化学反应工程原理 简单反应
直觉思维
n的本质—表达了反应速率对浓度变化的敏感程度。
Chemical Reaction Engineering
结论: n2
n1 n2
CA
Chemical Reaction Engineering 提高β的工程措施:(目标:
)
⑴ n1>n2时,CA↑有利→CA0↑或 XA↓( CAf↑)
二、平行反应选择性的温度效应
1 k2 n 1 C A2 n1 k1
1 k 20 E1 E 2 RT n 1 e C A2 n1 k10
理论分析
E1 E 2 E1 E 2 0 T
k2 k1
E1 E 2 E1 E 2 0 T 不变 k2 E1 E 2 E1 E 2 0 T k1
Chemical Reaction Engineering
aA pP
转化率 x
Conversion
表明反应 的深度
nA0 nA xA nA0
=
(n p n p 0 ) / p (nA0 nA ) / a
选择性 (S )
Selectivity
表明反应 的方向
收率 (Y )
= Ca f CA 0 CA
Chemical Reaction Engineering •收率 C Pf C A0 •单耗 C A 0 C Pf •单程收率 x A •总收率 (循环系统
A
C A0
R
D P
x A=1)
Chemical Reaction Engineering
Yield
反映原料 利用率的 综合指标
=
(n p n p 0 ) / p nA0 / a
Chemical Reaction Engineering 在间歇反应器中进行如下反应:
A+B A+C P+S R+M
已知(-rP)=k1cAcB (-rR)=k2cAcC k1 = 1.5*10-3L/mol.min k2 = 1.8*10-3L/mol.min 初始浓度:A: 1.3 B: 2.2 C: 2 P、S、R、M:0
k1 k2
β
β的特征:⑴反应初期,β最大=1 ⑵ t↑→CA↓CP↑→β↓
1 t
浓度效应:任何使串连反应的反应物浓度下降、产物 浓度上升的因素,对串连反应总是不利的
Chemical Reaction Engineering 温度效应
1
k 20 k10
e
( E1 E 2 )
RT
CP CA
• C S C A 0 C A C P (与平行反应相同)
• 存在最优
t opt ,对应最大 C P , max (与平行反应不同)
Chemical Reaction Engineering 二、串连反应的选择性和收率
A P S rP k1C A k 2 C P k 2C P 1 ( rA ) k1C A k1C A
Chemical Reaction Engineering 3-4 理想间歇反应器中的平行反应 (Reactions in Parallel) 一、平行反应的特征
k1
类型: A
k2
P S
k1
A+B
k2
P S
n ( rA )1 k1C A1 rP
( rA ) 2 k 2C rS
Pdx
解析解:
ye
Pdx dx C ) ( Qe
对P:
dC P dt
k 2 C P k1C A 0 e k1t
Q k1C A 0 e k1t
令: P k 2
CP
k1 k 2- k1
C A 0 ( e k1t e k 2 t )
Chemical Reaction Engineering 特征 :
k1 HCl + CH 3(CH2) 6CH 2OH k2 HCl + CH 3(CH2) 10 CH 2 OH CH 3(CH2) 10 CH 2 Cl + H 2O CH 3(CH2) 6CH 2 Cl + H 2 O
为一平行反应,辛醇(A)和十二醇(B)的反应速率为 (-rA)=k1cAcC (-rB)=k2cBcC 式中cA、cC和cB 分别表示辛醇、十二醇和盐酸的浓度。反 应在 等温条件下进行,反应速率常数为 k1 = 1.6*10-3L/mol.min k2 = 1.92*10-3L/mol.min 若初始浓度分别为 CA0=2.2 M CB0=2.2 M CP0=2.2 M,试计算当辛基氯收率为34%(以盐酸计),盐 酸转化率和十二基氯的收率
三、平行反应选择性的浓度效应 1 等温下 k2 n 1 C A2 n1 k1 理论分析
n1 n2 n2 n1 0 C A n1 n2 n2 n1 0 C A
n1 n2 n2 n1 0 与 C A 无关
dC P dt
k1C
n A
dC S dt
k 2C
n A
CP CS
k1 k2
当 n1=n2 =1时,有: k1 k 2 t ln
C A0 CA
ln
1 1 xA
Chemical Reaction Engineering •瞬时选择性
( rA )1 ( rA )
n2 A
( rA ) rP rS k1C k 2C
n1 A
n2 A
Chemical Reaction Engineering 平行反应CA、CP、CS 设 t=0,CA = CA0,CP0=CS0=0
则 t=t, CA +CP+CS=CA0 恒等
当 n1=n2 时, dC A n ( rA ) ( k1 k 2 )C A dt
Chemical Reaction Engineering
与 的关系
rP ( rA ) dC P dC A
C Pf
C Af
C A0
dC A
图解法:
C Af
C A0
dC A
C A 0 C Af
C Af
C A0
dC A
k1t
( rA ) k1C A
rP k1C A k 2C P
rS k 2 C P
k1t
dC P dt
k 2 C P k1C A 0 e
一阶常微分方程——解法?
Chemical Reaction Engineering 一阶常微分方程
dy dx
Py Q (P,Q为 x 的函数)
A2 + 2 B k1 A2 A + B k2' k1' k2 P 2 P 2 A
如果第一步为可逆反应,且相对于第二步反应较慢, 试推导反应物A2的净消失速率方程
Chemical Reaction Engineering 在等温间歇反应器中进行液相反应,
k1 A P k3 k2 R
反应速率方程为 -dcA/dt=k1cA dcR/dt=k2cP-k3cR 在某反应温度下,k1=0.18h-1, k2=0.06h-1, k3=0.04h-1,试计算P的最大收率。
k1 k2
若 E1 E 2 T
低温有利。
但 T ( rA ) V 反应器体积大,费用上升
实际措施:
反应初期—高温 反应后期—低温 先高后低的温度序列
Chemical Reaction Engineering 收率
C Pf C A0
k1 k 2- k1
( e k1t e k 2 t )
E1 E 2 E1 E 2 0 T E1 E 2 E1 E 2 0 T
E1 E 2
结论:温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E 2
T
Chemical Reaction Engineering 工业操作:
A P S
试计算:当P的收率为0.3(以A计),反应组分A的转化率和产物R的收率
Chemical Reaction Engineering 3-5 理想间歇反应器中的串连反应 (Reactions in Series) 一、串连反应的特征
A k1 P k 2 S
设各步反应均为一级 对A: C A C A 0 e 对P:
直觉思维 E的本质—反应速率对温度变化的敏感程度
Chemical Reaction Engineering 结论:温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E 2
E1 E 2
E1 E 2
工程措施:
T
E1>E2高温下反应,受材质约束 E1<E2低温下反应,在速率与β之间,满足β
Chemical Reaction Engineering
k2
令
d dt
0
最优反应时间
t opt
ln
k1
k 2 k1
k1
最优收率
最优转化率
max (
k1 k2
k2
)
k 2- k1
x A ,opt 1 (
k1 k2
)
k 2 k1
(均为 k1,k2的函数)
Chemical Reaction Engineering 反应按以下机理进行