2 v0 rA2 rA2
1 2
图2-19 不同大小二个理想混合反应器的组合。
5）多级串联全混流反应器
（3）优化多级全混釜的体积
②优化使反应器总体积最小必须有SKLMN最大
“最大矩形法”求最佳中间转化率XA：
2)反应器的分类
按物料的相态分： （1）均相---均相反应无相界面，反应速率只与T或浓度有 关； （2）非均相---非均相反应有相界面，实际反应速率与相 界面大小及相见扩散速率有关。
按反应器的结构型式分： 釜式、管式、塔式、固定床、流化床、回转筒式、喷嘴式 等
3)反应器操作方式
间歇，半间歇，连续式
理想混合流反应器：
加入反应器的物料微元在强烈搅拌作用下与器内原有的物料微元瞬 时达到充分混合，器内各点浓度相等且不随t变化，出口流体的组成 与器内相同;存在强烈的返混。 返混=无穷大 停留时间分布
2.均相反应动力学 1）动力学方程的建立
2）等温恒容单一反应
3）复合反应
1）动力学方程的建立
实验数据的获得：物料浓度的测定，C~t
C AN
1 1 1 2 1 N
C A0

C A0
1
i 1 i
N
当各釜的体积相等时， C AN
1
C A0
N
x AN 1
1
1
N
5）多级串联全混流反应器
（2）图解法
rAi CAi 1 CAi b ax
2）等温恒容单一反应
一级不可逆反应
A→S
dC A rA kC A dt
恒温系统，k为常数；初始条件，t=0，CA=CA0，对上式积 分：
1 C A0 1 1 t ln ln k C A k 1 xA
2）等温恒容单一反应
二级不可逆反应
A+B→S
dC A rA kC ACB dt