化學(xué)反應(yīng)工程-5

1、氣固催化反應(yīng)動力學(xué)Gas/Solid Catalysis reaction Kinetics 1催化劑結(jié)構(gòu)和制備化學(xué)吸附催化反應(yīng)動力學(xué)復(fù)習(xí)理想表面吸附 （必須掌握） 雙分子吸附2 單分子吸附 分子解離吸附 多分子吸附（惰性組分參加）非理想表面吸附 （了解）表面催化反應(yīng)速率 （必須掌握） 指數(shù)模型和對數(shù)模型 多分子層吸附 近似穩(wěn)態(tài)和速度控制步驟 速率方程推導(dǎo)3復(fù)習(xí)若第一步為控制步驟，試推導(dǎo)其動力學(xué)方程設(shè)有反應(yīng) ，其反應(yīng)步驟如下：補(bǔ)充作業(yè)52. 一氧化碳變換反應(yīng)：在較低溫度下，其動力學(xué)方程可表示為：試擬定該反應(yīng)的合適的反應(yīng)步驟第二章 反應(yīng)器內(nèi)的流體流動與混合Chapter 2 Fluid Flow

2、 & Mixture in Reactor幾種理想反應(yīng)器不同反應(yīng)器及反應(yīng)器的組合停留時間對轉(zhuǎn)化率選擇性的影響6停留時間分布測定停留時間分布與流動模型化學(xué)反應(yīng)器7 反應(yīng)器？ 工業(yè)反應(yīng)器：均勻性 均相反應(yīng)與非均相反應(yīng) 返混：是反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的具有不同停留時間的流體的混合理想反應(yīng)器8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)器的形式并不會影響化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性。但是物料在不同類型的反應(yīng)器中流動情況是不同的。簡單混合與返混9若相互混合的物料是在相同的時間進(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

3、前的物料完全相同。這種發(fā)生在停留時間相同的物料之間的均勻化過程，稱之為簡單混合。如果發(fā)生混合前的物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間不同，反應(yīng)程度就不同，組成也不會相同?；旌现蟮奈锪辖M成與混合前必然不同，反應(yīng)速率也會隨之發(fā)生變化，這種發(fā)生在停留時間不同的物料之間的均勻化過程，稱之為返混。10按物料在反應(yīng)器內(nèi)返混情況作為反應(yīng)器分類的依據(jù)將能更好的反映出其本質(zhì)上的差異。按返混情況不同反應(yīng)器被分為以下四種類型： 間歇反應(yīng)器 平推流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器 非理想反應(yīng)器 反應(yīng)器間歇反應(yīng)器11間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器（簡稱間歇反應(yīng)器）。在反應(yīng)器中物料被充分混合，但由于所有物料均為同一時間進(jìn)入的，物料之間的混合過程屬

4、于簡單混合，不存在返混。cA= cA0 exp(-kt)反應(yīng)器：A Product rA = k cA平推流反應(yīng)器12理想置換反應(yīng)器（又稱平推流反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器）。在連續(xù)流動的反應(yīng)器內(nèi)物料允許作徑向混合（屬于簡單混合）但不存在軸向混合（即無返混）。典型例子是物料在管內(nèi)流速較快的管式反應(yīng)器。 連續(xù)流動置換反應(yīng)器 t = L/u cA= cA0 exp(-kt)反應(yīng)器：A Product rA = k cA全混流反應(yīng)器13連續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨坌头磻?yīng)器（簡稱全混流反應(yīng)器）。在這類反應(yīng)器中物料返混達(dá)最大值。連續(xù)流動理想混合反應(yīng)器 cA = cA0/(1+kt)非理想流反應(yīng)器14非理想流反應(yīng)器。物料

5、在這類反應(yīng)器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反應(yīng)器及全混流反應(yīng)器之間?；瘜W(xué)反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)15物料衡算方程 物料衡算所針對的具體體系稱體積元。體積元有確定的邊界，由這些邊界圍住的體積稱為系統(tǒng)體積。在這個體積元中，物料溫度、濃度必須是均勻的。在滿足這個條件的前提下盡可能使這個體積元體積更大。在這個體積元中對關(guān)鍵組分A進(jìn)行物料衡算。16用符號表示：對于體積元內(nèi)的任何物料，進(jìn)入、排出、反應(yīng)、積累量的代數(shù)和為0。不同的反應(yīng)器和操作方式，某些項可能為0。化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)時間概念17 (1)反應(yīng)持續(xù)時間tr 簡稱為反應(yīng)時間，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)化率所需時間，

6、其中不包括裝料、卸料、升溫、降溫等非反應(yīng)的輔助時間。 (2)停留時間t和平均停留時間 停留時間又稱接觸時間，用于連續(xù)流動反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時間。18(3) 空間時間 其定義為反應(yīng)器有效容積VR與流體特征體積流率0之比值。即空間時間是一個人為規(guī)定的參量，它表示處理在進(jìn)口條件下一個反應(yīng)器體積的流體所需要的時間。空間時間不是停留時間時間概念19(4)空間速度SV 有空速和標(biāo)準(zhǔn)空速之分?？账俚囊话愣x為在單位時間內(nèi)投入單位有效反應(yīng)器容積內(nèi)的物料體積。即：標(biāo)準(zhǔn)空速定義為：時間概念間歇反應(yīng)器20反應(yīng)物料一次投入反應(yīng)器內(nèi)，在反應(yīng)過程中不再向反應(yīng)器內(nèi)投料，也不向外排出，待反應(yīng)達(dá)到要求的

7、轉(zhuǎn)化率后，再全部放出反應(yīng)物料。反應(yīng)器內(nèi)的物料在攪拌的作用下其參數(shù)（溫度及濃度）各處均一。間歇反應(yīng)器特點(diǎn)21 由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中各位置的物料溫度、濃度都相同；由于一次加料，一次出料，反應(yīng)過程中沒有加料、出料，所有物料在反應(yīng)器中停留時間相同，不存在不同停留時間物料的混合，即無返混現(xiàn)象；出料組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；為間歇操作，有輔助生產(chǎn)時間。一個生產(chǎn)周期應(yīng)包括反應(yīng)時間、加料時間、出料時間、清洗時間、加熱（或冷卻）時間等。反應(yīng)過程中沒有進(jìn)料和出料的反應(yīng)器22間歇反應(yīng)器問題：濃度cA與反應(yīng)時間t的關(guān)系反應(yīng)速率的定義：rA = - dcA/dt間歇反應(yīng)器設(shè)計方程23反應(yīng)器有效

8、容積中物料溫度、濃度相同，故選擇整個有效容積VR作為衡算體系。在單位時間內(nèi)，對組分A作物料衡算：24整理得當(dāng)進(jìn)口轉(zhuǎn)化率為0時，分離變量并積分得為間歇反應(yīng)器設(shè)計計算的通式。它表達(dá)了在一定操作條件下，為達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率xA所需的反應(yīng)時間tr。間歇反應(yīng)器設(shè)計方程25在恒容條件下，上式可簡化為：間歇反應(yīng)器內(nèi)為達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間tr，只是動力學(xué)方程式的直接積分，與反應(yīng)器大小及物料投入量無關(guān)。間歇反應(yīng)器設(shè)計方程 間歇反應(yīng)器設(shè)計計算的通式。它表達(dá)了在一定操作條件 下，為達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率xA所需的反應(yīng)時間tr。26間歇反應(yīng)器設(shè)計方程反應(yīng)時間與濃度反應(yīng)速率方程：rA = k cA cA= cA0 e

9、xp(-kt)27一級不可逆反應(yīng)二級反應(yīng)28反應(yīng)速率方程：rA = k cA2 cA= cA0-1 + kt-1反應(yīng)時間與濃度29反應(yīng)速率方程：rA = k cAcA= cA0-1 + kt-(-1)反應(yīng)時間與濃度30反應(yīng)時間與濃度間歇反應(yīng)器31反應(yīng)器的設(shè)計原則質(zhì)量衡算、能量衡算、動量衡算質(zhì)量衡算：積累速率 = 輸入速率輸出速率反應(yīng)消耗速率反應(yīng)生成速率反應(yīng): Aproduct-dNA = VrAdtdt = dNA /VrA(NA)dt = -dcA /rA(cA)反應(yīng)速率：rA反應(yīng)體積：V總質(zhì)量：N反應(yīng)物濃度：cA 反應(yīng)器體積計算32反應(yīng) Aproduct-dNA = VrAdtNA = N

10、A0(1-xA)NA0dxA/dt=VrAdt= cA0dxA / rA體積不變！間歇反應(yīng)器33反應(yīng) Aproduct-dNA = VrAdtNA = NA0(1-xA)NA0dxA/dt=VrAdt= cA0dxA / rA ?體積變化？NA0/V cA0V=V0(N/N0)=V0(1+ xA)cA0=NA0/V0dt= cA0dxA / rA(1+xA)間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器體積計算34反應(yīng)器體積=生產(chǎn)強(qiáng)度*批次生產(chǎn)所需時間生產(chǎn)強(qiáng)度：單位時間處理物料量，m3/h, m3/min,批次生產(chǎn)時間：反應(yīng)時間+輔助時間35反應(yīng) Aproduct輔助時間 t0反應(yīng)器體積=生產(chǎn)強(qiáng)度*(t+t0)間歇反應(yīng)

11、器體積計算36反應(yīng)器體積=生產(chǎn)強(qiáng)度*t生產(chǎn)強(qiáng)度NA 0 /cA0cA是確定的！間歇反應(yīng)器體積計算37對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即單位時間處理的原料量FAkmol.h-1以及原料組成CA0kmol.m-3、達(dá)到的產(chǎn)品要求xAf及輔助生產(chǎn)時間t、動力學(xué)方程等，均作為給定的條件，設(shè)計計算出間歇反應(yīng)器的體積。間歇反應(yīng)器設(shè)計計算過程38由式 計算反應(yīng)時間tr；計算一批料所需時間tt； tt=tr+t t為輔助生產(chǎn)時間計算每批投放物料總量FA； FA=Fatt計算反應(yīng)器有效容積VR；間歇反應(yīng)器設(shè)計計算過程39計算反應(yīng)器總體積VR。反應(yīng)器總體積應(yīng)包括有效容積、分離空間、輔助部件占有體積。通常有效容積占總體積分率為

12、6085，該分率稱為反應(yīng)器裝填系數(shù)，由生產(chǎn)實際決定。間歇反應(yīng)器設(shè)計計算過程間歇反應(yīng)器的體積計算反應(yīng)器體積=生產(chǎn)強(qiáng)度批次生產(chǎn)所需時間生產(chǎn)強(qiáng)度：單位時間處理物料量，m3/h, m3/min由式 計算反應(yīng)時間tr； 計算一批料所需時間tt； tt=tr+t t為輔助生產(chǎn)時間 計算生成強(qiáng)度 計算反應(yīng)器有效容積VR；考慮裝填因子40小結(jié)41某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70用間歇釜并以H2SO4作催化劑進(jìn)行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實驗測得反應(yīng)動力學(xué)方程為：cA0=4 kmol.m-3例題42若每天處理2400kg己二酸，每批操作輔助生產(chǎn)時間為1h，反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75，求：(1)轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5，0.6，0.8，0.9時，所需反應(yīng)時間為多少?(2)求轉(zhuǎn)化率為0.8，0.9時，所需反應(yīng)器體積為多少?例題43解：(1)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間為：xA=0.5xA=0.6 tr=3.18hxA=0.8 tr