化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本原理

1、第八章 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本原理 8.1 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)概述 8.2 工業(yè)反應(yīng)器 8.3 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 8.4 化學(xué)反應(yīng)器中物料的流動(dòng)模型 8.5 反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間分布 8.6 理想流動(dòng)模型的停留時(shí)間分布一、研究對(duì)象：工業(yè)反應(yīng)器二、研究?jī)?nèi)容（1）化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)； （2）傳遞過(guò)程對(duì)反應(yīng)速率的影響； 宏觀動(dòng)力學(xué) （3）反應(yīng)器放大8.1 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)概述研究?jī)?nèi)容（1）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；（2）反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析注意： （1） 工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)較之實(shí)驗(yàn)室規(guī)模要復(fù)雜得多，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上影響不大的質(zhì)量和熱量傳遞因素，在工業(yè)規(guī)?？赡芷鹬鲗?dǎo)作用。在工業(yè)反應(yīng)器中既有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，又有物理過(guò)程。物理過(guò)程與化

2、學(xué)過(guò)程相互影響，相互滲透，有可能導(dǎo)致工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模大相徑庭。（2） 工業(yè)反應(yīng)器中對(duì)反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響的主要物理過(guò)程是： 由物料的不均勻混合和停留時(shí)間不同引起的傳質(zhì)過(guò)程； 由化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)產(chǎn)生的傳熱過(guò)程； 多相催化反應(yīng)中在催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散與傳熱過(guò)程。這些物理過(guò)程與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程同時(shí)發(fā)生。 反應(yīng)過(guò)程與物理過(guò)程關(guān)系： 從本質(zhì)上說(shuō)，物理過(guò)程不會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律不因?yàn)槲锢磉^(guò)程的存在而發(fā)生變化。但是流體流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱過(guò)程會(huì)影響實(shí)際反應(yīng)場(chǎng)所的溫度和參與反應(yīng)的各組分濃度在空間上的分布，最終影響到反應(yīng)的結(jié)果。5三、化學(xué)反應(yīng)分類一、按反應(yīng)系統(tǒng)涉及的相態(tài)分類1 均

3、相反應(yīng)：氣相均相反應(yīng)和液相均相反應(yīng)。2 非均相反應(yīng)：氣固相，氣液相，氣 液固相反應(yīng)等。二、按有無(wú)催化劑1 催化反應(yīng)2 非催化反應(yīng)6四、化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法 化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法是數(shù)學(xué)模型法。數(shù)學(xué)模型法是對(duì)復(fù)雜的難以用數(shù)學(xué)全面描述的客觀實(shí)體，人為地做某些假定，設(shè)想出一個(gè)簡(jiǎn)化模型，并通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化模型的數(shù)學(xué)求解，達(dá)到利用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)方程描述復(fù)雜物理過(guò)程的目的。五、數(shù)學(xué)模型法1建立簡(jiǎn)化物理模型73建立數(shù)學(xué)模型 依照物理模型和相關(guān)的已知原理，寫出描述物理模型的數(shù)學(xué)方程及其初始和邊界條件。4用模型方程的解討論客體的特性規(guī)律2. 對(duì)復(fù)雜客觀實(shí)體，在深入了解基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，設(shè)想一個(gè)物理過(guò)程(模型)

4、代替實(shí)際過(guò)程。簡(jiǎn)化必須合理，即簡(jiǎn)化模型必須反映客觀實(shí)體，便于數(shù)學(xué)描述和適用。8利用數(shù)學(xué)模型解決化學(xué)反應(yīng)工程問(wèn)題1小試研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律；2大型冷模實(shí)驗(yàn)研究傳遞過(guò)程規(guī)律；3利用計(jì)算機(jī)或其它手段綜合反應(yīng)規(guī)律和傳遞規(guī)律，預(yù)測(cè)大型反應(yīng)器性能，尋找優(yōu)化條件；4熱模實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的等效性。93 半連續(xù)操作：反應(yīng)器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些則是連續(xù)流動(dòng)通過(guò)反應(yīng)器。1 間歇操作：一批物料投入反應(yīng)器后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的反應(yīng)再取出的操作方法。2 連續(xù)操作：反應(yīng)物料連續(xù)地通過(guò)反應(yīng)器的操作方式。按操作方式分類8.2 工業(yè)反應(yīng)器8.2.1 工業(yè)反應(yīng)器類型101 管式反應(yīng)器：一般長(zhǎng)徑比大于302 槽式反應(yīng)

5、器：一般高徑比為133 塔式反應(yīng)器：一般高徑比在330之間按反應(yīng)器型式按傳熱條件1等溫反應(yīng)器 整個(gè)反應(yīng)器維持恒溫。2絕熱反應(yīng)器 反應(yīng)器與外界沒有熱量交換，全部反應(yīng)熱效應(yīng)使物料升溫或降溫。3非等溫、非絕熱反應(yīng)器 與外界有熱量交換，但不等溫。11按原理分1固定床反應(yīng)器 2流化床反應(yīng)器3移動(dòng)床反應(yīng)器4. 滴流床反應(yīng)器12重油的催化裂化流化床反應(yīng)器13攪拌釜式反應(yīng)器14鄰二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反應(yīng)器15乙苯加氫氣液塔式反應(yīng)器16輕油裂解制乙烯管式非催化反應(yīng)器8.3 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、化學(xué)反應(yīng)式SRBAsrba反應(yīng)物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的過(guò)程用定量關(guān)系式予以描述時(shí),該定量關(guān)系式稱為化學(xué)反應(yīng)式二、

6、反應(yīng)程度（反應(yīng)進(jìn)度）0SRBAsrba8.3.1 反應(yīng)相關(guān)的基本概念I(lǐng)0IInn nI：體系中參與反應(yīng)的任意組分I的摩爾數(shù)；I：其計(jì)量系數(shù)；nI0：起始時(shí)刻組分I的摩爾數(shù)。討論：1. 恒為正值，具有廣度性質(zhì)，因次為mol。2. 反應(yīng)進(jìn)行到某時(shí)刻，體系中各組分的摩爾數(shù)與反應(yīng)程度的關(guān)系為：II0I nn三、轉(zhuǎn)化率A0A0AAAnnnAx組分的起始量組分量轉(zhuǎn)化了的 普遍使用著眼組分A的轉(zhuǎn)化率來(lái)描述一個(gè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。組分A的選取原則：A必須是反應(yīng)物，它在原料中的量按照化學(xué)計(jì)量方程計(jì)算應(yīng)當(dāng)可以完全反應(yīng)掉（與化學(xué)平衡無(wú)關(guān)），即轉(zhuǎn)化率的最大值應(yīng)當(dāng)可以達(dá)到100%，如果體系中有多于一個(gè)組份滿足上述要求，

7、通常選取重點(diǎn)關(guān)注的、經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)高的組分定義轉(zhuǎn)化率。轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)程度的關(guān)系0AAA0AnnnxI0II nnA0AAnx四、收率五、選擇性收率：生成目的產(chǎn)物消耗關(guān)鍵組分的量除以關(guān)鍵組分的初始量。選擇性：生成目的產(chǎn)物消耗關(guān)鍵組分的量除以已轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分量。22(1)反應(yīng)持續(xù)時(shí)間tr （反應(yīng)時(shí)間） 用于間歇反應(yīng)器。指反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到所要求的反應(yīng)程度或轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間，其中不包括裝料、卸料、升溫、降溫等非反應(yīng)的輔助時(shí)間。(2)停留時(shí)間t（接觸時(shí)間） 用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間。t8.3.2 反應(yīng)相關(guān)的時(shí)間概念(3)平均停留時(shí)間t 各質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的平均值。2

8、3(4)空間時(shí)間 其定義為反應(yīng)器有效容積VR與流體特征體積流率V0之比值。即 0RVV注意：空間時(shí)間是一個(gè)人為規(guī)定的參量，它表示處理在進(jìn)口條件下一個(gè)反應(yīng)器體積的流體所需要的時(shí)間?？臻g時(shí)間不是停留時(shí)間24(5)空間速度SV 空速的一般定義為在單位時(shí)間內(nèi)投入單位有效反應(yīng)器容積內(nèi)的物料體積。即：1R0VhVVS1RNOVhVVS標(biāo)準(zhǔn)空速定義為：8.3.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一、反應(yīng)速率 定義為單位反應(yīng)體積內(nèi)反應(yīng)程度隨時(shí)間的變化率13smmoldd1tVr13AAsmmoldd1tnVrnA：反應(yīng)體系內(nèi)，反應(yīng)物A的摩爾數(shù)；V：反應(yīng)體積；t：時(shí)間；264D3C2BA對(duì)于反應(yīng) 以反應(yīng)物B為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為：

9、以反應(yīng)產(chǎn)物C為基準(zhǔn)定義的反應(yīng)速率為：13BBsmmoldd1tnVr13CCsmol.mdd1tnVr27 必有 當(dāng)I為反應(yīng)物時(shí)， I為產(chǎn)物時(shí)， DCBA413121rrrrIIrrIIrr 28二、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率因素之間的關(guān)系式稱為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。大量實(shí)驗(yàn)表明，均相反應(yīng)的速率是反應(yīng)物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。而反應(yīng)壓力通?？捎煞磻?yīng)物系的組成和溫度通過(guò)狀態(tài)方程來(lái)確定，不是獨(dú)立變量。所以主要考慮反應(yīng)物系組成和溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。29對(duì)于體系中只進(jìn)行一個(gè)不可逆反應(yīng)的過(guò)程式中： cA，cB：A，B組分的濃度 mol.m-3 kc為以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)，隨反應(yīng)

10、級(jí)數(shù)的不同有不同的因次。kc是溫度的函數(shù)，在一般工業(yè)精度上，符合阿累尼烏斯關(guān)系。SRBAsrba13BAcAsmmolnmcckr30阿累尼烏斯關(guān)系 kc0 ：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無(wú)關(guān)，具有和反應(yīng)速率常數(shù)相同的因次。 E：活化能，Jmol-1，從化學(xué)反應(yīng)工程的角度看，活化能反映了反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度。RTEkkec0c31反應(yīng)級(jí)數(shù) m，n：A，B組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)，m+n為此反應(yīng)的總級(jí)數(shù)。 如果反應(yīng)級(jí)數(shù)與反應(yīng)組份的化學(xué)計(jì)量系數(shù)相同，即m=a并且n=b，此反應(yīng)可能是基元反應(yīng)?；磻?yīng)的總級(jí)數(shù)一般為1或2，極個(gè)別有3，沒有大于3級(jí)的基元反應(yīng)。對(duì)于非基元反應(yīng)，m，n多數(shù)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的經(jīng)驗(yàn)

11、值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是負(fù)數(shù)。32 把化學(xué)反應(yīng)定義式和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程相結(jié)合，可以得到： 直接積分，可獲得化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的積分形式。nmckctnVrBAAAdd133 對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，恒容過(guò)程，有： 由上式可以看出，對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間與反應(yīng)物的初始濃度cA0無(wú)關(guān)。AAAddkctcrAA0A11lnlnxcckt34半衰期 定義反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。除一級(jí)反應(yīng)外，反應(yīng)的半衰期是初始濃度的函數(shù)。例如 二級(jí)反應(yīng)2AAddkctcAA0A0AA1111xxccckt0A211kct 在工業(yè)上化學(xué)反應(yīng)必然要在某種設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，這種設(shè)備

12、就是反應(yīng)器。根據(jù)各種化學(xué)反應(yīng)的不同特性，反應(yīng)器的形式和操作方式有很大差異。 從本質(zhì)上講，反應(yīng)器的形式并不會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性。但是物料在不同類型的反應(yīng)器中流動(dòng)情況是不同的。8.4 化學(xué)反應(yīng)器中物料的流動(dòng)模型36簡(jiǎn)單混合與返混 若相互混合的物料是在相同的時(shí)間進(jìn)入反應(yīng)器的，具有相同的反應(yīng)程度，混合后的物料必然與混合前的物料完全相同。這種發(fā)生在停留時(shí)間相同的物料之間的均勻化過(guò)程，稱之為簡(jiǎn)單混合簡(jiǎn)單混合。 如果發(fā)生混合前的物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同，反應(yīng)程度就不同，組成也不會(huì)相同?；旌现蟮奈锪辖M成與混合前必然不同，反應(yīng)速率也會(huì)隨之發(fā)生變化，這種發(fā)生在停留時(shí)間不同的物料之間的均勻化過(guò)程，稱之為返混返混。378.4.1 全混流模型 連續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌?/p>