華東理工大學化學反應工程階段輔導第1頁/共74頁工業反應過程的優化研究對象—工業反應過程、工業反應器研究目的—優化優化—在一定范圍內（約束條件）選擇一組合適的變量，使系統對評價標準（優化指標）達到最優。緒論第2頁/共74頁技術指標選擇性—原料消耗，成本能耗—操作費用反應速率—反應器大小,設備投資設計型優化類型操作型第3頁/共74頁轉化率xA轉化率x恒容時某一反應物轉化的百分率——總轉化率x第4頁/共74頁

選擇性

Selectivity選擇性β（S）aAsS（副產物）pP（主產物）一般地瞬時選擇性第5頁/共74頁

收率

Yield收率單耗＝１/收率molＰ／molＡkgＰ/kgＡ第6頁/共74頁第7頁/共74頁決策變量操作方式—連續性、加料方式工藝條件—T、C、t、Sv、ug等結構變量—結構、型式、尺寸第8頁/共74頁化學反應工程的研究內容：反應→動力學反應+流體流動→返混反應+傳質→效率因子反應+傳熱→熱穩定性、靈敏度第9頁/共74頁化學反應工程在過程開發中的作用反應器的工程放大過程開發要解決三個問題反應器選型優惠工藝條件過程開發方法逐級經驗放大方法數學模型方法第10頁/共74頁化學反應速率的工程表示反應量：molkmol反應場所（反應區）：VR，VCAT.，kgCAT

，m2表面等

（-rA)：kmol/（m3.h），kmol/（kg.h），等等 “-”消失速率-rA “+”生成速率rp化學反應動力學第11頁/共74頁對于多組分反應第12頁/共74頁一般C、T影響是相互獨立的（經驗）

—反應速率的溫度效應

—反應速率的濃度效應反應動力學表達式反應速率與溫度、濃度的關系—動力學方程例如反應動力學反應速率常數（溫度項）包含反應級數的濃度項第13頁/共74頁k的因次與n有關：n=1,k=[時間]-1溫度項式中 k——反應速率常數

k0——頻率因子

T——溫度K E——反應活化能J/mol，cal/mol R——氣體普適常數—阿累尼烏斯(Arrhenius)公式影響化學反應速率的溫度效應第14頁/共74頁⑴E的本質—反應速率對溫度變化的敏感程度理論思維：E的工程意義—反應速率對溫度變化的敏感程度T不變…E越大，ΔT小E不變…T越大，ΔT大速率常數提高一倍所需提高的溫度直觀理解：第15頁/共74頁⑵與反應熱ΔH的關系⑶活化能的數量級

40~200kJ/mol如果E<40kJ/mol，或<10kcal/mol，可能有傳質影響擴散系數擴散活化能ED=（1~3）kcal/mol第16頁/共74頁活化能的計算A.理論上已知兩點溫度下反應速率，可估算EB.圖解法——根據斜率求Elnk1/TC.線性回歸——最小二乘法求E第17頁/共74頁第18頁/共74頁影響化學反應速率的濃度效應反應速率的濃度效應表達形式：⑴冪函數型 ⑵雙曲線型 ⑶經驗型常用氣固相催化反應冪函數型優點：適應性強，數據整理、運算方便 是最常用的濃度效應的函數形式第19頁/共74頁對反應⑴反應級數（動力學）不同于反應分子數（化學計量學）基元反應兩者等同反應級數由實驗測定，通常0、1、2級，或非整數級總級數通常反應速率對濃度變化的敏感程度⑵反應級數工程意義放大n倍級數越大，敏感第20頁/共74頁理想化學反應器定義：—排除工程因素影響的反應器

—反應結果由動力學決定分類：*間歇攪拌釜式反應器（BR） *管式流動反應器（PFR）理想間歇反應器與典型化學反應的基本特征第21頁/共74頁反應類型簡單反應A→P可逆反應串聯反應：A→P→SPS平行反應A第22頁/共74頁理想間歇反應器計算解法：⑴解析解，定量計算 ⑵圖解法，定性判斷恒容時；第23頁/共74頁n級不可逆反應第24頁/共74頁

圖解法恒容時；第25頁/共74頁第26頁/共74頁第27頁/共74頁自催化反應

自催化反應指的是反應產物本身具有催化作用，能加速反應的進行。工業生產上的發酵過程是一類典型的自催化反應過程。

特征：⑴反應存在啟動過程—產物的催化作用 ⑵存在最大速率小∵初期CA大，CP小大∵中期CA≈CP小∵后期CA小，CP大第28頁/共74頁計算：解析解圖解法第29頁/共74頁第30頁/共74頁自測題第31頁/共74頁特征：平衡一級可逆反應分析一級假定理想間歇反應器中的可逆反應第32頁/共74頁平衡狀態當ΔHr〉0，可逆吸熱，當ΔHr〈0，可逆放熱，TΔHr〉0ΔHr〈0第33頁/共74頁工業過程受平衡的限制（熱力學）改變平衡狀態的措施： ①改變K—吸熱，受材質限制；

—放熱，受動力學限制。 ②改變體系濃度——反應、分離組合APAP第34頁/共74頁可逆反應速率表達式積分式：t（k1+k2）第35頁/共74頁濃度效應與溫度效應濃度效應：T不變，K不變，溫度效應：T↑可逆吸熱，可逆放熱，動力學因素熱力學因素需要對吸熱、放熱兩種情況分別討論第36頁/共74頁SO2氧化反應

—典型的可逆放熱反應T低時，動力學因素占主導地位T高時，熱力學因素占主導地位必然存在最優溫度第37頁/共74頁第38頁/共74頁第39頁/共74頁第40頁/共74頁第41頁/共74頁第42頁/共74頁理想間歇反應器中的平行反應k1

k2APS類型：k1

k2A+BPS第43頁/共74頁平行反應CA、CP、CS設t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等當n1=n2時，當n1=n2=1時，有：第44頁/共74頁瞬時選擇性或：—存在溫度效應與濃度效應...平均選擇性第45頁/共74頁

與的關系圖解法：CafCA0CA平均選擇性—對反應前后的計算=第46頁/共74頁平行反應選擇性的溫度效應不變理論分析E的本質—反應速率對溫度變化的敏感程度結論：溫度升高有利于活化能高的反應。第47頁/共74頁平行反應選擇性的濃度效應理論分析n的本質—表達了反應速率對濃度變化的敏感程度。等溫下與無關結論：濃度升高有利于級數高的反應。第48頁/共74頁第49頁/共74頁第50頁/共74頁第51頁/共74頁第52頁/共74頁理想間歇反應器中的串連反應設各步反應均為一級對A：設t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等第53頁/共74頁

（與平行反應相同）

存在最優，對應最大（與平行反應不同）特征：第54頁/共74頁串連反應的選擇性和收率濃度效應：任何使串連反應的反應物濃度下降、產物 濃度上升的因素，對串連反應總是不利的β的特征：⑴反應初期，β最大=1 ⑵t↑→CA↓CP↑→β↓βt1第55頁/共74頁溫度效應結論：溫度升高有利于活化能高的反應。T第56頁/共74頁最優轉化率最優收率（均為k1，k2的函數）最優反應時間令第57頁/共74頁最優反應時間解：最大收率最優轉化率第58頁/共74頁平推流活塞流反應器理想管式反應器第59頁/共74頁平推流反應器（PFR）流入量＝流出量＋反應量＋累積量對微元作物料衡算：空時（與間歇反應器的反應時間關系式相同）（如果不計輔助時間，則反應器體積完全一樣）v0—進料的體積流量第60頁/共74頁PFR基本方程：適用等溫、變溫、等容、變容等積分式恒容第61頁/共74頁自催化反應、可逆反應、平行反應、串聯反應等溫下簡單不可逆反應的計算關系第62頁/共74頁積分式：可逆反應自催化反應積分式：第63頁/共74頁串聯反應積分式：平行反應k1

k2APS積分式：按反應動力學積分第64頁/共74頁空速與空時v0—在規定條件下，單位時間內進入反應器的物料體積單位——m3/hr,l/min…規定條件——標準狀態，進口狀態第65頁/共74頁膨脹因子—每消耗1molA時，系統總mol數的變化對A：對P：>0增大

<0減小=0不變

膨脹因子氣相反應第66頁/共74頁

膨脹率—假定物料體積與轉化率的變化為線性關系含義：例：A→3Pa.純原料，則

b.原料中含50%A和50