化學(xué)反應(yīng)工程要點解析課件

圖解積分示意圖t/cA0[rA]-1xxAfxA0t[rA]-1cAcAfcA0圖3－2等溫間歇液相反應(yīng)過程t/cA0的圖解積分圖3－3等溫間歇液相反應(yīng)過程反應(yīng)時間t的圖解積分(3-4)全混流反應(yīng)器接觸時間τ的圖解積分圖3-8全混流反應(yīng)器單反應(yīng)的1/rA-cA曲線達到相同的轉(zhuǎn)化率，管式反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積小于釜式反應(yīng)器4.3.1正常動力學(xué)若:XAf>XAm，則Vrp>Vrm若：XAf<XAm，則Vrp<Vrm此時，可以：釜式與管式的串聯(lián)4.3.3有極大值情況[例3－4]生化工程中酶反應(yīng)A→R為自催化反應(yīng)，反應(yīng)速率式rA=kcAcR，產(chǎn)物R是過程的催化劑，因此進口原料中含有原料R，某溫度下k=1.1512m3/(kmol.min)，采用的原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3,原料的進料量為10m3/h，要求A的最終濃度降到0.01kmol/m3，求：（1）反應(yīng)速率達到最大時，A的濃度為多少？（2）采用全混流反應(yīng)器，反應(yīng)器體積是多大？（3）采用平推流反應(yīng)器，反應(yīng)器體積是多大？（4）組合方式的最小反應(yīng)器體積。[例3－4]生化工程中酶反應(yīng)A→R為自催化反應(yīng)，反應(yīng)速率式rA=kcAcR，產(chǎn)物R是過程的催化劑，因此進口原料中含有原料R，某溫度下k=1.1512m3/(kmol.min)，采用的原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3,原料的進料量為10m3/h，要求A的最終濃度降到0.01kmol/m3，求：（1）反應(yīng)速率達到最大時，A的濃度為多少？（2）采用全混流反應(yīng)器，反應(yīng)器體積是多大？（3）采用平推流反應(yīng)器，反應(yīng)器體積是多大？（4）組合方式的最小反應(yīng)器體積。解：cArA00.51.0cA0cAf顯然，cA=0.5kmol/m3時，速率達最大值。(1)(2)全混流反應(yīng)器(3)平推流反應(yīng)器1/rAcAcA0cAf(4)CSTR+PFR：最優(yōu)組合cAm組合反應(yīng)器的總體積=0.216m3+0.507m3=0.723m3對于等容過程，，因此，通過實驗確定，就可求出也可寫為：對于離散型測定值，則有3）的關(guān)系(4-17)(4-18)(4-19)2.方差方差也稱離散度，是用來度量隨機變量與其均值的偏離程度，是E(t)對平均停留時間的二階矩，其定義為：對離散型測定值，可見方差是停留時間分布離散程度的量度，σt2越小，越接近平推流，對于平推流反應(yīng)器，所有的物料質(zhì)點的停留時間相等，且等于VR/V用此式可由實驗數(shù)據(jù)求出方差。(4-20)(4-21)3.對比時間為了方便起見，常用對比時間作為變量。對比時間的定義1）相應(yīng)的停留時間分布密度2）相應(yīng)的停留時間分布函數(shù)

3）用θ表示方差，即，有4）對平推流：對全混流：對實際流型：四、理想流型反應(yīng)器的停留時間分布對于平推流和全混流，可以直接計算停留時間分布函數(shù)和分布密度。1.平推流對于平推流反應(yīng)器，物料質(zhì)點的停留時間相同。當為等容過程時，物料質(zhì)點的停留時間等于整個物料的平均停留時間：t=tm。1.01.0t0t1t2t30C()Cst0tt=0tt=01注入平推流全混流1.01.0應(yīng)答θθ(c/c0)S(c/c0)S圖4－5理想反應(yīng)器階躍注入應(yīng)答曲線（停留時間分布函數(shù)曲線）0.631如圖（4－6）平推流的停留時間分布密度如下：（4－29）（4－30）2.全混流設(shè)進行階躍注入實驗，反應(yīng)器的容積為VR，物料的體積流量為V，達到穩(wěn)態(tài)后，從t=0開始，將進料切換為含示蹤劑濃度為C0的物料，在切換后某dt時間內(nèi)，對全釜作物料衡算：進入的示蹤劑量=流出的示蹤劑量+示蹤劑的積累量ttm0.6311.0第一章緒論1.化學(xué)反應(yīng)工程是一門研究______________的科學(xué)。（化學(xué)反應(yīng)的工程問題）2.化學(xué)反應(yīng)工程是一門研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題的科學(xué)，既以_______作為研究對象，又以_______為研究對象的學(xué)科體系。（化學(xué)反應(yīng)、工程問題）3._______是化學(xué)反應(yīng)工程的基礎(chǔ)。（三傳一反）4.化學(xué)反應(yīng)過程按操作方法分為_______、_______、_______操作。（分批式操作、連續(xù)式操作、半分批式）5.化學(xué)反應(yīng)工程中的“三傳一反”中的三傳是指_______、_______、_______。（傳質(zhì)、傳熱、動量傳遞）6.不論是設(shè)計、放大或控制，都需要對研究對象作出定量的描述，也就要用數(shù)學(xué)式來表達個參數(shù)間的關(guān)系，簡稱_______。（數(shù)學(xué)模型）7.在建立數(shù)學(xué)模型時，根據(jù)基礎(chǔ)資料建立物料、熱量和動量衡算式的一般式為_______。（累積量=輸入量-輸出量）8.“三傳一反”是化學(xué)反應(yīng)工程的基礎(chǔ)，其中所謂的一反是指_______。（D）A．化學(xué)反應(yīng)B.反應(yīng)工程C.反應(yīng)熱力學(xué)D.反應(yīng)動力學(xué)9.“三傳一反”是化學(xué)反應(yīng)工程的基礎(chǔ)，下列不屬于三傳的是_______。（A）A.能量傳遞B.質(zhì)量傳遞C.熱量傳遞D.動量傳遞進入SO2氧化器的氣體組成（摩爾分數(shù)）為：

SO2:3.07%;SO3:4.6%;O2:8.44%;N2:83.89%離開反應(yīng)器的氣體中SO2的含量為1.5%，試計算SO2的轉(zhuǎn)化率。例13.化學(xué)膨脹因子(Chemicalexpansionfactor)在恒溫恒壓的連續(xù)系統(tǒng)中發(fā)生反應(yīng)對于液相反應(yīng)，反應(yīng)前后物料的體積流量變化不大，一般作為恒容過程。對于氣相反應(yīng)，反應(yīng)前后物料的體積流量變化較大,一般為變?nèi)葸^程。

設(shè)A為關(guān)鍵組分。1)定義

每轉(zhuǎn)化1molA時，反應(yīng)混合物增加或減少的物質(zhì)的量為化學(xué)膨脹因子，即：例1－1計算下列反應(yīng)的化學(xué)膨脹因子1.A+B→P+S2.A→P+S3.A+3B→2P解：1.δA=[(1+1)－(1+1)]/1=02.δA=[(1+1)－1)]/1=13.δA=[2－(1+3)]/1=－2反應(yīng)混合物量不變反應(yīng)混合物量增加反應(yīng)混合物量減少例2假設(shè)反應(yīng)物系中包含下列反應(yīng)組分：CH4,H2O,CO,CO2，N2,H2,求獨立反應(yīng)數(shù)及可能的反應(yīng)方程式。體系中含有H2

CO2

H2ON2

CH4CO6種組分，其原子矩陣為：H2

CO2

H2ON2

CH4CO202040H010011C021001O000200NH2CO2

H2ON2CH4CO

100041H→H2010011C→CO20010-2-1O→H2O000100N→N2于是獲得CH4=4H2+CO2-2H2OCO=H2+CO2-H2O①選擇關(guān)鍵組分：所選的和排在原子矩陣的最后兩列②非關(guān)鍵組分應(yīng)包含所有元素例：乙烯氧化生成環(huán)氧乙烷，進料：乙烯15mol，氧氣7mol,出料中乙烯為13mol,氧氣為4.76mol,試計算乙烯的轉(zhuǎn)化率，環(huán)氧乙烷的收率及選擇率。解：C2H4＋0.5O2→C2H4OC2H4＋3O2→2CO2＋2H2OxA=(15mol－13mol)/15mol=0.133第一個反應(yīng)所消耗的乙烯＝轉(zhuǎn)化的乙烯×S第二個反應(yīng)所消耗的乙烯＝轉(zhuǎn)化的乙烯×（1－S）故有：2mol×S×0.5+2mol×(1－S)×3=7mol－4.76molS=0.752Y=第一個反應(yīng)所消耗的乙烯÷加入的乙烯總量（15mol）故Y＝2×0.752÷15=0.100或Y＝xAS=0.1001-1銀催化劑上進行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng)進入反應(yīng)器的原料中，甲醇：空氣：水蒸氣＝2：4：1.3（摩爾比），反應(yīng)后甲醇轉(zhuǎn)化率達72％，甲醛的收率為69.2％。計算（1）反應(yīng)的選擇率；（2）反應(yīng)器出口的氣體組成。解：（1）反應(yīng)選擇率S=Y/S=69.2%/72%=96.11%（2）設(shè)進入反應(yīng)器的原料量為100mol，反應(yīng)器進料組成如下：組成物質(zhì)的量ni0(mol)CH3OH27.397H2O17.808O211.468N242.756注：空氣中O2占20.93%N2占78.03%組成物質(zhì)的量ni(mol)摩爾分數(shù)yi(%)CH3OH7.6717.02HCHO18.95917.35CO20.7670.702H2O38.30135.04O20.8380.767N242.75639.12小計109.2921反應(yīng)器出口組成如下：CH3OH：27.397×(1-72%)=7.671molCH2O：27.397×69.2%=18.959molCO2：27.397×72%-18.959=0.767molH2O：18.959+0.767×2+17.808=38.01molO2：11.468-18.959/2-1.5×0.767=0.838molN2：42.756mol1-2甲醇合成過程中含有組分CO、CO2、H2、CH3OH、H2O、N2和CH4。已知反應(yīng)器進口各組分的摩爾分數(shù)yi,in,i代表各組分。取CO和CO2加氫反應(yīng)為關(guān)鍵反應(yīng)，分別導(dǎo)出（1）出口氣體中關(guān)鍵組分的摩爾分數(shù)為yCO2和yCO時；（2）出口氣體中關(guān)鍵組分的摩爾分數(shù)為yCH3OH和yCO2時,其余各組分摩爾分數(shù)的計算表達式。解：取CO和CO2加氫反應(yīng)為關(guān)鍵反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：其中（2）＝（1）＋（3），故可?。?）、（2）或（1）、（3）為關(guān)鍵反應(yīng)式。進口出口組分摩爾分率摩爾流量摩爾流量摩爾分率COCO2H2CH3OH__H2ON2CH4小計11(1)出口氣體中關(guān)鍵組分摩爾分數(shù)為yCO2和yCO由可得進口出口組分摩爾分率摩爾流量摩爾流量摩爾分率COCO2H2CH3OH__H2ON2CH4小計11(2)出口氣體中關(guān)鍵組分摩爾分數(shù)為yCH3OH和yCO2由可得1-3確定下列反應(yīng)物系的獨立反應(yīng)數(shù)。(2)[CO2