可逆反应和平行反应的优化
精馏分离技术研究新进展
精馏分离技术研究新进展摘要: 本文在参考大量文献的基础上, 着重介绍了各种精馏方法以及国内外发展状况, 对萃取精馏和恒沸精馏方法进行比较, 并对催化精馏技术的国内外研究进展做了详细介绍。
关键词: 分离技术; 精馏方法; 反应精馏1 精馏概述精馏过程的热力学基础是组分间的挥发度的差异(a>1) 。
按操作过程分间歇精馏和连续精馏; 按操作方式分: 常减压精馏、恒沸精馏、萃取精馏、反应精馏、催化精馏、抽提精馏、热泵精馏和精密精馏。
常减压精馏是普通的精馏方法, 恒沸精馏和萃取精馏的基本原理都是在分离的混合液中加入第3 组分, 以提高组分间的相对挥发度, 从而用精馏的方法将它们分离。
恒沸精馏和萃取精馏是根据第3 组分所起的作用进行划分的。
恒沸精馏和萃取精馏是采用物理方法改变原有组分的相对挥发度。
近年来人们逐渐重视对于将化学反应和精馏过程结合起来的研究。
这种伴有化学反应的精馏过程称为反应精馏。
按照反应中是否使用催化剂可将反应精馏分为催化反应精馏过程和无催化剂的反应精馏过程, 催化反应精馏过程按所用催化剂的相态又可分为均相催化反应精馏和非均相催化精馏过程, 非均相催化精馏过程即为通常所讲的催化精馏( catalyt ic disillation)。
这种非均相催化精馏过程能避免均相反应精馏中存在的催化剂回收困难以及随之带来的腐蚀、污染等一系列问题。
2 精馏方法2.1 恒沸精馏在被分离的二元混合液中加入第3 组分, 该组分能与原溶液中的1 个或者2 个组分形成最低恒沸物, 从而形成了/ 恒沸物- 纯组分0的精馏体系, 恒沸物从塔顶蒸出, 纯组分从塔底排出, 其中所添加的第3 组分称为恒沸剂或夹带剂。
决定恒沸精馏可行性和经济性的关键是恒沸剂的选择, 对恒沸剂的要求:①与被分离组分之一( 或之二) 形成最低恒沸物, 其沸点与另一从塔底排出的组分要有足够大的差别, 一般要求大于10℃，②希望能与料液中含量较少的那个组分形成恒沸物, 而且夹带组分的量要尽可能高, 这样夹带剂用量较少,能耗较低。
第7讲 可逆反应特性与反应器选型
• 式中 (Δ nA)P、(Δ nP)为生成目的产物P 消耗的A量和生成目的产物P的量。
• 收率y
在系统中生成目的产物消耗的A的量 nA P y 加入系统中A物质的量 nA 0 a1 nP p nA 0
xA r1 r2 r3 r4 r1<r2<r3<r4 B T C D -r =0 A
最佳反应温度与平衡温度之间的关系
dk1 dk2 ( rA ) f ( x ) g ( xA ) 0 A T dT dT xA dk1 E dk E 1 2 k1 , 2 2 2 k2 dT RT dT RT E1 E2 ( rA ) k f ( x ) k g ( xA ) 0 A 2 1 2 2 RT T xA RT E1k10 e E2 k20 e
2
k1 a1A b1B pP
rA 2 k c c
a2 b2 2 A B
• 转化率
在系统中A物质反应掉的量 nA 0 nA xA 加入系统中A物质的量 nA 0
SP
• 式中 nA0、nA为进入系统和离开系统A物 质的摩尔数。 • 平均选择性 S P a1 nP 在系统中生成目的产物消耗的A的量 nA P p
cA 0 cA 5 4.5 VR V0 25.7 2 rA 1 0.5 1.5 0.5
• (2)平推流反应器
CA 0 1 SP S P dcA cA 0 cA CA
cP S P cA 0 cA
cP
cA 0 cA
S P dcA
cP S P cA 0 cA
反应工程期末考试试题
反应工程期末考试试题 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】化学反应过程简答填空名词解释1.任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料预处理，化学反应过程和产物的后处理三个组成部分，而化学反应过程是整个化工生产的核心。
2.工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：1，由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；2，由化学反应的热效应产生的传热过程；3，多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。
3.化学反应和反应器的分类：1.按反应系统设计的相态分类分为：均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应；非均相反应，包括气-固相、气-液相、液-固相、气-液-固相反应。
2.按操作方式分类分为：间歇操作，连续操作和半连续操作。
3.按反应器型式来分类分为：管式反应器，槽式反应器和塔式反应器。
4.按传热条件分为：等温反应器，绝热反应器和非等温绝热反应器。
化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。
4.反应速率：单位反应体系内反应程度随时间的变化率。
5.反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式。
6.半衰期：反应转化率从0变成50%所需时间称为该反应的半衰期。
7.建立动力学方程的方法有：积分法、微分法、最小方差分析法。
8.反应器开发的三个任务：根据化学反应动力学特性来选择合适的反应器型式；结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操作条件；根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行评价。
9.反应器设计计算所涉及的基础方程式就是动力学方程式、物料衡算方程式和热量衡算方程式。
10.停留时间分布：在反应器中，由于流动状况不同，物料微元体在反应器中的停留时间可能是各不相同的，存在一个分布，称为停留时间分布11.平均停留时间：各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间称为平均停留时间。
12.充分混合：指反应器内的物料在机械搅拌的作用下参数各处均一。
化工单元操作反应器设计与优化项目二-任务一
r i f (c, T )
恒温条件下， r i kf (cA, c , ) B ...............
恒温条件下， r i f＇(T ) f (cA, c , ) B ...............
（二）反应分数与反应级数
r kc , c , α1
α2
i
A
B ..........
2A P
ABP
(cA0=cB0)
二级
rA
dcA d
k
k cA0 yA0 A
ln(1 yA0 AxA )
rA
dcA d
kcA
k ln(1 xA)
rA
dcA d
kcA2
cA0k
(1 A yA0 )xA
1 xA
yA0 A
恒温恒容间歇反应
X Af
dxA cA0
r X A0
A
cAf
dcA
r cA0
A
入口物料中不 含产物的情况
图解积分
X Af
dxA cA0
r X A0
A
cAf
dcA
r cA0
A
1/(rA)V 1/(rA)V
t/c A0
xA0
1/rA －xA
xAf x
k kA ln cBcA0 kA ln 1 xB cB0 cA0 cAcB0 cB0 cA0 1 xA
n级 n≠1
rA
dcA d
kcAn
kt
n
1
1
(c1An
2017年 1 月中央电大专科《化学反应过程及设备》期末考试题及答案
2017年 1 月中央电大专科《化学反应过程及设备》期末考试题及答案说明：试卷号：2629课程代码：02438适用专业及学历层次：应用化工技术；专科考试：形考（纸质、比例30%）；终考（纸考、比例70%）一、判断题1．一般地，生成速率为正，消耗速率为负。
(错)2．对同一催化剂来讲：P。
<PB<PP。
(错)3．级数在一定温度范围内保持不变，它的绝对值不会超过3，但可以是分数，也可以是负数。
(对)4．为了达到反应釜快速开车的目的，应该降低进料的温度，提高进料的流量。
(错)5．对于可逆反应，催化剂在加速正反应的同时，对逆反应无影响。
(错)。
二、名词解释6．热稳定性：是指当反应器受到热扰动后有无自行恢复到原热平衡状态的能力。
7．停留时间：从流体元进入反应器开始计时直到离开反应器为止所经历的时间称为该流体元的停留时间。
8．固定床反应器：流体通过静止的固体物料所形成的床层并进行反应的装置称为固定床反应器。
9．催化剂的比表面积：单位质量催化剂具有的表面积称为比表面积。
三、填空题10.一般可以将催化剂的失活分为、、三类。
老化结焦中毒11．返混是物料在时间上的混合。
逆向12．按床层中是否设置内部构件，流化床反应器可以分为和。
自由床限制床13．反应器的操作方式分、和。
间歇式连续式半连续式14.复杂反应大致可以分为、、和四类。
可逆反应平行反应连串反应自催化反应15.间歇反应器的一个操作周期的时间分两部分，即和反应时间辅助时间16. 一般形状系数越大（即越接近圆球体），空隙率越；颗粒表面越光滑，空隙率越；粒度越小，空隙率越；粒度分布越不均匀（即粒径分布越宽），空隙率越。
小小小小17.液体在搅拌器的作用下，在设备内的流动有三个方向，分别对应、和三种流动形态。
轴向流径向流切线流四、简答题18.简述流化床反应器的优点。
参考答案：流化床反应器具有以下优点：①从对催化剂的要求看，流化床可采用小颗粒且粒度范围较宽的催化剂，从而增大了气固相间的接触面积。
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
因为
nA0 nA nB 0 nB nR nR 0 nS nS 0 a b r s
rA rB rR rS r a b r S
故更为一般的速率表达式：
1 dni r viV dt
由反应进度可得：
1 d r V dt
2.2均相反应速率其他形式的表达： A、流动系统：
0
c
cA
A0
c A c A0
dcA kcA
22
恒温条件下，k为常数，积分得： 用转化率表示得：
ln
cA0 k cA
cA cA0ek
ln
1 k 1 xA
一级不可逆反应的几个重要特征： （1）.速率常数的单位：时间单位的倒数；（2）.浓度的对数与反应时间成线 性关系；（3）.反应时间长短仅与转化率高低有关，与初始浓度大小无关。 6.2恒温恒容不可逆二级反应： 两种情况：只有一种反应物且为二级反应；或者是其它反应物大量存在，因而在 反应过程中可视为常量；另一种是对某一反应物为一级，对另一反应物也是一级 ，二反应物初始浓度相等且为等分子反应时，可归结为第一种情况。
30
解题思路：
根据题意恒温恒容一级不可逆均相反应，求反应一定时间后物料的残余浓度 ，故选择公式 cA cA0ek 解题较简便。 对于多组分单一反应，反应物的反应量与产物的生成量之间有化学计量关系 的约束，可以根据它们的化学计量关系推导出它们反应过程中的浓度关系。 引申知识点： 对二级反应，要求残余浓度很低时，尽管初始浓度相差很大，但所需的反应 时间却相差很少。 6.4恒温变容不可逆反应：
26
例题介绍：
解：由
cA cA0ek
，将反应物的初始浓度，速率常数k和反应时间带入上式
第七章反应器选型与操作方式
代入，可求得VR1＝5.390m3 VR2＝5.487m3 故反应总体积为VR＝10.88m3
例题中五种反应器体积比较
• BSTR：
• PFR：
VR＝12.68m3
VR＝8.227m3
• CSTR：
VR＝14.68m3
• CSTR+CSTR（相等体积）: VR＝12.07m3 • CSTR+CSTR（最优体积）: VR＝10.88m3
0.8 min 0.8 min
VR 96 L VR 96 L
[5-5]在CSTR中进行液相反应
A 2R ,反应器体积 V 5L
,
进口浓度 C Ao 1mol l , C Bo 0 ,实验数据如下表：
No 1 2 3
vo /( cm3 s 1 )
2 15 15
T，(oC) 13 13 84
因此，A为限制性反应物
8 10 5 C Ao 0.016 kmol / m 3 0.004 0.001 C Bo 1 10 3 0.2k mol / m 3 0.004 0.001
C Ao C A1 x A1 1 26.67 s kCA1C B1 k (1 x A1 )(C Bo C Ao x A1 )
6. 理想流动反应器的体积比较
不同的动力学结论不同，甚至截然相反。
1/rA
1/rA
1/rA
FPR
xA
CSTR
xA
CSTR CASCADE
xA
影响反应体积大小的若干重要因素：
（a）转化率：转化率越高，体积差别越大
（b）反应级数：级数越高，体积差别越大 （c）串联级数：级数越多，体积差别越小 （d）膨胀率（因子）：膨胀越大，则返混影响越大，体积 差别也就越大。
化学反应动力学考题及答案
研究生课程考试成绩单（试卷封面）任课教师签名：日期：注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。
“简要评语”栏缺填无效。
2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。
3. 学位课总评成绩以百分制计分。
第一部分1.简答题（1）简述化学反应动力学与化学反应热力学、化学反应工程的关系。
答：化学反应动力学与化学反应热力学是综合研究化学反应规律的两个不可缺少的重要组成部分。
由于二者各自的研究任务不同，研究的侧重而不同，因而化学反应动力学与化学反应热力学既有显著的区别又互有联系。
化学反应热力学特别是平衡态热力学是从静态的角度出发研究过程的始态和终态，利用状态函数探讨化学反应从始态到终态的可能性，即变化过程的方向和限度，而不涉及变化过程所经历的途径和中间步骤。
所以，化学反应热力学不考虑时间因素，不能回答反应的速率历程。
因此，即使一个反应在热力学上是有利的，但如果在动力学上是不利的，则此反应事实上是不能实现的。
因此，要开发一个新的化学过程，不仅要从热力学确认它的可能性，还要从动力学方面研究其反应速率和反应机理，二者缺一不可。
从研究程序来说，化学反应热力学研究是第一位的，热力学确认是不可能的反应，也就没有必要再进行动力学的研究。
显然只有对热力学判定是可能的过程，才有进行动力学研究的必要条件。
（2）简述速控步、似稳态浓度法、似平衡浓度法的适用条件及其应用。
答：速控步：连续反应的总反应的速率决定于反应速率常数最小的反应步骤——最难进行的反应，称此为决定速率的步骤。
此结论也适应于一系列连续进行的反应；而且要满足一个条件即反应必须进行了足够长的时间之后。
似稳态浓度法：是对于不稳定中间产物的浓度的一种近似处理方法，视之近似看作不随时间变化，不仅常用于连续反应，对于其他类似的反应只要中间物不稳定，也可适用。
似平衡浓度法：在一个包括有可逆反应的连续反应中，如果存在速控步，则可以认为其他各反应步骤的正向、逆向间的平衡关系可以继续保持而不受速控步影响，且总反应速率及表观速率常数仅取决于速控步及它以前的反应步骤，与速控步以后的各步反应无关。
反应器的流动模式对反应效率的影响
反应器的流动模式对反应效率的影响在化学工程和许多相关领域中，反应器是实现化学反应的核心设备。
而反应器中的流动模式则对反应效率有着至关重要的影响。
理解和掌握这些流动模式的特点及其对反应效率的作用机制，对于优化化学反应过程、提高产品质量和产量具有重要意义。
流动模式，简单来说，就是反应物和产物在反应器内的流动方式。
常见的流动模式主要包括理想的平推流和全混流，以及实际中更复杂的非理想流动模式。
平推流模式下，反应物沿着反应器的轴向以相同的流速向前推进，就好像一列整齐的队伍，没有任何“插队”或“掉队”的情况。
在这种流动模式中，物料在反应器内没有返混，停留时间相同。
这意味着反应物在经过反应器的过程中，浓度逐渐降低，而反应产物的浓度逐渐增加。
由于没有返混，平推流反应器对于一些反应速率与反应物浓度密切相关的反应非常有利。
比如，对于一些快速反应，如果能够在平推流反应器中进行，可以有效地避免过度反应和副产物的生成，从而提高反应的选择性和效率。
与之相反，全混流模式则像是一个完全搅拌均匀的大容器。
进入反应器的物料瞬间与容器内的物料混合均匀，浓度处处相同。
在全混流反应器中，物料存在着强烈的返混，停留时间分布较宽。
这种流动模式对于一些反应速率对反应物浓度不敏感的反应较为适用。
例如，对于一些慢速反应，全混流可以保证反应物在反应器内有足够的时间进行反应，从而提高反应的转化率。
然而，在实际的化学反应过程中，反应器内的流动模式往往并非理想的平推流或全混流，而是介于两者之间的非理想流动模式。
造成非理想流动的原因有很多，比如反应器内部结构的不均匀、进料方式的不合理、搅拌效果的不理想等等。
非理想流动会导致反应物在反应器内的停留时间分布不均匀，从而影响反应效率。
为了更直观地理解流动模式对反应效率的影响，我们可以通过具体的反应来分析。
以一个简单的一级不可逆反应为例，假设反应速率常数为 k。
在平推流反应器中，反应的转化率可以通过公式计算得出，其结果往往比在全混流反应器中的转化率要高。
5 第七章 化学反应动力学基础
A P S
k1 k2
假设每一步反应都是一级反应，则
dc rA k1 c A dt dcP rP k1 c A k 2 c P dt dcS rS k2c P dt
反应开始时
c A c A,0
cP 0
k1t
cS 0
c A c A, 0 e
E愈大，反应速率对温度就愈敏感。
k A exp E RT
E 1 ln k ln A R T
lnk
E1 1 ln k1 ln A1 R T
2
1
E2 1 ln k2 ln A2 R T
E1>E2
o
1 T
例如， E＝4l.87 J／mol 0℃时，为使反应速率提高一倍，需将反应温度提高11℃。 E＝167，500 J／mol 0℃，提高3℃，反应速率提高一倍。 （3）E一定，同一反应，温度越低，反应速度对温度就 越敏感 例如，E＝4l.87 J／mol 0℃ 为使反应速率提高一倍需将反应温度提高11℃ 1000℃ 提高273℃
dnA
A
dnB
B
dnS
S
dnR
R
ni ni 0 ξ νi
dnA=dξ· A，
1 d A V dt rA
r 1 d V dt
（3）反应转化率
组 份A反 应 掉 的 摩 尔 数 xA 组 份A的 起 始 摩 尔 数
xA
n A, 0 n A n A, 0
有机物的二聚反应：如乙烯、丙稀、异丁烯及环戊二烯的 二聚反应等； 加成反应：烯烃的加成反应等； NaClO3的分解，乙酸乙酯的皂化，碘化氢、甲醛的热分解 等。
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• ※1.可逆反应过程的优化 • （1）反应物浓度的优化对反应速率的影响 • 对于可逆反应 k1
A R
k2
反应速率可用下式表示：
rA k1CA k2CR k1CA0 (1 xA ) k2CA0 xA
(6-1)
六.化学反应过程与设备的优化
六.化学反应过程与设备的优化
• a.当a1＜a2时，CA↓，SR↑ • 有利于生成较多的产物R，所以全混流反应器有利 于提高R的选择性，但所需的反应器体积较间歇反 应器或管式活塞流反应器大。故应做全面分析，再 作选择。 • b.当a1＞a2时，CA ↑，SR ↑ • 所以应选择间歇反应器或活塞流反应器，有利于生 成较多的产物R。 • b.当a1=a2时，SR=k1/k2=constant,选择性与反应物 浓度无关
• 由（6－3）和（6－4）可求得最优反应温度为：
E2 E1 D1 Topt E2 k20 xA ln( D D ) 2 3 R ln[ ( )] E1k10 1 xA
式中：
(6-5)
k20 E2 E2 E1 xA D1 , D2 , D3 R k10 E1 1 xA
六.化学反应过程与设备的优化
• 由式（6－5）可见， 最优反应温度不仅与 反应特性有关，而且 随转化率的变化而变 化，并随xA增加而降 低。 • 即对可逆放热反应， 其最优温度序列总是 先高后低的。图6－3 中所示的最优温度曲 线。
图6－3 最优温度线与平衡温度线
六.化学反应过程与设备的优化
• 当达到化学平衡时，－rA=0，由式（6－4）可 求得化学平衡的反应温度：
六.化学反应过程与设备的优化
• 2.平行反应过程优化 • （1）浓度对平行反应 产物选择性的优化 • ①一种反应物生成两种 生成物的平行分解反应
A R （主反应）
k1
A P （副反应）
k2
其反应生成目标产物R和副产物P的反应动力学方 dC a1 R 程式为： r k1C A R （ 6－ 7）
六.化学反应过程与设备的优化
• 对于可逆放热反应，显然，最优反应温度应 满足如下条件：
( rA ) 0 T
(6-3)
将式（6－1）改写为：
rA k10e
( E1 / RT )
CA0 (1 xA ) k20e
( E2 / RT )
CA0 xA
(6-4)
六.化学反应过程与设备的优化
六.化学反应过程与设备的优化
• 反应物为两种反应物生成一种主产物和一种 副产物的平行反应，即：
k1 A B R （主反应）
A B P （副反应）
k2
其反应动力学方程式分别为：
rR k C C , rP k2C C
1 1 1 A B
2 2 A B
六.化学反应过程与设备的优化
当达到化学平衡时，－rA=0，则有：
rA k1CA0 (1 xAe ) k2CA0 xAe 0
由上式可求得：
k1 (k1 k2 ) xAe
代入式（6－ห้องสมุดไป่ตู้）得：
rA (k1 k2 )CA0 ( xAe xA )
（6－2）
六.化学反应过程与设备的优化
• 对可逆反应过程，没有副产物的形成，故 优化的目标为反应速率最大，即达到规定 转化率时所需的反应器体积最小。由式（6 －2）可见，在反应温度恒定下，提高反应 物初始浓度（CA0），降低转化率，有利于 反应速率的提高。
六.化学反应过程与设备的优化
• （2）最优反应温度和最优温度序列
• 对可逆反应过程，温度的影响较之浓度效应复杂。 • 对可逆放热反应，k1、k2随温度升高而增大，而平衡 转化率（ xAe ）则随温度升高而减少，因此对每一个 转化率应存在一个使反应速率为最大的最优反应温度。 • 对可逆吸热反应，k1、k2和xAe均随温度升高而增大。 由式（6－2）可见，反应速率也随温度升高而增大。 所以最优反应温度也就是反应体系能承受的最高温度。
• 故反应的选择性为：
rR k1 1 2 1 2 SR CA CB rP k2
(6-10)
六.化学反应过程与设备的优化
• (2)温度对平行反应产物分布（即选择性）的优 化 • 当反应温度改变时，式（6－9）或（6－10） 中的k1/k2将随之改变，从而影响产物分布。根 据Arrhennius方程代入k1/k2得出:
k1 k10 e k2 k20
E2 E1 RT
(6-11)
六.化学反应过程与设备的优化
• 由式（6－11)可知， • 当E1＞E2时，T↑，k1/k2↑,SR↑,R产率↑ • 当E1＜E2时，T↑，k1/k2↓,SR↓,R产率↓
dt
dCP a2 rP k 2C A dt
（ 6－ 8）
六.化学反应过程与设备的优化
• 选择性：
rR k1 a1 a2 SR CA rP k2
（ 6－ 9）
可见优化的目标是使SR尽可能增大，亦得 到较多的R。对于给定温度下的反应系统， k1、k2、a1、a2均为常数。故改善产物分布 和选择性的唯一手段是调节反应物浓度CA， 这取决于主反应和副反应级数的相对高低。
E2 E1 Teq k20 xA R ln[ ( )] k10 1 xA
（ 6－ 6）
将式（6－6）标绘在T－xA相平面上，得到 图6－3所示的平衡温度曲线。
六.化学反应过程与设备的优化
• 由以上分析可知，存在最优温度序列是可 逆放热反应的一个重要特征，对反应过程 的优化具有重要的意义。为使达到预定转 化率的反应器体积最小，反应温度应随转 化率增加沿最优温度曲线逐步降低。