反應(yīng)工程課件第一章PPT演示課件

1、溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素，對(duì)于不同類型的反應(yīng)，其影響程度是不相同的。 1.4.1 溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度 1）溫度對(duì)不同類型單反應(yīng)速率的影響 2）可逆放熱反應(yīng)的最佳溫度曲線 3）最佳溫度的實(shí)現(xiàn) 1.5.2 溫度對(duì)多重反應(yīng)速率的影響 1）平行反應(yīng) 2）連串反應(yīng),1.4 溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響及最佳反應(yīng)溫度,1.4.1 溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度 1）溫度對(duì)不同類型單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度 不可逆吸熱反應(yīng) 不可逆放熱反應(yīng) 可逆吸熱反應(yīng) 可逆放熱反應(yīng),溫度,反應(yīng)速率常數(shù),平衡常數(shù),1) 不可逆吸熱反應(yīng)對(duì)于單反應(yīng),溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響包括平衡常數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)兩個(gè)方面，不可擬反

2、應(yīng)不受平衡常數(shù)的限制，因此只考慮溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的影響。對(duì)不可擬吸熱反應(yīng)當(dāng)溫度升高時(shí)，k會(huì)增大，反應(yīng)速率也相應(yīng)增大。 （2) 不可逆放熱反應(yīng) 當(dāng)溫度升高時(shí)，k會(huì)增大，反應(yīng)速率也相應(yīng)增大。 由于反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度的升高而升高，因此，無(wú)論是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)，都應(yīng)該在盡可能高的溫度下進(jìn)行，以獲得較大的反應(yīng)速率，但在實(shí)際生產(chǎn)中，要考慮以下問(wèn)題： a）溫度過(guò)高，催化劑活性下降或失活； b）設(shè)備材質(zhì)的選取 c）熱能的供應(yīng) d）伴有副反應(yīng)時(shí)，會(huì)影響反應(yīng)的選擇性,例1 硫鐵礦的焙燒反應(yīng)： 4FeS2 +11O2 = 2Fe2O3+8SO2 是一個(gè)不可逆的放熱反應(yīng)，實(shí)際上FeS2高于400就開(kāi)始分解，溫度

3、越高反應(yīng)速率越快，工業(yè)上一般在850-950 之間操作，反應(yīng)器爐內(nèi)襯耐火磚，但溫度再高會(huì)使燒渣熔化，物料熔結(jié)會(huì)影響正常操作。Fe2O3的熔點(diǎn)1560 ， FeO的熔點(diǎn)1377 。例2 煅燒石灰石制取CO2及CaO的反應(yīng)：CaCO3 = CaO + CO2是一個(gè)不可擬的吸熱反應(yīng)，通?？咳紵固亢蜔o(wú)煙煤供給熱量，理論上常壓下800開(kāi)始分解，溫度越高反應(yīng)速率越快，可以縮短煅燒時(shí)間，工業(yè)上控制在1100-1200 范圍之內(nèi)，溫度再過(guò)高，可能會(huì)出現(xiàn)熔融狀態(tài)，發(fā)生掛壁或結(jié)瘤。而且還會(huì)使石灰石變成堅(jiān)硬不易消化的“過(guò)燒石灰,3）可逆吸熱反應(yīng),隨溫度的升高，k1升高， 升高， 升高， 也升高總的結(jié)果，隨溫度的升

4、高，總的反應(yīng)速率提高。因此，對(duì)于可逆吸熱反應(yīng)，也應(yīng)盡可能在較高溫度下進(jìn)行，這樣既有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率，又可提高反應(yīng)速率。同時(shí)，也應(yīng)考慮一些因素的限制,例如，天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是可逆吸熱反應(yīng)，提高溫度有利于提高反應(yīng)速率并提高甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率，但考慮到設(shè)備材質(zhì)等條件限制，一般轉(zhuǎn)化爐內(nèi)溫度小于800-850,4）可逆放熱反應(yīng),隨溫度的升高，k1升高， 降低， 降低， 也降低總的結(jié)果，反應(yīng)速率受兩種相互矛盾的因素影響,溫度較低時(shí)，由于 數(shù)值較大， 1，此時(shí)，溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的影響要大于對(duì) 的影響，總的結(jié)果，溫度升高，反應(yīng)速率提高。 隨著溫度的升高， 的影響越來(lái)越顯著，也就是說(shuō)，隨著溫度的升高，反應(yīng)

5、速率隨溫度的增加量越來(lái)越小，當(dāng)溫度增加到一定程度后，溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)和平衡常數(shù)的影響相互抵消，反應(yīng)速率隨溫度的增加量變?yōu)榱恪?隨著溫度的增加，由于溫度對(duì)平衡常數(shù)的影響發(fā)展成為矛盾的主要方面，因此，反應(yīng)速率隨溫度的增加而降低,Top T,rA,最佳溫度：對(duì)于某一可逆放熱反應(yīng)，在一定的反應(yīng)物系組成下，具有最大反應(yīng)速率的溫度稱為相應(yīng)于這個(gè)組成的最佳溫度,2）可逆放熱單反應(yīng)的最佳溫度曲線 (1) 最佳溫度曲線 由相應(yīng)于各轉(zhuǎn)化率的最佳溫度所組成的曲線，稱為最佳 溫度曲線?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論計(jì)算得到。 (2) 最佳溫度曲線的測(cè)定 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同轉(zhuǎn)化率時(shí)rAT曲線圖。 如圖（13），將各轉(zhuǎn)化率的最佳溫

6、度連接起來(lái)，即為最佳溫度曲線，如圖中的虛線,3) 最佳溫度曲線計(jì)算 對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，如果沒(méi)有副反應(yīng)，則最佳溫度曲線可由動(dòng)力學(xué)方程用一般求極值的方法求出,a) TopTe關(guān)系,b) 最佳溫度曲線 由（TexA）關(guān)系xATe曲線(平衡曲線)計(jì)算同一xA的Top曲線（最佳溫度曲線）。 對(duì)于縱坐標(biāo)xA和橫坐標(biāo)T，若是平衡曲線，則為,若是最佳溫度曲線，則為,對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，xA不斷升高，相應(yīng)的最佳溫度隨之降低，一直保持反應(yīng)速率最大,溫度,轉(zhuǎn)化率,平衡曲線,最佳溫度曲線,reversible exothermic reaction,0.0,0.20,0.40,0.60,0.80,x,r

7、(x,T,從圖中可以看出，a）當(dāng)轉(zhuǎn)化率不變時(shí)，存在著最佳反應(yīng)溫度b）轉(zhuǎn)化率增加時(shí)，最佳溫度及最佳溫度下的反應(yīng)速率都降低,最佳溫度曲線Optimal temperature profile,轉(zhuǎn)化率,最佳溫度,最佳溫度,轉(zhuǎn)化率,3）最佳溫度的實(shí)現(xiàn) （1）問(wèn)題的提出：由Toe曲線可知： X低時(shí)，T應(yīng)高；X高時(shí)，T應(yīng)低。 實(shí)際情況： 開(kāi)始T 較低， X也較低； 后期T 較高， X也較高 正好相反，如何解決？ （2）解決辦法: a、前期快速升溫。 b、反應(yīng)過(guò)程中后期不斷移熱。 （3）實(shí)施方案： a、分段反應(yīng)，段間換熱。 b、邊反應(yīng)，邊移熱,1.4.2 溫度對(duì)多重反應(yīng)速率的影響 1）平行反應(yīng) （1)平行反

8、應(yīng)的基本模式 討論條件：恒容；等溫；A2大量過(guò)剩；均為擬一級(jí)不可逆反應(yīng)；C10=C10, C30=0, C40=0。 分析： S3=C3/(C10-C1) 思路：要求S3=?,先求C1和C3，如何求？ （2)平行反應(yīng)的速率方程,3）平行反應(yīng)的選擇率,S3=C3/(C10-C1,4）討論,當(dāng)E1E2時(shí) 提高反應(yīng)溫度對(duì)主反應(yīng)有利 當(dāng)E1E2時(shí) 溫度對(duì)選擇性無(wú)影響 當(dāng)E1E2時(shí) 降低反應(yīng)溫度對(duì)主反應(yīng)有利,2）連串反應(yīng),組分A3是第一個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物，又是第二個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)物，故其凈生成速率應(yīng)等于第一反應(yīng)生成速率與第二反應(yīng)消耗速率之差，由于化學(xué)計(jì)量系數(shù)相等，因而也等于組分A1的消耗速率與組分A4的生成速率之

9、差，即 如果目的產(chǎn)物是A4，即A4的生成量應(yīng)盡可能大，A3的生成量應(yīng)盡量減少。這種情況比較簡(jiǎn)單，只要提高反應(yīng)溫度即可達(dá)到目的。因?yàn)樯叻磻?yīng)溫度，k1和k2都增大,如果目的產(chǎn)物為A3，情況就復(fù)雜得多。若反應(yīng)在等容下進(jìn)行，反應(yīng)速率可以dc/dt表示，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可得出組分A3的收率Y3與組分A1的轉(zhuǎn)化率x1及反應(yīng)速率常數(shù)之比值k2/k1的函數(shù)，如圖1-4所示。 當(dāng)A2過(guò)量時(shí)，t=0時(shí)，c1=c10，c3=0,其中每一曲線相應(yīng)于一定的 k2/k1值。由圖可見(jiàn)，轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，A3的收率Y3總是隨k2/k1值的增加而減少。圖中的虛線為極大點(diǎn)的軌跡,由于比值k2/k1僅為溫度的函數(shù)（如為催化反應(yīng)，則對(duì)一定的

10、催化劑而言），可以通過(guò)改變溫度即改變k2/k1來(lái)考察收率與溫度間的關(guān)系，由于若ElE2 ，則溫度越高， k2/k1比值越小， A3的收率Y3大，A4的收率Y4越小。如果目的產(chǎn)物為A3，可見(jiàn)采用高溫有利。若E1E2 ，情況相反，在低溫下操作可獲得較高的A3的收率， A4的收率則較低。但應(yīng)注意，溫度低必然使反應(yīng)速率變慢，致使反應(yīng)器的生產(chǎn)能力下降。以上所述，系針對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，對(duì)于非一級(jí)不可逆反應(yīng)，也可作類似的分析，但數(shù)學(xué)處理較難,思考題1 下列平行反應(yīng)，在其它條件不變的情況下，如可選擇反應(yīng)溫度,思考題2 下列連串反應(yīng)，在其它條件不變的情況下，試討論L和M分別為主產(chǎn)物時(shí)，如可選擇反應(yīng)溫度,1.5

11、反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及基本設(shè)計(jì)方程 1.5.1反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ),1）根據(jù)反應(yīng)過(guò)程的化學(xué)基礎(chǔ)和生產(chǎn)工藝的基本要求，進(jìn)行反應(yīng)器的選型設(shè)計(jì)。 （2）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)與有關(guān)流體力學(xué)、熱量、質(zhì)量傳遞過(guò)程綜合的宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，計(jì)算反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸，主要是影響催化床內(nèi)溫度分布和流體流動(dòng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)尺寸。 （3）反應(yīng)器的機(jī)械設(shè)計(jì),4）在機(jī)械設(shè)計(jì)可行的前提下.進(jìn)行改變結(jié)構(gòu)尺寸和操作溫度、流體流動(dòng)條件對(duì)反應(yīng)器的穩(wěn)定操作和適應(yīng)一定幅度的催化劑失活和產(chǎn)量、產(chǎn)品質(zhì)量和選擇率、收率等方面的工藝要求的工程分析，然后確定反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。 （5）反應(yīng)器投產(chǎn)后，還要綜合生產(chǎn)實(shí)踐反饋來(lái)的效果改進(jìn)今后同一類型化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)討。 （6）開(kāi)發(fā)新型反應(yīng)器

12、,化學(xué)反應(yīng)器是為了進(jìn)行指定產(chǎn)品生產(chǎn)及其原料制備過(guò)程的反應(yīng)設(shè)備，必須對(duì)所面向的產(chǎn)品的化學(xué)特征和現(xiàn)有生產(chǎn)方法、流程及操作條件等工藝內(nèi)容有足夠的認(rèn)識(shí),1）化學(xué)基礎(chǔ) （1）應(yīng)掌握化學(xué)及催化劑研究工作者所獲有關(guān)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，催化劑對(duì)主、副反應(yīng)的促進(jìn)及抑制能力，對(duì)反應(yīng)溫度、原料組成、壓力、空速的要求和在一定條件下能獲得的轉(zhuǎn)化率、選擇率和收率的研究成果。 （2）應(yīng)掌握反應(yīng)過(guò)程的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和黏度、導(dǎo)熱系數(shù)及擴(kuò)散系數(shù)等物性數(shù)據(jù)。 （3）研究工作者所進(jìn)行的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究大都是在等溫條件下，通過(guò)改變反應(yīng)物系進(jìn)口組成、空速和溫度等參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再經(jīng)整理而得的本征動(dòng)力學(xué)，缺少反應(yīng)器設(shè)計(jì)需要的內(nèi)、外擴(kuò)散過(guò)程及還原、失活等過(guò)

13、程影響的工業(yè)顆粒催化劑宏觀動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。在這種情況下，反應(yīng)器設(shè)計(jì)工作者往往只能按本征動(dòng)力學(xué)計(jì)算，再加以校正，或者在工業(yè)反應(yīng)的壓力和相應(yīng)的組成及溫度范圍內(nèi)測(cè)試工業(yè)顆粒催化劑包含內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程在內(nèi)的宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，再加以校正,4）許多與流體、固體顆粒流動(dòng)狀況密切相關(guān)的反應(yīng)器，如流化床反應(yīng)器，按工業(yè)反應(yīng)器考慮的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，又稱為反應(yīng)器級(jí)或床層級(jí)宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，必須在顆粒級(jí)宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上考慮流動(dòng)狀況的影響，這些問(wèn)題往往是當(dāng)今反應(yīng)工程研究工作者的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。 （5）盡管催化劑開(kāi)發(fā)的研究工作者對(duì)催化劑的失活與毒物的品種及含量，起始活性溫度 和耐熱溫度等問(wèn)題進(jìn)行過(guò)必要的實(shí)驗(yàn)研究，但最好多了解工業(yè)反應(yīng)器中

14、催化劑的實(shí)際操作運(yùn)行情況，如工業(yè)催化劑的失活與毒物含量使用時(shí)間的關(guān)系.催化反應(yīng)操作失控而導(dǎo)致飛溫，由于氣-液、氣-固等反應(yīng)器各種部件設(shè)計(jì)不妥導(dǎo)致流體分布不均，從而達(dá)不到設(shè)計(jì)工藝指標(biāo)等方面的實(shí)際案例，以便對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、操作和原料氣制備方面提出必要的改進(jìn)建議,2）生產(chǎn)工藝及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù) 化學(xué)反應(yīng)器雖是過(guò)程工業(yè)眾多裝置中的主要裝置，但設(shè)計(jì)和操作要從屬于多尺度、多層次的整個(gè)工業(yè)過(guò)程大系統(tǒng)的要求。 一般說(shuō)來(lái)，較大規(guī)模工業(yè)過(guò)程有關(guān)規(guī)模、選址、采用的原料和主要生產(chǎn)工藝須首先經(jīng)項(xiàng)目論證，由政府主管部門根據(jù)國(guó)家建設(shè)和科學(xué)發(fā)展觀的經(jīng)濟(jì)需要來(lái)批準(zhǔn)，其次，要根據(jù)投資、原料消耗、能量消耗和回收等方面的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)

15、保安全方面的要求來(lái)考慮，確定整個(gè)生產(chǎn)工藝中各有關(guān)工序的流程、裝備和主要操作條件，大型工業(yè)過(guò)程含有多個(gè)生產(chǎn)工序，往往其中許多工序都有化學(xué)反應(yīng)器，它們的設(shè)計(jì)參數(shù)相互有機(jī)地聯(lián)系,3）安全生產(chǎn)技術(shù) 有一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，即安全生產(chǎn)技術(shù)，主要是防爆、防泄漏、防污染，除壓力設(shè)備 系統(tǒng)因超壓導(dǎo)致爆炸，以及加工不良導(dǎo)致可燃、有毒氣體逸出。 反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面。一方面是在確定的生產(chǎn)任務(wù)條件下，即已知原料量、原料組成和對(duì)產(chǎn)品要求，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定反應(yīng)器的工藝尺寸，即反應(yīng)器的直徑、高度等。另一方面是反應(yīng)器的校核計(jì)算，即已有一給定的反應(yīng)器（已知反應(yīng)器大小）確定產(chǎn)品達(dá)到一定質(zhì)量要求的前提下，能否完成產(chǎn)量；或保持一定產(chǎn)量時(shí)，質(zhì)量是否合格,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容,動(dòng)力學(xué)方程式,物料衡算方程式,熱量衡算方程式,動(dòng)量衡算方程式,反應(yīng)速率，過(guò)程速率,反應(yīng)體系中各組分濃度,反應(yīng)溫度，各物料溫度,反應(yīng)壓力,1.5.2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程,1) 物料衡算方程式,物料衡算以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，是計(jì)算反應(yīng)器體積的基本方程。對(duì)間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器，由于反應(yīng)器中濃度均勻，可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器作物料衡算。對(duì)于反應(yīng)器中物料濃度沿長(zhǎng)度具有分布的反應(yīng)器，應(yīng)選取反應(yīng)器微元體積，假定在這些微元體積中濃度和溫度均勻，對(duì)該微元作物料衡算，將這些微元加和起來(lái)，成為整個(gè)反應(yīng)器。對(duì)反應(yīng)器