化学反应工程第一章课件.ppt

1、教科书教科书 李绍芬，反应工程，天大出版社李绍芬，反应工程，天大出版社 参考书：参考书：H.Scott Fogler,“Elements of H.Scott Fogler,“Elements of Chemical Reaction Engineering”,Chemical Reaction Engineering”,Prentice HallPrentice Hall（第三版有中译本，李正元（第三版有中译本，李正元等译，化学反应工程）等译，化学反应工程）SchmidtSchmidt L.DL.D，The Engineering of The Engineering of Chemical

2、 ReactionChemical Reaction（靳海波等译，化学反（靳海波等译，化学反应工程应工程).课程主要内容课程主要内容-天大李绍芬教材天大李绍芬教材基础部分基础部分Ch1-5 Ch1-5 等温理想反应器等温理想反应器多相反应器：多相反应器：催化反应的反应机理及及反应器设计与分析催化反应的反应机理及及反应器设计与分析Ch6-Ch6-7 7反应速率数据处理技术反应速率数据处理技术复杂反应计算策略复杂反应计算策略反应器稳定性分析反应器稳定性分析应用部分应用部分聚合反应工程聚合反应工程 Ch8Ch8燃烧反应、燃烧反应、链式反应及反应器安全链式反应及反应器安全环境反应工程环境反应工程生化反

3、应工程生化反应工程电化学反应工程电化学反应工程.Ch.1 Ch.1 导论导论化工过程流程化工过程流程 化学工业、冶金、石油炼制和能源加工化学工业、冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：组成部分：原料原料产物产物副产物副产物原料预原料预处理处理（纯化）（纯化）化学反应化学反应过程过程产物的分产物的分离与提纯离与提纯 和两部分属于单元操作的研究范围；和两部分属于单元操作的研究范围；部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程

4、的核心。的核心。.化学反应工程的研究内容化学反应工程的研究内容 化学反应工程化学反应工程 化学反应工程是化学工程学科的一个重化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即要分支，主要包括两个方面的内容，即反应反应动力学动力学与与反应器分析与设计反应器分析与设计。反应动力学反应动力学：研究化学反应进行的机理：研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等。其中速率方程可表示为：程及反应活化能等。其中速率方程可表示为：r=fr=f（T

5、 T、C C、P P）（对于一定的反应物系）而言，随时间、空（对于一定的反应物系）而言，随时间、空间变化。其中，间变化。其中，r r为反应系统中某一组分的反为反应系统中某一组分的反应速率，应速率，C C代表浓度，代表浓度，P P为系统的总压。为系统的总压。.反应器设计分析反应器设计分析：研究反应器内上述：研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。反应器型式和尺寸。化学反应是研究反应本身的规律，与化学反应是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而与反应器反应器内各局部的状况有关，而与反应器总体的性态无关。所以可以说反应动力

6、学总体的性态无关。所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上）着手。面上（体上）着手。.Chemical Reaction Engineering(CRE)Chemical Reaction Engineering(CRE)is the field that studies the rates is the field that studies the rates and mechanisms of chemical reactions and mechanisms of chemical reactions and the desi

7、gn of the reactors in and the design of the reactors in which they take place.which they take place.Fogler Fogler.化学反应工程研究方法化学反应工程研究方法（1 1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理后仍能反应事物的本质。后仍能反应事物的本质。（2 2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相互关系，掌握各种现象

8、的规律，以及对反应的作互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作用，找出数学关联式。用，找出数学关联式。（3 3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间和时间分布特点和时间分布特点选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条件件最优化的技术指标最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。.转化率、选择性和收率转化率、选择性和收率转化率转化率：针对反应物，反应物中价值最高的

9、组：针对反应物，反应物中价值最高的组分为关键组分（设为分为关键组分（设为A A）。）。设设A A起始摩尔数起始摩尔数N NA0A0，反应后摩尔数，反应后摩尔数N NA A，转，转化量化量N NA0 A0 N NA A，则，则 X XA A=(N=(NA0 A0-N-NA A)/N)/NA0A0的起始量该反应物某一反应（关键组分）量物（关键组分）的转化X.选择性选择性：收率：收率：由上述定义式，可得由上述定义式，可得X X、S S和和Y Y之间的关系之间的关系 Y=SX Y=SXAARRRAnnnnS00已转化的关键组分量关键组分量生成目标产物所消耗的00ARRRAnnnY起始的关键组分量关键组

10、分量生成目标产物所消耗的.例例1.1 1.1 已知已知HClHCl过量过量10%10%，出口处氯乙烯摩尔分率，出口处氯乙烯摩尔分率90%90%，计算，计算乙炔和氯化氢的转化率乙炔和氯化氢的转化率 C C2 2H H2 2+HCl CH+HCl CH2 2CHClCHCl 计算基准：进口计算基准：进口100 molC100 molC2 2H H2 2(关键组分关键组分）由由x/(210-x)=0.90 x/(210-x)=0.90得得x=99.47molx=99.47molX XC2H2 C2H2=99.47/100=0.9947=99.47%=99.47/100=0.9947=99.47%X

11、XHClHCl=99.47/110=0.9043=90.43%=99.47/110=0.9043=90.43%反应组分反应组分反应器进反应器进口口(mol)(mol)变化量变化量(mol)(mol)反应器出口反应器出口（mol)mol)C C2 2H H2 2 100-x100-xHClHCl110-x110-xCHCH2 2CHClCHCl0 xx总计210-x.例题例题2 2：计算基准：进口原料量：计算基准：进口原料量100mol100mol。关键组分：关键组分：C C2 2H H4 4.化学计量表如下：化学计量表如下：C C2 2H H4 4+1/2O+1/2O2 2 CH CH2 2C

12、HCH2 2O O 变化量变化量 x 0.5x x -0.5x x 0.5x x -0.5xC C2 2H H4 4+3O+3O2 2 2CO 2CO2 2+2H+2H2 2O O y 3y 2y 2y 0 y 3y 2y 2y 0 x+y 0.5x+3y x+y 0.5x+3y 总变化量总变化量 -0.5x-0.5x.反应组分反应组分反应器进反应器进口口(mol)(mol)转化量转化量反应器出口反应器出口C C2 2H H2 2 15-x-y15-x-yO27-0.5x-3y7-0.5x-3yC C2 2H H4 4O O0 xxCO2102y10+2yH2O02y2yAr12012N256

13、056总计100-0.5x100-0.5x.(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131 及及(7-0.5x-3y)/(100-0.5x)=0.048(7-0.5x-3y)/(100-0.5x)=0.048解方程组得：解方程组得：x=1.518mol;y=0.495molx=1.518mol;y=0.495mol乙烯转化量乙烯转化量=x+y=1.518+0.495=2.013=x+y=1.518+0.495=2.013 乙烯转化率乙烯转化率 X=2.013/15=13.4%X=2.013/15=13.4%环氧乙烷选择性环氧乙烷选择性S=x

14、/(x+y)=1.518/2.013=0.754S=x/(x+y)=1.518/2.013=0.754 环氧乙烷收率环氧乙烷收率 Y=x/15=1.518/15=0.101 Y=x/15=1.518/15=0.101.化学反应及反应器分类化学反应及反应器分类 化学反应的分类化学反应的分类按相态分类按相态分类：可分为均相和非均相：可分为均相和非均相 均相：气相，液相，固相均相：气相，液相，固相 非均相：气固，气非均相：气固，气液，液液，液固，气液固，固液，液液，液固，气液固，固固固按反应特征分类按反应特征分类 单一反应：单一反应：复合反应：复合反应：平行反应平行反应 连串反应连串反应 并列反应并

15、列反应 B.热力学特征分类热力学特征分类 可逆和不可逆；放热和吸热；恒容和非恒可逆和不可逆；放热和吸热；恒容和非恒容容 控制步骤分类控制步骤分类 稳态和非稳态（连续）稳态和非稳态（连续）连续稳态：某一反应器的反应速率在特定连续稳态：某一反应器的反应速率在特定的空间不随时间变化的空间不随时间变化其它分类方法？其它分类方法？.化学反应器分类化学反应器分类按反应系统涉及的相态分类按反应系统涉及的相态分类，分为，分为均相反应均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。，包括气相均相反应和液相均相反应。非均相反应非均相反应，包括气，包括气固相，气固相，气液相，气液相，气液液固相反应等。固相反应等。按操作方

16、式分类按操作方式分类，分为，分为间歇操作间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反应再取出的操作方法。时间的反应再取出的操作方法。间歇式间歇式=分批式分批式连续操作连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。式。半连续操作半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地，指反应器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。.3 3、按反应器型式来分类，分为、按反应器型式来分类，分为（1 1）管式反应器管式反应器，一般长径比大于，一般长径比大于30

17、30。PFRPFR（2 2）釜（槽）式反应器釜（槽）式反应器，一般高径比为，一般高径比为2323。CSTRCSTR（3 3）塔式反应器，一般高径比在塔式反应器，一般高径比在310310几之间几之间（4 4）固定床）固定床（5 5）流化床）流化床（6 6）移动床）移动床（7 7）滴流床）滴流床（8 8）其它）其它.4 4、按传热条件分类，分为、按传热条件分类，分为（1 1）等温反应器，整个反应器维持恒温，等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。这对传热要求很高。（2 2）绝热反应器，反应器与外界没有热绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或量交换，全部反应热效应

18、使物料升温或降温。降温。（3 3）非等温、非绝热反应器，与外界有非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。热量交换，但不等温。.重油的催化裂化流化床反应器.乙苯加氢气液塔式反应器乙苯加氢气液塔式反应器.轻油裂解制乙烯管式非催化反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器.反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程设计内容设计内容：（）选择合适型式（）选择操作方式，确定最佳：（）选择合适型式（）选择操作方式，确定最佳操作条件（）根据操作条件，确定反应器体积。操作条件（）根据操作条件，确定反应器体积。设计基本方程设计基本方程物料衡算式：物料衡算式：关键组分关键组分i i的输入速率的输入速率 关键组分

19、关键组分i i的输出速率的输出速率 关键组分关键组分i i的转化速率的转化速率 关键组分关键组分i i的累积速率的累积速率 能量衡算式：能量衡算式：单位时间内输入热量单位时间内输入热量 单位时间内输出热量单位时间内输出热量 单位时间反应单位时间反应热热 单位时间内累积热量单位时间内累积热量 动量衡算式：动量衡算式：输入的动量输入的动量 输出的动量输出的动量 消耗的动量消耗的动量 累积的动量累积的动量 进进-出出+生成生成=累积累积 In-Out+Generation=Accumulation In-Out+Generation=Accumulation.反应器摩尔平衡反应器摩尔平衡-通用方程通

20、用方程F Fj0j0F Fj j系统体积系统体积V VG Gj jF Fj0j0-F-Fj j+G+Gj j=dN=dNj j/dt/dt.式中式中N Nj j为物种为物种j j在任意时间在任意时间t t在系统中的摩尔数，若在系统中的摩尔数，若系统参数（温度、压力、浓度、催化剂活性等）在整个系统参数（温度、压力、浓度、催化剂活性等）在整个系统中分布均匀，则系统中分布均匀，则j j的生成速率恰为体积的生成速率恰为体积V V与生成速率与生成速率r rj j的乘积：的乘积：G Gj j =r=rj j V Vmol/t mol/(t.L)Lmol/t mol/(t.L)L.假设假设J J的生成速率随

21、着系统体积中的位置而的生成速率随着系统体积中的位置而异，则在位置异，则在位置1 1时，体积微元时，体积微元V V1 1中的均匀中的均匀速率为速率为r rj1j1，在位置，在位置2 2时为时为r rj2j2，.则体积微元则体积微元V V1 1中中j j的生成速率的生成速率G Gj1j1:G Gj1j1=r rj1j1V V1 1 同样可写出其它体积微元的生成速率。如同样可写出其它体积微元的生成速率。如果系统体积可分成果系统体积可分成M M个体积微元，则总生成个体积微元，则总生成速率为：速率为：取极限（取极限（V V1 1 0,M0,M )()(微元足够小，微元足够小，数目足够多）数目足够多）Mi

22、ijiMijijVrGGVjjdVrG.代入式代入式F Fj0j0-F-Fj j+G+Gj j=dN=dNj j/dt/dt中，得中，得dtdNdVrFFjVjjj0.Hw1:Text.Ch1 Hw1:Text.Ch1 题题1.11.1；复习：复习：化工热力学：化学反应热与化学反应平衡化工热力学：化学反应热与化学反应平衡化工动力学化工动力学预习：预习：Ch2Ch2课堂问题：课堂问题：在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？dtdCrjj.习题习题1.11.1题解答题解答说明说明（1 1）根据进口原料根据进口原料molmol比换算成百分比比换算成百分比，以，以

23、100mol100mol进料为基准计算容易一些。进料为基准计算容易一些。（2 2）关键组分选甲醇，各物质流向更清）关键组分选甲醇，各物质流向更清楚楚（3 3）空气中）空气中N N2 2是惰性组分，计算时单列是惰性组分，计算时单列（不参加反应）（不参加反应）（4 4）得到的反应后各物质）得到的反应后各物质molmol数再转换数再转换成成molmol百分含量或百分含量或molmol分率。分率。.在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？解答：解答：由通用（一般）设计方程由通用（一般）设计方程间歇式进出口流率为零，间歇式进出口流率为零，F FA0A0=0,F=0,FA A=0=0，所以，所以为关键组分AdtdCrA,-AdtdNdVrFFAVAAA0dtdNdVrAVA.dtdCdtVNdrVNCdtVNddtdNVrdtdNVrVrdVrdVrAAAAAAAAAAVAVAA)()(1假设反应器各处速率均匀，即假设反应器各处速率均匀，即:r rA A在反应器空间与位置无关在反应器空间与位置无关得到得到恒容时恒容时又因为又因为因此因此最后得到最后得到间歇（理想反应器）间歇（理想反应器）设计方程设计方程恒容恒容间歇反应间歇反应器设计方程器设计方程.